何運(yùn)成，傅繼陽，*，李秋勝，陳柏緯，陳雯超

(1.廣州大學(xué) 風(fēng)工程與工程振動(dòng)研究中心，廣州 510006；2.香港城市大學(xué) 建筑學(xué)與土木工程系，香港 999077；3.香港天文臺(tái)，香港 999077；4.廣東省氣候中心，廣州 510080)

0 引 言

臺(tái)風(fēng)是一種破壞力極強(qiáng)的自然災(zāi)害。我國東南沿海位于臺(tái)風(fēng)頻發(fā)地帶，臺(tái)風(fēng)每年都會(huì)給該地區(qū)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。統(tǒng)計(jì)資料顯示在西北太平洋海域平均每年有30個(gè)熱帶氣旋生成，其中約1/3會(huì)在我國沿海地區(qū)登陸，我國每年由此導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)56億美元，占世界同類總損失的21.5%[1]。

臺(tái)風(fēng)對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象十分普遍。臺(tái)風(fēng)作用下高層建筑、橋梁、風(fēng)機(jī)和輸電線塔可產(chǎn)生大幅振動(dòng)，從而對(duì)其使用性能和疲勞壽命產(chǎn)生不利影響。特殊情況下，臺(tái)風(fēng)還可摧毀體育館、低矮房屋、臨時(shí)結(jié)構(gòu)、廣告牌等構(gòu)筑物，也會(huì)直接導(dǎo)致高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的損毀。深入研究臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特征對(duì)發(fā)展和完善結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域相關(guān)理論以及指導(dǎo)臺(tái)風(fēng)影響區(qū)風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)有著重要理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

熱帶氣旋（當(dāng)風(fēng)速達(dá)到33 m/s時(shí)在我國等西北太平洋地區(qū)又稱臺(tái)風(fēng)，而在北美地區(qū)稱為颶風(fēng)）是一種中尺度大氣旋渦系統(tǒng)。成熟氣旋（即臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)）的水平結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外可分為風(fēng)眼、眼壁、螺旋雨帶三部分。風(fēng)眼一般呈圓形或橢圓形，其特征尺寸通常隨臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增大而變小。風(fēng)眼在約2～4 km高度處存在逆溫層，該逆溫層以下大氣為暖濕狀態(tài)，之上則為晴朗、干熱狀態(tài)。風(fēng)眼外圍被眼壁包裹，這里對(duì)流現(xiàn)象顯著，風(fēng)大、云高、雨強(qiáng)。眼壁一般隨高度升高而外傾，其水平厚度為十幾公里至幾十公里不等。螺旋雨帶位于氣旋外圍，受風(fēng)切變和其他環(huán)境因素的影響，雨帶結(jié)構(gòu)往往表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性。沿垂直高度，氣旋由下到上依次可分為流入層、中間層和流出層。流入層厚約2～3 km，層內(nèi)的外圍大氣逐漸向中心聚合，并在此過程中為氣旋內(nèi)部補(bǔ)充濕氣和角動(dòng)量，從而維持系統(tǒng)的生存和發(fā)展。氣旋靠近對(duì)流層層頂?shù)谋硬糠钟闪鞒鰵饬髡紦?jù)。由于流出層慣性穩(wěn)定度低，熱帶氣旋容易在上部遭受環(huán)境大氣侵蝕，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)強(qiáng)度的衰減。需指出的是，熱帶氣旋內(nèi)部含有豐富的對(duì)流運(yùn)動(dòng)和小尺度結(jié)構(gòu)（如滾軸旋渦），這些結(jié)構(gòu)的存在使風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)出較大的脈動(dòng)性和局部差異性。

熱帶氣旋一般產(chǎn)生在溫度高于26.5°C且位于5°緯度區(qū)域外的熱帶洋面。熱帶氣旋形成后，通常會(huì)在背景大氣牽引及β效應(yīng)[2]等作用的影響下發(fā)生移動(dòng)。在移動(dòng)過程中，氣旋會(huì)跟周圍的環(huán)境因素作用，自身結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化，氣旋強(qiáng)度也會(huì)因環(huán)境風(fēng)切變、洋面溫度、背景氣流的熱力學(xué)特征、系統(tǒng)平移速度等因素的變化而發(fā)生改變。當(dāng)熱帶氣旋登陸后，由于缺少暖濕氣流的供給以及地表摩擦力的增大，系統(tǒng)開始迅速衰退。其中心氣壓差會(huì)隨登陸時(shí)間或離岸距離的增加而減小[3]，系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如風(fēng)場(chǎng)、雨帶等也會(huì)呈明顯不對(duì)稱分布。此外，下墊面粗糙度及地形狀況也會(huì)顯著影響系統(tǒng)特征，在復(fù)雜山地狀況下有可能發(fā)生氣流分離、旋渦脫落等現(xiàn)象[4]。

正確理解臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、臺(tái)風(fēng)與環(huán)境因素間的作用關(guān)系以及其生命周期內(nèi)的演變過程是分析不同區(qū)域臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特征以及采用數(shù)值模擬技術(shù)[5]對(duì)臺(tái)風(fēng)極值風(fēng)氣候進(jìn)行合理評(píng)估的基礎(chǔ)。當(dāng)前相關(guān)實(shí)測(cè)資料依然缺乏，對(duì)影響我國沿海一帶熱帶氣旋的內(nèi)部特征及其演變過程認(rèn)識(shí)還不充分。

與常態(tài)風(fēng)不同，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)有其特有的分布特征。自20世紀(jì)90年代末，隨著機(jī)載下投探空設(shè)備在深海上空投入使用，人們獲得了大量有關(guān)氣旋內(nèi)部特征的高分辨率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。Franklin等[6]分析了偵察機(jī)飛行高度處風(fēng)速與地表風(fēng)速間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)地表風(fēng)速折減系數(shù)與距氣旋中心的徑向距離、對(duì)流強(qiáng)度等相關(guān)，且平均風(fēng)速垂直剖線在約500 m高度處存在低空急流特征。Powell等[7]對(duì)颶風(fēng)水平風(fēng)速的垂直剖線進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)洋面風(fēng)阻系數(shù)和粗糙度系數(shù)隨風(fēng)力增強(qiáng)而表現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定或減小的趨勢(shì)。Giammanco等[8]結(jié)合機(jī)載下投設(shè)備探空資料和沿海雷達(dá)資料分析了風(fēng)速剖線的空間特征，并對(duì)地表風(fēng)的陣風(fēng)因子與徑向距離間的關(guān)系進(jìn)行了研究。Zhang等[9]分析了由風(fēng)切變和氣旋相對(duì)位置引起的風(fēng)場(chǎng)不對(duì)稱性。Masters等[10]及Cao等[11]則基于近地面觀測(cè)設(shè)備對(duì)登陸北美和日本的熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)特征行了實(shí)測(cè)研究。

