基于測風(fēng)塔實(shí)測臺(tái)風(fēng)威馬遜登陸過程的強(qiáng)風(fēng)特性分析*

黃浩輝 陳雯超 植石群 王丙蘭

1 廣東省氣候中心，廣州 510080 2 華風(fēng)氣象傳媒集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100081

提 要： 利用廣東省徐聞縣西連鎮(zhèn)90 m測風(fēng)塔在1409號超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)威馬遜登陸期間獲取的具備完整的臺(tái)風(fēng)代表性的觀測數(shù)據(jù)以及處于臺(tái)風(fēng)外圍的廣東省茂名市博賀鎮(zhèn)100 m測風(fēng)塔的觀測數(shù)據(jù)，對臺(tái)風(fēng)威馬遜的近地層強(qiáng)風(fēng)特性進(jìn)行了分析，西連測風(fēng)塔結(jié)果表明：風(fēng)速時(shí)程曲線呈明顯的“M”型分布特征，臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過測風(fēng)塔前后，風(fēng)向沿逆時(shí)針方向大幅偏轉(zhuǎn)約170°。風(fēng)速隨高度增加而增大，風(fēng)速廓線較好地符合對數(shù)和冪指數(shù)律；臺(tái)風(fēng)過境前后，各強(qiáng)風(fēng)區(qū)的風(fēng)速廓線冪指數(shù)和粗糙長度呈先減小后增大的特點(diǎn)；粗糙陸地下墊面的風(fēng)速廓線冪指數(shù)和粗糙長度較大。湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)系數(shù)在前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)或后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)較大，在前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)或后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)較小，湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)系數(shù)隨高度增加而減小，基本符合指數(shù)為負(fù)值的冪指數(shù)律；粗糙下墊面對湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)系數(shù)有增大的作用。外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)和眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)的10 min風(fēng)向變率變化較為平穩(wěn)，而在眼區(qū)變動(dòng)較為劇烈，在眼區(qū)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到最低值或次低值時(shí)，10 min風(fēng)向變率幅值達(dá)到最大值。博賀測風(fēng)塔結(jié)果表明其總體上與西連測風(fēng)塔臺(tái)風(fēng)前外圍和前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)的情形相似。

引 言

風(fēng)災(zāi)是人類面臨的主要自然災(zāi)害之一，其中又以臺(tái)風(fēng)災(zāi)害居首，西北太平洋是全球熱帶氣旋發(fā)生頻率最高的海域，中國又是全球登陸臺(tái)風(fēng)最多的國家(陳聯(lián)壽等，2012)。每年約有8個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸我國，臺(tái)風(fēng)引發(fā)的大風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮具有嚴(yán)重的破壞力，可造成房屋尤其是沿海地區(qū)村鎮(zhèn)建筑的倒塌損毀、構(gòu)筑物的破壞、交通癱瘓、輸電線路故障和電力基塔等基礎(chǔ)設(shè)施損壞并由此常造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡(陳海燕等，2018；楊絢等，2020)。臺(tái)風(fēng)的近地層風(fēng)特性在臺(tái)風(fēng)不同位置和不同下墊面作用下會(huì)有不同的特征(端義宏等，2014；梁莉等，2018；鄭燾等，2018)，現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的高度和水平跨度均越來越大，結(jié)構(gòu)在不同位置的風(fēng)環(huán)境也具有差異，在臺(tái)風(fēng)非均勻風(fēng)場作用下，這種差異會(huì)更為明顯，可能導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)甚至變形。現(xiàn)場實(shí)測是了解臺(tái)風(fēng)風(fēng)場結(jié)構(gòu)及其對結(jié)構(gòu)致災(zāi)機(jī)理研究的重要手段，國內(nèi)外對臺(tái)風(fēng)外場觀測與分析已進(jìn)行了大量的研究。Powell et al(2003)利用GPS探測儀測量了熱帶氣旋下海洋邊界層的風(fēng)廓線。Cao et al(2009)利用位于15 m高度上同步測量的9臺(tái)翼式風(fēng)速計(jì)和7臺(tái)超聲風(fēng)速儀的觀測數(shù)據(jù)對登陸日本的臺(tái)風(fēng)鳴蟬(2003)進(jìn)行分析，探討了臺(tái)風(fēng)湍流強(qiáng)度、相關(guān)系數(shù)、陣風(fēng)因子和湍流譜。Ishizaki(1983)對登陸日本的多個(gè)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過程的風(fēng)速和湍流參數(shù)等進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其風(fēng)況特性與其經(jīng)過的下墊面粗糙度關(guān)系密切。Tamura et al(2007)研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線冪指數(shù)值隨著從海邊到陸地距離的增加而增加，離陸風(fēng)的冪指數(shù)值均大于離海風(fēng)的冪指數(shù)值。Li et al(2015)對比了臺(tái)風(fēng)和颶風(fēng)的風(fēng)特性差異，并分析了粗糙長度和平均風(fēng)速對湍流風(fēng)特性的影響。宋麗莉等(2005;2006)和Song et al(2010;2012;2016)基于廣東多個(gè)登陸臺(tái)風(fēng)的梯度觀測數(shù)據(jù)，對比分析了臺(tái)風(fēng)中心區(qū)域和其外圍風(fēng)況的平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)參數(shù)特征,發(fā)現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)和外圍大風(fēng)區(qū)風(fēng)特性的顯著差異,建立了風(fēng)速廓線冪指數(shù)與粗糙長度的數(shù)學(xué)模型。趙小平等(2016)基于海南文昌市90 m測風(fēng)塔分析了強(qiáng)臺(tái)風(fēng)海鷗的近地層風(fēng)場時(shí)空特征，發(fā)現(xiàn)粗糙長度、風(fēng)廓線冪指數(shù)、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)系數(shù)與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。肖輝等(2017)分析了深圳350 m氣象梯度塔在臺(tái)風(fēng)妮妲的觀測資料，發(fā)現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)前外圍、前風(fēng)圈、眼區(qū)的風(fēng)廓線在350 m高度以下符合對數(shù)關(guān)系，而后風(fēng)圈和后外圍的風(fēng)廓線僅在150 m以下遵循對數(shù)律。陳雯超等(2019)對比了臺(tái)風(fēng)莫拉菲和強(qiáng)對流、強(qiáng)冷空氣的近地層風(fēng)特性，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)的冪指數(shù)值要大于建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范給出的B類下墊面的參考值。1409號臺(tái)風(fēng)威馬遜是近年來登陸我國臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度最大的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)之一，也有多位學(xué)者基于測風(fēng)塔實(shí)測對其風(fēng)特性進(jìn)行了分析，王海龍等(2018)和程艷偉(2016)利用粵西風(fēng)電場測風(fēng)塔的觀測數(shù)據(jù)，計(jì)算分析了臺(tái)風(fēng)威馬遜的風(fēng)速廓線冪指數(shù)、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)系數(shù)和風(fēng)向等的時(shí)程變化特征，但臺(tái)風(fēng)眼區(qū)沒有直接經(jīng)過這些測風(fēng)塔，其測風(fēng)數(shù)據(jù)均不具備完整的臺(tái)風(fēng)代表性。本文主要利用廣東省徐聞縣西連鎮(zhèn)測風(fēng)塔具備完整臺(tái)風(fēng)代表性的觀測數(shù)據(jù)，研究臺(tái)風(fēng)威馬遜不同位置的近地層強(qiáng)風(fēng)特性，并結(jié)合下墊面分析臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)疊加不同粗糙度下墊面時(shí)的風(fēng)特性，以期為沿海臺(tái)風(fēng)影響嚴(yán)重區(qū)域的抗風(fēng)設(shè)計(jì)及相關(guān)研究提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)說明

