华南地区台风全局化结构及风场特征实测研究

何运成，傅继阳，*，李秋胜，陈柏纬，陈雯超

(1.广州大学 风工程与工程振动研究中心，广州 510006；2.香港城市大学 建筑学与土木工程系，香港 999077；3.香港天文台，香港 999077；4.广东省气候中心，广州 510080)

0 引 言

台风是一种破坏力极强的自然灾害。我国东南沿海位于台风频发地带，台风每年都会给该地区造成重大的经济损失和人员伤亡。统计资料显示在西北太平洋海域平均每年有30个热带气旋生成，其中约1/3会在我国沿海地区登陆，我国每年由此导致的经济损失多达56亿美元，占世界同类总损失的21.5%[1]。

台风对土木工程结构的破坏现象十分普遍。台风作用下高层建筑、桥梁、风机和输电线塔可产生大幅振动，从而对其使用性能和疲劳寿命产生不利影响。特殊情况下，台风还可摧毁体育馆、低矮房屋、临时结构、广告牌等构筑物，也会直接导致高层建筑围护结构的损毁。深入研究台风风场特征对发展和完善结构风工程领域相关理论以及指导台风影响区风敏感结构的抗风设计有着重要理论意义和工程实用价值。

热带气旋（当风速达到33 m/s时在我国等西北太平洋地区又称台风，而在北美地区称为飓风）是一种中尺度大气旋涡系统。成熟气旋（即台风或飓风）的水平结构由内到外可分为风眼、眼壁、螺旋雨带三部分。风眼一般呈圆形或椭圆形，其特征尺寸通常随台风强度的增大而变小。风眼在约2～4 km高度处存在逆温层，该逆温层以下大气为暖湿状态，之上则为晴朗、干热状态。风眼外围被眼壁包裹，这里对流现象显著，风大、云高、雨强。眼壁一般随高度升高而外倾，其水平厚度为十几公里至几十公里不等。螺旋雨带位于气旋外围，受风切变和其他环境因素的影响，雨带结构往往表现出明显的不对称性。沿垂直高度，气旋由下到上依次可分为流入层、中间层和流出层。流入层厚约2～3 km，层内的外围大气逐渐向中心聚合，并在此过程中为气旋内部补充湿气和角动量，从而维持系统的生存和发展。气旋靠近对流层层顶的薄层部分由流出气流占据。由于流出层惯性稳定度低，热带气旋容易在上部遭受环境大气侵蚀，进而导致系统强度的衰减。需指出的是，热带气旋内部含有丰富的对流运动和小尺度结构（如滚轴旋涡），这些结构的存在使风场表现出较大的脉动性和局部差异性。

热带气旋一般产生在温度高于26.5°C且位于5°纬度区域外的热带洋面。热带气旋形成后，通常会在背景大气牵引及β效应[2]等作用的影响下发生移动。在移动过程中，气旋会跟周围的环境因素作用，自身结构也随之发生变化，气旋强度也会因环境风切变、洋面温度、背景气流的热力学特征、系统平移速度等因素的变化而发生改变。当热带气旋登陆后，由于缺少暖湿气流的供给以及地表摩擦力的增大，系统开始迅速衰退。其中心气压差会随登陆时间或离岸距离的增加而减小[3]，系统内部结构如风场、雨带等也会呈明显不对称分布。此外，下垫面粗糙度及地形状况也会显著影响系统特征，在复杂山地状况下有可能发生气流分离、旋涡脱落等现象[4]。

正确理解台风内部结构、台风与环境因素间的作用关系以及其生命周期内的演变过程是分析不同区域台风风场特征以及采用数值模拟技术[5]对台风极值风气候进行合理评估的基础。当前相关实测资料依然缺乏，对影响我国沿海一带热带气旋的内部特征及其演变过程认识还不充分。

与常态风不同，台风风场有其特有的分布特征。自20世纪90年代末，随着机载下投探空设备在深海上空投入使用，人们获得了大量有关气旋内部特征的高分辨率实测数据。Franklin等[6]分析了侦察机飞行高度处风速与地表风速间的关系，发现地表风速折减系数与距气旋中心的径向距离、对流强度等相关，且平均风速垂直剖线在约500 m高度处存在低空急流特征。Powell等[7]对飓风水平风速的垂直剖线进行了分析，发现洋面风阻系数和粗糙度系数随风力增强而表现出先增大后趋于稳定或减小的趋势。Giammanco等[8]结合机载下投设备探空资料和沿海雷达资料分析了风速剖线的空间特征，并对地表风的阵风因子与径向距离间的关系进行了研究。Zhang等[9]分析了由风切变和气旋相对位置引起的风场不对称性。Masters等[10]及Cao等[11]则基于近地面观测设备对登陆北美和日本的热带气旋风场特征行了实测研究。

