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(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點實驗室, 上海 200092; 2. 同濟(jì)大學(xué) 橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室, 上海 200092;3. 中國氣象局 公共氣象服務(wù)中心, 北京 100081)

0 引 言

臺風(fēng)是一種在平均風(fēng)特性和脈動風(fēng)特性方面與良態(tài)風(fēng)比存在顯著差異的中尺度旋渦結(jié)構(gòu)[1-3]。受西北太平洋及南海臺風(fēng)的影響，我國華南和東南沿海區(qū)域經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡風(fēng)險日增。準(zhǔn)確掌握臺風(fēng)風(fēng)參數(shù)對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性和安全性具有重要的指導(dǎo)意義。鑒于土木工程領(lǐng)域臺風(fēng)風(fēng)環(huán)境研究的重要性，國內(nèi)外學(xué)者在近20年開展了大量面向結(jié)構(gòu)設(shè)計的實測和數(shù)值模擬研究，在臺風(fēng)風(fēng)參數(shù)特征刻畫和特征重現(xiàn)這兩方面都有長足的進(jìn)步[4-5]。

美國較早開展了使用飛行器結(jié)合GPS下投式探空儀或探空氣球的方法實測臺風(fēng)。Kepert等[6-7]認(rèn)為在距離臺風(fēng)中心200 km范圍內(nèi)，最大風(fēng)速高度沿臺風(fēng)半徑向外逐漸增大，這與Giammanco等[8]基于臺風(fēng)實測資料發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象基本一致。Powell等[9]研究了1997～1999年在太平洋東部、中部及大西洋實測的331組風(fēng)剖面數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，海面上臺風(fēng)平均最大風(fēng)速高度為500 m。Vickery等[10]利用1997～2003年在大西洋、墨西哥灣及太平洋實測的860組風(fēng)剖面數(shù)據(jù)，建立了海面上1000 m高度范圍內(nèi)的臺風(fēng)剖面經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵灾噩F(xiàn)低空急流現(xiàn)象。方平治等[11-12]通過分析2005～2011年西北太平洋17個臺風(fēng)的探空數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)福建、浙江一帶的登陸臺風(fēng)的梯度風(fēng)高度平均值約為3 km。更多基于下投式探空儀采集數(shù)據(jù)的研究[13-14]也大多集中在大西洋、墨西哥灣以及太平洋東部海面，一方面，其研究結(jié)論對具有復(fù)雜地形的陸地的適用性還有待驗證；另一方面，Zhao等[15]的研究也表明臺風(fēng)風(fēng)參數(shù)具有地域差異性，有必要對西太平洋臺風(fēng)進(jìn)行深入研究。

近地面風(fēng)場觀測是一種使用更廣泛的實測方法，主要依托測風(fēng)塔和多普勒雷達(dá)這兩種裝置開展。Song等[16-18]通過分析中國沿海測風(fēng)塔及氣象站觀測數(shù)據(jù)，指出了臺風(fēng)結(jié)構(gòu)中不同位置處湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子和風(fēng)攻角等的差異，發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)近中心處高風(fēng)速和大風(fēng)剖面指數(shù)可能同時發(fā)生。Tamura等[19]利用多普勒雷達(dá)在日本沿海地區(qū)對50～340 m高度范圍內(nèi)風(fēng)剖面進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)指數(shù)律模型能夠近似反映風(fēng)剖面特征，且剖面指數(shù)多受風(fēng)速影響。李利孝等[20]和肖儀清等[21]利用強(qiáng)臺風(fēng)黑格比的觀測塔和風(fēng)廓線雷達(dá)實測數(shù)據(jù)，研究了不同風(fēng)剖面經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯ε_風(fēng)風(fēng)場的適用性，以及臺風(fēng)條件下平均風(fēng)場和脈動風(fēng)場特性，指出臺風(fēng)前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)的大攻角效應(yīng)。王澈泉等[22]通過分析臺風(fēng)影響下不同時距的平均風(fēng)速、湍流度和陣風(fēng)因子等風(fēng)參數(shù)，認(rèn)為時距選取為5 min最合理。胡尚瑜等[23]發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)風(fēng)場和季風(fēng)風(fēng)場在風(fēng)剖面指數(shù)、地表粗糙長度和湍流強(qiáng)度等均存在明顯差異。王浩等[24]研究了潤揚(yáng)懸索橋橋址處的平均風(fēng)和脈動風(fēng)特性，為我國東部沿海地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計提供了參考。更多近地面觀測[25-28]大多存在觀測高度有限的問題，無法準(zhǔn)確刻畫臺風(fēng)條件下的風(fēng)剖面形態(tài)。

