超强台风山竹近地层外围风速剖面演变特性现场实测

利用多普勒激光雷达在琼州海峡北岸徐闻地区从2018年9月15日12:28到2018年9月17日13:53对1822号超强台风山竹外围风场进行实测,获得台风登陆前29个小时至登陆后21个小时时间范围内每隔10min一次的近地层风速剖面演变数据。总结台风远端风场演变过程的4个阶段:外围小风、登陆前强风切变、登陆后低空急流、台风远离时风速衰减;发现台风远端风场S形和反C形2种风剖面形态;总结距离台风中心230～750km范围内最大风速高度沿台风半径向外先增大后减小的趋势;发现台风登陆前远端风场平均最大风速高度约360m,平均风剖面幂指数0.41,登陆后平均最大风速高度约800m,平均风剖面幂指数0.28;验证Vickery提出的对数律修正模型对台风远端风场风剖面形态的适用性,发现该模型对反C形风剖面拟合度较好,对S形风剖面上部重现度较差。     

强台风登陆过程大跨桥梁风特性特征及其抖振响应分析

台风环境条件的风场特征对沿海大跨桥梁结构的风致响应影响显著.结合强台风黑格比(0814)的登陆演变全过程风场逐时记录数据,对台风气候条件下的实测近地平均风特性(平均风速、风向角和风攻角)和脉动风功率谱进行了统计分析,研究了中心过境强台风的风场演变特征.随后分别采用规范谱和实测台风谱对位于台风影响区内的一座大跨斜拉桥(主跨448?m)进行了三维风致抖振响应分析,研究了台风演变过程中桥梁结构抖振响应特征.采用实测台风谱计算的桥梁抖振响应与仅考虑规范谱的结果差异显著.进一步研究了来流大攻角效应对桥梁抖振响应的影响,结果显示,结构竖向和扭转抖振位移分别为仅考虑规范谱响应结果的204.12％和264.87％,横向位移增加67.27％.研究表明:强台风气候条件下,来流大攻角和高频湍流能量卓越的脉动风速对桥梁抖振响应影响突出.因此,关于桥梁风致抖振的相关研究亟需慎重对待,并应加强桥梁风致安全评估.     

上海地区台风风特性Monte-Carlo随机模拟研究

收集和整理了1949年至2005年台风年鉴统计资料和上海崇明岛侯家镇气象站逐时(连续)气象观测记录.对于上海近年来两次强台风(麦莎0509和卡努0515)进行了案例分析,表明台风风场的强变异性不容忽视,台风风环境评价采用可靠度分析理论具有相当的优势.Monte-Carlo台风随机模拟结果亦表明极值风速样本分布具有偏态性,由此建议了极值风速估算保证率系数的合理取值.采用Monte-Carlo台风风场随机模型和敏感度分析方法计算了不同场地条件风环境随机参数对于台风极值风速的贡献程度,并对上海地区的台风风场参数合理取值进行了优化.最后,以越界峰值法和广义Pareto分布探讨了工程场地目标重现期内极值风速预测过程,再现了几类典型工程场地台风风环境的梯度风高度、平均风剖面、极值风速和阵风因子取值特点,并与建筑结构荷载规范进行了对比.     

土木工程相关的台风近地风场实测研究

采用三维超声风速仪现场观测了台风"珍珠"和"派比安"的登陆过程,分析了两次台风过程的平均风速、风向变化历程以及台风脉动风速的概率密度分布,进一步研究了台风湍流强度、湍流积分尺度与阵风因子.结果表明:在低风速情况下,台风脉动风速接近正态分布,湍流强度与阵风因子存在近似线性关系,可用相关经验公式进行拟合。两次台风过程实测风速谱均可与某种理论谱模型较好吻合,通过拟合可以降低实测谱与理论谱的偏差。     

温州地区不同时距下近地台风特性观测研究

基于2008年影响温州地区的台风海鸥、凤凰和蔷薇的实测风场资料,分析了不同平均时距下近地台风的湍流特性(如平均风速、风向、湍流度和阵风因子)。实测结果表明:同一地点不同台风的平均风向角可能相差很大,不同时距最大平均风速不是同步出现;随着平均风速的增大,湍流度和阵风因子有逐渐减小的趋势;当地湍流度实测结果明显大于已有平坦市郊区地形的实测值和日本风荷载规范经验公式计算值;不同平均时距的横风向与顺风向阵风因子的比值变化较大;1m in或3 s平均时距值可较好地反映出台风风速、风向、湍流度和阵风因子的脉动性和变化规律。     

沿海复杂地形台风登陆过程风场多尺度数值模拟

我国沿海地区的台风风场研究与预报具有显著的经济和社会效益.多尺度风场数值模拟方法是将WRF中尺度数值气象模拟同小尺度风场大涡模拟结合的数值模拟方法,可实现台风影响下沿海复杂地形风场的精细化研究.本文以2012年台风启德为背景,通过WRF模式有效再现了台风中心路径和近地平均风速风向的24?h时程;采用循环入流方法,将WRF得到的平均风剖面中加入高频风速成分,并作为复杂地形风场大涡模拟的入口条件,模拟近地风场的时间和空间分布.研究表明,台风登陆后受到沿海复杂地形的影响,近地流向湍流强度较海面上增强1倍左右,风速高频成分显著增强,并出现了0.73?m/s向下的竖向平均速度,对局部地区的抗风安全产生较为不利的影响.     