用于主要計(jì)算分析的測風(fēng)數(shù)據(jù)來源于廣東省徐聞縣西連鎮(zhèn)的一座90 m高度測風(fēng)塔，塔基海拔為18 m，在2014年7月18—19日，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)威馬遜登陸廣東徐聞縣期間，測風(fēng)塔獲取了較為完整的觀測數(shù)據(jù)，測風(fēng)塔位于“威馬遜”前進(jìn)路徑左側(cè)，距“威馬遜”路徑的最近距離約為19 km(圖1)。西連測風(fēng)塔位于北部灣沿海，下墊面開闊平坦，以農(nóng)田為主，塔基附近有一片約5 m高的灌木林，北面較為稀疏，南面較為茂密，在測風(fēng)塔10、40、70、80、90 m高度安裝了美國Renewable NRG Systems公司的NRG#40型杯式風(fēng)速傳感器，最大風(fēng)速量程為96 m·s-1，在10、70、90 m高度安裝了NRG#200P型風(fēng)向傳感器,風(fēng)速記錄為每10 min的平均風(fēng)速、3 s陣風(fēng)風(fēng)速最大值和風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差(由1 s采樣數(shù)據(jù)計(jì)算得到)，風(fēng)向記錄為每10 min的平均風(fēng)向，測風(fēng)儀器在安裝前均經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞檢定合格。臺(tái)風(fēng)威馬遜登陸期間，除90 m風(fēng)速數(shù)據(jù)在2014年7月19日01:10后因風(fēng)速傳感器損壞而造成數(shù)據(jù)缺失外，其余測風(fēng)數(shù)據(jù)經(jīng)合理范圍、相關(guān)性、變化趨勢檢驗(yàn)等手段進(jìn)行質(zhì)量控制均沒有發(fā)現(xiàn)異常，數(shù)據(jù)完整可靠。

用于輔助性對比分析的測風(fēng)數(shù)據(jù)來源于廣東省茂名市博賀鎮(zhèn)一座100 m高度測風(fēng)塔，“威馬遜”登陸期間，該測風(fēng)塔也獲取了較為完整的觀測數(shù)據(jù)，測風(fēng)塔位于“威馬遜”前進(jìn)路徑右側(cè)，距“威馬遜”路徑的最近距離約為155 km(圖1)。博賀測風(fēng)塔位于離海岸約4.5 km的一座無人小島——峙仔島上，該小島露出海面的部分長約90 m、寬約40 m，地面為沙石間或有稀疏的雜草，地勢為東北—西南走向并逐漸向中間隆起，測風(fēng)塔設(shè)置在小島的最高點(diǎn)，塔基海拔為10 m。該測風(fēng)塔在10、20、40、60、80、100 m高度上安裝了風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，型號與西連測風(fēng)塔相同，“威馬遜”登陸期間，除100 m觀測數(shù)據(jù)因傳感器損壞而造成數(shù)據(jù)缺失外，其余測風(fēng)數(shù)據(jù)均完整可靠。

圖1 西連測風(fēng)塔和博賀測風(fēng)塔位置Fig.1 Location of Xilan Tower and Bohe Tower

2 臺(tái)風(fēng)威馬遜概況

臺(tái)風(fēng)威馬遜于2014年7月12日在西北太平洋上生成，15日18：20登陸菲律賓中部沿海，隨后穿過菲律賓中部進(jìn)入南海繼續(xù)向西北方向移動(dòng)，18日05時(shí)在南海北部加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，15：30前后登陸海南省文昌市翁田鎮(zhèn)，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)速為60 m·s-1(17級，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級)，19：30前后以同等強(qiáng)度再次在廣東省徐聞縣龍?zhí)伶?zhèn)沿海登陸，19日07：10前后在廣西防城港光坡鎮(zhèn)沿海第三次登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)速為48 m·s-1(15級，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級)，20日04時(shí)在云南省境內(nèi)減弱為熱帶低壓。

“威馬遜”登陸時(shí)的中心附近最大風(fēng)力和最低氣壓均達(dá)到或突破了有記錄以來歷史極值，“威馬遜”在海南文昌和廣東徐聞沿海登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力均為60 m·s-1(17級)，與1973年9月14日登陸海南瓊海的7314號臺(tái)風(fēng)瑪琪和2006年8月10日登陸浙江蒼南的0608號臺(tái)風(fēng)桑美并列第一，“威馬遜”登陸時(shí)中心氣壓為910 hPa，低于“桑美”的920 hPa和“瑪琪”的925 hPa，為1949年以來登陸我國臺(tái)風(fēng)的中心氣壓最低值, 因此可以認(rèn)為“威馬遜”為1949年以來登陸我國的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。受“威馬遜”影響，海南東北部、廣東雷州半島和廣西沿海地區(qū)普遍出現(xiàn)10～13級平均風(fēng)，陣風(fēng)達(dá)14～17級，海南文昌七洲列島記錄到最大陣風(fēng)風(fēng)速高達(dá)72.4 m·s-1，海南?？凇V東雷州半島和廣西沿海等局地12級以上瞬時(shí)大風(fēng)持續(xù)6～9 h。

