登陸臺(tái)風(fēng)影響下離地300 m 高度內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)特征

常蕊 朱蓉 趙大軍

1 中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心, 北京100081

2 中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100081

1 引言

臺(tái)風(fēng)邊界層中包含許多中小尺度環(huán)流系統(tǒng)，其精細(xì)結(jié)構(gòu)與臺(tái)風(fēng)災(zāi)害緊密聯(lián)系（吳立廣等, 2020）。與近海風(fēng)電工程相聯(lián)系，登陸臺(tái)風(fēng)邊界層強(qiáng)風(fēng)參數(shù)的準(zhǔn)確描述對(duì)風(fēng)電場(chǎng)抗風(fēng)設(shè)計(jì)及臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)防御至關(guān)重要；同時(shí)，隨著風(fēng)電機(jī)組不斷向大型化發(fā)展，葉尖高度超過(guò)200 m、風(fēng)輪直徑超過(guò)150 m 的大型風(fēng)電機(jī)組屢見(jiàn)不鮮，如此發(fā)展趨勢(shì)下，近海風(fēng)電場(chǎng)微尺度風(fēng)場(chǎng)模擬仿真也對(duì)離地300 m 高度內(nèi)的風(fēng)特性研究提出了更高的要求。

近年來(lái)，針對(duì)重大工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)需求，學(xué)者們?cè)趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，開(kāi)展了臺(tái)風(fēng)影響下的風(fēng)廓線、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子等參數(shù)的特征研究，指出臺(tái)風(fēng)影響下的近地層風(fēng)特性與良態(tài)風(fēng)場(chǎng)具有顯著差異（宋麗莉等, 2005; 陳雯超等, 2011; 張容焱等, 2012;方平治等, 2013; 廖菲等, 2017）：臺(tái)風(fēng)影響期間，近海海域和沿海陸地區(qū)域離地1000 m 高度內(nèi)的風(fēng)切變指數(shù)分別為0.11 和0.13（葛耀君, 2016）；測(cè)風(fēng)塔和單點(diǎn)風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)表明，臺(tái)風(fēng)黑格比（0814）前（后）眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)的梯度風(fēng)高度為450 m（300 m），且指數(shù)律和對(duì)數(shù)律可以用來(lái)擬合眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)300 m 高度以下的風(fēng)剖面，但擬合參數(shù)的絕對(duì)值超出規(guī)范推薦值（李利孝等, 2012）；激光雷達(dá)單點(diǎn)探測(cè)表明，臺(tái)風(fēng)山竹（1822）登陸前（后）外圍風(fēng)場(chǎng)平均最大風(fēng)速高度約360 m（800 m），平均風(fēng)剖面冪指數(shù)為0.41（0.28）（趙林等,2019）。上述成果為我國(guó)臺(tái)風(fēng)影響地區(qū)的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了較大幫助（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì),2016; 國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)2018; 國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì), 2020）。由于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程抗風(fēng)研究十分關(guān)注臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)及強(qiáng)渦旋環(huán)流共同作用下的風(fēng)特性，而大多數(shù)實(shí)測(cè)點(diǎn)位置與臺(tái)風(fēng)中心距離較遠(yuǎn)，且在空間代表性上受限制，難以充分捕獲臺(tái)風(fēng)影響期間的強(qiáng)風(fēng)信息。

臺(tái)風(fēng)數(shù)值模擬技術(shù)因其均勻的時(shí)空覆蓋優(yōu)勢(shì)，逐漸成為彌補(bǔ)實(shí)測(cè)資料上述短板的重要手段之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也相繼開(kāi)展了臺(tái)風(fēng)邊界層數(shù)值模擬方面的技術(shù)研究（鄧國(guó)等, 2005; Tang et al., 2018; 王葉紅和趙玉春, 2020）。美國(guó)國(guó)家海洋大氣局颶風(fēng)研究中心針對(duì)臺(tái)風(fēng)邊界層的湍流混合開(kāi)展了從觀測(cè)到數(shù)值模擬的系列研究，刻畫(huà)了開(kāi)闊海域臺(tái)風(fēng)眼區(qū)低層（海面至1 km）湍流特性，為30 m s-1以上強(qiáng)風(fēng)垂直湍流耗散估計(jì)及臺(tái)風(fēng)中尺度數(shù)值模式中的邊界層參數(shù)化方案改進(jìn)提供了重要依據(jù)（Zhang et al.,2011, 2015），但上述數(shù)值模型重點(diǎn)關(guān)注下墊面條件均一的開(kāi)闊海域?？紤]我國(guó)近海區(qū)域受臺(tái)風(fēng)頻繁影響及海陸交界的復(fù)雜下墊面特征，中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所及中國(guó)氣象科學(xué)研究院的臺(tái)風(fēng)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了大量具有針對(duì)性的臺(tái)風(fēng)邊界層特種觀測(cè)及數(shù)值模擬研究工作（Zhang and Pu, 2017; Tang et al.,2018），為進(jìn)一步建立本地化的臺(tái)風(fēng)中尺度數(shù)值模型提供了較好支撐，其中后者在WRF（Weather Research and Forecasting）數(shù)值模式的動(dòng)力框架和物理參數(shù)化方案基礎(chǔ)上，針對(duì)臺(tái)風(fēng)渦旋特征，研發(fā)了中尺度臺(tái)風(fēng)數(shù)值模式T-RAPS（Typhoon Regional Assimilation and Prediction System），其關(guān)鍵技術(shù)包括：通過(guò)快速循環(huán)同化的動(dòng)力渦旋初始化方案（Cha and Wang, 2013），獲得符合觀測(cè)強(qiáng)度的、結(jié)構(gòu)較好的初始臺(tái)風(fēng)渦旋；通過(guò)引入地形變量和地形濾波（Liu et al., 2018），解決臺(tái)風(fēng)遇到地形后初始化方案失效的問(wèn)題。T-RAPS 系統(tǒng)的上述特征使得它在臺(tái)風(fēng)渦旋結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度方面的模擬能力比以往的虛擬渦旋（Bogus）更優(yōu)（Duan et al., 2019）。觀測(cè)資料的對(duì)比檢驗(yàn)表明，T-RAPS 臺(tái)風(fēng)模式能夠較好地重現(xiàn)臺(tái)風(fēng)威馬遜（1409）和天鴿（1713）登陸前后的邊界層風(fēng)場(chǎng)特征（Zhang et al., 2017; Duan et al., 2019; Zhao et al., 2020）。

綜上可見(jiàn)，個(gè)例實(shí)測(cè)資料分析可局部刻畫(huà)臺(tái)風(fēng)影響期間的強(qiáng)風(fēng)特征，但難以充分捕獲臺(tái)風(fēng)影響期間的完整信息，較好的方式是通過(guò)多種觀測(cè)設(shè)備協(xié)同探測(cè)，信息互補(bǔ)，綜合分析，進(jìn)而得到可有效利用的信息（許小峰, 2020）；另一方面，與傳統(tǒng)的開(kāi)闊海域臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)研究不同，T-RAPS 中尺度數(shù)值系統(tǒng)在臺(tái)風(fēng)邊界層風(fēng)場(chǎng)模擬方面的優(yōu)勢(shì)可與多源實(shí)測(cè)資料形成互補(bǔ)，綜合揭示臺(tái)風(fēng)影響期間的風(fēng)場(chǎng)特征。因此，本文將通過(guò)多源觀測(cè)數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬手段，揭示登陸臺(tái)風(fēng)影響下300 m 高度內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)特性，以期為我國(guó)近海風(fēng)電場(chǎng)的微尺度風(fēng)場(chǎng)仿真模擬及臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)防御提供幫助。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

