臺(tái)灣海峽兩次典型冷空氣過(guò)程的海浪研究

丁萍

（福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)，福建福州 350003）

0 引言

臺(tái)灣海峽位于福建和臺(tái)灣島之間，是連通南海和東海之間的交通要道。因狹管效應(yīng)，臺(tái)灣海峽是我國(guó)近海冬季風(fēng)速最大的海區(qū)之一，每年10月—翌年2月的月平均風(fēng)速可達(dá)10～12 m/s，6級(jí)以上的大風(fēng)頻率可高達(dá)50%，其中8 級(jí)以上大風(fēng)的出現(xiàn)頻率在10%以上[1-4]。大風(fēng)過(guò)程導(dǎo)致每年冬季臺(tái)灣海峽出現(xiàn)波高大于6 m的災(zāi)害性寒潮浪超過(guò)4次[5]。惡劣的海況給附近海區(qū)帶來(lái)嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[7-8]。據(jù)《福建省海洋災(zāi)害公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，2011—2020年臺(tái)灣海峽共發(fā)生海難事故51起，死亡（含失蹤）人數(shù)達(dá)105 人，直接經(jīng)濟(jì)損失6 844 萬(wàn)元，其中83%的人員死亡和78%的直接經(jīng)濟(jì)損失是由冷空氣造成的惡劣海況導(dǎo)致的。因此，針對(duì)臺(tái)灣海峽惡劣天氣的預(yù)報(bào)，特別是對(duì)強(qiáng)冷空氣期間海浪要素的預(yù)警預(yù)判，可為及時(shí)制定防御措施和防災(zāi)減災(zāi)決策提供技術(shù)支撐，具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 冷空氣過(guò)程

本文依據(jù)臺(tái)灣海峽浮標(biāo)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出2016年12月—2021 年12 月臺(tái)灣海峽由冷空氣影響而產(chǎn)生的波高大于6 m的災(zāi)害性寒潮浪過(guò)程共有5次（見圖1，圖中時(shí)刻為北京時(shí)，下同）。從圖中可以看出，造成這5次寒潮浪的冷空氣中心強(qiáng)度為1 028～1 040 hPa，冷空氣中心在長(zhǎng)江口—山東半島南岸一帶入海。臺(tái)灣地區(qū)山脈高度平均在2 000 m 以上，這種突出的地形對(duì)低層空氣的流動(dòng)起阻擋作用。當(dāng)?shù)蛯哟禆|北氣流時(shí)，空氣在山脈東部堆積，西部缺乏空氣供應(yīng)，形成相對(duì)地形低氣壓槽[1]。由圖1 可知，這種地形槽均在臺(tái)灣西南側(cè)形成，槽頂位于臺(tái)中—臺(tái)北之間，但因冷空氣影響在臺(tái)灣海峽造成浪高大于6 m的災(zāi)害性寒潮浪的具體因素尚未可知。為了研究造成這種災(zāi)害性寒潮浪的冷空氣的具體特征，本文以臺(tái)灣海峽測(cè)得的平均風(fēng)速達(dá)到8～9級(jí)為例，選擇上述5次冷空氣過(guò)程中造成的寒潮浪最大的一次過(guò)程（發(fā)生于2021年10月17—19日，記為Case_2021）和冷空氣風(fēng)速大小和方向相近的過(guò)程（發(fā)生于2018年12月27日—2019年1月4日，記為Case_2018）為例進(jìn)行對(duì)比分析研究，以期為海洋預(yù)警、預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)決策提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 地面風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向標(biāo)，單位：m/s）、2 m溫度（填色，單位：℃）和氣壓（等壓線，單位：hPa）Fig.1 Surface wind field(barb,unit:m/s),air temperature at 2 meters(shaded area,unit:℃)and surface pressure(isobar,unit:hPa)

2 數(shù)據(jù)資料

浪高、風(fēng)速等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)和福建省氣象局布放在臺(tái)灣海峽及周邊海域業(yè)務(wù)化運(yùn)行的浮標(biāo)，包括1 號(hào)標(biāo)、2 號(hào)標(biāo)、3 號(hào)標(biāo)和海峽1號(hào)，分別位于臺(tái)灣島東北部、臺(tái)灣海峽北部、中部和南部海域，具體位置如圖2 所示。浮標(biāo)直徑10 m，高10 m，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔10 min。數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)包括海面10 m風(fēng)速、海面2 m溫度、平均海平面壓力、混合浪高、風(fēng)浪高和涌浪高，來(lái)自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的再分析產(chǎn)品ERA5（來(lái)源：https://cds.climate.copernicus.eu）。