3 近地層風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)程變化特征

為了較為完整地了解臺(tái)風(fēng)威馬遜近地層風(fēng)速和風(fēng)向隨時(shí)間的變化特征，選取西連測風(fēng)塔2014年7月18日10時(shí)至19日10時(shí)逐10 min的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖2是測風(fēng)塔10 min平均風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)程變化曲線，圖中下部一組5條曲線是測風(fēng)塔10、40、70、80、90 m高度的風(fēng)速時(shí)程曲線(90 m高度風(fēng)速傳感器在19日01:10損壞，其后風(fēng)速數(shù)據(jù)缺失，此時(shí)臺(tái)風(fēng)中心已進(jìn)入北部灣)，圖中上部一組3條曲線是測風(fēng)塔10、70、90 m高度的風(fēng)向時(shí)程曲線。

從圖2看到，西連測風(fēng)塔風(fēng)速時(shí)程曲線呈明顯的“M”型分布特征，各層風(fēng)速走勢基本一致，各高度風(fēng)速曲線由下至上有序排列，符合隨高度增加，摩擦效應(yīng)減弱，風(fēng)速增大的一般規(guī)律，其中10 m風(fēng)速曲線與40 m以上風(fēng)速曲線距離較大，主要是因?yàn)槠涓叨容^低，受下墊面灌木林的摩擦作用影響較大。在“M”型的左側(cè)端點(diǎn)，時(shí)間為7月18日10時(shí)，臺(tái)風(fēng)威馬遜中心位于海南島東面，距測風(fēng)塔約250 km，各層10 min平均風(fēng)速在5.9～12.3 m·s-1，隨著臺(tái)風(fēng)向西北方向移動(dòng)，臺(tái)風(fēng)中心與測風(fēng)塔的距離逐漸減少，測風(fēng)塔各層風(fēng)速逐漸變大，在18日20:50左右達(dá)到“M”型左側(cè)的頂峰，此時(shí)臺(tái)風(fēng)中心距測風(fēng)塔約27 km，測風(fēng)塔10、40、70、80、90 m高度的10 min平均風(fēng)速峰值分別為31.3、42.4、44.4、46.2和47.5 m·s-1，3 s陣風(fēng)風(fēng)速峰值分別為47.1、56.2、55.5、57.2和58.1 m·s-1，隨后在“M”型的中部，風(fēng)速首先有一個(gè)大幅下降的過程，在22:10左右達(dá)到“M”的底部，此時(shí)臺(tái)風(fēng)中心與測風(fēng)塔距離最近，約為19 km，10、40、70、80、90 m高度的10 min平均風(fēng)速谷值分別為8.8、14.8、16.7、17.1和16.9 m·s-1，在80 min時(shí)間內(nèi)，各層10 min平均風(fēng)速降幅達(dá)到62%～72%，然后風(fēng)速大幅上升，在23:20達(dá)到“M”型右側(cè)的頂峰，此時(shí)臺(tái)風(fēng)中心距測風(fēng)塔約29 km，10、40、70、80、90 m高度的10 min平均風(fēng)速峰值分別為21.6、36.1、41.7、42.7和44.2 m·s-1，3 s陣風(fēng)風(fēng)速峰值分別為36.4、48.4、49.7、50.2 和50.6 m·s-1，相對“M”型左側(cè)峰值要低一些，在70 min時(shí)間內(nèi)，測風(fēng)塔各層10 min平均風(fēng)速升幅達(dá)到145%～162%，隨后臺(tái)風(fēng)繼續(xù)向西北方向移動(dòng)，于19日01時(shí)左右進(jìn)入北部灣，并于19日07：10左右在廣西防城港光坡鎮(zhèn)沿海第三次登陸，在“M”型的右側(cè)端點(diǎn)，時(shí)間為19日10：10，臺(tái)風(fēng)中心位于廣西西南部，靠近云南省邊界，距測風(fēng)塔約260 km，各層10 min平均風(fēng)速在5.4～13.6 m·s-1。

圖2 2014年7月18日10時(shí)至19日10時(shí)西連測風(fēng)塔風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)程變化曲線Fig.2 Time series of the wind speed and wind direction observed at Xilian Tower from 10:00 BT 18 to 10:00 BT 19 July 2014

從圖2看到，西連測風(fēng)塔10、70、90 m高度的風(fēng)向時(shí)程曲線走勢基本一致，各層風(fēng)向差別較小，其中70、90 m高度風(fēng)向曲線幾乎重合，在臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過測風(fēng)塔前，從7月18日10:00—21:50，各層風(fēng)向基本在330°左右小幅波動(dòng)，即一直保持在西北偏北風(fēng)，從18日22時(shí)臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過測風(fēng)塔開始，測風(fēng)塔各層風(fēng)向有一個(gè)沿逆時(shí)針方向連續(xù)大幅偏轉(zhuǎn)的過程，風(fēng)向偏轉(zhuǎn)方向與測風(fēng)塔位于臺(tái)風(fēng)前進(jìn)路徑左側(cè)相關(guān)，至19日03:40臺(tái)風(fēng)中心行進(jìn)到測風(fēng)塔西北面約120 km的北部灣時(shí)，各層風(fēng)向轉(zhuǎn)向幅度達(dá)到170°左右，即風(fēng)向從西北偏北風(fēng)沿逆時(shí)針方向大幅轉(zhuǎn)向?yàn)闁|南偏南風(fēng)，此后，測風(fēng)塔各層風(fēng)向維持在160°左右，即東南偏南風(fēng)，直至臺(tái)風(fēng)中心進(jìn)入廣西境內(nèi)。從圖2還可以看到，在臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過測風(fēng)塔前，10 m高度風(fēng)向值較70 m高度大7°左右(沿順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn))，從臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過測風(fēng)塔時(shí)開始至其后約3.5 h內(nèi)，10和70 m高度風(fēng)向曲線幾乎重合，即風(fēng)向基本一致，此后，10 m高度風(fēng)向值又較70 m高度大8°左右(沿順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn))。

對同時(shí)段博賀測風(fēng)塔的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，圖3是博賀測風(fēng)塔80 m高度10 min平均風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)程變化曲線，選擇80 m高度觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是因?yàn)槠涫芟聣|面影響較小。

