2019, Vol. 37
2. 同济大学 桥梁结构抗风技术交通行业重点实验室, 上海 200092;
3. 中国气象局 公共气象服务中心, 北京 100081
2. Key Laboratory of Transport Industry of Bridge Wind Resistance Technologies, Tongji University, Shanghai 200092, China;
3. Public Meteorological Service Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China
台风是一种在平均风特性和脉动风特性方面与良态风比存在显著差异的中尺度旋涡结构[1-3]。受西北太平洋及南海台风的影响，我国华南和东南沿海区域经济损失和人员伤亡风险日增。准确掌握台风风参数对建筑结构设计的经济性和安全性具有重要的指导意义。鉴于土木工程领域台风风环境研究的重要性，国内外学者在近20年开展了大量面向结构设计的实测和数值模拟研究，在台风风参数特征刻画和特征重现这两方面都有长足的进步[4-5]。
美国较早开展了使用飞行器结合GPS下投式探空仪或探空气球的方法实测台风。Kepert等[6-7]认为在距离台风中心200 km范围内，最大风速高度沿台风半径向外逐渐增大，这与Giammanco等[8]基于台风实测资料发现的现象基本一致。Powell等[9]研究了1997~1999年在太平洋东部、中部及大西洋实测的331组风剖面数据发现，海面上台风平均最大风速高度为500 m。Vickery等[10]利用1997~2003年在大西洋、墨西哥湾及太平洋实测的860组风剖面数据，建立了海面上1000 m高度范围内的台风剖面经验模型以重现低空急流现象。方平治等[11-12]通过分析2005~2011年西北太平洋17个台风的探空数据，发现福建、浙江一带的登陆台风的梯度风高度平均值约为3 km。更多基于下投式探空仪采集数据的研究[13-14]也大多集中在大西洋、墨西哥湾以及太平洋东部海面，一方面，其研究结论对具有复杂地形的陆地的适用性还有待验证；另一方面，Zhao等[15]的研究也表明台风风参数具有地域差异性，有必要对西太平洋台风进行深入研究。
近地面风场观测是一种使用更广泛的实测方法，主要依托测风塔和多普勒雷达这两种装置开展。Song等[16-18]通过分析中国沿海测风塔及气象站观测数据，指出了台风结构中不同位置处湍流强度、阵风因子和风攻角等的差异，发现台风近中心处高风速和大风剖面指数可能同时发生。Tamura等[19]利用多普勒雷达在日本沿海地区对50~340 m高度范围内风剖面进行观测，发现指数律模型能够近似反映风剖面特征，且剖面指数多受风速影响。李利孝等[20]和肖仪清等[21]利用强台风黑格比的观测塔和风廓线雷达实测数据，研究了不同风剖面经验模型对台风风场的适用性，以及台风条件下平均风场和脉动风场特性，指出台风前眼壁强风区的大攻角效应。王澈泉等[22]通过分析台风影响下不同时距的平均风速、湍流度和阵风因子等风参数，认为时距选取为5 min最合理。胡尚瑜等[23]发现台风风场和季风风场在风剖面指数、地表粗糙长度和湍流强度等均存在明显差异。王浩等[24]研究了润扬悬索桥桥址处的平均风和脉动风特性，为我国东部沿海地区的建筑结构抗风设计提供了参考。更多近地面观测[25-28]大多存在观测高度有限的问题，无法准确刻画台风条件下的风剖面形态。
总的来说，限于台风的强变异性和观测手段的不足，台风研究仍需进一步补充现场实测数据，并由此总结台风风速场特点，构建和验证台风土木工程模型[29]，形成系统的科学理论以指导工程。截至目前，国内外近地面高空探测数据仍显著缺乏，难以适应超高大建筑物的发展趋势。
针对上述问题，本项研究利用多普勒激光雷达于2018年9月15日至17日期间，在徐闻国家基本气象站对1822号超强台风山竹进行风剖面观测，获取了实测位置处受台风影响的完整的外围高空风速场，总结了近地面风剖面随台风移动发展的演变规律，为建筑抗风设计和数值模型研究提供借鉴。
1 实测概述 1.1 超强台风山竹及观测点情况超强台风山竹是2018年生成于西北太平洋的第22个正式编号的热带气旋，于北京时间2018年9月7日20时达到热带低压的强度并开始记录，于11日8时升级成为超强台风并在该强度等级下持续了约96个小时。16日17时许，超强台风山竹从广东省台山市海宴镇登陆，登陆时热带气旋底层中心附近2 min平均风速最大值达45 m/s。此后台风强度不断衰减，于9月17日17时停止记录。根据中国气象局台风观测数据给出超强台风山竹中心路经如图 1所示。
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图 1 超强台风山竹中心路径及观测位置 Fig.1 The track of super typhoon Mangkhut and the observation site |
实测采用定点观测方法，观测点位于广东省徐闻国家基本气象站(20.2415°N，110.1654°E)，海拔高度57 m，地表特征如图 2所示。观测点南距琼州海峡海岸线约0.1 km，南部海上来流风特性由海浪等因素主导；北部方圆5 km范围内的地貌以农田为主，杂以稀疏、低矮的建筑群，北部陆地来流风近地面特性主要受平坦地貌影响。