3 結(jié)果與分析

3.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表1 為兩次冷空氣期間的浪高最值（即有效浪高最大值）和風(fēng)速最值（即平均風(fēng)速最大值）。由表1 可知：Case_2018 中1 號(hào)標(biāo)、2 號(hào)標(biāo)和3 號(hào)標(biāo)測(cè)得的風(fēng)速最值均達(dá)到9 級(jí)，海峽1 號(hào)風(fēng)速最值略小，為8級(jí)，4 個(gè)浮標(biāo)均測(cè)到浪高最值為5.2～5.6 m 的巨浪；Case_2021 中2 號(hào)標(biāo)和3 號(hào)標(biāo)測(cè)得的風(fēng)速最值為9級(jí)，1 號(hào)標(biāo)和海峽1 號(hào)風(fēng)速最值為8 級(jí)，接近9 級(jí)，4個(gè)浮標(biāo)中除1 號(hào)標(biāo)測(cè)得5.6 m 的巨浪外，其余3 個(gè)浮標(biāo)均測(cè)得6 m 以上的狂浪。對(duì)比可知，兩次冷空氣過(guò)程中風(fēng)速差值最大的為海峽1 號(hào)，其后依次為3號(hào)標(biāo)、1 號(hào)標(biāo)、2 號(hào)標(biāo)；浪高差值最大的為海峽1 號(hào)，其后依次為3 號(hào)標(biāo)、2 號(hào)標(biāo)、1 號(hào)標(biāo)；海峽1 號(hào)和3 號(hào)標(biāo)對(duì)應(yīng)的風(fēng)浪差值關(guān)系（風(fēng)大浪高）符合風(fēng)浪特征，但2 號(hào)標(biāo)對(duì)應(yīng)的差值關(guān)系卻是風(fēng)大浪小（Case_2018中實(shí)測(cè)風(fēng)速最值22.3 m/s 對(duì)應(yīng)9 級(jí)風(fēng)，浪高最值5.6 m 對(duì)應(yīng)巨浪，而Case_2021 中實(shí)測(cè)風(fēng)速最值21.7 m/s 對(duì)應(yīng)9 級(jí)風(fēng)，浪高最值6.5 m 對(duì)應(yīng)狂浪，即Case_2018中風(fēng)速最值較Case_2021大0.6 m/s，但浪高最值卻較Case_2021 小0.9 m），風(fēng)速同級(jí)，浪級(jí)卻相差一個(gè)級(jí)別。

表1 兩次冷空氣期間浪高和風(fēng)速Tab.1 Wave height and wind speed during two cold air periods

將4 個(gè)浮標(biāo)實(shí)測(cè)的逐時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向和浪高進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖3（因Case_2018中浮標(biāo)實(shí)測(cè)的風(fēng)速和浪高最值均出現(xiàn)在2018年12月31日前，所以浮標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)間軸取2018年12月27—31日）。由圖3可知，在Case_2018和Case_2021中，浮標(biāo)實(shí)測(cè)的風(fēng)速最值均達(dá)到8～9級(jí)，浪高最值均滯后于風(fēng)速最值。Case_2018中4個(gè)浮標(biāo)測(cè)得風(fēng)速在12月27日達(dá)到最值后基本維持，浪高亦是同樣的趨勢(shì)，風(fēng)向以北東北向（12.25°～33.75°）為主，風(fēng)向較穩(wěn)定；Case_2021中4個(gè)浮標(biāo)測(cè)得風(fēng)速在10月17日達(dá)到最值后明顯減弱，浪高亦是同樣的趨勢(shì)，風(fēng)向以東北向（33.75°～56.25°）為主，風(fēng)向不穩(wěn)定。為了探究這兩次冷空氣造成的浪高差異的成因，本文將采用再分析的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

圖3 兩次冷空氣過(guò)程對(duì)應(yīng)的浮標(biāo)浪高、風(fēng)速和風(fēng)向Fig.3 Buoy wave height,wind speed and direction during two cold air processes

