強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“卡努”過境期間的風(fēng)和海浪特征分析*

鄧 丹 周 泉 馬 磊 李銳祥

強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“卡努”過境期間的風(fēng)和海浪特征分析*

鄧 丹1, 2周 泉3馬 磊1, 2李銳祥1, 2①

(1. 自然資源部南海調(diào)查中心 廣東廣州 510300; 2. 自然資源部海洋環(huán)境探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東廣州 510300; 3. 生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所 廣東廣州 510530)

南海北部海域夏季臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻繁, 對(duì)海上生產(chǎn)活動(dòng)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大威脅, 由于臺(tái)風(fēng)路徑的不確定性, 其中心附近區(qū)域的風(fēng)浪觀測(cè)資料十分稀少。中國(guó)氣象局(China Meteorological Administration, CMA)熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)顯示2017年10月強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“卡努”中心經(jīng)過南海北部陸坡的SF301浮標(biāo), 該浮標(biāo)完整記錄了臺(tái)風(fēng)過境的風(fēng)浪數(shù)據(jù)。利用浮標(biāo)觀測(cè)資料, 分析了強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“卡努”過境期間的風(fēng)和海浪特征。觀測(cè)結(jié)果表明, “卡努”經(jīng)過浮標(biāo)時(shí), 中心氣壓為959.9 hPa, 風(fēng)速隨時(shí)間呈雙峰分布, 前、后眼壁區(qū)的10 min平均風(fēng)速分別為30.2 m/s和24.9 m/s, 1 s極大風(fēng)速分別為44.2和38.6 m/s。海浪以風(fēng)浪為主, 觀測(cè)有效波高和最大波高最大值分別為10.8和14.3 m, 滯后最大風(fēng)速30 min, 波向和風(fēng)向變化趨勢(shì)一致。臺(tái)風(fēng)過境期間, 有效波高與海面10 m風(fēng)速接近線性關(guān)系, 非臺(tái)風(fēng)期間二者呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。海浪無(wú)因次波高和周期呈冪指數(shù)關(guān)系, 無(wú)論是臺(tái)風(fēng)期間還是非臺(tái)風(fēng)期間二者關(guān)系十分接近Toba提出的3/2指數(shù)律。

南海; 浮標(biāo); 臺(tái)風(fēng); 卡努; 風(fēng); 海浪

我國(guó)瀕臨西太平洋, 是受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一, 平均每年有9.3個(gè)臺(tái)風(fēng)襲擊我國(guó)(陳大可等, 2013), 臺(tái)風(fēng)引起的海浪、風(fēng)暴潮、強(qiáng)降水等給我國(guó)沿海地區(qū)造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡(雷小途等, 2009), 對(duì)沿海和海上生產(chǎn)活動(dòng)帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展, 臺(tái)風(fēng)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失呈上升趨勢(shì)(Zhang, 2009; 盧瑩等, 2021)。因此掌握臺(tái)風(fēng)期間的風(fēng)和海浪特征及變化規(guī)律對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警和海洋防災(zāi)減災(zāi)等工作具有較為重要的意義。

臺(tái)風(fēng)經(jīng)過海洋時(shí), 海面氣壓呈漏斗狀結(jié)構(gòu)(郎喜白, 2011; 王蓉等, 2013), 風(fēng)速呈“Ｍ”形雙峰分布, 臺(tái)風(fēng)眼壁區(qū)風(fēng)速最大, 前眼壁區(qū)風(fēng)速通常略大于后眼壁區(qū), 臺(tái)風(fēng)眼區(qū)氣壓和風(fēng)速最小(蘇志等, 2020; 黃浩輝等, 2021)。臺(tái)風(fēng)在海面引起的海浪最大波高可達(dá)10余米(王蓉等, 2013; 王毅等, 2020), 波高隨風(fēng)速增大而增大, 周期隨波高增大而增大, 波高最大值一般滯后風(fēng)速最大值40 min至4 h (蘇志等, 2020; 莊紅波等, 2013),臺(tái)風(fēng)前眼壁區(qū)域有效波高最大, 后眼壁區(qū)次之(夏璐一等, 2014)。臺(tái)風(fēng)浪的波高與風(fēng)速呈二次多項(xiàng)式關(guān)系(王小丹等, 2019; Hao, 2020; 李朝等, 2021; Niu, 2021), 無(wú)因次波高和無(wú)因次周期呈冪指數(shù)關(guān)系(Hsu, 2017; 李朝等, 2021; Niu, 2021)。臺(tái)風(fēng)前進(jìn)方向的右側(cè)由于風(fēng)向和臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度相同, 通常情況下海浪發(fā)展更迅速, 波高增大的更快(姚圣康, 2006; 趙凱等, 2011), 右側(cè)的有效波高比左側(cè)的有效波高大, 其增幅可達(dá)29%～48% (夏璐一等, 2014)。在臺(tái)風(fēng)影響下, 海浪波型一般會(huì)經(jīng)歷混合浪-風(fēng)浪-混合浪的變化(孫璐等, 2014; 王毅等, 2020), 臺(tái)風(fēng)過程中所產(chǎn)生的大浪主要為風(fēng)浪, 涌浪基本分布在遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心的外圍海域(韓曉偉等, 2011; Xu, 2017)。

