南沙沿海防护林对“韦森特”台风的防护效应

潘勇军，陈步峰，黄金彪，肖以华，裴男才，史 欣

（中国林业科学研究院 热带林业研究所，广东 广州 510520）

南沙沿海防护林对“韦森特”台风的防护效应

潘勇军，陈步峰，黄金彪，肖以华，裴男才，史 欣

（中国林业科学研究院 热带林业研究所，广东 广州 510520）

台风是影响我国沿海及内陆地区重要的天气系统，为了探索、了解沿海防护林对登陆台风强风过程的湍流特性的影响及其防风效应，本研究利用设置在南沙沿海防护林临海边和相距70 m的林内自动气象站实时观测了2012年的1208号“韦森特”台风过程中气象因子的时程变化，重点分析了“韦森特”台风过程强风时段的平均风速和风向特征。研究发现“韦森特”台风过程的风速时程曲线出现两次极值风速，呈M型变化，强风风向角出现大幅度的转换；南沙沿海防护林对“韦森特”台风最大风速减弱系数为0.58，对整个台风过程的风速减弱系数为0.7，林内和海边的平均湍流强度比值为1∶2.25，南沙沿海防护林对“韦森特”台风的防风效应明显。

台风；韦森特台风；沿海防护林；防风效应；中国南沙群岛沿海

热带气旋（台风）是我国重要高影响天气系统之一的自然干扰因子[1]，影响时间短但破坏力巨大，具有强大的风力，带来急剧增加的降水[2-25]，我国每年遭受台风造成的经济损失巨大[1-4]。对台风的研究历来是气象学家所关注的重要课题，陈联寿等指出近地状况在一定条件下会改变热带气旋的局部结构而使其强度变化[5]，研究了台风强风时段的气流湍流特性[6-9]。

沿海防护林作为绿色屏障，是沿海区域生态安全的第一道防线，对登陆的台风起到摩擦消耗风能，降低风速、防止风剥等作用，其防灾减灾的综合效能为沿海地区的经济繁荣和社会稳定提供重要支撑。台风对沿海防护林群落造成机械损伤，影响其生态系统的稳定性和生物化学循环过程，台风对森林群落的影响已经引起国内外许多学者的关注。2008年Austral Ecology刊发了台风对澳大利亚森林影响的论文专集[10]。我国研究人员对有关台风对森林的影响做了很深的研究，从台风影响下的台风暴雨再分配规律[11-12]、森林群落机械损伤[12]、水文功能规律[13]、凋落物特征[14]、土壤流失量[15]和群落特征[2]等方面进行了详细分析。对沿海防护林防风效应的评价一直是研究重点，研究多侧重于经营管理，结构和功能研究[16-18]，陈玉军等（2000）对台风对广东深圳红树林的损害、预防及抗风树种的选择提出了有益的建议，为进行林带优化配置提供参考[16-18]。但对沿海防护林减弱台风影响的研究，尤其是多点同步实时观测沿海防护林群落对台风风环境、风速变化的研究性工作比较少。

本研究利用设置在南沙沿海防护林临海边和林内的自动气象站观测系统成功观测到的2012年7月24日登陆的1208号热带风暴“韦森特”前后过程的气象数据，分析整个过程中风况和湍流特性的时程变化，对相距70 m的2个观测站的风环境进行比较分析，分析台风在近地层经过沿海防护林带后湍流特性的变化，了解沿海防护林带对“韦森特”台风风速的减弱效果，对沿海防护林的防灾减灾效应功能提供参考，对沿海防护林的结构和功能研究有重要的意义。构筑绿色屏障，抵御海啸和风暴潮危害维护沿海地区的生态安全，更好的起到沿海防护林的防灾减灾效应[16-17]。

1 研究区自然概况

南沙沿海防护林观测区属南亚热带季风气候[19]，台风影响频繁，水热资源优越、雨量充沛，年均温度22 ℃，年平均降雨量1 725.7 mm，集中在4～9月的雨季，占全年的82.1%，年均相对湿度79%。沿海防护林长40 km，宽50～100 m。土壤类型为沙质土、盐分含量及地下水位较高。整个防护林群落的平均胸径7.9 cm、平均高8.5 m；林下灌木平均高2.3 m、草本0.56 m，郁闭度达到0.46～0.58，地表盖度60.0%～85.0%,形成沿海防护林群落结构。各种结构的防护林群落的主要种群有：落羽杉Taxodium distichum、小叶榄仁Terminalia mantaly、黄槿Hibiscus tiliaceus、高山榕Ficus altissima、细叶榕Ficus microcarpa、羊蹄甲Bauhinia blakeana、水石榕Elaeocarpus hainanensis、南洋楹Albizzia falcata、黄槐Cassia surattensis、铁力木Mesua ferrea、大花紫薇Lagerstroemia speciosa、刺桐Erythrina variegate等12个树种为上层木，水黄皮Pongamia pinnata、鸡蛋花Plumeria rubra、夹竹桃Nerium indicum等种群为灌木层。

