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第46卷 第1期厦门大学学报(自然科学版)Vol。46 No。1
2007年1月JournalofXiamenUniversity(NaturalScience)Jan。2007
台风期间台湾岛周边海域海面风场特征
的卫星遥感研究
陈德文1,2,商少平1,23,商少凌2,张文舟2
(1。 厦门大学海洋学系,2。近海海洋环境科学国家重点实验室(厦门大学),福建厦门361005)
收稿日期:2006207210
基金项目:福建省科技厅重大专项(2004NZ03),"863"计划重大专
项(2003AA604)福建示范区资助
3通讯作者:spshang@
摘要:利用1999~2005年Qui...全部
第46卷 第1期厦门大学学报(自然科学版)Vol。46 No。1
2007年1月JournalofXiamenUniversity(NaturalScience)Jan。2007
台风期间台湾岛周边海域海面风场特征
的卫星遥感研究
陈德文1,2,商少平1,23,商少凌2,张文舟2
(1。
厦门大学海洋学系,2。近海海洋环境科学国家重点实验室(厦门大学),福建厦门361005)
收稿日期:2006207210
基金项目:福建省科技厅重大专项(2004NZ03),"863"计划重大专
项(2003AA604)福建示范区资助
3通讯作者:spshang@
摘要:利用1999~2005年QuikSCAT卫星遥感资料,对台风期间三种台风路径下台湾岛周边海域海面风场变化特征
及成因进行了分析。
结果表明,尽管台风强度被不同程度低估,台风中心附近风向反演受降雨影响明显,但遥感海面风场
的大致形态仍较为合理。地形对风场特征的形成有着显著作用,它导致了台湾海峡内大风(>10m/s)天气提前出现,中
央山脉两侧背风槽(或诱生低压)形成,中央山脉两端下风面"角流"形成等现象。
海峡内大风天气是否提前出现与台风中
心的位置有关。不同台风路径下,"角流"和背风槽的位置和范围不同。
关键词:海面风场;地形;台湾岛;台风;QuikSCAT
中图分类号:P444 文献标识码:A 文章编号:043820479(2007)0120141205
台湾岛位于西北太平洋台风移行的主要路径上,
平均每年有4个台风袭击台湾岛。
岛屿长300km,宽
100km,岛上地形复杂,中央山脉平均海拔达3000多
米。岛的西侧为台湾海峡,海峡两侧地势较高,呈北窄
南宽的喇叭形状(图1)。
图1 台湾岛及周边地形
Fig。1 TerraininthevicinityofTaiwanIsland
关于台湾岛地形对台风的影响过去已有过一些
研究。
Brand[1]统计分析了22个穿岛台风的强度和路
径变化,并提出了穿岛台风的一些预报规则。福建省
莆田气象台[2]在预报经验的基础上,分析了台风活动
期间台湾地形倒槽与福建沿海大风出现时间和强度
的关系。
王时鼎等[3]把台湾地形对侵台台风的作用归
纳成两类边界层影响。除了观测资料分析外,亦有不
少模型用于这方面的研究。Chang[4]模拟出理想地形
下台风穿越台湾岛时的台风路径偏折,强度减弱,地
形背风槽和次级低层环流形成等一些基本特征。
Benderd[5]等研究了两种基本气流下岛屿对台风的影
响,发现岛屿对基本气流和台风流场影响的综合效应
导致了台风路径,强度,移动速度的变化。近年来国内
亦有一些学者通过台风个例数值模拟结合观测资料
分析,探讨了台湾岛附近地形对台风的影响[6]及台风
期间福建大风天气出现的特点和成因[7]。
这些研究大
多主要关注地形如何影响台风路径和强度,所用观测
资料为陆地台站资料,或是数值模拟的结果。而台站
风并不能完全代表海面风场的空间结构,后者只能通
过遥感手段获取。故本文尝试利用遥感海面风场数
据,研究台风期间台湾岛周边海域在特殊高海拔海岛
与大陆地形影响下,海面风场的小尺度特征及其变
化。
1 数据与方法
1。1 数据来源
NASA于1999年6月发射了第一颗海洋测风专
用卫星QuikSCAT,其上装有最新型微波散射计Sea
Winds。SeaWinds为Ku波段主动雷达,通过测量海面
散射截面(σ0)来反演海面风矢量。
