温州地区台风和下击暴流风场特征观测研究

张传雄,叶思成,郑 华,黄张琦,郑 峰,王艳茹,李正农

(1. 温州理工学院 韧性城市生命线工程智慧防护应急技术重点实验室,浙江 温州 325035; 2. 温州大学 建筑工程学院,浙江 温州 325035;3. 温州理工学院,浙江 温州 325035; 4. 南佛罗里达大学 物理系研究生院,南佛罗里达 坦帕 32611; 5. 温州市气象局,浙江 温州 325000;6. 台州学院 建筑工程学院,浙江 台州 318000; 7. 湖南大学 建筑安全与节能教育部重点实验室,湖南 长沙 410012)

0 引言

近年来,风灾及其次生灾害严重影响各国沿海经济发达区域,造成的人员、财产损失是地震灾害的数倍甚至更多,居于各种自然灾害之首。其中台风灾害对我国沿海城市的影响最为突出,根据中国气象局(China Meteordogical Administration, CMA)热带气旋年鉴资料,1949—2020年登陆我国的台风和热带风暴共计641个,平均每年超过32.7 m/s 的台风就有2.46个[1]。而浙江省地处东南沿海,历来台风活动频繁,近年受到台风风场影响造成的经济损失也逐年递增。1949—2020年登陆浙江省的热带风暴共计46个,其中温州市就有16个,年均0.25次[2]。

不同的灾害风场造成的影响程度也不同,故研究特定地形不同灾害风下的风场特征对解决实际问题尤为重要。在特定地形的灾害风场特征研究方面,国内学者已经进行了大量的研究。方平治等[3]对多个台风影响下福州地区的风廓线特征进行了研究,计算了各高度对应的梯度风速,运用指数律拟合风廓线,并对10 m高度的地表风速和梯度风速的风速比进行了分析。LI等[4]基于台风“威马逊”(1409)的实测数据,研究了近地风剖面的特征。赵林等[5]利用多普勒激光雷达实测了台风“山竹”(1822)外围风场,总结了台风远端风场演变过程的阶段、风剖面形态及风速变化趋势。姚博等[6]基于台风“海马”(1104)登陆时的实测数据,获得并分析了其风速时程及风剖面特征。张传雄等[7]基于多普勒声雷达及机械式风速,分析了台风“玛莉亚”(1808)过境时浙江省温州市的风场结构特征。

根据多国学者[8-12]文献表明,在台风易发地区,雷暴阵风在其年度极端风统计中占很大比例。由中国天气网1981—2020年公布的年均雷暴日数统计,年平均雷电日超过40 d的地区大多分布于沿海区域。全年均可能出现雷暴,其中大约60%的雷暴将产生下击暴流[13]。下击暴流主要影响距离为50～100 km[14],这种瞬时剧烈的风切变可能对低层建筑结构产生更大的破坏潜力,特别其中强下沉气流产生的强低空风切变经常造成输电塔的损坏,环状涡旋常导致船舶失事[15]。

从工程结构抗风设计的角度,基于实测数据推导的下击暴流风剖面模型,对于实际区域内的结构抗风有着重要的意义。国际上,学者们通过原型实测、理论推导、模型试验、数值模拟等4种主要手段对下击暴流进行了大量研究。OSEGUERA等[16]提出了基于流体连续性方程的下击暴流风均风速解析模型,VICROY[17]、CHAY等[18]在OB模型的基础上改进获得了垂直方向风剖面模型。WOOD等[19]通过模型试验提出了经验模型。而HOLMES等[20]则提出了能够描述移动下击暴流的经验模型。国内学者瞿伟廉等[21]、邹鑫等[22]、钟永力等[23]分别利用数值模拟、物理模型、数值与物理模型相结合的方法分析下击暴流的风剖面特征,提出了相应径向风剖面模型。孙京等[24]依据湖北省2009—2013年下击暴流风场数据,分析了下击暴流雷达预警指标,并利用Bayes和BP神经网络方法建立了下击暴流预报模型。

