何運成，傅繼陽，*，李秋勝，陳柏緯，陳雯超

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

0 引 言

臺風是一種破壞力極強的自然災害。我國東南沿海位于臺風頻發(fā)地帶，臺風每年都會給該地區(qū)造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。統(tǒng)計資料顯示在西北太平洋海域平均每年有30個熱帶氣旋生成，其中約1/3會在我國沿海地區(qū)登陸，我國每年由此導致的經(jīng)濟損失多達56億美元，占世界同類總損失的21.5%[1]。

臺風對土木工程結構的破壞現(xiàn)象十分普遍。臺風作用下高層建筑、橋梁、風機和輸電線塔可產(chǎn)生大幅振動，從而對其使用性能和疲勞壽命產(chǎn)生不利影響。特殊情況下，臺風還可摧毀體育館、低矮房屋、臨時結構、廣告牌等構筑物，也會直接導致高層建筑圍護結構的損毀。深入研究臺風風場特征對發(fā)展和完善結構風工程領域相關理論以及指導臺風影響區(qū)風敏感結構的抗風設計有著重要理論意義和工程實用價值。

熱帶氣旋（當風速達到33 m/s時在我國等西北太平洋地區(qū)又稱臺風，而在北美地區(qū)稱為颶風）是一種中尺度大氣旋渦系統(tǒng)。成熟氣旋（即臺風或颶風）的水平結構由內到外可分為風眼、眼壁、螺旋雨帶三部分。風眼一般呈圓形或橢圓形，其特征尺寸通常隨臺風強度的增大而變小。風眼在約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)。風眼外圍被眼壁包裹，這里對流現(xiàn)象顯著，風大、云高、雨強。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，受風切變和其他環(huán)境因素的影響，雨帶結構往往表現(xiàn)出明顯的不對稱性。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，層內的外圍大氣逐漸向中心聚合，并在此過程中為氣旋內部補充濕氣和角動量，從而維持系統(tǒng)的生存和發(fā)展。氣旋靠近對流層層頂?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，進而導致系統(tǒng)強度的衰減。需指出的是，熱帶氣旋內部含有豐富的對流運動和小尺度結構（如滾軸旋渦），這些結構的存在使風場表現(xiàn)出較大的脈動性和局部差異性。

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，通常會在背景大氣牽引及β效應[2]等作用的影響下發(fā)生移動。在移動過程中，氣旋會跟周圍的環(huán)境因素作用，自身結構也隨之發(fā)生變化，氣旋強度也會因環(huán)境風切變、洋面溫度、背景氣流的熱力學特征、系統(tǒng)平移速度等因素的變化而發(fā)生改變。當熱帶氣旋登陸后，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。其中心氣壓差會隨登陸時間或離岸距離的增加而減小[3]，系統(tǒng)內部結構如風場、雨帶等也會呈明顯不對稱分布。此外，下墊面粗糙度及地形狀況也會顯著影響系統(tǒng)特征，在復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]。

正確理解臺風內部結構、臺風與環(huán)境因素間的作用關系以及其生命周期內的演變過程是分析不同區(qū)域臺風風場特征以及采用數(shù)值模擬技術[5]對臺風極值風氣候進行合理評估的基礎。當前相關實測資料依然缺乏，對影響我國沿海一帶熱帶氣旋的內部特征及其演變過程認識還不充分。

與常態(tài)風不同，臺風風場有其特有的分布特征。自20世紀90年代末，隨著機載下投探空設備在深海上空投入使用，人們獲得了大量有關氣旋內部特征的高分辨率實測數(shù)據(jù)。Franklin等[6]分析了偵察機飛行高度處風速與地表風速間的關系，發(fā)現(xiàn)地表風速折減系數(shù)與距氣旋中心的徑向距離、對流強度等相關，且平均風速垂直剖線在約500 m高度處存在低空急流特征。Powell等[7]對颶風水平風速的垂直剖線進行了分析，發(fā)現(xiàn)洋面風阻系數(shù)和粗糙度系數(shù)隨風力增強而表現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定或減小的趨勢。Giammanco等[8]結合機載下投設備探空資料和沿海雷達資料分析了風速剖線的空間特征，并對地表風的陣風因子與徑向距離間的關系進行了研究。Zhang等[9]分析了由風切變和氣旋相對位置引起的風場不對稱性。Masters等[10]及Cao等[11]則基于近地面觀測設備對登陸北美和日本的熱帶氣旋風場特征行了實測研究。