在國內(nèi)，Song等基于梯度塔設(shè)備對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸前后的風(fēng)場(chǎng)特征進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究[12]，詳細(xì)討論了臺(tái)風(fēng)不同區(qū)域風(fēng)場(chǎng)平均及脈動(dòng)特征，并與常態(tài)風(fēng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比[13]。Li等[14]對(duì)比研究了臺(tái)風(fēng)和颶風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特征，并將實(shí)測(cè)結(jié)果與荷載規(guī)范做了比較分析，研究發(fā)現(xiàn)部分參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果與規(guī)范推薦值存在一定差異。Zhao等[15]研究了4個(gè)臺(tái)風(fēng)外部區(qū)域近地面風(fēng)場(chǎng)特征。謝壯寧等[16]基于356 m高的深圳氣象觀測(cè)梯度塔對(duì)臺(tái)風(fēng)山竹個(gè)例進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究，討論了其平均及脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)特征沿高度的分布規(guī)律。此外，很多學(xué)者還對(duì)臺(tái)風(fēng)近地面風(fēng)場(chǎng)特征，特別是脈動(dòng)特征，進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究[17-21]。近些年近地風(fēng)場(chǎng)的非平穩(wěn)、非高斯現(xiàn)象受到較多關(guān)注[22-23]。

盡管國內(nèi)外研究人員就臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特征開展了大量實(shí)測(cè)工作，但大部分研究局限于大氣表層范圍，而在更高范圍甚至在整個(gè)臺(tái)風(fēng)厚度范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)工作非常有限。這影響了人們對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特征進(jìn)行全局化研究，從而限制了一些既有研究成果的適用性。如一般認(rèn)為梯度風(fēng)高度介于250～550 m，在其上風(fēng)速不隨高度發(fā)生變化，且風(fēng)向隨高度的變化也忽略不計(jì)。上述假設(shè)可能會(huì)對(duì)高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)帶來安全隱患。

本文基于探空氣球、雷達(dá)風(fēng)廓線儀等設(shè)備長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)影響華南地區(qū)的熱帶氣旋進(jìn)行實(shí)測(cè)研究。下文首先介紹了監(jiān)測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)，其次展示臺(tái)風(fēng)全局化結(jié)構(gòu)特征，討論臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，最后匯總主要結(jié)論。

1 監(jiān)測(cè)設(shè)備及數(shù)據(jù)介紹

本研究涉及的監(jiān)測(cè)設(shè)備主要包括探空氣球、雷達(dá)風(fēng)廓線儀及常規(guī)地面觀測(cè)站。常規(guī)地面觀測(cè)站主要為位于廣東省境內(nèi)的86個(gè)國家氣象站點(diǎn)（圖1（a）），這些站點(diǎn)可提供每隔兩分鐘記錄的風(fēng)、壓、濕、溫等氣象監(jiān)測(cè)信息。探空氣球及雷達(dá)風(fēng)廓線儀布置在香港境內(nèi)的3個(gè)氣象站：CCH和SSP（風(fēng)廓線儀）及KP（探空氣球）。其中，CCH站點(diǎn)的風(fēng)廓線儀可以高、低兩種模式同時(shí)工作：低模式探測(cè)高度范圍為213～1 656 m，相鄰門高度間隔為60 m；而高模式探測(cè)范圍為459～5 371 m，門間隔為202.5 m。SSP站點(diǎn)的風(fēng)廓線儀只有一種工作模式，探測(cè)范圍為315～9 223 m，門間隔為202.5 m。上述各風(fēng)廓線儀均可提供10分鐘平均的三維風(fēng)速剖線信息以及相應(yīng)探測(cè)信號(hào)的信噪比。此外，系統(tǒng)還會(huì)對(duì)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)檢和標(biāo)識(shí)。KP站點(diǎn)配備自動(dòng)高空大氣探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)每天分別在北京時(shí)間08:00和20:00執(zhí)行例行探空監(jiān)測(cè)任務(wù)，但臺(tái)風(fēng)靠近等特殊情況下，探空監(jiān)測(cè)頻次會(huì)根據(jù)需要適當(dāng)提高。探空氣球釋放后最高可升至距地30 km高空，在此過程中設(shè)備可對(duì)所在位置的大氣以每2秒的采樣間隔進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并記錄包括高度、溫、濕、壓、風(fēng)等在內(nèi)的要素信息。

圖1 氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Location of meteorological stations

香港天文臺(tái)在臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警方面起步較早，并在此過程中積累了大量寶貴數(shù)據(jù)。目前，香港地區(qū)熱帶氣旋警告信號(hào)分為1號(hào)警戒、3號(hào)強(qiáng)風(fēng)、8號(hào)烈風(fēng)或暴風(fēng)、9號(hào)烈風(fēng)或暴風(fēng)風(fēng)力增強(qiáng)以及10號(hào)颶風(fēng)幾個(gè)級(jí)別。香港天文臺(tái)例行探空記錄始于1999年。自此至今，天文臺(tái)共計(jì)對(duì)31個(gè)熱帶氣旋發(fā)布了8號(hào)及以上警報(bào)信號(hào)。上述熱帶氣旋軌跡及其他相關(guān)信息如圖2（a）和表1所示。在上述8號(hào)警報(bào)信號(hào)生效期間，天文臺(tái)共釋放了175個(gè)探空氣球，各氣球與對(duì)應(yīng)熱帶氣旋中心的相對(duì)位置如圖3（a）所示。圖3（b）為探空氣球的無量綱徑向分布圖，圖中無量綱距離為氣球相對(duì)于熱帶氣旋中心的徑向距離（r）與該時(shí)刻氣旋最大風(fēng)速半徑（Rmax）的比值。本文采用Holland氣壓場(chǎng)模型[24]，并基于近地面站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)得到的海平面氣壓場(chǎng)信息擬合得到Rmax值。不過由于地表觀測(cè)站點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)并不完整或相關(guān)數(shù)據(jù)不足以得到可靠的Rmax值，圖3（b）所示測(cè)點(diǎn)數(shù)量比圖3（a）偏少。

圖3 探空氣球相對(duì)熱帶氣旋中心的水平分布圖Fig.3 The horizontal distribution of radiosonde balloons with respect to the centers of TCs

表1 影響香港并致使香港天文臺(tái)發(fā)出8號(hào)及以上警報(bào)信號(hào)的31個(gè)熱帶氣旋相關(guān)信息匯總Table 1 Information of 31 TCs that impacted Hong Kong most severely and resulted in the issuance of TC warning signals at or above the level of No.8 from Hong Kong Observatory

圖2 臺(tái)風(fēng)軌跡圖（圖示為北京時(shí)間）Fig.2 Tracks of typhoons impacting Hong Kong (Beijing Time)

另一方面，自1983年臺(tái)風(fēng)艾倫后，影響香港地區(qū)并致使天文臺(tái)發(fā)出10號(hào)最高級(jí)警報(bào)信號(hào)的臺(tái)風(fēng)只有4例，分別為1999年的約克、2012年的維森特、2017年的天鴿和2018年的山竹。本文選取其中最具代表性的兩例，即約克和山竹，進(jìn)行個(gè)例分析，以展示臺(tái)風(fēng)典型的全局化結(jié)構(gòu)和風(fēng)場(chǎng)特征。兩臺(tái)風(fēng)的中心軌跡及強(qiáng)度信息如圖2（b）所示。

