廣西欽州灣臺(tái)風(fēng)“啟德”風(fēng)場(chǎng)特征實(shí)測(cè)研究

何 如，周紹毅，蘇 志，李 強(qiáng)

（1.廣西氣象服務(wù)中心，南寧 530022；2.廣西氣候中心，南寧 530022）

廣西欽州灣臺(tái)風(fēng)“啟德”風(fēng)場(chǎng)特征實(shí)測(cè)研究

何 如1，2，周紹毅1，2，蘇 志1，2，李 強(qiáng)1，2

（1.廣西氣象服務(wù)中心，南寧 530022；2.廣西氣候中心，南寧 530022）

利用在廣西欽州灣設(shè)立的一座55m高測(cè)風(fēng)塔上的超聲風(fēng)觀測(cè)儀器，收集到臺(tái)風(fēng)“啟德”影響過程的脈動(dòng)風(fēng)數(shù)據(jù)，對(duì)湍流脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)特征參數(shù)進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明：（1）臺(tái)風(fēng)“啟德”影響期間觀測(cè)到的最大風(fēng)速為26.0m·s-1，過程風(fēng)向由北風(fēng)轉(zhuǎn)向東北風(fēng)、東風(fēng)，過程轉(zhuǎn)向幅度最大為157°，風(fēng)攻角絕大部分在±3°范圍內(nèi)；（2）三維方向的湍流強(qiáng)度平均值比值為1：0.73：0.50，湍流積分尺度分別為313m、224m、163m，表現(xiàn)為均勻平穩(wěn)的湍流變化過程；（3）湍流功率譜在慣性副區(qū)內(nèi)基本滿足-5/3律，其斜率隨著風(fēng)速的增大有減小的趨勢(shì)。

臺(tái)風(fēng)“啟德”；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)；湍流強(qiáng)度

1 引言

廣西南部沿海地處低緯度，是我國(guó)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害較為頻繁的地區(qū)之一，平均每年影響廣西的臺(tái)風(fēng)為5個(gè)，最多的年份達(dá)9個(gè)［1］，該地區(qū)幾乎每年都會(huì)受到臺(tái)風(fēng)的襲擊，由此帶來的強(qiáng)風(fēng)和暴雨等氣象災(zāi)害對(duì)人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大的威脅。2012年13號(hào)臺(tái)風(fēng) “啟德”（Kai-tak）8月13日08時(shí)在菲律賓以東洋面生成，一路向西北偏西方向移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，15日傍晚進(jìn)入南海東北部海面，16日05時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，最強(qiáng)時(shí)中心附近風(fēng)速達(dá)40m·s-1左右，17日12時(shí)30分前后，以13級(jí)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度在廣東湛江麻章區(qū)湖光鎮(zhèn)登陸，14時(shí)30分前后移入北部灣北部海面后，臺(tái)風(fēng)中心穿過潿洲島與北海之間繼續(xù)西行，21時(shí)前后在中越邊境的交界處沿海地區(qū)再次以12級(jí)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度登陸，18日在越南東北部地區(qū)逐漸減弱為熱帶低壓［2］?！皢⒌隆本哂袕?qiáng)度強(qiáng)、移速快、風(fēng)雨大等特點(diǎn)，給廣西南部沿海地區(qū)造成嚴(yán)重影響。

通過超聲風(fēng)測(cè)風(fēng)儀開展對(duì)臺(tái)風(fēng)影響過程的風(fēng)參數(shù)實(shí)測(cè)分析，是捕捉臺(tái)風(fēng)近地層風(fēng)場(chǎng)特征的較為有效的方法之一［3-6］，能為臺(tái)風(fēng)影響地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)的科學(xué)研究提供有益參考。根據(jù)在廣西欽州灣設(shè)立的一座距地55m高測(cè)風(fēng)塔，利用安裝在43m高度處的超聲風(fēng)測(cè)風(fēng)儀采集到臺(tái)風(fēng)“啟德”過程的脈動(dòng)風(fēng)數(shù)據(jù)，分析研究臺(tái)風(fēng)“啟德”影響期間近地層的湍流脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)特征，為開展臺(tái)風(fēng)“啟德”對(duì)廣西沿海地區(qū)的影響評(píng)估提供了有價(jià)值的實(shí)測(cè)參考依據(jù)。

2 實(shí)測(cè)概況

在廣西欽州灣內(nèi)灣、緊鄰茅尾海入海口一座海拔17m高的平坦開闊小島上設(shè)立了一座距地55m高的氣象測(cè)風(fēng)塔（圖1），測(cè)風(fēng)塔在距地43m高度層安裝Gill WindMaster Pro三維超聲測(cè)風(fēng)儀對(duì)臺(tái)風(fēng)的脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)。

