臺風妮娜16041604160416041604登陸期間近地風場和陣風系數的變化

環流結構的研究中國是受臺風（熱帶氣流）影響最大的國家之一。臺風所引起的大風、風暴潮、暴雨等災害對經濟建設及社會發展造成嚴重影響,且每年臺風都給帶來巨大的經濟損失目前對登陸臺風環流結構等觀測研究已取得一些成果。張光智、朱龍彪、魏應植等利用雷達和風廓線儀等觀測資料分析了臺風風場和內核區環流的結構特征以及與臺風移動的聯系隨著經濟的快速發展,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環球貿易廣場等。以往所利用的測風塔資料大部分集中在高度100m以下,已經滿足不了高速發展的城市需求。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“妮妲”(NIDA)登陸期間近地層350m高度內風場的時空特征。1“婆”—臺風“妮妲”概況與觀測資料說明1604號臺風“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時臺風級別的“妮妲”減弱為熱帶風暴級別。隨后繼續西北行,進入廣西境內后,逐漸減弱消失,并于3日00時結束。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。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,建設高度為356m,是中國鋼結構領域最高獎“鋼結構金獎”設立以來唯一一個滿足評獎條件的鋼結構桅桿項目,是亞洲最高的鋼結構桅桿鐵塔。由圖1可知,“妮妲”登陸后橫穿整個深圳,其中心眼區穿過鐵塔,“妮妲”臺風中心于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氣象要素探頭,包括風速、風向、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故障,導致上述3個高度的數據出現大量缺失(表1)。2相鄰層的時空特征2.1近地層風圈的變化圖2給出“妮妲”影響期間鐵塔50m高度10min平均風速、風向和氣壓變化演變。可見,觀測期間風速隨時間呈增強—減弱—增強—減弱的“M”型特征,1日00時“妮妲”位于南海東北部,鐵塔處于臺風外圍的西北方,受外圍風場影響,此時鐵塔觀測到的風向為西北西。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。“妮妲”位于南海東北部海面上時,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時達到當日最高值。隨著“妮妲”向珠三角地區靠近,氣壓逐漸下降,風速迅速增強,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”前風圈的影響下,風速18:50左右達到最強,10min平均最大風速達到16.9m/s,瞬時最大風速達22.6m/s。此時“妮妲”10級風圈半徑為120km,臺風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,風速也迅速減小。此外,“妮妲”在移動過程中強度減弱,最終導致20:50觀測氣壓達到最低值972.75hPa。02日00時左右,“妮妲”后風圈開始影響鐵塔,觀測風速和氣壓迅速增加,瞬時極大風速達24.4m/s,10min平均最大風速達17.35m/s,要比“妮妲”前風圈影響時觀測到的風速還略大,風向也由西北西轉為南東南。1日22:20臺風中心距離鐵塔最近,此時的風速也是最低,平均風速為1.16m/s。隨著“妮妲”深入內陸逐漸減弱,風速降低、氣壓回升。此外,夏季海面溫度低,陸地溫度高,臺風在海洋上為暖區,登陸后相對陸地溫度來說則為冷區2.2最大風速和風向圖4給出“妮妲”影響期間近地層平均風廓線隨時間的變化。可見,在其他高度上,平均風速隨時間的變化與50m高度的平均風速變化(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”后風圈的風速要強于其前風圈的風速。整體上,風速隨高度呈增強趨勢,最大風速出現于“妮妲”中心附近的風圈內,低層風速要遠遠小于350m高度上的風速,不同高度上的風速最大相差10m/s。350m高度上,10min最大平均風速為25.85m/s,最大瞬時風速為32.5m/s,均出現在后風圈內。隨著“妮妲”中心遠離鐵塔,平均風速大致在10m/s左右變化,且要強于“妮妲”登陸前所觀測到的風速。整個“妮妲”過境過程,風向的變化要比風速復雜得多,風向隨時間大致呈東北—西北—南變化。在風速急劇增大時(前風圈之前),風向由東北轉為西北,但在此期間風向多變,且持續了4h左右。從風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”第二象限轉為第三象限,也就是鐵塔位于“妮妲”左側。