2 研究方法和台风过程

2.1 研究方法

自动气象站观测系统设置在南沙沿海防护林带临海边（113°38'14.256"E，22°38'51.580"N，海拔5 m）和林内（113°38'10.768"E，22°38'48.550"N，海拔3 m）两处，相距70 m。自动地面气象站高2.5 m，风速仪器型号为LC-FS1，最大测量风速60 m/s，测量精度0.1 m/s，工作温度范围-40～50 ℃，相对湿度范围5%～100%.；风向仪器型号为LC-FX1，测量精度1°；数字气压型号为LC-QA1。采样频率1 min，统计数据为10 min平均数据，用Excel 2007进行数据分析，Origin 8.0进行做图分析。

湍流特性统计为30 min时间间隔。用瞬时量ui 减去平均量得到气流的波动量，随时间迅速变化。用方差定义湍流强度。

2.2 台风过程

1208号热带气旋“韦森特”（英语：Tropical Storm Vicente）于7月20日8时在菲律宾东部海域生成，21日23时在南海东北部海面上加强为热带风暴，“韦森特”在7月21日早上进入距离香港800 km范围，强烈狂风雷暴区在广东东部形成。7月24日04时15分在台山市赤溪镇沿海登陆，登陆时中心附近最大风力13级，达到40 m·s-1，中心最低气压955 hPa（图1），7月24日23时在南宁市境内减弱为热带低压，中央气象台25日06时解除台风蓝色预警。 受“韦森特”影响，广东省沿海海面出现了11～13级的大风， 最大阵风41.3 m·s-1，珠江口两侧和粤东地区出现了大雨到暴雨，局部大暴雨。

3 结果与分析

3.1 气压和气温时程变化

图2为2012年7月18日0时至25日7时南沙观测点10 min平均气温和平均气压变化图。热带气旋在成熟期将维持一个几乎同心圆的气压格局[20]，随着“韦森特”台风移动经过观测点前后，近地面大气压发生一系列变化。7月21日前南沙观测点的气压维持在一个稳定状态，气流稳定，气压在1 005 hPa左右。从7月22日早上到23日中午前后“韦森特”一直在115°E、19.5°N附近的海面回旋少动，7月21日23时，此时南沙观测点已受到“韦森特”远距离的影响，气压降低为1 002.8 hPa， 7月22日14时30分气压继续降低至997 hPa，此时最大风速到达14.5 m·s-1；7月24日4时15分，“韦森特”在广东台山市登陆，观测点于3时30分监测到最大风速为19.4 m·s-1，气压降低到最低为985.2 hPa，但小于台风中心的气压955 hPa。随着台风过后，气压慢慢升高，雨过天晴，云高气爽。

图1 “韦森特”台风路径 （中央气象台2012年7月23日18时发布）为观测点Fig.1 Track of tropical storm Vicente (National Meteorological Centre, 7.23.18:00 2012)

图2 南沙气温和气压时间序列变化（2012年7月18日0时至2012年7月25日7时）Fig.2 Time series changes of mean temperature and pressure (Nansha)

从10 min平均气温变化图可以看出，观测点7月18日起持续高温，最高气温维持在30 ℃以上，7月20日最高气温达35.5 ℃ 7月21日最高气温为36.7 ℃，7月22日气温开始下降，最高增温降至33.7 ℃。随着“韦森特”的登陆过境，热带低气压打破了控制区域的西太平洋副热带高压，带来的大风和降水，7月23～25日气温下降至30℃以下，炎热高温天气结束。

3.2 平均风速和风向时程变化

台风属于中尺度大气涡旋系统，由其核心、眼壁强风区直至外围环流的剖面上[13]，风场的三维结构和风的湍流特性显著不同，这些不同反映在平均风速和风向的变化上以及在较小时间和空间尺度上的湍流特性参数变化[7-23]。图3是南沙沿海防护林林内和海边自动气象站观测到的“韦森特”台风到来前后（7月18日0时～7月25日7时）10 min平均风速时程和矢量平均风向时程变化图。7月21日9时前两观测站风速比较平缓，差异不大，气流稳定。此后临海边观测点风速逐渐加大，到7月21日23时达到10.6 m·s-1（6级），林内观测点风速为4.7 m·s-1（3级），此时气压降低至1002.8 hPa。而后又处于弱风，林内风速几乎为0。从7月22时7时30分，海边风速开始逐渐加大，第一个风速峰值出现在14时40分，风速最大值为14.5 m·s-1（7级），林内观测点风速最大值为4.5 m·s-1（3级），气压为997 hPa；海边观测点最大风速峰值出现在7月24日2时10分，风速最大值为19.4 m·s-1（8级），气压为985.2 hPa，小于台风中心的最大风速40 m·s-1。林内观测点风速最大值为8.0 m·s-1（5级），时间延迟到8时左右。

