Shapiro台风风场模型及其数值模拟

我国东南沿海是世界上台风最集中的地区之一,也是我国经济最发达和财富最集中的地区,台风引起的灾害损失巨大.数值模拟方法是目前进行台风危险性分析和估算极值风速普遍采用的方法,已有较多风场模型应用于台风区的极值风速估算,Shapiro风场模型是其中之一.首先介绍了Shapiro台风风场模型,然后采用有限差分法求解描述该风场模型的非线性偏微分方程组,利用两个实测台风的风速记录对该模型进行了验证,对该风场模型在我国东南沿海地区的应用做了初步尝试.     

基于YanMeng台风风场的输电线路极值风速推算方法

极值风速作为输电线路抗风设计的重要参数,对结构的强度和年限标准意义重大。为克服采用观测资料直接推算极值风速的缺陷,给出了一种沿海地区输电线路极值风速推算的数值方法,即以台风风场物理方程为基础,利用历史台风进行反演,验证风场模型的适应性,随后结合台风年鉴,采用模拟圆和Monte Carlo抽样模拟进行研究点最大风速序列计算,并根据极值III型Weibull分布进行极值风速的推算。最后以海口市为例,对该极值风速推算方法进行详细阐述,推算了海口市近100a内重现期的极值风速,并与观测统计值进行对比,研究发现本文模拟效果较好,可以作为沿海地区输电线路抗风设计的理论参照。     

基于数值模拟的台风危险性分析综述(Ⅰ)——台风风场模型

台风风场是基于数值模拟的台风危险性分析的重要组成部分。基于现有文献资料,以台风风场内空气微团的运动平衡方程为出发点,对现有的基于平衡运动方程的参数化风场模型进行了评述,并建议选用CE风场;回顾了对风场预测结果有重要影响的两个输入参数的信息获得途径,重点就国内台风区城市应该如何处理这两个参数提出了建议;然后从台风边界层的物理意义出发,评述了现有的边界层模型,建议采用Thompson和Cardone所提的具有物理意义的边界层模型;最后对今后工程风场的发展方向提出了一些看法。尽管从气象学角度来看,三维风场是精度很高的模型,但是其工程实用性还有待考证;在满足工程精度的前提下,简单易行的模型是目前进行台风危险性分析的风场数值模拟的较好选择。     

基于极值风速预测的台风数值模型评述

在沿海台风多发地区，高耸及长大建筑结构对于极值风速作用非常敏感，因此在结构的设计、施工与使用期间有必要合理估算结构设计使用期限内可能遭遇的台风极值风速。台风极值风速的估算不仅涉及台风风场的数值模拟，也包括风速样本的采集与统计分析过程。较系统地介绍了台风风场结构的各类数学模型，并对它们在不同使用目的背景下的适用性作了评述与比较。最后，基于越界峰值法探讨了工程场地一定重现期内台风极值风速预测的可行性。     

中国东南沿海重点城市台风危险性分析

中国东南沿海地区是中国经济最发达，人口最稠密的地区，同时也是世界上受台风影响最严重的地区之一。本文以上海经9个沿海重点为例，通过对《台风年鉴》数据的分析处理，提取了台风关键参数并进行了统计分析与建模；利用Monte Carlo抽样和成熟台风风场模型模拟，得到了极值风速序列，对年极值风速序列进行极值风速统计分析，得到了不同重现期和地貌的极值风速，结果与实测风速比较吻合。     

台风风场简化理论模型的对比研究∗

台风风场模型的研究对于台风风场极值风速、巨浪的精确预报以及与之相关的灾害评估研究是极具现实意义的。系统介绍了Kepert提出的台风风场线性解析模型和Foster提出的基于相似理论求解的半解析模型。在Kepert解析模型的基础上进行改进,引入沿高度变化湍流扩散系数模型和受速度影响的拖曳系数模型,用半解析的方法对风场进行求解。借助Dropsonde现场观测台风风速剖面数据对本文提出改进模型的准确性进行验证。利用三种理论模型对实测海上台风表面风场进行模拟,与H*wind风场数据进行比较,验证不同模型之间的差别,并定量分析不同模型对台风表面风场特性的模拟能力。     

广东工程海域极值风速计算的YanMeng风场模型

为提高我国东南沿海工程海域极值风速估计的可靠性,通过搭建YanMeng风场模型进行台风数值模拟,并与实测资料进行对比,验证了风场模型在我国东南沿海工程海域的可行性。随后根据CMA热带气旋最佳路径数据集对台风关键参数进行概率建模,利用Monte Carlo法模拟了工程海域1 000年时段的台风极值风速序列,根据Gumbel分布进行了50年一遇极值风速的推算。研究发现YanMeng风场模型模拟效果较好,文中结果可以作为广东沿海海上平台结构设计的参考依据。     

长三角地区台风危险性定量分析

台风灾害是影响我国最主要的自然灾害之一。由于地处西北太平洋西侧,长三角地区每年都会受到台风的侵袭。根据中国气象局公布的1949-2010年西北太平洋台风最佳路径数据,首先提取了影响长三角16个城市的台风最大风速数据,分别从台风影响频次、强度和最大风速极值分布的角度定量地分析了各个城市的台风灾害危险性,并通过对比分析得出了台风灾害危险性在长三角地区的分布状况。结果显示,台风影响频次和强度都呈现从东南向西北递减的趋势,综合台风影响频次、强度和极端台风重现水平,这16个城市可以划分为3个危险等级:"高危险"城市,包括台州、绍兴、宁波和舟山;"中危险"城市,包括杭州、上海、嘉兴、湖州、无锡和苏州;"低危险"城市,包括南通、常州、镇江、南京、泰州和扬州。致灾因子危险性定量评估是灾害风险评估中重要的一环,研究结果可供制定长三角地区台风灾害防灾规划参考。     

