朱煒 林捷 施能深 吳國(guó)偉

摘要：為了解海防林對(duì)臺(tái)風(fēng)的防護(hù)效應(yīng)，以惠安赤湖國(guó)有防護(hù)林場(chǎng)的監(jiān)測(cè)站收集的“杜蘇芮”臺(tái)風(fēng)登陸前后的氣象數(shù)據(jù)為材料，分析了臺(tái)風(fēng)登陸前后近地層的風(fēng)速風(fēng)向、湍流強(qiáng)度及防風(fēng)效能和氣流加速率的特征規(guī)律。結(jié)果表明：（1）臺(tái)風(fēng)登陸前后的平均風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)程變化特征滿足了臺(tái)風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過的條件，平均風(fēng)速曲線呈顯著的“M”形雙峰分布，通過采集到的臺(tái)風(fēng)眼區(qū)、眼壁和外圍強(qiáng)風(fēng)的完整風(fēng)況數(shù)據(jù)，完整展示了臺(tái)風(fēng)經(jīng)過林帶前后風(fēng)速、風(fēng)向的演變過程。（2）湍流強(qiáng)度的時(shí)程整體變化趨勢(shì)隨著臺(tái)風(fēng)靠近和離去呈現(xiàn)增大-減小-劇增-回落的過程，尤其臺(tái)風(fēng)后風(fēng)圈影響的區(qū)域，湍流強(qiáng)度劇烈增大，強(qiáng)度可增大2倍以上。（3）向岸風(fēng)在垂直方向上，弱風(fēng)或強(qiáng)風(fēng)的防風(fēng)效能隨高度增加而降低，高度相同，林帶后弱風(fēng)的防風(fēng)效能小于強(qiáng)風(fēng)，水平方向上，林內(nèi)，林帶后1H和5H處防風(fēng)效能最好，在高度3m平均防風(fēng)效能為49.57%～93.93%，在高度9m平均防風(fēng)效能為44.04%～90.10%；離岸風(fēng)在垂直方向上，隨著氣流靠近林帶，弱風(fēng)或強(qiáng)風(fēng)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(nèi)氣流加速率達(dá)到最低值，而風(fēng)越過林帶后，弱風(fēng)風(fēng)速恢復(fù)到88%左右，強(qiáng)風(fēng)的氣流則有個(gè)加速的過程。分析結(jié)果將為今后沿海防護(hù)林的減災(zāi)防災(zāi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和效益評(píng)價(jià)提供參考。

關(guān)鍵詞：木麻黃；基干林帶；臺(tái)風(fēng)；杜蘇芮；防風(fēng)效應(yīng)

中圖分類號(hào)：S727.23文獻(xiàn)標(biāo)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(tái)風(fēng)是發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上的一種具有暖心結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈氣旋性渦旋^[1]，活動(dòng)范圍廣，移動(dòng)時(shí)伴有巨浪、狂風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮，對(duì)沿海地區(qū)的人類生活和生產(chǎn)具有極強(qiáng)的破壞力^[2]。我國(guó)地處西北太平洋西岸，海岸線綿長(zhǎng)，每年約有7～9個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸我國(guó)，是全球臺(tái)風(fēng)災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一^[3]。由于臺(tái)風(fēng)與良態(tài)風(fēng)相比，在微觀結(jié)構(gòu)及湍流特性上均存在顯著差別^[4]，且實(shí)驗(yàn)室難以模擬，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是目前較為有效的研究手段。發(fā)達(dá)國(guó)家開展強(qiáng)風(fēng)特性實(shí)測(cè)研究起步較早，積累了大量數(shù)據(jù)資料，并應(yīng)用建立的風(fēng)特性數(shù)據(jù)庫(kù)，在時(shí)間或空間上通過大規(guī)模的觀測(cè)工作得到了比較完整的分析結(jié)果^[5]。我國(guó)在近地層臺(tái)風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究中通常利用高層測(cè)風(fēng)塔^[6]、多普勒雷達(dá)^[7]或當(dāng)?shù)貧庀笳?sup>[8]觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析臺(tái)風(fēng)影響期間的平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、極端風(fēng)速、陣風(fēng)因子、摩擦速度等風(fēng)場(chǎng)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(yīng)用在工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)、輸電線路設(shè)計(jì)和風(fēng)電機(jī)組選型等方面。