圖3 （續(xù)）Fig.3 （Continued）

3.2 天氣過(guò)程

圖4為兩次冷空氣過(guò)程對(duì)應(yīng)的地面風(fēng)、溫度和氣壓場(chǎng)。因臺(tái)灣地形作用，兩次過(guò)程均在臺(tái)灣西南側(cè)形成地形低壓槽，槽頂位于臺(tái)中—臺(tái)北之間，臺(tái)灣海峽的風(fēng)速均達(dá)到8～9級(jí)，但冷空氣的中心強(qiáng)度和移動(dòng)路徑不同。圖4a顯示Case_2018的冷空氣中心位于陸地且由陸地南下，中心移動(dòng)緩慢，東海北部為偏北風(fēng)（6～7級(jí)），東海南部轉(zhuǎn)向?yàn)闁|北風(fēng)進(jìn)入臺(tái)灣海峽（風(fēng)力8～9級(jí)）；圖4b顯示Case_2021的冷空氣中心在蘇北沿岸入海，當(dāng)冷空氣中心位于陸地時(shí)，東海為北風(fēng)7～8級(jí)，臺(tái)灣海峽風(fēng)力8～9級(jí),當(dāng)冷空氣中心入海時(shí)，東海風(fēng)速減弱為北東北風(fēng)5～6級(jí)。兩次冷空氣過(guò)程在東海存在風(fēng)差異，導(dǎo)致從東海傳入臺(tái)灣海峽的涌浪不同，進(jìn)而影響兩次冷空氣過(guò)程中臺(tái)灣海峽的浪高，下文將用再分析數(shù)據(jù)與浮標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 兩次冷空氣過(guò)程對(duì)應(yīng)的地面風(fēng)（風(fēng)向標(biāo)，單位：m/s）、2 m溫度（填色，單位：℃）和氣壓（等壓線，單位：hPa）Fig.4 Surface wind field(barb,unit:m/s),air temperature at 2 meters(schaded area,unit:℃)and surface pressure during two cold air processes(isobar,unit:hPa)

3.3 浮標(biāo)和模型數(shù)據(jù)對(duì)比

3.3.1 風(fēng)速

圖5為兩次冷空氣過(guò)程中浮標(biāo)實(shí)測(cè)風(fēng)速與模型風(fēng)速對(duì)比。從圖中可以看出，4 個(gè)浮標(biāo)的實(shí)測(cè)風(fēng)速都與模型的模擬風(fēng)速變化趨勢(shì)一致，但實(shí)測(cè)風(fēng)速最值均高于模型風(fēng)速最值。圖6的風(fēng)速差值分析也表明，兩次過(guò)程中4 個(gè)浮標(biāo)的實(shí)測(cè)風(fēng)速較模型風(fēng)速大，其中Case_2018 的兩者差值均在6 m/s 以下，Case_2021 中海峽1 號(hào)的風(fēng)速差值在7 m/s 以下，其余浮標(biāo)的風(fēng)速差值均在5 m/s以下。

圖5 Case_2018和Case_2021浮標(biāo)實(shí)測(cè)（紅線）與模型（藍(lán)線）風(fēng)速Fig.5 Measured (red line)and modeled(blue line)wind speed of Case_2018 and Case_2021

圖6 Case_2018和Case_2021浮標(biāo)實(shí)測(cè)與模型風(fēng)速差值Fig.6 Differences between measured and modeled wind speed of Case_2018 and Case_2021

3.3.2 浪高

Case_2018 和Case_2021 中4 個(gè)浮標(biāo)實(shí)測(cè)浪高與模型模擬的浪高（本節(jié)中指模型的混合浪）趨勢(shì)一致（見圖7），實(shí)測(cè)浪高最值均高于模型浪高最值，這與圖5的風(fēng)速趨勢(shì)一致。兩次過(guò)程中，4個(gè)浮標(biāo)的實(shí)測(cè)浪高較模型浪高大（見圖8），但浪高差值均在2 m以下，這也對(duì)應(yīng)了Case_2018中臺(tái)灣海峽的浪高較Case_2021 小，前者浪高最大值低于5 m，后者浪高最大值為5～6 m。