約克是西北太平洋1999年臺(tái)風(fēng)季第15個(gè)命名的熱帶氣旋（國際編號(hào)9915）。約克于9月12日發(fā)展為熱帶低氣壓，于14日進(jìn)一步增強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，并在登陸香港前達(dá)到臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度級(jí)別，登陸時(shí)中心氣壓為965 hPa，中心區(qū)域最大地表風(fēng)速約36 m/s。在約克靠近香港地區(qū)期間，香港天文臺(tái)于16號(hào)上午06:45（北京時(shí)間）發(fā)布了10號(hào)颶風(fēng)警報(bào)信號(hào)。這是自1983年以來的第一個(gè)10號(hào)警報(bào)，且此信號(hào)懸掛了11個(gè)小時(shí)，為歷來最長(zhǎng)。

山竹是西北太平洋2018年臺(tái)風(fēng)季第22個(gè)命名的熱帶氣旋（國際編號(hào)1822）。山竹于9月7日在關(guān)島東部2 300 km位置處形成，而后快速向西平移，并在接下來的幾天時(shí)間內(nèi)持續(xù)增強(qiáng)。山竹于11日增強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)并持續(xù)至14日，但在15日經(jīng)過呂宋島后強(qiáng)度有所衰減。進(jìn)入南海海域后，山竹以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別持續(xù)沿西北向朝華南地區(qū)靠近，并于16日17:00在廣東臺(tái)山海宴鎮(zhèn)登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力14級(jí)，中心最低氣壓955 hPa。

本文采用與作者之前同類實(shí)測(cè)研究工作相同的數(shù)據(jù)前處理技術(shù)[25-26]，對(duì)所有實(shí)測(cè)資料進(jìn)行質(zhì)量控制及預(yù)處理。

2 全局化結(jié)構(gòu)特征

2.1 主結(jié)構(gòu)

圖4展示了臺(tái)風(fēng)約克和山竹影響香港期間由KP站點(diǎn)釋放的高空探測(cè)氣球得到的不同氣象要素垂直剖線。圖中“參考”結(jié)果為背景大氣相應(yīng)氣象要素剖線，即基于2000—2019二十年間與所研究臺(tái)風(fēng)對(duì)應(yīng)月份中不受臺(tái)風(fēng)影響情況下的探空氣球數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，而ΔP表示臺(tái)風(fēng)大氣與背景大氣之間的氣壓差。

從圖中干球溫度及相對(duì)濕度的剖線可知，研究區(qū)域上空大氣對(duì)流層層頂位于約17 km高度，背景大氣溫度在該高度以下隨高度增加而一致性遞減，在此高度以上情況則相反，而相對(duì)濕度剖線值則在對(duì)流層層頂以上急劇降低。從臺(tái)風(fēng)各氣象要素剖線與背景大氣結(jié)果間的差異來看，兩臺(tái)風(fēng)主體結(jié)構(gòu)均延伸至對(duì)流層層頂高度，且臺(tái)風(fēng)大部分區(qū)域大氣濕度較背景大氣顯著偏高。由于約克直擊香港地區(qū)（圖2），因此相關(guān)結(jié)果更能體現(xiàn)臺(tái)風(fēng)核心區(qū)域的特征。從圖4（a）可知，約克中心區(qū)域附近大氣在對(duì)流層層頂高度附近的溫度比背景大氣最高低8°C。圖4（b）則表明在強(qiáng)對(duì)流作用下，約克靠近核心區(qū)域的暖濕強(qiáng)對(duì)流氣團(tuán)已穿過對(duì)流層層頂，到達(dá)平流層底部。然而圖4（c-e）結(jié)果表明，臺(tái)風(fēng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)基本位于對(duì)流層層內(nèi)：在對(duì)流層層頂以下，臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)及風(fēng)場(chǎng)結(jié)果與背景大氣差異明顯，而在其上兩者差異不大。

圖4 約克和山竹垂直結(jié)構(gòu)特征（“參考”表示背景大氣結(jié)果）Fig.4 The vertical structures of typhoons York and Mangkhut

圖4（c）表明臺(tái)風(fēng)流出層中心高度位于15 km處，在該高度附近范圍風(fēng)速和風(fēng)向（圖4（d、e））急劇變化，即臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特征向由背景大氣控制的風(fēng)場(chǎng)特征轉(zhuǎn)化。在流出層以下，臺(tái)風(fēng)氣壓差剖線ΔP(z)值則隨高度增加呈現(xiàn)出線性遞減的變化趨勢(shì)：

其中，ΔP0表示海平面高度處(z= 0)的 ΔP(z)值，k為剖線斜率；Pref(z)表示背景大氣氣壓剖線，且可用壓高公式描述。有意思的是式中k與 ΔP0亦表現(xiàn)出線性相關(guān)關(guān)系（如圖5所示）：

圖5 ΔP剖線斜率與ΔP0之間的線性關(guān)系Fig.5 Linear correlations between the slope of ΔP profile and ΔP0

其中，C為系數(shù)。通過擬合，臺(tái)風(fēng)約克和山竹對(duì)應(yīng)的C值分別為0.091和0.097。需指出的是，已有研究表明其他臺(tái)風(fēng)也表現(xiàn)出與約克和山竹類似的氣壓場(chǎng)剖線分布特征，且公式（2）中系數(shù)值（= 0.092）與本文結(jié)果一致[27]。

圖6、圖7展示了約克和山竹影響香港期間SSP站點(diǎn)雷達(dá)風(fēng)廓線儀監(jiān)測(cè)得到的名義垂直風(fēng)速分量剖線及對(duì)應(yīng)的信噪比。圖中紅色虛線為站點(diǎn)近地面氣壓時(shí)程，該結(jié)果可反映站點(diǎn)距離臺(tái)風(fēng)中心的遠(yuǎn)近信息?；诶走_(dá)風(fēng)廓線工作原理，臺(tái)風(fēng)期間具有較大負(fù)值的垂直風(fēng)速分量（W）應(yīng)對(duì)應(yīng)雨滴下降速度。此外，基于垂直風(fēng)速分量信噪比信息可確定大氣混合層及融化層高度?；旌蠈痈叨瓤梢暈榇髿膺吔鐚痈叨鹊囊环N。在該高度附近，由于大氣濕度和湍流特征發(fā)生較大變化，雷達(dá)反射信號(hào)變化明顯，故可通過回波信噪比變化梯度來確定混合層高度位置。融化層高度識(shí)別過程與之類似。如圖所示，在圖6（a）紅色區(qū)域?qū)?yīng)的眼壁區(qū)，垂直風(fēng)速為較大負(fù)值，說明此區(qū)域存在強(qiáng)降雨。眼壁區(qū)稍外圍的W絕對(duì)值有所減小，且相應(yīng)時(shí)段間歇性出現(xiàn)，說明這些區(qū)域?qū)?yīng)主螺旋雨帶。遠(yuǎn)離眼壁和主螺旋雨帶的區(qū)域也間或存在一些弱降雨區(qū)，該區(qū)域?qū)?yīng)外圍雨帶。由圖6（c、d）和圖7（c、d）可知，在眼壁及主螺旋雨帶上空5 km存在融化層；以融化層為界限，眼壁及主螺旋沿高度可劃分為上、下兩層，上層以緩慢下降的冰晶為主，而下層以快速下降的液態(tài)降雨主導(dǎo)。

圖6 臺(tái)風(fēng)約克影響香港期間SSP站點(diǎn)雷達(dá)風(fēng)廓線儀監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.6 Field measurements from the wind profiler at SSP during the passage of York