在国内，Song等基于梯度塔设备对台风登陆前后的风场特征进行了实测研究[12]，详细讨论了台风不同区域风场平均及脉动特征，并与常态风实测结果进行了对比[13]。Li等[14]对比研究了台风和飓风风场特征，并将实测结果与荷载规范做了比较分析，研究发现部分参数实测结果与规范推荐值存在一定差异。Zhao等[15]研究了4个台风外部区域近地面风场特征。谢壮宁等[16]基于356 m高的深圳气象观测梯度塔对台风山竹个例进行了实测研究，讨论了其平均及脉动风场特征沿高度的分布规律。此外，很多学者还对台风近地面风场特征，特别是脉动特征，进行了实测研究[17-21]。近些年近地风场的非平稳、非高斯现象受到较多关注[22-23]。

尽管国内外研究人员就台风风场特征开展了大量实测工作，但大部分研究局限于大气表层范围，而在更高范围甚至在整个台风厚度范围内的实测工作非常有限。这影响了人们对台风风场特征进行全局化研究，从而限制了一些既有研究成果的适用性。如一般认为梯度风高度介于250～550 m，在其上风速不随高度发生变化，且风向随高度的变化也忽略不计。上述假设可能会对高层建筑的抗风设计带来安全隐患。

本文基于探空气球、雷达风廓线仪等设备长期观测数据，对影响华南地区的热带气旋进行实测研究。下文首先介绍了监测设备和数据，其次展示台风全局化结构特征，讨论台风风场实测结果，最后汇总主要结论。

1 监测设备及数据介绍

本研究涉及的监测设备主要包括探空气球、雷达风廓线仪及常规地面观测站。常规地面观测站主要为位于广东省境内的86个国家气象站点（图1（a）），这些站点可提供每隔两分钟记录的风、压、湿、温等气象监测信息。探空气球及雷达风廓线仪布置在香港境内的3个气象站：CCH和SSP（风廓线仪）及KP（探空气球）。其中，CCH站点的风廓线仪可以高、低两种模式同时工作：低模式探测高度范围为213～1 656 m，相邻门高度间隔为60 m；而高模式探测范围为459～5 371 m，门间隔为202.5 m。SSP站点的风廓线仪只有一种工作模式，探测范围为315～9 223 m，门间隔为202.5 m。上述各风廓线仪均可提供10分钟平均的三维风速剖线信息以及相应探测信号的信噪比。此外，系统还会对所记录的数据进行质检和标识。KP站点配备自动高空大气探测系统，该系统每天分别在北京时间08:00和20:00执行例行探空监测任务，但台风靠近等特殊情况下，探空监测频次会根据需要适当提高。探空气球释放后最高可升至距地30 km高空，在此过程中设备可对所在位置的大气以每2秒的采样间隔进行实时监测，并记录包括高度、温、湿、压、风等在内的要素信息。

图1 气象站点分布Fig.1 Location of meteorological stations

香港天文台在台风监测和预警方面起步较早，并在此过程中积累了大量宝贵数据。目前，香港地区热带气旋警告信号分为1号警戒、3号强风、8号烈风或暴风、9号烈风或暴风风力增强以及10号飓风几个级别。香港天文台例行探空记录始于1999年。自此至今，天文台共计对31个热带气旋发布了8号及以上警报信号。上述热带气旋轨迹及其他相关信息如图2（a）和表1所示。在上述8号警报信号生效期间，天文台共释放了175个探空气球，各气球与对应热带气旋中心的相对位置如图3（a）所示。图3（b）为探空气球的无量纲径向分布图，图中无量纲距离为气球相对于热带气旋中心的径向距离（r）与该时刻气旋最大风速半径（Rmax）的比值。本文采用Holland气压场模型[24]，并基于近地面站点气象数据得到的海平面气压场信息拟合得到Rmax值。不过由于地表观测站点记录数据并不完整或相关数据不足以得到可靠的Rmax值，图3（b）所示测点数量比图3（a）偏少。

图3 探空气球相对热带气旋中心的水平分布图Fig.3 The horizontal distribution of radiosonde balloons with respect to the centers of TCs

表1 影响香港并致使香港天文台发出8号及以上警报信号的31个热带气旋相关信息汇总Table 1 Information of 31 TCs that impacted Hong Kong most severely and resulted in the issuance of TC warning signals at or above the level of No.8 from Hong Kong Observatory

图2 台风轨迹图（图示为北京时间）Fig.2 Tracks of typhoons impacting Hong Kong (Beijing Time)

另一方面，自1983年台风艾伦后，影响香港地区并致使天文台发出10号最高级警报信号的台风只有4例，分别为1999年的约克、2012年的维森特、2017年的天鸽和2018年的山竹。本文选取其中最具代表性的两例，即约克和山竹，进行个例分析，以展示台风典型的全局化结构和风场特征。两台风的中心轨迹及强度信息如图2（b）所示。