20世紀(jì)50年代末以來，我國(guó)東南沿海已建立起綿延數(shù)千里的木麻黃（Casuarina equisetifolia）防護(hù)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(hù)林建立在陸地海岸帶的前沿，經(jīng)受著強(qiáng)烈的海陸風(fēng)和風(fēng)暴潮的干擾，不僅減弱了風(fēng)的動(dòng)能，減輕風(fēng)的直接侵害，而且還可以減少因?yàn)轱L(fēng)所攜帶的飛沙、飛?鹽、海潮等對(duì)受災(zāi)物的二次或間接侵害^[9]。臺(tái)風(fēng)登陸對(duì)森林造成風(fēng)害的成因、評(píng)估模型、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、災(zāi)后恢復(fù)及其對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程、功能的影響等研究均有相關(guān)報(bào)道^[10]。而作為沿海防護(hù)的第一道防護(hù)屏障木麻黃基干林帶^[11]，防風(fēng)效能是評(píng)價(jià)防護(hù)林減風(fēng)降速的重要指標(biāo)之一^[12]，本項(xiàng)目也發(fā)表過針對(duì)木麻黃基干防護(hù)林帶應(yīng)用長(zhǎng)期觀測(cè)的年序列風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行不同季節(jié)、風(fēng)向防風(fēng)效能的研究^[13]。由于臺(tái)風(fēng)登陸具有隨機(jī)性，且登陸時(shí)依靠人力進(jìn)行觀測(cè)出于安全因素考慮不可行，因此對(duì)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過防護(hù)林帶時(shí)實(shí)時(shí)觀測(cè)風(fēng)速的變化特征及防護(hù)效應(yīng)方面的研究較少。

本研究通過設(shè)置在福建省惠安赤湖國(guó)有防護(hù)林場(chǎng)的生態(tài)定位監(jiān)測(cè)站，利用布設(shè)在林帶前、林內(nèi)和林帶后的6個(gè)觀測(cè)塔完整捕捉了2023年7月28日“杜蘇芮”臺(tái)風(fēng)登陸前后的氣象數(shù)據(jù)，應(yīng)用收集的數(shù)據(jù)分析整個(gè)過程的風(fēng)況變化，擬解決臺(tái)風(fēng)登陸前后平均風(fēng)速、風(fēng)向時(shí)程變化特征，臺(tái)風(fēng)登陸前后湍流特性時(shí)程變化特征和臺(tái)風(fēng)登陸前后以及風(fēng)向的改變對(duì)防風(fēng)效能的影響等問題。相關(guān)的分析結(jié)果將為今后沿海防護(hù)林的減災(zāi)防災(zāi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和效益評(píng)價(jià)提供參考，對(duì)沿海防護(hù)林的結(jié)構(gòu)和功能研究具有重要的意義^[14]。

1 試驗(yàn)地與生態(tài)定位監(jiān)測(cè)站概況

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建省泉州市惠安縣崇武鎮(zhèn)赤湖國(guó)有防護(hù)林場(chǎng)，地理位置東經(jīng)118°55′，北緯24°35′^[15]。地處亞熱帶海洋性季風(fēng)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(dá)2100h。干濕季明顯，干旱頻度大，夏季多臺(tái)風(fēng)，年平均5.1次，秋冬盛行東北風(fēng)^[16]，年平均風(fēng)速大于6.0m.s^-1。土壤為風(fēng)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(cè)站概況

生態(tài)定位監(jiān)測(cè)站設(shè)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(shè)置1號(hào)塔，塔身建于防護(hù)堤上，高于防護(hù)林帶，相當(dāng)于曠野對(duì)照點(diǎn)，林帶寬度160m，中央設(shè)置2號(hào)塔，林后按照1H，5H，10H，20H分別設(shè)置3號(hào)塔～6號(hào)塔，建設(shè)在農(nóng)田上，海拔高度基本相同。超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器分別安裝在六個(gè)氣象觀測(cè)塔上，原設(shè)計(jì)安裝在高度10m的傳感器因支架大風(fēng)天氣容易松動(dòng)導(dǎo)致故障，因此統(tǒng)一調(diào)整安裝到9m，垂直梯度上2號(hào)塔設(shè)置3層傳感器，高度分別為3m、9m和17m，其它5個(gè)觀測(cè)塔設(shè)置2層，高度分別為3m和9m。傳感器為英國(guó)GILL公司生產(chǎn)的WINDSONIC超聲波測(cè)風(fēng)儀，風(fēng)速測(cè)量范圍0～60m.s^-1，精度2%，分辨率0.01m.s^-1，啟動(dòng)風(fēng)速≥0.01m.s^-1；風(fēng)向測(cè)量范圍0～359°，精度≤±3°，分辨率≤1°。各觀測(cè)塔由太陽能系統(tǒng)獨(dú)立供電，經(jīng)由采集器利用GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