總的來說，限于臺風(fēng)的強(qiáng)變異性和觀測手段的不足，臺風(fēng)研究仍需進(jìn)一步補(bǔ)充現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，并由此總結(jié)臺風(fēng)風(fēng)速場特點，構(gòu)建和驗證臺風(fēng)土木工程模型[29]，形成系統(tǒng)的科學(xué)理論以指導(dǎo)工程。截至目前，國內(nèi)外近地面高空探測數(shù)據(jù)仍顯著缺乏，難以適應(yīng)超高大建筑物的發(fā)展趨勢。

針對上述問題，本項研究利用多普勒激光雷達(dá)于2018年9月15日至17日期間，在徐聞國家基本氣象站對1822號超強(qiáng)臺風(fēng)山竹進(jìn)行風(fēng)剖面觀測，獲取了實測位置處受臺風(fēng)影響的完整的外圍高空風(fēng)速場，總結(jié)了近地面風(fēng)剖面隨臺風(fēng)移動發(fā)展的演變規(guī)律，為建筑抗風(fēng)設(shè)計和數(shù)值模型研究提供借鑒。

1 實測概述

1.1 超強(qiáng)臺風(fēng)山竹及觀測點情況

超強(qiáng)臺風(fēng)山竹是2018年生成于西北太平洋的第22個正式編號的熱帶氣旋，于北京時間2018年9月7日20時達(dá)到熱帶低壓的強(qiáng)度并開始記錄，于11日8時升級成為超強(qiáng)臺風(fēng)并在該強(qiáng)度等級下持續(xù)了約96個小時。16日17時許，超強(qiáng)臺風(fēng)山竹從廣東省臺山市海宴鎮(zhèn)登陸，登陸時熱帶氣旋底層中心附近2 min平均風(fēng)速最大值達(dá)45 m/s。此后臺風(fēng)強(qiáng)度不斷衰減，于9月17日17時停止記錄。根據(jù)中國氣象局臺風(fēng)觀測數(shù)據(jù)給出超強(qiáng)臺風(fēng)山竹中心路經(jīng)如圖1所示。

實測采用定點觀測方法，觀測點位于廣東省徐聞國家基本氣象站(20.2415°N，110.1654°E)，海拔高度57 m，地表特征如圖2所示。觀測點南距瓊州海峽海岸線約0.1 km，南部海上來流風(fēng)特性由海浪等因素主導(dǎo)；北部方圓5 km范圍內(nèi)的地貌以農(nóng)田為主，雜以稀疏、低矮的建筑群，北部陸地來流風(fēng)近地面特性主要受平坦地貌影響。

圖1 超強(qiáng)臺風(fēng)山竹中心路徑及觀測位置Fig.1 The track of super typhoon Mangkhut and the observation site

圖2 觀測位置地表特征Fig.2 Landform of the observation site

實測于2018年9月15日12∶28開始，于17日13∶53結(jié)束，實測開始和結(jié)束時臺風(fēng)中心所處的位置見圖1。

1.2 設(shè)備情況

多普勒激光雷達(dá)通過釋放激光脈沖，測量大氣懸浮物運動過程產(chǎn)生的多普勒頻移量，從而計算獲得徑向風(fēng)速。圖3介紹了激光雷達(dá)的工作原理。實測使用的激光雷達(dá)型號為WINDCUBE 100S，如圖4所示。