在國內，Song等基于梯度塔設備對臺風登陸前后的風場特征進行了實測研究[12]，詳細討論了臺風不同區(qū)域風場平均及脈動特征，并與常態(tài)風實測結果進行了對比[13]。Li等[14]對比研究了臺風和颶風風場特征，并將實測結果與荷載規(guī)范做了比較分析，研究發(fā)現(xiàn)部分參數(shù)實測結果與規(guī)范推薦值存在一定差異。Zhao等[15]研究了4個臺風外部區(qū)域近地面風場特征。謝壯寧等[16]基于356 m高的深圳氣象觀測梯度塔對臺風山竹個例進行了實測研究，討論了其平均及脈動風場特征沿高度的分布規(guī)律。此外，很多學者還對臺風近地面風場特征，特別是脈動特征，進行了實測研究[17-21]。近些年近地風場的非平穩(wěn)、非高斯現(xiàn)象受到較多關注[22-23]。

盡管國內外研究人員就臺風風場特征開展了大量實測工作，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臺風厚度范圍內的實測工作非常有限。這影響了人們對臺風風場特征進行全局化研究，從而限制了一些既有研究成果的適用性。如一般認為梯度風高度介于250～550 m，在其上風速不隨高度發(fā)生變化，且風向隨高度的變化也忽略不計。上述假設可能會對高層建筑的抗風設計帶來安全隱患。

本文基于探空氣球、雷達風廓線儀等設備長期觀測數(shù)據(jù)，對影響華南地區(qū)的熱帶氣旋進行實測研究。下文首先介紹了監(jiān)測設備和數(shù)據(jù)，其次展示臺風全局化結構特征，討論臺風風場實測結果，最后匯總主要結論。

1 監(jiān)測設備及數(shù)據(jù)介紹

本研究涉及的監(jiān)測設備主要包括探空氣球、雷達風廓線儀及常規(guī)地面觀測站。常規(guī)地面觀測站主要為位于廣東省境內的86個國家氣象站點（圖1（a）），這些站點可提供每隔兩分鐘記錄的風、壓、濕、溫等氣象監(jiān)測信息。探空氣球及雷達風廓線儀布置在香港境內的3個氣象站：CCH和SSP（風廓線儀）及KP（探空氣球）。其中，CCH站點的風廓線儀可以高、低兩種模式同時工作：低模式探測高度范圍為213～1 656 m，相鄰門高度間隔為60 m；而高模式探測范圍為459～5 371 m，門間隔為202.5 m。SSP站點的風廓線儀只有一種工作模式，探測范圍為315～9 223 m，門間隔為202.5 m。上述各風廓線儀均可提供10分鐘平均的三維風速剖線信息以及相應探測信號的信噪比。此外，系統(tǒng)還會對所記錄的數(shù)據(jù)進行質檢和標識。KP站點配備自動高空大氣探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)每天分別在北京時間08:00和20:00執(zhí)行例行探空監(jiān)測任務，但臺風靠近等特殊情況下，探空監(jiān)測頻次會根據(jù)需要適當提高。探空氣球釋放后最高可升至距地30 km高空，在此過程中設備可對所在位置的大氣以每2秒的采樣間隔進行實時監(jiān)測，并記錄包括高度、溫、濕、壓、風等在內的要素信息。

圖1 氣象站點分布Fig.1 Location of meteorological stations

香港天文臺在臺風監(jiān)測和預警方面起步較早，并在此過程中積累了大量寶貴數(shù)據(jù)。目前，香港地區(qū)熱帶氣旋警告信號分為1號警戒、3號強風、8號烈風或暴風、9號烈風或暴風風力增強以及10號颶風幾個級別。香港天文臺例行探空記錄始于1999年。自此至今，天文臺共計對31個熱帶氣旋發(fā)布了8號及以上警報信號。上述熱帶氣旋軌跡及其他相關信息如圖2（a）和表1所示。在上述8號警報信號生效期間，天文臺共釋放了175個探空氣球，各氣球與對應熱帶氣旋中心的相對位置如圖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于熱帶氣旋中心的徑向距離（r）與該時刻氣旋最大風速半徑（Rmax）的比值。本文采用Holland氣壓場模型[24]，并基于近地面站點氣象數(shù)據(jù)得到的海平面氣壓場信息擬合得到Rmax值。不過由于地表觀測站點記錄數(shù)據(jù)并不完整或相關數(shù)據(jù)不足以得到可靠的Rmax值，圖3（b）所示測點數(shù)量比圖3（a）偏少。

圖3 探空氣球相對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發(fā)出8號及以上警報信號的31個熱帶氣旋相關信息匯總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 臺風軌跡圖（圖示為北京時間）Fig.2 Tracks of typhoons impacting Hong Kong (Beijing Time)