不同大气稳定度下台风"莫拉克"(2009)的近地风场特性

为了探究台风影响期间不同大气稳定度条件对近地层风场特性的影响,基于2009年台风"莫拉克"移动路径上的三座测风塔测得的高频三维风速时程,分析了台风影响期间中性、稳定、不稳定三种大气层结状况的分布频率,以及不同稳定度条件下近地层平均风场特性(平均风速和风向)和脉动风场特性(湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和脉动风速谱).研究结果表明,台风外围雨带区影响期间非中性层结发生概率约44％;在非中性层结影响下,平均风速出现频率最高的区间(10～12?m/s,14～16?m/s)不同于中性层结(12～14?m/s),且湍流强度最高频数分布较为集中(8％～10％);验证von-Karman谱描述不同大气稳定度下台风脉动风速谱的适用性,发现该经验谱对中性层结下的风速谱刻画较好,对非中性层结下的风速谱存在低频段高估、高频段低估谱能量的现象.进行工程结构抗风设计时,需注意非中性大气层结对风速、湍流强度、脉动风速谱等与结构风荷载确定密切相关的参数的影响.     

华南地区台风全局化结构及风场特征实测研究

基于探空气球、雷达风廓线仪等设备长期观测数据,对影响华南地区热带气旋的全局化结构及风场特征进行了实测研究.以典型台风为例,考察了系统水平及垂直主结构特征,揭示了台风双眼壁结构、眼壁置换现象以及登陆后结构的轴非对称变化特征.提出了台风气压场水平轴非对称模型和垂直剖线模型,分析了台风气压场两关键参数(最大风速半径及Holland-B)数值分布特征及其与其他参数间的内在关系.采用复合分析技术,对不同来流状况下台风边界层风场特征进行研究,考察了风速剖线低空急流和风向随高度偏转的特征及其随径向距离和来流地貌的变化规律,建立了以低空急流为特征的台风垂直剖线经验模型,为精确化评估高层建筑风荷载提供数据和技术支撑.相关研究成果有助于深化对华南地区热带气旋全局化结构及风场特征的认识,并为合理评估该地区台风风灾害及构筑物台风风效应提供参考.     

海洋运动对台风过境全过程水平风速特性的影响

现行台风模型大多采用基于有限实测数据修正的工程经验模型,忽略了波浪、海流等海洋运动与其水平风速之间的实时耦合作用.为揭示海洋运动对台风过境全过程的影响机制,基于MCT耦合器,采用中尺度WRF大气模型、第三代浅海海浪SWAN模型以及三维水动力FVCOM模型,建立了大气-海洋-海浪(W-S-F)的实时耦合模拟平台.在此基础上,模拟了台风"莫兰蒂"过境全过程海洋环境时空演变,对比分析了W-S-F耦合平台与非耦合WRF模式下台风过境全过程的差异性,最终提炼出海洋运动对水平风速特性的影响规律.结果表明:本文提出的W-S-F耦合平台可以准确模拟考虑海洋运动的台风过境全过程风速场;低空处海洋运动促进台风水平风速发展,且随高度增加影响逐渐减小,高空处海洋运动对台风水平风速产生抑制作用,且这种消耗随高度增大而加强;在台风整个发展周期,海洋运动对低空台风强度的影响呈现先促进后抑制规律,随着高度增加逐渐形成相反特点.     

台风"山竹"影响下的城市风场数值模拟研究

基于中尺度气象模式(weather?research?and?forecasting,WRF),对2018年第1822号超强台风"山竹"影响期间深圳气象观测梯度塔附近城市风场开展了数值模拟研究,并结合气象观测塔的现场实测数据进行比较验证.采用移动嵌套网格模拟得到了台风"山竹"的演化过程;耦合城市冠层模型(urban?canopy?model,UCM)完成了城市台风风场的多尺度精细化模拟;分析了城市冠层模型对WRF模式城市风场模拟精度的影响.基于UCM模型和高精度的下垫面数据,准确模拟出了台风影响下的风场空间分布情况;数值模拟得到的深圳气象梯度塔位置不同高度处台风风速结果与现场实测数据吻合较好,表明耦合UCM模型的WRF模拟能够较为精确地捕捉到台风过境时的城市风场特性.与未耦合UCM模型的WRF模拟结果相比,UCM模型的采用进一步提高了城市台风风场近地面风速的模拟精度.