張傳雄,葉思成,鄭 華,黃張琦,鄭 峰,王艷茹,李正農(nóng)

(1. 溫州理工學(xué)院 韌性城市生命線工程智慧防護(hù)應(yīng)急技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 溫州 325035; 2. 溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 溫州 325035;3. 溫州理工學(xué)院,浙江 溫州 325035; 4. 南佛羅里達(dá)大學(xué) 物理系研究生院,南佛羅里達(dá) 坦帕 32611; 5. 溫州市氣象局,浙江 溫州 325000;6. 臺(tái)州學(xué)院 建筑工程學(xué)院,浙江 臺(tái)州 318000; 7. 湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

近年來(lái),風(fēng)災(zāi)及其次生災(zāi)害嚴(yán)重影響各國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域,造成的人員、財(cái)產(chǎn)損失是地震災(zāi)害的數(shù)倍甚至更多,居于各種自然災(zāi)害之首。其中臺(tái)風(fēng)災(zāi)害對(duì)我國(guó)沿海城市的影響最為突出,根據(jù)中國(guó)氣象局(China Meteordogical Administration, CMA)熱帶氣旋年鑒資料,1949—2020年登陸我國(guó)的臺(tái)風(fēng)和熱帶風(fēng)暴共計(jì)641個(gè),平均每年超過(guò)32.7 m/s 的臺(tái)風(fēng)就有2.46個(gè)[1]。而浙江省地處東南沿海,歷來(lái)臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻繁,近年受到臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)影響造成的經(jīng)濟(jì)損失也逐年遞增。1949—2020年登陸浙江省的熱帶風(fēng)暴共計(jì)46個(gè),其中溫州市就有16個(gè),年均0.25次[2]。

不同的災(zāi)害風(fēng)場(chǎng)造成的影響程度也不同,故研究特定地形不同災(zāi)害風(fēng)下的風(fēng)場(chǎng)特征對(duì)解決實(shí)際問(wèn)題尤為重要。在特定地形的災(zāi)害風(fēng)場(chǎng)特征研究方面,國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。方平治等[3]對(duì)多個(gè)臺(tái)風(fēng)影響下福州地區(qū)的風(fēng)廓線特征進(jìn)行了研究,計(jì)算了各高度對(duì)應(yīng)的梯度風(fēng)速,運(yùn)用指數(shù)律擬合風(fēng)廓線,并對(duì)10 m高度的地表風(fēng)速和梯度風(fēng)速的風(fēng)速比進(jìn)行了分析。LI等[4]基于臺(tái)風(fēng)“威馬遜”(1409)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),研究了近地風(fēng)剖面的特征。趙林等[5]利用多普勒激光雷達(dá)實(shí)測(cè)了臺(tái)風(fēng)“山竹”(1822)外圍風(fēng)場(chǎng),總結(jié)了臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)端風(fēng)場(chǎng)演變過(guò)程的階段、風(fēng)剖面形態(tài)及風(fēng)速變化趨勢(shì)。姚博等[6]基于臺(tái)風(fēng)“海馬”(1104)登陸時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),獲得并分析了其風(fēng)速時(shí)程及風(fēng)剖面特征。張傳雄等[7]基于多普勒聲雷達(dá)及機(jī)械式風(fēng)速,分析了臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”(1808)過(guò)境時(shí)浙江省溫州市的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。

根據(jù)多國(guó)學(xué)者[8-12]文獻(xiàn)表明,在臺(tái)風(fēng)易發(fā)地區(qū),雷暴陣風(fēng)在其年度極端風(fēng)統(tǒng)計(jì)中占很大比例。由中國(guó)天氣網(wǎng)1981—2020年公布的年均雷暴日數(shù)統(tǒng)計(jì),年平均雷電日超過(guò)40 d的地區(qū)大多分布于沿海區(qū)域。全年均可能出現(xiàn)雷暴,其中大約60%的雷暴將產(chǎn)生下?lián)舯┝鱗13]。下?lián)舯┝髦饕绊懢嚯x為50～100 km[14],這種瞬時(shí)劇烈的風(fēng)切變可能對(duì)低層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的破壞潛力,特別其中強(qiáng)下沉氣流產(chǎn)生的強(qiáng)低空風(fēng)切變經(jīng)常造成輸電塔的損壞,環(huán)狀渦旋常導(dǎo)致船舶失事[15]。