圖7 Case_2018 和Case_2021浮標(biāo)實(shí)測(cè)（紅線）與模型（藍(lán)線）浪高Fig.7 Buoy measured (red line)and modeled(blue line)wave height of Case_2018 and Case_2021

圖8 Case_2018和Case_2021浮標(biāo)實(shí)測(cè)與模型浪高差值Fig.8 Differences of wave height between buoy and model of Case_2018 and Case_2021

綜上可知，模型可以模擬出兩次冷空氣過(guò)程中的風(fēng)速和浪高趨勢(shì)，且Case_2018 中臺(tái)灣海峽浪高較Case_2021 小。這也說(shuō)明中心強(qiáng)且移動(dòng)速度快的冷空氣過(guò)程更易在臺(tái)灣海峽形成災(zāi)害性海浪。因此，再分析的模型數(shù)據(jù)可用于Case_2018 和Case_2021的海浪分析研究。

3.4 模型浪高

3.4.1 涌浪

從圖9a 可以看出，兩次冷空氣過(guò)程中海峽1 號(hào)的涌浪（本節(jié)指浮標(biāo)處對(duì)應(yīng)的再分析涌浪）明顯高于其余3 個(gè)浮標(biāo)，即海峽1 號(hào)受涌浪影響較大且波動(dòng)幅度較大。表2 也顯示Case_2021 和Case_2018中涌浪最值最大的是海峽1 號(hào)，分別為2.79 m 和2.16 m；Case_2018 中其余3 個(gè)浮標(biāo)涌浪最值依次是2 號(hào)標(biāo)、1 號(hào)標(biāo)、3 號(hào)標(biāo)，對(duì)應(yīng)的值分別為1.15 m、1.14 m、1.02 m；Case_2021中其余3個(gè)浮標(biāo)涌浪最值依次是3號(hào)標(biāo)、1號(hào)標(biāo)、2號(hào)標(biāo)，對(duì)應(yīng)的值分別為1.40 m、1.26 m、1.12 m。這個(gè)結(jié)果與浮標(biāo)位置（見圖2）有關(guān)，海峽1號(hào)位于臺(tái)灣島東北角較開闊的海域，受外海傳來(lái)的涌浪影響較大；3 號(hào)標(biāo)位于海峽北口，涌浪大小取決于從海峽北口傳入的涌浪；2 號(hào)標(biāo)位于海峽中部，涌浪較小，主要從海峽南口傳入；1 號(hào)標(biāo)位于海峽南口，涌浪大小取決于從海峽南口傳入的涌浪。1 號(hào)標(biāo)、2 號(hào)標(biāo)和3 號(hào)標(biāo)的涌浪特征與鄭祥靖等[9-10]的研究結(jié)論一致，即涌浪從臺(tái)灣海峽南口或北口進(jìn)入海峽內(nèi)的影響有限，海峽內(nèi)的浪以風(fēng)浪為主。

表2 兩次冷空氣期間模型涌浪Tab.2 Modeled swell during two cold air periods

圖9 Case_2021與Case_2018模型涌浪及涌浪差值Fig.9 Modeled swell of Case 2018 and Case 2021,and their difference

圖9b 顯示在Case_2021 與Case_2018 中，2 號(hào)標(biāo)的涌浪差值較穩(wěn)定、變化小，差值范圍為-0.5～0.5 m，這與2 號(hào)標(biāo)在海峽中部主要受風(fēng)浪影響的結(jié)論一致；海峽1 號(hào)的涌浪差值變化較大，說(shuō)明Case_2021中外海傳入的涌浪較大（見圖2）；3 號(hào)標(biāo)和1 號(hào)標(biāo)的涌浪差值在0.5 m 左右，說(shuō)明Case_2021 中外海從海峽北口和南口傳入的涌浪較Case_2018 大。圖4 的地面風(fēng)場(chǎng)分布也可以解釋此種現(xiàn)象，Case_2021 中從東海進(jìn)入臺(tái)灣海峽的最大風(fēng)為8 級(jí)東北風(fēng)，臺(tái)灣島正北部是8 級(jí)偏北風(fēng)；而Case_2018 中從東海進(jìn)入臺(tái)灣海峽的最大風(fēng)為7 級(jí)東北風(fēng)，臺(tái)灣島正北部是6級(jí)偏北風(fēng)。由此可知，Case_2021中東海風(fēng)速較Case_2018 大，更利于在東海形成較大的涌浪。圖2中涌浪分布與圖4中風(fēng)場(chǎng)分布結(jié)論一致，顯示Case_2021 中東海涌浪對(duì)臺(tái)灣島東北部影響較大，即從臺(tái)灣海峽北口傳入臺(tái)灣海峽的涌浪較大，可影響至3號(hào)標(biāo)（見圖9b和表2）。