2 “杜蘇芮”概況與研究方法

2.1 “杜蘇芮”概況

2023年第5號(hào)臺(tái)風(fēng)“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(shí)由超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)減弱為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)，中心附近最大風(fēng)力有15級(jí)（50m.s^-1），中央氣象臺(tái)于29日11：00對(duì)其停止編號(hào)^[17]。登陸地點(diǎn)見示意圖1。監(jiān)測(cè)站的氣象觀測(cè)塔位于臺(tái)風(fēng)路徑的右側(cè)，距離登陸地點(diǎn)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(shí)風(fēng)力強(qiáng)度為1949年以來登陸福建第二強(qiáng)，所攜帶的大量水汽形成的降雨影響東部14省（區(qū)、市）（閩浙贛皖豫魯京津冀晉蒙黑吉遼），造成嚴(yán)重災(zāi)害損失^[18]。截至7月31日臺(tái)風(fēng)共造成福建省266.69萬人受災(zāi)，緊急避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移39.95萬人，緊急轉(zhuǎn)移安置16.24萬人；農(nóng)作物受災(zāi)面積37396.27hm²，其中絕收面積1 701.76 hm²；倒塌和嚴(yán)重?fù)p壞房屋3 357間，一般損壞房屋14 998間，直接經(jīng)濟(jì)損失147.55億元^[19]。

2.2研究方法

2.2.1觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

觀測(cè)過程中由于電源電壓不穩(wěn)定、通信網(wǎng)絡(luò)擁堵或其他不明原因容易造成數(shù)據(jù)異常、失真甚至丟失，若直接使用異常數(shù)據(jù)進(jìn)行研究會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，嚴(yán)重影響評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確度^[20]。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制首先對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)間順序和數(shù)量進(jìn)行完整性檢驗(yàn)，其次依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T18710-2002^[21]進(jìn)行范圍和趨勢(shì)性檢驗(yàn)，以上借助軟件編程完成，最后進(jìn)行人工二次檢驗(yàn)，將過度檢驗(yàn)或誤判的數(shù)據(jù)還原。本次觀測(cè)沒有出現(xiàn)缺測(cè)數(shù)據(jù)，因此無需進(jìn)行插值填補(bǔ)。

2.2.2 風(fēng)速風(fēng)向

數(shù)據(jù)樣本選取時(shí)段從2023年7月25日00：00時(shí)至2023年7月28日23：50時(shí)，記錄時(shí)距10min，樣本個(gè)數(shù)3456個(gè)。統(tǒng)計(jì)分析時(shí)將10min數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為1h數(shù)據(jù)，平均風(fēng)速直接用算術(shù)平均方法計(jì)算，風(fēng)向采用矢量平均法計(jì)算^[22]。

風(fēng)向頻率根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T35227-2017^[23]規(guī)定，以正北方向?yàn)?°，按22.5°順時(shí)針劃分16個(gè)方位統(tǒng)計(jì)，同時(shí)依據(jù)參考文獻(xiàn)[10]中林帶方向?qū)L(fēng)向劃分為向岸風(fēng)（風(fēng)從海上吹向陸地）和離岸風(fēng)（風(fēng)從陸地吹向海上）兩組用于防風(fēng)效能^[24]和氣流加速率^[25]統(tǒng)計(jì)。

2.2.3 湍流強(qiáng)度

湍流強(qiáng)度是衡量湍流強(qiáng)弱的相對(duì)指標(biāo)，反映了風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度，定義為平均時(shí)距的脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差與水平方向平均風(fēng)速的比值^[26]，公式為