從工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的角度,基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)的下?lián)舯┝黠L(fēng)剖面模型,對(duì)于實(shí)際區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)有著重要的意義。國(guó)際上,學(xué)者們通過(guò)原型實(shí)測(cè)、理論推導(dǎo)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等4種主要手段對(duì)下?lián)舯┝鬟M(jìn)行了大量研究。OSEGUERA等[16]提出了基于流體連續(xù)性方程的下?lián)舯┝黠L(fēng)均風(fēng)速解析模型,VICROY[17]、CHAY等[18]在OB模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)獲得了垂直方向風(fēng)剖面模型。WOOD等[19]通過(guò)模型試驗(yàn)提出了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀６鳫OLMES等[20]則提出了能夠描述移動(dòng)下?lián)舯┝鞯慕?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?guó)內(nèi)學(xué)者瞿偉廉等[21]、鄒鑫等[22]、鐘永力等[23]分別利用數(shù)值模擬、物理模型、數(shù)值與物理模型相結(jié)合的方法分析下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)剖面特征,提出了相應(yīng)徑向風(fēng)剖面模型。孫京等[24]依據(jù)湖北省2009—2013年下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),分析了下?lián)舯┝骼走_(dá)預(yù)警指標(biāo),并利用Bayes和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立了下?lián)舯┝黝A(yù)報(bào)模型。

綜上所述,目前抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究中,災(zāi)害風(fēng)場(chǎng)研究大多采用固定的梯度風(fēng)高度,未體現(xiàn)極端風(fēng)場(chǎng)不同高度層的細(xì)部特征,沿海地區(qū)較為常見(jiàn)的下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)較少,未深入分析不同極端風(fēng)場(chǎng)特征的差異,未深入研究極端風(fēng)場(chǎng)水平垂直方向風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系。本文基于3個(gè)臺(tái)風(fēng)和 2個(gè)下?lián)舯┝鞯葹?zāi)害風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)邊界層高度與臺(tái)風(fēng)影響距離的關(guān)系,比較了基于高斯擬合的實(shí)測(cè)風(fēng)剖面與理論模型的差異,計(jì)算了各災(zāi)害風(fēng)場(chǎng)影響期間各高度層水平垂直方向風(fēng)速比,總結(jié)了臺(tái)風(fēng)及下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)的基本特征。

1 儀器、原理及實(shí)測(cè)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)背景及儀器

本文實(shí)測(cè)站設(shè)置于溫州大羅山與茶山交界,三面環(huán)山,氣候多樣,災(zāi)害頻繁。共設(shè)有地面、實(shí)驗(yàn)樓兩處測(cè)點(diǎn),其中地面實(shí)測(cè)點(diǎn)使用的儀器是德國(guó)SCINTEC公司生產(chǎn)的MFAS風(fēng)廓線聲雷達(dá),主要用以對(duì)低層大氣風(fēng)向、風(fēng)速和擾動(dòng)的分布特征進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量。實(shí)驗(yàn)樓頂安裝有R.M.Young 05103型機(jī)械式風(fēng)速儀,R.M.Young 81000型超聲風(fēng)速儀。風(fēng)速儀離地高度約為60 m。通過(guò)各儀器相關(guān)的采集系統(tǒng)收集風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)儲(chǔ)存于PC機(jī)中,如圖1所示。

