臺風(fēng)妮娜16041604160416041604登陸期間近地風(fēng)場和陣風(fēng)系數(shù)的變化

臺風(fēng)妮娜16041604160416041604登陸期間近地風(fēng)場和陣風(fēng)系數(shù)的變化

環(huán)流結(jié)構(gòu)的研究中國是受臺風(fēng)（熱帶氣流）影響最大的國家之一。臺風(fēng)所引起的大風(fēng)、風(fēng)暴潮、暴雨等災(zāi)害對經(jīng)濟建設(shè)及社會發(fā)展造成嚴(yán)重影響,且每年臺風(fēng)都給帶來巨大的經(jīng)濟損失目前對登陸臺風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)等觀測研究已取得一些成果。張光智、朱龍彪、魏應(yīng)植等利用雷達和風(fēng)廓線儀等觀測資料分析了臺風(fēng)風(fēng)場和內(nèi)核區(qū)環(huán)流的結(jié)構(gòu)特征以及與臺風(fēng)移動的聯(lián)系隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,超過100m高度的高建筑比比皆是,例如深圳441.8m的京基金融中心、廣州530m的周大福中心、香港484m環(huán)球貿(mào)易廣場等。以往所利用的測風(fēng)塔資料大部分集中在高度100m以下,已經(jīng)滿足不了高速發(fā)展的城市需求。因此本文使用深圳氣象梯度觀測鐵塔資料,分析了2016年8月第4號臺風(fēng)“妮妲”(NIDA)登陸期間近地層350m高度內(nèi)風(fēng)場的時空特征。1“婆”—臺風(fēng)“妮妲”概況與觀測資料說明1604號臺風(fēng)“妮妲”于2016年7月30日下午在菲律賓呂宋島以東洋面上生成后,向西北方向移動,穿過呂宋島東北部,8月31日夜間進入南海東北部,逐漸向廣東珠江口以東地區(qū)靠近,并于8月1日19:35(世界時,下同)在廣東省深圳大鵬半島沿海登陸。8月2日00時臺風(fēng)級別的“妮妲”減弱為熱帶風(fēng)暴級別。隨后繼續(xù)西北行,進入廣西境內(nèi)后,逐漸減弱消失,并于3日00時結(jié)束。圖1給出“妮妲”的移動路徑,大約在1日23時其中心離開深圳市進入廣州市南沙區(qū)。圖中紅色五角星為氣象梯度觀測鐵塔位置,該鐵塔位于深圳石巖鐵崗水庫內(nèi),建設(shè)高度為356m,是中國鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最高獎“鋼結(jié)構(gòu)金獎”設(shè)立以來唯一一個滿足評獎條件的鋼結(jié)構(gòu)桅桿項目,是亞洲最高的鋼結(jié)構(gòu)桅桿鐵塔。由圖1可知,“妮妲”登陸后橫穿整個深圳,其中心眼區(qū)穿過鐵塔,“妮妲”臺風(fēng)中心于8月1日22:20左右離鐵塔最近,距離大約為1.4km。梯度鐵塔上安裝有常規(guī)氣象要素探頭,包括風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、露點溫度、相對濕度、氣壓等,觀測層次分別為10m、40m、50m、80m、100m、150m、160m、200m、250m、300m、320m和350m,但是在“妮妲”影響期間10m、80m和300m高度的觀測儀器出現(xiàn)故障,導(dǎo)致上述3個高度的數(shù)據(jù)出現(xiàn)大量缺失(表1)。2相鄰層的時空特征2.1近地層風(fēng)圈的變化圖2給出“妮妲”影響期間鐵塔50m高度10min平均風(fēng)速、風(fēng)向和氣壓變化演變?？梢?觀測期間風(fēng)速隨時間呈增強—減弱—增強—減弱的“M”型特征,1日00時“妮妲”位于南海東北部,鐵塔處于臺風(fēng)外圍的西北方,受外圍風(fēng)場影響,此時鐵塔觀測到的風(fēng)向為西北西。另外,圖3給出了“妮妲”影響期間鐵塔50m高度氣溫、露點溫度和相對濕度的時間變化曲線?！澳萱А蔽挥谀虾|北部海面上時,由于距離鐵塔較遠,受“妮妲”影響較弱,溫度日變化沒有受到明顯影響,1日06時達到當(dāng)日最高值。隨著“妮妲”向珠三角地區(qū)靠近,氣壓逐漸下降,風(fēng)速迅速增強,在“妮妲”登陸前(1日18時左右),鐵塔位于“妮妲”的西北方。在“妮妲”前風(fēng)圈的影響下,風(fēng)速18:50左右達到最強,10min平均最大風(fēng)速達到16.9m/s,瞬時最大風(fēng)速達22.6m/s。此時“妮妲”10級風(fēng)圈半徑為120km,臺風(fēng)中心與鐵塔直線距離為93km。其后,“妮妲”在深圳大鵬半島沿海登陸,隨著“妮妲”中心逐漸靠近鐵塔,其觀測氣壓也逐漸降低,風(fēng)速也迅速減小。此外,“妮妲”在移動過程中強度減弱,最終導(dǎo)致20:50觀測氣壓達到最低值972.75hPa。