熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)模型影響因素和精確度驗(yàn)證方法研究

趙文晴

（天津市建筑工程職工大學(xué)，天津 300074）

熱帶氣旋的形成主要是由于海面溫度相對(duì)較高，為了避免或減少熱帶氣旋帶來(lái)的損失，各國(guó)學(xué)者開(kāi)始建設(shè)模擬熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)?，F(xiàn)在熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)建模方法在世界各地各領(lǐng)域廣泛用于估算建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)承受的最大風(fēng)速并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)被業(yè)界用于評(píng)估熱帶氣旋風(fēng)險(xiǎn)、估算保險(xiǎn)費(fèi)率。熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)建模也可助于開(kāi)發(fā)風(fēng)暴潮模型，用于評(píng)估沿海洪水，有助于確保建筑物樓層的最低標(biāo)高，避免不必要的損失。

1 氣旋風(fēng)場(chǎng)模型的發(fā)展歷史

模型的演變包括三個(gè)主要部分：?jiǎn)握军c(diǎn)概率模型、熱帶氣旋路徑模型和熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)模型。

單站點(diǎn)概率模型最早由Russel 在他的文獻(xiàn)中提出，他提出并描述了模擬方法。從那時(shí)起，不斷有其他學(xué)者改進(jìn)這種方法，包括Trygvason、Batts、Georgiou、Neumann 以及Vickery 和Twisdale 等。使用這種方法的過(guò)程是相似的，包括獲得熱帶氣旋關(guān)鍵參數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，使用蒙特卡羅方法分析統(tǒng)計(jì)參數(shù)和樣本的分布，記錄建模風(fēng)速，并使用數(shù)學(xué)方法畫(huà)一條線來(lái)表示采樣的數(shù)據(jù)。

Vickery 研究團(tuán)隊(duì)在2000 年首次提出了熱帶氣旋路徑模型。他們提出了一種模擬熱帶氣旋路徑的方法[1]。熱帶氣旋路徑建模方法將研究范圍擴(kuò)大到更大的范圍，而不是特定的小區(qū)域。跟蹤模型可以對(duì)熱帶氣旋沿海岸線的整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡的風(fēng)速和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行建模。還有其他人對(duì)這種方法進(jìn)行了改進(jìn)和擴(kuò)展，包括Powell、Hall和Jewson、James和Mason，Emanuel、Lee 和Rosowsky。

熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)建模有三個(gè)步驟。首先，利用中心壓力、最大風(fēng)半徑、平移速度等關(guān)鍵參數(shù)來(lái)估計(jì)梯度高度的風(fēng)速，假設(shè)這個(gè)速度等于平均風(fēng)速。其次，利用大氣邊界層的概念，假設(shè)中性點(diǎn)的穩(wěn)定性，使梯度風(fēng)速滿足特定高度的平均風(fēng)速。最后，使用陣風(fēng)系數(shù)來(lái)調(diào)整平均風(fēng)速取決于地形和平均時(shí)間。Georgiou 是第一個(gè)使用熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)建模的人，Vickery 等人也使用這種方法對(duì)熱帶氣旋進(jìn)行了建模。

2 熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)建模的意義

熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)模型用于估計(jì)熱帶氣旋造成的風(fēng)險(xiǎn)[2]。熱帶氣旋的風(fēng)險(xiǎn)很多，包括經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)、洪水風(fēng)險(xiǎn)、安全風(fēng)險(xiǎn)和其他風(fēng)險(xiǎn)[3]。在現(xiàn)代國(guó)家，熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)模型被應(yīng)用于許多領(lǐng)域。

一是這個(gè)模型可以用于測(cè)試風(fēng)速。將該速度與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用估計(jì)的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)臺(tái)風(fēng)區(qū)的結(jié)構(gòu)。這種方法可以使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)更加安全和穩(wěn)定。估計(jì)的風(fēng)速也可以幫助政府確定將用于建筑標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)速度。

二是這種方法可以模擬沿海風(fēng)險(xiǎn)。例如，使用此方法可以評(píng)估風(fēng)暴潮高程和波高。為了使生活在臺(tái)風(fēng)地區(qū)的人們免受危險(xiǎn)，測(cè)試數(shù)據(jù)可用于確定建筑物樓層的標(biāo)高。

三是熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)模型可以用于獲得保險(xiǎn)損失估計(jì)。銀行和保險(xiǎn)領(lǐng)域可以使用它來(lái)估計(jì)損失和評(píng)估保險(xiǎn)費(fèi)率。

四是這種方法可以提高結(jié)構(gòu)和設(shè)施的要求。由于人們可以使用這種方法來(lái)估計(jì)危險(xiǎn)區(qū)域的最大損失，因此設(shè)計(jì)師需要進(jìn)行更精確的設(shè)計(jì)，以提高基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性。精確的設(shè)計(jì)可以盡可能地減少損壞，提高安全性。