1.2 風(fēng)廓線模型

1.2.1 臺(tái)風(fēng)風(fēng)廓線分析模型

目前對(duì)于風(fēng)場(chǎng)的研究中,常用風(fēng)場(chǎng)受地面摩擦力阻礙作用趨近于零的高度作為界限值定義大氣邊界層高度,如式(1)所示[25-26]。

(1)

式中 :B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),一般取 6;f為科里奧利參數(shù)。

學(xué)術(shù)界常用指數(shù)律、對(duì)數(shù)律及Vickery模型來(lái)分析臺(tái)風(fēng)風(fēng)剖面。由于指數(shù)律模型較為理論化與實(shí)際型態(tài)差異較大、對(duì)數(shù)律模型對(duì)高緯度地區(qū)的風(fēng)剖面刻畫準(zhǔn)確性不夠。對(duì)于1 500 m高度范圍內(nèi)臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)端風(fēng)場(chǎng),Vickery模型對(duì)于近地急流風(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)[5]。故本文選取基于對(duì)數(shù)律模型的基本表達(dá)式,對(duì)有效高度進(jìn)行了歸一化處理,結(jié)合與緯度有關(guān)的梯度風(fēng)高度的 D-H 邊界層風(fēng)剖面模型,可表示為:

(2)

1.2.2 下?lián)舯┝黠L(fēng)廓線分析模型

下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)較臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)具有更為明顯波動(dòng)的垂直與水平方向風(fēng)剖面。OSEGUERA等[18]提出了柱坐標(biāo)系下的三維穩(wěn)態(tài)下?lián)舯┝鹘馕瞿Ｐ?可進(jìn)行下?lián)舯┝鞯乃剿俣绕拭骖A(yù)測(cè)。

(3)

式中:V(z)為高度z處的下?lián)舯┝髯畲笃骄L(fēng)速;r為距風(fēng)暴中心的距離;R為下?lián)舯┝鞯奶卣靼霃?z*為邊界層外的某一特征高度;ε為邊界層內(nèi)的某一特征高度;λ為比例系數(shù);z同式(2)。

然后VICROY[19]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)改進(jìn)了模型的徑向形狀函數(shù),稱為OBV模型,可表示為:

(4)

式中:Vmax為下?lián)舯┝鞯淖畲笏斤L(fēng)速;zmax為最大水平風(fēng)速的產(chǎn)生高度;z同式(2)。

基于沖擊射流的物理實(shí)驗(yàn)的WOOD 與 KWOK模型[21]可表示為:

(5)

1.2.3 實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)廓線模型

本文基于實(shí)測(cè)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng),通過(guò)二階高斯擬合獲得了臺(tái)風(fēng)“利奇馬”(1909)、“米娜”(1918)、“黑格比”(2004)的實(shí)測(cè)模型,可表示為:

(6)

式中:V(z)為高度z處的下?lián)舯┝髯畲笃骄L(fēng)速;ai、bi、ci(i=1,2)分別為實(shí)測(cè)系數(shù)。

1.2.4 實(shí)測(cè)下?lián)舯┝黠L(fēng)廓線模型

由于下?lián)舯┝鲗?shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)影響時(shí)程較短,其短時(shí)距的風(fēng)場(chǎng)變化較臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)更劇烈,需更多變量的擬合函數(shù)來(lái)分析其風(fēng)場(chǎng)變化。故通過(guò)三階高斯擬合獲得了4、8月下?lián)舯┝鲗?shí)測(cè)模型。

(7)

式中:V(z)為高度z處的下?lián)舯┝髯畲笃骄L(fēng)速;Ai、Bi、Ci(i=1,2,3)分別為實(shí)測(cè)系數(shù)。

1.3 實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)