图3 南沙10分钟平均风速时程变化（2012年7月18日0时至25日7时）Fig.3 Time course changes of ten minutes mean wind speed in Nansha (from 0:00, 7.18, 2012 to 7:00, 7.25)

整个“韦森特”台风过程的风速时程曲线出现两次极值风速的阵风，风速呈M型变化[24]。海边观测点大风（风速大于11 m·s-1、6级）持续时间长达21个小时（7月23日14时40分～7月24日11时40分）。风速的变化和气压关系密切，气压越低，风力越大，随后气压慢慢升高，风速随之降低，强度逐渐减弱[8]。

根据台风特有的涡旋结构和特点，台风经过时，强风风向角出现大幅度的转换。7月21日前，海边观测点风速比较稳定，基本为东北至东南风向之间；而后，风速开始逐渐加大，风向变化迅速，7月22时7时30分海边观测点第一个风速峰值出现在14时40分，风向为东北风向，后一个极值风速风向转为东偏北风向。整个台风过程中的海边观测点大风（风速大于11 m·s-1）北风向至东北风向出现频率达45%，海边气流紊乱，海边风向角转换较大，西北风向出现频率达到24%（图4），风向由登陆前的336°沿逆时针风向转为登陆后的75°，与台风前的东风主风向变化较大。林内矢量平均风向变化比较稳定，南风和东南风向为主风向出现频率达47%。

图4 南沙10分钟平均风速和风向Fig.4 Mean wind speed and wind direction in Nansha (mean value of 10 minutes)

比较整个“韦森特”台风登陆前后过程中的所观测到的沿海防护林林内和海边的平均风速，林内和海边的风速变化过程一致，但风速大小差异很大（图3）。用两观测点的风速减弱系数来表示沿海防护林的防风效应[17]，“韦森特”台风过境时，海边观测到的最大风速达到19.4 m·s-1，林内最大风速为8 m·s-1，南沙沿海防护林对台风最大风速的减弱系数为0.58；整个台风过程，林内观测到平均风速为2.8 m·s-1，海边平均风速为9.4 m·s-1（2012年7月22日7时20分至2012年7月25日5时20分），风速减弱系数为0.7，可见南沙沿海防护林对台风的防风效果非常明显。林内观测点的风速主要在2～6 m·s-1之间，在沿海防护林林带的防风作用下，风速随时间的变化幅度较小，有效地减少了风速的无规律性，这对于农田防护有重要意义，避免农作物出现倒伏现象[17]。

用风速观测瞬时值半小时的方差表示湍流强度，反映湍流交换的强弱，而湍流交换的减弱是林带防护效果的主要指标。观察台风经过沿海防护林后湍流特性的变化，比较台风前后湍流的稳定性。林内和海边水平风向的湍流强度之间的相关系数为0.48，相关性较差，海边观测点与林内水平方向的湍流强度随着整个“韦森特”台风过程变化趋势大致一致（图4）。在台风到来前的时段（7月19～21日21时），区域海边和林内观测点的湍流强度随时间变化缓慢，气流均匀，两观测点平均湍流强度比值为1∶1。海边水平风向气流较稳定，湍流强度变化平缓，从海边吹来的平稳气流经过沿海防护林群落林冠层的扰动，林内的涡旋气流湍流强度变化紊乱（图5）；从7月22日开始，两观测点水平风向的湍流强度加强，海边观测点的湍流强度远大于林内，海边观测点湍流强度最大值达到15.9，林内观测点湍流强度最大值为2.94。两观测点的湍流强度变化趋势一致，平均湍流强度比值为1∶2.25。湍流强度的极值和湍流强度的变化特性表明台风带来的气流湍流并不是完全随机，只是准随机。

图5 湍流强度时间变化序列Fig.5 Time sequences of turbulence intensity

4 结论与讨论

“韦森特”是2012年登陆广东最强的台风，中心附近最大风速达13级，给经过地区带来巨大灾害。我们通过在南沙沿海防护林临海边和林内建设自动气象观测站实时观测了“韦森特”台风经过前后气温、气压和风速风向的时程变化，比较台风经过沿海防护林后的湍流特性的变化，了解沿海防护林对台风的减弱效应。