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图 2 观测位置地表特征 Fig.2 Landform of the observation site |
实测于2018年9月15日12:28开始，于17日13:53结束，实测开始和结束时台风中心所处的位置见图 1。
1.2 设备情况多普勒激光雷达通过释放激光脉冲，测量大气悬浮物运动过程产生的多普勒频移量，从而计算获得径向风速。图 3介绍了激光雷达的工作原理。实测使用的激光雷达型号为WINDCUBE 100S，如图 4所示。
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图 3 激光雷达的工作原理 Fig.3 Work principle of LiDAR |
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图 4 激光雷达 Fig.4 LiDAR of WINDCUBE100s |
Wagner等[30]出具的激光雷达精度验证报告表明：在A类地表条件下10 min水平平均风速约为9.0 m/s时，与81 m、101 m、117 m高度处的风杯式风速计相比，激光雷达测得的水平风速会高出风杯式风速计结果1.5%~2.5%。这样的精度可以满足土木工程的实测需求。设备的基本参数如表 1所示。
| 表 1 激光雷达基本参数 Table 1 Basic parameters of the LiDAR |
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激光雷达周期性地向天空投射36束激光。激光束俯仰角恒定，方位角依次为0°、10°、20°、…、340°、350°，一个扫描周期可得到36条不同方向的径向风速数据。图 5给出扫描模式示意图，每个扫描周期持续时间约为36 s，这种测量模式能够减少扫描空转时间，提高数据采集效率。如图 5所示，一个扫描周期36条径向风速数据可分为12组，第1组3条数据的方位角分别是0°、120°、240°；第2组3条数据的方位角分别是10°、130°、250°，以此类推。式(1)给出实测径向风速与自然风速的转换关系。
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图 5 激光雷达测量风剖面的方法 Fig.5 Method of wind profile measurement |
| $ {\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{V_x}}\\ {{V_y}}\\ {{V_z}} \end{array}} \right]^{\rm{T}}} = \frac{1}{{{\rm{cos}}\alpha }}{\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{v_1}}\\ {{v_2}}\\ {{v_3}} \end{array}} \right]^{\rm{T}}}{\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{cos}}{\theta _1}}&{{\rm{cos}}{\theta _2}}&{{\rm{cos}}{\theta _3}}\\ {{\rm{sin}}{\theta _1}}&{{\rm{sin}}{\theta _2}}&{{\rm{sin}}{\theta _3}}\\ { - {\rm{tan}}\alpha }&{ - {\rm{tan}}\alpha }&{ - {\rm{tan}}\alpha } \end{array}} \right]^{ - 1}} $ | (1) |
式中，Vx、Vy、Vz分别表示自然风在南北向、东西向和垂直方向的风速分量；α表示激光束的俯仰角；v1、v2、v3表示每组3束激光各自测得的径向风速；θ1、θ2、θ3表示3束激光各自的方位角。该方法得到的三维风速在时间和水平空间均有一定的跨越性，考虑到10min内的风速一般认为是平稳的，同时在工程实际应用中，百米级的水平分辨率是足够的，因此基于矢量平均方法得到的10 min三维平均风速是有意义的。
2 风速剖面演变过程分析根据中国气象局台风观测数据，实测期间观测位置与台风中心的距离及台风中心压强变化如图 6所示。为便于分析，将整段实测时间均匀划分为25个区间，区间1从起测时间15日12:28至15日14:00，区间2从15日14:00至15日16:00，以此类推，每隔2小时划分一个区间。
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图 6 台风中心气压及台风中心与观测点的距离 Fig.6 Evolution of central pressures and distances between typhoon center and observation site |
热带气旋登陆时中心气压955 hPa(注:hPa为百帕，表示台风强度时的常用单位)，为“强台风”等级，此时热带气旋中心距离观测点304 km。实测期间热带气旋中心与观测点最近距离为229 km，此时中心气压975 hPa，为“台风”等级。实测完整记录了台风由远及近直至登陆，再由近及远直至消散整个过程中，近地层台风外围风速剖面演变历程，对强台风登陆过程中台风外围风场区域设计风速分析有参考意义。
