不同大氣穩(wěn)定度下臺(tái)風(fēng)“莫拉克”（2009）的近地風(fēng)場特性

李田田，屈宏雅，朱 蓉，李永平，湯勝茗，*

(1.中國氣象局 上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030；2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092；3.國家氣候中心，北京 100081)

0 引 言

我國地處西北太平洋西岸，海岸線綿長，每年約有7～9個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸我國，是全球臺(tái)風(fēng)災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一[1]。臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)所致強(qiáng)風(fēng)，以及脈動(dòng)風(fēng)結(jié)構(gòu)和湍流特性與良態(tài)風(fēng)相比存在顯著差異，是防臺(tái)減災(zāi)、工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)、風(fēng)能資源評估的重要研究內(nèi)容。

武占科等[2]分析了距地面200 m以上不同高度的臺(tái)風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)特性，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)特性不宜采用良態(tài)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)值，臺(tái)風(fēng)實(shí)測風(fēng)譜與規(guī)范譜有一定的偏差。胡尚瑜等[3]研究指出臺(tái)風(fēng)風(fēng)場平均風(fēng)速剖面指數(shù)、湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子均大于良態(tài)風(fēng)場實(shí)測值。徐安等[4]提出臺(tái)風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)速概率分布模型與風(fēng)速大小有關(guān)，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)速概率分布接近正態(tài)分布；當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，則與正態(tài)分布相差較大。Powell等[5]和Franklin等[6]基于GPS下投式探空數(shù)據(jù)，對臺(tái)風(fēng)邊界層的平均風(fēng)速剖面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在近地面層200 m高度內(nèi)風(fēng)速隨高度的變化仍符合對數(shù)律。肖儀清等[7]依據(jù)近海面觀測資料研究了臺(tái)風(fēng)登陸過程中風(fēng)場特性，結(jié)果表明當(dāng)下墊面為海面時(shí)，平均風(fēng)速剖面指數(shù)與規(guī)范推薦值有較大差異。趙林等[8]通過分析超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”的近地外圍風(fēng)場風(fēng)速剖面演變特性，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)端風(fēng)場S形和反C形2種風(fēng)剖面形態(tài)，并提出Vickery模型對臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)端風(fēng)場1.5 km高度范圍內(nèi)低空急流風(fēng)剖面的擬合效果較好，但不能重現(xiàn)S形風(fēng)剖面上部風(fēng)剖面形態(tài)。王旭等[9]基于Kaimal互功率譜，提出了臺(tái)風(fēng)影響期間近地層縱向與豎向以及縱向與橫向脈動(dòng)風(fēng)速分量之間的互功率譜修正模型，且與實(shí)測譜符合較好。Yu等[10]依據(jù)四個(gè)臺(tái)風(fēng)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析，發(fā)現(xiàn)在低頻時(shí)臺(tái)風(fēng)條件下的湍動(dòng)能顯著高于良態(tài)風(fēng)條件下。王澈泉等[11]分析了城市地貌下臺(tái)風(fēng)影響期間不同時(shí)距的平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子，結(jié)果表明，當(dāng)平均時(shí)距較大時(shí)（＞5 min），湍流強(qiáng)度的均值較大且變異系數(shù)較小，湍流特性計(jì)算較為穩(wěn)定。關(guān)于不同平均時(shí)距的問題，WMO規(guī)程[12]針對不同來流條件（陸地風(fēng)、海洋風(fēng)、離岸風(fēng)、近岸風(fēng)）建議了臺(tái)風(fēng)條件下采用不同平均時(shí)距（3 s，1 min，2 min，3 min，10 min，1 h）時(shí)陣風(fēng)因子的轉(zhuǎn)換關(guān)系，為不同平均時(shí)距的選擇與轉(zhuǎn)換提供了較為合理的依據(jù)和方法。Schroeder等[13]分析了七個(gè)登陸臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)向變化及來流方向地表粗糙度對風(fēng)場特性影響較大，并且在臺(tái)風(fēng)眼墻或者最大風(fēng)速位置，陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度略微降低，而湍流積分尺度卻增大。Miller等[14]通過對多個(gè)觀測站得到的十年臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，同樣提出湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子受來流地形影響很大，還指出當(dāng)下墊面從粗糙地形變到平坦地形時(shí)，至少需要1 km的距離才能使10 m高度的風(fēng)在新地形下重新達(dá)到平衡。Mashiko和Shimada[15]研究了2015年臺(tái)風(fēng)“天鵝”的中心結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)臺(tái)風(fēng)眼墻逼近觀測站時(shí)，風(fēng)速發(fā)生顯著波動(dòng)，3 s陣風(fēng)可達(dá)64.3 m/s，陣風(fēng)因子可達(dá)2.1。除了眼墻外，眼區(qū)內(nèi)的平均風(fēng)速、風(fēng)向變化也比較劇烈，眼區(qū)中心的風(fēng)速在0～10 m/s之間波動(dòng)。更多研究[16-21]分析了臺(tái)風(fēng)影響期間的平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、極端風(fēng)速、陣風(fēng)因子、摩擦速度等風(fēng)場特性的演變特征，但研究內(nèi)容較少涉及大氣穩(wěn)定度對臺(tái)風(fēng)風(fēng)場特性，特別是湍流特征的影響。