约克是西北太平洋1999年台风季第15个命名的热带气旋（国际编号9915）。约克于9月12日发展为热带低气压，于14日进一步增强为强热带风暴，并在登陆香港前达到台风强度级别，登陆时中心气压为965 hPa，中心区域最大地表风速约36 m/s。在约克靠近香港地区期间，香港天文台于16号上午06:45（北京时间）发布了10号飓风警报信号。这是自1983年以来的第一个10号警报，且此信号悬挂了11个小时，为历来最长。

山竹是西北太平洋2018年台风季第22个命名的热带气旋（国际编号1822）。山竹于9月7日在关岛东部2 300 km位置处形成，而后快速向西平移，并在接下来的几天时间内持续增强。山竹于11日增强为超强台风并持续至14日，但在15日经过吕宋岛后强度有所衰减。进入南海海域后，山竹以强台风级别持续沿西北向朝华南地区靠近，并于16日17:00在广东台山海宴镇登陆，登陆时中心附近最大风力14级，中心最低气压955 hPa。

本文采用与作者之前同类实测研究工作相同的数据前处理技术[25-26]，对所有实测资料进行质量控制及预处理。

2 全局化结构特征

2.1 主结构

图4展示了台风约克和山竹影响香港期间由KP站点释放的高空探测气球得到的不同气象要素垂直剖线。图中“参考”结果为背景大气相应气象要素剖线，即基于2000—2019二十年间与所研究台风对应月份中不受台风影响情况下的探空气球数据统计结果，而ΔP表示台风大气与背景大气之间的气压差。

从图中干球温度及相对湿度的剖线可知，研究区域上空大气对流层层顶位于约17 km高度，背景大气温度在该高度以下随高度增加而一致性递减，在此高度以上情况则相反，而相对湿度剖线值则在对流层层顶以上急剧降低。从台风各气象要素剖线与背景大气结果间的差异来看，两台风主体结构均延伸至对流层层顶高度，且台风大部分区域大气湿度较背景大气显著偏高。由于约克直击香港地区（图2），因此相关结果更能体现台风核心区域的特征。从图4（a）可知，约克中心区域附近大气在对流层层顶高度附近的温度比背景大气最高低8°C。图4（b）则表明在强对流作用下，约克靠近核心区域的暖湿强对流气团已穿过对流层层顶，到达平流层底部。然而图4（c-e）结果表明，台风动力学结构基本位于对流层层内：在对流层层顶以下，台风气压场及风场结果与背景大气差异明显，而在其上两者差异不大。

图4 约克和山竹垂直结构特征（“参考”表示背景大气结果）Fig.4 The vertical structures of typhoons York and Mangkhut

图4（c）表明台风流出层中心高度位于15 km处，在该高度附近范围风速和风向（图4（d、e））急剧变化，即台风风场特征向由背景大气控制的风场特征转化。在流出层以下，台风气压差剖线ΔP(z)值则随高度增加呈现出线性递减的变化趋势：

其中，ΔP0表示海平面高度处(z= 0)的 ΔP(z)值，k为剖线斜率；Pref(z)表示背景大气气压剖线，且可用压高公式描述。有意思的是式中k与 ΔP0亦表现出线性相关关系（如图5所示）：

图5 ΔP剖线斜率与ΔP0之间的线性关系Fig.5 Linear correlations between the slope of ΔP profile and ΔP0

其中，C为系数。通过拟合，台风约克和山竹对应的C值分别为0.091和0.097。需指出的是，已有研究表明其他台风也表现出与约克和山竹类似的气压场剖线分布特征，且公式（2）中系数值（= 0.092）与本文结果一致[27]。

图6、图7展示了约克和山竹影响香港期间SSP站点雷达风廓线仪监测得到的名义垂直风速分量剖线及对应的信噪比。图中红色虚线为站点近地面气压时程，该结果可反映站点距离台风中心的远近信息。基于雷达风廓线工作原理，台风期间具有较大负值的垂直风速分量（W）应对应雨滴下降速度。此外，基于垂直风速分量信噪比信息可确定大气混合层及融化层高度。混合层高度可视为大气边界层高度的一种。在该高度附近，由于大气湿度和湍流特征发生较大变化，雷达反射信号变化明显，故可通过回波信噪比变化梯度来确定混合层高度位置。融化层高度识别过程与之类似。如图所示，在图6（a）红色区域对应的眼壁区，垂直风速为较大负值，说明此区域存在强降雨。眼壁区稍外围的W绝对值有所减小，且相应时段间歇性出现，说明这些区域对应主螺旋雨带。远离眼壁和主螺旋雨带的区域也间或存在一些弱降雨区，该区域对应外围雨带。由图6（c、d）和图7（c、d）可知，在眼壁及主螺旋雨带上空5 km存在融化层；以融化层为界限，眼壁及主螺旋沿高度可划分为上、下两层，上层以缓慢下降的冰晶为主，而下层以快速下降的液态降雨主导。

