台风和台风模型研究综述

2024-01-25陈俊鹏周自成刘飞虹

上海节能 2024年1期

陈俊鹏周自成刘飞虹王印周月

明阳智慧能源集团股份公司

0 概述

热带气旋作为一种破坏力极强的灾害性天气系统，多发生于热带或副热带洋面。根据热带气旋中心最大风力的强弱，其分为六个等级，分别是热带气压、热带风暴、强热带风暴、台风、强台风与超强台风[1］。考虑到国内对热带气旋命名的传统习惯，下文将热带气旋统称为台风。

西北太平洋地区为全球热带气旋发生频次及强度最高的海域，其中台风年发生率约为28 个[2］。西北太平洋台风在环境流场的影响下，表现出向西北方向移动的趋势，给我国带来严重影响。据统计，每年平均有7 个热带风暴和台风登陆我国，约占西北太平洋热带风暴和台风总数的1/4[3］。因此，我国是世界上受台风影响最严重的国家之一，2022年台风灾害造成的直接经济损失高达54.2亿元[4］。

我国东南沿海及近海区域风能资源丰富，并且靠近电力负荷中心。我国海上风电装机容量伴随着海上风电资源的开发显著增加，然而我国东南沿海也是严重受到台风影响的区域之一[5］。台风期间，海上风电机组的基础、塔筒、叶片以及升压站的风荷载增大数倍，安全事故和故障风险大幅度增加[6］。张礼达等[7］总结台风对风电的主要破坏有叶片出现裂纹或被撕裂，偏航系统受损，风向仪、尾翼等设备被吹毁。Kumar等[8］研究表明，台风影响范围内波高与极端风速之间有良好的相关性，台风带来的狂风、巨浪对风电机组上部结构和地基造成巨大破坏。

为了提高海上风电机组施工、运行的安全性，需要准确地评估台风高发工程海域的极值风速情况。由于缺少充足的台风相关观测资料，常规的计算方法在极值风速的预测上存在着较大的不确定性[9］。为了克服这个问题，Monte-Carlo方法应运而生，该方法利用参数化台风风场模型以及台风关键参数概率模型，采用数值模拟的方法对台风影响区极值风速进行预测，又称为台风危险性分析方法[10］。1969 年Russell[11］首次采用经验台风模型模拟计算台风极值风速，此后Batts 等[12］、Shapiro[13］、Georgiou[14］、Vickery等[15］、YanMeng等[16］学者根据不断更新的台风实测数据，对该模拟方法进行了扩展和改进。在国内，该方法主要被应用于台风高发海域和沿海城市的极值风速预测。

本文首先介绍了台风的成因、结构特征，然后回顾台风风场模型的发展历史和研究现状，并对参数台风风场模型的各子部分以及应用现状进行阐述，最后介绍了台风风场模型的实际应用，给出了关于台风和台风模型研究中仍存在的问题及未来发展方向，期望能为海上风电场台风危险性分析评估方法提供技术基础。

1 台风的成因与结构

大量的科学研究加深了人们对于台风形成机理和结构特征的认识，台风结构是台风领域的一个关键研究内容，同时也是台风风场模型构建的基础[17］。本节分别对台风的成因以及台风结构展开综述。

1.1 形成原因及必要条件

台风成因示意图如图1所示，在热带洋面上，受到太阳强烈照射，海水表层温度较高，热带洋面空气蒸发抬升，导致地面空气减少，形成气压较低的区域。受气压梯度力影响，风从周围的高气压区流入低气压区，流入低压区的空气持续抬升，使得低压区气压持续降低，风力持续增强。抬升的湿热空气在高层温度较低的区域液化或凝华，形成云并释放出潜热。由于放热后空气变冷，不再上升，就在高空堆积，形成了一个高压区。随后高压区空气向外流出，拉动低层空气抬升，形成台风。

图1 台风成因

湿热空气抬升并凝结成云释放潜热，使得台风高层中心附近强烈增温，形成台风暖核结构。发展成熟的台风在台风眼区的对流层中上层具有明显的暖核，高空暖核结构的形成是台风生成的主要特征之一[2］。暖核结构形成于台风发展阶段，随台风进入成熟阶段逐渐加强，暖核结构一旦减弱，台风也将随之削弱，甚至消散[18］。费建芳[19］研究表明暖核结构的存在有助于台风的发展，而暖核结构的强弱则决定了台风内部扰动的进一步发展。陈联寿和丁一汇[2］的研究表明，当冷空气与热带气旋在低纬度地区相遇时，热带气旋的暖心结构将会被破坏，眼壁附近的最大风速环流也会随之突然消失。