降雨是影响σ0的一
个主要因素;且在高风速(>20m/s)情况下,风速会
被低估。但有研究[8,9]表明σ0对各种降雨率下大风(高
达50m/s)的风速变化敏感;且σ0作为风速的一个函
图2 台风路径图
Fig。
2 Tracksoftyphoon
数对高于35m/s的风仍有明显变化。因此尽管遥感
方法有着自身的局限性,但它在一定程度上仍可反映
出海面风场的结构特征。
图3 0313号台风海面风场(m/s)
Fig。
3 Seasurfacewindfield(m/s)oftyphoon0313
本文采用数据为NASA发布的QuikSCATL3
级逐日海面(10m高)风矢量数据,分为升轨和降轨数
据,过境时间分别约为当地时间6时和18时。
数据刈
幅宽1800km,空间分辨率为25km,风向精度为20°,
风速精度在不同的风速区间分别为2m/s(3~20m/
s)和10%(20~30m/s)。
台风资料有两个来源,1999~2004年资料取自
《热带气旋年鉴》(中国气象局),2005年资料来源于中
央气象台上海台风研究所网站(http:PPwww。
ty2
1。2 方 法
根据历史台风路径资料,结合台风移动过程的环
流特点,可将西北太平洋台风路径分为七类[10],其中
登陆华东,倒抛物线,西行进入南海和低纬转向的四
类台风对台湾岛和闽浙沿海影响较大。
在台风个例选
取时,为减小基本气流的差异,主要选取路径稳定向
西或西北方向移行的前三类台风作为研究对象。注意
到台风中心从不同空间位置穿(掠)过台湾岛时,会导
致海面风场特征变化有显著差异,为此进一步区分以
下3种台风路径:
(1)台风经吕宋海峡进入南海北部或台湾海峡南
部,简称南路。
(2)台风横穿过台湾岛和台湾海峡登陆福建中北
部,简称中路。
(3)台风经台湾岛北部海域登陆闽浙沿海,简称
北路。在拥有QuikSCAT数据的1999~2005年间,共
有12个台风个例符合以上原则(图2)。
按照不同的路
径类型,分别选取典型个例进行详细分析。
2 结果与讨论
2。1 台风循南路西行期间的海面风场特征
241 厦门大学学报(自然科学版) 2007年
图4 0505号台风海面风场(m/s)
Fig。
4 Seasurfacewindfield(m/s)oftyphoon0505
图3为0313号台风海面风场。2003年9月1日6
时的台风中心(黑色五角星标记处)位于吕宋海峡以
东洋面(图3a),台湾岛周边海域主要受到台风外围环
流的影响,台湾海峡以北盛行东北风,风向与中央山
脉的长轴方向几乎平行,山脉对气流的作用主要为
"分流影响"[3],"开通道"地形的存在,使得东北方向
台风外围气流从海峡北口进入,沿海峡南下,产生"狭
管"效应,海峡中部风力加强,遥感风速达15m/s。
此
种海峡中部先于周边海域出现大风天气的现象,在以
往的一些研究中已有过报道[1,6,7]。
随着台风中心继续逼近台湾海峡(图3b),12h之
后,海峡中部遥感风速迅速增强到20~25m/s(图
3b)。
风速增强的原因可能有2个:一是台风逼近,穿
过海峡的环流增强;二是台风向台湾岛南部移动,台
湾岛东部由东北风转变成东风,在中央山脉阻挡强迫
下,山脉西部背风面形成地形倒槽,加大了海峡中北
部的气压梯度,导致风速增强[1]。
地形倒槽的形成有
一个显著特征,即在背风面有风速较低的弱尾流区,
图3b中并无明显的风速低值区,从而说明海峡中部
风速增强主要是由台风闭合环流增强引起的。
台风中心穿过吕宋海峡,在吕宋岛和台湾岛的双
面阻挡下,台风底层外围闭合环流被阻隔。
9月2日6
时(图3c),台风中心刚出吕宋海峡,台湾海峡南部以
及南海北部主要为台风环流风场。图中遥感最大风速
约为33m/s,低于台风年鉴中的记录45m/s,而台风
中心附近由于受到降雨影响较大遥感风向比较紊乱。
台湾岛东侧为大面积的东南风,中央山脉背面澎湖附
近形成明显的地形倒槽,出现低风速尾流区。倒槽的
形成加大了台湾海峡北口(25°N附近)和福建中,北部
沿海的气压梯度,使得海峡北部出现"角流"高风速区
和海峡西侧风速增强。
图3d为0313号台风登陆前两小时的观测图像。
此时台风中心已西行远离台湾岛,台湾岛周边海域受
台风影响减弱,风速减小。整个台湾岛周边海域均为