超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”于2019年8月10日13時(shí)45分前后在臺(tái)州市中南部城南鎮(zhèn)沿海登陸,登陸時(shí)氣旋中心風(fēng)速最大值達(dá)52 m/s(16級(jí)),臺(tái)風(fēng)“米娜”于2019年10月1日20時(shí)30分前后在浙江省東北部舟山群島東南部沿海以11級(jí)風(fēng)速(30 m/s)登陸。臺(tái)風(fēng)“黑格比”是2020年生成的第4號(hào)臺(tái)風(fēng),于2020年8月4日3時(shí)30分前后以近巔峰強(qiáng)度(38 m/s,13級(jí))在浙江省東南沿海登陸。臺(tái)同影響路徑如圖2所示。

圖2 臺(tái)風(fēng)影響路線Fig. 2 Typhoon route

實(shí)測(cè)期間臺(tái)風(fēng)中心與觀測(cè)點(diǎn)平均距離分別為71、160、28.8 km。對(duì)應(yīng)了7級(jí)、10級(jí)、12級(jí)風(fēng)圈影響下的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)。

而下?lián)舯┝鞔蠖嘣诶妆┨鞖猸h(huán)境中產(chǎn)生,是一種強(qiáng)烈的氣流沖射,產(chǎn)生強(qiáng)烈的破壞性風(fēng),徑向范圍小于4.0 km。雖然下?lián)舯┝鞯某叽巛^小,但它可以誘導(dǎo)更強(qiáng)的風(fēng)暴產(chǎn)生,最大風(fēng)速可以達(dá)75 m/s。文中使用的為2019年4月22日 17時(shí)、2021年8月5日15時(shí)采集的2次完整下?lián)舯┝饔绊憯?shù)據(jù)。

2 邊界層及風(fēng)場(chǎng)剖面分析

根據(jù)邊界層高度公式計(jì)算獲得了臺(tái)風(fēng)、下?lián)舯┝饔绊戇^(guò)程風(fēng)廓線樣本邊界層高度, 如圖3所示,與GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[27]中B類地形的設(shè)計(jì)值350 m相比,實(shí)測(cè)災(zāi)害風(fēng)場(chǎng)的巔峰期邊界層高度普遍偏大,“利奇馬”“黑格比”“米娜”風(fēng)場(chǎng)巔峰期影響時(shí),分別較規(guī)范設(shè)計(jì)值增大308%、280%、194%。影響期平均邊界高度與規(guī)范相比同樣普遍偏大220%、250%、146%。與8月實(shí)測(cè)常態(tài)風(fēng)邊界層高度相比,亦分別增大197%、132%、54%。

圖3 各風(fēng)場(chǎng)影響期及峰值期邊界層高度Fig. 3 Height of the boundary layer during the influence period and peak period of each wind field

下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)巔峰期影響時(shí),分別較規(guī)范、常態(tài)風(fēng)樣本值增大64%、1%和107%、29%。影響期平均邊界高度與規(guī)范相比同樣普遍偏大,較規(guī)范、常態(tài)風(fēng)樣本值增大117%、35%和200%、87.5%。

即按實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)平均邊界層高度分析,臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)邊界層最高,下?lián)舯┝鞔沃? 常態(tài)風(fēng)場(chǎng)邊界層最低。上述結(jié)果可能受到臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)臺(tái)風(fēng)核心風(fēng)區(qū)的影響、遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)無(wú)對(duì)流聚集影響及下?lián)舯┝靼l(fā)生時(shí)對(duì)流聚集影響,邊界層高度陡然增大有關(guān);亦與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)周邊地貌影響有關(guān)。

2.1 臺(tái)風(fēng)影響距離與邊界層

根據(jù)前文的計(jì)算結(jié)果,結(jié)合各高度層全影響期平均風(fēng)速分布數(shù)據(jù),繪制臺(tái)風(fēng)、下?lián)舯┝饔绊戇^(guò)程風(fēng)廓線圖以及幾個(gè)較為有代表性高度層風(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算的最大風(fēng)速高度沿時(shí)間演變圖。選擇2019年4月,2021年8月風(fēng)速較為穩(wěn)定的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為常態(tài)參照,繪制常態(tài)風(fēng)廓線圖作為對(duì)照,并使用3次hermite樣條插值法(Pchip)對(duì)其中影響較為明顯的臺(tái)風(fēng)“利奇馬”“黑格比”的實(shí)時(shí)路徑進(jìn)行插值分析。