3 氣旋風(fēng)場(chǎng)模型精確度影響因素

3.1 折減系數(shù)與海陸過(guò)渡

在獲得梯度風(fēng)場(chǎng)模型后，確定Vg，即梯度高度的平均風(fēng)速。所得到的風(fēng)速需要根據(jù)表層速度進(jìn)行調(diào)整，選擇相應(yīng)的高度為海面或地面以上10m。為了實(shí)現(xiàn)速度調(diào)整，可以使用邊界層模型和折減系數(shù)。

海面上流動(dòng)風(fēng)的折減系數(shù)從0.950 到0.650 不等。Schwerdt 給出了最高值0.950，Sparks 和Huang 給出了最低值0.650，Batts 在估算中選擇了0.865 的值，Georgiou對(duì)遠(yuǎn)離云墻和靠近云墻的區(qū)域分別采用了0.750和0.825的值。

至于與地面相對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)，上述四個(gè)例子與海上因素不同。在內(nèi)陸19km 的地區(qū)，對(duì)于Schwerdt的研究，折減系數(shù)降至0.745。在其他研究者的結(jié)論中，折減系數(shù)也均有所下降，分別為Sparks 和Huang 得出0.450、Georgiou研究中的0.620和Batts采用的0.740。對(duì)比折減系數(shù)的變化，可以發(fā)現(xiàn)在風(fēng)從海洋向地面移動(dòng)的過(guò)程中，風(fēng)速有所降低。速度降低了11%～22%。不過(guò)這個(gè)樣本數(shù)據(jù)沒(méi)有提到地面的粗糙度，但實(shí)際上，地面上是有粗糙度影響存在的。

在Powell 的研究中，一開(kāi)始使用80%的邊界層風(fēng)速作為平均表面風(fēng)速來(lái)進(jìn)行建模，相應(yīng)的折減系數(shù)V10/Vg=0.73，但數(shù)值會(huì)因風(fēng)速的變化而發(fā)生變化。在Powell 后續(xù)的研究中，他們將比例從80%改為78%。在海陸過(guò)渡過(guò)程中，采用了無(wú)上限阻力系數(shù)模型來(lái)評(píng)估海面的粗糙度，然后使用地形轉(zhuǎn)換模型來(lái)確定平均風(fēng)速的降低。這些數(shù)據(jù)的選用是來(lái)源于對(duì)探空儀數(shù)據(jù)的分析，得出的五點(diǎn)信息：第一，在較低的200m 處，邊界層內(nèi)的風(fēng)速剖面看起來(lái)是對(duì)數(shù)廓線；第二，海面10m 高度處的平均風(fēng)速等于500m 以下時(shí)平均邊界層風(fēng)速的78%；第三，10m 高度的平均風(fēng)速等于梯度風(fēng)速的71%；第四，海面的阻力系數(shù)隨風(fēng)速的變化而變化，當(dāng)平均風(fēng)速低于40m/s 時(shí)，阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的增加而增加，當(dāng)平均風(fēng)速超過(guò)40m/s 時(shí)，阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的增加而減?。坏谖?，邊界層的高度隨著風(fēng)速的增加而減小。

Vickery 在研究中也分析了探空儀數(shù)據(jù)，結(jié)果是邊界層的高度隨著慣性穩(wěn)定性的增加而減小。將他們的結(jié)果與Powell 的分析進(jìn)行比較，第一點(diǎn)是相同的，這意味著邊界層在較低的200m 處是風(fēng)速與高度是對(duì)數(shù)相關(guān)的。

Vickery 研究給出的平均風(fēng)速的計(jì)算公式為[4]：

對(duì)于陸地風(fēng)速的分析，探空儀數(shù)據(jù)幫助不大，因此需要使用有效的模型來(lái)估計(jì)邊界層的情況。Vickery通過(guò)研究使用并修改了Kepert 在2001 年提出的BL 理論，用來(lái)估計(jì)邊界層高度的變化[5]。圖1 顯示了過(guò)渡風(fēng)速的比率隨邊界層高度的變化而變化。

圖1 過(guò)渡風(fēng)速的比值隨邊界層高度的變化而變化

上述研究是關(guān)于將風(fēng)速轉(zhuǎn)換為10m 高度的表面風(fēng)速。當(dāng)風(fēng)在陸地上移動(dòng)時(shí)，會(huì)有另一個(gè)系數(shù)來(lái)顯示陸地變化所造成的影響，常用的是使用陣風(fēng)系數(shù)。

3.2 熱帶氣旋陣風(fēng)系數(shù)

在許多計(jì)算中，需要使用的風(fēng)速并不是平均風(fēng)速。例如，在估計(jì)峰值陣風(fēng)、短時(shí)平均風(fēng)和其他一些風(fēng)時(shí)，需要使用陣風(fēng)系數(shù)。因此，陣風(fēng)因子模型已經(jīng)用于熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)建模。