综上所述,目前抗风设计研究中,灾害风场研究大多采用固定的梯度风高度,未体现极端风场不同高度层的细部特征,沿海地区较为常见的下击暴流风场实测试验较少,未深入分析不同极端风场特征的差异,未深入研究极端风场水平垂直方向风场的关系。本文基于3个台风和 2个下击暴流等灾害风实测数据,分析了实测台风风场边界层高度与台风影响距离的关系,比较了基于高斯拟合的实测风剖面与理论模型的差异,计算了各灾害风场影响期间各高度层水平垂直方向风速比,总结了台风及下击暴流风场的基本特征。

1 仪器、原理及实测过程

1.1 实验背景及仪器

本文实测站设置于温州大罗山与茶山交界,三面环山,气候多样,灾害频繁。共设有地面、实验楼两处测点,其中地面实测点使用的仪器是德国SCINTEC公司生产的MFAS风廓线声雷达,主要用以对低层大气风向、风速和扰动的分布特征进行远程测量。实验楼顶安装有R.M.Young 05103型机械式风速仪,R.M.Young 81000型超声风速仪。风速仪离地高度约为60 m。通过各仪器相关的采集系统收集风场数据,实时储存于PC机中,如图1所示。

1.2 风廓线模型

1.2.1 台风风廓线分析模型

目前对于风场的研究中,常用风场受地面摩擦力阻碍作用趋近于零的高度作为界限值定义大气边界层高度,如式(1)所示[25-26]。

(1)

式中 :B为经验系数,一般取 6;f为科里奥利参数。

学术界常用指数律、对数律及Vickery模型来分析台风风剖面。由于指数律模型较为理论化与实际型态差异较大、对数律模型对高纬度地区的风剖面刻画准确性不够。对于1 500 m高度范围内台风远端风场,Vickery模型对于近地急流风剖面的拟合效果较好,但不能重现S形风剖面上部风剖面形态[5]。故本文选取基于对数律模型的基本表达式,对有效高度进行了归一化处理,结合与纬度有关的梯度风高度的 D-H 边界层风剖面模型,可表示为:

(2)

1.2.2 下击暴流风廓线分析模型

下击暴流风场较台风风场具有更为明显波动的垂直与水平方向风剖面。OSEGUERA等[18]提出了柱坐标系下的三维稳态下击暴流解析模型,可进行下击暴流的水平速度剖面预测。

(3)

式中:V(z)为高度z处的下击暴流最大平均风速;r为距风暴中心的距离;R为下击暴流的特征半径;z*为边界层外的某一特征高度;ε为边界层内的某一特征高度;λ为比例系数;z同式(2)。

然后VICROY[19]根据现场观测改进了模型的径向形状函数,称为OBV模型,可表示为:

(4)

式中:Vmax为下击暴流的最大水平风速;zmax为最大水平风速的产生高度;z同式(2)。

基于冲击射流的物理实验的WOOD 与 KWOK模型[21]可表示为:

(5)

1.2.3 实测台风风廓线模型

本文基于实测的台风风场,通过二阶高斯拟合获得了台风“利奇马”(1909)、“米娜”(1918)、“黑格比”(2004)的实测模型,可表示为:

(6)

式中:V(z)为高度z处的下击暴流最大平均风速;ai、bi、ci(i=1,2)分别为实测系数。

1.2.4 实测下击暴流风廓线模型

由于下击暴流实测风场影响时程较短,其短时距的风场变化较台风风场更剧烈,需更多变量的拟合函数来分析其风场变化。故通过三阶高斯拟合获得了4、8月下击暴流实测模型。

(7)

式中:V(z)为高度z处的下击暴流最大平均风速;Ai、Bi、Ci(i=1,2,3)分别为实测系数。

1.3 实测风场

超强台风“利奇马”于2019年8月10日13时45分前后在台州市中南部城南镇沿海登陆,登陆时气旋中心风速最大值达52 m/s(16级),台风“米娜”于2019年10月1日20时30分前后在浙江省东北部舟山群岛东南部沿海以11级风速(30 m/s)登陆。台风“黑格比”是2020年生成的第4号台风,于2020年8月4日3时30分前后以近巅峰强度(38 m/s,13级)在浙江省东南沿海登陆。台同影响路径如图2所示。