圖7 臺(tái)風(fēng)山竹影響香港期間SSP站點(diǎn)雷達(dá)風(fēng)廓線儀監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 Field measurements from the wind profiler at SSP during the passage of Mangkhut

在眼壁及主螺旋雨帶外圍區(qū)，由于降雨較弱，故雷達(dá)信號(hào)中反應(yīng)融化層高度的特征不明顯。從相應(yīng)的信噪比結(jié)果來看，此區(qū)域大氣混合層厚度為1～2 km，不過山竹對(duì)應(yīng)的混合層高度比約克厚，這可能與觀測(cè)期間山竹的強(qiáng)度級(jí)別（強(qiáng)臺(tái)風(fēng)）比約克（臺(tái)風(fēng)）更高有關(guān)。

2.2 雙眼壁及其演化特征

大量實(shí)測(cè)結(jié)果表明，位于空曠海(洋)面上空的熱帶氣旋當(dāng)發(fā)展到一定強(qiáng)度級(jí)別后可能會(huì)在原眼壁外圍由主螺旋雨帶演化形成一個(gè)尺寸更大的外眼壁，從而形成雙眼壁結(jié)構(gòu)。雙眼壁形成后，由于外眼壁的阻擋作用，外圍含有大量動(dòng)能、潛熱的氣團(tuán)很難到達(dá)內(nèi)眼壁，于是內(nèi)眼壁趨于衰退。與此相對(duì)應(yīng)，外眼壁在獲得外圍云系及氣團(tuán)在能量及物質(zhì)方面的持續(xù)補(bǔ)充后不斷發(fā)展，并開始向內(nèi)收縮，而收縮過程導(dǎo)致內(nèi)眼壁進(jìn)一步衰退。如發(fā)展順利，內(nèi)眼壁將最終消失，而外眼壁則取而代之，成為系統(tǒng)的新眼壁，該過程即為眼壁置換。眼壁置換過程會(huì)對(duì)熱帶氣旋的強(qiáng)度及作用范圍產(chǎn)生顯著影響[28]。

圖8展示了臺(tái)風(fēng)山竹在穿越呂宋島前及位于南海北部時(shí)的衛(wèi)星云圖及系統(tǒng)強(qiáng)度及作用范圍示意圖。在圖8（a）所示時(shí)刻，山竹已發(fā)展為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，此時(shí)系統(tǒng)的雙眼壁結(jié)構(gòu)顯著?？梢灶A(yù)見，如眼壁置換過程充分，臺(tái)風(fēng)在隨后的強(qiáng)度有可能會(huì)繼續(xù)提升。但隨后由于山竹橫越呂宋島，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及整體強(qiáng)度受到較大破壞。如圖8（b）所示，當(dāng)山竹到達(dá)南海北部時(shí)，盡管原內(nèi)眼壁已顯著衰退，但原外眼壁未能持續(xù)向內(nèi)收縮，反而自身破損為兩條主螺旋雨帶系，此時(shí)系統(tǒng)強(qiáng)度退化為臺(tái)風(fēng)級(jí)別（圖2（b））。與上述過程相對(duì)應(yīng)，臺(tái)風(fēng)山竹在圖8（a）時(shí)段內(nèi)眼壁附近風(fēng)力最大，但外眼壁影響范圍更加寬廣，而到了圖8（b）所示時(shí)刻時(shí)，原外眼壁區(qū)域風(fēng)速相對(duì)更強(qiáng)。香港天文臺(tái)氣象雷達(dá)資料顯示，山竹登陸前其云系結(jié)構(gòu)依然與圖8（b）一致。臺(tái)風(fēng)這種松散的主云系結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在距離其中心軌跡相對(duì)較遠(yuǎn)的香港受到了比距離其中心軌跡更近區(qū)域（如澳門、珠海）更為嚴(yán)重的影響。

圖8 山竹眼壁置換及其對(duì)系統(tǒng)強(qiáng)度影響Fig.8 Th eyewall replacement of Mangkhut and its impact on the intensity of the storm

2.3 近地面氣壓場(chǎng)分布特征

氣壓梯度力是驅(qū)動(dòng)臺(tái)風(fēng)氣流運(yùn)轉(zhuǎn)的直接作用力。因此臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)在很多臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模擬及臺(tái)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估研究中占據(jù)重要地位。目前應(yīng)用最廣的熱帶氣旋氣壓場(chǎng)模型為Holland[24]提出的近地面徑向分布模式：

式中，P0(r)表示距離臺(tái)風(fēng)中心r位置處近地面氣壓，P0,ref表示海平面背景大氣壓，ΔPc0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓差(即：ΔP0(r= 0))，Rmax為最大風(fēng)速半徑，B為關(guān)鍵系數(shù)。

圖9給出了臺(tái)風(fēng)約克和山竹登陸前后不同時(shí)刻近地面氣壓場(chǎng)徑向分布（以無量綱氣壓差形式給出）實(shí)測(cè)及采用公式（3、4）對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果。實(shí)測(cè)結(jié)果基于圖1所示的廣東省內(nèi)86個(gè)國家氣象站點(diǎn)逐時(shí)記錄的氣象觀測(cè)資料。本文中所有氣壓數(shù)據(jù)均通過熱力學(xué)公式轉(zhuǎn)化為海平面高度值。

圖9 約克和山竹近地面無量綱氣壓差徑向分布實(shí)測(cè)（實(shí)心點(diǎn)）與擬合（實(shí)線）結(jié)果對(duì)比Fig.9 Th radial distribution of measured near-ground pressure-deficit for York and Mangkhut（ Lines are the fitting results）

可以看出，采用Holland模型可對(duì)約克近地面氣壓場(chǎng)的徑向分布特征進(jìn)行較好描述，不過圖9（a）表明在登陸前后約克氣壓場(chǎng)細(xì)節(jié)特征有所變化：08:00/16、14:00/16（登陸）及20:00/16三時(shí)刻的中心氣壓、Rmax和B值分別為 965/970/980 hPa、41/45/53 km、0.79/0.71/0.65，即在登陸過程中Rmax略有增大而B值略有減小。與約克不同，臺(tái)風(fēng)山竹的氣壓場(chǎng)在登陸前后表現(xiàn)出顯著的差異性。登陸前，盡管實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果之間存在一定差異，但總體而言，Holland模型可對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果提供無偏描述。然而臺(tái)風(fēng)登陸后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果之間存在系統(tǒng)偏差?；贖olland模型擬合結(jié)果，山竹在 13:00/16、17:00/16（登陸）、21:00/16三時(shí)刻的中心氣壓、Rmax和B值分別為950/955/970 hPa、101/83/99 km、1.29/1.06/1.18?？梢姡啾扰_(tái)風(fēng)約克，山竹登陸前后對(duì)應(yīng)的Rmax和B值明顯偏大。上述差異應(yīng)與上節(jié)所討論的臺(tái)風(fēng)山竹雙眼壁演化特征有關(guān)。