從圖3看到，博賀測風(fēng)塔風(fēng)速時(shí)程曲線總體呈拱形，并沒有出現(xiàn)明顯的“M”型分布特征，10 min平均風(fēng)速峰值出現(xiàn)在7月18日16時(shí)，為29.9 m·s-1。風(fēng)向時(shí)程曲線呈緩慢的單邊上升形態(tài)，并沒有出現(xiàn)大幅偏轉(zhuǎn)的情況，風(fēng)向從東北偏北風(fēng)沿順時(shí)針方向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南風(fēng)，與測風(fēng)塔位于臺(tái)風(fēng)前進(jìn)路徑右側(cè)相關(guān)。

圖3 同圖2，但為博賀測風(fēng)塔Fig.3 Same as Fig.2, but for Bohe Tower

4 測風(fēng)數(shù)據(jù)代表性分析和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)樣本劃分

根據(jù)《臺(tái)風(fēng)渦旋測風(fēng)數(shù)據(jù)判別規(guī)范》(GB/T 36745—2018)(國家市場監(jiān)督管理總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2018)，同時(shí)滿足以下3項(xiàng)判別指標(biāo)的測風(fēng)數(shù)據(jù)，可代表臺(tái)風(fēng)眼區(qū)、臺(tái)風(fēng)眼壁區(qū)和臺(tái)風(fēng)外圍區(qū)的完整臺(tái)風(fēng)過程風(fēng)況樣本數(shù)據(jù)：(a)平均風(fēng)速大于或等于17.2 m· s-1的樣本數(shù)據(jù)風(fēng)向連續(xù)變化超過120 °方位角；(b)臺(tái)風(fēng)過程的風(fēng)速時(shí)程曲線呈雙峰分布；(c)雙峰之間的底部平均風(fēng)速小于10 m· s-1。依據(jù)上述判別條件，對西連測風(fēng)塔的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行代表性判別，從圖2及具體觀測數(shù)據(jù)看到，臺(tái)風(fēng)威馬遜登陸期間西連測風(fēng)塔8級以上強(qiáng)風(fēng)(以受下墊面影響較小且數(shù)據(jù)完整的80 m高度10 min平均風(fēng)速≥17.2 m· s-1為參考)的起止時(shí)段為7月18日13:20至19日05:30，從前述分析看到，該時(shí)段內(nèi)，測風(fēng)塔各層風(fēng)向沿逆時(shí)針方向連續(xù)變化約170°方位角，風(fēng)速時(shí)程曲線呈明顯的“M”型雙峰分布特征，在雙峰之間的底部，測風(fēng)塔10 m高度10 min平均風(fēng)速谷值為8.8 m·s-1，因此，可以認(rèn)為，西連測風(fēng)塔獲取的“威馬遜”觀測數(shù)據(jù)包含了臺(tái)風(fēng)眼區(qū)、臺(tái)風(fēng)眼壁區(qū)和臺(tái)風(fēng)外圍區(qū)的完整臺(tái)風(fēng)過程風(fēng)況樣本數(shù)據(jù)，能夠代表臺(tái)風(fēng)特有的強(qiáng)風(fēng)特性。

為進(jìn)一步了解“威馬遜”的近地層強(qiáng)風(fēng)特性，主要對上述西連測風(fēng)塔7月18日13:20至19日05:30 的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

利用2014年7月18—19日廣東省逐6 min的雷達(dá)回波圖資料，根據(jù)其形態(tài)和強(qiáng)度、不同時(shí)刻西連測風(fēng)塔所處臺(tái)風(fēng)位置(圖4)，結(jié)合臺(tái)風(fēng)渦旋結(jié)構(gòu)特征，可將測風(fēng)塔臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)時(shí)段劃分為5個(gè)區(qū)段(以80 m高度10 min平均風(fēng)速時(shí)程曲線為參照，詳見圖5)：(a)前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)，18日13:20—19:00；(b)前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，18日19:01—21:42；(c)眼區(qū)，18日21:43—22:54；(d)后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，18日22:55至19日01:42；(e)后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)，19日01:43—05:30。

圖4 2014年7月18日15：00(a)，20：48(b)，22：06(c)，23：24(d)和19日04：00(e)典型時(shí)刻西連測風(fēng)塔在臺(tái)風(fēng)雷達(dá)回波圖位置(a)前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)，(b)前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，(c)眼區(qū)，(d)后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，(e)后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)(五角星為測風(fēng)塔)Fig.4 Location of Xilian Tower on the radar echo map at typical typhoon moments at 15:00 BT 18 (a), 20:48 BT 18 (b), 22:06 BT 18 (c), 23:24 BT 18 (d) and 04:00 BT 19 (e) July 2014(a) front outer-vortex, (b) front eye-wall, (c) wind eye, (d) back eye-wall, (e) back outer-vortex(The star represents wind observation tower)

圖5 2014年7月18日13：20至19日05：20西連測風(fēng)塔臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)段劃分(a)前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)，(b)前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，(c)眼區(qū)，(d)后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，(e)后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)Fig.5 Different sections of the typhoon severe wind zone at Xilian Tower from 13:20 BT 18 to 05:20 BT 19 July 2014(a) front outer-vortex, (b) front eye-wall, (c) wind eye, (d) back eye-wall, (e) back outer-vortex

選取各強(qiáng)風(fēng)區(qū)段的臺(tái)風(fēng)典型影響時(shí)段以進(jìn)行更有代表性的分析：(a)18日14:50—15:10，前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)中前段，風(fēng)速大幅上升前；(b)20:40—21:00，前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)風(fēng)速峰值附近；(c)18日22:00—22:20，眼區(qū)風(fēng)速谷值附近；(d)18日23:10—23:30，后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)風(fēng)速峰值附近；(e)19日04:00—04:20，后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)中后段，風(fēng)速大幅下降后。

另外，鑒于下墊面對風(fēng)參數(shù)的重要影響作用，根據(jù)西連測風(fēng)塔的下墊面地形地貌和臺(tái)風(fēng)威馬遜期間測風(fēng)塔測得的風(fēng)向范圍，將臺(tái)風(fēng)期間的來風(fēng)分為三個(gè)扇區(qū)(圖6)進(jìn)行分析。扇區(qū)1、扇區(qū)2和扇區(qū)3的方位角范圍分別為320°～349°、175°～319°和158°～174°。扇區(qū)1和扇區(qū)3的來風(fēng)下墊面以海洋和陸地為主，扇區(qū)2的來風(fēng)下墊面則以海洋為主。結(jié)合圖2的風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)程變化曲線可見，在7月18日13:20—22:00，來風(fēng)下墊面為扇區(qū)1，18日22:01至19日03:00，來風(fēng)下墊面為扇區(qū)2，19日03:01—05:30，來風(fēng)下墊面為扇區(qū)3。