（1）中央氣象臺(tái)逐小時(shí)BABJ（China Meteorological Administration 的代號(hào)）臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)實(shí)況定位資料，包括逐小時(shí)平均的臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)緯度、最低氣壓和最大風(fēng)速等。本文重點(diǎn)關(guān)注登陸我國(guó)并造成嚴(yán)重影響的兩個(gè)典型臺(tái)風(fēng)，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)山竹（1822）和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909），它們均具有強(qiáng)度強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣等特點(diǎn)，其中山竹（1822）塊頭大且大風(fēng)范圍廣。

監(jiān)測(cè)表明，臺(tái)風(fēng)山竹（1822）經(jīng)過(guò)菲律賓進(jìn)入我國(guó)南海海域之后向西北方向移動(dòng)，于2018 年9月16 日17:00（北京時(shí)，下同）左右在廣東省江門臺(tái)山沿海登陸，登陸時(shí)中心最低氣壓為960 hPa，10 m 高度最大風(fēng)速為42 m s-1，登陸后強(qiáng)度逐漸減弱（圖1a）；而超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909）于2019年8 月10 日01:45 左右在浙江省溫嶺市沿海登陸，登陸時(shí)中心最低氣壓930 hPa，10 m 高度最大風(fēng)速為52 m s-1，登陸后強(qiáng)度快速減弱（圖1b）。

（2）廣東省和浙江省20 座固定式風(fēng)廓線雷達(dá)（圖1）的逐小時(shí)平均測(cè)風(fēng)資料，其探測(cè)物理量包括離地高度、風(fēng)向、水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速等，該數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象局風(fēng)廓線雷達(dá)業(yè)務(wù)觀測(cè)網(wǎng)。風(fēng)廓線雷達(dá)以空中大氣湍流為探測(cè)目標(biāo)，在風(fēng)場(chǎng)一致性及各向同性的假設(shè)條件下，通過(guò)測(cè)量目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的徑向速度來(lái)反演所在地上空的三維風(fēng)場(chǎng)。已有研究表明，我國(guó)東南沿海地區(qū)的固定式風(fēng)廓線雷達(dá)3 km 范圍內(nèi)的探測(cè)數(shù)據(jù)的有效完整率較高（高祝宇等,2016），與GPS 探空資料和再分析資料的一致性較好（李晨光等, 2003; Liu et al., 2020）。由于臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程常伴有強(qiáng)降雨，降雨對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)可靠性可能造成影響，本文采用的中國(guó)氣象局固定式風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)自動(dòng)標(biāo)記了探測(cè)數(shù)據(jù)的可信度，在選取統(tǒng)計(jì)樣本時(shí)，首先根據(jù)該數(shù)據(jù)判別碼，剔除由于降雨影響而產(chǎn)生的無(wú)效數(shù)據(jù)。

圖1 （a）2018 年9 月臺(tái)風(fēng)山竹（1822）、（b）2019 年8 月臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909）的移動(dòng)路徑（黑色實(shí)線）以及固定式風(fēng)廓線雷達(dá)（藍(lán)色三角）位置。圖b 中綠色星、黑色十字和紫色方塊分別代表測(cè)風(fēng)塔、WindCubeV2 激光雷達(dá)和溫嶺東海塘風(fēng)電場(chǎng)位置Fig. 1 Tracks (black line) of typhoon (a) Mangkhut (1822) in September 2018 and (b) typhoon Lekima (1909) in August 2019 and locations (blue triangles) of the wind profiler radars. ?n Fig. b, the green stars, black cross, and purple block denote the locations of masts, WindCubeV2 lidar, and Donghaitang wind farm, respectively

（3）臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909）影響期間，浙江平陽(yáng)部署的WindCubeV2 激光雷達(dá)（圖1b 黑色十字）探測(cè)的風(fēng)速數(shù)據(jù)為10 分鐘時(shí)距上的平均值；臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)刻，該探測(cè)點(diǎn)距離臺(tái)風(fēng)中心約100 km，位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的左側(cè)。利用GPS 探空資料對(duì)WindCubeV2 激光雷達(dá)在利奇馬（1909）風(fēng)雨影響時(shí)段的探測(cè)資料進(jìn)行檢驗(yàn)表明，在小時(shí)降雨量小于12.0 mm 的情景下，激光雷達(dá)探測(cè)的300 m 高度內(nèi)的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)是有效可用的（Tang et al.,2022）。而利奇馬（1909）影響期間，平陽(yáng)氣象站觀測(cè)的逐小時(shí)降雨量均低于2.0 mm，可見(jiàn)本文使用的溫州平陽(yáng)WindCubeV2 激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量能滿足研究需求。

利奇馬（1909）影響期間，浙江溫嶺東海塘風(fēng)電場(chǎng)（圖1b 紫色方塊）內(nèi)17 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為10 分鐘時(shí)距上的平均值。東海塘風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模為40 MW，風(fēng)機(jī)輪轂高度為67 m。風(fēng)電場(chǎng)呈狹長(zhǎng)條帶分布，南北長(zhǎng)約5 km，東西寬為1～3 km，下墊面為沿海灘涂。臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)刻，風(fēng)電場(chǎng)距離臺(tái)風(fēng)中心約25 km，位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向右側(cè)。

（4）利奇馬（1909）影響期間，距離臺(tái)風(fēng)中心100 km 范圍內(nèi)的6602#和1663#兩座測(cè)風(fēng)塔（圖1b 綠色星）的梯度觀測(cè)資料。6602#測(cè)風(fēng)塔的觀測(cè)高度為10 m 和45 m，1663#測(cè)風(fēng)塔的觀測(cè)高度為10 m、50 m 和70 m，測(cè)風(fēng)塔位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的右側(cè)。測(cè)風(fēng)塔上安裝美國(guó)NRG 測(cè)風(fēng)設(shè)備，測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)1 s 采樣1 次，將上述采樣數(shù)據(jù)在10 分鐘時(shí)距上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，得到10 分鐘時(shí)距上的平均風(fēng)速、風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差、最大風(fēng)速等，用于后續(xù)陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度的計(jì)算分析。