受限于臺(tái)風(fēng)期間惡劣的天氣和海況, 海面的風(fēng)、浪觀測(cè)主要依賴于沿岸的海洋站(郎喜白, 2011; 王蓉等, 2013; 孫璐等, 2014; 黃浩輝等, 2021)、海上浮標(biāo)(姚圣康, 2006; Hsu, 2017; 蘇志等, 2020)或者油氣平臺(tái)(莊紅波等, 2013)。目前南海的浮標(biāo)和平臺(tái)大多分布在近岸海域, 深水區(qū)分布較少, 由于臺(tái)風(fēng)路徑的不確定性, 臺(tái)風(fēng)期間的風(fēng)浪觀測(cè)就更加稀缺, 然而深水區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)的路徑和強(qiáng)度至關(guān)重要。中國(guó)氣象局(China Meteorological Administration, CMA)熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)顯示2017年20號(hào)臺(tái)風(fēng)“卡努”的中心恰好經(jīng)過南海陸坡區(qū)的SF301浮標(biāo), 該浮標(biāo)獲取了臺(tái)風(fēng)期間完整的海面水文和氣象資料, 本文將基于浮標(biāo)觀測(cè)資料, 分析強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“卡努”影響下風(fēng)和海浪特征, 以期為臺(tái)風(fēng)研究和海洋防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 臺(tái)風(fēng)“卡努”與數(shù)據(jù)介紹

臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所發(fā)布的CMA熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集(tcdata.typhoon. org.cn), 該數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為6 h, 登陸前24 h時(shí)間頻次加密為3 h一次, 包含臺(tái)風(fēng)位置、中心氣壓、2 min平均風(fēng)速以及熱帶氣旋等級(jí)等(Ying, 2014; Lu, 2021)。

強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“卡努”為2017年的第20號(hào)臺(tái)風(fēng), 于2017年10月11日(北京時(shí)間, 下同)在菲律賓呂宋島以東洋面生成, 形成時(shí)的級(jí)別為熱帶低壓, 在向西移動(dòng)過程中強(qiáng)度不斷增加, 10月12日升級(jí)為熱帶風(fēng)暴, 10月13日穿過呂宋島進(jìn)入南海, 10月14日升級(jí)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴, 其移動(dòng)方向迅速發(fā)生改變, 向西北偏北方向移動(dòng), 10月14日22時(shí)發(fā)展為臺(tái)風(fēng), 10月15日12時(shí)進(jìn)一步升級(jí)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng), 其最大風(fēng)速達(dá)42 m/s, 16日凌晨在廣東湛江徐聞附近登陸。登陸后, “卡努”繼續(xù)向西偏南方向移動(dòng), 強(qiáng)度迅速減弱, 移入北部灣后逐漸減弱消失。臺(tái)風(fēng)“卡努”的移動(dòng)路徑如圖1所示。