02日00時左右,“妮妲”后風(fēng)圈開始影響鐵塔,觀測風(fēng)速和氣壓迅速增加,瞬時極大風(fēng)速達24.4m/s,10min平均最大風(fēng)速達17.35m/s,要比“妮妲”前風(fēng)圈影響時觀測到的風(fēng)速還略大,風(fēng)向也由西北西轉(zhuǎn)為南東南。1日22:20臺風(fēng)中心距離鐵塔最近,此時的風(fēng)速也是最低,平均風(fēng)速為1.16m/s。隨著“妮妲”深入內(nèi)陸逐漸減弱,風(fēng)速降低、氣壓回升。此外,夏季海面溫度低,陸地溫度高,臺風(fēng)在海洋上為暖區(qū),登陸后相對陸地溫度來說則為冷區(qū)2.2最大風(fēng)速和風(fēng)向圖4給出“妮妲”影響期間近地層平均風(fēng)廓線隨時間的變化?？梢?在其他高度上,平均風(fēng)速隨時間的變化與50m高度的平均風(fēng)速變化(圖2)呈相似的變化趨勢,即增強—減弱—增強—減弱的“M”型特征,且“妮妲”后風(fēng)圈的風(fēng)速要強于其前風(fēng)圈的風(fēng)速。整體上,風(fēng)速隨高度呈增強趨勢,最大風(fēng)速出現(xiàn)于“妮妲”中心附近的風(fēng)圈內(nèi),低層風(fēng)速要遠遠小于350m高度上的風(fēng)速,不同高度上的風(fēng)速最大相差10m/s。350m高度上,10min最大平均風(fēng)速為25.85m/s,最大瞬時風(fēng)速為32.5m/s,均出現(xiàn)在后風(fēng)圈內(nèi)。隨著“妮妲”中心遠離鐵塔,平均風(fēng)速大致在10m/s左右變化,且要強于“妮妲”登陸前所觀測到的風(fēng)速。整個“妮妲”過境過程,風(fēng)向的變化要比風(fēng)速復(fù)雜得多,風(fēng)向隨時間大致呈東北—西北—南變化。在風(fēng)速急劇增大時(前風(fēng)圈之前),風(fēng)向由東北轉(zhuǎn)為西北,但在此期間風(fēng)向多變,且持續(xù)了4h左右。從風(fēng)向的變化上可以看出,“妮妲”接近鐵塔過程中,鐵塔由位于“妮妲”第二象限轉(zhuǎn)為第三象限,也就是鐵塔位于“妮妲”左側(cè)。“妮妲”遠離鐵塔時,風(fēng)向由西南轉(zhuǎn)為偏南,大致位于“妮妲”第四象限。此外,垂直方向上,在“妮妲”前外圍向前風(fēng)圈過渡期間,風(fēng)向多變,無明顯變化規(guī)律,而其他時段的風(fēng)向隨高度基本沒有明顯變化。根據(jù)莫寧-奧布霍夫相似理論,當(dāng)大氣處于中性溫度層結(jié)時近地層的風(fēng)廓線滿足對數(shù)函數(shù)分布。陳雯超等其中,Z為高度,U為風(fēng)速,u在某個觀測點上,地面粗糙度Z為了進一步分析近地層風(fēng)速的垂直變化特征,將“妮妲”影響期間分成5個時段(圖2),分別為:臺風(fēng)前外圍(Ⅰ:1日00—12時)、臺風(fēng)前風(fēng)圈(Ⅱ:1日12—20時)、臺風(fēng)眼區(qū)(Ⅲ:1日20時—2日00時20分)、臺風(fēng)后風(fēng)圈(Ⅳ:2日00時20分—06時)、臺風(fēng)后外圍(Ⅴ:2日06時以后)。此外,為了更好擬合垂直風(fēng)廓線,利用指數(shù)函數(shù)對各時段平均風(fēng)速垂直分布進行指數(shù)函數(shù)的擬合(Z為高度,U為風(fēng)速),其中擬合函數(shù)的參數(shù)在表2中給出。由于對數(shù)律垂直風(fēng)廓線所適用的高度有限,在此主要針對100m高度以下的擬合。擬合參數(shù)Z2.3近地層陣風(fēng)系數(shù)的垂直變化陣風(fēng)系數(shù)是用于描述風(fēng)的陣性特征的參數(shù),指陣風(fēng)風(fēng)速和平均風(fēng)速之間理論上的轉(zhuǎn)換系數(shù),可以表示風(fēng)的脈動強度。陣風(fēng)系數(shù)定義為極大風(fēng)速與10min平均風(fēng)速的比值:其中,G為陣風(fēng)系數(shù),U圖8給出臺風(fēng)“妮妲”影響期間各時間段近地層平均陣風(fēng)系數(shù)的垂直廓線?？梢园l(fā)現(xiàn),平均陣風(fēng)系數(shù)的整體垂直變化呈隨高度增加而減小的趨勢,各時間段平均陣風(fēng)系數(shù)從大到小為:I>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>V,平均值分別為:1.6、1.43、1.38、1.22和1.19。陣風(fēng)系數(shù)在臺風(fēng)前外圍和前風(fēng)圈較大,與風(fēng)速的變化有所不同,且垂直變化趨勢相反。陣風(fēng)系數(shù)隨高度呈遞減趨勢,這里嘗試用線性函數(shù)進行擬合:Z=A2.4幅度較小的情況圖9給出鐵塔不同高度上陣風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)速變化的特征?？