我国沿海台风大风及其风工程参数特性研究

来源 :中国气象科学研究院 | 被引量 : 1次 | 上传用户:lxfsb001
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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(R34)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R34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。
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