2.2 數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用T-RAPS 臺(tái)風(fēng)模式對(duì)山竹（1822）影響期間的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1 所示：模擬中使用三重嵌套雙向反饋方案，嵌套網(wǎng)格的水平分辨率從外向里依次為18 km（D1）、6 km（D2）和2 km（D3），其中D1 是固定網(wǎng)格，D2 和D3是移動(dòng)網(wǎng)格。移動(dòng)網(wǎng)格方案利用中央氣象臺(tái)逐小時(shí)BABJ 臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)實(shí)況定位資料對(duì)山竹（1822）中心位置進(jìn)行重定位，并對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度進(jìn)行了循環(huán)動(dòng)力初始化調(diào)整。D1 中心選取為（24.3°N，113.3°E），水平格點(diǎn)數(shù)為311（緯向）×251（經(jīng)向），D2 水平格點(diǎn)數(shù)為271×271，D3 水平格點(diǎn)數(shù)為211×211。垂直方向不等距分為50 個(gè)模式層，特別在低層進(jìn)行了加密，以提高臺(tái)風(fēng)模擬邊界層的分辨率。選取的物理過(guò)程參數(shù)化方案包括WSM6 微物理方案、YSU 邊界層方案、RRTMG 輻射方案等（Hong and Lim, 2006; Zhao et al., 2020）。

表1 2018 年臺(tái)風(fēng)山竹（1822）影響期間T-RAPS 模式的數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Numerical simulation settings used in T-RAPS model during Typhoon Mangkhut (1822) in 2018

數(shù)值試驗(yàn)的初猜場(chǎng)（2018 年9 月16 日02:00）和側(cè)邊界（間隔6 h）均使用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心1°×1°的FNL 全球再分析資料。試驗(yàn)連續(xù)積分72 h，覆蓋臺(tái)風(fēng)山竹（1822）的主要影響時(shí)段。為滿足本文臺(tái)風(fēng)影響期間的強(qiáng)風(fēng)特征分析需求，數(shù)值模式逐半小時(shí)輸出各模式層風(fēng)速、風(fēng)向等。

2.3 方法

（1）實(shí)測(cè)梯度數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制

初選的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中會(huì)存在一些由故障、傳感器失靈等原因造成的僵值或虛假值，即連續(xù)多個(gè)時(shí)次的探測(cè)值固定不變或相鄰高度層的風(fēng)速變化超過(guò)合理閾值。本文通過(guò)前后時(shí)次及相鄰層次的風(fēng)速差來(lái)剔除垂直梯度觀測(cè)資料中的僵值和虛假值，保證垂直探測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。

（2）臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑象限客觀分析

利用中央氣象臺(tái)逐小時(shí)BABJ 臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)實(shí)況定位資料的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑和測(cè)站經(jīng)緯度信息，將臺(tái)風(fēng)影響范圍內(nèi)的探測(cè)資料按照時(shí)間和空間特征劃分為右前、右后、左前和左后四個(gè)象限組，具體分析方法如圖2 所示。圖中四角星（xS,yS）為探測(cè)點(diǎn)S所在位置，右下圓點(diǎn)（x0,y0）為當(dāng)前時(shí)刻臺(tái)風(fēng)所在位置，左上圓點(diǎn)（x1,y1）為下一時(shí)刻臺(tái)風(fēng)所在位置，通過(guò)計(jì)算夾角θ即可對(duì)探測(cè)點(diǎn)S當(dāng)前時(shí)刻的位置所屬的臺(tái)風(fēng)影響象限進(jìn)行分類辨識(shí)。

圖2 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑象限客觀分析法，四角星為探測(cè)點(diǎn)所在位置（xS, yS），右下圓點(diǎn)為當(dāng)前時(shí)刻臺(tái)風(fēng)所在位置（x0, y0），左上圓點(diǎn)為下一時(shí)刻臺(tái)風(fēng)所在位置（x1, y1）。θ 為（x0, y0）和（x1, y1）連線與（x0, y0）和（xS, yS）連線的順時(shí)針夾角，θ1 為正北方向與（x0, y0）和（x1, y1）連線的順時(shí)針夾角，θS 為正北方向與（x0, y0）和（xS, yS）連線的順時(shí)針夾角Fig. 2 Quadrant analysis benchmarked on the track of the typhoon.The blue star, the blue dots in the lower right and upper left denote the observation point (xS, yS), the current position of the typhoon (x0, y0),and the position of the typhoon in the next moment (x1, y1),respectively. θ denotes the clockwise angle between the line from (x0,y0) to (x1, y1) and the line from (x0, y0) to (xS, yS). θ1 denotes the clockwise angle between the north line and the line from (x0, y0) to (x1,y1). θS denotes the clockwise angle between the north line and the line from (x0, y0) to (xS, yS)

首先，利用臺(tái)風(fēng)路徑及探測(cè)點(diǎn)位置信息，計(jì)算探測(cè)點(diǎn)（xS,yS）至臺(tái)風(fēng)當(dāng)前位置（x0,y0）的距離R，若R小于設(shè)置閾值（本文取200 km），則該探測(cè)點(diǎn)在臺(tái)風(fēng)影響范圍內(nèi)，否則不屬于臺(tái)風(fēng)影響點(diǎn)，其中探測(cè)點(diǎn)S至臺(tái)風(fēng)當(dāng)前位置的距離R通過(guò)如下公式計(jì)算：

利用三角函數(shù)關(guān)系，分別計(jì)算正北方向與臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向和探測(cè)點(diǎn)位置方向的順時(shí)針夾角θ1和θS：

其中，下標(biāo)i表示1 或S。θ=θS－θ1，當(dāng)θ＜0 時(shí)，θ=θ+360。當(dāng)θ≤90 時(shí)，標(biāo) 記 為 右 前 象 限；當(dāng)90＜θ≤180 時(shí)，標(biāo)記為右后象限；當(dāng)180＜θ≤270 時(shí)，標(biāo)記為左后象限；當(dāng)270＜θ≤360 時(shí)，標(biāo)記為左前象限。

在北半球，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向右側(cè)的風(fēng)向與其行進(jìn)方向一致，風(fēng)速得到加強(qiáng)，稱為危險(xiǎn)半圈；左側(cè)風(fēng)向與其行進(jìn)方向相反，風(fēng)速減小。

（3）風(fēng)參數(shù)計(jì)算

近地層風(fēng)切變指數(shù)用來(lái)表征水平風(fēng)速隨垂直高度的變化程度，其值大表示風(fēng)速隨高度增加得快，風(fēng)速的垂直梯度大，反之亦然。根據(jù)經(jīng)典近地層相似理論，近地層風(fēng)速廓線可以用簡(jiǎn)單指數(shù)律進(jìn)行擬合（李宗愷等, 1985），其形式為

式中，α為風(fēng)切變指數(shù)，與大氣層結(jié)穩(wěn)定度、下墊面粗糙度及風(fēng)速大小有關(guān)；Z1、Z2為平均風(fēng)速的探測(cè)高度（單位：m）；U1、U2為高度Z1、Z2處的水平風(fēng)速（單位：m s-1）。根據(jù)公式（3）所述風(fēng)速隨高度的指數(shù)變化關(guān)系，對(duì)目標(biāo)位置處（觀測(cè)點(diǎn)或數(shù)值模擬格點(diǎn)）各個(gè)高度層上的風(fēng)速進(jìn)行曲線擬合，并通過(guò)最小二乘法選取最優(yōu)擬合函數(shù)，將該擬合函數(shù)中的指數(shù)α記錄為目標(biāo)位置處的風(fēng)切變指數(shù)。