為進(jìn)一步探究臺(tái)風(fēng)山竹登陸前后氣壓場(chǎng)徑向分布差異性的原因，圖10給出了山竹在剛穿過呂宋島（08:00/15）、位于中國南海北部（08:00/16）及在華南地區(qū)臨登陸前（14:00/16）三個(gè)時(shí)刻近地面氣壓場(chǎng)后驗(yàn)分析結(jié)果。圖示結(jié)果表明當(dāng)山竹臨近大陸海岸線時(shí)，其氣壓場(chǎng)由軸中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)逐漸向軸非對(duì)稱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。針對(duì)圖10（c）所示的軸非對(duì)稱氣壓場(chǎng)結(jié)構(gòu)，He等[29]提出了基于橢圓族函數(shù)的臺(tái)風(fēng)近地面氣壓場(chǎng)二維模型：

圖10 山竹在不同時(shí)刻近地面等壓線后驗(yàn)分析結(jié)果（http://envf.ust.hk/dataview/hko_wc/current/）Fig.10 Contours of the near-ground pressure of Mangkhut at different time via posterior analysis

其中，臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)等壓線由式（5）所示的橢圓族函數(shù)描述，ρ (e,θ)表示橢圓極坐標(biāo)函數(shù)，θ為相對(duì)臺(tái)風(fēng)中心的角度，e為橢圓曲率，L和 θc為系數(shù)分別表示氣壓場(chǎng)水平特征尺寸及橢圓族長(zhǎng)軸朝向。式（6）建立了橢圓族關(guān)鍵系數(shù)e與臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)等壓線P0(e)間的關(guān)系，P0,ref與ΔPc0含義與前述相同，ΔPnorm為無量形式的氣壓差。通過擬合，ΔPnorm與e之間存在如式（7）所示的線性關(guān)系。

公式（5-7）給出了臺(tái)風(fēng)山竹登陸前近地面氣壓場(chǎng)軸非對(duì)稱二維分布模型。該模型與公式（1-2）所示的臺(tái)風(fēng)垂直剖線模型結(jié)合，可得到臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)三維分布模型。

2.4 關(guān)鍵參數(shù)概率分布特征

當(dāng)前臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估研究主要采用蒙特卡羅抽樣模擬技術(shù)，而臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)概率分布模型在其中占據(jù)重要地位。臺(tái)風(fēng)主要關(guān)鍵參數(shù)包括年發(fā)生率、中心平移速度、平移方向、中心氣壓（差）、最大風(fēng)速半徑Rmax、Holland-B（或B）等。上述參數(shù)中，前4個(gè)參數(shù)可基于臺(tái)風(fēng)年鑒資料獲得，而Rmax和Holland-B的數(shù)值則不易確定。

在北美地區(qū)，科研人員對(duì)區(qū)域性熱帶氣旋關(guān)鍵參數(shù)特征進(jìn)行了深入研究，并提出了相應(yīng)的概率分布模型[30]。國內(nèi)研究人員也對(duì)影響我國熱帶氣旋的關(guān)鍵參數(shù)特征進(jìn)行了研究，但由于實(shí)測(cè)資料有限，相關(guān)研究有待進(jìn)一步開展。需指出的是不同大洋盆地?zé)釒庑慕Y(jié)構(gòu)和風(fēng)場(chǎng)特征可能存在較大差異，對(duì)于登陸前后的氣旋而言，上述情況更為明顯。

本節(jié)重點(diǎn)對(duì)影響華南地區(qū)臺(tái)風(fēng)的Rmax和B概率分布特征進(jìn)行分析，參數(shù)值由式（3、4）擬合而定。為簡(jiǎn)化討論，這里忽略雙眼壁及氣壓場(chǎng)軸非對(duì)稱分布特征對(duì)結(jié)果的影響。

圖11所示為兩參數(shù)概率密度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及采用不同分布模型得到的擬合結(jié)果。通過χ2和K-S檢驗(yàn)，最優(yōu)擬合模型為對(duì)數(shù)正態(tài)分布：

圖11 影響華南地區(qū)臺(tái)風(fēng)的最大風(fēng)速半徑Rmax和Holland-B概率分布及不同模型擬合結(jié)果Fig.11 Probability distributions of the radius of maximum wind speed and Holland-B for typhoons impacting South China

式中 μ為樣本對(duì)數(shù)的均值，σ為樣本對(duì)數(shù)的方差。相關(guān)參數(shù)具體值如表2所示。

表2 影響華南地區(qū)臺(tái)風(fēng)的最大風(fēng)速半徑Rmax和Holland-B概率分布模型關(guān)鍵參數(shù)信息Table 2 Key parameters involved in the probability distribution models of Rmax and Holland-B for TCs in South China

由于Rmax和Holland-B參數(shù)值不易獲得，實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)可通過建立兩參數(shù)與中心氣壓差ΔP的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，然后通過先確定ΔP再確定兩參數(shù)值[30]：

式中，ai、bi(i= 0,1)為系數(shù)，ε、 ε1代表系統(tǒng)誤差。

遵循上述思路，以下對(duì)Rmax與ΔP及B與Rmax的關(guān)系進(jìn)行分析。圖12（a）展示了Rmax與ΔP之間的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為 ρXY= -0.613 4，這說明Rmax與ΔP存在強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，圖12（b）表明系統(tǒng)誤差ε可基本描述為一正態(tài)隨機(jī)過程。式（9、10）中相關(guān)參數(shù)最佳擬合值如表3所示，其中σε表示ε的均方根值。與此相對(duì)應(yīng)，B與Rmax之間的關(guān)聯(lián)性分析結(jié)果如圖12（c、d）所示。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明兩者相關(guān)度極低（相關(guān)系數(shù)為0.027 9），因此基于Rmax采用式（10）來計(jì)算B值的方法并不可靠。

圖12 最大風(fēng)速半徑與中心氣壓差和Holland-B間相關(guān)性 (藍(lán)色星為數(shù)據(jù)點(diǎn)，紅線為擬合線)Fig.12 The correlation between the radius of maximum wind speed and central pressure deficit and Holland-B

表3 基于實(shí)測(cè)得到的式(9、10)各參數(shù)信息Table 3 Parameters in Equations (9-10) estimated via field measurements

為進(jìn)一步了解B與Rmax之間的關(guān)系，圖13展示了約克和山竹兩臺(tái)風(fēng)影響華南地區(qū)期間上述兩參數(shù)之間的相互關(guān)系。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：1）在個(gè)例分析中，B與Rmax表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性；2）不同臺(tái)風(fēng)個(gè)例之間兩參數(shù)的相關(guān)性特征差異顯著—對(duì)山竹而言，兩參數(shù)為正相關(guān)關(guān)系；而對(duì)約克而言，兩參數(shù)為弱負(fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)合上節(jié)有關(guān)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)特征的討論，B與Rmax兩參數(shù)間的關(guān)系應(yīng)該與臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分布特征密切相關(guān)，而不同臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)間的差異性使B與Rmax之間的關(guān)聯(lián)性變得相當(dāng)復(fù)雜，甚至從基于大量臺(tái)風(fēng)樣本的統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來講，B與Rmax不再相關(guān)。

圖13 臺(tái)風(fēng)約克和山竹影響華南地區(qū)期間Holland-B與最大風(fēng)速半徑間的相關(guān)性Fig.13 The correlation between Holland-B and RMW for York and Mangkhut