空气在运动的过程中会受到地转偏向力的影响，导致空气的运动轨迹向右偏离。因此在北半球，台风低层空气逆时针旋转流入，在高层顺时针辐散[17］，如图2 所示。台风的能量来源是水汽抬升释放的潜热。因此，温暖的洋面、垂直切变小、低层辐合高层辐散和有一定的地转偏向力是台风生成的四个必要条件[2］。海洋表面温度是影响台风强度的重要因素之一，如海水表面温度的降低，将会使台风强度减弱，风速降低[20］。此外，大气稳定度也是影响台风形成、发展、强度和路径的重要因素[21］。

图2 台风低层逆时针旋转

已有研究表明台风的活动与外部强迫场（如大尺度大气环流等）和气候变率模态间存在显著关系[22］，国内外学者基于上述关系建立了相关模型进行台风预报，即统计预报方法。统计预报即基于台风历史数据，采用概率统计方法，将台风极值风速与相关参数（如中心气压、移速等）建立联系，进而得到较为合理的统计模型。但由于样本数据有限，统计预报方法具有较大局限性，并且缺乏理论支撑[23］（见图3）。

图3 台风数值预报平台[23]

随着计算机性能不断提高，基于大气运动方程的数值模式台风预报逐渐发展，可精细化地预报大风出现的时间、影响范围和强度，展现出很好的应用价值[22］。数值预报模式目前以单一大气模式为主，但台风是一个海气浪相互作用的过程，为了提升我国东南沿海台风预报的准确性，有必要采用海气浪耦合模式对西北太平洋海域的台风活动开展数值模拟与预报研究。

1.2 台风结构

发展成熟的台风通常呈扁平圆形旋涡状，图4为成熟台风结构示意图。发展成熟的台风在水平方向上主要分为三个部分：台风眼，台风发展成熟的重要标志，在台风眼内既无狂风也无暴雨，天上仅有薄云；风眼壁，风力最强、降雨最剧烈的区域；螺旋雨带，紧接在台风眼壁之外，该区域有着较为猛烈的降雨和吹向中心的大风[24］。台风在垂直方向上可被分为流入层、中间层、流出层。气流在流入层中有显著的向中心辐合的径向分量，从低层辐合流入的大量暖湿空气通过中间层向高层输送，气流在流出层向外扩散并与周围空气混合，随后逐渐下降至低层，形成了台风的垂向环流圈。

图4 台风结构示意图[25]

台风是一个强大的暖性低压，强的台风中心气压常常在950 hPa 以下。如图5 所示，自台风边缘向中心气压不断下降，至台风眼墙区气压猛然下降，在台风中心处气压达到最低。而水平风速自台风边缘向中心不断增大，随着距台风距离的减小，风速的增幅不断增大，至台风眼墙区风速达到最大，随后骤然下降，在台风中心处风速达到最小。

图5 台风剖面风速、气压分布[26]

台风中存在着如螺旋雨带、云墙、涡旋等中小尺度系统，它们决定了风速的强弱、降雨的强度和分布[27］。台风中小尺度系统受到环境场、地表粗糙度及涡旋结构的影响，结构复杂，研究所面临的挑战如下：

1）目前对于其结构的特征和演变规律的认识存在较多盲区。例如，台风双眼壁结构如何形成，并有何特征。

2）对于影响中小尺度系统结构的变化机理尚不清楚。台风内部力学作用和环境因素之间的相互作用，会导致中小尺度系统的结构发生变化。

3）中小尺度系统结构变化如何单独或耦合影响台风风雨强度和分布变化的演变机理尚不清楚，这是导致当前大风、暴雨预报准确性不高的重要原因。

2 参数风场模型

参数风场模型是以台风结构特征为基础而建立的，目的是准确描述台风风场的主要特征，是台风危险性分析方法的重要组成部分。参数化风场模型包括梯度风场模型和边界层模型，首先基于特定的风廓线函数，输入中心气压、最大风速半径、形状参数等台风关键参数，计算得出梯度风场模型。随后通过边界层模型计算得出梯度风速至近地面处的风速折减系数，从而获取近地面风场[28］。本节将分别对台风风场关键参数、梯度风场模型和边界层模型展开综述。