圖3 激光雷達(dá)的工作原理Fig.3 Work principle of LiDAR

Wagner等[30]出具的激光雷達(dá)精度驗證報告表明：在A類地表條件下10 min水平平均風(fēng)速約為9.0 m/s時，與81 m、101 m、117 m高度處的風(fēng)杯式風(fēng)速計相比，激光雷達(dá)測得的水平風(fēng)速會高出風(fēng)杯式風(fēng)速計結(jié)果1.5%～2.5%。這樣的精度可以滿足土木工程的實測需求。設(shè)備的基本參數(shù)如表1所示。

石林縣全境處于滇中高原季風(fēng)氣候區(qū)，干濕季明顯，雨季降雨量占全年降雨量的近90%?？礈?zhǔn)石林縣豐富的桑木耳種植資源前景，2013年，昆明旭日豐華農(nóng)業(yè)科技有限公司入駐石林，在石林縣天生關(guān)建立首個高原云耳試種基地， 2014年在長湖鎮(zhèn)蓑衣山建立第二個種植基地，培育出一套利用農(nóng)余產(chǎn)品如蠶桑木修剪過的枝條、玉米芯等種植高原云耳的生產(chǎn)方式。

表1 激光雷達(dá)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the LiDAR

圖4 激光雷達(dá)Fig.4 LiDAR of WINDCUBE100s

激光雷達(dá)周期性地向天空投射36束激光。激光束俯仰角恒定，方位角依次為0°、10°、20°、…、340°、350°，一個掃描周期可得到36條不同方向的徑向風(fēng)速數(shù)據(jù)。圖5給出掃描模式示意圖，每個掃描周期持續(xù)時間約為36 s，這種測量模式能夠減少掃描空轉(zhuǎn)時間，提高數(shù)據(jù)采集效率。如圖5所示，一個掃描周期36條徑向風(fēng)速數(shù)據(jù)可分為12組，第1組3條數(shù)據(jù)的方位角分別是0°、120°、240°；第2組3條數(shù)據(jù)的方位角分別是10°、130°、250°，以此類推。式(1)給出實測徑向風(fēng)速與自然風(fēng)速的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

圖5 激光雷達(dá)測量風(fēng)剖面的方法Fig.5 Method of wind profile measurement

(1)

式中，Vx、Vy、Vz分別表示自然風(fēng)在南北向、東西向和垂直方向的風(fēng)速分量；α表示激光束的俯仰角；v1、v2、v3表示每組3束激光各自測得的徑向風(fēng)速；θ1、θ2、θ3表示3束激光各自的方位角。該方法得到的三維風(fēng)速在時間和水平空間均有一定的跨越性，考慮到10 min內(nèi)的風(fēng)速一般認(rèn)為是平穩(wěn)的，同時在工程實際應(yīng)用中，百米級的水平分辨率是足夠的，因此基于矢量平均方法得到的10 min三維平均風(fēng)速是有意義的。

2 風(fēng)速剖面演變過程分析

根據(jù)中國氣象局臺風(fēng)觀測數(shù)據(jù)，實測期間觀測位置與臺風(fēng)中心的距離及臺風(fēng)中心壓強(qiáng)變化如圖6所示。為便于分析，將整段實測時間均勻劃分為25個區(qū)間，區(qū)間1從起測時間15日12∶28至15日14∶00，區(qū)間2從15日14∶00至15日16∶00，以此類推，每隔2小時劃分一個區(qū)間。