3.4.2 風(fēng)浪

由圖2b 可知，Case_2018 中臺(tái)灣海峽的風(fēng)浪較Case_2021 小，浪高以風(fēng)浪占主導(dǎo)；Case_2021 中臺(tái)灣海峽中南部浪高存在5 m圈，4 m圈涵蓋整個(gè)臺(tái)灣海峽，而Case_2018 中浪高僅出現(xiàn)4 m 圈且主要位于臺(tái)灣海峽中南部。風(fēng)浪的成長(zhǎng)與大小除了取決于風(fēng)力外，還與風(fēng)時(shí)、風(fēng)區(qū)有著密切關(guān)系。風(fēng)浪的發(fā)展一般分為過(guò)渡狀態(tài)、定常狀態(tài)和充分成長(zhǎng)3 個(gè)狀態(tài)。在定常狀態(tài)下風(fēng)浪尺度達(dá)到了理論的最大值，不會(huì)再隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，因此風(fēng)浪只受限于風(fēng)區(qū)[5]。在Case_2021 和Case_2018 中，在臺(tái)灣海峽風(fēng)力均達(dá)到平均9級(jí)的前提下（見表1），風(fēng)浪達(dá)到定常狀態(tài)，風(fēng)浪出現(xiàn)較大差異主要是風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度不同。根據(jù)風(fēng)區(qū)的定義[11]，圖4 中紅色箭頭所指位置分別為兩次冷空氣過(guò)程中臺(tái)灣海峽風(fēng)區(qū)的起點(diǎn)，由圖可知Case_2021的風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度是Case_2018的數(shù)倍，因此可解釋兩次冷空氣過(guò)程中臺(tái)灣海峽風(fēng)浪的差異。

4 結(jié)論

本文利用浮標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和ECMWF再分析數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品ERA5，從地面風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)浪的時(shí)空變化角度對(duì)影響臺(tái)灣海峽的典型冷空氣過(guò)程Case_2018 和Case_2021進(jìn)行對(duì)比分析。主要結(jié)論如下：

①冬季中心強(qiáng)度在1 028 hPa 以上且在長(zhǎng)江口—山東半島南岸一帶入海的冷空氣中心強(qiáng)且移動(dòng)速度快，冷空氣過(guò)程會(huì)使臺(tái)灣海峽有較長(zhǎng)風(fēng)區(qū)，易在臺(tái)灣海峽形成浪高大于6 m的災(zāi)害性海浪。

②冷空氣期間，臺(tái)灣海峽的浪高主要由風(fēng)浪形成，2 號(hào)標(biāo)的浪高最具代表性。海峽北部受外海傳入的涌浪影響較大，影響最顯著的是海峽1號(hào)，其次是3 號(hào)標(biāo)，而海峽中南部受外海傳入的涌浪影響較小。

③Case_2021（冬季中心強(qiáng)度為1 028 hPa，在山東半島南岸江蘇北部入海的冷空氣）與Case_2018（中心強(qiáng)度為1 044 hPa，沿內(nèi)陸南下的冷空氣）相比，雖然均在臺(tái)灣海峽形成相當(dāng)?shù)燃?jí)的風(fēng)，但因風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度不同，風(fēng)浪差異較大，前者因風(fēng)區(qū)較長(zhǎng)更易形成6 m以上的災(zāi)害性海浪。

致謝：福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)陳劍橋高級(jí)工程師、郭民權(quán)副研究員和廈門大學(xué)陳筆澄副教授在本研究中提供建議及幫助，謹(jǐn)致謝忱！感謝中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所黃永杰博士提供的包含正確中國(guó)國(guó)界的地圖數(shù)據(jù)（https://github.com/huangynj/NCLChinamap.git）！