另一方面，自1983年臺風艾倫后，影響香港地區(qū)并致使天文臺發(fā)出10號最高級警報信號的臺風只有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，進行個例分析，以展示臺風典型的全局化結構和風場特征。兩臺風的中心軌跡及強度信息如圖2（b）所示。

約克是西北太平洋1999年臺風季第15個命名的熱帶氣旋（國際編號9915）。約克于9月12日發(fā)展為熱帶低氣壓，于14日進一步增強為強熱帶風暴，并在登陸香港前達到臺風強度級別，登陸時中心氣壓為965 hPa，中心區(qū)域最大地表風速約36 m/s。在約克靠近香港地區(qū)期間，香港天文臺于16號上午06:45（北京時間）發(fā)布了10號颶風警報信號。這是自1983年以來的第一個10號警報，且此信號懸掛了11個小時，為歷來最長。

山竹是西北太平洋2018年臺風季第22個命名的熱帶氣旋（國際編號1822）。山竹于9月7日在關島東部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間內持續(xù)增強。山竹于11日增強為超強臺風并持續(xù)至14日，但在15日經(jīng)過呂宋島后強度有所衰減。進入南海海域后，山竹以強臺風級別持續(xù)沿西北向朝華南地區(qū)靠近，并于16日17:00在廣東臺山海宴鎮(zhèn)登陸，登陸時中心附近最大風力14級，中心最低氣壓955 hPa。

本文采用與作者之前同類實測研究工作相同的數(shù)據(jù)前處理技術[25-26]，對所有實測資料進行質量控制及預處理。

2 全局化結構特征

2.1 主結構

圖4展示了臺風約克和山竹影響香港期間由KP站點釋放的高空探測氣球得到的不同氣象要素垂直剖線。圖中“參考”結果為背景大氣相應氣象要素剖線，即基于2000—2019二十年間與所研究臺風對應月份中不受臺風影響情況下的探空氣球數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果，而ΔP表示臺風大氣與背景大氣之間的氣壓差。

從圖中干球溫度及相對濕度的剖線可知，研究區(qū)域上空大氣對流層層頂位于約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，而相對濕度剖線值則在對流層層頂以上急劇降低。從臺風各氣象要素剖線與背景大氣結果間的差異來看，兩臺風主體結構均延伸至對流層層頂高度，且臺風大部分區(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），因此相關結果更能體現(xiàn)臺風核心區(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）則表明在強對流作用下，約克靠近核心區(qū)域的暖濕強對流氣團已穿過對流層層頂，到達平流層底部。然而圖4（c-e）結果表明，臺風動力學結構基本位于對流層層內：在對流層層頂以下，臺風氣壓場及風場結果與背景大氣差異明顯，而在其上兩者差異不大。

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

圖4（c）表明臺風流出層中心高度位于15 km處，在該高度附近范圍風速和風向（圖4（d、e））急劇變化，即臺風風場特征向由背景大氣控制的風場特征轉化。在流出層以下，臺風氣壓差剖線ΔP(z)值則隨高度增加呈現(xiàn)出線性遞減的變化趨勢：

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)出線性相關關系（如圖5所示）：

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

其中，C為系數(shù)。通過擬合，臺風約克和山竹對應的C值分別為0.091和0.097。需指出的是，已有研究表明其他臺風也表現(xiàn)出與約克和山竹類似的氣壓場剖線分布特征，且公式（2）中系數(shù)值（= 0.092）與本文結果一致[27]。

圖6、圖7展示了約克和山竹影響香港期間SSP站點雷達風廓線儀監(jiān)測得到的名義垂直風速分量剖線及對應的信噪比。圖中紅色虛線為站點近地面氣壓時程，該結果可反映站點距離臺風中心的遠近信息?；诶走_風廓線工作原理，臺風期間具有較大負值的垂直風速分量（W）應對應雨滴下降速度。此外，基于垂直風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，雷達反射信號變化明顯，故可通過回波信噪比變化梯度來確定混合層高度位置。融化層高度識別過程與之類似。如圖所示，在圖6（a）紅色區(qū)域對應的眼壁區(qū)，垂直風速為較大負值，說明此區(qū)域存在強降雨。眼壁區(qū)稍外圍的W絕對值有所減小，且相應時段間歇性出現(xiàn)，說明這些區(qū)域對應主螺旋雨帶。遠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)域對應外圍雨帶。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。

圖6 臺風約克影響香港期間SSP站點雷達風廓線儀監(jiān)測結果Fig.6 Field measurements from the wind profiler at SSP during the passage of York