大氣穩(wěn)定度反應(yīng)了大氣湍流狀態(tài)及穩(wěn)定程度[22]。在良態(tài)風(fēng)時(shí)，有研究表明[23-27]不同大氣穩(wěn)定度條件下平均風(fēng)速剖面有顯著差異，并有學(xué)者[25-26]根據(jù)不同穩(wěn)定度條件建立不同風(fēng)速剖面的修正模型。例如，對數(shù)律形式的風(fēng)速剖面僅適用于中性大氣邊界層內(nèi)[28]，若在非中性層結(jié)下應(yīng)用，則需要采用穩(wěn)定度修正函數(shù)對其進(jìn)行修正[22,25]。Sathe等[29]對不同大氣穩(wěn)定度下風(fēng)電機(jī)組所受載荷的差異進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)定層結(jié)下，風(fēng)電機(jī)組塔架受到的荷載比中性條件下減少17%；在不穩(wěn)定層結(jié)下，荷載比中性條件減少3%。然而，對于風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子受到的荷載卻有相反的結(jié)論，考慮大氣穩(wěn)定度時(shí)得到的荷載比中性條件高12%。在臺(tái)風(fēng)條件下，王旭等[30]對臺(tái)風(fēng)“梅花”影響期間風(fēng)場特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中性層結(jié)下水平平均風(fēng)速小于非中性條件下?？虑迮傻萚31]對臺(tái)風(fēng)“黑格比”的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)非中性層結(jié)出現(xiàn)頻率達(dá)到64%，且考慮大氣層結(jié)狀況的風(fēng)速剖面模型可以更好地刻畫海面風(fēng)場的風(fēng)速分布。綜上，目前關(guān)于大氣穩(wěn)定度比較成熟的研究多集中在良態(tài)風(fēng)場，對臺(tái)風(fēng)影響期間非良態(tài)風(fēng)場狀態(tài)下大氣穩(wěn)定度對風(fēng)場特性的影響研究比較匱乏。因此，本研究將基于臺(tái)風(fēng)“莫拉克”（2009），探究不同大氣穩(wěn)定度下臺(tái)風(fēng)風(fēng)場特性的差異，填補(bǔ)這一研究領(lǐng)域的空白。

已有學(xué)者針對“莫拉克”做了一些研究。文獻(xiàn)[32-35]對“莫拉克”登陸期間強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、路徑演變特征進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。李永平等[36]分析了“莫拉克”登陸過程中的地面陣風(fēng)特性，發(fā)現(xiàn)地面陣風(fēng)主要呈3～7 min周期性變化，且存在明顯的相干結(jié)構(gòu)。張容焱等[37]分析了“莫拉克”影響范圍內(nèi)的33座測風(fēng)塔觀測資料，研究發(fā)現(xiàn)陣風(fēng)系數(shù)隨高度變化與地形有關(guān)，一般情況下隨高度升高而減小，在復(fù)雜地形條件下不符合隨高度升高而減小的規(guī)律。關(guān)于“莫拉克”的已有研究也鮮少涉及臺(tái)風(fēng)影響期間大氣穩(wěn)定度的分析。

本研究利用近海岸一座120 m和兩座100 m高的測風(fēng)塔獲得的2009年臺(tái)風(fēng)“莫拉克”數(shù)據(jù)，分析臺(tái)風(fēng)影響期間大氣層結(jié)狀況，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場不同高度的平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子和湍流積分尺度的演變規(guī)律，以及脈動(dòng)風(fēng)速譜的特征，以探究不同大氣穩(wěn)定度下臺(tái)風(fēng)風(fēng)場特性的差異性，為防臺(tái)減災(zāi)和工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)等提供參考。