2.2.4 防風(fēng)效能

防風(fēng)效能是體現(xiàn)防護(hù)林帶防護(hù)能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)^[25]，根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，當(dāng)氣旋中心風(fēng)力小于6級(jí)時(shí)，將不具有螺旋結(jié)構(gòu)，對(duì)流發(fā)展較差，不能反映臺(tái)風(fēng)的特性^[27]，因此以風(fēng)力等級(jí)6級(jí)劃分風(fēng)力強(qiáng)弱，平均風(fēng)速≥10.8m.s^-1劃分為強(qiáng)風(fēng)，平均風(fēng)速＜10.8m.s^-1劃分為弱風(fēng)進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)。

當(dāng)風(fēng)向?yàn)橄虬讹L(fēng)時(shí)，計(jì)算公式如下：

式中：下標(biāo)字母???為防風(fēng)效能，是指相同高度處距離對(duì)照塔的位置平均風(fēng)速減少的百分?jǐn)?shù)，為相同高度對(duì)照點(diǎn)1號(hào)塔平均風(fēng)速，?為相同高度2～6號(hào)塔平均風(fēng)速。

2.2.5氣流加速率

當(dāng)風(fēng)向?yàn)殡x岸風(fēng)時(shí)，主要考察林帶對(duì)氣流的阻滯作用，因此應(yīng)用氣流加速率反映林帶對(duì)氣流的加速情況，計(jì)算公式如下：

式中：下標(biāo)字母?為氣流加速率，??為相同高度1～5號(hào)塔平均風(fēng)速，為相同高度對(duì)照點(diǎn)6號(hào)塔平均風(fēng)速。當(dāng)＞1時(shí)，表示林帶對(duì)氣流有加速的作用，風(fēng)速增加；＜1時(shí)，表示林帶對(duì)氣流有減速的作用，風(fēng)速降低；=1時(shí)，表示林帶對(duì)氣流沒有影響，風(fēng)速保持不變^[28]。

2.2.6 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)使用Excel軟件，風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)處理以及計(jì)算作圖等使用R語言軟件，版本4.3，加載tidyverse程序包。

3 結(jié)果與分析

3.1臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)風(fēng)速風(fēng)向變化特征

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以1h為時(shí)距計(jì)算的6個(gè)觀測(cè)塔平均風(fēng)速、風(fēng)向如圖2所示

圖2中可以看出，1號(hào)塔從7月25日00：00時(shí)起，風(fēng)速逐漸增大，至7月26日18：00時(shí)到達(dá)第一個(gè)最大值，高度3m平均風(fēng)速13.69m.s^-1，高度9m平均風(fēng)速15.50m.s^-1，隨后風(fēng)速逐漸減小，至7月28日05：00時(shí)高度3m和9m的平均風(fēng)速分別降到5.55m.s^-1、6.30m.s^-1，期間雖有波動(dòng)，但趨勢(shì)不變，風(fēng)向以NNE和NE為主，風(fēng)從海上吹向陸地；7月28日06：00時(shí)風(fēng)速開始急劇增大，至7月28日09：00時(shí)達(dá)到峰值，高度3m和9m的平均風(fēng)速分別為23.38m.s^-1、26.29m.s^-1，同時(shí)風(fēng)向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為SSE和S，風(fēng)從陸地吹向海洋。綜上所述，從“杜蘇芮”臺(tái)風(fēng)經(jīng)過1號(hào)觀測(cè)塔時(shí)平均風(fēng)速和風(fēng)向的時(shí)程變化曲線可以看出，臺(tái)風(fēng)過程的平均風(fēng)速時(shí)程曲線呈M型變化，即強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)“雙峰”型分布，且“雙峰”之間出現(xiàn)風(fēng)速小于?11m.s^-1的情形，同時(shí)滿足風(fēng)速大小在17.2m.s^-1以上時(shí)風(fēng)向方位角度連續(xù)變化120°以上，依據(jù)以上判別標(biāo)準(zhǔn)^[29]可以判斷臺(tái)風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過觀測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)站采集到了包括臺(tái)風(fēng)眼區(qū)、眼壁和外圍強(qiáng)風(fēng)的完整風(fēng)況數(shù)據(jù)^[30]。

