張 亮 牛海英* 齊 晴

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

不同臺風(fēng)場模型的比較研究

張 亮 牛海英* 齊 晴

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

介紹了經(jīng)典的藤田風(fēng)場、內(nèi)域藤田+外域高橋風(fēng)場、修正外域藤田風(fēng)場、Jelesnianski風(fēng)場和Holland風(fēng)場，并比較分析了各風(fēng)場模型的氣壓、氣壓梯度力和風(fēng)速沿著徑向的分布廓線，對工程結(jié)構(gòu)的防災(zāi)設(shè)計(jì)有重要意義。

臺風(fēng)，風(fēng)場模型，氣壓，風(fēng)速

1 概述

臺風(fēng)是一種極具破壞性的災(zāi)害性海洋天氣系統(tǒng)，其過程伴隨著狂風(fēng)、巨浪和急流，而這給海上航運(yùn)交通、海產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、海洋工程和近岸建筑帶來巨大威脅[1]。因此，通過數(shù)值模擬手段預(yù)報(bào)和后報(bào)沿海地區(qū)可能遭受臺風(fēng)災(zāi)害的影響范圍和影響程度，對沿海地區(qū)有效防災(zāi)減災(zāi)以及工程結(jié)構(gòu)的防災(zāi)設(shè)計(jì)具有重要意義。

臺風(fēng)過程中惡劣的天氣條件，給獲取臺風(fēng)實(shí)地觀測信息帶來很多困難。實(shí)測數(shù)據(jù)相對匱乏，需要較高精度的臺風(fēng)場數(shù)值模型的發(fā)展和應(yīng)用。為提高臺風(fēng)場數(shù)值模擬的精度，有必要對不同臺風(fēng)場模型的模擬結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證，進(jìn)而深入探討其對臺風(fēng)浪模擬結(jié)果的影響。本文從計(jì)算高效且精度足夠的梯度風(fēng)臺風(fēng)場模型入手，對比分析了藤田風(fēng)場、內(nèi)域藤田+外域高橋風(fēng)場、修正藤田風(fēng)場、Jelesnianski風(fēng)場和Holland風(fēng)場五種不同的梯度風(fēng)臺風(fēng)場模型。

2 梯度風(fēng)臺風(fēng)場模型

當(dāng)前常用的梯度風(fēng)臺風(fēng)場模型，臺風(fēng)域內(nèi)氣壓場可以寫成：

(1)

其中，P為距離臺風(fēng)中心r處的氣壓;Pc為臺風(fēng)中心處的氣壓;Pn為臺風(fēng)外圍的環(huán)境氣壓;f(r)為到臺風(fēng)中心距離r的函數(shù)，通過假設(shè)不同的f(r)，可以得到臺風(fēng)域內(nèi)不同的氣壓場模型。

對式(1)求導(dǎo)，可以得到臺風(fēng)域內(nèi)氣壓梯度力：

(2)

由梯度風(fēng)平衡，可以建立臺風(fēng)場廓線方程：

(3)

其中，f=2Ωsin(φ)為地球自轉(zhuǎn)科氏力項(xiàng)，φ為計(jì)算點(diǎn)的緯度。

1)藤田風(fēng)場[2]。

(4)

其中,Rmax為最大風(fēng)速半徑，需通過經(jīng)驗(yàn)公式給出。

2)內(nèi)域藤田+外域高橋風(fēng)場[3,4]。

(5)

3)修正藤田風(fēng)場[5]。

(6)

其中，R∞為P=Pn時，計(jì)算點(diǎn)到臺風(fēng)中心的距離，即環(huán)境氣壓半徑。

4)Jelesnianski風(fēng)場[6]。

(7)

5)Holland風(fēng)場[7]。

(8)

其中,β為Holland風(fēng)場經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。對于澳大利亞海岸地區(qū)，Holland[7]給出β的范圍是1.0～2.5。本文中，β的取值根據(jù)Love和Murphy[8]提出的經(jīng)驗(yàn)公式，并乘以修正系數(shù)λ，λ的值取為0.7：

β=λ·[0.25+0.3ln(ΔP)]

(9)

前述五種風(fēng)場模型的氣壓沿臺風(fēng)徑向的分布廓線見圖1。取ΔP=28 hPa，可以計(jì)算得到臺風(fēng)氣壓梯度沿徑向的分布廓線，見圖2。對應(yīng)的風(fēng)速沿徑向的分布廓線見圖3。圖1～圖3中修正藤田15表示環(huán)境氣壓半徑為15倍最大風(fēng)速半徑的修正藤田風(fēng)場，下同。

一般的，在上述梯度風(fēng)模型中，忽略科氏力的影響，可認(rèn)為臺風(fēng)場的最大風(fēng)速位于最大風(fēng)速半徑處。但是從氣壓梯度力廓線和風(fēng)速廓線看(見圖2，圖3)，在臺風(fēng)外圍區(qū)域，各模型氣壓梯度力廓線與風(fēng)速廓線具有相同的分布趨勢。而在4倍最大風(fēng)速半徑以內(nèi)，雖然風(fēng)速廓線與氣壓梯度力廓線的趨勢相同，但兩者達(dá)到最大值的位置不同。除了分段建立模型的Jelesnianski風(fēng)場，其最大氣壓梯度力和最大風(fēng)速均在最大風(fēng)速半徑處，其余四個風(fēng)場模型的最大氣壓梯度力出現(xiàn)在遠(yuǎn)小于最大風(fēng)速半徑的0.5Rmax～0.7Rmax處，而最大風(fēng)速值出現(xiàn)在接近最大風(fēng)速半徑的約0.9Rmax處。

3 結(jié)語

本文比較了五種梯度風(fēng)臺風(fēng)場模型，根據(jù)氣壓、氣壓梯度力和風(fēng)速廓線，可以看出最大氣壓梯度力和最大風(fēng)速并不發(fā)生在同一位置。其中Holland風(fēng)場模型由于可以調(diào)整和臺風(fēng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)β，故可以適應(yīng)不同的臺風(fēng)場結(jié)構(gòu)。

[1] 史玉姣.東中國海臺風(fēng)浪分布特征研究[D].青島：中國海洋大學(xué)，2012.

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[5] 陳超輝，譚言科，李 琳，等.藤田公式改進(jìn)及其在臺風(fēng)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].氣象科技，2011,39(1):1-8.

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[8] Love G, Murphy K. The Operational Analysis of Tropical Cyclone Wind Fields in the Australian Northern Region [R].Northern Territory Region:Bureau of Meteorology,1985.

Comparisons of several typhoon field models

Zhang Liang Niu Haiying* Qi Qing

(CollegeofOceanandCivilEngineering,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China)

This paper introduces classical Fujita wind field, inner Fujita+outer Takahashi wind filed, improved Fujita wind field, Jelesnianski wind field and Holland wind field. The comparisons of pressure, pressure gradient force and wind velocity in radial direction are implemented. It is significant for the disaster prevention design of engineering structures.

typhoon, wind field model, pressure, wind velocity

2015-02-09

張 亮(1987- )，男，在讀碩士； 齊 晴(1991- )，女，在讀碩士

牛海英(1977- )，女，副教授

1009-6825(2015)12-0027-02

TU318

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