圖7 臺風山竹影響香港期間SSP站點雷達風廓線儀監(jiān)測結果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，故雷達信號中反應融化層高度的特征不明顯。從相應的信噪比結果來看，此區(qū)域大氣混合層厚度為1～2 km，不過山竹對應的混合層高度比約克厚，這可能與觀測期間山竹的強度級別（強臺風）比約克（臺風）更高有關。

2.2 雙眼壁及其演化特征

大量實測結果表明，位于空曠海(洋)面上空的熱帶氣旋當發(fā)展到一定強度級別后可能會在原眼壁外圍由主螺旋雨帶演化形成一個尺寸更大的外眼壁，從而形成雙眼壁結構。雙眼壁形成后，由于外眼壁的阻擋作用，外圍含有大量動能、潛熱的氣團很難到達內眼壁，于是內眼壁趨于衰退。與此相對應，外眼壁在獲得外圍云系及氣團在能量及物質方面的持續(xù)補充后不斷發(fā)展，并開始向內收縮，而收縮過程導致內眼壁進一步衰退。如發(fā)展順利，內眼壁將最終消失，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。眼壁置換過程會對熱帶氣旋的強度及作用范圍產(chǎn)生顯著影響[28]。

圖8展示了臺風山竹在穿越呂宋島前及位于南海北部時的衛(wèi)星云圖及系統(tǒng)強度及作用范圍示意圖。在圖8（a）所示時刻，山竹已發(fā)展為超強臺風，此時系統(tǒng)的雙眼壁結構顯著?？梢灶A見，如眼壁置換過程充分，臺風在隨后的強度有可能會繼續(xù)提升。但隨后由于山竹橫越呂宋島，其內部結構及整體強度受到較大破壞。如圖8（b）所示，當山竹到達南海北部時，盡管原內眼壁已顯著衰退，但原外眼壁未能持續(xù)向內收縮，反而自身破損為兩條主螺旋雨帶系，此時系統(tǒng)強度退化為臺風級別（圖2（b））。與上述過程相對應，臺風山竹在圖8（a）時段內眼壁附近風力最大，但外眼壁影響范圍更加寬廣，而到了圖8（b）所示時刻時，原外眼壁區(qū)域風速相對更強。香港天文臺氣象雷達資料顯示，山竹登陸前其云系結構依然與圖8（b）一致。臺風這種松散的主云系結構導致在距離其中心軌跡相對較遠的香港受到了比距離其中心軌跡更近區(qū)域（如澳門、珠海）更為嚴重的影響。

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

2.3 近地面氣壓場分布特征

氣壓梯度力是驅動臺風氣流運轉的直接作用力。因此臺風氣壓場在很多臺風風場模擬及臺風災害評估研究中占據(jù)重要地位。目前應用最廣的熱帶氣旋氣壓場模型為Holland[24]提出的近地面徑向分布模式：

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

圖9給出了臺風約克和山竹登陸前后不同時刻近地面氣壓場徑向分布（以無量綱氣壓差形式給出）實測及采用公式（3、4）對實測數(shù)據(jù)的擬合結果。實測結果基于圖1所示的廣東省內86個國家氣象站點逐時記錄的氣象觀測資料。本文中所有氣壓數(shù)據(jù)均通過熱力學公式轉化為海平面高度值。

圖9 約克和山竹近地面無量綱氣壓差徑向分布實測（實心點）與擬合（實線）結果對比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模型可對約克近地面氣壓場的徑向分布特征進行較好描述，不過圖9（a）表明在登陸前后約克氣壓場細節(jié)特征有所變化：08:00/16、14:00/16（登陸）及20:00/16三時刻的中心氣壓、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，臺風山竹的氣壓場在登陸前后表現(xiàn)出顯著的差異性。登陸前，盡管實測數(shù)據(jù)與擬合結果之間存在一定差異，但總體而言，Holland模型可對實測結果提供無偏描述。然而臺風登陸后實測數(shù)據(jù)與擬合結果之間存在系統(tǒng)偏差。基于Holland模型擬合結果，山竹在 13:00/16、17:00/16（登陸）、21:00/16三時刻的中心氣壓、Rmax和B值分別為950/955/970 hPa、101/83/99 km、1.29/1.06/1.18。可見，相比臺風約克，山竹登陸前后對應的Rmax和B值明顯偏大。上述差異應與上節(jié)所討論的臺風山竹雙眼壁演化特征有關。