2.1 风场演变阶段实测期间水平风速、风攻角和风向随时间和高度的变化如图 7所示。
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图 7 风参数随时间和空间的变化 Fig.7 Evolution of wind parameters in time and space |
图 8和图 9分别给出每个区间的水平风速剖面和平均风向剖面，图 8同时给出各区间中间时刻观测点与台风中心的距离。图 8表明区间7~12平均风剖面形态呈S形，与良态风剖面有显著差异。水平平均风速在近地面一定高度范围内持续增加达到极大值后，又持续降低直至风速稳定或再次增加；区间14~19平均风剖面形态也与良态风剖面存在差异，即水平风速达到最大值后又以相对缓慢的速度衰减，这种剖面形态与Vickery等[31]发现的开阔海面上台风近中心平均风剖面形态形似，即低空急流现象。
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图 8 25个区间的风剖面特征 Fig.8 Horizontal wind speed profiles of each subinterval |
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图 9 25个区间的平均风向剖面 Fig.9 Wind direction profiles of each subinterval |
图 7和图 8表明实测期间的风速剖面演变过程可以划分为4个阶段，分别是：
第1阶段：15日14:28至15日18:00(区间1~3)。图 6表明该阶段台风中心与观测点距离较远，最近距离933 km。该阶段热带气旋等级为“强台风”。由图 7(b)可知该阶段200 m以上高度风攻角以正值为主且变化较为剧烈，在200 m高度处，风速大于5 m/s数据点的风攻角介于-2.6°~5.1°，500 m高度处5 m/s风速以上风攻角介于-2.7°~8.1°，说明这一时期观测点处在台风外围上升气流的影响范围内[32]。
第2阶段：15日18:00至16日12:00(区间4~12)。图 6表明该阶段台风中心持续向观测点靠近，最近距离453 km。图 7(b)表明该阶段风攻角为负且集中在-2°~0°，说明这一时期观测点处在台风外围弱下沉气流的影响范围内。由图 7(a)和图 8可知，该阶段风剖面形态呈S形，近地面风速极大值出现在距地面200 m~600 m高度范围内，尤以区间7~12为明显。随着时间的推移，S形风剖面下部风速极值缓慢增加，于区间11对应时间达到最大值17 m/s。
第3阶段：16日12:00至17日02:00(区间13~19)。该阶段台风进一步向西移动，并于16日17时(区间15)登陆。台风中心与观测点的距离先减小后增大，从453 km逐渐减小到229 km再远离到242 km。从第3阶段初开始直至台风登陆后，水汽供应逐渐受影响并最终停止，内部对流作用逐渐减弱，台风结构开始消散。风剖面形态呈现出与Vickery等[31]实测结果相似的低空急流的特征。该阶段观测位置1500 m高度范围内的风攻角为负，风向受台风影响随时间持续逆时针变化，1000 m高度处风向角变化幅值达73°。
第4阶段：17日02:00至观测时段终点(区间20~25)。该阶段台风逐渐远离观测点，从242 km远离到556 km，风向也过渡为海面来风。图 7(a)、(b)和(c)表明区间20~23对应时间范围内存在数据缺失的情况，这是由于台风伴随的降雨降低了空气中气溶胶的浓度，进而影响激光雷达采集数据。图 7a)表明第4阶段后期风速有所增加，考虑到此时台风中心压强升高到995 hPa以上，判断观测点风速变化可能是受台风外围残余气流或一般海风气候的影响。
第1、第2阶段对应台风登陆前。这段时间台风中心压强变化幅度小，稳定在(940~945) hPa，属于“强台风”等级。其中区间1~11时间范围内台风中心始终位于远海海面上，可以认为该阶段台风结构稳定，且观测点始终处于台风前进方向左侧逆时针10°~20°范围内，观测条件相对固定；区间12时台风移向近海，台风中心与海岸线最近距离约为100 km，其结构逐渐受陆地影响。从空间相对位置的角度看，区间1~12对应的测点与台风中心距离顺次减小，从1030 km降低到480 km。S形风剖面现象在区间7~12比较明显，图 10给出16日0:30~16日10:50(对应区间7后期、区间8~11，及区间12前期)时间范围内最大风速高度和最大风速随观测点与台风中心距离变化的示意图，共计62条数据。图中给出实测数据拟合曲线及拟合优度指标R2，R2取值范围为0~1，R2越接近1表明拟合效果越好。由于中国气象局台风观测数据仅提供整点时刻的台风中心位置，非整点时刻观测点与台风中心距离采用分段三次多项式方法(PCHIP)插值得到。图 10表明，在较稳定的“强台风”等级条件及相对固定的观测方位下，距离台风中心(500~750) km范围内，最大风速高度及最大风速均有沿台风半径向外逐渐降低的趋势，其中最大风速高度从约535 m降低到约265 m，最大风速从约18 m/s降低到约15 m/s。这一现象可与Kepert等[6-7]和Giammanco等[8]发现的在距离台风中心200 km范围内，最大风速高度沿台风半径向外增大的研究结论互为补充。图 8中区间1~6风剖面表明随着测点与台风中心距离进一步增加(从780 km开始)，风力逐渐衰减，S形剖面现象也逐渐消失。