圖6 2014年7月18—19日西連測風(fēng)塔臺(tái)風(fēng)期間來風(fēng)下墊面分類Fig.6 Classification of underlying surface at Xilian Tower during the typhoon process in 18-19 July 2014

為進(jìn)行對比分析，同樣選取博賀測風(fēng)塔7月18日13:20至19日05:30的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)過程分析，臺(tái)風(fēng)典型影響時(shí)段選取18日15:50—16:10，為臺(tái)風(fēng)過程風(fēng)速峰值附近。從前述分析可以判斷博賀測風(fēng)塔明顯處于“威馬遜”外圍區(qū)域，由于其處于海島，整個(gè)臺(tái)風(fēng)過程來風(fēng)下墊面均以海洋為主。

5 近地層強(qiáng)風(fēng)特性分析

5.1 風(fēng)速廓線特征

風(fēng)速廓線是指風(fēng)速隨高度的變化曲線,常用于不同高度風(fēng)速的推算，是建筑物設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素。造成風(fēng)速在近地層的垂直變化的原因有動(dòng)力因素和熱力因素，前者主要來源于下墊面的摩擦效應(yīng)，即下墊面的粗糙度，后者主要主要表現(xiàn)為與近地層大氣穩(wěn)定度的關(guān)系，當(dāng)大氣層結(jié)為中性時(shí)，近地層風(fēng)速隨高度變化近似地服從對數(shù)函數(shù)和冪指數(shù)函數(shù)(王承煦和張?jiān)矗?003)。

風(fēng)速隨高度變化對數(shù)函數(shù)為：

(1)

式中：u為z高度處的風(fēng)速，u1為z1高度處的風(fēng)速，z0為下墊面粗糙長度。

風(fēng)速隨高度變化冪指數(shù)函數(shù)為：

(2)

式中：α為風(fēng)速廓線冪指數(shù)，是表征下墊面粗糙程度的參數(shù)，反映風(fēng)速垂直切變的強(qiáng)弱，其余變量同式(1)。

當(dāng)具有兩層以上風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)時(shí)，z0和α值均可采用最小二乘法擬合得出，當(dāng)擬合風(fēng)速廓線和實(shí)測風(fēng)速廓線對應(yīng)各高度層風(fēng)速的殘差平方和達(dá)到最小時(shí)，即可確定z0和α值。

根據(jù)修訂的帕斯奎爾(Pasquill)穩(wěn)定度分級法(蔣維楣等，2004)，當(dāng)?shù)孛?0 m高度處10 min平均風(fēng)速≥6.0 m·s-1時(shí)，大氣層結(jié)為中性狀態(tài)，根據(jù)第4節(jié)的分析，在西連測風(fēng)塔8級以上強(qiáng)風(fēng)時(shí)段，10 m高度處10 min平均風(fēng)速最小值為8.8 m·s-1，因此，可以判斷西連測風(fēng)塔強(qiáng)風(fēng)時(shí)段大氣層結(jié)均處于中性狀態(tài)，近地層風(fēng)速廓線適合采用對數(shù)函數(shù)和冪指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合分析。

利用西連測風(fēng)塔逐10 min平均風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)，先計(jì)算不同強(qiáng)風(fēng)區(qū)段典型時(shí)段各高度層的平均風(fēng)速，再采用對數(shù)函數(shù)和冪指數(shù)函數(shù)進(jìn)行風(fēng)速廓線擬合。結(jié)果見表1和圖7。

從圖7看到，對數(shù)函數(shù)和冪指數(shù)函數(shù)對各個(gè)強(qiáng)風(fēng)區(qū)段的風(fēng)速廓線的擬合效果均較好，從表1看到，在各個(gè)強(qiáng)風(fēng)區(qū)段，對數(shù)函數(shù)擬合均方差小于或等于0.57 m·s-1，冪指數(shù)函數(shù)擬合均方差小于或等于0.81 m·s-1，除后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)外，對數(shù)函數(shù)擬合均方差均小于冪指數(shù)函數(shù)擬合均方差，因此，總體上對數(shù)函數(shù)對強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速廓線的擬合效果優(yōu)于冪指數(shù)函數(shù)。前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)、前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)、眼區(qū)、后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)、后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)的風(fēng)速廓線冪指數(shù)分別為0.310、0.196、0.266、0.312、0.334，粗糙長度分別為1.163、0.186、0.716、1.199、1.382 m，從前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)到前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，風(fēng)速廓線冪指數(shù)和粗糙長度先是減少，隨后到眼區(qū)、后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)和后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)，風(fēng)速廓線冪指數(shù)和粗糙長度漸次增大，在前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，風(fēng)速廓線冪指數(shù)和粗糙長度均為最小。

表1 西連測風(fēng)塔不同強(qiáng)風(fēng)區(qū)段的風(fēng)速廓線擬合Table 1 Wind speed profile fitting at different severe wind sections at Xilian Tower

圖7 西連測風(fēng)塔臺(tái)風(fēng)期間不同強(qiáng)風(fēng)區(qū)段的風(fēng)速廓線擬合(a)前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)，(b)前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，(c)眼區(qū)，(d)后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，(e)后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)Fig.7 Wind speed profile fitting at different severe wind sections during the typhoon process at Xilian Tower(a) front outer-vortex, (b) front eye-wall, (c) wind eye, (d) back eye-wall, (e) back outer-vortex

根據(jù)第4節(jié)的下墊面扇區(qū)的劃分，分別計(jì)算扇區(qū)1、2、3的平均風(fēng)廓線并進(jìn)行冪指數(shù)擬合和對數(shù)擬合，結(jié)果在表2中給出。扇區(qū)1雖然近處和遠(yuǎn)處均有海岸陸地影響，但中間有一段相對寬廣的水域，且測風(fēng)塔北面是較為稀疏的灌木林，因此，扇區(qū)1的粗糙長度相對較小，對應(yīng)的風(fēng)切變指數(shù)也較小。而扇區(qū)2和扇區(qū)3均受近處陸地和測風(fēng)塔南面較為茂密的灌木林影響，但由于扇區(qū)2遠(yuǎn)處為海洋下墊面，因此粗糙長度要小于扇區(qū)3，風(fēng)切變指數(shù)也小于扇區(qū)3，扇區(qū)3同時(shí)受茂密樹林和沿岸陸地影響，粗糙長度最大，對應(yīng)的風(fēng)切變指數(shù)也最大。從擬合均方差來看，粗糙程度相對較小的扇區(qū)1和扇區(qū)2的來風(fēng)更符合對數(shù)律分布，扇區(qū)3的來風(fēng)更符合冪指數(shù)分布。