东南风;台湾海峡南部离台风中心较近,风速较大;海
峡中,北部由于受到台湾岛的"遮蔽",风速很小;海峡
北部仍有较弱的"角流"存在。
2。2 台风循中路西行期间的海面风场特征
图4为0505号台风2005年7月16~18日的海
面风场。2005年7月16日18时台风位于台湾岛以东
洋面(图4a),台湾岛周边海域风场特征与第一种路径
前期的风场特征类似,海峡中部提前出现大风天气。
7月17日18时(图4b),遥感最大风速为35m/s,
与台风年鉴中结果(55m/s)相差达到20m/s。此时台湾
岛周边海域已处在了台风闭合环流中,台湾海峡受台风
环流影响增强。环流在台湾岛北部分为两支,一支从台
湾岛东侧经过,另一支经台湾海峡,吕宋海峡绕回台风
系统。
台湾岛南端出现很小一块风速低值区。
341 第1期 陈德文等:台风期间台湾岛周边海域海面风场特征的卫星遥感研究
图5 0515号(a)和0216号(b,c,d)台风海面风场(m/s)
Fig。
5 Seasurfacewindfield(m/s)oftyphoon0515(a)and0216(b,c,d)
台风靠近,登陆台湾岛,台风系统受到中央山脉影
响加强,台湾岛周边海域的风场变得复杂。
7月18日6
时(图4c),遥感观测结果显示台湾岛东侧成功外海出现
一个气旋式的风速低值区。该低风速区被台湾学者称为
"三角尾流区",它与中央山脉背风槽(或诱生低压)的形
成有关;而在它的南部,即台湾岛南端下风面,有一块风
速高达33m/s的"角流"区,该"角流"的形成除中央山
脉阻挡动力强迫外,还与山脉背风槽(或诱导低压)的形
成以及向台风中心气压梯度有关[3]。
随着台风西行登陆台湾岛(图4d),台湾岛南端
"角流"逆时针转到岛东侧原"三角尾流区"位置,而原
尾流消失了。台湾岛北端遥感最大风速出现在平潭外
海一带,这与以往关于此处"角流"的研究结果[3,6]一
致。
但一般台风云墙处风速最大,降雨也最强,而强降
雨会对遥感风的反演造成较大的影响,图4d中台湾
岛周边海域又正好位于台风云墙附近,遥感风在此观
测到的风速分布的真实程度仍有待进一步检验。
2。3 台风循北路西行期间的海面风场特征
此种路径下台风在移行过程中与地形作用较小,
海面风场结构相对简单。
若台风从台湾岛以东沿西北
方向前进,在前期台湾海峡内出现大风天气,但随着
台风移至台湾岛以北时消失,如0515号台风(图5a)。
若台风在台湾岛以北一路西行,如0216号台风,则在
前期海峡内风速很小(图5b),无大风天气出现。
从而
说明,海峡内是否出现大风与台风中心位置相关,而
和路径关系不大。
图5c和5d为2002年9月7日观测到的两张
0216号台风风场图像。其中图5c观测时刻为6时,此
时台风中心位于台湾岛东北部,海面风场环流结构明
显,最大风速(33m/s)出现在危险半圈,略小于台风
年鉴中结果40m/s。
由于地形阻挡,台湾海峡,南海北
部以及台湾岛东侧遥感风速都很小;台湾岛南端山角
下风面出现大面积扇型"角流"区,"角流"强度较弱,
风向呈气旋式。遥感风场的此种分布特征在以往的研
究中[3]可得到印证。
随着台风西行,"角流"呈逆时针旋转,12h后"角
流"已转至台湾岛东侧,"角流"有所增强,其10m/s
风区范围向东到126°E,向北到26°N。此处"角流"的
形成原理和形态演变与中路台风中的南端"角流"相
同,但此处"角流"范围较大,这与此种路径下中央山
脉形成的背风槽或诱生低压的尺度较大有关。
3 结 论
通过对3种台风路径下台风期间台湾岛周边海
域QuikSCAT遥感海面风场的分析,得到以下结论:
(1)尽管台风强度被不同程度低估,台风中心附
近风向反演受降雨影响明显,但风场结构的成因分析
441 厦门大学学报(自然科学版) 2007年
以及以往研究结果的印证亦表明,遥感海面风场大致
形态仍较为合理。
(2)台风期间,台湾海峡内大风天气提前出现,中
央山脉两侧形成背风槽(或诱生低压),中央山脉南北
两端下风面形成"角流",为地形对台湾岛周边海域风
场影响的显著特征。
(3)台湾海峡内是否提前出现大风天气与台风中
心的位置有关。
台风中心位于台湾岛东面或东南面
时,海峡内提前出现大风天气;台风中心位于台湾岛
北面或东北面时,海峡内无大风天气出现。