如圖4、圖5所示,完全登陸的臺(tái)風(fēng)“利奇馬”“黑格比”在距離氣旋中心100～129 km范圍內(nèi),邊界層高度均有沿氣旋半徑向外小幅增長(zhǎng)的趨勢(shì);在距離氣旋中心71～100 km邊界層高度均有沿氣旋半徑向外小幅下降的趨勢(shì)。臺(tái)風(fēng)“黑格比”在距離氣旋中心30～70 km范圍內(nèi),邊界層高度有沿氣旋半徑向外小幅增長(zhǎng)的趨勢(shì)。即臺(tái)風(fēng)影響時(shí)最大邊界層高度受氣旋中心距離影響,平均邊界層高度呈先增大后減小的趨勢(shì)。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度越高,邊界層越高。這一現(xiàn)象可與趙林等[5]提出的在距離氣旋中心500～750 km范圍內(nèi),邊界層高度及最大風(fēng)速均有沿氣旋半徑向外逐漸降低的研究結(jié)論互為補(bǔ)充。

圖4 各臺(tái)風(fēng)氣旋中心距離和邊界層高度Fig. 4 Cyclone center distance and boundary layer height of each typhoon

圖5 各風(fēng)場(chǎng)影響期600 min邊界層高度Fig. 5 Height of the boundary layer during the 600 minutes influence period of each wind farm

未完全登陸的臺(tái)風(fēng)“米娜”在氣旋中心距離實(shí)測(cè)點(diǎn)312 km時(shí),實(shí)測(cè)地300 m高度層風(fēng)速發(fā)生明顯變化。隨著“米娜”不斷接近實(shí)測(cè)地,最大風(fēng)速逐漸向近地層轉(zhuǎn)移。當(dāng)氣旋中心距實(shí)測(cè)地200 km時(shí),實(shí)測(cè)地處在臺(tái)風(fēng)氣旋外側(cè)下沉氣流的影響范圍內(nèi)。5-8時(shí)為最大影響期,此時(shí)臺(tái)風(fēng)“米娜”雖未直接登陸,但逐漸接近最大影響距離。8時(shí)達(dá)到最近點(diǎn)147 km處,此時(shí)臺(tái)風(fēng)“米娜”達(dá)到峰值風(fēng)速40 m/s,實(shí)測(cè)邊界層高度下降至最低點(diǎn)200 m處。8時(shí)之后,隨著氣旋中心的遠(yuǎn)離,臺(tái)風(fēng)“米娜”強(qiáng)度的降低,風(fēng)場(chǎng)逐漸回歸上層影響,最終于11時(shí)穩(wěn)定于500m以上高度層處。

綜上,在距離臺(tái)風(fēng)中心30～71km范圍內(nèi),邊界層高度沿氣旋半徑向外增大。在距離臺(tái)風(fēng)中心71～129km范圍內(nèi),邊界層高度沿氣旋半徑向外先減小后增大。臺(tái)風(fēng)影響時(shí)最大邊界層高度受氣旋中心距離影響,隨中心距離的減小,邊界層呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)。受臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度影響,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度越高,平均邊界層越高。本實(shí)測(cè)試驗(yàn)完整記錄了3種不同風(fēng)圈影響下,臺(tái)風(fēng)外側(cè)風(fēng)速廓線在近地面的變化過(guò)程,可作為臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程中氣旋不同中心距離的風(fēng)場(chǎng)區(qū)域設(shè)計(jì)風(fēng)速制定的參考。

