木麻黃基干林帶對臺風“杜蘇芮”的防風效應

朱煒 林捷 施能深 吳國偉

摘要：為了解海防林對臺風的防護效應，以惠安赤湖國有防護林場的監(jiān)測站收集的“杜蘇芮”臺風登陸前后的氣象數據為材料，分析了臺風登陸前后近地層的風速風向、湍流強度及防風效能和氣流加速率的特征規(guī)律。結果表明：（1）臺風登陸前后的平均風速和風向時程變化特征滿足了臺風眼區(qū)經過的條件，平均風速曲線呈顯著的“M”形雙峰分布，通過采集到的臺風眼區(qū)、眼壁和外圍強風的完整風況數據，完整展示了臺風經過林帶前后風速、風向的演變過程。（2）湍流強度的時程整體變化趨勢隨著臺風靠近和離去呈現(xiàn)增大-減小-劇增-回落的過程，尤其臺風后風圈影響的區(qū)域，湍流強度劇烈增大，強度可增大2倍以上。（3）向岸風在垂直方向上，弱風或強風的防風效能隨高度增加而降低，高度相同，林帶后弱風的防風效能小于強風，水平方向上，林內，林帶后1H和5H處防風效能最好，在高度3m平均防風效能為49.57%～93.93%，在高度9m平均防風效能為44.04%～90.10%；離岸風在垂直方向上，隨著氣流靠近林帶，弱風或強風的氣流加速率隨高度增加而增大，林帶后1H高度3m氣流加速率平均為0.2193，高度9m氣流加速率平均為0.3242，林內氣流加速率達到最低值，而風越過林帶后，弱風風速恢復到88%左右，強風的氣流則有個加速的過程。分析結果將為今后沿海防護林的減災防災生態(tài)系統(tǒng)服務功能和效益評價提供參考。

關鍵詞：木麻黃；基干林帶；臺風；杜蘇芮；防風效應

中圖分類號：S727.23文獻標志碼： A

Windbreak effect of Casuarina equisetifolia?main shelterbelt on Typhoon Doksuri

Zhu Wei¹， Lin Jie¹， Shi Nengshen²， Wu Guowei²

（1. Fujian Forestry Academy of Sciences， Fuzhou Fujian 350012， China；2. Fujian Province Huian Chihu State-owned Protective Forest Farm， Quanzhou Fujian 362131， China

Abstract：Through the construction of the monitoring station of the Chihu State-owned Protective Forest Farm in Hui'an， Fujian Province， the collection of weather data before the landing of the "Doksuri" typhoon on July 28， 2023， based on real-time observed timing change data， the study of the characteristic rules of wind direction， wind intensity， windbreak effect， and air flow acceleration of the near-ground layer of the typhoon before and after landing， the results showed that： （1） The average wind speed before and after the landing of the typhoon and the characteristics of the change in the direction of the wind to the time to meet the conditions of passing the Typhoon eye area， the average wind velocity curve had a significant "M" type of bimodal distribution， and through the collection of the complete weather data of the eye region， the eye wall， and the peripheral strong wind， fully demonstrated the process of the evolution of wind speed and wind direction through the forest belt. （2） The overall trend of change in the timing of the turbulence intensity as the typhoon approached and departed showed the process of enlarging - decreasing - sharply increasing - falling， especially in the areas affected by the circle after the typhoon， the turbulence intensity increases sharply， and the intensity can increase by more than twice. （3） In the vertical direction， the windbreak effect of weak or strong winds decreased with the increase in height， the height was the same， but the windbreak effect of weak winds behind the forest belt was lower than that of strong winds， in the horizontal direction， the windbreak effect was the best in the forest， at 1H and 5H behind the forest belt， with a windbreak effect range of 49.57% to 93.93% for a height of 3m and 44.04% to 90.10% for a height of 9m; The offshore wind was in the vertical direction， and as the airflow approached the forest belt， the acceleration rate of weak or strong winds increased with height. The average acceleration rate of the airflow at a height of 3m and 9m after the forest belt is 0.2193 and 0.3242， respectively. The airflow acceleration rate inside the forest reached its lowest value， after the wind passes through the forest belt， the weak wind speed recovers to around 88%， and the airflow of strong winds undergoes an acceleration process. The analysis results will provide a reference for the evaluation of the disaster reduction and prevention ecosystem service functions and benefits of coastal protective forests in the future and have important significance for the study of the structure and function of coastal protective forests.