图2 台风影响路线Fig. 2 Typhoon route

实测期间台风中心与观测点平均距离分别为71、160、28.8 km。对应了7级、10级、12级风圈影响下的台风风场。

而下击暴流大多在雷暴天气环境中产生,是一种强烈的气流冲射,产生强烈的破坏性风,径向范围小于4.0 km。虽然下击暴流的尺寸较小,但它可以诱导更强的风暴产生,最大风速可以达75 m/s。文中使用的为2019年4月22日 17时、2021年8月5日15时采集的2次完整下击暴流影响数据。

2 边界层及风场剖面分析

根据边界层高度公式计算获得了台风、下击暴流影响过程风廓线样本边界层高度, 如图3所示,与GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[27]中B类地形的设计值350 m相比,实测灾害风场的巅峰期边界层高度普遍偏大,“利奇马”“黑格比”“米娜”风场巅峰期影响时,分别较规范设计值增大308%、280%、194%。影响期平均边界高度与规范相比同样普遍偏大220%、250%、146%。与8月实测常态风边界层高度相比,亦分别增大197%、132%、54%。

图3 各风场影响期及峰值期边界层高度Fig. 3 Height of the boundary layer during the influence period and peak period of each wind field

下击暴流风场巅峰期影响时,分别较规范、常态风样本值增大64%、1%和107%、29%。影响期平均边界高度与规范相比同样普遍偏大,较规范、常态风样本值增大117%、35%和200%、87.5%。

即按实测风场平均边界层高度分析,台风风场边界层最高,下击暴流次之, 常态风场边界层最低。上述结果可能受到台风登陆时台风核心风区的影响、远距离台风发生时无对流聚集影响及下击暴流发生时对流聚集影响,边界层高度陡然增大有关;亦与实验点周边地貌影响有关。

2.1 台风影响距离与边界层

根据前文的计算结果,结合各高度层全影响期平均风速分布数据,绘制台风、下击暴流影响过程风廓线图以及几个较为有代表性高度层风速数据计算的最大风速高度沿时间演变图。选择2019年4月,2021年8月风速较为稳定的风场数据作为常态参照,绘制常态风廓线图作为对照,并使用3次hermite样条插值法(Pchip)对其中影响较为明显的台风“利奇马”“黑格比”的实时路径进行插值分析。

如图4、图5所示,完全登陆的台风“利奇马”“黑格比”在距离气旋中心100～129 km范围内,边界层高度均有沿气旋半径向外小幅增长的趋势;在距离气旋中心71～100 km边界层高度均有沿气旋半径向外小幅下降的趋势。台风“黑格比”在距离气旋中心30～70 km范围内,边界层高度有沿气旋半径向外小幅增长的趋势。即台风影响时最大边界层高度受气旋中心距离影响,平均边界层高度呈先增大后减小的趋势。台风强度越高,边界层越高。这一现象可与赵林等[5]提出的在距离气旋中心500～750 km范围内,边界层高度及最大风速均有沿气旋半径向外逐渐降低的研究结论互为补充。

图4 各台风气旋中心距离和边界层高度Fig. 4 Cyclone center distance and boundary layer height of each typhoon

图5 各风场影响期600 min边界层高度Fig. 5 Height of the boundary layer during the 600 minutes influence period of each wind farm

未完全登陆的台风“米娜”在气旋中心距离实测点312 km时,实测地300 m高度层风速发生明显变化。随着“米娜”不断接近实测地,最大风速逐渐向近地层转移。当气旋中心距实测地200 km时,实测地处在台风气旋外侧下沉气流的影响范围内。5-8时为最大影响期,此时台风“米娜”虽未直接登陆,但逐渐接近最大影响距离。8时达到最近点147 km处,此时台风“米娜”达到峰值风速40 m/s,实测边界层高度下降至最低点200 m处。8时之后,随着气旋中心的远离,台风“米娜”强度的降低,风场逐渐回归上层影响,最终于11时稳定于500m以上高度层处。