針對(duì)本文關(guān)注的離地300 m 高度內(nèi)的風(fēng)切變指數(shù)，選擇與風(fēng)機(jī)輪轂高度最接近的層次作為基準(zhǔn)，利 用 公 式（3）中 的Z1和U1，依 次 計(jì) 算 αi，αi=i×0.001（i=1, 2, ···, 1000）和觀測(cè)（或模擬）高 度 層Zj（j=1, 2, ···,n）處 的 擬 合 估 計(jì) 風(fēng) 速Uj（j=1, 2, ···,n）；然后計(jì)算所有高度層上的擬合估計(jì)風(fēng)速與觀測(cè)（或模擬）風(fēng)速之間的偏差，并通過(guò)最小二乘法選擇擬合風(fēng)速與觀測(cè)風(fēng)速最接近的函數(shù)曲線，該曲線對(duì)應(yīng)的指數(shù) αi即為該目標(biāo)位置處的風(fēng)切變指數(shù)。

湍流強(qiáng)度是衡量湍流強(qiáng)弱的相對(duì)指標(biāo)，以湍流風(fēng)速漲落標(biāo)準(zhǔn)差和平均風(fēng)速的比值來(lái)表達(dá)。本文利用2.1 小節(jié)利奇馬（1909）影響期間6602#和1663#測(cè)風(fēng)塔10 分鐘時(shí)距內(nèi)的觀測(cè)資料，通過(guò)如下公式計(jì)算測(cè)風(fēng)塔位置處逐10 分鐘的湍流強(qiáng)度（I）：

式中，σ為10 分鐘時(shí)距內(nèi)1 秒采樣風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差（單位：m s-1）；U為10 分鐘時(shí)距內(nèi)所有采樣風(fēng)速的平均值（單位：m s-1）。

陣風(fēng)因子是表達(dá)風(fēng)速陣性的參數(shù)，以某一時(shí)距內(nèi)最大風(fēng)速與平均風(fēng)速之比來(lái)表達(dá)。與湍流強(qiáng)度類似，本文同樣利用2.1 小節(jié)利奇馬（1909）影響期間6602#和1663#測(cè)風(fēng)塔10 分鐘時(shí)距內(nèi)的觀測(cè)資料，通過(guò)如下公式計(jì)算測(cè)風(fēng)塔位置處逐10 分鐘的陣風(fēng)因子（G）：

式中，Umax為10 min 時(shí)距內(nèi)1 s 采樣風(fēng)速的最大值（單位：m s-1）；U為10 分鐘時(shí)距內(nèi)所有采樣風(fēng)速的平均值（單位：m s-1）。

風(fēng)向變差角（ΔD）是指規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)水平風(fēng)向的變化角度。計(jì)算公式為

3 登陸臺(tái)風(fēng)影響下300 m 高度內(nèi)的實(shí)測(cè)三維風(fēng)特性

利用風(fēng)廓線雷達(dá)、測(cè)風(fēng)塔及WindCubeV2 激光雷達(dá)等多源實(shí)測(cè)資料，分析登陸臺(tái)風(fēng)不同影響階段及空間象限內(nèi)，邊界層低層風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)風(fēng)湍流和陣風(fēng)因子等變化特征。

3.1 風(fēng)速雙峰結(jié)構(gòu)及風(fēng)向突變特征

臺(tái)風(fēng)利奇馬影響期間（2019 年8 月9～10 日），溫州東海塘風(fēng)電場(chǎng)位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向右側(cè)，與臺(tái)風(fēng)中心最近距離約為25 km（圖1b）。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)17 臺(tái)風(fēng)機(jī)觀測(cè)資料表明，該風(fēng)電場(chǎng)較完整地經(jīng)歷了利奇馬臺(tái)風(fēng)的整個(gè)影響過(guò)程，風(fēng)機(jī)輪轂高度處（67 m）平均風(fēng)速呈現(xiàn)典型的雙峰結(jié)構(gòu)，即平均風(fēng)速?gòu)?8.7 m s-1（9 日21:00）不斷增加至39.1 m s-1（9 日23:40），之后快速降至32.5 m s-1（10 日00:20），隨后快速增加至39.7 m s-1（10日01:10），臺(tái)風(fēng)中心逐漸遠(yuǎn)離風(fēng)電場(chǎng)后，平均風(fēng)速隨之快速減小（圖3）。整個(gè)影響過(guò)程中，兩小時(shí)內(nèi)最大風(fēng)向變差角接近100°，從9 日23:00 約55°突變至10 日01:00 約155°，過(guò)程最大半小時(shí)風(fēng)向變化超過(guò)25°（圖3）。

圖3 2019 年臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909）影響期間東海塘風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)觀測(cè)的風(fēng)速（灰色曲線）、風(fēng)向（散點(diǎn)）。黑色曲線是17 臺(tái)風(fēng)機(jī)觀測(cè)風(fēng)速的平均值Fig. 3 Wind speed (grey curved lines) and wind direction (dots) observed from the wind turbines in Donghaitang wind farm during Typhoon Lekima(1909) in 2019. The black line indicates the mean wind speed of the 17 wind turbines

3.2 水平風(fēng)速的垂直變化特征

臺(tái)風(fēng)山竹（1822）影響期間，其移動(dòng)方向左側(cè)的海陵島站風(fēng)廓線雷達(dá)（圖1a）與臺(tái)風(fēng)中心的距離從76 km（9 月16 日17:00）逐漸減小至40 km（9 月16 日19:00），測(cè)點(diǎn)距離臺(tái)風(fēng)中心越來(lái)越近，氣流的垂直混合不斷增強(qiáng)，100～280 m 的風(fēng)速切變指數(shù)從0.17 逐漸減小至0.04（圖4a）；其移動(dòng)方向右側(cè)的珠海站風(fēng)廓線雷達(dá)距離臺(tái)風(fēng)中心最近時(shí)（9 月16 日15:00，50 km），風(fēng) 切 變 最 小（約0.03），距離較遠(yuǎn)時(shí)（9 月16 日13:00，97 km 和9 月16 日17:00，75 km）水平風(fēng)速的垂直切變?cè)黾樱▓D4b）。

圖4 2018 年臺(tái)風(fēng)山竹（1822）登陸前后（a）海陵島、（b）珠海風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)離地700 m 高度內(nèi)的風(fēng)廓線Fig. 4 Observed wind profiles in the lower level (below 700 m over terrain) from wind profiler radars located in (a) Hailingdao and (b) Zhuhai during typhoon Mangkhut (1822) in 2018

臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909）影響期間，其移動(dòng)方向左側(cè)的浙江洞頭站風(fēng)廓線雷達(dá)（圖1b）也探測(cè)到了類似的風(fēng)速垂直變化特征，即探測(cè)點(diǎn)距離臺(tái)風(fēng)中心最近時(shí)（8 月10 日01:00，50 km），離地300 m以內(nèi)的風(fēng)切變最?。?.05），遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心時(shí)（8月9 日21:00，88 km 和8 月10 日05:00，86 km），風(fēng)切變較大（約0.1，圖略）。