表2 西連測風(fēng)塔不同下墊面扇區(qū)的風(fēng)速廓線擬合Table 2 Wind speed profile fitting at different underlying surface sectors at Xilian Tower

同時(shí)分析了博賀測風(fēng)塔臺(tái)風(fēng)典型影響時(shí)段的風(fēng)速廓線特征，圖8為其風(fēng)速廓線擬合情況。可以看到，博賀測風(fēng)塔風(fēng)速廓線也基本符合冪指數(shù)律和對數(shù)律，風(fēng)速廓線冪指數(shù)為0.030，粗糙長度為1.0×10-12m，擬合均方差分別為0.22和0.32 m·s-1。風(fēng)速廓線冪指數(shù)和粗糙長度相對于西連測風(fēng)塔數(shù)值最小的前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，其值也小很多，原因主要為地形的差異，因?yàn)椴┵R測風(fēng)塔處于小島頂峰，氣流在經(jīng)過迎風(fēng)坡時(shí)受到地形擠壓，產(chǎn)生加速效應(yīng)，導(dǎo)致測風(fēng)塔低層風(fēng)速增大，測風(fēng)塔的風(fēng)速垂直梯度變小。

圖8 博賀測風(fēng)塔風(fēng)速廓線擬合Fig.8 Wind speed profile fitting at Bohe Tower

5.2 湍流強(qiáng)度特征

湍流強(qiáng)度反映了風(fēng)的脈動(dòng)特征，是確定結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)荷載的關(guān)鍵參數(shù)，對于風(fēng)電場建設(shè)時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選型及風(fēng)電場的運(yùn)行管理也是需要考慮的重要因素。湍流強(qiáng)度定義為風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差與水平風(fēng)速模量的比值(盛裴軒等，2003)，工程應(yīng)用上通常采用10 min時(shí)距的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差與水平平均風(fēng)速的比值，計(jì)算公式為：

(3)

式中:I為湍流強(qiáng)度，σ為10 min時(shí)距的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差，U為相應(yīng)的10 min水平平均風(fēng)速。

圖9是臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)過程西連測風(fēng)塔湍流強(qiáng)度時(shí)程變化曲線。從圖中看到，各高度湍流強(qiáng)度曲線由上至下有序排列，隨高度增加，湍流強(qiáng)度減少，與摩擦效應(yīng)隨高度增加而減弱相關(guān)。其中10 m湍流強(qiáng)度與40 m以上湍流強(qiáng)度差距較大，主要是因?yàn)槠涓叨容^低，湍流強(qiáng)度受下墊面灌木林摩擦作用影響較大。從整個(gè)強(qiáng)風(fēng)過程來看，在風(fēng)速、風(fēng)向大幅變化以及下墊面摩擦作用影響的復(fù)雜情況下，測風(fēng)塔不同高度湍流強(qiáng)度變化的情況有所差別。在前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)和前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，10 m湍流強(qiáng)度隨時(shí)間變化有明顯減少的趨勢，而40 m以上湍流強(qiáng)度變化較為平穩(wěn)；隨后在眼區(qū)，10 m湍流強(qiáng)度明顯增大，40 m湍流強(qiáng)度也有所增大，但不如10 m明顯，而70 m以上湍流強(qiáng)度有小幅度的減少趨勢；然后在后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，10、40 m湍流強(qiáng)度有小幅度的減少趨勢，而70 m以上湍流強(qiáng)度變化較為平穩(wěn)；最后在后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)，10 m湍流強(qiáng)度波動(dòng)較大，但變化趨勢不明顯，而40 m以上湍流強(qiáng)度則有較為明顯的增大趨勢。

整個(gè)強(qiáng)風(fēng)過程，西連測風(fēng)塔10、40、70、80 m高度湍流強(qiáng)度最大值分別為0.308、0.206、0.155、0.150，除10 m高度湍流強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)外，40 m高度以上湍流強(qiáng)度最大值均出現(xiàn)在后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)，對應(yīng)風(fēng)速分別為10.7、17.5、19.8、20.6 m·s-1，相對而言，風(fēng)速均不大；強(qiáng)風(fēng)過程測風(fēng)塔10、40、70、80、90 m高度的10 min平均風(fēng)速最大值分別為31.3、42.4、44.4、46.2和47.5 m·s-1，均出現(xiàn)在前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，對應(yīng)湍流強(qiáng)度分別為0.166、0.111、0.095、0.091和0.082，僅為最大值的60%左右。

圖9 同圖5，但為湍流強(qiáng)度時(shí)程變化Fig.9 Same as Fig.5, but for time series of turbulence intensity

表3為西連測風(fēng)塔不同強(qiáng)風(fēng)區(qū)段典型時(shí)段的平均湍流強(qiáng)度，圖10為其湍流強(qiáng)度廓線的冪指數(shù)擬合情況。

可以看到，湍流強(qiáng)度在前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)或后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)較大，在前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)或后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)較小。湍流強(qiáng)度隨高度增加而減小，基本符合指數(shù)為負(fù)值的冪指數(shù)規(guī)律，眼區(qū)和后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)擬合效果稍差，其余強(qiáng)風(fēng)區(qū)段擬合效果較好。

表4給出西連測風(fēng)塔各扇區(qū)的湍流強(qiáng)度平均值。從圖9和表4來看，在10 m高度，由于受下墊面灌木林摩擦作用影響較大，且站點(diǎn)離海岸約有1.8 km 遠(yuǎn)，近處周邊均受陸地影響，因此不同扇區(qū)的湍流強(qiáng)度差異相對較小。但在70～90 m高度，來風(fēng)能攜帶更遠(yuǎn)范圍的下墊面信息，圖中可以看到下墊面陸地面積比例較多的扇區(qū)1和扇區(qū)3的湍流強(qiáng)度較大，而以海洋下墊面為主的扇區(qū)2的湍流強(qiáng)度則相對較小，此外，來自下墊面最粗糙的扇區(qū)3的后外圍強(qiáng)風(fēng)的湍流強(qiáng)度要明顯大于來自相對較光滑的扇區(qū)1的前外圍強(qiáng)風(fēng)的湍流強(qiáng)度。