本文采用的浮標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于自然資源部南海局運(yùn)行和管理的南海業(yè)務(wù)化海洋觀測(cè)網(wǎng)中的SF301浮標(biāo)(圖1)。該浮標(biāo)站位于南海陸坡區(qū), 浮標(biāo)直徑6 m, 所在海域水深約為1 500 m, 觀測(cè)內(nèi)容包括10 min平均風(fēng)速和風(fēng)向, 1 s極大風(fēng)速和風(fēng)向, 氣溫, 氣壓, 最大、十分之一、有效、平均波高和周期, 波向, 表層水溫等, 數(shù)據(jù)時(shí)間隔為1 h, 臺(tái)風(fēng)期間采樣間隔加密為30 min。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“卡努”中心經(jīng)過浮標(biāo)站的時(shí)間為2017年10月15日上午04:30～06:30, 浮標(biāo)完整記錄了臺(tái)風(fēng)前后海面水文氣象數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 海面氣壓和氣溫

在“卡努”進(jìn)入南海前, 浮標(biāo)觀測(cè)的海面氣壓一直維持在1 000 hPa以上, 隨著臺(tái)風(fēng)逼近, 海面氣壓緩慢下降, 10月15日01:30氣壓開始快速下降, 此時(shí)臺(tái)風(fēng)距離浮標(biāo)站大約135 km, 10月15日05:30臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過浮標(biāo)站時(shí), 海面氣壓降為959.9 hPa, 臺(tái)風(fēng)中心離開以后氣壓迅速上升, 氣壓隨時(shí)間呈漏斗狀變化(圖2a)。浮標(biāo)觀測(cè)最低氣壓比同時(shí)刻CMA數(shù)據(jù)集氣壓低5.1 hPa, 比美國(guó)JTWC (Joint Typhoon Warning Center)數(shù)據(jù)集低3.5 hPa, 與日本JMA (Japan Meteorological Agency)數(shù)據(jù)集最接近, 僅低0.5 hPa。

圖1 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“卡努”移動(dòng)路徑

注: 等值線表示水深(單位: m); 臺(tái)風(fēng)路徑上的數(shù)字格式為“日/時(shí)”

圖2 臺(tái)風(fēng)“卡努”期間SF301浮標(biāo)海面氣壓(a)、氣溫水溫(b)、風(fēng)速風(fēng)向(c)時(shí)間序列圖

注: 橫坐標(biāo)所示日期為2017年10月

臺(tái)風(fēng)進(jìn)入南海前浮標(biāo)觀測(cè)氣溫一直在28～30 °C, 進(jìn)入南海后浮標(biāo)觀測(cè)氣溫迅速降至27 °C, 不過隨著臺(tái)風(fēng)逐漸接近浮標(biāo), 觀測(cè)氣溫并未繼續(xù)下降, 而是在24.5～27.5 °C之間波動(dòng)。臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過時(shí)氣溫相對(duì)較高為27.6 °C, 臺(tái)風(fēng)前眼壁區(qū)和后眼壁區(qū)經(jīng)過時(shí)氣溫相對(duì)較低, 分別為25.9 °C和26.9 °C, 與臺(tái)風(fēng)中心分別相差1.7 °C和0.7 °C (圖2b), 臺(tái)風(fēng)登陸后觀測(cè)氣溫迅速恢復(fù)至30 °C左右。通常臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致的上層海洋混合會(huì)引起海面水溫降低(Price, 1981), 進(jìn)而對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)反饋, 而當(dāng)混合層較厚時(shí)則海面降溫則不太明顯, 海洋可持續(xù)為臺(tái)風(fēng)提供能量進(jìn)而使之強(qiáng)化。“卡努”過境期間, 浮標(biāo)觀測(cè)海表水溫在一直高于海面氣溫且并未發(fā)生明顯的變化(圖2b), 僅臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過浮標(biāo)時(shí)氣溫和海表水溫完全相等, 這意味著“卡努”一直從海洋吸收熱量, 這導(dǎo)致了“卡努”的強(qiáng)度在南海迅速加強(qiáng)。不過臺(tái)風(fēng)引起的海表降溫與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、混合層厚度、臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度等多種因素有關(guān), 臺(tái)風(fēng)“卡努”移動(dòng)速度較快也是海面降溫不明顯的一個(gè)原因。

2.2 海面風(fēng)