熱帶氣旋登陸時中心氣壓955 hPa(注:hPa為百帕，表示臺風(fēng)強(qiáng)度時的常用單位)，為“強(qiáng)臺風(fēng)”等級，此時熱帶氣旋中心距離觀測點304 km。實測期間熱帶氣旋中心與觀測點最近距離為229 km，此時中心氣壓975 hPa，為“臺風(fēng)”等級。實測完整記錄了臺風(fēng)由遠(yuǎn)及近直至登陸，再由近及遠(yuǎn)直至消散整個過程中，近地層臺風(fēng)外圍風(fēng)速剖面演變歷程，對強(qiáng)臺風(fēng)登陸過程中臺風(fēng)外圍風(fēng)場區(qū)域設(shè)計風(fēng)速分析有參考意義。

圖6 臺風(fēng)中心氣壓及臺風(fēng)中心與觀測點的距離Fig.6 Evolution of central pressures and distances between typhoon center and observation site

2.1 風(fēng)場演變階段

實測期間水平風(fēng)速、風(fēng)攻角和風(fēng)向隨時間和高度的變化如圖7所示。

(a) 水平風(fēng)速

(b) 風(fēng)攻角

(c) 風(fēng)向

圖8和圖9分別給出每個區(qū)間的水平風(fēng)速剖面和平均風(fēng)向剖面，圖8同時給出各區(qū)間中間時刻觀測點與臺風(fēng)中心的距離。圖8表明區(qū)間7～12平均風(fēng)剖面形態(tài)呈S形，與良態(tài)風(fēng)剖面有顯著差異。水平平均風(fēng)速在近地面一定高度范圍內(nèi)持續(xù)增加達(dá)到極大值后，又持續(xù)降低直至風(fēng)速穩(wěn)定或再次增加；區(qū)間14～19平均風(fēng)剖面形態(tài)也與良態(tài)風(fēng)剖面存在差異，即水平風(fēng)速達(dá)到最大值后又以相對緩慢的速度衰減，這種剖面形態(tài)與Vickery等[31]發(fā)現(xiàn)的開闊海面上臺風(fēng)近中心平均風(fēng)剖面形態(tài)形似，即低空急流現(xiàn)象。

圖7和圖8表明實測期間的風(fēng)速剖面演變過程可以劃分為4個階段，分別是：

圖8 25個區(qū)間的風(fēng)剖面特征Fig.8 Horizontal wind speed profiles of each subinterval

圖9 25個區(qū)間的平均風(fēng)向剖面Fig.9 Wind direction profiles of each subinterval

第2階段：15日18∶00至16日12∶00(區(qū)間4～12)。圖6表明該階段臺風(fēng)中心持續(xù)向觀測點靠近，最近距離453 km。圖7(b)表明該階段風(fēng)攻角為負(fù)且集中在-2°～0°，說明這一時期觀測點處在臺風(fēng)外圍弱下沉氣流的影響范圍內(nèi)。由圖7(a)和圖8可知，該階段風(fēng)剖面形態(tài)呈S形，近地面風(fēng)速極大值出現(xiàn)在距地面200 m～600 m高度范圍內(nèi)，尤以區(qū)間7～12為明顯。隨著時間的推移，S形風(fēng)剖面下部風(fēng)速極值緩慢增加，于區(qū)間11對應(yīng)時間達(dá)到最大值17 m/s。

第3階段：16日12∶00至17日02∶00(區(qū)間13～19)。該階段臺風(fēng)進(jìn)一步向西移動，并于16日17時(區(qū)間15)登陸。臺風(fēng)中心與觀測點的距離先減小后增大，從453 km逐漸減小到229 km再遠(yuǎn)離到242 km。從第3階段初開始直至臺風(fēng)登陸后，水汽供應(yīng)逐漸受影響并最終停止，內(nèi)部對流作用逐漸減弱，臺風(fēng)結(jié)構(gòu)開始消散。風(fēng)剖面形態(tài)呈現(xiàn)出與Vickery等[31]實測結(jié)果相似的低空急流的特征。該階段觀測位置1500 m高度范圍內(nèi)的風(fēng)攻角為負(fù)，風(fēng)向受臺風(fēng)影響隨時間持續(xù)逆時針變化，1000 m高度處風(fēng)向角變化幅值達(dá)73°。