3 風(fēng)場(chǎng)特征

3.1 全局化風(fēng)場(chǎng)特征

圖14給出了基于表1所述175個(gè)探空氣球?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)得到的復(fù)合分析結(jié)果。圖中，所有數(shù)據(jù)按照“邊界層參考風(fēng)速”的大小被劃分為不同風(fēng)速組。本文“邊界層參考風(fēng)速”定義為1 000 m以下范圍所有測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的算術(shù)平均值。類似地，“邊界層參考風(fēng)向”基于1 000 m以下各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)采用矢量平均技術(shù)計(jì)算得到。由于數(shù)據(jù)資料有限，且本節(jié)重點(diǎn)在于揭示臺(tái)風(fēng)全局化風(fēng)場(chǎng)特征，故圖14未考慮不同來流地貌對(duì)風(fēng)場(chǎng)特征的影響。

圖14 探空氣球?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)復(fù)合分析結(jié)果Fig.14 Results of the composite analysis for ballon-measured TC wind fields

圖4（d、e）和圖14（a）所示結(jié)果表明在 25 km高度范圍內(nèi)，風(fēng)場(chǎng)沿高度大致可劃分為以下四個(gè)部分。1）在大氣邊界層內(nèi)（最大風(fēng)速對(duì)應(yīng)高度以下），風(fēng)場(chǎng)受地貌特征影響顯著，風(fēng)切變及湍流特征顯著，風(fēng)速總體上隨高度上升而變大。2）在梯度風(fēng)高度以上至流出層以下（＜ 15 km）的范圍，風(fēng)速呈現(xiàn)出隨高度上升而減小或先變化不大而后減小的趨勢(shì)。在風(fēng)力較大狀況下，風(fēng)速剖線在梯度風(fēng)高度附近表現(xiàn)出顯著的低空急流（LLJ）特征。3）在流出層附近，風(fēng)速變的很小，而風(fēng)向（圖4）變化劇烈。4）在對(duì)流層層頂以上的范圍，研究區(qū)域上空大氣運(yùn)動(dòng)受背景大氣主導(dǎo)，故不同風(fēng)速組別（圖16（a））剖線彼此間的差異很小。流出層中心高度至對(duì)流層層頂之間的范圍為過渡區(qū)，在此范圍內(nèi)，風(fēng)速隨高度升高而增大。

圖14（b）考察了5 km高度范圍內(nèi)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)隨徑向距離（采用無量綱形式，即：r/Rmax）變化的分布特征。可以看出風(fēng)速在r/Rmax附近存在極值，且該區(qū)域風(fēng)速極值對(duì)應(yīng)高度隨徑向距離變大而趨于上升。上述結(jié)果與海上熱帶氣旋觀測(cè)結(jié)果一致。然而，在r/Rmax= 2甚至更遠(yuǎn)徑向位置處也存在風(fēng)速極值。其原因可能在于：1） 臺(tái)風(fēng)在臨近登陸或登陸后自身結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性越發(fā)明顯，而最大風(fēng)速半徑不能有效反映臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的非對(duì)稱特征；2） 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏，不能有效揭示多種因素（地形地貌、臺(tái)風(fēng)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)、徑向距離等）作用下各因素對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的影響特征。總而言之，圖14（b）結(jié)果反映了華南地區(qū)登陸或鄰近登陸臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特征的復(fù)雜性。

3.2 風(fēng)速及風(fēng)向剖線

3.2.1 個(gè)例分析結(jié)果

圖15展示了臺(tái)風(fēng)山竹影響香港期間由SSP和CCH兩站點(diǎn)雷達(dá)風(fēng)廓線儀探測(cè)得到的2小時(shí)水平平均風(fēng)速和風(fēng)向的垂直剖線。CCH站點(diǎn)最大平均風(fēng)速超過50 m/s，對(duì)應(yīng)高度位于1～2 km范圍。相比而言，SSP站點(diǎn)最大風(fēng)速略低，而最大風(fēng)速所在高度略高。導(dǎo)致上述差異產(chǎn)生的原因在于：1） 兩風(fēng)廓線儀硬件設(shè)備及工作設(shè)定參數(shù)不同；2） 兩站點(diǎn)相對(duì)臺(tái)風(fēng)中心的距離有所差異，而臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特征與徑向距離有很大關(guān)系；3） 來流地形特征差異顯著（圖1（b））。

圖15 山竹影響香港期間由SSP和CCH兩站點(diǎn)風(fēng)廓線儀探測(cè)的2小時(shí)水平平均風(fēng)速(U)和風(fēng)向 (θ)垂直剖線(26-28 h 表示02:00-04:00/16)Fig.15 Vertical profiles of 2 h-mean horizontal wind speed and direction based on field measurements from the two wind profilers at SSP and CCH during the passage of Mangkhut

圖15所示兩站點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果表明：1） 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)中存在顯著的低空急流現(xiàn)象，而風(fēng)廓線的LLJ結(jié)構(gòu)不僅可存在于最大風(fēng)速對(duì)應(yīng)的眼壁區(qū)附近（SSP站點(diǎn)34-36 h），還可存在于較外圍區(qū)域（SSP站點(diǎn) 26-28 h；對(duì)應(yīng)圖7中02:00-04:00/16）；2） 不同站點(diǎn)不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的梯度風(fēng)高度有所差異，總體來看，梯度風(fēng)高度位于1-2.5 km區(qū)間，來流為山地地貌情況下的梯度風(fēng)高度普遍偏高，但所有剖線對(duì)應(yīng)的梯度風(fēng)高度均比深海洋面實(shí)測(cè)結(jié)果（0.5～1 km）顯著偏高；3） 風(fēng)向在大氣邊界層內(nèi)隨高度有明顯變化，即偏轉(zhuǎn)風(fēng)效應(yīng)顯著。

為更清晰展示上述討論內(nèi)容，圖16展示了臺(tái)風(fēng)山竹影響香港期間基于雷達(dá)風(fēng)廓線儀在09:00-14:00/16時(shí)段（風(fēng)力最強(qiáng)時(shí)段）探測(cè)數(shù)據(jù)得到的總體無量綱風(fēng)剖線。如圖所示，臺(tái)風(fēng)風(fēng)速剖線低空急流特征非常明顯。在SSP站點(diǎn)，低空急流中心高度位于2 km，8 km高度處風(fēng)速降為最大風(fēng)速的80%，近地面風(fēng)速降為最大風(fēng)速的30%。而在CCH，最大風(fēng)速位于約1 km高度處，5 km高度處風(fēng)速降為最大風(fēng)速的80%，近地面風(fēng)速僅降為最大風(fēng)速的72%。兩站點(diǎn)近地面風(fēng)速特征的差異性反映出局地地貌特征對(duì)研究位置風(fēng)場(chǎng)的影響。圖17展示了臺(tái)風(fēng)約克和山竹影響香港期間梯度風(fēng)風(fēng)速及梯度風(fēng)高度隨距臺(tái)風(fēng)中心徑向距離的變化關(guān)系。由圖可知，臺(tái)風(fēng)梯度風(fēng)高度呈現(xiàn)出隨距臺(tái)風(fēng)中心徑向距離變大而升高（1～4 km）的趨勢(shì)。