為進一步探究臺風山竹登陸前后氣壓場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）三個時刻近地面氣壓場后驗分析結果。圖示結果表明當山竹臨近大陸海岸線時，其氣壓場由軸中心對稱結構逐漸向軸非對稱結構轉變。針對圖10（c）所示的軸非對稱氣壓場結構，He等[29]提出了基于橢圓族函數(shù)的臺風近地面氣壓場二維模型：

圖10 山竹在不同時刻近地面等壓線后驗分析結果（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，臺風氣壓場等壓線由式（5）所示的橢圓族函數(shù)描述，ρ (e,θ)表示橢圓極坐標函數(shù)，θ為相對臺風中心的角度，e為橢圓曲率，L和 θc為系數(shù)分別表示氣壓場水平特征尺寸及橢圓族長軸朝向。式（6）建立了橢圓族關鍵系數(shù)e與臺風氣壓場等壓線P0(e)間的關系，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）所示的線性關系。

公式（5-7）給出了臺風山竹登陸前近地面氣壓場軸非對稱二維分布模型。該模型與公式（1-2）所示的臺風垂直剖線模型結合，可得到臺風氣壓場三維分布模型。

2.4 關鍵參數(shù)概率分布特征

當前臺風風災害評估研究主要采用蒙特卡羅抽樣模擬技術，而臺風關鍵參數(shù)概率分布模型在其中占據(jù)重要地位。臺風主要關鍵參數(shù)包括年發(fā)生率、中心平移速度、平移方向、中心氣壓（差）、最大風速半徑Rmax、Holland-B（或B）等。上述參數(shù)中，前4個參數(shù)可基于臺風年鑒資料獲得，而Rmax和Holland-B的數(shù)值則不易確定。

在北美地區(qū)，科研人員對區(qū)域性熱帶氣旋關鍵參數(shù)特征進行了深入研究，并提出了相應的概率分布模型[30]。國內研究人員也對影響我國熱帶氣旋的關鍵參數(shù)特征進行了研究，但由于實測資料有限，相關研究有待進一步開展。需指出的是不同大洋盆地熱帶氣旋的結構和風場特征可能存在較大差異，對于登陸前后的氣旋而言，上述情況更為明顯。

本節(jié)重點對影響華南地區(qū)臺風的Rmax和B概率分布特征進行分析，參數(shù)值由式（3、4）擬合而定。為簡化討論，這里忽略雙眼壁及氣壓場軸非對稱分布特征對結果的影響。

圖11所示為兩參數(shù)概率密度實測數(shù)據(jù)及采用不同分布模型得到的擬合結果。通過χ2和K-S檢驗，最優(yōu)擬合模型為對數(shù)正態(tài)分布：

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

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

表2 影響華南地區(qū)臺風的最大風速半徑Rmax和Holland-B概率分布模型關鍵參數(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，實際應用中有時可通過建立兩參數(shù)與中心氣壓差ΔP的統(tǒng)計關系，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Rmax與ΔP及B與Rmax的關系進行分析。圖12（a）展示了Rmax與ΔP之間的相關性，其相關系數(shù)為 ρXY= -0.613 4，這說明Rmax與ΔP存在強負相關關系。此外，圖12（b）表明系統(tǒng)誤差ε可基本描述為一正態(tài)隨機過程。式（9、10）中相關參數(shù)最佳擬合值如表3所示，其中σε表示ε的均方根值。與此相對應，B與Rmax之間的關聯(lián)性分析結果如圖12（c、d）所示。實測數(shù)據(jù)表明兩者相關度極低（相關系數(shù)為0.027 9），因此基于Rmax采用式（10）來計算B值的方法并不可靠。

圖12 最大風速半徑與中心氣壓差和Holland-B間相關性 (藍色星為數(shù)據(jù)點，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 基于實測得到的式(9、10)各參數(shù)信息Table 3 Parameters in Equations (9-10) estimated via field measurements

為進一步了解B與Rmax之間的關系，圖13展示了約克和山竹兩臺風影響華南地區(qū)期間上述兩參數(shù)之間的相互關系。實測結果表明：1）在個例分析中，B與Rmax表現(xiàn)出顯著的相關性；2）不同臺風個例之間兩參數(shù)的相關性特征差異顯著—對山竹而言，兩參數(shù)為正相關關系；而對約克而言，兩參數(shù)為弱負相關關系。結合上節(jié)有關臺風結構特征的討論，B與Rmax兩參數(shù)間的關系應該與臺風內部結構的分布特征密切相關，而不同臺風內部結構間的差異性使B與Rmax之間的關聯(lián)性變得相當復雜，甚至從基于大量臺風樣本的統(tǒng)計學角度來講，B與Rmax不再相關。