除此之外，臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909）影響期間，其移動(dòng)方向左側(cè)的浙江平陽(yáng)加密部署的WindCubeV2激光雷達(dá)距離臺(tái)風(fēng)中心較遠(yuǎn)（超過(guò)100 km，圖1b）。登陸前，激光雷達(dá)探測(cè)點(diǎn)受臺(tái)風(fēng)外圍氣流影響有限，水平風(fēng)速的垂直變化較?。▓D5a）；臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)刻附近，探測(cè)點(diǎn)距離臺(tái)風(fēng)中心較近，邊界層低層風(fēng)速在80 m 以下迅速增加，超過(guò)80 m 則穩(wěn)定少變，100～250 m 的風(fēng)切變指數(shù)約0.05（圖5b）；登陸后，影響探測(cè)點(diǎn)的臺(tái)風(fēng)外圍氣流大多來(lái)自陸地，地表拖曳作用較強(qiáng)，水平風(fēng)速的垂直切變最大，超過(guò)0.15（圖5c）。WindCubeV2 激光雷達(dá)觀測(cè)的水平風(fēng)速在垂直方向上的變化特征與上述基于固定式風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果基本一致。

圖5 2019 年臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909）登陸（a）前、（b）中、（c）后浙江省平陽(yáng)縣WindCubeV2 激光雷達(dá)觀測(cè)的離地300 m 高度內(nèi)的風(fēng)廓線Fig. 5 Observed wind profiles in the lower level (below 300 m over terrain) from WindCubeV2 lidar located in Pingyang County of Zhejiang Province (a) before, (b) during, and (c) after the landfall of typhoon Lekima (1909) in 2019

3.3 登陸臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)湍流和陣風(fēng)因子

強(qiáng)風(fēng)的陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度是工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)和防災(zāi)抗災(zāi)最關(guān)注的破壞性因子。由于臺(tái)風(fēng)山竹（1822）影響范圍內(nèi)未收集到可用的測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，這里重點(diǎn)分析臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909）影響期間的測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)資料（圖1b 綠色星）。利奇馬登陸（8 月10 日01:45）前后1～2 小時(shí)內(nèi)，盡管6602#和1663#測(cè)風(fēng)塔與臺(tái)風(fēng)中心的距離基本接近，且6602#測(cè)風(fēng)塔所在位置的海拔高度（1232 m）高于1663#測(cè)風(fēng)塔（664 m），但由于6602#測(cè)風(fēng)塔位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的正前方，而1663#位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的右前側(cè)（表2），也就是臺(tái)風(fēng)影響的最危險(xiǎn)象限，因此，1663#測(cè)風(fēng)塔的平均風(fēng)速普遍高于6602#測(cè)風(fēng)塔（圖6）。

表2 2019 年8 月臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909）登陸前后測(cè)風(fēng)塔與臺(tái)風(fēng)中心的距離、移動(dòng)方向的夾角Table 2 Distances and angles between the two masts and typhoon center, moving direction during Lekima (1909) in August 2019

圖6 2019 年臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909）登陸前后1663#、6602#測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)的10 m 高度風(fēng)速Fig. 6 Wind speeds at 10-m height observed from 1663#, 6602# masts during the landfall of typhoon Lekima (1909) in 2019

為了重點(diǎn)分析強(qiáng)風(fēng)樣本特征，參考GB/T 36745-2018 中的臺(tái)風(fēng)外圍大風(fēng)區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，挑選上述兩座測(cè)風(fēng)塔10 m 高度平均風(fēng)速≥17.2 m s-1（8 級(jí)）的強(qiáng)風(fēng)樣本。圖7 給出了基于上述強(qiáng)風(fēng)樣本統(tǒng)計(jì)得到的陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度變化，可見(jiàn)離地高度越高，強(qiáng)風(fēng)陣風(fēng)因子越小，10 m 高度處，6602#和1663#測(cè)風(fēng)塔的陣風(fēng)因子平均值分別為1.86 和1.57（圖7a）；離地高度越高，湍流強(qiáng)度越小，10 m 高度處，6602#和1663#測(cè)風(fēng)塔湍流強(qiáng)度平均值分別為0.301 和0.203（圖7b）。圖8 進(jìn)一步給出陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速的變化特征，可見(jiàn)利奇馬（1909）登陸前后，測(cè)風(fēng)塔位置處的強(qiáng)風(fēng)陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速增大而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)（圖8）。這里6602#測(cè)風(fēng)塔的陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度均高于1663#測(cè)風(fēng)塔，可能與兩座測(cè)風(fēng)塔平均風(fēng)速差異有關(guān)（圖6）。

圖7 2019 年臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909）登陸前后測(cè)風(fēng)塔10 m 高度的強(qiáng)風(fēng)（≥17.2 m s-1）樣本對(duì)應(yīng)的（a）陣風(fēng)因子、（b）湍流強(qiáng)度的垂直變化。實(shí)線為平均值，虛線為95%置信水平線Fig. 7 Observed (a) gust factor and (b) turbulence intensity profiles of strong winds (≥17.2 m s-1) at 10-m height from two masts during the landfall of typhoon Lekima (1909) in 2019. The solid and dashed lines denote the mean value and 95% confidence level, respectively

圖8 2019 年臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909）登陸前后1663#測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)的10 m 高度處強(qiáng)風(fēng)（a）陣風(fēng)因子、（b）湍流強(qiáng)度隨風(fēng)速的變化，減小趨勢(shì)均超過(guò)95%置信水平的顯著性檢驗(yàn)Fig. 8 Variations of (a) gust factor and (b) turbulence intensity of strong winds (≥17.2 m s-1) at 10-m height with wind speed observed at 1663# mast during the landfall of typhoon Lekima (1909) in 2019. The decreasing trends are significant at the 95% confidence level

綜上可見(jiàn)，臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909）影響期間，離地越高、平均風(fēng)速越大，氣流的陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度越??；10 m 高度的強(qiáng)風(fēng)陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度分別超過(guò)1.57 和0.203。

4 數(shù)值模擬登陸臺(tái)風(fēng)影響下300 m高度內(nèi)的風(fēng)特性

為了克服實(shí)測(cè)資料時(shí)空覆蓋不足的問(wèn)題，以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)山竹（1822）為例，通過(guò)引入T-RAPS 臺(tái)風(fēng)數(shù)值模式的精細(xì)化模擬資料，從工程強(qiáng)風(fēng)致災(zāi)的角度出發(fā)，進(jìn)一步研究臺(tái)風(fēng)影響下300 m 高度內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)與突變特征及其時(shí)空變化規(guī)律，重點(diǎn)關(guān)注登陸臺(tái)風(fēng)影響下，不同象限的關(guān)鍵強(qiáng)風(fēng)參數(shù)（風(fēng)切變、過(guò)程最大風(fēng)向變化等）隨距離和平均風(fēng)速的變化特征。