圖1 測(cè)風(fēng)站地理位置示意圖

2012年13號(hào)臺(tái)風(fēng)“啟德”中心路徑距離測(cè)風(fēng)站約15公里。（圖2）測(cè)風(fēng)站對(duì)臺(tái)風(fēng)“啟德”影響過程收集的數(shù)據(jù)完整，原始觀測(cè)資料經(jīng)過野點(diǎn)判別及插值訂正后，全部分為長(zhǎng)度為10分鐘的分析樣本。過程大風(fēng)時(shí)段集中出現(xiàn)在2012年8月17日，選取8月17日全天24h的超聲觀測(cè)資料，對(duì)“啟德”的脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行分析。

3 脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)參數(shù)計(jì)算分析

3.1 臺(tái)風(fēng)過程的風(fēng)速風(fēng)向和風(fēng)攻角

圖2 臺(tái)風(fēng)路徑和測(cè)風(fēng)站點(diǎn)

風(fēng)攻角對(duì)建筑結(jié)構(gòu)物特別是柔性結(jié)構(gòu)物的影響比較突出，其長(zhǎng)期作用會(huì)加速或加重結(jié)構(gòu)的疲勞損害，強(qiáng)風(fēng)時(shí)，風(fēng)攻角的改變可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成突然損傷甚至破壞［7］。風(fēng)攻角按下式計(jì)算：

三維超聲測(cè)風(fēng)儀記錄了臺(tái)風(fēng) “啟德”2012年8 月17日經(jīng)過測(cè)風(fēng)站附近時(shí)的強(qiáng)風(fēng)影響狀況。過程24h測(cè)風(fēng)站在距地43m高度層的風(fēng)速、風(fēng)向變化見圖3（a）、圖3（b）。由圖可見，臺(tái)風(fēng)“啟德”到來之前，測(cè)站的風(fēng)速較小，隨著臺(tái)風(fēng)的接近，風(fēng)速逐漸加大，之后隨著臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)去，風(fēng)速開始減小，過程最大風(fēng)速為26.0m·s-1，出現(xiàn)在8月17日19：20；過程風(fēng)向由北風(fēng)轉(zhuǎn)向東北風(fēng)、東風(fēng)，過程轉(zhuǎn)向幅度最大為157°。測(cè)風(fēng)站觀測(cè)到臺(tái)風(fēng) “啟德”過程的風(fēng)攻角絕大部分都在±3°范圍內(nèi)（圖3（c）），其對(duì)應(yīng)的風(fēng)速相對(duì)較?。▓D3（a））。

3.2 湍流強(qiáng)度和湍流積分尺度

湍流強(qiáng)度為某時(shí)距的脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)方差與平均風(fēng)速的比值，計(jì)算公式為［8］：

式中：i=u，v，w；σi表示u，v，w方向的脈動(dòng)速度u′，v′，w′的標(biāo)準(zhǔn)差；U為某時(shí)距的子樣本中風(fēng)的主流方向的平均風(fēng)速。

湍流積分尺度表示的是湍渦的平均空間尺度，它表示總體湍渦的平均大小。采用Taylor假設(shè)自相關(guān)函數(shù)法［9］，該方法假設(shè)脈動(dòng)風(fēng)速為平穩(wěn)過程，其公式為：

圖3 臺(tái)風(fēng)“啟德”過程測(cè)風(fēng)站的風(fēng)速風(fēng)向和風(fēng)攻角

式中：Ri（τ）（i＝u，v，w）為脈動(dòng)風(fēng)的自相關(guān)函數(shù)。

臺(tái)風(fēng)“啟德”過程中u，v，w三維方向湍流強(qiáng)度平均值分別為0.149、0.109、0.074，其比值為Iu：Iv：Iw＝1：0.73：0.50，與規(guī)范［10］推薦的三個(gè)方向的湍流強(qiáng)度比值Iu：Iv：Iw＝1：0.88：0.50基本一致；結(jié)合圖4a（見彩頁(yè)）可見，“啟德”影響期間測(cè)風(fēng)站附近近地層湍流強(qiáng)度u方向最大、v方向次之、w方向最小。總體上看，三維方向湍流強(qiáng)度變化比較穩(wěn)定，在大風(fēng)時(shí)段的波動(dòng)較小，湍流強(qiáng)度值也較小。

圖4b（見彩頁(yè)）為臺(tái)風(fēng)“啟德”過程測(cè)風(fēng)站附近u，v，w三維方向的湍流積分尺度，三個(gè)方向最大空間尺度分別為313m、224m、163m，符合三維湍流積分尺度以縱向風(fēng)最大，橫向風(fēng)其次，豎向風(fēng)最小的變化規(guī)律?！皢⒌隆庇绊戇^程中，測(cè)風(fēng)站附近觀測(cè)到的三維方向湍流積分尺度變化不大，表現(xiàn)為均勻平穩(wěn)的湍流變化過程，滿足Taylor假設(shè)自相關(guān)函數(shù)法的假定。