圖16 基于雷達(dá)風(fēng)廓線儀數(shù)據(jù)得到的山竹總體無量綱風(fēng)剖線（結(jié)果以均值 + 誤差棒形式給出，且縱坐標(biāo)以線性和對(duì)數(shù)形式給出）Fig.16 Vertical profiles of ensemble-averaged dimensionless wind speed of Mangkhut

圖17 約克和山竹影響香港期間臺(tái)風(fēng)梯度風(fēng)風(fēng)速及對(duì)應(yīng)高度隨徑向距離變化關(guān)系Fig.17 Dependnece of the speed and height of the gradient wind on the radial distance for York and Mangkhut

3.2.2 復(fù)合分析結(jié)果

為得到更為穩(wěn)定的臺(tái)風(fēng)風(fēng)剖線，本文基于CCH站點(diǎn)全部風(fēng)廓線實(shí)測(cè)樣本資料，得到了如圖18所示的兩類來流地貌下風(fēng)速剖線復(fù)合分析結(jié)果。圖18（a）對(duì)應(yīng)來流空曠海面地貌，圖18（b）對(duì)應(yīng)來流山地地貌。圖18（a）反映出隨著風(fēng)力的增強(qiáng)，臺(tái)風(fēng)風(fēng)剖線低空急流特征越發(fā)顯著，且低空急流中心高度大體呈現(xiàn)出隨風(fēng)速提高而降低的變化趨勢(shì)（變化范圍1 430～457 m）。與此相對(duì)應(yīng)，圖18（b）所示梯度風(fēng)高度整體上有顯著升高，且梯度風(fēng)高度受風(fēng)速變化影響不顯著（1 376～1 615 m）。由圖2（b）可知，圖18（b）所示來流山峰高度最高不超過1 000 m?？梢姡匦涡?yīng)在山體尾流區(qū)沿高度方向的影響范圍可遠(yuǎn)超對(duì)應(yīng)山峰高度。

圖18同時(shí)展出了采用對(duì)數(shù)律和指數(shù)律對(duì)臺(tái)風(fēng)邊界層內(nèi)風(fēng)剖線數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果。兩種情況得到的粗糙度長(zhǎng)度z0以及冪指數(shù)α值差異不大（z0: 0.4～0.9;α: 0.20～0.26）。需指出的是，盡管圖18（a）對(duì)應(yīng)空曠海面來流地貌，但CCH近地面風(fēng)場(chǎng)受長(zhǎng)洲島地形特征影響顯著。此外，采用風(fēng)剖線法得到的z0和α值受近地面高度層數(shù)據(jù)影響較大，而本研究中近地面數(shù)據(jù)只有一層，故相關(guān)結(jié)果存在較大不確定性。

偏轉(zhuǎn)風(fēng)特征是近些年學(xué)者們開始關(guān)注的一類風(fēng)場(chǎng)特征。由于風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角（即風(fēng)向沿高度發(fā)生變化）的存在，基于某一高度 （如近地面） 得到的風(fēng)向信息未必能有效反映風(fēng)場(chǎng)沿高度的分布特征。這對(duì)高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)評(píng)估結(jié)果的影響有可能非常顯著。

圖19展示了CCH站點(diǎn)風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角（Δθ）實(shí)測(cè)結(jié)果，每一組Δθ剖線均通過各高度層風(fēng)向減去2 000～5 000 m范圍平均風(fēng)向得到。圖19（a）對(duì)應(yīng)不同來流風(fēng)向扇區(qū)對(duì)應(yīng)的Δθ結(jié)果，而圖19（b）對(duì)應(yīng)空曠來流海面扇區(qū)（210°～270°）情況下6組不同風(fēng)速對(duì)應(yīng)的Δθ結(jié)果。圖19（a）結(jié)果表明，復(fù)雜山地來流地貌下風(fēng)向隨高度變化很大，近地1 000 m及2 000 m范圍內(nèi)風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角最高可達(dá)40°和60°。可以預(yù)見，采用近地面風(fēng)場(chǎng)信息來分析超高層建筑高空位置處風(fēng)效應(yīng)特征會(huì)引起極大誤差。圖19（b）表明海面來流情況下，強(qiáng)風(fēng)Δθ剖線在地表層以上（＞100 m）隨高度變化呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)律分布特征，且近地2 000 m范圍內(nèi)風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角可到 30°。

圖19 采用復(fù)合分析技術(shù)得到的CCH站點(diǎn)風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角Fig.19 Vertical profiles of horizontal wind direction obtained via the composite analysis

3.2.3 風(fēng)速剖線全局化分布模型

隨著高聳建筑高度日益增高，對(duì)臺(tái)風(fēng)剖線模型高度適用性方面的需求也日益提升。由于對(duì)數(shù)律和指數(shù)律模型不能反映臺(tái)風(fēng)剖線低空急流特征，近些年研究人員提出了一些適用范圍更廣的剖線模型[31-32]。然而上述研究在處理低空急流以上高度范圍時(shí)，缺乏客觀性約束條件，因此主觀性較大。

本節(jié)提出一種基于空曠海面來流地貌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（圖18（a））的臺(tái)風(fēng)風(fēng)速剖線全局化分布模型。將風(fēng)剖線最大風(fēng)速出現(xiàn)的高度記為h，考慮圖16和圖18（a）所示結(jié)果，假定垂直風(fēng)速剖線存在一上邊界高度H1（約10 km），在該位置處風(fēng)速按照風(fēng)剖線位于h以上高度范圍的變化趨勢(shì)而趨于0。U(z)在地表層范圍內(nèi)遵循對(duì)數(shù)律分布規(guī)律，而在梯度風(fēng)高度h以上的范圍，由于遠(yuǎn)離地表，大氣受地表拖拽影響弱，故假設(shè)此范圍內(nèi)氣流統(tǒng)計(jì)特征與層流狀態(tài)相近，于是U(z)隨高度呈線性分布關(guān)系。

圖18 兩類來流地貌下風(fēng)速剖線復(fù)合分析結(jié)果Fig.18 Wind speed profiles obtained via the composite analysis for two exposure conditions

公式（11、12）給出了高度z在 近地面范圍及z位于遠(yuǎn)高于梯度風(fēng)高度h以上范圍時(shí)風(fēng)速U(z)的兩個(gè)邊界條件。引入坐標(biāo)變換N(z)=ln(H1/z)，可知z→0時(shí)，N→ ∞；z→H1時(shí)，N→0?？紤]到式（11、12）所示的風(fēng)剖線兩邊界特征，參考風(fēng)速譜通用化模型，從而假定無量綱風(fēng)速剖線公式如下：

其中，A(≈0.7)和B(≈0.11)為系數(shù)，其值可通過擬合風(fēng)剖線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到。

圖20分別展示了風(fēng)速U隨無量綱參數(shù)N及高度的變化關(guān)系?？梢?，公式擬合值與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。需指出的是，式（13）所示模型可以描述臺(tái)風(fēng)風(fēng)剖線LLJ及其高度隨風(fēng)力強(qiáng)度變化的特征，且其使用范圍比現(xiàn)有風(fēng)剖線模型都要廣泛。

圖20 風(fēng)速剖線全局化分布模型及其與實(shí)測(cè)對(duì)比Fig.20 Comparisons between modeled and measured wind profiles