4.1 臺(tái)風(fēng)模式的模擬效果

觀測(cè)資料的對(duì)比檢驗(yàn)表明，T-RAPS 模式模擬的臺(tái)風(fēng)威馬遜（1409）和天鴿（1713）的移動(dòng)路徑、最大風(fēng)速、最低氣壓、三維風(fēng)場(chǎng)等均與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)高度吻合（Zhang et al., 2017; Duan et al., 2019; Zhao et al., 2020）。這里進(jìn)一步利用中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所整編的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集（Ying et al., 2014）對(duì)T-RAPS 模擬的臺(tái)風(fēng)山竹（1822）移動(dòng)路徑、最大風(fēng)速、最低氣壓進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明模擬資料比較成功地重現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)揭示的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑和強(qiáng)度變化特征，尤其在本文關(guān)注的臺(tái)風(fēng)登陸前后（9 月16 日14～20 時(shí)），模式模擬的臺(tái)風(fēng)中心位置和最大風(fēng)速與觀測(cè)結(jié)果一致（圖9）。

圖9 模擬的、觀測(cè)的2018 年臺(tái)風(fēng)山竹（1822）的（a）移動(dòng)路徑，（b）臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)速和最低氣壓。圖b 黑色柱子為臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)，觀測(cè)資料來(lái)源于中國(guó)氣象局熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集Fig. 9 Simulated and observed (a) typhoon tracks and (b) maximum wind speeds and minimum air pressures at the center of typhoon Mangkhut(1822) in 2018. ?n Fig. b, the black bar denotes the landing point. The observation data are obtained from the China Meteorological Administration tropical cyclone database

針對(duì)本研究關(guān)注的離地300 m 高度內(nèi)的風(fēng)特性，進(jìn)一步引入山竹（1822）影響期間海陵島和珠海氣象站的逐小時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)資料對(duì)T-RAPS 模式離地300 m 高度內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)模擬性能進(jìn)行檢驗(yàn)，如圖10 所示：盡管在海陸交界的復(fù)雜下墊面條件下，T-RAPS 模式仍能再現(xiàn)觀測(cè)中水平風(fēng)速的垂直變化特征，即距離臺(tái)風(fēng)中心越近，氣流垂直混合越強(qiáng)，風(fēng)切變?cè)叫。▓D10 中紫色線和藍(lán)色線距離臺(tái)風(fēng)中心較近，黑色線距離臺(tái)風(fēng)中心較遠(yuǎn)）；相同時(shí)次對(duì)比來(lái)看，盡管珠海站15:00 的模擬風(fēng)廓線（圖10b藍(lán)色實(shí)線）與雷達(dá)探測(cè)風(fēng)廓線（圖10b 藍(lán)色虛線）在低層（150 m 以下）出現(xiàn)偏離（可能與風(fēng)廓線雷達(dá)在低層的探測(cè)性能不穩(wěn)定有關(guān)），但200 m 以上層次模擬與觀測(cè)的風(fēng)廓線一致性較高（圖10b 藍(lán)色線），而海陵島站數(shù)值模擬與雷達(dá)探測(cè)的風(fēng)廓線基本一致（圖10a）?？梢?jiàn)，T-RAPS 數(shù)值模式對(duì)山竹（1822）影響期間的低層風(fēng)場(chǎng)模擬性能能夠滿足本研究的需求。

圖10 模擬的、風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的2018 年臺(tái)風(fēng)山竹（1822）影響期間離地300 m 高度內(nèi)（a）海陵島和（b）珠海的u/u100 廓線。u、u100分別表示各高度層的平均風(fēng)速、100 m 高度處的平均風(fēng)速Fig. 10 Simulated and observed wind profiles in the lower level (below 300 m over terrain) in (a) Hailingdao and (b) Zhuhai during typhoon Mangkhut (1822) in 2018. u, u100 represent mean wind speed at different height level, mean wind speed at 100-m height, respectively

4.2 數(shù)值模擬的強(qiáng)風(fēng)特性及其時(shí)空變化

由于T-RAPS 模式采用臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)嵌套的模擬方式，即每個(gè)模擬時(shí)次的空間覆蓋范圍隨臺(tái)風(fēng)中心動(dòng)態(tài)移動(dòng)，這里以山竹（1822）登陸時(shí)刻（9 月16 日17:00）的模擬范圍為基準(zhǔn)，將其他時(shí)次的模擬結(jié)果進(jìn)行重投影。假設(shè)山竹的移動(dòng)速度為30 km h-1，綜合考慮T-RAPS 模式的空間網(wǎng)格設(shè)置范圍（約410 km×410 km），在保證每個(gè)模擬時(shí)刻均能有效投影覆蓋的情況下，本文最終選取了臺(tái)風(fēng)登陸前后共10 個(gè)時(shí)次（逐30 分鐘分辨率），即9 月16 日15:00（登陸前）至16 日19:30（登陸后）的模擬資料。

將上述風(fēng)場(chǎng)模擬資料從模式面插值到12 個(gè)等高面上（10 m、40 m、70 m、100 m、120 m、140 m、160 m、200 m、300 m、500 m、800 m、1000 m）。基于上述12 個(gè)等高面上的風(fēng)場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)，分析登陸臺(tái)風(fēng)影響下300 m 高度內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)及過(guò)程最大風(fēng)向變化特征。

4.2.1 邊界層低層風(fēng)速的垂直變化

邊界層低層風(fēng)切變是影響風(fēng)電機(jī)組載荷及發(fā)電效率的重要因素，有研究指出臺(tái)風(fēng)影響期間，邊界層低層風(fēng)速隨高度的垂直變化與最大風(fēng)速所在高度具有密切聯(lián)系（譚曉偉等, 2013）。與臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)速不同，這里的最大風(fēng)速是針對(duì)每個(gè)格點(diǎn)而言的，指格點(diǎn)位置處各高度層水平風(fēng)速的最大值。圖11 給出了臺(tái)風(fēng)山竹（1822）登陸前（9 月16 日15:00）、登陸時(shí)（9 月16 日17:00）和登陸后（9月16 日19:30）最大風(fēng)速所在高度的空間位置變化，可見(jiàn)，山竹影響期間，距離臺(tái)風(fēng)中心200 km 范圍內(nèi)：（1）最大風(fēng)速所在高度沿臺(tái)風(fēng)半徑向外抬升，這與Giammanco et al.（2013）基于GPS 下投式探空儀觀測(cè)資料的分析特征一致；（2）最大風(fēng)速所在高度低于300 m 的格點(diǎn)大多位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的左后側(cè)，且越靠近臺(tái)風(fēng)中心，最大風(fēng)速所在高度越低。

將圖11b 眼區(qū)之外的空間區(qū)域按照填色進(jìn)行分類平均，發(fā)現(xiàn)藍(lán)色區(qū)域（包含53 個(gè)水平網(wǎng)格）離地300 m 高度內(nèi)水平風(fēng)速的垂直變化劇烈，呈現(xiàn)類似于急流的風(fēng)廓線特征（圖12 藍(lán)色線），而超/次梯度風(fēng)在垂直方向上的變化是形成此種風(fēng)廓線的原因（譚曉偉等, 2013）；藍(lán)色區(qū)域以外，從綠色區(qū)域（包含285 個(gè)水平網(wǎng)格）過(guò)渡至橘色區(qū)域（包含1928 個(gè)水平網(wǎng)格），距離臺(tái)風(fēng)中心越來(lái)遠(yuǎn)，離地300 m 高度內(nèi)的風(fēng)切變也越來(lái)越大（圖12），與前文基于多源實(shí)測(cè)資料的分析結(jié)果一致。