图6 台风约克影响香港期间SSP站点雷达风廓线仪监测结果Fig.6 Field measurements from the wind profiler at SSP during the passage of York

图7 台风山竹影响香港期间SSP站点雷达风廓线仪监测结果Fig.7 Field measurements from the wind profiler at SSP during the passage of Mangkhut

在眼壁及主螺旋雨带外围区，由于降雨较弱，故雷达信号中反应融化层高度的特征不明显。从相应的信噪比结果来看，此区域大气混合层厚度为1～2 km，不过山竹对应的混合层高度比约克厚，这可能与观测期间山竹的强度级别（强台风）比约克（台风）更高有关。

2.2 双眼壁及其演化特征

大量实测结果表明，位于空旷海(洋)面上空的热带气旋当发展到一定强度级别后可能会在原眼壁外围由主螺旋雨带演化形成一个尺寸更大的外眼壁，从而形成双眼壁结构。双眼壁形成后，由于外眼壁的阻挡作用，外围含有大量动能、潜热的气团很难到达内眼壁，于是内眼壁趋于衰退。与此相对应，外眼壁在获得外围云系及气团在能量及物质方面的持续补充后不断发展，并开始向内收缩，而收缩过程导致内眼壁进一步衰退。如发展顺利，内眼壁将最终消失，而外眼壁则取而代之，成为系统的新眼壁，该过程即为眼壁置换。眼壁置换过程会对热带气旋的强度及作用范围产生显著影响[28]。

图8展示了台风山竹在穿越吕宋岛前及位于南海北部时的卫星云图及系统强度及作用范围示意图。在图8（a）所示时刻，山竹已发展为超强台风，此时系统的双眼壁结构显著。可以预见，如眼壁置换过程充分，台风在随后的强度有可能会继续提升。但随后由于山竹横越吕宋岛，其内部结构及整体强度受到较大破坏。如图8（b）所示，当山竹到达南海北部时，尽管原内眼壁已显著衰退，但原外眼壁未能持续向内收缩，反而自身破损为两条主螺旋雨带系，此时系统强度退化为台风级别（图2（b））。与上述过程相对应，台风山竹在图8（a）时段内眼壁附近风力最大，但外眼壁影响范围更加宽广，而到了图8（b）所示时刻时，原外眼壁区域风速相对更强。香港天文台气象雷达资料显示，山竹登陆前其云系结构依然与图8（b）一致。台风这种松散的主云系结构导致在距离其中心轨迹相对较远的香港受到了比距离其中心轨迹更近区域（如澳门、珠海）更为严重的影响。

图8 山竹眼壁置换及其对系统强度影响Fig.8 Th eyewall replacement of Mangkhut and its impact on the intensity of the storm

2.3 近地面气压场分布特征

气压梯度力是驱动台风气流运转的直接作用力。因此台风气压场在很多台风风场模拟及台风灾害评估研究中占据重要地位。目前应用最广的热带气旋气压场模型为Holland[24]提出的近地面径向分布模式：

式中，P0(r)表示距离台风中心r位置处近地面气压，P0,ref表示海平面背景大气压，ΔPc0为台风中心气压差(即：ΔP0(r= 0))，Rmax为最大风速半径，B为关键系数。

图9给出了台风约克和山竹登陆前后不同时刻近地面气压场径向分布（以无量纲气压差形式给出）实测及采用公式（3、4）对实测数据的拟合结果。实测结果基于图1所示的广东省内86个国家气象站点逐时记录的气象观测资料。本文中所有气压数据均通过热力学公式转化为海平面高度值。

图9 约克和山竹近地面无量纲气压差径向分布实测（实心点）与拟合（实线）结果对比Fig.9 Th radial distribution of measured near-ground pressure-deficit for York and Mangkhut（ Lines are the fitting results）

可以看出，采用Holland模型可对约克近地面气压场的径向分布特征进行较好描述，不过图9（a）表明在登陆前后约克气压场细节特征有所变化：08:00/16、14:00/16（登陆）及20:00/16三时刻的中心气压、Rmax和B值分别为 965/970/980 hPa、41/45/53 km、0.79/0.71/0.65，即在登陆过程中Rmax略有增大而B值略有减小。与约克不同，台风山竹的气压场在登陆前后表现出显著的差异性。登陆前，尽管实测数据与拟合结果之间存在一定差异，但总体而言，Holland模型可对实测结果提供无偏描述。然而台风登陆后实测数据与拟合结果之间存在系统偏差。基于Holland模型拟合结果，山竹在 13:00/16、17:00/16（登陆）、21:00/16三时刻的中心气压、Rmax和B值分别为950/955/970 hPa、101/83/99 km、1.29/1.06/1.18。可见，相比台风约克，山竹登陆前后对应的Rmax和B值明显偏大。上述差异应与上节所讨论的台风山竹双眼壁演化特征有关。