(4)当台风循南路经过吕宋海峡时,台湾岛东侧
澎湖附近形成台风地形倒槽,导致台湾海峡北部气压
梯度加大,出现"角流";当台风沿中路穿过台湾岛时,
台湾岛东侧有背风槽或低压中心形成,南北两端下风
面均有"角流"形成;当台风循北路掠过台湾岛时,台
湾岛东侧形成背风槽或低压中心,南端下风面出现大
范围"角流"。
致谢:QuikSCAT资料下载于NASAPhysicalOceanogra2
phyDistributedActiveArchiveCenterattheJetPropulsionLa2
boratory,CaliforniaInstituteofTechnology,谨此致谢!
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RemoteSensingStudyofSeaSurfaceWindField
AroundTaiwanIslandDuringTyphoonPeriods
CHENDe2wen1,2,SHANGShao2ping1,23,SHANGShao2ling2,ZHANGWen2zou2
(1。
DepartmentofOceanography,XiamenUniversity,
2。StateKeyLaboratoryofMarineEnvironmentalScience(XiamenUniversity),Xiamen361005,China)
Abstract:TheQuikSCATremotesensingdatafrom1999to2005wereusedtostudythefeaturesandmechanismsofseasurface
windfieldsaroundTaiwanIslandduringtyphoonperiods。
Twelvewestwardornorthwestwardtyphoonswereselected,andsepara2
tedintothreecategoriesduetothesituationoftyphoontrackandTaiwanIsland。
Threetyphoonswereanalyzedindetailastypical
casesofthreecategories。Theresultshowed:Thestrengthoftyphoonswereunderestimatedtodifferentextentandthewinddirec2
tionretrievalnearthetyphooncenterwasinfluencedseriouslybyrain,howeverthegeneralpatternofremotesensingwindfields
werereasonable。
Terrainhadprominenteffectsontheformationofwindfieldfeatures;itcausedsomeinterestingphenomena,such
asstrongwind(>10m/s)appearingearlierinTaiwanStrait,theformationofleewardtroughand"cornerflow"totheflanksof
CenterMountainRange(CMR)anddownstreamofthetipsofCMRrespectively。
Whetherthestrongwindsappearedearlierstillde2
pendedonthelocationofthetyphooncenter。Alongdifferentcategoryoftracks,thelocationandscopeof"cornerflow"andleeward
troughweredifferent。
Keywords:seasurfacewindfield;terrain;TaiwanIsland;typhoon;QuikSCAT
541 第1期 陈德文等:台风期间台湾岛周边海域海面风场特征的卫星遥感研究
。
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