在“卡努”之前南海北部海域盛行東北風(fēng), 風(fēng)速約為10 m/s。10月14日, “卡努”進(jìn)入南海后, 浮標(biāo)觀測(cè)的10 min平均風(fēng)速增大至16 m/s左右。10月15日, 隨著“卡努”向西北移動(dòng), 臺(tái)風(fēng)中心距離浮標(biāo)站越來(lái)越近, 觀測(cè)風(fēng)速也越來(lái)越大。10月15日04:30左右, 臺(tái)風(fēng)前眼壁區(qū)經(jīng)過時(shí), 風(fēng)速達(dá)到最大, 10 min平均風(fēng)速為30.2 m/s, 風(fēng)向?yàn)?9°; 1 s極大風(fēng)速最大值出現(xiàn)在05:00, 為44.2 m/s, 風(fēng)向?yàn)?5°。臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過浮標(biāo)站時(shí)風(fēng)速迅速減小, 05:30, 10min平均風(fēng)速降至12.8 m/s。臺(tái)風(fēng)后眼壁區(qū)經(jīng)過浮標(biāo)時(shí), 風(fēng)速再次增大, 06:30, 10 min平均風(fēng)速為24.9 m/s, 風(fēng)向?yàn)?63°; 1 s極大風(fēng)速為38.6 m/s, 風(fēng)向?yàn)?48°。

臺(tái)風(fēng)過境期間浮標(biāo)觀測(cè)風(fēng)速隨時(shí)間變化曲線呈現(xiàn)明顯的“M”型雙峰分布, 且第二個(gè)峰值小于第一個(gè),說明臺(tái)風(fēng)“卡努”空間結(jié)構(gòu)不對(duì)稱, 主要是受觀測(cè)海域強(qiáng)勁東北季風(fēng)的影響。風(fēng)向沿著順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn), 前眼壁和后眼壁區(qū)平均風(fēng)向變化150°。浮標(biāo)觀測(cè)的10 min平均風(fēng)速在臺(tái)風(fēng)中心前后兩個(gè)極值時(shí)間間隔為2 h, 利用CMA熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)計(jì)算的該時(shí)段臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度為8 m/s, 2 h移動(dòng)距離為57.6 km, 可以估算出“卡努”經(jīng)過浮標(biāo)時(shí)最大風(fēng)速半徑大約為29 km, 同時(shí)刻美國(guó)JTWC數(shù)據(jù)集最大風(fēng)速半徑為56 km, 接近估算結(jié)果的2倍。

值得一提的是, 臺(tái)風(fēng)后眼壁區(qū)經(jīng)過后, 浮標(biāo)觀測(cè)風(fēng)速在9:30左右再次出現(xiàn)一個(gè)極值, 10 min平均風(fēng)速為22.2 m/s, 1 s極大風(fēng)速為31.6 m/s, 這是由于“卡努”經(jīng)過浮標(biāo)后強(qiáng)度不斷增大導(dǎo)致風(fēng)速增強(qiáng)。臺(tái)風(fēng)的影響一直持續(xù)到10月16日, 10月17日開始浮標(biāo)觀測(cè)風(fēng)逐漸恢復(fù)到臺(tái)風(fēng)前的東北風(fēng)。

2.3 波浪

受強(qiáng)勁的東北季風(fēng)影響, “卡努”進(jìn)入南海之前浮標(biāo)所在海域海浪較大, 有效波高在3 m左右, 最大波高可達(dá)6 m。隨著臺(tái)風(fēng)中心逐漸靠近浮標(biāo)站, 波高越來(lái)越大, 波高在臺(tái)風(fēng)前眼壁經(jīng)過30 min后達(dá)到最大, 有效波高和最大波高分別為10.8 m和14.3 m (圖3a), 這與強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“貝碧嘉”波高最大值出現(xiàn)時(shí)間滯后風(fēng)速最大值40 min的觀測(cè)結(jié)果基本一致(蘇志等, 2020)。臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過之后, 波高逐漸減小, 不過在9:30有效波高出現(xiàn)一個(gè)次極大值, 這是該時(shí)段風(fēng)速增強(qiáng)導(dǎo)致的。

