臺(tái)風(fēng)“山竹”期間深圳近地面水平風(fēng)的垂直特征

張慶，盧超，楊紅龍，譚明艷，向豆

（深圳市國家氣候觀象臺(tái)，廣東深圳 518040）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每年約有7個(gè)臺(tái)風(fēng)影響我國［1］，其中每年影響深圳的臺(tái)風(fēng)數(shù)量平均3.6個(gè)，嚴(yán)重影響1.9個(gè)［2－3］，2018年的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”影響深圳期間，全市出現(xiàn)大范圍樹木倒伏、內(nèi)澇、交通受阻等問題，對(duì)城市安全造成嚴(yán)重影響。隨著深圳城市化進(jìn)程不斷發(fā)展，高樓林立、人口密集已經(jīng)成為深圳的典型特征，臺(tái)風(fēng)對(duì)城市發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的威脅越發(fā)嚴(yán)重［4－6］。

為盡可能降低臺(tái)風(fēng)造成的影響，需要充分了解基于城市下墊面的近地面強(qiáng)風(fēng)的垂直特征。許多學(xué)者已經(jīng)針對(duì)臺(tái)風(fēng)近地面風(fēng)場(chǎng)特征開展了研究，胡尚瑜等［7］研究了臺(tái)風(fēng)近海風(fēng)場(chǎng)特征；魏應(yīng)植等［8］利用多普勒天氣雷達(dá)研究了臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)；王海龍等［9］研究了臺(tái)風(fēng)近地面風(fēng)速特征。以往的研究多集中于近海海面條件下的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，基于城市下墊面條件開展相關(guān)研究較少。深圳市是粵港澳大灣區(qū)高密度城市區(qū)，建有356 m氣象梯度觀測(cè)塔，可以開展連續(xù)的近地面風(fēng)觀測(cè)。鑒于此，本研究以臺(tái)風(fēng)“山竹”為例，利用梯度塔開展城市復(fù)雜下墊面臺(tái)風(fēng)近地面水平風(fēng)垂直特征分析，以期為深圳城市安全發(fā)展，合理防御臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)與方法

1.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

深圳氣象梯度觀測(cè)塔（以下簡(jiǎn)稱梯度塔）距離珠江口10 km，位于萬畝果園和水源保護(hù)區(qū)內(nèi)，周圍空曠，外部是城市群，能代表深圳的地表覆蓋類型，非常適合開展臺(tái)風(fēng)對(duì)城市影響的觀測(cè)研究。梯度塔共設(shè)置13層觀測(cè)平臺(tái)（10、20、40、50、80、100、150、160、200、250、300、320、350 m），塔上使用的是芬蘭維薩拉WAA151風(fēng)速計(jì)，測(cè)量范圍0～70 m／s，測(cè)量精度0.1 m／s，采樣間隔10 s，可以很好地觀測(cè)到近地層風(fēng)的連續(xù)變化特征。

超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”是2018年第22號(hào)熱帶氣旋，具有生命期長(zhǎng)、強(qiáng)度強(qiáng)、強(qiáng)風(fēng)范圍廣、風(fēng)雨影響嚴(yán)重等特點(diǎn)。本研究選取“山竹”影響深圳（9月16—17日）期間梯度塔風(fēng)速數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)分析的方法開展城市近地面水平風(fēng)的垂直特征分析。

1.2 研究方法

1）陣風(fēng)。

大風(fēng)過程中，風(fēng)的陣性變化往往是導(dǎo)致風(fēng)災(zāi)的重要原因之一，而通常用陣風(fēng)因子來表征風(fēng)的陣性特征［10－11］。陣風(fēng)因子定義為極大風(fēng)風(fēng)速與相應(yīng)10 min平均風(fēng)速的比值。本研究利用10 min內(nèi)的極大風(fēng)風(fēng)速與對(duì)應(yīng)的10 min平均風(fēng)風(fēng)速的比值作為該10 min的陣風(fēng)因子：