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图 10 最大风速高度及最大风速随观测点与台风中心距离的变化 Fig.10 Maximum wind speed and its height with the distance between the observation site and the typhoon center |
考虑到观测点位于陆地，地形较海面复杂，且区间1~11时间范围内风从陆地吹向海洋，上述S形剖面的观测现象可能受到地形等的影响，相关研究结论的普适性需要进一步的实测资料验证。
第3、第4阶段对应台风从靠近海岸线到登陆及登陆后整个过程，对于第4阶段，判断引起观测点风速变化的原因不是台风。根据风剖面形态及最大风速将第3阶段分为4个时期，如表 2所示。
| 表 2 第3阶段的4个时期 Table 2 Four phases of Period 3 |
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4个时期的平均风剖面如图 11所示。图 11表明过渡期平均风速随距离地面高度增加持续增加；风速上升期和风速稳定期的平均风速剖面形态与Vickery等[31]观测到的海面上台风近中心风剖面形态相似，尤以风速稳定期为明显，即水平风速在一定高度范围内持续增大，之后以缓慢的速度衰减，这种现象被称为低空急流[6-7, 10]；风速下降期的平均风剖面形态与第2阶段中S形风剖面形态相似。
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图 11 第3阶段各个时期的平均风速剖面 Fig.11 Average vertical wind profiles for each phase of Period 3 |
风速稳定期的最大风速高度约为850 m，观测点与台风中心距离为(230~300) km；风速上升期的最大风速高度约为1160 m，观测点与台风中心距离为(300~400) km，这与Giammanco等[8]发现的200 km范围内最大风速高度沿台风半径向外逐渐增大的现象一致。考虑到Giammanco等的研究结论是基于30个不同台风共计1010条实测风剖面得到的，且96%以上的数据来源于大西洋海面，与超强台风山竹的观测条件存在显著差异，上述结论仍需继续补充实测数据以验证普适性。
2.2 风参数演变过程指数律模型是一种广泛应用于结构风工程领域的风剖面经验模型。指数律模型的表达式为：
| $ \frac{U}{{{U_1}}} = {\left( {\frac{z}{{{z_1}}}} \right)^\alpha } $ | (2) |
其中, z1为参考高度, U1为参考高度处的风速, α为表征地表粗糙度的参数。对1~25各区间平均风剖面采用指数律模型进行拟合，结果如图 12所示。
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图 12 水平风速剖面指数律模型拟合结果 Fig.12 Fitting of vertical wind profiles by power law |
区间1~3风速较小。区间4~12均有不同程度的S形风剖面现象，指数律模型对50 m至最大风速高度以下的实测风剖面有较好的拟合度，风剖面指数跨度在0.20~0.62之间，最大风速高度跨度为300~500 m。区间13~19所示的风速剖面对应于台风登陆后。这段时间最大风速高度进一步增加，风剖面指数变化范围较区间4~12小，为0.22~0.35。区别于区间1~19，区间20~25时间范围内，风从海洋吹向陆地。由于该阶段台风的结构进一步瓦解，中心压强最低为975 hPa，同时观测点与台风中心最小距离为242 km，因此判断该阶段的风速变化，尤其是区间24、25的风速再增大，主要是由台风外围残余气流或一般海风气候引起的。该阶段的风剖面与指数律模型存在较大的偏差，由图 8可知，区间24、25最大风速高度以下的风剖面存在“反曲”的特征，目前尚不确定这种现象的主导原因。
图 13给出登陆前后平均水平风速剖面及指数律模型拟合结果。登陆前平均风剖面是，对区间1~12时间范围内最大风速大于等于15.0 m/s的风剖面数据进行平均。临近登陆及登陆后平均风剖面是对区间13~19时间范围内最大风速大于等于15.0 m/s的风剖面数据进行平均，由于尚不能确定区间20~25后期风速增加的原因，未将其纳入登陆后平均风剖面计算中。登陆前平均最大风速高度约为360 m，对360 m高度以下风速剖面进行拟合得到风剖面幂指数约为0.41；登陆后平均最大风速高度约为800 m，对800 m高度以下风剖面进行拟合得到风剖面幂指数约为0.28。
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图 13 登陆前后平均风剖面 Fig.13 Average vertical wind profiles before and after the landfall |