为进一步探究台风山竹登陆前后气压场径向分布差异性的原因，图10给出了山竹在刚穿过吕宋岛（08:00/15）、位于中国南海北部（08:00/16）及在华南地区临登陆前（14:00/16）三个时刻近地面气压场后验分析结果。图示结果表明当山竹临近大陆海岸线时，其气压场由轴中心对称结构逐渐向轴非对称结构转变。针对图10（c）所示的轴非对称气压场结构，He等[29]提出了基于椭圆族函数的台风近地面气压场二维模型：

图10 山竹在不同时刻近地面等压线后验分析结果（http://envf.ust.hk/dataview/hko_wc/current/）Fig.10 Contours of the near-ground pressure of Mangkhut at different time via posterior analysis

其中，台风气压场等压线由式（5）所示的椭圆族函数描述，ρ (e,θ)表示椭圆极坐标函数，θ为相对台风中心的角度，e为椭圆曲率，L和 θc为系数分别表示气压场水平特征尺寸及椭圆族长轴朝向。式（6）建立了椭圆族关键系数e与台风气压场等压线P0(e)间的关系，P0,ref与ΔPc0含义与前述相同，ΔPnorm为无量形式的气压差。通过拟合，ΔPnorm与e之间存在如式（7）所示的线性关系。

公式（5-7）给出了台风山竹登陆前近地面气压场轴非对称二维分布模型。该模型与公式（1-2）所示的台风垂直剖线模型结合，可得到台风气压场三维分布模型。

2.4 关键参数概率分布特征

当前台风风灾害评估研究主要采用蒙特卡罗抽样模拟技术，而台风关键参数概率分布模型在其中占据重要地位。台风主要关键参数包括年发生率、中心平移速度、平移方向、中心气压（差）、最大风速半径Rmax、Holland-B（或B）等。上述参数中，前4个参数可基于台风年鉴资料获得，而Rmax和Holland-B的数值则不易确定。

在北美地区，科研人员对区域性热带气旋关键参数特征进行了深入研究，并提出了相应的概率分布模型[30]。国内研究人员也对影响我国热带气旋的关键参数特征进行了研究，但由于实测资料有限，相关研究有待进一步开展。需指出的是不同大洋盆地热带气旋的结构和风场特征可能存在较大差异，对于登陆前后的气旋而言，上述情况更为明显。

本节重点对影响华南地区台风的Rmax和B概率分布特征进行分析，参数值由式（3、4）拟合而定。为简化讨论，这里忽略双眼壁及气压场轴非对称分布特征对结果的影响。

图11所示为两参数概率密度实测数据及采用不同分布模型得到的拟合结果。通过χ2和K-S检验，最优拟合模型为对数正态分布：

图11 影响华南地区台风的最大风速半径Rmax和Holland-B概率分布及不同模型拟合结果Fig.11 Probability distributions of the radius of maximum wind speed and Holland-B for typhoons impacting South China

式中 µ为样本对数的均值，σ为样本对数的方差。相关参数具体值如表2所示。

表2 影响华南地区台风的最大风速半径Rmax和Holland-B概率分布模型关键参数信息Table 2 Key parameters involved in the probability distribution models of Rmax and Holland-B for TCs in South China

由于Rmax和Holland-B参数值不易获得，实际应用中有时可通过建立两参数与中心气压差ΔP的统计关系，然后通过先确定ΔP再确定两参数值[30]：

式中，ai、bi(i= 0,1)为系数，ε、 ε1代表系统误差。

遵循上述思路，以下对Rmax与ΔP及B与Rmax的关系进行分析。图12（a）展示了Rmax与ΔP之间的相关性，其相关系数为 ρXY= -0.613 4，这说明Rmax与ΔP存在强负相关关系。此外，图12（b）表明系统误差ε可基本描述为一正态随机过程。式（9、10）中相关参数最佳拟合值如表3所示，其中σε表示ε的均方根值。与此相对应，B与Rmax之间的关联性分析结果如图12（c、d）所示。实测数据表明两者相关度极低（相关系数为0.027 9），因此基于Rmax采用式（10）来计算B值的方法并不可靠。

图12 最大风速半径与中心气压差和Holland-B间相关性 (蓝色星为数据点，红线为拟合线)Fig.12 The correlation between the radius of maximum wind speed and central pressure deficit and Holland-B

表3 基于实测得到的式(9、10)各参数信息Table 3 Parameters in Equations (9-10) estimated via field measurements

为进一步了解B与Rmax之间的关系，图13展示了约克和山竹两台风影响华南地区期间上述两参数之间的相互关系。实测结果表明：1）在个例分析中，B与Rmax表现出显著的相关性；2）不同台风个例之间两参数的相关性特征差异显著—对山竹而言，两参数为正相关关系；而对约克而言，两参数为弱负相关关系。结合上节有关台风结构特征的讨论，B与Rmax两参数间的关系应该与台风内部结构的分布特征密切相关，而不同台风内部结构间的差异性使B与Rmax之间的关联性变得相当复杂，甚至从基于大量台风样本的统计学角度来讲，B与Rmax不再相关。