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

3.2 臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)湍流強(qiáng)度

根據(jù)各觀測(cè)塔的平均風(fēng)速及風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差的臺(tái)風(fēng)樣本，統(tǒng)計(jì)分析了“杜蘇芮”影響期間湍流強(qiáng)度的分布規(guī)律，結(jié)果見圖3和表1。從圖3可以看出，當(dāng)臺(tái)風(fēng)逐漸靠近1號(hào)、3～6號(hào)觀測(cè)塔時(shí)，近地層的湍流強(qiáng)度變幅較大，隨著風(fēng)速增大，湍流強(qiáng)度減小，臺(tái)風(fēng)穿過觀測(cè)塔后，風(fēng)向改變，風(fēng)速急劇增大，湍流強(qiáng)度變幅劇烈，強(qiáng)度達(dá)到最大值，臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)離后，湍流強(qiáng)度逐漸降低。2號(hào)塔高3m處的的湍流強(qiáng)度與其它塔基本一致，但高9m處的湍流強(qiáng)度在臺(tái)風(fēng)接近風(fēng)速增大的過程中變幅大于高度3m的湍流強(qiáng)度。

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

3.3 不同風(fēng)向防風(fēng)效能和氣流加速率分析

以1號(hào)塔時(shí)程數(shù)據(jù)中的風(fēng)向作為主分類因子，按照不同高度、風(fēng)力強(qiáng)弱兩因子進(jìn)行分組，并以此為基準(zhǔn)，在2～6號(hào)塔中尋找與分組基準(zhǔn)匹配的相同時(shí)間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均風(fēng)速，向岸風(fēng)以1號(hào)塔為對(duì)照點(diǎn)計(jì)算防風(fēng)效能，離岸風(fēng)以6號(hào)塔為對(duì)照點(diǎn)計(jì)算氣流加速率，結(jié)果見表2和表3。

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

表3為臺(tái)風(fēng)登陸后風(fēng)向改變風(fēng)從陸地吹向海上過程中的各觀測(cè)點(diǎn)氣流加速率變化情況，在垂直方向，不同高度上，同為弱風(fēng)或強(qiáng)風(fēng)5號(hào)塔高度3m處的氣流加速率大于高度9m外，其余1～4號(hào)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(hào)塔高度3m或高度9m弱風(fēng)的氣流加速率均大于強(qiáng)風(fēng)，林內(nèi)2號(hào)塔高度3m或高度9m弱風(fēng)的氣流加速率小于強(qiáng)風(fēng)。水平方向上，表現(xiàn)的特征為當(dāng)氣流整體到達(dá)林帶時(shí)氣流加速率逐漸減少，風(fēng)速在9m高度下整體降低，林內(nèi)氣流加速率達(dá)到最低值，而風(fēng)越過林帶后，弱風(fēng)風(fēng)速恢復(fù)到88%左右，強(qiáng)風(fēng)的氣流加速率大于1，因此風(fēng)速越過林帶后有個(gè)加速的過程。

4 結(jié)論與討論

臺(tái)風(fēng)是給中國(guó)沿海地區(qū)帶來巨大災(zāi)害的主要天氣系統(tǒng)，登陸臺(tái)風(fēng)近地層的湍流運(yùn)動(dòng)特征對(duì)研究臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)及臺(tái)風(fēng)生命周期十分重要，更對(duì)其影響地區(qū)的建筑物及人民生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生重大影響^[32]。“杜蘇芮”以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度正面登陸福建晉江，給經(jīng)過地區(qū)帶來巨大災(zāi)害，監(jiān)測(cè)站也于2023年7月28日10：00時(shí)，觀測(cè)到高度9m的10min最大風(fēng)速為40.25m.s^-1，風(fēng)力等級(jí)達(dá)13級(jí)，受此影響，沿海林分受損嚴(yán)重，斷梢、折干、倒伏甚至連根拔起的林木不在少數(shù)。然而通過建設(shè)的監(jiān)測(cè)站實(shí)時(shí)觀測(cè)到這次臺(tái)風(fēng)經(jīng)過前后溫度、風(fēng)速和風(fēng)向等指標(biāo)的時(shí)程變化數(shù)據(jù)，通過分析臺(tái)風(fēng)登陸前后近地層的風(fēng)速風(fēng)向、湍流強(qiáng)度變化特征，以探究木麻黃基干林帶對(duì)臺(tái)風(fēng)的防護(hù)效應(yīng)。