表3 西連測風(fēng)塔不同強(qiáng)風(fēng)區(qū)段的湍流強(qiáng)度Table 3 Turbulence intensities at different severe wind sections at Xilian Tower

圖10 同圖7，但為湍流強(qiáng)度Fig.10 Same as Fig.7, but for turbulence intensity

表4 西連測風(fēng)塔不同下墊面扇區(qū)的湍流強(qiáng)度平均值Table 4 Mean turbulence intensity at different underlying surface sectors at Xilian Tower

圖11為臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)過程博賀測風(fēng)塔80 m高度湍流強(qiáng)度時(shí)程變化曲線?？梢钥吹酵牧鲝?qiáng)度主要在0.06～0.11波動(dòng)，變化較為平穩(wěn)，與西連測風(fēng)塔70 m 高度以上臺(tái)風(fēng)前外圍和前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)的湍流強(qiáng)度變化情況相似，與來風(fēng)下墊面狀況較為相似有關(guān)。臺(tái)風(fēng)典型影響時(shí)段博賀測風(fēng)塔的湍流強(qiáng)度也基本符合指數(shù)為負(fù)值的冪指數(shù)律，冪指數(shù)為-0.084，擬合均方差為0.002。

5.3 陣風(fēng)系數(shù)特征

陣風(fēng)系數(shù)也是表達(dá)風(fēng)脈動(dòng)特征的參數(shù)，可以簡單直觀地表征風(fēng)的陣性特點(diǎn)，在缺乏陣風(fēng)觀測的情況下，通常采用陣風(fēng)系數(shù)由平均風(fēng)速推算出陣風(fēng)風(fēng)速。WMO給出陣風(fēng)系數(shù)的定義為：在時(shí)間間距為T0的時(shí)間內(nèi)持續(xù)時(shí)間為τ的最大陣風(fēng)風(fēng)速與時(shí)距為T0的平均風(fēng)速之比，目前我國氣象和風(fēng)工程領(lǐng)域一般取T0為10 min，取τ為3 s(陳雯超等，2011)。其計(jì)算公式為：

圖11 2014年7月18日13：20至19日05：20博賀測風(fēng)塔湍流強(qiáng)度時(shí)程變化Fig.11 Time series of turbulence intensity at Bohe Tower from 13:20 BT 18 to 05:20 BT 19 July 2014

(4)

式中:G為陣風(fēng)系數(shù)，Umax為3 s時(shí)距的陣風(fēng)風(fēng)速最大值，U為相應(yīng)的10 min平均風(fēng)速。

圖12是臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)過程西連測風(fēng)塔陣風(fēng)系數(shù)時(shí)程變化曲線。從圖中看到， 各高度陣風(fēng)系數(shù)曲線由上至下基本上有序排列，隨高度增加，陣風(fēng)系數(shù)減少，同樣與摩擦效應(yīng)隨高度增加而減弱相關(guān)。其中10 m陣風(fēng)系數(shù)與40 m以上陣風(fēng)系數(shù)差距較大，波動(dòng)也較大，主要也是因?yàn)槠涓叨容^低，陣風(fēng)系數(shù)受下墊面灌木林摩擦作用影響較大。在前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)和前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，10 m陣風(fēng)系數(shù)有較為明顯的減少趨勢，而40 m以上陣風(fēng)系數(shù)變化相對較為平穩(wěn)；隨后在眼區(qū)，10 m陣風(fēng)系數(shù)明顯增大，40 m陣風(fēng)系數(shù)有小幅度的增大趨勢，而70 m以上陣風(fēng)系數(shù)有小幅度的減少趨勢；然后在后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，40 m陣風(fēng)系數(shù)有小幅度的減少趨勢，其他高度陣風(fēng)系數(shù)變化較為平穩(wěn)；最后在后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)，10 m陣風(fēng)系數(shù)波動(dòng)較大，但變化趨勢不明顯，而40 m以上陣風(fēng)系數(shù)則有較為明顯的增大趨勢。

整個(gè)強(qiáng)風(fēng)過程，西連測風(fēng)塔10、40、70、80 m高度陣風(fēng)系數(shù)最大值分別為1.954、1.668、1.474、1.422，均出現(xiàn)在后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)，對應(yīng)風(fēng)速分別為10.8、13.7、21.0、22.3 m·s-1，相對而言，風(fēng)速均不大；強(qiáng)風(fēng)過程測風(fēng)塔10、40、70、80、90 m高度的10 min平均風(fēng)速最大值分別為31.3、42.4、44.4、46.2和47.5 m·s-1，均出現(xiàn)在前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，對應(yīng)陣風(fēng)系數(shù)分別為1.505、1.325、1.207、1.232和1.206，為最大值的80%左右。

表5為西連測風(fēng)塔不同強(qiáng)風(fēng)區(qū)段典型時(shí)段的平均陣風(fēng)系數(shù)，圖13為陣風(fēng)系數(shù)廓線的冪指數(shù)擬合情況。

圖12 同圖5，但為陣風(fēng)系數(shù)時(shí)程變化Fig.12 Same as Fig.5, but for time series of gust coefficient

可以看到，西連測風(fēng)塔陣風(fēng)系數(shù)在前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)或后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)較大，在前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)或后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)較小。陣風(fēng)系數(shù)隨高度增加而減小，基本符合指數(shù)為負(fù)值的冪指數(shù)規(guī)律，除前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)和后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)擬合效果稍差，其余強(qiáng)風(fēng)區(qū)段擬合效果較好。

表6給出各扇區(qū)的陣風(fēng)系數(shù)平均值。從圖12和表6來看，在10 m高度，不同扇區(qū)的陣風(fēng)系數(shù)差異相對較小，與其受陸地下墊面影響較大相關(guān)。隨著高度的增加，尤其在70～90 m高度層，遠(yuǎn)處下墊面陸地面積比例較多的扇區(qū)1和扇區(qū)3的陣風(fēng)系數(shù)明顯較大，而以海洋下墊面為主的扇區(qū)2的陣風(fēng)系數(shù)則相對較小。另外，從70～90 m高度層看，來自下墊面最粗糙的扇區(qū)3的后外圍強(qiáng)風(fēng)的陣風(fēng)系數(shù)也要明顯大于來自相對較光滑的扇區(qū)1的前外圍強(qiáng)風(fēng)的陣風(fēng)系數(shù)，來自遠(yuǎn)處陸地面積較多的扇區(qū)1的前眼壁強(qiáng)風(fēng)的陣風(fēng)系數(shù)也要大于來自海洋下墊面為主的扇區(qū)2的后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)的陣風(fēng)系數(shù)。

臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)過程博賀測風(fēng)塔80 m高度陣風(fēng)系數(shù)時(shí)程變化曲線如圖14所示。可以看到陣風(fēng)系數(shù)主要在1.2左右波動(dòng)，變化較為平穩(wěn)，與西連測風(fēng)塔70 m高度以上臺(tái)風(fēng)前外圍和前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)的陣風(fēng)系數(shù)變化情況相似，同樣與來風(fēng)下墊面狀況較為相似有關(guān)。臺(tái)風(fēng)典型影響時(shí)段博賀測風(fēng)塔的陣風(fēng)系數(shù)同樣基本符合指數(shù)為負(fù)值的冪指數(shù)律，冪指數(shù)為-0.016，擬合均方差為0.004。

表5 西連測風(fēng)塔不同強(qiáng)風(fēng)區(qū)段的陣風(fēng)系數(shù)Table 5 Gust coefficients at different severe wind sections at Xilian Tower

圖13 同圖7，但為陣風(fēng)系數(shù)Fig.13 Same as Fig.7, but for gust coefficient

表6 西連測風(fēng)塔不同下墊面扇區(qū)的陣風(fēng)系數(shù)平均值Table 6 Mean gust coefficient at different underlying surface sectors at Xilian Tower

5.4 風(fēng)向短時(shí)變化特征

由于臺(tái)風(fēng)具有渦旋結(jié)構(gòu)特征，臺(tái)風(fēng)過程除了風(fēng)速的劇烈變化，風(fēng)向也存在劇烈變化的情況，臺(tái)風(fēng)風(fēng)向短時(shí)變化特征對于風(fēng)電場等的設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理是一個(gè)需要考慮的重要因素。

定義10 min風(fēng)向變率為后一個(gè)10 min風(fēng)向角和前一個(gè)10 min風(fēng)向角的差值的絕對值。

圖15是臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)過程西連測風(fēng)塔代表低層(10 m)和高層(90 m)高度的10 min風(fēng)向變率時(shí)程變化圖。從圖中看到，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)過程西連測風(fēng)塔10和90 m的10 min風(fēng)向變率較為接近，隨時(shí)間變化走勢基本一致，前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)、前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)、后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)和后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)的10 min風(fēng)向變率變化較為平穩(wěn)，基本在10°之內(nèi)變動(dòng)，而在眼區(qū)變動(dòng)較為劇烈，在7月18日22:10，10和90 m的10 min風(fēng)向變率分別為25°和23°，幅值達(dá)到最大值，此時(shí)，各層風(fēng)速達(dá)到眼區(qū)的最低值或次低值。

對比分析了博賀測風(fēng)塔80 m高度的10 min風(fēng)向變率時(shí)程變化(圖16)。可以看到，臺(tái)風(fēng)過程博賀測風(fēng)塔10 min風(fēng)向變率變化較為平穩(wěn)，基本在10°之內(nèi)變動(dòng)，沒有出現(xiàn)劇烈變動(dòng)的情況，與西連測風(fēng)塔除眼區(qū)之外的強(qiáng)風(fēng)區(qū)段的情形較為相似。

圖14 同圖11，但為陣風(fēng)系數(shù)Fig.14 Same as Fig.11, but for gust coefficient

圖15 同圖5，但為10 min風(fēng)向變率時(shí)程變化Fig.15 Same as Fig.5, but for time series of 10 min wind direction variability

圖16 同圖11，但為10 min風(fēng)向變率Fig.16 Same as Fig.11, but for 10 min wind direction variability

6 結(jié) 論

利用廣東省徐聞縣西連鎮(zhèn)90 m測風(fēng)塔在1409號超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)威馬遜登陸期間獲取的具備完整的臺(tái)風(fēng)代表性的觀測數(shù)據(jù)以及處于臺(tái)風(fēng)外圍的廣東省茂名市博賀鎮(zhèn)100 m測風(fēng)塔的觀測數(shù)據(jù)，對臺(tái)風(fēng)威馬遜不同位置以及不同下墊面的近地層強(qiáng)風(fēng)特性進(jìn)行了分析，西連測風(fēng)塔觀測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：

(1)測風(fēng)塔各高度風(fēng)速時(shí)程曲線呈明顯的“M”型分布特征，臺(tái)風(fēng)前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)的風(fēng)速峰值略大于后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)。各層風(fēng)向差別較小，走勢基本一致，臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過測風(fēng)塔前后，各層風(fēng)向沿逆時(shí)針方向大幅偏轉(zhuǎn)約170°。

(2)風(fēng)速隨高度增加而增大，風(fēng)速廓線較好地符合對數(shù)和冪指數(shù)律，總體上對數(shù)函數(shù)對風(fēng)速廓線的擬合效果優(yōu)于冪指數(shù)函數(shù)。從前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)到前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，風(fēng)速廓線冪指數(shù)和粗糙長度先是減少，隨后到眼區(qū)、后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)和后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)，風(fēng)速廓線冪指數(shù)和粗糙長度漸次增大，在后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)，風(fēng)速廓線冪指數(shù)和粗糙長度最大，風(fēng)速垂直切變最強(qiáng)，在前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)，風(fēng)速廓線冪指數(shù)和粗糙長度最小，風(fēng)速垂直切變最弱。下墊面最粗糙的扇區(qū)3的風(fēng)速廓線冪指數(shù)和粗糙長度最大。

(3)各層湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)系數(shù)在前外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)或后外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)較大，在前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)或后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)較小，湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)系數(shù)隨高度增加而減小，基本符合指數(shù)為負(fù)值的冪指數(shù)律。粗糙的陸地下墊面會(huì)使湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)系數(shù)增大。

(4)各層10 min的風(fēng)向變率較為接近，外圍強(qiáng)風(fēng)區(qū)和眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)的10 min風(fēng)向變率變化較為平穩(wěn)，而在眼區(qū)變動(dòng)較為劇烈，在眼區(qū)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到最低值或次低值時(shí)，10 min風(fēng)向變率幅值達(dá)到最大值。

博賀測風(fēng)塔觀測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明其總體上與西連測風(fēng)塔臺(tái)風(fēng)前外圍和前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)的情形相似。