图 14给出登陆前区间7~12及登陆后区间13~19的最大风速高度和风剖面指数。图 14表明登陆前最大风速高度较登陆后低，而平均风剖面指数较登陆后高。在结构设计中应注意风剖面指数和最大风速高度的组合效应。
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图 14 登陆前后风剖面指数和最大风速高度 Fig.14 Exponent and gradient height before and after the landfall |
近地面50 m高度处水平风速及风攻角变化时程如图 15所示。10.0~15.2 m/s范围内风速对应的风攻角主要集中在-8.7°~1.0°，最大风速15.2 m/s对应的风攻角为-7.9°。
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图 15 50 m高度处水平风速及风攻角变化过程 Fig.15 Evolution of measured wind speeds and wind attack angles in 50 m height |
超强台风山竹对观测位置处风场的影响集中体现在第2、第3阶段。按照风剖面的形态及最大风速大小可以将第2、第3阶段划分为6个时期。其中第2阶段可划分为2个时期，分别是：1)前期，对应于区间4~6；2)后期，对应于区间7~12。第3阶段可以划分为4个时期，如表 2所示。6个时期的水平平均风速剖面如图 16所示，按风剖面形态可以划分为3类：1)风速随高度持续增加型，对应于第3阶段过渡期；2) S形风剖面，对应于第2阶段的前期、后期以及第3阶段的风速下降期；3)低空急流风剖面，对应于第3阶段风速上升期、风速稳定期。对于S形风剖面以及低空急流风剖面，传统的指数律模型不能刻画风速下降段的剖面形态。
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图 16 第2、第3阶段各个时期的平均风速剖面 Fig.16 Average vertical wind profiles for each phase of Period 2 & 3 |
针对低空急流风剖面现象，Vickery于2009年提出基于对数律的修正模型[10]，该模型表达式为：
| $ U = \frac{{{u^*}}}{k}\left[ {\ln \left( {\frac{z}{{{z_0}}}} \right) - a{{\left( {\frac{z}{{{H^*}}}} \right)}^n}} \right] $ | (3) |
其中：u*为摩擦速度；k为冯卡门常数，取0.4；z0为地表粗糙高度；H*为梯度高度参数；a和n为适用于所有H*值的定参数。Vickery通过分析1997年至2003年台风条件下大西洋、墨西哥湾和东太平洋海面上风速剖面数据认为，a和n的合适取值分别为0.4和2。利用Vickery模型对图 16中的S形风剖面和低空急流风剖面进行拟合，拟合结果如图 17所示，拟合范围及拟合参数如表 3所示。图 16表明Vickery模型对第3阶段风速上升期及稳定期的风速剖面有较好的拟合度，1500 m高度范围内的拟合误差在-0.5~0.4 m/s之间；对S形剖面下部风速增加段和风速降低段拟合误差为-1.1~0.7 m/s，模型中引入的衰减项不能重现S形剖面上部风速再次增加的现象。
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图 17 S形风剖面及低空急流风剖面拟合结果 Fig.17 Fitting of S shape profiles and low-level jet profiles by Vickery model |
| 表 3 各时期对Vickery模型的拟合参数 Table 3 Vickery model parameters of each phase |
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通过1822号超强台风山竹的近地面外围风场实测研究，总结出台风外围风场风速剖面演变过程的4个阶段，并对这4个阶段的水平平均风速剖面进行拟合，得出如下结论：
1) 在距离台风中心230 km~750 km范围内，最大风速高度沿台风半径向外先增大后减小，在距离台风中心400 km~500 km处达到最大。在台风风场数值模型研究中应注意把握最大风速高度的变化趋势。
2) 对于台风远端风场，较高的最大风速高度和较大的风剖面指数可能不会同时出现，在结构设计中需注意最大风速高度和剖面指数的组合效应。
3) Vickery模型对台风远端风场1500 m高度范围内低空急流风剖面的拟合效果较好，但不能重现S形风剖面上部风剖面形态。在工程应用中，指数律模型能够提供一定的安全裕度。
台风作为强随机性动态气旋结构，现有的天气预报模式仍然存在一定的误差，这也是本次实测未能结合追风设备捕获台风近中心风场数据的原因。在未来工作中有必要持续、深入开展台风追踪式移动观测工作。
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