Key words：Casuarina equisetifolia; main shelterbelt; typhoon; Doksuri; windbreak effect

臺風是發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上的一種具有暖心結構的強烈氣旋性渦旋^[1]，活動范圍廣，移動時伴有巨浪、狂風、暴雨和風暴潮，對沿海地區(qū)的人類生活和生產具有極強的破壞力^[2]。我國地處西北太平洋西岸，海岸線綿長，每年約有7～9個臺風登陸我國，是全球臺風災害最嚴重的國家之一^[3]。由于臺風與良態(tài)風相比，在微觀結構及湍流特性上均存在顯著差別^[4]，且實驗室難以模擬，現(xiàn)場觀測是目前較為有效的研究手段。發(fā)達國家開展強風特性實測研究起步較早，積累了大量數據資料，并應用建立的風特性數據庫，在時間或空間上通過大規(guī)模的觀測工作得到了比較完整的分析結果^[5]。我國在近地層臺風現(xiàn)場觀測研究中通常利用高層測風塔^[6]、多普勒雷達^[7]或當地氣象站^[8]觀測的數據分析臺風影響期間的平均風速、湍流強度、極端風速、陣風因子、摩擦速度等風場特性的演變特征^[3]，并取得了一些研究成果，但這些成果多應用在工程結構的抗風設計、輸電線路設計和風電機組選型等方面。

20世紀50年代末以來，我國東南沿海已建立起綿延數千里的木麻黃（Casuarina equisetifolia）防護林帶，從根本上改善了沿海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。沿海防護林建立在陸地海岸帶的前沿，經受著強烈的海陸風和風暴潮的干擾，不僅減弱了風的動能，減輕風的直接侵害，而且還可以減少因為風所攜帶的飛沙、飛?鹽、海潮等對受災物的二次或間接侵害^[9]。臺風登陸對森林造成風害的成因、評估模型、風險預測、災后恢復及其對森林生態(tài)系統(tǒng)結構、過程、功能的影響等研究均有相關報道^[10]。而作為沿海防護的第一道防護屏障木麻黃基干林帶^[11]，防風效能是評價防護林減風降速的重要指標之一^[12]，本項目也發(fā)表過針對木麻黃基干防護林帶應用長期觀測的年序列風速數據進行不同季節(jié)、風向防風效能的研究^[13]。由于臺風登陸具有隨機性，且登陸時依靠人力進行觀測出于安全因素考慮不可行，因此對臺風經過防護林帶時實時觀測風速的變化特征及防護效應方面的研究較少。

本研究通過設置在福建省惠安赤湖國有防護林場的生態(tài)定位監(jiān)測站，利用布設在林帶前、林內和林帶后的6個觀測塔完整捕捉了2023年7月28日“杜蘇芮”臺風登陸前后的氣象數據，應用收集的數據分析整個過程的風況變化，擬解決臺風登陸前后平均風速、風向時程變化特征，臺風登陸前后湍流特性時程變化特征和臺風登陸前后以及風向的改變對防風效能的影響等問題。相關的分析結果將為今后沿海防護林的減災防災生態(tài)系統(tǒng)服務功能和效益評價提供參考，對沿海防護林的結構和功能研究具有重要的意義^[14]。