台风是在太平洋上发育的强热带气旋，近地面形成低气压，周围区域形成副热带高压，台风的临近，区域气压逐渐降低，随着台风的离去，气压恢复正常，由于观测点远离台风中心，气压高于中心区域气压。边界层顶部存在逆温，螺旋进入强热带气旋的边界层空气的特性受海气界面感热通量的显著影响[20]。热带气旋形成过程中内部存在一个热力间接环流，从周围更宽广的热力直接环流中获得动能[21]。台风来临前，观测区域气温一直维持在30 ℃以上，酷热居高不下，一直等到台风到来后才气温才开始下降。

热带气旋的风是风暴向前运动以及围绕它的气旋性环流的叠加，气旋规矩右侧的风速更大[21-22]。“韦森特”台风登陆时带来13级大风，达到40 m·s-1；观测点远离台风登陆区，观测到8级大风，最大风速为19.4 m·s-1。整个台风过程，海边观测点风速时程变化基本呈“M”型变化，强风出现双峰型分布，出现两次极值的阵风，风速大于11 m·s-1、6级的大风持续时间长达21个小时。同时风向也出现了大幅度的转换，台风前后主风向的出现的频率变化较大。

比较“韦森特”台风受到南沙沿海防护林阻扰后，其风的湍流特性参数发生了改变。经过沿海防护林后风速明显减少，整个台风过程中海边和林内观测点的风速减弱达到70%，海边观测点的湍流强度远大于林内，平均湍流强度比值为1∶2.25，沿海防护林的防风效应效果非常明显。台风经过沿海防护林带时，由于气流与树冠、枝叶的冲击与摩擦作用，和森林冠层相关的拖曳力非常强，经过冠层上的气流被分离，在近地层之内的冠层之上的区域，气流呈现典型的对数风廓线。造成水平风中的气流垂直切变，风速大大降低，使动能大大损失，形成波动使气流的湍流特性发生改变，湍流强度降低，使台风近地面林内风速远远小于林外风速，起到良好的防风效益。热带气旋造成的损害主要集中在沿海地带，在热带海洋上发展的风猛烈地袭击这些地区，有时还与破坏性更大的海上来的风暴结合，为了更好预防和减轻台风灾害，加强沿海防护林的建设是势在必行。

台风经过沿海防护林带后，在其后面涡旋形成小扰动[21-22]，在远离后林带产生自由切变，风速呈连续波浪线，经过林带一定距离后风速恢复，逐渐增大[17]。本研究仅比较了沿海防护林临海和林缘内两个观测点的风速和湍流强度的差异，对于台风经过沿海防护林林冠切变时，对林冠以上风速的特性及经过林带远离防护林后的风力恢复，湍流的行为等问题的研究有待于进一步研究。

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Protection effects of Nansha coastal shelterbelt forests on typhoon Vicente

PAN Yong-jun, CHEN Bu-feng, HUANG Jing-biao, XIAO Yi-hua, PEI Nan-cai, SHI Xin
(Research Institute of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Guangzhou 510520, Guangdong, China)

As one of the most destructive and disastrous weathers, the typhoon involving rain or strong wind exerts considerable adverse effects on people’s life and the economy. By taking the typhoon Vicente in 2012 as a case, based on the wind speed data and pressure pattern observed by two automatic meteorological stations 70 meters apart away from each other, located at the forests in Nansha coastal shelterbelt, the time history changes of meteorological factors of Vicente typhoon No.1208 in 2012 were observed by real-time, and the average wind speed and wind direction characteristics of strong wind periods of Vicente typhoon No.1208 were emphatically analyzed.The results show the wind velocity time-history curve that took on a M-type change presented extreme wind speed twice, the wind direction angle of the strong wind (10-minutes mean wind speed was higher than 11m/s) changed substantially; The maximum wind speed reduction coeff i cient of the shelterbelts to Vicente typhoon No.1208 was 0.58, the reduction coeff i cient to the whole process of the typhoon wind speed was 0.70 due to the role of shelterbelts; The ratio of mean turbulence intensity values of the typhoon was 1∶2.25.The coastal protection forests possessed an obvious windbreak effect on strong typhoon Vicente and has great meaning on the coastal ecological environment.

typhoon; Vicente typhoon; coastal shelterbelt forests; windbreak effects; China’s Nansha Islands coastal

S727.2

A

1673-923X(2014)10-0084-06

2013-09-03

中国林业科学研究院热带林业研究所基本科研业务费专项课题：珠三角区域森林气候水文变化特征观测研究（生态定位站可持续科学研究项目）（RITFYWZX2011-07）；“十二五”国家科技计划项目：城镇地区水岸景观防护林构建技术研究（2011BAD38B0305）；广州市城市森林生态系统效益监测分析与研究；广州市“青山绿地－林区林带” 工程生态环境效应监测评价等项目部分研究内容

潘勇军（1971-），男，湖南张家界人，博士，主要从事森林生态方面的研究；E-mail：pyjzsj@126.com

[本文编校：文凤鸣]