波向和風(fēng)向變化趨勢(shì)一致, 由最初的N向沿順時(shí)針方向逐漸轉(zhuǎn)換到SE向, 波向的轉(zhuǎn)變發(fā)生在臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過時(shí)刻, 波向轉(zhuǎn)變比風(fēng)向轉(zhuǎn)變滯后1 h左右。波向在風(fēng)向的逆時(shí)針方向, 二者相差30°±23°, 說明波浪主要是由局地風(fēng)產(chǎn)生的。觀測(cè)結(jié)果還表明, “卡努”期間波周期隨著波高增大而增加, 二者相關(guān)性為0.82, 有效波高最高時(shí)對(duì)應(yīng)的有效波周期最長(zhǎng), 為11.2 s (圖3b)。

圖3 臺(tái)風(fēng)“卡努”期間SF301浮標(biāo)站有效波高和波向(a)、有效波周期(b)、波陡(c)時(shí)間序列圖

注: 橫坐標(biāo)所示日期為2017年10月

臺(tái)風(fēng)期間的海浪通常既有風(fēng)浪, 也有涌浪, 有效波陡是判別波浪類型的一種有效的方法, 一般波陡越小, 越接近于涌浪, 波陡越大, 越接近風(fēng)浪(孫璐等, 2014)。根據(jù)Tompson的理論(Thompson1984), 有效波陡為有效波高和主波長(zhǎng)之比, 可用以下公式計(jì)算:

其中:為有效波陡,s為有效波高,為重力加速度,p為譜峰周期,s為有效波周期。由于浮標(biāo)觀測(cè)結(jié)果未輸出譜峰周期, 譜峰周期可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(2)計(jì)算(文圣常等, 1984)?！?0.025時(shí)海浪以風(fēng)浪為主, 0.01 ≤< 0.025 時(shí)海浪為未成熟的涌浪,< 0.01時(shí)海浪為成熟的涌浪(Thompson, 1984)。

從圖3c可以看出, 臺(tái)風(fēng)期間波陡大部分時(shí)間均大于0.025, 并且隨著臺(tái)風(fēng)逐漸接近浮標(biāo), 風(fēng)速越來(lái)越強(qiáng), 海浪不斷成長(zhǎng), 波高越來(lái)越高, 波陡也越來(lái)越大, 最大波陡為0.049, 臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)離浮標(biāo)后, 波陡則迅速減小, 15日18時(shí)左右已低于0.025, 說明臺(tái)風(fēng)“卡努”影響期間海浪主要以風(fēng)浪為主, 臺(tái)風(fēng)過后則為混合浪。

3 風(fēng)浪關(guān)系討論

從上節(jié)的分析結(jié)果不難發(fā)現(xiàn), “卡努”期間有效波高和海面風(fēng)速變化趨勢(shì)幾乎一致, 相關(guān)系數(shù)為0.9。Hao等(2020)的風(fēng)浪模型表明在低風(fēng)速(≤16.808 m/s)情況下, 有效波高s和海面10 m風(fēng)速呈二次多項(xiàng)式關(guān)系; 在高風(fēng)速下(>16.808 m/s)二者呈線性關(guān)系[式(3)]。

其中10為海面10 m的風(fēng)速。鑒于“卡努”期間浮標(biāo)觀測(cè)風(fēng)速較大, 本文分別對(duì)風(fēng)-浪的關(guān)系進(jìn)行了線性擬合和二次多項(xiàng)式擬合。由于浮標(biāo)觀測(cè)風(fēng)速距離海面高度為6 m, 在擬合前先利用經(jīng)驗(yàn)公式(Hsu, 2017)計(jì)算海面10 m的風(fēng)速10。

式(6)和(7)擬合效果都比較好, 相關(guān)系數(shù)分別為0.861和0.862, 均方根誤差均分別為0.589 m和0.587 m。從圖4a可以看出, 二者的擬合結(jié)果十分接近, 然而在高風(fēng)速情況下, 式(7)的擬合效果更好, 可以認(rèn)為“卡努”期間有效波高和風(fēng)速更接近線性關(guān)系, 這與Hao等(2020)的模型是一致的。不過利用Hao等(2020)的風(fēng)浪模型計(jì)算的同期有效波高, 其平均誤差和均方根誤差分別為-1.01 m和0.65 m, 顯著低估了有效波高(圖4a)。