其中，T為陣風(fēng)因子；vmax為極大風(fēng)速（m／s）；ˉv為10 min平均風(fēng)速（m／s）。

2）風(fēng)切變。

風(fēng)切變按風(fēng)向可分為水平風(fēng)的水平切變、水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變、垂直風(fēng)的切變。臺(tái)風(fēng)“山竹”影響期間主導(dǎo)風(fēng)向變化不大，本研究著重分析水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變特征。由于臺(tái)風(fēng)影響期間伴隨強(qiáng)風(fēng)，大氣近似中性條件，可認(rèn)為風(fēng)廓線服從指數(shù)規(guī)律［12－13］，因此本研究使用指數(shù)變化規(guī)律分析近地面水平風(fēng)的垂直切變規(guī)律，表達(dá)式為

其中，v是Z高度（m）對(duì)應(yīng)的風(fēng)速（m／s）；v1是Z1高度（m）對(duì)應(yīng)的風(fēng)速（m／s）；?是風(fēng)廓線指數(shù)，其值越大，表示風(fēng)速隨高度變化的梯度越大，風(fēng)切變?cè)絼×?。本研究首先取梯度?0 m高度風(fēng)速的測(cè)量值作為參考值，結(jié)合不同高度風(fēng)速測(cè)量值計(jì)算出不同高度的風(fēng)廓線指數(shù)，進(jìn)而分析不同高度的風(fēng)切變特征。

3）湍流。

湍流主要反映的是風(fēng)的脈動(dòng)特性，通常用湍流強(qiáng)度表示，其值可以作為氣流在垂直方向穩(wěn)定程度的指標(biāo)［14］。本研究利用觀測(cè)所得的瞬時(shí)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差與相應(yīng)的平均風(fēng)速的比值來計(jì)算湍流強(qiáng)度：

其中，G為湍流強(qiáng)度；σ為10 min瞬時(shí)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差；v為10 min平均風(fēng)速（m／s）。

2 結(jié)果與分析

2.1 臺(tái)風(fēng)“山竹”期間深圳近地面陣風(fēng)特性

統(tǒng)計(jì)實(shí)況資料可以看出，風(fēng)速較小時(shí)，陣風(fēng)因子在1－6區(qū)間變化且無明顯規(guī)律，低層離散程度較大（圖略），但隨高度增加陣風(fēng)因子離散度趨于減小（圖1）。

圖1 不同高度陣風(fēng)因子離散度變化

當(dāng)風(fēng)速大于6級(jí)（10.8 m／s）后陣風(fēng)因子趨于穩(wěn)定，且不同高度陣風(fēng)因子平均值（表1）均小于國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中對(duì)城市地區(qū)陣風(fēng)因子2.4的推薦值［15］。此外，以陣風(fēng)因子為橫軸，高度為縱軸，利用指數(shù)規(guī)律嘗試進(jìn)行擬合（圖2），擬合的相關(guān)系數(shù)為0.99，擬合效果較好，這也說明可以通過指數(shù)函數(shù)推算大風(fēng)條件下不同高度的陣風(fēng)特性。

表1 不同高度6級(jí)以上大風(fēng)的陣風(fēng)因子

圖2 陣風(fēng)因子隨高度變化

2.2 臺(tái)風(fēng)“山竹”期間深圳近地面風(fēng)切變特性

圖3可以看出在不同高度風(fēng)廓線指數(shù)隨著風(fēng)速增大有減小趨勢(shì)，在風(fēng)速達(dá)到一定閾值后逐漸趨于穩(wěn)定。王志春等［16］研究臺(tái)風(fēng)“納沙”近地層風(fēng)切變規(guī)律時(shí)也得到相同結(jié)論。計(jì)算所有風(fēng)速樣本并求平均值約為0.23，同時(shí)史軍等［17］研究海上風(fēng)廓線指數(shù)為0.09，表明城市下墊面使得近地面風(fēng)切變特性更明顯。

圖3 臺(tái)風(fēng)山竹影響深圳期間不同高度風(fēng)廓線指數(shù)隨風(fēng)速變化散點(diǎn)圖

（a）－（l）分別為20、40、50、80、100、150、160、200、250、300、320、350 m

此外，利用關(guān)系式（2）反算不同高度的風(fēng)速如圖4所示。可以看出，利用指數(shù)規(guī)律反算風(fēng)速時(shí)，反算值略大于實(shí)測(cè)值，但整體趨勢(shì)一致，表明利用指數(shù)規(guī)律可以推算不同高度的風(fēng)速情況。不過由于數(shù)據(jù)量不足，更精確的風(fēng)廓線指數(shù)參考值還需更多觀測(cè)數(shù)據(jù)確定和驗(yàn)證。