2.1 模型关键参数

2.1.1 风速气压

通过统计分析台风中心气压与最大风速的关系，可为最大风速与中心气压之间的换算提供参考。基于梯度平衡方程，风速与气压的关系：

式中：Vmax为最大风速，单位m/s；Pn为外围气压，单位hPa，西北太平洋海域通常取1 010 hPa；Cp为中心气压。利用历史台风记录数据对公式（1）进行拟合，可获取拟合参数a和b的最优值。众多学者采用该方法对西北太平洋海域的风压关系进行拟合，结果见表1。

表1 西北太平洋风压关系拟合参数表[28-29]

国内外已有研究表明，参数a和b作为拟合数值不仅受到样本数据量的影响，还会受到台风强度、位置纬度的影响[30］。目前，研究主要分强度、纬度对传统的风速—气压关系进行修正，较新的研究中进一步考虑了台风尺度、移动速度等因素对风速—气压关系的影响[31］。

2.1.2 最大风速半径

最大风速半径Rmax为台风最大风速与台风中心的距离，对台风的风速、气压模拟以及影响范围具有重要意义。目前关于Rmax的观测数据较少，因此，国内外学者主要采用统计或物理模型，并借助其它台风参数计算Rmax。Rmax的计算方法主要有4种：

1）基于历史台风实测数据对Rmax与中心气压、最大风速、纬度等参数拟合出Rmax。目前的研究普遍认为Rmax与纬度具有正相关关系，而与中心气压具有负相关关系[32］，Rmax服从对数正态分布，其中位数为中心气压差以及纬度的函数[33］。

2）基于经验风场模型，建立各级风圈半径与Rmax的转换关系。例如，雷小途和陈联寿基于Bogus台风切向风模型，明确了Rmax与8级风圈半径之间的转换关系[34］。

3）基于台风地面实测数据及经验模型，通过误差分析法确定Rmax。Fujii[35］于1998年首次采用该方法计算Rmax，随后被多次应用于登陆日本的台风危险性分析[36］。

4）基于空气动力学方程推算Rmax。胡邦辉等[37］基于藤田气压场模型，推导出呈稳定状态的海面移动非对称台风Rmax的计算方法。

上述4种方法中，第一种方法最为简单，但理论依据匮乏；第二种方法具有一定理论依据，且计算较为简单，计算结果取决于经验模型的准确度；第三种方法误差较小，但计算量较大；第四种方法对于台风危险性分析评估而言计算量较大。基于大量实测数据的分析结果表明，不同区域获得的风场参数计算方法差异较大，有必要针对不同区域风场参数的计算方法进行对比分析研究。

2.1.3 形状参数B

为了增强气压模型的适用范围，Holland[38］在1980 年提出了引入形状参数B的气压剖面模型，该模型根据台风实际风场选择对应的形状参数B，从而获取更真实的台风气压剖面。形状参数B对最大风速模拟以及风速径向分布特征有显著影响，其取值与台风中心所在区域密切相关。

国外得益于长期台风观测数据的积累，开展形状参数B的区域特征研究基础较好。国外学者对不同海域形状参数B与其它台风参数的相关性进行研究，如中心气压、纬度、移动速度等，并建立起函数关系[39］。

国内对于形状参数B系数的研究主要集中于对国外模型在中国海域的区域性应用规律。段忠东结合CE 风场，分析形状参数B对风场结构的影响，并采用Jakobsen 方法对2 场台风的形状参数B进行标定[40］。肖玉凤[41］比较了多种形状参数B计算方法对CE 风场模拟精度的影响，结果表明国外模型在中国海域的应用存在较多不确定性因素。

对于登陆我国频率最高的西太平洋台风，目前缺乏该海域台风上层径向风廓线数据。因此针对西太平洋海域形状参数B的研究较少。形状参数B的取值变化较大，有必要根据我国沿海实测台风风速记录，并针对特定区域，界定出形状参数B的取值范围，对于开展台风危险性评估具有重要意义。

2.2 梯度风场模型

梯度风场模型用于模拟台风高空处的风速分布特征，梯度风场模型主要分为2种：

1）基于气压分布模型，求解梯度平衡方程从而计算风速。该方法按气压剖面函数形式可分为2类：

（1）气压分布由固定的函数决定，具有代表性的模型有Bjerknes（1921）、Takahashi（1939）、Fujita（1952）等模型[42］.