3.3 湍流功率譜

根據(jù)“kolmogrove－5／3率”，湍流功率譜在慣性副區(qū) （頻率大致為0.1～5Hz）的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)斜率應(yīng)為－5／3（約－1.667）。因此對(duì)慣性副區(qū)的曲線進(jìn)行冪函數(shù)擬合，擬合函數(shù)模型設(shè)為：

圖5 臺(tái)風(fēng)“啟德”過程的湍流功率譜

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中有l(wèi)ogy=logp1+p2logx，擬合曲線表現(xiàn)為一條斜率為p2的直線，由 “kolmogrove－5／3率”可知p2應(yīng)在－5／3左右。

選取臺(tái)風(fēng)“啟德”過程的最大風(fēng)速樣本，計(jì)算u，v，w三維各向脈動(dòng)風(fēng)功率譜，結(jié)果見圖5。在擬合區(qū)間0.1～5Hz頻率范圍內(nèi)，分析慣性副區(qū)的湍流功率譜特征：臺(tái)風(fēng)“啟德”過程的大風(fēng)湍流功率譜在慣性副區(qū)內(nèi)基本滿足－5／3律，沒有出現(xiàn)明顯偏離的現(xiàn)象，并且滿足各向同性的假設(shè)；“啟德”過程的中心環(huán)流距離測(cè)風(fēng)站較近，風(fēng)速較大，對(duì)應(yīng)的功率譜在慣性副區(qū)的斜率略低于-5/3。可見，隨著風(fēng)速的增大，湍流功率譜斜率在慣性副區(qū)有減小的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

根據(jù)設(shè)立在廣西欽州灣的一座55m高的測(cè)風(fēng)站，利用距地43m處的超聲測(cè)風(fēng)儀收集到臺(tái)風(fēng)“啟德”影響期間測(cè)風(fēng)站附近近地層的脈動(dòng)風(fēng)數(shù)據(jù)，通過對(duì)測(cè)風(fēng)站實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)過程的風(fēng)攻角、湍流強(qiáng)度、湍流功率譜等脈動(dòng)風(fēng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到主要結(jié)論如下：

（1）臺(tái)風(fēng)“啟德”影響期間，觀測(cè)到的最大風(fēng)速為26.0m·s-1，出現(xiàn)在8月17日19：20；過程風(fēng)向由北風(fēng)轉(zhuǎn)向東北風(fēng)、東風(fēng)，過程轉(zhuǎn)向幅度最大為157°；風(fēng)攻角絕大部分都在±3°范圍內(nèi)，其對(duì)應(yīng)的風(fēng)速相對(duì)較小。

（2）臺(tái)風(fēng)“啟德”三維方向湍流強(qiáng)度平均值分別為 0.149、0.109、0.074，其比值為 Iu：Iv：Iw=1：0.73：0.50，三者變化比較穩(wěn)定，在大風(fēng)時(shí)段的波動(dòng)較小，湍流強(qiáng)度值也較?。蝗S方向最大湍流積分尺度分別為313m、224m、163m，且三個(gè)方向湍流積分尺度變化不大，表現(xiàn)為均勻平穩(wěn)的湍流變化過程，滿足Taylor假設(shè)。

（3）臺(tái)風(fēng)“啟德”過程的大風(fēng)湍流功率譜在慣性副區(qū)內(nèi)基本滿足-5/3律，沒有出現(xiàn)明顯偏離的現(xiàn)象，并隨著風(fēng)速的增大其斜率在慣性副區(qū)有減小的趨勢(shì)。

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Measurement on Wind-Field Characteristics of Typhoon"Kaitak" in Qinzhou Bay of Guangxi

HE Ru1，2，ZHOU Shaoyi1，2，SU Zhi1，2，LI Qiang1，2
（1.Guangxi Meteorological Service Center，Nanning 530022，China；
2.Guangxi Climate Center，Nanning 530022，China）

Based on the field measurements，which is measured by the observation instruments of ultrasonic anemometer on a 55m-height wind tower in Qinzhou Bay of Guangxi，of the fluctuating wind field of Typhoon Kai-tak，the characteristics were analyzed.The results show that： （1）the maximum observed wind speed is 26.0 m·s-1；the wind direction turned from N to EN and then to E with the maximum turning range of 157°and most of the wind attacking angel within±3°.（2）The average ratio of turbulence versus in 3 D direction is 1:0.73:0.50，the turbulence integral scales are 313m，224m and163m respectively with even and stable turbulence variation.（3）The turbulence power spectrum obeys the well-know-5/3 power law in inertial subrange，the slope of which appears a decreasing trend with the increasing the wind speed.

Typhoon Kai-tak；measurement；fluctuating wind field；turbulence intensity

P457.8

A

1673-8411（2015）04-0034-04

2015-03-18

廣西自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（2015GXNSFBA139189）

何如（1983-），女（侗族），廣西柳州人，碩士研究生，從事氣象能源開發(fā)與氣候應(yīng)用服務(wù)研究.E-mail：past014@163.com