综上,在距离台风中心30～71km范围内,边界层高度沿气旋半径向外增大。在距离台风中心71～129km范围内,边界层高度沿气旋半径向外先减小后增大。台风影响时最大边界层高度受气旋中心距离影响,随中心距离的减小,边界层呈先增大后减小再增大的趋势。受台风强度影响,台风强度越高,平均边界层越高。本实测试验完整记录了3种不同风圈影响下,台风外侧风速廓线在近地面的变化过程,可作为台风登陆过程中气旋不同中心距离的风场区域设计风速制定的参考。

2.2 台风影响期风剖面与理论模型

如表1及图6所示,实测台风影响期高斯拟合的风剖面同我国现行的GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》采用的大气边界层指数剖面、常见风场分析的对数剖面以及在这两者基础上更新的D-H风剖面模型进行了比较。

表1 实测台风风场二阶高斯拟合参数Table 1 Second-order Gaussian fitting of wind profile parameters

图6 各台风影响期风廓线Fig. 6 Wind profiles during impact periods of each typhoon

结果表明,实测台风“利奇马”“黑格比”影响期风剖面均在0～250m高度层与规范所采取的对数律风廓线模型趋势吻合。实际影响距离最远的台风“米娜”在0～250m高度层与D-H模型较为吻合。而实测模型与理论模型差异在于,在250～400m高度层,各实测台风风场均表现为随着高度层的增加,平均风速降低。即实测台风0～400m高度层风场数据与二阶高斯函数经验模型的演变趋势较为接近。验证了二阶高斯拟合模型对于台风风场风剖面形态的适用性,实测台风近地50～400m高度层均表现为D形风剖面,根据不同的参数取值,可以很好地拟合台风上部的S形风剖面。

2.3 下击暴流径向风速及风廓线分析

取2个下击暴流发生时段前后各200min数据以10min为时距作边界层高度分布图,如图7～图8所示。由图可知,下击暴流风场演变过程均可分3个阶段:影响前风剖面呈上层大风集中分布,边界层随强对流影响下移、影响时强风切变引起低空急流边界层骤然上升。影响时风速向近地层递进。影响后风速边界层复位但高层风场持续仍远大于常态风,风速远大于常态风场。

图7 “04-23” 下击暴流边界层高度 Fig. 7 “04-23” downburst boundary layer height 图8 “08-05”下击暴流边界层高度 Fig. 8 “08-05” downburst boundary layer height

2.4 下击暴流影响期风剖面与理论模型

将4、8月实测下击暴流影响期高斯拟合的风剖面同Oseguera与 Bowles模型、Vicroy模型、Wood 与 Kwok模型以及对应的4、8月常态风场风剖面进行了比较。各模型的参数取值如表2～表4所示。

表2 实测下击暴流三阶高斯拟合风剖面参数Table 2 Prototype parameters of the third-order downburst Gaussian fitting wind profile

表3 “04-23”下击暴流垂直方向风剖面模型参数Table 3 Vertical wind profile model parameters of “04-23” downburst

表4 “08-05”下击暴流垂直方向风剖面模型参数Table 4 Vertical wind profile model parameters of “08-05” downburst

由图9～图10可知,4月实测拟合模型在0～100m、400～600m高度层处风场表现与Oseguera 与 Bowles模型近似。但在100～400m高度层发生V形回落,在600～1000m高度层发生了V形上升。即平均风速在100～400m高度层先递减后递增;在600～1000m高度层先递增后递减。8月实测拟合模型在0～100m及400～1000m高度层处风场演变形式接近Vicroy模型。同样在100～400m高度层发生V形回落。

图9 “04-23” 下击暴流风廓线对比Fig. 9 Comparison of “04-23”downburst wind profiles 图10 “08-05” 下击暴流风廓线对比Fig. 10 Comparison of “08-05”downburst wind profiles

综上,滨海丘陵地形下实测的下击暴流风速均在100～400m高度层先递减后递增。Oseguera 与 Bowles模型较为适合4月实测下击暴流的分析,Vicroy模型较为适合8月实测下击暴流的分析,验证了三阶高斯拟合模型对于台风风场风剖面形态的适用性。

3 水平与垂直方向风场特征

取台风“利奇马”发生时段前后各300min,共600min数据做时距为10min的三维风速时程图,如图11(a)、(b)所示。取下击暴流发生时段前后各200min,共400min数据做时距为10min的三维风速时程图,如图11(b)、(c)所示。