第4階段：17日02∶00至觀測時段終點(區(qū)間20～25)。該階段臺風(fēng)逐漸遠(yuǎn)離觀測點，從242 km遠(yuǎn)離到556 km，風(fēng)向也過渡為海面來風(fēng)。圖7(a)、(b)和(c)表明區(qū)間20～23對應(yīng)時間范圍內(nèi)存在數(shù)據(jù)缺失的情況，這是由于臺風(fēng)伴隨的降雨降低了空氣中氣溶膠的濃度，進(jìn)而影響激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)。圖7a)表明第4階段后期風(fēng)速有所增加，考慮到此時臺風(fēng)中心壓強(qiáng)升高到995 hPa以上，判斷觀測點風(fēng)速變化可能是受臺風(fēng)外圍殘余氣流或一般海風(fēng)氣候的影響。

第1、第2階段對應(yīng)臺風(fēng)登陸前。這段時間臺風(fēng)中心壓強(qiáng)變化幅度小，穩(wěn)定在(940～945) hPa，屬于“強(qiáng)臺風(fēng)”等級。其中區(qū)間1～11時間范圍內(nèi)臺風(fēng)中心始終位于遠(yuǎn)海海面上，可以認(rèn)為該階段臺風(fēng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且觀測點始終處于臺風(fēng)前進(jìn)方向左側(cè)逆時針10°～20°范圍內(nèi)，觀測條件相對固定；區(qū)間12時臺風(fēng)移向近海，臺風(fēng)中心與海岸線最近距離約為100 km，其結(jié)構(gòu)逐漸受陸地影響。從空間相對位置的角度看，區(qū)間1～12對應(yīng)的測點與臺風(fēng)中心距離順次減小，從1030 km降低到480 km。S形風(fēng)剖面現(xiàn)象在區(qū)間7～12比較明顯，圖10給出16日0∶30～16日10∶50(對應(yīng)區(qū)間7后期、區(qū)間8～11，及區(qū)間12前期)時間范圍內(nèi)最大風(fēng)速高度和最大風(fēng)速隨觀測點與臺風(fēng)中心距離變化的示意圖，共計62條數(shù)據(jù)。圖中給出實測數(shù)據(jù)擬合曲線及擬合優(yōu)度指標(biāo)R2，R2取值范圍為0～1，R2越接近1表明擬合效果越好。由于中國氣象局臺風(fēng)觀測數(shù)據(jù)僅提供整點時刻的臺風(fēng)中心位置，非整點時刻觀測點與臺風(fēng)中心距離采用分段三次多項式方法(PCHIP)插值得到。圖10表明，在較穩(wěn)定的“強(qiáng)臺風(fēng)”等級條件及相對固定的觀測方位下，距離臺風(fēng)中心(500～750) km范圍內(nèi)，最大風(fēng)速高度及最大風(fēng)速均有沿臺風(fēng)半徑向外逐漸降低的趨勢，其中最大風(fēng)速高度從約535 m降低到約265 m，最大風(fēng)速從約18 m/s降低到約15 m/s。這一現(xiàn)象可與Kepert等[6-7]和Giammanco等[8]發(fā)現(xiàn)的在距離臺風(fēng)中心200 km范圍內(nèi)，最大風(fēng)速高度沿臺風(fēng)半徑向外增大的研究結(jié)論互為補(bǔ)充。圖8中區(qū)間1～6風(fēng)剖面表明隨著測點與臺風(fēng)中心距離進(jìn)一步增加(從780 km開始)，風(fēng)力逐漸衰減，S形剖面現(xiàn)象也逐漸消失。