基于阻滞增长模型的台风强度演变模拟

我国位于西北太平洋的西岸,是全球范围内受热带气旋影响最为严重的国家之一。从1963-2019年,热带气旋在我国造成的损失占自然灾害损失的50%甚至更多。可靠的台风危险性量化分析对政府部门制定防灾减灾规划、金融机构（如保险及再保险业）以及个人家庭都很重要。全路径随机台风模型可以合成出大量的台风从生成到消亡的路径和强度样本,可对大范围区域台风进行危险性分析,是评估台风危险性最有潜力的模型。其基本思想是先对路径分段模拟,再组合成完整的路径和强度。文中针对西北太平洋区域的台风活动建立了基于阻滞增长模型的热带气旋强度模型,模拟热带气旋在其生命周期内的强度演变。在模型中纳入海气环境因素的影响,并依据热带气旋强度增减状态以及强度等级将样本数据划分为10类,分别建立基于阻滞增长模型的强度模型。最后通过对比西北太平洋1979-2018年JTWC最佳路径数据和模型模拟结果,发现文中建立的模型模拟的强度与历史的平均强度较为吻合,但是对于强度的快速增强模拟效果不佳,这可能与样本数据不足有关。     

基于台风风场经验模型的海面风场数值模拟

为估算经过海面时摩擦力对台风风场造成的影响,引入了适用于从低风速到高风速计算的关于海面10 m高风速U_(10)的海面拖拽系数C_d的表达式,进一步发展了以Vickery台风风场模型为基础的台风风场经验模型。然后,将利用不同Charnock常数μ计算得到海面拖拽系数C_d随U_(10)的变化情况与实测数据进行了对比。最后,将台风风场经验模型应用于台风"黑格比"期间经过海面时台风风场的数值模拟。将计算得到的台风1 h平均风速与海面观测塔获取的观测数据进行了对比。研究结果表明,基于此海面拖拽系数C_d表达式的台风风场经验模型能对经过海面时的台风风场进行很好的模拟。     

考虑地形和土地覆盖影响的参数化台风风场模拟

现有参数化台风风场模型通常采用单一地表粗糙度假设,忽略地形和土地覆盖的影响,使得参数化台风风场模型不能真实反映台风风场。本文基于GTOPO30(Global Topographic Data of 30 arc seconds)全球数字高程数据和USGS(U.S.Geological Survey)全球土地覆盖数据,将地形地貌效应等效为地表粗糙长度,建立了受西北太平洋台风影响的东亚地区的地表粗糙长度空间分布;并对比验证了3个典型地貌的地表粗糙长度。然后,对参数化台风风场模型进行了适当修正,使其能耦合地形起伏对风场产生的抬升和沉降作用。以WRF(Weather Research and Forecasting)模式的模拟结果为基准,采用3个历史台风案例,考察了地形地貌对参数化台风风场模拟的影响。对比结果表明,考虑地形地貌效应可以显著提升参数化台风风场模型对台风空间结构的模拟能力。考虑地形地貌影响的参数化台风风场模型的模拟结果与实测结果吻合较好。     

福建沿海输电线路设计风速取值探讨

根据福建省崇武气象台1973~2006年的风速资料,分别采用极值Ⅰ型Gumbel分布、极值Ⅱ型Frechet分布、极值Ⅲ型Weibull分布对该地区的风速进行了统计分析。结果表明,该地区发生强风的概率很大,受台风的影响,年最大风速一般发生在7~10月份,且其风速值随着年代的推后有下降的趋势;经柯尔莫格洛夫拟合优度检验,极值Ⅰ型Gumbel分布是该地区的风速概率分布的最优曲线;极端风速是影响沿海输电线路安全的一个重要因素,可采用差异化的设计方法予以考虑。     

强风环境非平稳风速模型及应用

提出了强风环境非平稳风速分析模型。该模型将风速记录分解为时变平均风和零均值平稳脉动风分量两部分,给出了经验模型法确定时变平均风的步骤并重新定义了风特性参数的计算公式。分别采用非平稳和平稳风速模型进行了1 851小时实测强风资料的风特性参数计算并做了对比分析。结果显示非平稳模型计算得到的紊流强度和积分尺度较平稳模型小,而平均风速及相干函数的衰减系数则相当接近,非平稳模型较平稳模型更适合描述强风特性。     

台风作用下建筑结构的可靠性评估

台风灾害是给人类造成严重危害的自然灾害之一,台风作用下受灾害最重的往往是沿海广阔的农村地区,本文针对低层建筑结构物,分析了台风造成的危害;分析了台风发生的频率,强度与全球地面平均气温之间的相关关系,统计分的分析了９０１５号与９７１１号台风资料,分别得出它们的风速概率分布与低层建筑结构物的荷载效应概率分布,运用有限元计算和实验比较的方法,得出了三层砖混结构建筑物的抗侧力效应概率分布,最后,利用结构可     

中信广场风场特性及风致结构振动的同步监测

通过对广州中信广场在台风“达维”作用下其风场与风致结构振动的现场同步监测，获得了台风风场和结构动力特性，及风致结构振动响应等相关结果。通过对现场测试数据的分析，验证了湍流强度随平均风速增大而减小和阵风因子随湍流强度增大而增大等规律，实测的脉动风速谱与von Karman谱亦很吻合。同时通过对中信广场加速度响应与平均风速关系分析得出，该高层建筑物的顶部风速即使处于低中风速范围时，其横风向响应已接近于顺风向响应。根据实测风振加速度数据，对结构动力特性（频率及阻尼比）进行了识别，采用随机减量方法求得了结构在两个主轴方向第一振型阻尼比与振幅的非线性关系。