2.2 臺(tái)風(fēng)影響期風(fēng)剖面與理論模型

如表1及圖6所示,實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)影響期高斯擬合的風(fēng)剖面同我國(guó)現(xiàn)行的GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》采用的大氣邊界層指數(shù)剖面、常見(jiàn)風(fēng)場(chǎng)分析的對(duì)數(shù)剖面以及在這兩者基礎(chǔ)上更新的D-H風(fēng)剖面模型進(jìn)行了比較。

表1 實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)二階高斯擬合參數(shù)Table 1 Second-order Gaussian fitting of wind profile parameters

圖6 各臺(tái)風(fēng)影響期風(fēng)廓線Fig. 6 Wind profiles during impact periods of each typhoon

結(jié)果表明,實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”“黑格比”影響期風(fēng)剖面均在0～250m高度層與規(guī)范所采取的對(duì)數(shù)律風(fēng)廓線模型趨勢(shì)吻合。實(shí)際影響距離最遠(yuǎn)的臺(tái)風(fēng)“米娜”在0～250m高度層與D-H模型較為吻合。而實(shí)測(cè)模型與理論模型差異在于,在250～400m高度層,各實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)均表現(xiàn)為隨著高度層的增加,平均風(fēng)速降低。即實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)0～400m高度層風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)與二階高斯函數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难葑冓厔?shì)較為接近。驗(yàn)證了二階高斯擬合模型對(duì)于臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面形態(tài)的適用性,實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)近地50～400m高度層均表現(xiàn)為D形風(fēng)剖面,根據(jù)不同的參數(shù)取值,可以很好地?cái)M合臺(tái)風(fēng)上部的S形風(fēng)剖面。

2.3 下?lián)舯┝鲝较蝻L(fēng)速及風(fēng)廓線分析

取2個(gè)下?lián)舯┝靼l(fā)生時(shí)段前后各200min數(shù)據(jù)以10min為時(shí)距作邊界層高度分布圖,如圖7～圖8所示。由圖可知,下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)演變過(guò)程均可分3個(gè)階段:影響前風(fēng)剖面呈上層大風(fēng)集中分布,邊界層隨強(qiáng)對(duì)流影響下移、影響時(shí)強(qiáng)風(fēng)切變引起低空急流邊界層驟然上升。影響時(shí)風(fēng)速向近地層遞進(jìn)。影響后風(fēng)速邊界層復(fù)位但高層風(fēng)場(chǎng)持續(xù)仍遠(yuǎn)大于常態(tài)風(fēng),風(fēng)速遠(yuǎn)大于常態(tài)風(fēng)場(chǎng)。

圖7 “04-23” 下?lián)舯┝鬟吔鐚痈叨?Fig. 7 “04-23” downburst boundary layer height 圖8 “08-05”下?lián)舯┝鬟吔鐚痈叨?Fig. 8 “08-05” downburst boundary layer height

2.4 下?lián)舯┝饔绊懫陲L(fēng)剖面與理論模型

將4、8月實(shí)測(cè)下?lián)舯┝饔绊懫诟咚箶M合的風(fēng)剖面同Oseguera與 Bowles模型、Vicroy模型、Wood 與 Kwok模型以及對(duì)應(yīng)的4、8月常態(tài)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面進(jìn)行了比較。各模型的參數(shù)取值如表2～表4所示。

表2 實(shí)測(cè)下?lián)舯┝魅A高斯擬合風(fēng)剖面參數(shù)Table 2 Prototype parameters of the third-order downburst Gaussian fitting wind profile

表3 “04-23”下?lián)舯┝鞔怪狈较蝻L(fēng)剖面模型參數(shù)Table 3 Vertical wind profile model parameters of “04-23” downburst

表4 “08-05”下?lián)舯┝鞔怪狈较蝻L(fēng)剖面模型參數(shù)Table 4 Vertical wind profile model parameters of “08-05” downburst