(a) 最大風(fēng)速高度

(b) 最大風(fēng)速

考慮到觀測點位于陸地，地形較海面復(fù)雜，且區(qū)間1～11時間范圍內(nèi)風(fēng)從陸地吹向海洋，上述S形剖面的觀測現(xiàn)象可能受到地形等的影響，相關(guān)研究結(jié)論的普適性需要進(jìn)一步的實測資料驗證。

第3、第4階段對應(yīng)臺風(fēng)從靠近海岸線到登陸及登陸后整個過程，對于第4階段，判斷引起觀測點風(fēng)速變化的原因不是臺風(fēng)。根據(jù)風(fēng)剖面形態(tài)及最大風(fēng)速將第3階段分為4個時期，如表2所示。

表2 第3階段的4個時期Table 2 Four phases of Period 3

4個時期的平均風(fēng)剖面如圖11所示。圖11表明過渡期平均風(fēng)速隨距離地面高度增加持續(xù)增加；風(fēng)速上升期和風(fēng)速穩(wěn)定期的平均風(fēng)速剖面形態(tài)與Vickery等[31]觀測到的海面上臺風(fēng)近中心風(fēng)剖面形態(tài)相似，尤以風(fēng)速穩(wěn)定期為明顯，即水平風(fēng)速在一定高度范圍內(nèi)持續(xù)增大，之后以緩慢的速度衰減，這種現(xiàn)象被稱為低空急流[6-7,10]；風(fēng)速下降期的平均風(fēng)剖面形態(tài)與第2階段中S形風(fēng)剖面形態(tài)相似。

圖11 第3階段各個時期的平均風(fēng)速剖面Fig.11 Average vertical wind profiles for each phase of Period 3

風(fēng)速穩(wěn)定期的最大風(fēng)速高度約為850 m，觀測點與臺風(fēng)中心距離為(230～300) km；風(fēng)速上升期的最大風(fēng)速高度約為1160 m，觀測點與臺風(fēng)中心距離為(300～400) km，這與Giammanco等[8]發(fā)現(xiàn)的200 km范圍內(nèi)最大風(fēng)速高度沿臺風(fēng)半徑向外逐漸增大的現(xiàn)象一致。考慮到Giammanco等的研究結(jié)論是基于30個不同臺風(fēng)共計1010條實測風(fēng)剖面得到的，且96%以上的數(shù)據(jù)來源于大西洋海面，與超強(qiáng)臺風(fēng)山竹的觀測條件存在顯著差異，上述結(jié)論仍需繼續(xù)補(bǔ)充實測數(shù)據(jù)以驗證普適性。

2.2 風(fēng)參數(shù)演變過程

指數(shù)律模型是一種廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域的風(fēng)剖面經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。指?shù)律模型的表達(dá)式為：

(2)

其中,z1為參考高度,U1為參考高度處的風(fēng)速,α為表征地表粗糙度的參數(shù)。對1～25各區(qū)間平均風(fēng)剖面采用指數(shù)律模型進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖12所示。

區(qū)間1～3風(fēng)速較小。區(qū)間4～12均有不同程度的S形風(fēng)剖面現(xiàn)象，指數(shù)律模型對50 m至最大風(fēng)速高度以下的實測風(fēng)剖面有較好的擬合度，風(fēng)剖面指數(shù)跨度在0.20～0.62之間，最大風(fēng)速高度跨度為300～500 m。區(qū)間13～19所示的風(fēng)速剖面對應(yīng)于臺風(fēng)登陸后。這段時間最大風(fēng)速高度進(jìn)一步增加，風(fēng)剖面指數(shù)變化范圍較區(qū)間4～12小，為0.22～0.35。區(qū)別于區(qū)間1～19，區(qū)間20～25時間范圍內(nèi)，風(fēng)從海洋吹向陸地。由于該階段臺風(fēng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步瓦解，中心壓強(qiáng)最低為975 hPa，同時觀測點與臺風(fēng)中心最小距離為242 km，因此判斷該階段的風(fēng)速變化，尤其是區(qū)間24、25的風(fēng)速再增大，主要是由臺風(fēng)外圍殘余氣流或一般海風(fēng)氣候引起的。該階段的風(fēng)剖面與指數(shù)律模型存在較大的偏差，由圖8可知，區(qū)間24、25最大風(fēng)速高度以下的風(fēng)剖面存在“反曲”的特征，目前尚不確定這種現(xiàn)象的主導(dǎo)原因。

