我国沿海台风大风及其风工程参数特性研究

发布时间：2020-08-11 09:40

【摘要】：我国深受台风(TC)灾害影响,沿海工程抗风设计和风险评估中必须考虑台风大风的风致效应。本文针对我国沿海抗风设计需求,利用统计分析、观测分析、诊断分析及数值模拟等方法,研究了我国沿海台风大风变化特征、风工程参数特性及其变化机理,获得一些有益的认识,可为沿海工程抗风设计和台风大风风险评估提供参考,对防灾减灾也具有重要意义。本文首先通过统计分析揭示了我国沿海地区TC的最大风速半径(RMW)、最大风速、重现期极值风速、最危险路径及大风潜在破坏力的气候特征,发现:1)我国沿海TC的RMW均值为40.5km。最大风速强值区主要位于台湾岛以东125°E附近及海南岛东北侧洋面。2)基于TC最佳路径资料和再分析资料,提出了TC影响工程地的重现期极值风速及最危险袭击路径的推算方法。3)提出TC大风潜在破坏力指数,发现我国沿海30oN以南为台风大风高风险区,其中最危险区域位于台湾岛及海南岛东侧海域。针对我国沿海台风大风风险最高的台湾岛和海南岛附近区域,基于最佳路径资料与再分析资料,统计分析复杂地形下,不同方位TC的大风结构差异和变化特征,结果表明:1)岛屿不同方位TC的外围风场不均匀性特征显著。TC中心与岛屿连线上有正、负涡度带相间分布。且岛屿地形越高,特征越明显。2)TC外围风场影响下,台湾岛东侧与东北侧、台湾海峡、海南岛东北侧海域及北部湾内大风强且频次高。3)RMW在台湾岛(海南岛)附近均值为51.3 km(58.3km)。34节指定风圈半径(R_(34))在TC环流的四个象限半径长短不一,最长半径均位于东侧象限。TC强度越强R_(34)越大。4)位于台湾岛(海南岛)西北侧(西南侧)区域TC风圈变形最强。且台湾岛附近弱TC的风圈变形较强TC明显,海南岛反之。以台风彩虹(2015)为例,对其登陆期间近地层工程风特性进行观测分析,研究发现:1)眼壁及螺旋云带影响过程中,水平风速变化呈“M”型。眼壁风向变化180o,垂直速度增大3-4倍,均较螺旋云带变化显著。眼壁区风攻角显著增大,超过设计规范中高风速下的攻角推荐值(±3o之间)。眼壁及螺旋云带影响时,风速廓线不符合规范推荐的幂指数分布。2)眼壁及螺旋云带经过时阵风因子增大明显;眼壁影响过后,其变化幅度显著增大,且眼壁区域的变化强于螺旋云带。3)湍流强度、顺风向的湍能谱均在眼壁及螺旋云带经过时显著增大,不再满足湍流各向同性的假设与“-5/3”律。且眼壁区域的变化较螺旋云带更为明显。进一步利用中尺度数值模式WRF模拟获得台风彩虹的精细化风场,并应用于TC风工程参数特性定量评估中,结果表明:1)台风大风沿TC路径呈带状分布,路径右侧风速大于左侧。2)风攻角大值区主要位于TC路径及地形附近。地形迎风面为正攻角,背风面为负攻角,其绝对值可超过3o,且大小与地形高度成正比。3)风攻角、水平风速(风向)切变的模、风速随时间变化及风暴螺旋度可定量反映台风大风的工程致灾特征,有效指示台风内核区域及地形处的大风高危区。4)山地地形高度和形状均可对风工程参数特性产生影响。减小地形高度后,迎风坡(背风坡)风速减小(增大),大风频次减少(增多),大风分布趋于均匀化,且风攻角减弱至规范推荐范围之内。最后基于模拟结果对台风彩虹大风分布变化特征及机理进行了探讨。研究表明:1)TC登陆过程中,方位角平均的大风总体范围先增大后减小,而RMW先减小后增大。这一变化与低层径向绝对角动量通量的变化密切联系。2)受TC移动和环境风垂直切变的共同影响,TC大风呈非对称分布,大风速区位于TC的东北和西北象限。而眼壁区域受涡旋罗斯贝波传播的影响,大风非对称性还具有波动特征。3)眼壁内近地层大风呈非均匀条状分布,这与TC边界层中类滚涡结构及其造成的动能下传有关。
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P444
【图文】：

示意图,涡结构,示意图,台风

的滚涡主要沿台风的切向排列，但不同研究中观测到滚涡的数十公里不等（ Morrison 等 2005；Ellis 2010；Foster 201论研究和数值研究认为这与台风边界层中径向风的拐点不hi and Niino，2012；Gao and Ginis，2014；Ito et al，2017）、垂直2005；Wang and Jiang，2017）和惯性不稳定（Nolan，2在可增强台风边界层内动量、热量和水汽的输送，增强边界对流，对台风强度产生影响，从而影响台风大风（Morrisolis 2010；Gao et al，2016，2017）。

模块,模式,初始场,观测资料

分别为前处理模块（The WRF Preprocessing System，WA，可选）、ARW 求解器模块（ARW solver）和后g）。主要用于真实天气过程的模拟。该模块主要功能包括设及气象数据插值到模拟区域，以为后续模拟提供初始场块可根据模拟需求选用。该模块主要功能为将观测资料中，为模式提供包含更多观测资料的初始场及边界条件er 这是 WRF（ARW）模式的核心模块，此模块主要完ARW）模式是一个完全可压缩的非静力模型（运行时标可设置为地形跟随坐标或混合垂直坐标（从 WRF3.9wa C 网格。该模型采用 Runge-Kutta 二阶和三阶时间积均采用二阶到六阶的平流方案。sing 模块主要是将模式输出的结果进行后处理，转化为软件有 NCL、RIP4、GrADS、Vapor 等。

台风中心,站点,再分析资料,最大风速

我国沿海台风大风及其风工程参数特性研究3.6a-d，第一行）与 ERA-interim 再分析数据集中（图 3.6e-h，第二行）的 10m 风速，分别反查引发各组站点（黑色“+”）2 min 平均风速的前 5% （蓝色）、1%（绿色）与最大风速（红色）的台风中心位置。可见在地形复杂的台湾岛附近区域，用再分析资料查找的引发站点极值大风的台风中心位置与用站点观测查找的台风中心位置相似。因此我们认为 ERA-interim 再分析资料可有效描述台风的主要环流，可利用该资料查找最危险袭击台风的中心位置。此外我们还发现，使台湾岛附近区域站点产生最大风速的台风中心位置常临近站点。但在福建沿海区域观测站处，引发观测站大风的台风中心位置不仅在观测站附近，在台湾岛另一侧的台风也可使陆地上的站点产生极端大风，且二者距离可达 150km，超过了台风最大风速半径（通常为 40 km 左右）的范围。这可能与台湾岛地形的影响有关，将在第四章中进行详细讨论。

【参考文献】