本次臺(tái)風(fēng)研究的時(shí)程內(nèi)高度9m平均風(fēng)速8 級(jí)以上大風(fēng)持續(xù)6h之久，6級(jí)以上強(qiáng)風(fēng)持續(xù)77h之久，風(fēng)力等級(jí)大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。從登陸的平均風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)程變化曲線可以看出，臺(tái)風(fēng)過程的平均風(fēng)速時(shí)程曲線呈顯著的“M”型雙峰分布，?7月26日18：00時(shí)達(dá)到第一峰值，7月28日09：00時(shí)達(dá)到第二峰值，雙峰之間的低谷高度3m和9m的平均風(fēng)速分別降到5.55m.s^-1、6.30m.s^-1，從低谷轉(zhuǎn)向第二峰值時(shí)，風(fēng)速發(fā)生劇烈變化，同時(shí)風(fēng)向也順時(shí)針旋轉(zhuǎn)由NNE或NE轉(zhuǎn)變?yōu)镾SE或S，上述風(fēng)速和風(fēng)向特征滿足了臺(tái)風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過的條件，時(shí)程內(nèi)的數(shù)據(jù)代表了整個(gè)臺(tái)風(fēng)演變規(guī)律過程^[33]。位于林內(nèi)的2號(hào)塔和林后1H的3號(hào)塔，雖然受到林木的遮擋，但風(fēng)速、風(fēng)向的演變規(guī)律與其它觀測(cè)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(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”相近，風(fēng)速變化后風(fēng)圈風(fēng)速明顯大于前風(fēng)圈風(fēng)速，最大風(fēng)速出現(xiàn)在后風(fēng)圈^[34]。

湍流產(chǎn)生有兩個(gè)主要原因：一個(gè)是流動(dòng)的氣流受到地面粗糙度摩擦或者阻滯作用發(fā)生擾動(dòng)；另一個(gè)是由于空氣密度差異和大氣溫度差異引起的氣流垂直運(yùn)動(dòng)。通常情況下，上述兩個(gè)原因往往同時(shí)導(dǎo)致湍流的發(fā)生。當(dāng)臺(tái)風(fēng)靠近陸地時(shí)，其風(fēng)向會(huì)發(fā)生劇變，兩種影響因素將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致湍流強(qiáng)度發(fā)生變化^[31]。湍流強(qiáng)度的時(shí)程整體變化趨勢(shì)隨著臺(tái)風(fēng)靠近和離去呈現(xiàn)增大-減小-劇增-回落的過程，尤其臺(tái)風(fēng)后風(fēng)圈影響的區(qū)域，湍流強(qiáng)度劇烈增大，強(qiáng)度可增大2倍以上。臺(tái)風(fēng)經(jīng)過沿海防護(hù)林帶時(shí)，由于氣流與樹冠、枝葉的沖擊與摩擦作用，林帶內(nèi)高度9m的湍流強(qiáng)度變化幅度較大，且與高度3m的相關(guān)系數(shù)為0.6511，相關(guān)性較差，說明有樹木的遮擋對(duì)湍流強(qiáng)度的分布有較大影響^[3]。

向岸風(fēng)在垂直方向上，弱風(fēng)或強(qiáng)風(fēng)的防風(fēng)效能隨高度增加而降低，高度相同，林帶后弱風(fēng)的防風(fēng)效能小于強(qiáng)風(fēng)；水平方向上，林內(nèi)，林帶后1H和5H處防風(fēng)效能最好，研究結(jié)果與參考文獻(xiàn)[20]相一致，綜合弱風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在高度3m平均防風(fēng)效能為49.57%～93.93%，在高度9m平均防風(fēng)效能為44.04%～90.10%，其后隨著距離的增加防風(fēng)效能逐漸下降^[35]，林帶后20H相同高度處弱風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)防風(fēng)效能趨于相同。離岸風(fēng)在垂直方向，隨著氣流靠近林帶，弱風(fēng)或強(qiáng)風(fēng)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(nèi)氣流加速率達(dá)到最低值，而風(fēng)越過林帶后，弱風(fēng)風(fēng)速恢復(fù)到88%左右，強(qiáng)風(fēng)的氣流則有個(gè)加速的過程。因此，當(dāng)相反風(fēng)向作用時(shí)，初始?xì)饬鞯哪芰肯哪Ｊ桨l(fā)生了根本變化，并體現(xiàn)在風(fēng)速、氣流加速率以及防風(fēng)效能的空間變化上^[28]。

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