梢?近地層陣風(fēng)系數(shù)整體上隨風(fēng)速增加而減小。當(dāng)風(fēng)速較低時(<10m/s),陣風(fēng)系數(shù)相對比較離散,且隨風(fēng)速增加的變化幅度較大,陣風(fēng)系數(shù)可以從3.0左右急劇下降到1.2左右。當(dāng)風(fēng)速較大時(>10m/s),陣風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)速增加的變化幅度較小,基本上在1.0~1.5之間變化,且趨向于某一個值。在垂直方向上,不同高度上的陣風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)速增加的變化趨勢具有較大的相似性,由散點圖上還可以發(fā)現(xiàn),高度越高出現(xiàn)較大風(fēng)速的概率越大,在350m高度上,10min平均風(fēng)速可超過25m/s。為了進一步分析陣風(fēng)系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系,利用指數(shù)函數(shù)進行擬合:G=G由于當(dāng)風(fēng)速大于10m/s時,陣風(fēng)系數(shù)不隨風(fēng)速的變化而變化,趨于穩(wěn)定,因而單獨對風(fēng)速超過10m/s的陣風(fēng)系數(shù)進行擬合。圖10給出了高風(fēng)速下(>10m/s)擬合的陣風(fēng)系數(shù)的垂直分布,可見隨著高度增加,高風(fēng)速下的陣風(fēng)系數(shù)越來越小,由1.2894降低至1.1658,與前文的指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果相似。這是因為隨著高度增加,風(fēng)速增加,導(dǎo)致平均風(fēng)速也增加,進而陣風(fēng)系數(shù)減小。40m和50m高度上的大風(fēng)陣風(fēng)系數(shù)相差不大;100m高度上,大風(fēng)陣風(fēng)系數(shù)則急劇減小至1.23076;100m以上高度,大風(fēng)陣風(fēng)系數(shù)則隨著高度的增加緩慢減小。3近地層風(fēng)速和陣風(fēng)系數(shù)本文利用深圳氣象梯度觀測鐵塔資料(觀測最高高度為350m),對2016年8月臺風(fēng)“妮妲”影響期間近地層風(fēng)場的時空特征進行分析,并在此基礎(chǔ)上研究不同高度上陣風(fēng)系數(shù)變化特征及其與風(fēng)速的關(guān)系,得到以下結(jié)論:1)臺風(fēng)“妮妲”影響期間,近地層風(fēng)速隨時間呈增強—減弱—增強—減弱的“M”型特征。各時段平均風(fēng)速大小關(guān)系為:臺風(fēng)后風(fēng)圈>臺風(fēng)前風(fēng)圈>臺風(fēng)眼區(qū)>臺風(fēng)后外圍>臺風(fēng)前外圍。“妮妲”過境前后,風(fēng)向由西北轉(zhuǎn)為南東南。“妮妲”中心眼區(qū)經(jīng)過觀測塔前后,溫度急劇下降5℃左右,相對濕度增加,最低氣壓值達972.75hPa。2)近地層風(fēng)速隨高度增加而增加,臺風(fēng)后風(fēng)圈的風(fēng)速在垂直方向上的增幅最大,其次是臺風(fēng)后外圍時段,而臺風(fēng)前外圍垂直風(fēng)速梯度最小。垂直方向上臺風(fēng)前外圍向前風(fēng)圈過渡期間風(fēng)向多變,而其他時段基本不變。3)臺風(fēng)前外圍、前風(fēng)圈和臺風(fēng)眼區(qū)時段內(nèi)對數(shù)律垂直風(fēng)廓線可擴展至350m高度;而臺風(fēng)后風(fēng)圈和后外圍時段內(nèi)對數(shù)律垂直風(fēng)廓線只適用于150m高度以下。4)臺風(fēng)前外圍和臺風(fēng)眼區(qū)的陣風(fēng)系數(shù)較大,最大可達到3.44,其他時段基本上在1.5以下。陣風(fēng)系數(shù)隨高度增加而減小,其中臺風(fēng)前外圍和前風(fēng)圈的陣風(fēng)系數(shù)隨高度的遞減程度要大于其他時段。5)陣風(fēng)系數(shù)與風(fēng)速呈負相關(guān)關(guān)系,在低風(fēng)速(<10m/s)時,陣風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)速的增加急劇遞減;當(dāng)風(fēng)速大于10m/s時,陣風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)速增加無明顯變化。肖輝,萬齊林,劉顯通,等.臺風(fēng)“妮妲”(1604)登陸期間近地層風(fēng)特性分析[J].海洋氣象學(xué)報,2017,37(2):42-50.XiaoHui,WanQilin,Liu