Batts 等人在1980 年使用的陣風(fēng)模型由Durst 于1960 年出版。Krayer 和Marshall（1992）描述了另一個(gè)陣風(fēng)模型，該陣風(fēng)因子模型的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，熱帶氣旋的陣風(fēng)因子大于與熱帶氣旋外風(fēng)速有關(guān)的陣風(fēng)因子。施羅德等人（2002）和施羅德和史密斯（2003）的研究使用了熱帶氣旋邦妮的信息，也表明了與Krayer 和Marshall（1992）相同的熱帶氣旋陣風(fēng)因素。

還有一些人有不同的意見(jiàn)。Sparks 和Huang（1999）描述說(shuō)，根據(jù)大量的風(fēng)速記錄，幾乎沒(méi)有任何證據(jù)表明熱帶氣旋陣風(fēng)因素大于溫帶風(fēng)暴的因素。Vickery 和Skerlj（2005）通過(guò)使用Krayer 和Marshall（1992）使用的數(shù)據(jù)得出了相同的結(jié)論。事實(shí)上，Sparks 和Huang（1999）以及Vickery 和Skerlj（2005）的研究都認(rèn)為，熱帶氣旋的陣風(fēng)因素更大是由于陸地的粗糙，他們認(rèn)為，陸地的粗糙度大于開(kāi)放區(qū)域的粗糙度，這是導(dǎo)致陣風(fēng)系數(shù)更大的原因。Miller（2006）同意Vickery 和Skerlj（2005）的觀點(diǎn)。Masters（2005）還分析了大量熱帶氣旋的數(shù)據(jù)，得出的結(jié)論是熱帶氣旋陣風(fēng)因子與溫帶風(fēng)暴因子沒(méi)有差異，這支持了Vickery 和Skerlj（2005）的結(jié)論。

4 氣旋風(fēng)場(chǎng)模型驗(yàn)證方法

4.1 氣旋風(fēng)場(chǎng)模型驗(yàn)證步驟

模型精確度的驗(yàn)證方法：

第一步是對(duì)比梯度風(fēng)場(chǎng)建模Vg。梯度風(fēng)場(chǎng)建模涉及的因素包括熱帶氣旋的平移速度、Coriolis 參數(shù)、旋轉(zhuǎn)風(fēng)速、中心壓差等，然后還需要考慮風(fēng)速衰減系數(shù)V10?Vg和海陸過(guò)渡。風(fēng)速的降低與表面粗糙度或其他一些折減系數(shù)有關(guān)。

第二步是使用熱帶氣旋陣風(fēng)系數(shù)來(lái)確定陣風(fēng)風(fēng)速的估計(jì)值。因?yàn)樵谠S多模型應(yīng)用中，需要使用的風(fēng)速與平均風(fēng)速不同。陣風(fēng)系數(shù)模型將用于熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)建模。

最后一步是進(jìn)行熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)模型驗(yàn)證。驗(yàn)證的第一種方法是將模型估計(jì)的風(fēng)速與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中測(cè)得的風(fēng)速進(jìn)行比較。驗(yàn)證應(yīng)包括平均風(fēng)速、陣風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)向和壓力的比較。另一種驗(yàn)證方法是在同一特定時(shí)間拍攝真實(shí)熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)和模擬風(fēng)場(chǎng)的快照。比較這兩個(gè)快照中的所有觀察值。這種方法中采用的真實(shí)熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)圖是根據(jù)H*Wind 分析得出的。

4.2 實(shí)際風(fēng)速與模擬風(fēng)速比較

在熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)建模過(guò)程中，一件重要的事情是使用該模型來(lái)測(cè)量風(fēng)速，并將結(jié)果與真實(shí)熱帶氣旋中記錄的風(fēng)速進(jìn)行比較。Georgiou（1985）在熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)模型中測(cè)試了風(fēng)速和風(fēng)向隨時(shí)間的變化[6]。Vickery和Twisdale（1995b）以及Vickery等人（2000a）的研究對(duì)平均風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行了測(cè)試。在接下來(lái)的研究中，還檢查了表面壓力，這可以確保模型能夠模擬風(fēng)場(chǎng)，而不會(huì)影響壓力場(chǎng)。

精確的驗(yàn)證可以驗(yàn)證模型中的誤差，但一些良好的驗(yàn)證可能會(huì)受益于建模中使用的其他因素。在驗(yàn)證中，選擇了表面風(fēng)速，而不是梯度風(fēng)速。因此，驗(yàn)證只能驗(yàn)證表面風(fēng)速，而對(duì)于高空風(fēng)則無(wú)法進(jìn)行檢查。然而，在某些情況下，例如高層建筑的估計(jì)，由于表面風(fēng)和高空風(fēng)之間的差異很大，因此高空風(fēng)的驗(yàn)證很重要。在觀測(cè)到的和模擬的峰值陣風(fēng)風(fēng)速的比較中發(fā)現(xiàn)，模擬峰值陣風(fēng)風(fēng)速的結(jié)果與觀測(cè)到的結(jié)果相似。但由于許多因素，如高度、土地條件、參數(shù)Holland B和RMW的估計(jì)值等，模型值和觀測(cè)值之間存在細(xì)微差異。