圖11 2018 年臺(tái)風(fēng)山竹（1822）（a）登陸前（9 月16 日15 時(shí)）、（b）登陸時(shí)（9 月16 日17 時(shí)）和（c）登陸后（9 月16 日19:30）低于500 m 的最大風(fēng)速所在高度。最大風(fēng)速是指格點(diǎn)位置處各高度層水平風(fēng)速的最大值Fig. 11 The heights (lower than 500 m) of maximum wind speed (a)before (1500 BJT 16 September), (b) during (1700 BJT 16 September),and (c) after (1930 BJT 16 September) the landfall of typhoon Mangkhut (1822) in 2018. The maximum wind speed denotes the maximum value of the horizontal wind speeds in the different heights

圖12 2018 年臺(tái)風(fēng)山竹（1822）登陸時(shí)區(qū)域平均的典型風(fēng)廓線。藍(lán)色線、綠色線和橘色線分別代表圖11b 中藍(lán)色、綠色和橘色區(qū)域內(nèi)平均風(fēng)廓線。實(shí)線為平均值，虛線為95%置信水平線Fig. 12 Typical wind profiles of winds averaged over the blue, green,and orange areas in Fig. 11b during the landfall of typhoon Mangkhut(1822) in 2018. The solid and dashed lines denote the mean value and 95% confidence level, respectively

為了定量描述山竹（1822）影響期間風(fēng)切變的空間變化特征，綜合考慮圖12 所述的幾種典型廓線類型，根據(jù)2.3 小節(jié)所述的風(fēng)參數(shù)計(jì)算方法，依次計(jì)算山竹（1822）登陸時(shí)刻，T-RAPS 數(shù)值模式第3 層嵌套網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)所有格點(diǎn)位置處離地300 m內(nèi)的風(fēng)切變指數(shù)。圖13 給出了上述網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的風(fēng)切變指數(shù)及10 m 高度瞬時(shí)風(fēng)速的空間分布，圖13a中可見(jiàn)顯著的海陸差異：（1）海洋上風(fēng)切變較小，越靠近陸地，切變指數(shù)逐漸增加，但總體小于0.11，只在島嶼群附近小范圍內(nèi)存在切變指數(shù)高于0.11的情況，這可能與海島復(fù)雜的下墊面條件有關(guān)，說(shuō)明在海島附近開(kāi)發(fā)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，需關(guān)注臺(tái)風(fēng)影響期間風(fēng)切變指數(shù)超過(guò)國(guó)標(biāo)閾值的情況（GB/T 31519-2015 中臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)切變閾值為0.11）。（2）受地表拖曳作用影響，陸地上風(fēng)切變指數(shù)普遍高于0.11，且距離臺(tái)風(fēng)中心越遠(yuǎn)，風(fēng)切變指數(shù)越大；臺(tái)風(fēng)中心50 km 范圍內(nèi)的小風(fēng)區(qū)域，存在切變指數(shù)大于0.21 的強(qiáng)切變區(qū)（圖13b），這一特征是否具有普適性及其形成機(jī)理，還需未來(lái)積累更豐富的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證及深入分析。

圖13 2018 年臺(tái)風(fēng)山竹（1822）登陸時(shí)T-RAPS 模式第3 層嵌套網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)（a）離地300 m 高度內(nèi)的風(fēng)切變指數(shù)和（b）10 m 高度瞬時(shí)風(fēng)速。白色圓點(diǎn)代表臺(tái)風(fēng)中心位置，圖b 中白色十字代表風(fēng)切變指數(shù)大于0.21 的區(qū)域Fig. 13 Simulated (a) wind shear index in the lower level (below 300 m over terrain) and (b) 10-m wind speed over domain 3 of the T-RAPS model during the landfall of typhoon Mangkhut (1822) in 2018. The white dot denotes the center of the typhoon. ?n Fig. b, the white crosses denote the area with a wind shear index greater than 0.21

4.2.2 登陸臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)切變特征

針對(duì)沿海工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)需求，進(jìn)一步分析臺(tái)風(fēng)山竹（1822）的強(qiáng)風(fēng)切變特征。從10 m 高度風(fēng)場(chǎng)分布（圖13b）可見(jiàn)，臺(tái)風(fēng)山竹（1822）眼區(qū)之外的陸地區(qū)域風(fēng)速普遍高于24.4 m s-1，局部超過(guò)28.4 m s-1（陸地紫色區(qū)域），海洋區(qū)域則出現(xiàn)高于34.4 m s-1的強(qiáng)風(fēng)（海洋紅色區(qū)域）。因此，本文以此非對(duì)稱的臺(tái)風(fēng)渦旋風(fēng)場(chǎng)為基礎(chǔ)，綜合考慮以往臺(tái)風(fēng)研究的分區(qū)閾值及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，分別針對(duì)海洋和陸地下墊面選取不同的強(qiáng)風(fēng)樣本閾值，并按照臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑將山竹（1822）影響期間的強(qiáng)風(fēng)樣本分為四類，即臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向右前陸地強(qiáng)風(fēng)、右后陸地強(qiáng)風(fēng)、左后海洋強(qiáng)風(fēng)和左前陸地強(qiáng)風(fēng)四大類（表3）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，挑選的強(qiáng)風(fēng)樣本占比約為10%，用來(lái)刻畫(huà)山竹（1822）影響期間的強(qiáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)特征。

表3 2018 年臺(tái)風(fēng)山竹（1822）影響期間不同象限的強(qiáng)風(fēng)樣本分類表Table 3 Classification criteria of strong winds over four different quadrants during typhoon Mangkhut (1822) in 2018

圖14 給出了山竹登陸時(shí)，四類強(qiáng)風(fēng)樣本離地300 m 高度內(nèi)的風(fēng)切變指數(shù)隨距離及海拔高度的變化特征：（1）除左后開(kāi)闊海洋強(qiáng)風(fēng)（綠點(diǎn)）外，其余三種陸地強(qiáng)風(fēng)條件下，300 m 高度內(nèi)的風(fēng)切變指數(shù)普遍高于0.12。（2）不同象限內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)切變指數(shù)變化特征差異明顯：右前陸地強(qiáng)風(fēng)切變對(duì)距離和海拔高度不敏感，風(fēng)切變指數(shù)穩(wěn)定持續(xù)在0.17左右（藍(lán)點(diǎn)）；右后陸地強(qiáng)風(fēng)切變有沿距離逐漸增加的趨勢(shì)（左圖紅點(diǎn)），與海拔高度的相關(guān)性不顯著（右圖紅點(diǎn)）；左后開(kāi)闊海洋區(qū)域，強(qiáng)風(fēng)切變較?。?.09 以內(nèi)），且穩(wěn)定少變，風(fēng)切變指數(shù)隨距離呈現(xiàn)增加特征（左圖綠點(diǎn)）；左前陸地區(qū)域，強(qiáng)風(fēng)切變沿距離先增加（離中心35～55 km），再減?。?5～70 km），之后再快速增加（70～80 km），說(shuō)明臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的左前象限內(nèi)強(qiáng)風(fēng)的垂直變化在水平空間上具有較強(qiáng)的非穩(wěn)定性和非線性特征，邊界層低層強(qiáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。（3）不同象限內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)區(qū)所在位置不同：左前象限，強(qiáng)風(fēng)區(qū)距離臺(tái)風(fēng)中心最近，約40～80 km；右前和右后象限，強(qiáng)風(fēng)區(qū)距離臺(tái)風(fēng)中心較遠(yuǎn)，分別約70～100 km 和90～130 km（圖14a）。