圖4 利用平均風(fēng)廓線指數(shù)反算不同高度風(fēng)速的結(jié)果

2.3 臺(tái)風(fēng)“山竹”期間深圳近地面風(fēng)湍流特性

圖5可以看出不同高度風(fēng)速較小時(shí)湍流強(qiáng)度離散性較大，隨著風(fēng)速增大湍流強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速超過一定閾值后趨于穩(wěn)定。

圖5 臺(tái)風(fēng)山竹影響深圳期間，不同高度湍流強(qiáng)度隨風(fēng)速變化

表2為利用6級(jí)以上的風(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算出不同高度的平均湍流強(qiáng)度，并嘗試?yán)弥笖?shù)函數(shù)擬合得到圖6?？梢钥闯鐾牧鲝?qiáng)度隨高度的變化近似呈指數(shù)規(guī)律減小，并且隨著高度增加，湍流強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。史軍等［17］基于上海兩座海上測(cè)風(fēng)塔的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析湍流強(qiáng)度隨高度變化同樣得到在不同風(fēng)速情況下，平均湍流強(qiáng)度隨高度增加逐漸減小?？赡茉?yàn)榕_(tái)風(fēng)“山竹”影響期間，高層風(fēng)速較大，氣流較為穩(wěn)定，低層氣流受下墊面的影響變得凌亂，湍流特性也更明顯。但是否臺(tái)風(fēng)過程均存在這一現(xiàn)象還需更多的觀測(cè)個(gè)例分析驗(yàn)證。

圖6 湍流強(qiáng)度隨高度變化

表2 不同高度6級(jí)以上大風(fēng)的湍流強(qiáng)度

3 結(jié)論

1）風(fēng)速較小時(shí)，陣風(fēng)因子變化無明顯規(guī)律，隨著風(fēng)速加大，陣風(fēng)因子逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速大于6級(jí)后，陣風(fēng)因子趨于穩(wěn)定，數(shù)值穩(wěn)定于1.2～1.3之間；隨著高度增加，陣風(fēng)因子逐漸減小，并且在大風(fēng)條件下，陣風(fēng)因子隨高度變化近似呈指數(shù)規(guī)律。

2）風(fēng)廓線指數(shù)在風(fēng)速小的區(qū)間離散性大，隨著風(fēng)速增大逐漸減小，在風(fēng)速達(dá)到一定閾值后趨于穩(wěn)定，計(jì)算所有觀測(cè)樣本得到平均風(fēng)廓線指數(shù)約為0.23，該值也符合《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》。但是利用指數(shù)規(guī)律反算風(fēng)速時(shí)，推算結(jié)果略大于實(shí)測(cè)值。

3）湍流強(qiáng)度變化與陣風(fēng)因子變化類似，隨著風(fēng)速增大湍流強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速超過一定閾值后趨于穩(wěn)定?？赡茉?yàn)楦邔语L(fēng)速較大，氣流較為穩(wěn)定，低層氣流受下墊面的影響變得凌亂，湍流特性也更明顯，這說明臺(tái)風(fēng)“山竹”過程中受城市下墊面影響近地面風(fēng)湍流強(qiáng)度大于高層。但是否臺(tái)風(fēng)過程均存在這一現(xiàn)象還需更多的觀測(cè)個(gè)例分析驗(yàn)證。

本研究利用臺(tái)風(fēng)“山竹”影響深圳期間梯度塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)分析了深圳近地面水平風(fēng)的陣性特征、風(fēng)切變特征和脈動(dòng)垂直特征的垂直變化，并得到了初步結(jié)果。但是分析仍存在樣本數(shù)不足等問題，更為精確的結(jié)果需更多的觀測(cè)個(gè)例確定和驗(yàn)證，后期將會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)研究。