（2）可通过系数调整气压剖面函数，Georgious（1883）、Thompson（1996）等以Holland 气压场模型为基础发展了新的台风模型。

2）基于风廓线经验函数，从最大风速推算整个风场。常见的有Rankine 模型、Jelesnianski（1965）模型、Miller（1967）模型等，但上述模型无法反映各地区真实风场，因此国内许多研究针对此进行了改进。例如，陈孔沫[43］提出了一种新的台风风场计算方法，改进了Rankine 风场模型以及Jelesnianski风场模型。

台风中心附近和外围梯度风速的不均匀，选用不同的梯度风场模型对结果影响很大。方伟华和林伟基[28］于同一套台风关键参数对比了8个梯度风场模型风廓线。结果如图6 所示，不同梯度风场模型推算出的最大风速、径向风廓线与风速变化速率存在较大差异。其中，Georgious 和Holland 模型由于可通过调整形状参数B，对不同台风的适用性更强。

图6 不同梯度风场模型廓线对比图[28]

2.3 边界层模型

通过梯度风场模型得到梯度风速后，需要利用边界层模型将其转化为近地表风速。Meng 等[44］于1997 年提出了一个半理论模型用于模拟不同高度的风速折减因子，可直接求解出特定点的风速，计算速度快。模型中的风速折减因子是随模拟高度与边界层高度比值变化的指数函数，指数的大小取决于地表粗糙度，相较于传统的经验模型更具有物理意义。凭借上述优势该模型被广泛应用于台风风场模拟，例如Matsui等[45］在随后的研究中均采用了该模型。

Vickery 等[46］根据台风的风速和尺度，首先对探空仪数据进行分类，再基于Kepert[47］提出的线性化台风模型，对探空仪数据进行分析。结果表明边界层高度随惯性稳定度的增加而减小，边界层垂直风速剖面图在低层200 m 以下满足对数率。随后Vickery 等[48］提出一个用于模拟边界层内台风平均风速随边界层高度变化的经验模型，该模型不仅考虑了地表粗糙度，还考虑了边界层高度的变化情况。

在边界层模型中，Meng 模型基于空气微团平衡方程，能较好反映边界层风速的分布规律，但计算较为复杂。Vickery模型基于实际观测数据，考虑了台风登陆前后边界层高度的变化情况，对台风期间风速垂直分布规律的拟合效果较好。目前，常用的几种边界层模型均假定台风剖面为指数率或对数率形式，但有关台风剖面的形式仍存在争议，基于漂浮式激光雷达的台风剖面研究也是近年来台风模型研究的热点问题。

2.4 台风风场模型应用

台风风场模型主要应用于台风危险性评估以及台风次生灾害模拟研究，在多个台风风险模型软件中集成应用。

台风危险性评估是指通过对台风历史数据进行分析，以评估特定区域内台风期间极值风速，为工程设计和风险评估提供合理依据。例如，海上风电机组的安全性直接受到台风极值风速和持续时间的影响，当风速超过风电机组的极限设计载荷，可能导致机组部件损坏或倒塌。对于东南沿海城市超高层建筑物以及大跨度桥梁而言，风荷载是其结构抗风设计最重要的参数，极端风速评估的准确性直接影响项目的安全性和经济性。

台风能量巨大，会引起风暴潮、山体滑坡等次生灾害。强大的风暴潮会对沿海地区的建筑物以及基础设施造成破坏，引发海水倒灌，严重影响交通运输和社会生产。分析风暴潮的危险性有助于降低其沿海地区的影响，台风风场作为风暴潮预报的主要驱动场，其模拟的准确性将直接影响风暴潮的预报结果。台风模型也应用于台风次生滑坡灾害模拟，分析台风降雨过程中边坡渗流场的变化，是台风次生滑坡模拟的主要手段。