图13 台风约克和山竹影响华南地区期间Holland-B与最大风速半径间的相关性Fig.13 The correlation between Holland-B and RMW for York and Mangkhut

3 风场特征

3.1 全局化风场特征

图14给出了基于表1所述175个探空气球实测数据得到的复合分析结果。图中，所有数据按照“边界层参考风速”的大小被划分为不同风速组。本文“边界层参考风速”定义为1 000 m以下范围所有测点风速的算术平均值。类似地，“边界层参考风向”基于1 000 m以下各测点风速和风向数据采用矢量平均技术计算得到。由于数据资料有限，且本节重点在于揭示台风全局化风场特征，故图14未考虑不同来流地貌对风场特征的影响。

图14 探空气球实测数据复合分析结果Fig.14 Results of the composite analysis for ballon-measured TC wind fields

图4（d、e）和图14（a）所示结果表明在 25 km高度范围内，风场沿高度大致可划分为以下四个部分。1）在大气边界层内（最大风速对应高度以下），风场受地貌特征影响显著，风切变及湍流特征显著，风速总体上随高度上升而变大。2）在梯度风高度以上至流出层以下（＜ 15 km）的范围，风速呈现出随高度上升而减小或先变化不大而后减小的趋势。在风力较大状况下，风速剖线在梯度风高度附近表现出显著的低空急流（LLJ）特征。3）在流出层附近，风速变的很小，而风向（图4）变化剧烈。4）在对流层层顶以上的范围，研究区域上空大气运动受背景大气主导，故不同风速组别（图16（a））剖线彼此间的差异很小。流出层中心高度至对流层层顶之间的范围为过渡区，在此范围内，风速随高度升高而增大。

图14（b）考察了5 km高度范围内台风风场随径向距离（采用无量纲形式，即：r/Rmax）变化的分布特征。可以看出风速在r/Rmax附近存在极值，且该区域风速极值对应高度随径向距离变大而趋于上升。上述结果与海上热带气旋观测结果一致。然而，在r/Rmax= 2甚至更远径向位置处也存在风速极值。其原因可能在于：1） 台风在临近登陆或登陆后自身结构的非对称性越发明显，而最大风速半径不能有效反映台风风场的非对称特征；2） 实测数据相对缺乏，不能有效揭示多种因素（地形地貌、台风非对称结构、径向距离等）作用下各因素对台风风场的影响特征。总而言之，图14（b）结果反映了华南地区登陆或邻近登陆台风风场特征的复杂性。

3.2 风速及风向剖线

3.2.1 个例分析结果

图15展示了台风山竹影响香港期间由SSP和CCH两站点雷达风廓线仪探测得到的2小时水平平均风速和风向的垂直剖线。CCH站点最大平均风速超过50 m/s，对应高度位于1～2 km范围。相比而言，SSP站点最大风速略低，而最大风速所在高度略高。导致上述差异产生的原因在于：1） 两风廓线仪硬件设备及工作设定参数不同；2） 两站点相对台风中心的距离有所差异，而台风风场特征与径向距离有很大关系；3） 来流地形特征差异显著（图1（b））。

图15 山竹影响香港期间由SSP和CCH两站点风廓线仪探测的2小时水平平均风速(U)和风向 (θ)垂直剖线(26-28 h 表示02:00-04:00/16)Fig.15 Vertical profiles of 2 h-mean horizontal wind speed and direction based on field measurements from the two wind profilers at SSP and CCH during the passage of Mangkhut

图15所示两站点实测结果表明：1） 台风风场中存在显著的低空急流现象，而风廓线的LLJ结构不仅可存在于最大风速对应的眼壁区附近（SSP站点34-36 h），还可存在于较外围区域（SSP站点 26-28 h；对应图7中02:00-04:00/16）；2） 不同站点不同时刻对应的梯度风高度有所差异，总体来看，梯度风高度位于1-2.5 km区间，来流为山地地貌情况下的梯度风高度普遍偏高，但所有剖线对应的梯度风高度均比深海洋面实测结果（0.5～1 km）显著偏高；3） 风向在大气边界层内随高度有明显变化，即偏转风效应显著。

为更清晰展示上述讨论内容，图16展示了台风山竹影响香港期间基于雷达风廓线仪在09:00-14:00/16时段（风力最强时段）探测数据得到的总体无量纲风剖线。如图所示，台风风速剖线低空急流特征非常明显。在SSP站点，低空急流中心高度位于2 km，8 km高度处风速降为最大风速的80%，近地面风速降为最大风速的30%。而在CCH，最大风速位于约1 km高度处，5 km高度处风速降为最大风速的80%，近地面风速仅降为最大风速的72%。两站点近地面风速特征的差异性反映出局地地貌特征对研究位置风场的影响。图17展示了台风约克和山竹影响香港期间梯度风风速及梯度风高度随距台风中心径向距离的变化关系。由图可知，台风梯度风高度呈现出随距台风中心径向距离变大而升高（1～4 km）的趋势。