1 試驗地與生態(tài)定位監(jiān)測站概況

1.1 試驗地概況

試驗地位于福建省泉州市惠安縣崇武鎮(zhèn)赤湖國有防護林場，地理位置東經118°55′，北緯24°35′^[15]。地處亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，年均溫為17.5～20.2℃，年均降水量在1000mm左右，無霜期超過300d，年日照達2100h。干濕季明顯，干旱頻度大，夏季多臺風，年平均5.1次，秋冬盛行東北風^[16]，年平均風速大于6.0m.s^-1。土壤為風積沙土，常見植被有鬣刺（Spinifex littoreus）、黃花月見草（Oenothera glazioviana）、厚藤（Ipomoea pes-caprae）或單葉蔓荊（Vitex rotundifolia）等聚集分布。

1.2 生態(tài)定位監(jiān)測站概況

生態(tài)定位監(jiān)測站設置在凈峰工區(qū)。水平梯度上距離林帶前沿約12m處（1倍樹高，記為1H）設置1號塔，塔身建于防護堤上，高于防護林帶，相當于曠野對照點，林帶寬度160m，中央設置2號塔，林后按照1H，5H，10H，20H分別設置3號塔～6號塔，建設在農田上，海拔高度基本相同。超聲波風速風向傳感器分別安裝在六個氣象觀測塔上，原設計安裝在高度10m的傳感器因支架大風天氣容易松動導致故障，因此統(tǒng)一調整安裝到9m，垂直梯度上2號塔設置3層傳感器，高度分別為3m、9m和17m，其它5個觀測塔設置2層，高度分別為3m和9m。傳感器為英國GILL公司生產的WINDSONIC超聲波測風儀，風速測量范圍0～60m.s^-1，精度2%，分辨率0.01m.s^-1，啟動風速≥0.01m.s^-1；風向測量范圍0～359°，精度≤±3°，分辨率≤1°。各觀測塔由太陽能系統(tǒng)獨立供電，經由采集器利用GPRS傳輸到監(jiān)測站數據管理平臺。

2 “杜蘇芮”概況與研究方法

2.1 “杜蘇芮”概況

2023年第5號臺風“杜蘇芮”于7月21日8：00在菲律賓以東的太平洋上生成，于7月28日9：55前后在福建省晉江市沿海登陸，登陸時由超強臺風級減弱為強臺風級，中心附近最大風力有15級（50m.s^-1），中央氣象臺于29日11：00對其停止編號^[17]。登陸地點見示意圖1。監(jiān)測站的氣象觀測塔位于臺風路徑的右側，距離登陸地點直線距離約60km，距離登陸后路徑的最近直線距離約48km。

“杜蘇芮”登陸時風力強度為1949年以來登陸福建第二強，所攜帶的大量水汽形成的降雨影響東部14?。▍^(qū)、市）（閩浙贛皖豫魯京津冀晉蒙黑吉遼），造成嚴重災害損失^[18]。截至7月31日臺風共造成福建省266.69萬人受災，緊急避險轉移39.95萬人，緊急轉移安置16.24萬人；農作物受災面積37396.27hm²，其中絕收面積1 701.76 hm²；倒塌和嚴重損壞房屋3 357間，一般損壞房屋14 998間，直接經濟損失147.55億元^[19]。

2.2研究方法

2.2.1觀測數據質量控制

觀測過程中由于電源電壓不穩(wěn)定、通信網絡擁堵或其他不明原因容易造成數據異常、失真甚至丟失，若直接使用異常數據進行研究會導致分析結果產生較大誤差，嚴重影響評估結果的準確度^[20]。數據質量控制首先對數據時間順序和數量進行完整性檢驗，其次依據國標GB/T18710-2002^[21]進行范圍和趨勢性檢驗，以上借助軟件編程完成，最后進行人工二次檢驗，將過度檢驗或誤判的數據還原。本次觀測沒有出現(xiàn)缺測數據，因此無需進行插值填補。

2.2.2 風速風向

數據樣本選取時段從2023年7月25日00：00時至2023年7月28日23：50時，記錄時距10min，樣本個數3456個。統(tǒng)計分析時將10min數據轉換為1h數據，平均風速直接用算術平均方法計算，風向采用矢量平均法計算^[22]。