1 “莫拉克”及觀測試驗(yàn)概述

1.1 “莫拉克”概況

2009年第8號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫拉克”（Morakot）于8月3日在西北太平洋生成，其最佳路徑如圖1所示，數(shù)據(jù)來源于中國氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所[38]?！澳恕痹?009年8月5日加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)級(jí)別，7日23:45（北京時(shí)間，下同）在臺(tái)灣花蓮首次登陸，登陸時(shí)近中心最大風(fēng)力達(dá)13級(jí)（40 m/s），8日進(jìn)入臺(tái)灣海峽后向北偏折。圖2（a）所示為8日16:00時(shí)“莫拉克”的雷達(dá)圖像?！澳恕钡慕Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不對稱性，臺(tái)風(fēng)眼區(qū)和眼墻區(qū)結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)對流主要位于眼區(qū)以南和以東區(qū)域。為了輔助分析，“莫拉克”的最佳路徑（紅色實(shí)線）和相近時(shí)刻最大風(fēng)速半徑（紅色虛線圓圈）也標(biāo)注在雷達(dá)圖中。最大風(fēng)速半徑數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心（JTWC）[39]。9日16:20“莫拉克”在福建霞浦再次登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力達(dá)12級(jí)（33 m/s）。圖2（b）為 9日16:00時(shí)“莫拉克”的雷達(dá)圖像，以及相近時(shí)刻最大風(fēng)速半徑。此時(shí)，由于登陸影響，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱，不對稱結(jié)構(gòu)更加明顯。

圖1 “莫拉克”最佳路徑及測風(fēng)塔位置Fig.1 The best track of typhoon Morakot and locations of wind towers

圖2 “莫拉克”雷達(dá)圖像Fig.2 Radar images of typhoon Morakot

1.2 觀測試驗(yàn)

“莫拉克”觀測采用英國Gill公司生產(chǎn)的WindMaster Pro型超聲風(fēng)速儀（圖3），其在邊界層湍流觀測和風(fēng)工程測量中應(yīng)用廣泛。該儀器使用環(huán)境溫度為-40 ℃～+70 ℃；風(fēng)速測量范圍是0～65 m/s，測量精度為 0.01 m/s；風(fēng)向測量范圍是 0°～359°，測量精度為0.1°；數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz。本研究數(shù)據(jù)測量時(shí)間范圍是8月7日00:00時(shí)至8月11日00:00時(shí)。

圖3 WindMaster Pro型超聲風(fēng)速儀探頭Fig.3 A WindMaster Pro ultrasonic anemometer

如圖1所示，在“莫拉克”中心經(jīng)過的路徑上，有三座安裝超聲風(fēng)速儀的測風(fēng)塔獲取了該臺(tái)風(fēng)的風(fēng)況數(shù)據(jù)。測風(fēng)塔編號(hào)依次為 T1（121.57°E，28.44°N）、T2（120.48°E，27.17°N）和 T3（120.35°E，26.96°N），其距離臺(tái)風(fēng)中心的最短距離分別為158 km、76 km和59 km。測風(fēng)塔T1位于浙江臺(tái)州東海塘（圖4（a）），風(fēng)塔周邊為村落、農(nóng)田、沙地等平坦地形，風(fēng)塔東面距離海岸線約11 km。塔高為120 m，塔基離海平面20 m，在塔的50 m、70 m、100 m和120 m四層高度分別安裝了超聲風(fēng)速儀。測風(fēng)塔T2和T3分別位于浙江溫州霞關(guān)和福建福鼎崳山島，塔高均為100 m，并均在70 m高度安裝了超聲風(fēng)速儀。其中，T2塔位于有樹木的平緩山坡上（圖4（b）），塔基離海平面53 m；塔的北面為山地地形，北向海拔較高且最高海拔約245 m；塔的西南和南面靠近海岸，最短距離約180 m；塔的東面距離海岸較遠(yuǎn)，約570 m。T3塔位于海島上一條西北-東南走向的山脊上（圖4（c）），塔基離海平面344 m；該處地勢陡峭且有樹木，東南向海拔較高，最高海拔約486 m；塔的北面距離海岸最近，最短距離約1.3 km。