本文進(jìn)一步分析了“卡努”之前13 d (2017年10月1～13日)的風(fēng)-浪關(guān)系, 風(fēng)-浪關(guān)系模型為:

從圖4b可以看出, 有效波高和海面風(fēng)速在非臺(tái)風(fēng)期間呈二次多項(xiàng)式關(guān)系, 擬合結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.873, 標(biāo)準(zhǔn)差為0.49 m。Hao等(2020)的風(fēng)浪模型計(jì)算的結(jié)果與本文的模型趨勢(shì)十分接近, 標(biāo)準(zhǔn)差為0.5 m, 不過其平均誤差為-0.52 m, 低估了非臺(tái)風(fēng)期間的有效波高。

注:10表示10 m的風(fēng)速;s表示有效波高;表示相關(guān)系數(shù)

“卡努”期間波高和周期變化趨勢(shì)高度一致, 說明二者存在內(nèi)在的聯(lián)系。大量的研究表明(Toba, 1972; 管長(zhǎng)龍等, 2001, 2004; Hsu, 2017; 李朝等, 2021; Niu, 2021 ), 風(fēng)浪的無(wú)因次波高和無(wú)因次周期之間存在著冪指數(shù)關(guān)系:

Hsu等(2017)和Niu等(2021)分別基于臺(tái)風(fēng)期間的風(fēng)浪數(shù)據(jù), 建立了無(wú)因次波高和周期關(guān)系模型, 二者滿足線性關(guān)系:

從圖5a可以看出, 式(13)的擬合效果很好, 相關(guān)系數(shù)達(dá)0.957, 標(biāo)準(zhǔn)差為0.011 8。與Hsu等(2017)和Niu等(2021)的模型存在顯著的差距。雖然Niu等(2021)的模型也是基于南海北部的浮標(biāo)資料, 不過其位于近岸淺水區(qū)域, 而本文的浮標(biāo)則位于陸坡深水區(qū)域, 可能水深的不同是導(dǎo)致差異的原因。管長(zhǎng)龍等(2004)提出的模型則與本文的模型十分接近, 特別是式(10)的模型, 標(biāo)準(zhǔn)差僅0.0121; 式(11)的模型與觀測(cè)結(jié)果差異相對(duì)較大。這說明臺(tái)風(fēng)期間的無(wú)因次波高和周期滿足3/2指數(shù)律。

本文進(jìn)一步分析了臺(tái)風(fēng)前13 d 的無(wú)因次波高周期關(guān)系(圖5b), 其結(jié)果如下:

圖5 臺(tái)風(fēng)“卡努”期間(a)和臺(tái)風(fēng)前13 d (b)無(wú)因次波高、周期散點(diǎn)圖和擬合曲線

Fig.5 Relationship between dimensionless wave height and dimensionless wave period during the period of typhoon (a) and 13 days before typhoon arrival (b)

注:表示重力加速度,p為譜峰周期

其擬合的相關(guān)系數(shù)為0.934, 標(biāo)準(zhǔn)差為0.014 4, 冪函數(shù)的指數(shù)接近3/2。從圖5b可以看出Hsu等(2017)和Niu等(2021)的模型與觀測(cè)結(jié)果差異顯著, 而管長(zhǎng)龍等(2004)等提出的式(10)模型與觀測(cè)結(jié)果也十分一致, 與本文擬合的模型曲線幾乎重合, 說明在非臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)浪的無(wú)因次波高和無(wú)因次周期也滿足3/2指數(shù)律。

4 結(jié)論

由于臺(tái)風(fēng)路徑的不確定性, 導(dǎo)致其中心附近區(qū)域的風(fēng)浪觀測(cè)資料十分稀少, CMA熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)顯示2017年的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“卡努”恰好經(jīng)過南海北部陸坡的SF301浮標(biāo), 該浮標(biāo)獲取了臺(tái)風(fēng)前后海面水文氣象數(shù)據(jù)。本文基于浮標(biāo)觀測(cè)資料, 分析了“卡努”影響期間的風(fēng)和海浪特征, 以及風(fēng)和海浪之間的關(guān)系, 得出以下結(jié)論:

(1) “卡努”經(jīng)過浮標(biāo)時(shí)估算最大風(fēng)速半徑約為29 km, 中心氣壓為959.9 hPa。臺(tái)風(fēng)期間, 風(fēng)速隨時(shí)間呈“M”型雙峰分布, 且第二個(gè)峰值小于第一個(gè), 前、后眼壁區(qū)的10 min平均風(fēng)速分別為30.2 m/s和24.9 m/s, 1s極大風(fēng)速分別為44.2 m/s和38.6 m/s。海表溫度一直高于海面氣溫, 僅臺(tái)風(fēng)中心時(shí)刻二者相等, 這意味著“卡努”一直從海洋吸收熱量, 這是“卡努”的強(qiáng)度在南海迅速加強(qiáng)的主要原因。

(2) 浮標(biāo)觀測(cè)的有效波高和最大波高最大值分別為10.8 m和14.3 m, 滯后最大風(fēng)速30 min, 波周期隨著波高增大而增加, 有效波周期最長(zhǎng)為11.2 s; 波向和風(fēng)向變化趨勢(shì)一致, 二者相差30°±23°, 表明波浪主要是由局地風(fēng)產(chǎn)生的, 波陡均大于0.025, 波浪以風(fēng)浪為主。

(3) 臺(tái)風(fēng)期間有效波高和海面風(fēng)速接近線性關(guān)系, 非臺(tái)風(fēng)期間二者呈二次多項(xiàng)式關(guān)系; 臺(tái)風(fēng)期間和非臺(tái)風(fēng)期間無(wú)因次波高和周期滿足冪指數(shù)關(guān)系, 無(wú)論是“卡努”臺(tái)風(fēng)期間還是非臺(tái)風(fēng)期間, 觀測(cè)海域的無(wú)因次波高和周期均十分接近3/2指數(shù)律, 不過由于本文采用的樣本有限, 臺(tái)風(fēng)等極端天氣下的風(fēng)浪關(guān)系還需進(jìn)一步研究。

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THE WIND AND WAVE CHARACTERISTICS DURING SEVERE TYPHOON KHANUN

DENG Dan1, 2, ZHOU Quan3, MA Lei1, 2, LI Rui-Xiang1, 2

(1. South China Sea Marine Survey Center, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 510300, China; 2. Key Laboratory of Marine Environmental Survey Technology and Application, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 510300, China, 3. South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Ecology and Environment, Guangzhou 510530, China)

Frequent typhoons in summer in the northern South China Sea pose a great threat to production activities at sea and lives and properties. Due to the uncertainty of the typhoon’s track, wind, and wave observation data in the vicinity of typhoon center are very scarce. The best track data of typhoon from CMA showed that the severe typhoon Khanun passed over the SF301 buoy in the northern South China Sea in October 10. Based on the buoy data, the characteristics of wind and waves during the typhoon were analyzed. The observed results showed that the central pressure was 959.9 hPa when typhoon passing over the buoy. The time series of wind speed exhibited a bimodal distribution. The 10-min mean wind speed in the front and rear eye-wall were 30.2 and 24.9 m/s, respectively, and the one-second extreme wind speed were 44.2 and 38.6 m/s, respectively. The waves during Khanun were dominated by wind seas, which were mainly generated by local wind. The observed maximum value of significant wave height and maximum wave height was 10.8 and 14.3 m, respectively, which lagged the maximum wind speed for 30 min. The significant wave height had a nearly linear relationship with the sea surface wind speed during typhoon Khanun passage, but a quadratic polynomial relationship during non-typhoon period. The dimensionless wave height and period were related according to the power-law function, which follows the 3/2 power law proposed by Toba for both typhoon and non-typhoon period.

the South China Sea; buoy; typhoon; Khanun; wind; wave

* 廣東省平臺(tái)基地及科技基礎(chǔ)條件建設(shè)項(xiàng)目, 2021B1212050025號(hào); 中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng), PM- zx703-202104-074號(hào); 自然資源部南海局科技發(fā)展基金, 202205號(hào)。鄧 丹, 工程師, E-mail: 80162181@qq.com

李銳祥, 高級(jí)工程師, E-mail: liruixiang@smst.gz.cn

2023-03-15,

2023-05-11

P731

10.11693/hyhz20230300061