由圖9～圖10可知,4月實(shí)測(cè)擬合模型在0～100m、400～600m高度層處風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)與Oseguera 與 Bowles模型近似。但在100～400m高度層發(fā)生V形回落,在600～1000m高度層發(fā)生了V形上升。即平均風(fēng)速在100～400m高度層先遞減后遞增;在600～1000m高度層先遞增后遞減。8月實(shí)測(cè)擬合模型在0～100m及400～1000m高度層處風(fēng)場(chǎng)演變形式接近Vicroy模型。同樣在100～400m高度層發(fā)生V形回落。

圖9 “04-23” 下?lián)舯┝黠L(fēng)廓線對(duì)比Fig. 9 Comparison of “04-23”downburst wind profiles 圖10 “08-05” 下?lián)舯┝黠L(fēng)廓線對(duì)比Fig. 10 Comparison of “08-05”downburst wind profiles

綜上,濱海丘陵地形下實(shí)測(cè)的下?lián)舯┝黠L(fēng)速均在100～400m高度層先遞減后遞增。Oseguera 與 Bowles模型較為適合4月實(shí)測(cè)下?lián)舯┝鞯姆治?Vicroy模型較為適合8月實(shí)測(cè)下?lián)舯┝鞯姆治?驗(yàn)證了三階高斯擬合模型對(duì)于臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面形態(tài)的適用性。

3 水平與垂直方向風(fēng)場(chǎng)特征

取臺(tái)風(fēng)“利奇馬”發(fā)生時(shí)段前后各300min,共600min數(shù)據(jù)做時(shí)距為10min的三維風(fēng)速時(shí)程圖,如圖11(a)、(b)所示。取下?lián)舯┝靼l(fā)生時(shí)段前后各200min,共400min數(shù)據(jù)做時(shí)距為10min的三維風(fēng)速時(shí)程圖,如圖11(b)、(c)所示。

圖11 災(zāi)害風(fēng)場(chǎng)影響期各高度層水平、垂直方向風(fēng)速比Fig. 11 Horizontal and vertical wind speed ratio at each altitude during the influence periods

由圖11可知,災(zāi)害風(fēng)場(chǎng)實(shí)際表現(xiàn)為三維風(fēng)場(chǎng),且風(fēng)場(chǎng)實(shí)時(shí)變化劇烈,隨機(jī)性較大。本文利用統(tǒng)計(jì)分析法,記錄了災(zāi)害風(fēng)場(chǎng)影響時(shí)各個(gè)高度層的最大、最小、平均水平(垂直方向)風(fēng)速,并分別計(jì)算其水平垂直方向風(fēng)速比。通過(guò)繪制各高度層影響風(fēng)速比值圖,分析數(shù)據(jù)的離散性,并對(duì)最大最小風(fēng)速比進(jìn)行擬合,獲得了各災(zāi)害風(fēng)場(chǎng)影響期的比值曲線如圖12所示。

圖12 災(zāi)害風(fēng)場(chǎng)影響期各高度層水平、垂直方向風(fēng)速比Fig. 12 Horizontal and vertical wind speed ratio at each altitude during the influence periods

由圖12(a)、(b)、(c)可知,臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)在影響時(shí),伴隨一定量的垂直方向風(fēng)速變化,如超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響時(shí),400～920m高度層垂直方向風(fēng)速與水平風(fēng)速變化具有正相關(guān)性。臺(tái)風(fēng)“黑格比”影響時(shí),600～920m高度層垂直方向風(fēng)速與水平風(fēng)速變化具有正相關(guān)性。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”與“黑格比”的比值分布差異為“利奇馬”于210～400m高度層遞減,而“黑格比”保持均勻遞增。造成二者分布差異的原因可能是“黑格比”登陸點(diǎn)較實(shí)測(cè)點(diǎn)距離更短,下墊層損耗更低。臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)在90～210m高度層水平與垂直方向風(fēng)速成正比。在近地層水平與垂直方向風(fēng)速突變?yōu)樨?fù)相關(guān),且比值均小于0.5。