圖13 臺風約克和山竹影響華南地區(qū)期間Holland-B與最大風速半徑間的相關性Fig.13 The correlation between Holland-B and RMW for York and Mangkhut

3 風場特征

3.1 全局化風場特征

圖14給出了基于表1所述175個探空氣球實測數(shù)據(jù)得到的復合分析結果。圖中，所有數(shù)據(jù)按照“邊界層參考風速”的大小被劃分為不同風速組。本文“邊界層參考風速”定義為1 000 m以下范圍所有測點風速的算術平均值。類似地，“邊界層參考風向”基于1 000 m以下各測點風速和風向數(shù)據(jù)采用矢量平均技術計算得到。由于數(shù)據(jù)資料有限，且本節(jié)重點在于揭示臺風全局化風場特征，故圖14未考慮不同來流地貌對風場特征的影響。

圖14 探空氣球實測數(shù)據(jù)復合分析結果Fig.14 Results of the composite analysis for ballon-measured TC wind fields

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

圖14（b）考察了5 km高度范圍內臺風風場隨徑向距離（采用無量綱形式，即：r/Rmax）變化的分布特征?？梢钥闯鲲L速在r/Rmax附近存在極值，且該區(qū)域風速極值對應高度隨徑向距離變大而趨于上升。上述結果與海上熱帶氣旋觀測結果一致。然而，在r/Rmax= 2甚至更遠徑向位置處也存在風速極值。其原因可能在于：1） 臺風在臨近登陸或登陸后自身結構的非對稱性越發(fā)明顯，而最大風速半徑不能有效反映臺風風場的非對稱特征；2） 實測數(shù)據(jù)相對缺乏，不能有效揭示多種因素（地形地貌、臺風非對稱結構、徑向距離等）作用下各因素對臺風風場的影響特征?？偠灾?，圖14（b）結果反映了華南地區(qū)登陸或鄰近登陸臺風風場特征的復雜性。

3.2 風速及風向剖線

3.2.1 個例分析結果

圖15展示了臺風山竹影響香港期間由SSP和CCH兩站點雷達風廓線儀探測得到的2小時水平平均風速和風向的垂直剖線。CCH站點最大平均風速超過50 m/s，對應高度位于1～2 km范圍。相比而言，SSP站點最大風速略低，而最大風速所在高度略高。導致上述差異產(chǎn)生的原因在于：1） 兩風廓線儀硬件設備及工作設定參數(shù)不同；2） 兩站點相對臺風中心的距離有所差異，而臺風風場特征與徑向距離有很大關系；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兩站點風廓線儀探測的2小時水平平均風速(U)和風向 (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所示兩站點實測結果表明：1） 臺風風場中存在顯著的低空急流現(xiàn)象，而風廓線的LLJ結構不僅可存在于最大風速對應的眼壁區(qū)附近（SSP站點34-36 h），還可存在于較外圍區(qū)域（SSP站點 26-28 h；對應圖7中02:00-04:00/16）；2） 不同站點不同時刻對應的梯度風高度有所差異，總體來看，梯度風高度位于1-2.5 km區(qū)間，來流為山地地貌情況下的梯度風高度普遍偏高，但所有剖線對應的梯度風高度均比深海洋面實測結果（0.5～1 km）顯著偏高；3） 風向在大氣邊界層內隨高度有明顯變化，即偏轉風效應顯著。

為更清晰展示上述討論內容，圖16展示了臺風山竹影響香港期間基于雷達風廓線儀在09:00-14:00/16時段（風力最強時段）探測數(shù)據(jù)得到的總體無量綱風剖線。如圖所示，臺風風速剖線低空急流特征非常明顯。在SSP站點，低空急流中心高度位于2 km，8 km高度處風速降為最大風速的80%，近地面風速降為最大風速的30%。而在CCH，最大風速位于約1 km高度處，5 km高度處風速降為最大風速的80%，近地面風速僅降為最大風速的72%。兩站點近地面風速特征的差異性反映出局地地貌特征對研究位置風場的影響。圖17展示了臺風約克和山竹影響香港期間梯度風風速及梯度風高度隨距臺風中心徑向距離的變化關系。由圖可知，臺風梯度風高度呈現(xiàn)出隨距臺風中心徑向距離變大而升高（1～4 km）的趨勢。

圖16 基于雷達風廓線儀數(shù)據(jù)得到的山竹總體無量綱風剖線（結果以均值 + 誤差棒形式給出，且縱坐標以線性和對數(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風梯度風風速及對應高度隨徑向距離變化關系Fig.17 Dependnece of the speed and height of the gradient wind on the radial distance for York and Mangkhut