图16 基于雷达风廓线仪数据得到的山竹总体无量纲风剖线（结果以均值 + 误差棒形式给出，且纵坐标以线性和对数形式给出）Fig.16 Vertical profiles of ensemble-averaged dimensionless wind speed of Mangkhut

图17 约克和山竹影响香港期间台风梯度风风速及对应高度随径向距离变化关系Fig.17 Dependnece of the speed and height of the gradient wind on the radial distance for York and Mangkhut

3.2.2 复合分析结果

为得到更为稳定的台风风剖线，本文基于CCH站点全部风廓线实测样本资料，得到了如图18所示的两类来流地貌下风速剖线复合分析结果。图18（a）对应来流空旷海面地貌，图18（b）对应来流山地地貌。图18（a）反映出随着风力的增强，台风风剖线低空急流特征越发显著，且低空急流中心高度大体呈现出随风速提高而降低的变化趋势（变化范围1 430～457 m）。与此相对应，图18（b）所示梯度风高度整体上有显著升高，且梯度风高度受风速变化影响不显著（1 376～1 615 m）。由图2（b）可知，图18（b）所示来流山峰高度最高不超过1 000 m。可见，地形效应在山体尾流区沿高度方向的影响范围可远超对应山峰高度。

图18同时展出了采用对数律和指数律对台风边界层内风剖线数据的拟合结果。两种情况得到的粗糙度长度z0以及幂指数α值差异不大（z0: 0.4～0.9;α: 0.20～0.26）。需指出的是，尽管图18（a）对应空旷海面来流地貌，但CCH近地面风场受长洲岛地形特征影响显著。此外，采用风剖线法得到的z0和α值受近地面高度层数据影响较大，而本研究中近地面数据只有一层，故相关结果存在较大不确定性。

偏转风特征是近些年学者们开始关注的一类风场特征。由于风向偏转角（即风向沿高度发生变化）的存在，基于某一高度 （如近地面） 得到的风向信息未必能有效反映风场沿高度的分布特征。这对高耸结构风效应评估结果的影响有可能非常显著。

图19展示了CCH站点风向偏转角（Δθ）实测结果，每一组Δθ剖线均通过各高度层风向减去2 000～5 000 m范围平均风向得到。图19（a）对应不同来流风向扇区对应的Δθ结果，而图19（b）对应空旷来流海面扇区（210°～270°）情况下6组不同风速对应的Δθ结果。图19（a）结果表明，复杂山地来流地貌下风向随高度变化很大，近地1 000 m及2 000 m范围内风向偏转角最高可达40°和60°。可以预见，采用近地面风场信息来分析超高层建筑高空位置处风效应特征会引起极大误差。图19（b）表明海面来流情况下，强风Δθ剖线在地表层以上（＞100 m）随高度变化呈现出对数律分布特征，且近地2 000 m范围内风向偏转角可到 30°。

图19 采用复合分析技术得到的CCH站点风向偏转角Fig.19 Vertical profiles of horizontal wind direction obtained via the composite analysis

3.2.3 风速剖线全局化分布模型

随着高耸建筑高度日益增高，对台风剖线模型高度适用性方面的需求也日益提升。由于对数律和指数律模型不能反映台风剖线低空急流特征，近些年研究人员提出了一些适用范围更广的剖线模型[31-32]。然而上述研究在处理低空急流以上高度范围时，缺乏客观性约束条件，因此主观性较大。

本节提出一种基于空旷海面来流地貌实测数据（图18（a））的台风风速剖线全局化分布模型。将风剖线最大风速出现的高度记为h，考虑图16和图18（a）所示结果，假定垂直风速剖线存在一上边界高度H1（约10 km），在该位置处风速按照风剖线位于h以上高度范围的变化趋势而趋于0。U(z)在地表层范围内遵循对数律分布规律，而在梯度风高度h以上的范围，由于远离地表，大气受地表拖拽影响弱，故假设此范围内气流统计特征与层流状态相近，于是U(z)随高度呈线性分布关系。

图18 两类来流地貌下风速剖线复合分析结果Fig.18 Wind speed profiles obtained via the composite analysis for two exposure conditions

公式（11、12）给出了高度z在 近地面范围及z位于远高于梯度风高度h以上范围时风速U(z)的两个边界条件。引入坐标变换N(z)=ln(H1/z)，可知z→0时，N→ ∞；z→H1时，N→0。考虑到式（11、12）所示的风剖线两边界特征，参考风速谱通用化模型，从而假定无量纲风速剖线公式如下：