圖13給出登陸前后平均水平風(fēng)速剖面及指數(shù)律模型擬合結(jié)果。登陸前平均風(fēng)剖面是，對區(qū)間1～12時間范圍內(nèi)最大風(fēng)速大于等于15.0 m/s的風(fēng)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。臨近登陸及登陸后平均風(fēng)剖面是對區(qū)間13～19時間范圍內(nèi)最大風(fēng)速大于等于15.0 m/s的風(fēng)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，由于尚不能確定區(qū)間20～25后期風(fēng)速增加的原因，未將其納入登陸后平均風(fēng)剖面計算中。登陸前平均最大風(fēng)速高度約為360 m，對360 m高度以下風(fēng)速剖面進(jìn)行擬合得到風(fēng)剖面冪指數(shù)約為0.41；登陸后平均最大風(fēng)速高度約為800 m，對800 m高度以下風(fēng)剖面進(jìn)行擬合得到風(fēng)剖面冪指數(shù)約為0.28。

圖14給出登陸前區(qū)間7～12及登陸后區(qū)間13～19的最大風(fēng)速高度和風(fēng)剖面指數(shù)。圖14表明登陸前最大風(fēng)速高度較登陸后低，而平均風(fēng)剖面指數(shù)較登陸后高。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意風(fēng)剖面指數(shù)和最大風(fēng)速高度的組合效應(yīng)。

近地面50 m高度處水平風(fēng)速及風(fēng)攻角變化時程如圖15所示。10.0～15.2 m/s范圍內(nèi)風(fēng)速對應(yīng)的風(fēng)攻角主要集中在-8.7°～1.0°，最大風(fēng)速15.2 m/s對應(yīng)的風(fēng)攻角為-7.9°。

2.3 臺風(fēng)邊界層風(fēng)剖面經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/h3>

超強(qiáng)臺風(fēng)山竹對觀測位置處風(fēng)場的影響集中體現(xiàn)在第2、第3階段。按照風(fēng)剖面的形態(tài)及最大風(fēng)速大小可以將第2、第3階段劃分為6個時期。其中第2階段可劃分為2個時期，分別是：1) 前期，對應(yīng)于區(qū)間4～6；2)后期，對應(yīng)于區(qū)間7～12。第3階段可以劃分為4個時期，如表2所示。6個時期的水平平均風(fēng)速剖面如圖16所示，按風(fēng)剖面形態(tài)可以劃分為3類： 1) 風(fēng)速隨高度持續(xù)增加型，對應(yīng)于第3階段過渡期；2) S形風(fēng)剖面，對應(yīng)于第2階段的前期、后期以及第3階段的風(fēng)速下降期；3) 低空急流風(fēng)剖面，對應(yīng)于第3階段風(fēng)速上升期、風(fēng)速穩(wěn)定期。對于S形風(fēng)剖面以及低空急流風(fēng)剖面，傳統(tǒng)的指數(shù)律模型不能刻畫風(fēng)速下降段的剖面形態(tài)。

針對低空急流風(fēng)剖面現(xiàn)象，Vickery于2009年提出基于對數(shù)律的修正模型[10]，該模型表達(dá)式為：

圖12 水平風(fēng)速剖面指數(shù)律模型擬合結(jié)果Fig.12 Fitting of vertical wind profiles by power law

圖13 登陸前后平均風(fēng)剖面Fig.13 Average vertical wind profiles before and after the landfall

圖14 登陸前后風(fēng)剖面指數(shù)和最大風(fēng)速高度Fig.14 Exponent and gradient height before and after the landfall