風向頻率根據國標GB/T35227-2017^[23]規(guī)定，以正北方向為0°，按22.5°順時針劃分16個方位統(tǒng)計，同時依據參考文獻[10]中林帶方向將風向劃分為向岸風（風從海上吹向陸地）和離岸風（風從陸地吹向海上）兩組用于防風效能^[24]和氣流加速率^[25]統(tǒng)計。

2.2.3 湍流強度

湍流強度是衡量湍流強弱的相對指標，反映了風的脈動強度，定義為平均時距的脈動風速標準差與水平方向平均風速的比值^[26]，公式為

2.2.4 防風效能

防風效能是體現(xiàn)防護林帶防護能力的一項重要指標^[25]，根據現(xiàn)有的研究結果，當氣旋中心風力小于6級時，將不具有螺旋結構，對流發(fā)展較差，不能反映臺風的特性^[27]，因此以風力等級6級劃分風力強弱，平均風速≥10.8m.s^-1劃分為強風，平均風速＜10.8m.s^-1劃分為弱風進行分組統(tǒng)計。

當風向為向岸風時，計算公式如下：

式中：下標字母???為防風效能，是指相同高度處距離對照塔的位置平均風速減少的百分數，為相同高度對照點1號塔平均風速，?為相同高度2～6號塔平均風速。

2.2.5氣流加速率

當風向為離岸風時，主要考察林帶對氣流的阻滯作用，因此應用氣流加速率反映林帶對氣流的加速情況，計算公式如下：

式中：下標字母?為氣流加速率，??為相同高度1～5號塔平均風速，為相同高度對照點6號塔平均風速。當＞1時，表示林帶對氣流有加速的作用，風速增加；＜1時，表示林帶對氣流有減速的作用，風速降低；=1時，表示林帶對氣流沒有影響，風速保持不變^[28]。

2.2.6 統(tǒng)計分析

數據輸入、存儲使用Excel軟件，風速、風向數據處理以及計算作圖等使用R語言軟件，版本4.3，加載tidyverse程序包。

3 結果與分析

3.1臺風登陸時風速風向變化特征

基于實測數據，以1h為時距計算的6個觀測塔平均風速、風向如圖2所示

圖2中可以看出，1號塔從7月25日00：00時起，風速逐漸增大，至7月26日18：00時到達第一個最大值，高度3m平均風速13.69m.s^-1，高度9m平均風速15.50m.s^-1，隨后風速逐漸減小，至7月28日05：00時高度3m和9m的平均風速分別降到5.55m.s^-1、6.30m.s^-1，期間雖有波動，但趨勢不變，風向以NNE和NE為主，風從海上吹向陸地；7月28日06：00時風速開始急劇增大，至7月28日09：00時達到峰值，高度3m和9m的平均風速分別為23.38m.s^-1、26.29m.s^-1，同時風向順時針旋轉為SSE和S，風從陸地吹向海洋。綜上所述，從“杜蘇芮”臺風經過1號觀測塔時平均風速和風向的時程變化曲線可以看出，臺風過程的平均風速時程曲線呈M型變化，即強風出現(xiàn)“雙峰”型分布，且“雙峰”之間出現(xiàn)風速小于?11m.s^-1的情形，同時滿足風速大小在17.2m.s^-1以上時風向方位角度連續(xù)變化120°以上，依據以上判別標準^[29]可以判斷臺風眼區(qū)經過觀測點，監(jiān)測站采集到了包括臺風眼區(qū)、眼壁和外圍強風的完整風況數據^[30]。

圖2中4～6號塔的平均風速、風向隨時間演變規(guī)律基本與1號塔一致。林內2號塔高3m的平均風速隨著時間推移變化幅度不大，比較平穩(wěn)，高9m的平均風速則基本與1號塔一致。從2號塔下方的風向圖可以看到，由于林木的遮擋，氣流較為紊亂，高3m的風向以ENE為主，高9m的風向以NNE為主；林后1H的3號塔高3m的平均風速隨著時間推移變化與1號塔類似，而高9m處的平均風速從7月25日00：00時至7月28日06：00時的低點之間最大值出現(xiàn)在7月27日09：00時，與其它觀測塔時程演變規(guī)律不同步，風向以NE和NNE為主，時程演變規(guī)律與1號塔一致。