圖14 2018 年臺(tái)風(fēng)山竹（1822）登陸時(shí)不同象限離地300 m 高度內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)（表3 中強(qiáng)風(fēng)閾值）風(fēng)切變指數(shù)與（a）格點(diǎn)距臺(tái)風(fēng)中心的距離、（b）格點(diǎn)海拔高度的關(guān)系Fig. 14 Relationships of the four-quadrant strong wind (strong wind thresholds in Table 3) shear index in the lower layer (below 300 m over terrain)with (a) the distances from the grid points to the center of the typhoon and (b) the altitudes of the grid points during the landfall of typhoon Mangkhut(1822) in 2018

4.2.3 臺(tái)風(fēng)影響過(guò)程中風(fēng)機(jī)輪轂高度處的最大風(fēng)向變化

山竹（1822）影響期間，逐時(shí)次計(jì)算風(fēng)機(jī)輪轂高度（140 m）30 分鐘間隔的風(fēng)向變差角；針對(duì)每個(gè)格點(diǎn)，選取整個(gè)影響過(guò)程中（2018 年9 月16 日15:00～19:30）最大的風(fēng)向變差角，并標(biāo)記該變差角出現(xiàn)的時(shí)間。整體來(lái)看，最大風(fēng)向變差角有沿臺(tái)風(fēng)半徑向外減小的特征，且在空間上具有顯著的非對(duì)稱性。臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的右后側(cè)風(fēng)向變差角最大（圖15a）；臺(tái)風(fēng)中心50 km 范圍內(nèi)，最大風(fēng)向變差角普遍超過(guò)20°，其中右后象限局部區(qū)域變差角超過(guò)30°（圖15a），且大多發(fā)生在臺(tái)風(fēng)登陸前或登陸時(shí)（圖15b）。

圖15 2018 年臺(tái)風(fēng)山竹（1822）影響期間T-RAPS 模式第3 層嵌套網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)（a）半小時(shí)最大風(fēng)向變差角及其（b）發(fā)生時(shí)間的空間分布，白色圓點(diǎn)代表臺(tái)風(fēng)中心位置Fig. 15 (a) Maximum wind direction variation in half an hour and (b) their occurrence time over domain 3 of the T-RAPS model during typhoon Mangkhut (1822) in 2018. The white dot denotes the center of the typhoon

5 小結(jié)與討論

綜合利用風(fēng)廓線雷達(dá)、激光雷達(dá)和測(cè)風(fēng)塔等多源觀測(cè)數(shù)據(jù)分析及中尺度臺(tái)風(fēng)數(shù)值模擬手段，研究了登陸臺(tái)風(fēng)影響下300 m 高度內(nèi)的風(fēng)特性，發(fā)現(xiàn)距離臺(tái)風(fēng)中心200 km 范圍內(nèi)：

（1）最大風(fēng)速所在高度沿臺(tái)風(fēng)半徑向外增加，離地300 m 高度內(nèi)的風(fēng)切變也隨之增強(qiáng)，這一特征與趙林等（2019）發(fā)現(xiàn)的山竹臺(tái)風(fēng)外圍（500～750 km）最大風(fēng)速高度沿臺(tái)風(fēng)半徑向外逐漸降低的研究結(jié)論互為補(bǔ)充；最大風(fēng)速所在高度低于300 m的區(qū)域大多位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的左后象限，離地300 m 高度內(nèi)水平風(fēng)速的垂直變化呈現(xiàn)類似于急流的特征，譚曉偉等（2013）指出超/次梯度風(fēng)在垂直方向上的變化是形成此種風(fēng)廓線的原因。

（2）不同空間象限內(nèi)強(qiáng)風(fēng)切變指數(shù)的變化特征差異明顯：陸地強(qiáng)風(fēng)條件下，300 m 高度內(nèi)的風(fēng)切變指數(shù)普遍高于0.12，其中右前象限內(nèi)強(qiáng)風(fēng)切變指數(shù)穩(wěn)定持續(xù)在0.17 左右，且對(duì)海拔高度不敏感；右后象限內(nèi)強(qiáng)風(fēng)切變指數(shù)隨距離向外增大；左前象限內(nèi)強(qiáng)風(fēng)的垂直變化具有較強(qiáng)的非穩(wěn)定性和非線性特征，邊界層低層（0～300 m）強(qiáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；而海洋下墊面拖曳作用弱，風(fēng)切變較小，僅在島嶼群附近存在超出國(guó)標(biāo)設(shè)計(jì)閾值的高切變區(qū)域。

（3）陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速增大、離地高度升高而減小。臺(tái)風(fēng)利奇馬（1909）影響期間，離地10 m 高度處觀測(cè)的強(qiáng)風(fēng)陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度分別超過(guò)1.57 和0.203。

（4）過(guò)程最大風(fēng)向變差角有沿臺(tái)風(fēng)半徑向外減小的特征，且在空間上具有顯著的非對(duì)稱性，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的右后象限內(nèi)風(fēng)向變差角最大，局部區(qū)域半小時(shí)風(fēng)向變化超過(guò)30°，且大多發(fā)生在臺(tái)風(fēng)登陸前或登陸時(shí)。

本文針對(duì)典型臺(tái)風(fēng)個(gè)例，分析了登陸臺(tái)風(fēng)不同影響象限內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)參數(shù)及其隨距離、海拔高度的變化特征，以期為我國(guó)近海及沿海風(fēng)電場(chǎng)的微尺度風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬及臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)防御提供幫助。本文基于多源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬資料揭示的邊界層低層強(qiáng)風(fēng)特征具有較好的一致性，不僅說(shuō)明T-RAPS 臺(tái)風(fēng)數(shù)值模式在登陸臺(tái)風(fēng)邊界層精細(xì)化風(fēng)場(chǎng)模擬方面具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力，也在一定程度上降低了分析結(jié)果的不確定性。但由于數(shù)據(jù)樣本量的限制，有些研究結(jié)論仍處于定性分析階段，如何定量分象限建立登陸臺(tái)風(fēng)影響下的風(fēng)廓線及湍流計(jì)算方法等問(wèn)題，還有待進(jìn)一步深入研究。