3.3 近地表面風(fēng)場(chǎng)特征

圖21展示了臺(tái)風(fēng)山竹影響香港期間，位于香港不同位置處多個(gè)地表站點(diǎn)風(fēng)速設(shè)備監(jiān)測(cè)得到的10 min水平風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)程。

可以看到盡管各氣象站點(diǎn)均位于香港地區(qū)地表層范圍，但彼此風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)程信息存在顯著差異。KP站點(diǎn)位于香港城市中心（靠近SSP），其附近風(fēng)場(chǎng)受周邊建筑以及外圍山地遮擋效應(yīng)顯著，風(fēng)速很低。R1C位于香港國際機(jī)場(chǎng)跑道一側(cè)，盡管其局地地貌特征平坦開闊，但由于來流地貌受山脈特征主導(dǎo)，因此該站點(diǎn)周邊風(fēng)場(chǎng)所受地形的遮擋效應(yīng)依然顯著，其風(fēng)速值與其他來流空曠站點(diǎn)（CCH）實(shí)測(cè)結(jié)果相比明顯偏低。在CCH風(fēng)速最大時(shí)刻附近，該站點(diǎn)風(fēng)速值與TMS（位于香港最高峰）站點(diǎn)的實(shí)測(cè)記錄接近；而在其余時(shí)刻（最大風(fēng)速后TMS站點(diǎn)氣象設(shè)備損壞），TMS站點(diǎn)記錄風(fēng)速比CCH風(fēng)速高出很多。這是因?yàn)樽畲箫L(fēng)速時(shí)刻對(duì)應(yīng)西南風(fēng)，而該來流情況下，CCH站點(diǎn)所在的長(zhǎng)洲島地形具有顯著的加速作用[33]。與此相對(duì)應(yīng)，圖21（b）說明不同站點(diǎn)所記錄的風(fēng)向信息彼此差異相對(duì)較小，但在很多時(shí)刻這種差異也不能忽略（如12:00/15- 00:00/16）。

圖21 臺(tái)風(fēng)山竹影響香港期間不同站點(diǎn)10分鐘水平風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)程Fig.21 Time histories of 10-min-averaged wind speed and direction during the passage of Mangkhut

上述差異性給基于地表風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用和研究帶來諸多不便，突出表現(xiàn)在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)往往不能有效反映未受來流地貌/地形影響的風(fēng)場(chǎng)特征，從而導(dǎo)致基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)論存在較大不確定性。如采用R1C站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反推高空風(fēng)速，按照業(yè)內(nèi)通用假定即機(jī)場(chǎng)來流地貌為B類地貌，取α= 0.12，由圖15取梯度風(fēng)高度為1 000 m，則算得的山竹影響香港期間最大風(fēng)速為34.8 m/s，這與圖15所示結(jié)果差異顯著。如果上述計(jì)算中的梯度風(fēng)高度基于荷載規(guī)范中有關(guān)沿海地帶或來流空曠地貌對(duì)應(yīng)的梯度風(fēng)高度計(jì)算，則計(jì)算得到的梯度風(fēng)風(fēng)速不超過30 m/s。

針對(duì)上述問題，可采用標(biāo)準(zhǔn)化方法[33]將地表實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的數(shù)值。對(duì)常態(tài)風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用該類方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理時(shí)，一般假設(shè)同一區(qū)域不同站點(diǎn)上空梯度風(fēng)風(fēng)速不變。圖22（a）對(duì)比分析了山竹影響香港期間基于CCH和SSP風(fēng)廓線儀得到的兩站點(diǎn)上空梯度風(fēng)風(fēng)速時(shí)程，兩者在大部分時(shí)間展現(xiàn)出較好的一致性，這為前述假設(shè)的有效性提供了支撐。但在臺(tái)風(fēng)最靠近香港的時(shí)段，兩時(shí)程間的差異依然明顯。其主要原因是臺(tái)風(fēng)核心區(qū)域風(fēng)場(chǎng)梯度變化顯著，而兩站點(diǎn)相對(duì)臺(tái)風(fēng)中心徑向距離的差異性會(huì)導(dǎo)致兩站點(diǎn)上空的梯度風(fēng)強(qiáng)度存在明顯差別。圖22（b）顯示山竹最靠近香港時(shí)，兩站點(diǎn)距臺(tái)風(fēng)中心的徑向距離最大可差25 km?；谏鲜鲇懻摚?dāng)開展臺(tái)風(fēng)影響下近地面風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化研究時(shí)，需特別考慮臺(tái)風(fēng)梯度風(fēng)沿徑向的變化特征。

圖22 臺(tái)風(fēng)山竹影響香港期間基于CCH和SSP兩站點(diǎn)風(fēng)廓線儀得到的每小時(shí)平均的梯度風(fēng)時(shí)程及兩站點(diǎn)距離臺(tái)風(fēng)中心距離時(shí)程Fig.22 Time history of gradient wind speed and storm-relative distance of the observation stations during the passage of Mangkhut above Hong Kong

4 結(jié)論與討論

本文主要對(duì)影響華南地區(qū)熱帶氣旋的全局化結(jié)構(gòu)及風(fēng)場(chǎng)特征進(jìn)行了個(gè)例和匯總研究。通過對(duì)半世紀(jì)以來影響香港最為嚴(yán)重的兩臺(tái)風(fēng) （山竹和約克）進(jìn)行個(gè)例分析，闡述了臺(tái)風(fēng)典型的主體結(jié)構(gòu)特征，詳細(xì)介紹了臺(tái)風(fēng)水平和垂直結(jié)構(gòu)特征及各結(jié)構(gòu)部分所在空間位置；展示了臺(tái)風(fēng)在深海上空的雙眼壁結(jié)構(gòu)及其演化特征及其對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度的影響；揭示了臺(tái)風(fēng)臨近登錄及登陸后氣壓場(chǎng)軸非對(duì)稱特征及最大風(fēng)速半徑和Holland-B等關(guān)鍵參數(shù)分布特征；提出了臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)軸非對(duì)稱水平分布模型和垂直剖線模型。在臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)研究方面，分別采用個(gè)例分析和復(fù)合分析手段討論了其全局化分布特征、臺(tái)風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向垂直剖線特征以及近地面風(fēng)場(chǎng)特征，重點(diǎn)研究了臺(tái)風(fēng)水平風(fēng)速低空急流特征并提出了一種基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的剖線模型，闡述了典型地形/地貌效應(yīng)對(duì)近地面風(fēng)場(chǎng)特征的影響，提出了基于梯度風(fēng)確定參考風(fēng)速的理念。

需要強(qiáng)調(diào)的是，有關(guān)臺(tái)風(fēng)全局化結(jié)構(gòu)和風(fēng)場(chǎng)特征兩部分的研究?jī)?nèi)容并不是彼此割裂的，前者可為深入分析臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特征提供必要參考（如山竹風(fēng)場(chǎng)分布特征與其眼壁置換過程密切相關(guān)）。此外，受實(shí)測(cè)資料限制，本文沒有討論臺(tái)風(fēng)局部化結(jié)構(gòu)特征及其與風(fēng)場(chǎng)脈動(dòng)特征之間的關(guān)系。這方面的研究工作有待繼續(xù)和加強(qiáng)。