3.2 臺風登陸時湍流強度

根據各觀測塔的平均風速及風速標準差的臺風樣本，統(tǒng)計分析了“杜蘇芮”影響期間湍流強度的分布規(guī)律，結果見圖3和表1。從圖3可以看出，當臺風逐漸靠近1號、3～6號觀測塔時，近地層的湍流強度變幅較大，隨著風速增大，湍流強度減小，臺風穿過觀測塔后，風向改變，風速急劇增大，湍流強度變幅劇烈，強度達到最大值，臺風遠離后，湍流強度逐漸降低。2號塔高3m處的的湍流強度與其它塔基本一致，但高9m處的湍流強度在臺風接近風速增大的過程中變幅大于高度3m的湍流強度。

表1的統(tǒng)計結果可以看出，1號塔、4～6號塔不同高度間的平均湍流強度差異較小，高度3m的平均湍流強度略微大于高度9m的平均湍流強度，各高度間的相關系數均大于0.95，相關性較好；林內和林后的2、3號塔則相反，相關系數分別為0.6511、0.8213，相關性較差。造成湍流強度的差異的原因是與各觀測塔所處位置的下墊面粗糙度有關^[31]，1號塔主風向來自海上，下墊面為平坦沙地，粗糙度小，隨著風速增大上下層湍流強度的差異變小，因此相關性最高；2、3號塔下墊面為防護林帶，氣流經過林分的冠層的干擾導致湍流強度變化紊亂，相關性2號塔＜3號塔；4～6號塔下墊面為農田，主要種植花生、番薯、蘿卜等作物，由于農作物對地表的覆蓋增加了粗糙度，因此平均湍流強度大于1號塔。

3.3 不同風向防風效能和氣流加速率分析

以1號塔時程數據中的風向作為主分類因子，按照不同高度、風力強弱兩因子進行分組，并以此為基準，在2～6號塔中尋找與分組基準匹配的相同時間數據統(tǒng)計平均風速，向岸風以1號塔為對照點計算防風效能，離岸風以6號塔為對照點計算氣流加速率，結果見表2和表3。

表2為風從海上吹向陸地過程中的各觀測點防風效能變化情況，在垂直方向，不同高度上，同為弱風或強風均表現(xiàn)出高度3m的防風效能大于高度9m；相同高度上，2號塔高度3m處弱風與強風的防風效能相差無幾，高度9m弱風的防風效能大于強風，3～5號塔弱風的防風效能小于強風，到6號塔后兩者基本相同。水平方向上，2號塔位于林內防風效能最大，林帶后3號塔即1H樹高處防風效能次之，其后隨著距離的增加防風效能逐漸下降。

表3為臺風登陸后風向改變風從陸地吹向海上過程中的各觀測點氣流加速率變化情況，在垂直方向，不同高度上，同為弱風或強風5號塔高度3m處的氣流加速率大于高度9m外，其余1～4號塔均表現(xiàn)出高度3m的氣流加速率小于高度9m；相同高度上，3～5號塔高度3m或高度9m弱風的氣流加速率均大于強風，林內2號塔高度3m或高度9m弱風的氣流加速率小于強風。水平方向上，表現(xiàn)的特征為當氣流整體到達林帶時氣流加速率逐漸減少，風速在9m高度下整體降低，林內氣流加速率達到最低值，而風越過林帶后，弱風風速恢復到88%左右，強風的氣流加速率大于1，因此風速越過林帶后有個加速的過程。