图11 灾害风场影响期各高度层水平、垂直方向风速比Fig. 11 Horizontal and vertical wind speed ratio at each altitude during the influence periods

由图11可知,灾害风场实际表现为三维风场,且风场实时变化剧烈,随机性较大。本文利用统计分析法,记录了灾害风场影响时各个高度层的最大、最小、平均水平(垂直方向)风速,并分别计算其水平垂直方向风速比。通过绘制各高度层影响风速比值图,分析数据的离散性,并对最大最小风速比进行拟合,获得了各灾害风场影响期的比值曲线如图12所示。

图12 灾害风场影响期各高度层水平、垂直方向风速比Fig. 12 Horizontal and vertical wind speed ratio at each altitude during the influence periods

由图12(a)、(b)、(c)可知,台风风场在影响时,伴随一定量的垂直方向风速变化,如超强台风“利奇马”影响时,400～920m高度层垂直方向风速与水平风速变化具有正相关性。台风“黑格比”影响时,600～920m高度层垂直方向风速与水平风速变化具有正相关性。台风“利奇马”与“黑格比”的比值分布差异为“利奇马”于210～400m高度层递减,而“黑格比”保持均匀递增。造成二者分布差异的原因可能是“黑格比”登陆点较实测点距离更短,下垫层损耗更低。台风风场在90～210m高度层水平与垂直方向风速成正比。在近地层水平与垂直方向风速突变为负相关,且比值均小于0.5。

由图12(d)、(e)可知,下击暴流风场在影响时,伴随一定量的垂直方向风速变化,且变化较台风更剧烈。“04-23”下击暴流与“08-05”下击暴流的变化趋势十分近似。均在50～400m高度层水平与垂直方向风速为正相关,且保持递增趋势。同样在近地层水平与垂直方向风速突变为负相关,但且比值均大于5。

台风与下击暴流风场的差异在于,下击暴流风速变化有着明显的小尺度,短时距的特征,下击暴流50～210m 高度层垂直方向与水平风速比呈负相关,在210m以上高度层为正相关。而台风风场的影响尺度更大,持续时间也更长,台风“利奇马”“黑格比”均在50～210m,400～800m高度层,呈递增趋势。下击暴流的210～920m 高度层垂直方向风速与水平风速变化具有正相关性,随着垂直方向风速的增大水平风速增大。

4 结论及讨论

通过台风“利奇马”“米娜”“黑格比”,两次实测的下击暴流的风场实测研究,总结出不同影响距离的台风风场、不同季度下击暴流的风速剖面演变过程的主要阶段,并获得了各风场高斯拟合的实测模型,并对台风、下击暴流的水平垂直方向风速相关性进行了分析。综合上述分析,可以得到如下结论:

1)实测风场的平均边界层高度变化,台风风场边界层最高,下击暴流次之,常态风场边界层最低。

2)在距离台风中心30～129 km范围内,边界层高度沿气旋半径向外先增大后减小再增大。

3)验证了二阶高斯拟合模型对于台风风场风剖面形态的适用性,实测台风近地50～400m高度层均表现为D形风剖面。通过不同的参数取值,可以很好地拟合S形风剖面的上部形态。

4)4月与8月实测下击暴流分别较为适用Oseguera 与 Bowles模型、Vicroy模型。滨海丘陵地形下实测的下击暴流风场与理论模型的差异在于实测风场均在100～400m高度层先递减后递增。

5)台风风场与下击暴流分别在90～200m、50～400m高度层水平与垂直方向风速为正相关,均在近地层突变为负相关,比值分别大于0.5和5。

由于本文使用的主要设备为风廓线声雷达,得到的实测数据为探测高度圆周范围内的平均值,实测竖向风速瞬时值较实际值偏小。但对比声雷达实测常态风场垂直方向风场数据而言,实测的台风及下击暴流垂直方向风场数据的变化已经较为剧烈且规律。由于台风及下击暴流样本的随机性,本文虽然具有一定规模的风廓线作为基础,但样本仍偏于单薄。故为了探究本文结果实用性的,未来还需要更多的实测试验来修正实测模型。