圖15 50 m高度處水平風(fēng)速及風(fēng)攻角變化過程Fig.15 Evolution of measured wind speeds and wind attack angles in 50 m height

(3)

其中：u*為摩擦速度；k為馮卡門常數(shù)，取0.4；z0為地表粗糙高度；H*為梯度高度參數(shù)；a和n為適用于所有H*值的定參數(shù)。Vickery通過分析1997年至2003年臺風(fēng)條件下大西洋、墨西哥灣和東太平洋海面上風(fēng)速剖面數(shù)據(jù)認(rèn)為，a和n的合適取值分別為0.4和2。利用Vickery模型對圖16中的S形風(fēng)剖面和低空急流風(fēng)剖面進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖17所示，擬合范圍及擬合參數(shù)如表3所示。圖16表明Vickery模型對第3階段風(fēng)速上升期及穩(wěn)定期的風(fēng)速剖面有較好的擬合度，1500 m高度范圍內(nèi)的擬合誤差在-0.5～0.4 m/s之間；對S形剖面下部風(fēng)速增加段和風(fēng)速降低段擬合誤差為-1.1～0.7 m/s，模型中引入的衰減項不能重現(xiàn)S形剖面上部風(fēng)速再次增加的現(xiàn)象。

圖16 第2、第3階段各個時期的平均風(fēng)速剖面Fig.16 Average vertical wind profiles for each phase of Period 2&3

圖17 S形風(fēng)剖面及低空急流風(fēng)剖面擬合結(jié)果Fig.17 Fitting of S shape profiles and low-level jet profiles by Vickery model

名稱最大風(fēng)速高度/m擬合范圍/mu?/(m·s-1)z0/mH?擬合優(yōu)度R2第2階段前期29050～4351.54515.163210.9981第2階段后期36050～9421.99313.623910.9506第3階段風(fēng)速上升期116050～15001.5344.5289780.9974第3階段風(fēng)速穩(wěn)定期85050～15002.4629.5088280.9974第3階段風(fēng)速下降期46050～9701.9364.3145170.9817

3 結(jié) 論

通過1822號超強(qiáng)臺風(fēng)山竹的近地面外圍風(fēng)場實測研究，總結(jié)出臺風(fēng)外圍風(fēng)場風(fēng)速剖面演變過程的4個階段，并對這4個階段的水平平均風(fēng)速剖面進(jìn)行擬合，得出如下結(jié)論：

1) 在距離臺風(fēng)中心230 km～750 km范圍內(nèi)，最大風(fēng)速高度沿臺風(fēng)半徑向外先增大后減小，在距離臺風(fēng)中心400 km～500 km處達(dá)到最大。在臺風(fēng)風(fēng)場數(shù)值模型研究中應(yīng)注意把握最大風(fēng)速高度的變化趨勢。

2) 對于臺風(fēng)遠(yuǎn)端風(fēng)場，較高的最大風(fēng)速高度和較大的風(fēng)剖面指數(shù)可能不會同時出現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需注意最大風(fēng)速高度和剖面指數(shù)的組合效應(yīng)。

3) Vickery模型對臺風(fēng)遠(yuǎn)端風(fēng)場1500 m高度范圍內(nèi)低空急流風(fēng)剖面的擬合效果較好，但不能重現(xiàn)S形風(fēng)剖面上部風(fēng)剖面形態(tài)。在工程應(yīng)用中，指數(shù)律模型能夠提供一定的安全裕度。

臺風(fēng)作為強(qiáng)隨機(jī)性動態(tài)氣旋結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的天氣預(yù)報模式仍然存在一定的誤差，這也是本次實測未能結(jié)合追風(fēng)設(shè)備捕獲臺風(fēng)近中心風(fēng)場數(shù)據(jù)的原因。在未來工作中有必要持續(xù)、深入開展臺風(fēng)追蹤式移動觀測工作。