4 結論與討論

臺風是給中國沿海地區(qū)帶來巨大災害的主要天氣系統(tǒng)，登陸臺風近地層的湍流運動特征對研究臺風內部結構、運動及臺風生命周期十分重要，更對其影響地區(qū)的建筑物及人民生命財產安全產生重大影響^[32]?！岸盘K芮”以強臺風強度正面登陸福建晉江，給經過地區(qū)帶來巨大災害，監(jiān)測站也于2023年7月28日10：00時，觀測到高度9m的10min最大風速為40.25m.s^-1，風力等級達13級，受此影響，沿海林分受損嚴重，斷梢、折干、倒伏甚至連根拔起的林木不在少數。然而通過建設的監(jiān)測站實時觀測到這次臺風經過前后溫度、風速和風向等指標的時程變化數據，通過分析臺風登陸前后近地層的風速風向、湍流強度變化特征，以探究木麻黃基干林帶對臺風的防護效應。

本次臺風研究的時程內高度9m平均風速8 級以上大風持續(xù)6h之久，6級以上強風持續(xù)77h之久，風力等級大，持續(xù)時間長。從登陸的平均風速和風向時程變化曲線可以看出，臺風過程的平均風速時程曲線呈顯著的“M”型雙峰分布，?7月26日18：00時達到第一峰值，7月28日09：00時達到第二峰值，雙峰之間的低谷高度3m和9m的平均風速分別降到5.55m.s^-1、6.30m.s^-1，從低谷轉向第二峰值時，風速發(fā)生劇烈變化，同時風向也順時針旋轉由NNE或NE轉變?yōu)镾SE或S，上述風速和風向特征滿足了臺風眼區(qū)經過的條件，時程內的數據代表了整個臺風演變規(guī)律過程^[33]。位于林內的2號塔和林后1H的3號塔，雖然受到林木的遮擋，但風速、風向的演變規(guī)律與其它觀測塔基本一致。從圖像特征來看與2014年在海南文昌登陸的15號臺風“海鷗”相近，風速變化后風圈風速明顯大于前風圈風速，最大風速出現(xiàn)在后風圈^[34]。

湍流產生有兩個主要原因：一個是流動的氣流受到地面粗糙度摩擦或者阻滯作用發(fā)生擾動；另一個是由于空氣密度差異和大氣溫度差異引起的氣流垂直運動。通常情況下，上述兩個原因往往同時導致湍流的發(fā)生。當臺風靠近陸地時，其風向會發(fā)生劇變，兩種影響因素將發(fā)生變化，從而導致湍流強度發(fā)生變化^[31]。湍流強度的時程整體變化趨勢隨著臺風靠近和離去呈現(xiàn)增大-減小-劇增-回落的過程，尤其臺風后風圈影響的區(qū)域，湍流強度劇烈增大，強度可增大2倍以上。臺風經過沿海防護林帶時，由于氣流與樹冠、枝葉的沖擊與摩擦作用，林帶內高度9m的湍流強度變化幅度較大，且與高度3m的相關系數為0.6511，相關性較差，說明有樹木的遮擋對湍流強度的分布有較大影響^[3]。

向岸風在垂直方向上，弱風或強風的防風效能隨高度增加而降低，高度相同，林帶后弱風的防風效能小于強風；水平方向上，林內，林帶后1H和5H處防風效能最好，研究結果與參考文獻[20]相一致，綜合弱風和強風的統(tǒng)計結果，在高度3m平均防風效能為49.57%～93.93%，在高度9m平均防風效能為44.04%～90.10%，其后隨著距離的增加防風效能逐漸下降^[35]，林帶后20H相同高度處弱風和強風防風效能趨于相同。離岸風在垂直方向，隨著氣流靠近林帶，弱風或強風的氣流加速率隨高度增加而增大，林帶后1H高度3m氣流加速率平均為0.2193，高度9m氣流加速率平均為0.3242，林內氣流加速率達到最低值，而風越過林帶后，弱風風速恢復到88%左右，強風的氣流則有個加速的過程。因此，當相反風向作用時，初始氣流的能量消耗模式發(fā)生了根本變化，并體現(xiàn)在風速、氣流加速率以及防風效能的空間變化上^[28]。

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