其中，A(≈0.7)和B(≈0.11)为系数，其值可通过拟合风剖线实测数据得到。

图20分别展示了风速U随无量纲参数N及高度的变化关系。可见，公式拟合值与实测结果吻合较好。需指出的是，式（13）所示模型可以描述台风风剖线LLJ及其高度随风力强度变化的特征，且其使用范围比现有风剖线模型都要广泛。

图20 风速剖线全局化分布模型及其与实测对比Fig.20 Comparisons between modeled and measured wind profiles

3.3 近地表面风场特征

图21展示了台风山竹影响香港期间，位于香港不同位置处多个地表站点风速设备监测得到的10 min水平风速和风向时程。

可以看到尽管各气象站点均位于香港地区地表层范围，但彼此风速和风向时程信息存在显著差异。KP站点位于香港城市中心（靠近SSP），其附近风场受周边建筑以及外围山地遮挡效应显著，风速很低。R1C位于香港国际机场跑道一侧，尽管其局地地貌特征平坦开阔，但由于来流地貌受山脉特征主导，因此该站点周边风场所受地形的遮挡效应依然显著，其风速值与其他来流空旷站点（CCH）实测结果相比明显偏低。在CCH风速最大时刻附近，该站点风速值与TMS（位于香港最高峰）站点的实测记录接近；而在其余时刻（最大风速后TMS站点气象设备损坏），TMS站点记录风速比CCH风速高出很多。这是因为最大风速时刻对应西南风，而该来流情况下，CCH站点所在的长洲岛地形具有显著的加速作用[33]。与此相对应，图21（b）说明不同站点所记录的风向信息彼此差异相对较小，但在很多时刻这种差异也不能忽略（如12:00/15- 00:00/16）。

图21 台风山竹影响香港期间不同站点10分钟水平风速和风向时程Fig.21 Time histories of 10-min-averaged wind speed and direction during the passage of Mangkhut

上述差异性给基于地表风实测数据的应用和研究带来诸多不便，突出表现在实测数据往往不能有效反映未受来流地貌/地形影响的风场特征，从而导致基于实测数据分析得到的结论存在较大不确定性。如采用R1C站点实测数据反推高空风速，按照业内通用假定即机场来流地貌为B类地貌，取α= 0.12，由图15取梯度风高度为1 000 m，则算得的山竹影响香港期间最大风速为34.8 m/s，这与图15所示结果差异显著。如果上述计算中的梯度风高度基于荷载规范中有关沿海地带或来流空旷地貌对应的梯度风高度计算，则计算得到的梯度风风速不超过30 m/s。

针对上述问题，可采用标准化方法[33]将地表实测风速数据转化为标准状况下的数值。对常态风实测数据采用该类方法进行标准化处理时，一般假设同一区域不同站点上空梯度风风速不变。图22（a）对比分析了山竹影响香港期间基于CCH和SSP风廓线仪得到的两站点上空梯度风风速时程，两者在大部分时间展现出较好的一致性，这为前述假设的有效性提供了支撑。但在台风最靠近香港的时段，两时程间的差异依然明显。其主要原因是台风核心区域风场梯度变化显著，而两站点相对台风中心径向距离的差异性会导致两站点上空的梯度风强度存在明显差别。图22（b）显示山竹最靠近香港时，两站点距台风中心的径向距离最大可差25 km。基于上述讨论，当开展台风影响下近地面风速实测数据标准化研究时，需特别考虑台风梯度风沿径向的变化特征。

图22 台风山竹影响香港期间基于CCH和SSP两站点风廓线仪得到的每小时平均的梯度风时程及两站点距离台风中心距离时程Fig.22 Time history of gradient wind speed and storm-relative distance of the observation stations during the passage of Mangkhut above Hong Kong

4 结论与讨论

本文主要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个例和汇总研究。通过对半世纪以来影响香港最为严重的两台风 （山竹和约克）进行个例分析，阐述了台风典型的主体结构特征，详细介绍了台风水平和垂直结构特征及各结构部分所在空间位置；展示了台风在深海上空的双眼壁结构及其演化特征及其对台风结构和风场强度的影响；揭示了台风临近登录及登陆后气压场轴非对称特征及最大风速半径和Holland-B等关键参数分布特征；提出了台风气压场轴非对称水平分布模型和垂直剖线模型。在台风风场研究方面，分别采用个例分析和复合分析手段讨论了其全局化分布特征、台风风速和风向垂直剖线特征以及近地面风场特征，重点研究了台风水平风速低空急流特征并提出了一种基于实测数据的剖线模型，阐述了典型地形/地貌效应对近地面风场特征的影响，提出了基于梯度风确定参考风速的理念。

需要强调的是，有关台风全局化结构和风场特征两部分的研究内容并不是彼此割裂的，前者可为深入分析台风风场特征提供必要参考（如山竹风场分布特征与其眼壁置换过程密切相关）。此外，受实测资料限制，本文没有讨论台风局部化结构特征及其与风场脉动特征之间的关系。这方面的研究工作有待继续和加强。