“妮妲”遠離鐵塔時,風向由西南轉為偏南,大致位于“妮妲”第四象限。此外,垂直方向上,在“妮妲”前外圍向前風圈過渡期間,風向多變,無明顯變化規律,而其他時段的風向隨高度基本沒有明顯變化。根據莫寧-奧布霍夫相似理論,當大氣處于中性溫度層結時近地層的風廓線滿足對數函數分布。陳雯超等其中,Z為高度,U為風速,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:臺風前外圍(Ⅰ:1日00—12時)、臺風前風圈(Ⅱ:1日12—20時)、臺風眼區(Ⅲ:1日20時—2日00時20分)、臺風后風圈(Ⅳ:2日00時20分—06時)、臺風后外圍(Ⅴ:2日06時以后)。此外,為了更好擬合垂直風廓線,利用指數函數對各時段平均風速垂直分布進行指數函數的擬合(Z為高度,U為風速),其中擬合函數的參數在表2中給出。由于對數律垂直風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Z2.3近地層陣風系數的垂直變化陣風系數是用于描述風的陣性特征的參數,指陣風風速和平均風速之間理論上的轉換系數,可以表示風的脈動強度。陣風系數定義為極大風速與10min平均風速的比值:其中,G為陣風系數,U圖8給出臺風“妮妲”影響期間各時間段近地層平均陣風系數的垂直廓線。可以發現,平均陣風系數的整體垂直變化呈隨高度增加而減小的趨勢,各時間段平均陣風系數從大到小為:I>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>V,平均值分別為:1.6、1.43、1.38、1.22和1.19。陣風系數在臺風前外圍和前風圈較大,與風速的變化有所不同,且垂直變化趨勢相反。陣風系數隨高度呈遞減趨勢,這里嘗試用線性函數進行擬合:Z=A2.4幅度較小的情況圖9給出鐵塔不同高度上陣風系數隨風速變化的特征。可見,近地層陣風系數整體上隨風速增加而減小。當風速較低時(<10m/s),陣風系數相對比較離散,且隨風速增加的變化幅度較大,陣風系數可以從3.0左右急劇下降到1.2左右。當風速較大時(>10m/s),陣風系數隨風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,不同高度上的陣風系數隨風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現,高度越高出現較大風速的概率越大,在350m高度上,10min平均風速可超過25m/s。為了進一步分析陣風系數與風速的關系,利用指數函數進行擬合:G=G由于當風速大于10m/s時,陣風系數不隨風速的變化而變化,趨于穩定,因而單獨對風速超過10m/s的陣風系數進行擬合。圖10給出了高風速下(>10m/s)擬合的陣風系數的垂直分布,可見隨著高度增加,高風速下的陣風系數越來越小,由1.2894降低至1.1658,與前文的指數函數擬合結果相似。這是因為隨著高度增加,風速增加,導致平均風速也增加,進而陣風系數減小。40m和50m高度上的大風陣風系數相差不大;100m高度上,大風陣風系數則急劇減小至1.23076;100m以上高度,大風陣風系數則隨著高度的增加緩慢減小。3近地層風速和陣風系數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“妮妲”影響期間近地層風場的時空特征進行分析,并在此基礎上研究不同高度上陣風系數變化特征及其與風速的關系,得到以下結論:1)臺風“妮妲”影響期間,近地層風速隨時間呈增強—減弱—增強—減弱的“M”型特征。各時段平均風速大小關系為:臺風后風圈>臺風前風圈>臺風眼區>臺風后外圍>臺風前外圍。“妮妲”過境前后,風向由西北轉為南東南。“妮妲”中心眼區經過觀測塔前后,溫度急劇下降5℃左右,相對濕度增加,最低氣壓值達972.75hPa。2)近地層風速隨高度增加而增加,臺風后風圈的風速在垂直方向上的增幅最大,其次是臺風后外圍時段,而臺風前外圍垂直風速梯度最小。垂直方向上臺風前外圍向前風圈過渡期間風向多變,而其他時段基本不變。3)臺風前外圍、前風圈和臺風眼區時段內對數律垂直風廓線可擴展至350m高度;而臺風后風圈和后外圍時段內對數律垂直風廓線只適用于150m高度以下。4)臺風前外圍和臺風眼區的陣風系數較大,最大可達到3.44,其他時段基本上在1.5以下。陣風系數隨高度增加而減小,其中臺風前外圍和前風圈的陣風系數隨高度的遞減程度要大于其他時段。5)陣風系數與風速呈負相關關系,在低風速(<10m/s)時,陣風系數隨風速的增加急劇遞減;當風速大于10m/s時,陣風系數隨風速增加無明顯變化。肖輝,萬齊林,劉顯通,等.臺風“妮妲”(1604)登陸期間近地層風特性分析[J].海洋氣象學報,2017,37(2):42-50.XiaoHui,WanQilin,Liu