3.2.2 復合分析結果

為得到更為穩(wěn)定的臺風風剖線，本文基于CCH站點全部風廓線實測樣本資料，得到了如圖18所示的兩類來流地貌下風速剖線復合分析結果。圖18（a）對應來流空曠海面地貌，圖18（b）對應來流山地地貌。圖18（a）反映出隨著風力的增強，臺風風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)出隨風速提高而降低的變化趨勢（變化范圍1 430～457 m）。與此相對應，圖18（b）所示梯度風高度整體上有顯著升高，且梯度風高度受風速變化影響不顯著（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?，地形效應在山體尾流區(qū)沿高度方向的影響范圍可遠超對應山峰高度。

圖18同時展出了采用對數(shù)律和指數(shù)律對臺風邊界層內風剖線數(shù)據(jù)的擬合結果。兩種情況得到的粗糙度長度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）對應空曠海面來流地貌，但CCH近地面風場受長洲島地形特征影響顯著。此外，采用風剖線法得到的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，故相關結果存在較大不確定性。

偏轉風特征是近些年學者們開始關注的一類風場特征。由于風向偏轉角（即風向沿高度發(fā)生變化）的存在，基于某一高度 （如近地面） 得到的風向信息未必能有效反映風場沿高度的分布特征。這對高聳結構風效應評估結果的影響有可能非常顯著。

圖19展示了CCH站點風向偏轉角（Δθ）實測結果，每一組Δθ剖線均通過各高度層風向減去2 000～5 000 m范圍平均風向得到。圖19（a）對應不同來流風向扇區(qū)對應的Δθ結果，而圖19（b）對應空曠來流海面扇區(qū)（210°～270°）情況下6組不同風速對應的Δθ結果。圖19（a）結果表明，復雜山地來流地貌下風向隨高度變化很大，近地1 000 m及2 000 m范圍內風向偏轉角最高可達40°和60°?？梢灶A見，采用近地面風場信息來分析超高層建筑高空位置處風效應特征會引起極大誤差。圖19（b）表明海面來流情況下，強風Δθ剖線在地表層以上（＞100 m）隨高度變化呈現(xiàn)出對數(shù)律分布特征，且近地2 000 m范圍內風向偏轉角可到 30°。

圖19 采用復合分析技術得到的CCH站點風向偏轉角Fig.19 Vertical profiles of horizontal wind direction obtained via the composite analysis

3.2.3 風速剖線全局化分布模型

隨著高聳建筑高度日益增高，對臺風剖線模型高度適用性方面的需求也日益提升。由于對數(shù)律和指數(shù)律模型不能反映臺風剖線低空急流特征，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，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測數(shù)據(jù)（圖18（a））的臺風風速剖線全局化分布模型。將風剖線最大風速出現(xiàn)的高度記為h，考慮圖16和圖18（a）所示結果，假定垂直風速剖線存在一上邊界高度H1（約10 km），在該位置處風速按照風剖線位于h以上高度范圍的變化趨勢而趨于0。U(z)在地表層范圍內遵循對數(shù)律分布規(guī)律，而在梯度風高度h以上的范圍，由于遠離地表，大氣受地表拖拽影響弱，故假設此范圍內氣流統(tǒng)計特征與層流狀態(tài)相近，于是U(z)隨高度呈線性分布關系。

圖18 兩類來流地貌下風速剖線復合分析結果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位于遠高于梯度風高度h以上范圍時風速U(z)的兩個邊界條件。引入坐標變換N(z)=ln(H1/z)，可知z→0時，N→ ∞；z→H1時，N→0。考慮到式（11、12）所示的風剖線兩邊界特征，參考風速譜通用化模型，從而假定無量綱風速剖線公式如下：

其中，A(≈0.7)和B(≈0.11)為系數(shù)，其值可通過擬合風剖線實測數(shù)據(jù)得到。

圖20分別展示了風速U隨無量綱參數(shù)N及高度的變化關系?？梢?，公式擬合值與實測結果吻合較好。需指出的是，式（13）所示模型可以描述臺風風剖線LLJ及其高度隨風力強度變化的特征，且其使用范圍比現(xiàn)有風剖線模型都要廣泛。

圖20 風速剖線全局化分布模型及其與實測對比Fig.20 Comparisons between modeled and measured wind profiles