由圖12(d)、(e)可知,下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)在影響時(shí),伴隨一定量的垂直方向風(fēng)速變化,且變化較臺(tái)風(fēng)更劇烈?！?4-23”下?lián)舯┝髋c“08-05”下?lián)舯┝鞯淖兓厔?shì)十分近似。均在50～400m高度層水平與垂直方向風(fēng)速為正相關(guān),且保持遞增趨勢(shì)。同樣在近地層水平與垂直方向風(fēng)速突變?yōu)樨?fù)相關(guān),但且比值均大于5。

臺(tái)風(fēng)與下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)的差異在于,下?lián)舯┝黠L(fēng)速變化有著明顯的小尺度,短時(shí)距的特征,下?lián)舯┝?0～210m 高度層垂直方向與水平風(fēng)速比呈負(fù)相關(guān),在210m以上高度層為正相關(guān)。而臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的影響尺度更大,持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng),臺(tái)風(fēng)“利奇馬”“黑格比”均在50～210m,400～800m高度層,呈遞增趨勢(shì)。下?lián)舯┝鞯?10～920m 高度層垂直方向風(fēng)速與水平風(fēng)速變化具有正相關(guān)性,隨著垂直方向風(fēng)速的增大水平風(fēng)速增大。

4 結(jié)論及討論

通過(guò)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”“米娜”“黑格比”,兩次實(shí)測(cè)的下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究,總結(jié)出不同影響距離的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)、不同季度下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)速剖面演變過(guò)程的主要階段,并獲得了各風(fēng)場(chǎng)高斯擬合的實(shí)測(cè)模型,并對(duì)臺(tái)風(fēng)、下?lián)舯┝鞯乃酱怪狈较蝻L(fēng)速相關(guān)性進(jìn)行了分析。綜合上述分析,可以得到如下結(jié)論:

1)實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)的平均邊界層高度變化,臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)邊界層最高,下?lián)舯┝鞔沃?常態(tài)風(fēng)場(chǎng)邊界層最低。

2)在距離臺(tái)風(fēng)中心30～129 km范圍內(nèi),邊界層高度沿氣旋半徑向外先增大后減小再增大。

3)驗(yàn)證了二階高斯擬合模型對(duì)于臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面形態(tài)的適用性,實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)近地50～400m高度層均表現(xiàn)為D形風(fēng)剖面。通過(guò)不同的參數(shù)取值,可以很好地?cái)M合S形風(fēng)剖面的上部形態(tài)。

4)4月與8月實(shí)測(cè)下?lián)舯┝鞣謩e較為適用Oseguera 與 Bowles模型、Vicroy模型。濱海丘陵地形下實(shí)測(cè)的下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)與理論模型的差異在于實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)均在100～400m高度層先遞減后遞增。

5)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)與下?lián)舯┝鞣謩e在90～200m、50～400m高度層水平與垂直方向風(fēng)速為正相關(guān),均在近地層突變?yōu)樨?fù)相關(guān),比值分別大于0.5和5。

由于本文使用的主要設(shè)備為風(fēng)廓線聲雷達(dá),得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為探測(cè)高度圓周范圍內(nèi)的平均值,實(shí)測(cè)豎向風(fēng)速瞬時(shí)值較實(shí)際值偏小。但對(duì)比聲雷達(dá)實(shí)測(cè)常態(tài)風(fēng)場(chǎng)垂直方向風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)而言,實(shí)測(cè)的臺(tái)風(fēng)及下?lián)舯┝鞔怪狈较蝻L(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的變化已經(jīng)較為劇烈且規(guī)律。由于臺(tái)風(fēng)及下?lián)舯┝鳂颖镜碾S機(jī)性,本文雖然具有一定規(guī)模的風(fēng)廓線作為基礎(chǔ),但樣本仍偏于單薄。故為了探究本文結(jié)果實(shí)用性的,未來(lái)還需要更多的實(shí)測(cè)試驗(yàn)來(lái)修正實(shí)測(cè)模型。