3.3 近地表面風場特征

圖21展示了臺風山竹影響香港期間，位于香港不同位置處多個地表站點風速設備監(jiān)測得到的10 min水平風速和風向時程。

可以看到盡管各氣象站點均位于香港地區(qū)地表層范圍，但彼此風速和風向時程信息存在顯著差異。KP站點位于香港城市中心（靠近SSP），其附近風場受周邊建筑以及外圍山地遮擋效應顯著，風速很低。R1C位于香港國際機場跑道一側，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，因此該站點周邊風場所受地形的遮擋效應依然顯著，其風速值與其他來流空曠站點（CCH）實測結果相比明顯偏低。在CCH風速最大時刻附近，該站點風速值與TMS（位于香港最高峰）站點的實測記錄接近；而在其余時刻（最大風速后TMS站點氣象設備損壞），TMS站點記錄風速比CCH風速高出很多。這是因為最大風速時刻對應西南風，而該來流情況下，CCH站點所在的長洲島地形具有顯著的加速作用[33]。與此相對應，圖21（b）說明不同站點所記錄的風向信息彼此差異相對較小，但在很多時刻這種差異也不能忽略（如12:00/15- 00:00/16）。

圖21 臺風山竹影響香港期間不同站點10分鐘水平風速和風向時程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實測數(shù)據(jù)的應用和研究帶來諸多不便，突出表現(xiàn)在實測數(shù)據(jù)往往不能有效反映未受來流地貌/地形影響的風場特征，從而導致基于實測數(shù)據(jù)分析得到的結論存在較大不確定性。如采用R1C站點實測數(shù)據(jù)反推高空風速，按照業(yè)內通用假定即機場來流地貌為B類地貌，取α= 0.12，由圖15取梯度風高度為1 000 m，則算得的山竹影響香港期間最大風速為34.8 m/s，這與圖15所示結果差異顯著。如果上述計算中的梯度風高度基于荷載規(guī)范中有關沿海地帶或來流空曠地貌對應的梯度風高度計算，則計算得到的梯度風風速不超過30 m/s。

針對上述問題，可采用標準化方法[33]將地表實測風速數(shù)據(jù)轉化為標準狀況下的數(shù)值。對常態(tài)風實測數(shù)據(jù)采用該類方法進行標準化處理時，一般假設同一區(qū)域不同站點上空梯度風風速不變。圖22（a）對比分析了山竹影響香港期間基于CCH和SSP風廓線儀得到的兩站點上空梯度風風速時程，兩者在大部分時間展現(xiàn)出較好的一致性，這為前述假設的有效性提供了支撐。但在臺風最靠近香港的時段，兩時程間的差異依然明顯。其主要原因是臺風核心區(qū)域風場梯度變化顯著，而兩站點相對臺風中心徑向距離的差異性會導致兩站點上空的梯度風強度存在明顯差別。圖22（b）顯示山竹最靠近香港時，兩站點距臺風中心的徑向距離最大可差25 km?；谏鲜鲇懻摚旈_展臺風影響下近地面風速實測數(shù)據(jù)標準化研究時，需特別考慮臺風梯度風沿徑向的變化特征。

圖22 臺風山竹影響香港期間基于CCH和SSP兩站點風廓線儀得到的每小時平均的梯度風時程及兩站點距離臺風中心距離時程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 結論與討論

本文主要對影響華南地區(qū)熱帶氣旋的全局化結構及風場特征進行了個例和匯總研究。通過對半世紀以來影響香港最為嚴重的兩臺風 （山竹和約克）進行個例分析，闡述了臺風典型的主體結構特征，詳細介紹了臺風水平和垂直結構特征及各結構部分所在空間位置；展示了臺風在深海上空的雙眼壁結構及其演化特征及其對臺風結構和風場強度的影響；揭示了臺風臨近登錄及登陸后氣壓場軸非對稱特征及最大風速半徑和Holland-B等關鍵參數(shù)分布特征；提出了臺風氣壓場軸非對稱水平分布模型和垂直剖線模型。在臺風風場研究方面，分別采用個例分析和復合分析手段討論了其全局化分布特征、臺風風速和風向垂直剖線特征以及近地面風場特征，重點研究了臺風水平風速低空急流特征并提出了一種基于實測數(shù)據(jù)的剖線模型，闡述了典型地形/地貌效應對近地面風場特征的影響，提出了基于梯度風確定參考風速的理念。

需要強調的是，有關臺風全局化結構和風場特征兩部分的研究內容并不是彼此割裂的，前者可為深入分析臺風風場特征提供必要參考（如山竹風場分布特征與其眼壁置換過程密切相關）。此外，受實測資料限制，本文沒有討論臺風局部化結構特征及其與風場脈動特征之間的關系。這方面的研究工作有待繼續(xù)和加強。