圖4 測風(fēng)塔周邊地表特征Fig.4 Surroundings of the wind towers

2 觀測試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1 質(zhì)量控制及樣本選擇

為了避免臺(tái)風(fēng)登陸過程伴隨的強(qiáng)降水對超聲風(fēng)速儀觀測數(shù)據(jù)可能造成的影響，首先，根據(jù)超聲風(fēng)速儀的數(shù)據(jù)判別碼去除無效數(shù)據(jù)。其次，依據(jù)文獻(xiàn)[40-42]提供的方法，去除野點(diǎn)、隨機(jī)脈沖等異常點(diǎn)（由于環(huán)境因子干擾、電源不穩(wěn)定、湍流信號(hào)本身隨機(jī)性等原因引發(fā)的異常信號(hào)），缺失的數(shù)據(jù)采用線性插值方法進(jìn)行填補(bǔ)。臺(tái)風(fēng)登陸過程中風(fēng)速時(shí)程常伴隨非平穩(wěn)過程，進(jìn)行臺(tái)風(fēng)脈動(dòng)特性分析時(shí)，將時(shí)間序列去掉趨勢項(xiàng)[42-43]，并進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)[44]，使得每個(gè)樣本盡量滿足平穩(wěn)各態(tài)遍歷隨機(jī)過程的要求。最后，對“莫拉克”進(jìn)行多樣本分析，樣本的平均時(shí)距取為10 min，每個(gè)樣本包含600個(gè)數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)代表性判別

圖5給出了各個(gè)時(shí)刻三座測風(fēng)塔與臺(tái)風(fēng)中心的距離，以及“莫拉克”的最大風(fēng)速半徑。結(jié)合圖2的雷達(dá)圖像，可以判斷在2009年8月9日14:00時(shí)至10日02:00時(shí)之間（臺(tái)風(fēng)第二次登陸前后），測風(fēng)塔T2、T3位于“莫拉克”的眼墻區(qū)或者最大風(fēng)速位置，在其他時(shí)刻位于外圍雨帶區(qū)。測風(fēng)塔T1則一直位于“莫拉克”的外圍雨帶區(qū)。為了進(jìn)一步確定臺(tái)風(fēng)核心強(qiáng)風(fēng)區(qū)域是否經(jīng)過觀測點(diǎn)，依據(jù)以下兩點(diǎn)進(jìn)行判別[45-46]：一是測風(fēng)塔獲取的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)（17.2 m/s以上）風(fēng)向角應(yīng)出現(xiàn)大幅度的轉(zhuǎn)換；二是臺(tái)風(fēng)過程的風(fēng)速時(shí)程曲線呈“M”型變化，即強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)雙峰型分布，雙峰之間的底部（為臺(tái)風(fēng)眼區(qū)）出現(xiàn)小于11 m/s的風(fēng)速，即可判斷為臺(tái)風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過。從圖6“莫拉克”經(jīng)過測風(fēng)塔時(shí)10 min平均風(fēng)速、風(fēng)向的時(shí)程變化曲線可以看出，風(fēng)速時(shí)程曲線最大風(fēng)速低于17.2 m/s，且沒有明顯的“M”型變化，因此不滿足以上兩條判別條件，不屬于臺(tái)風(fēng)眼區(qū)。綜上所述，測風(fēng)塔T1的觀測數(shù)據(jù)代表臺(tái)風(fēng)外圍風(fēng)場特性，測風(fēng)塔T2和T3的數(shù)據(jù)代表臺(tái)風(fēng)外圍和眼墻邊緣風(fēng)場特性。

圖5 各時(shí)刻臺(tái)風(fēng)中心與測風(fēng)塔距離及“莫拉克”最大風(fēng)速半徑RMV（★對應(yīng)臺(tái)風(fēng)中心距離測風(fēng)塔最近的時(shí)刻，下同）Fig.5 Distances between the typhoon center and wind towers and the radius of maximum velocity (RMV) of typhoon Morakot(★ indicates the time instant when the typhoon center is closest to the wind tower)

圖6 “莫拉克”穿過測風(fēng)塔前后10 min平均風(fēng)速、風(fēng)向時(shí)程曲線Fig.6 Time histories of 10 min-averaged horizontal wind velocity and direction when Morakot passes wind towers

2.3 數(shù)據(jù)處理

超聲風(fēng)速儀x、y、z三個(gè)方向測得的三維風(fēng)速時(shí)間序列分別為ux(t)、uy(t)和uz(t)。以10 min為時(shí)距進(jìn)行分析，水平平均風(fēng)速U和水平平均風(fēng)向角 θ根據(jù)公式（1-2）進(jìn)行計(jì)算。

豎向風(fēng)速方向與風(fēng)速儀z坐標(biāo)軸相同，因此豎向平均風(fēng)速W為：

在平均時(shí)距內(nèi)，順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速u(t)、橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速v(t)和豎向脈動(dòng)風(fēng)速w(t)根據(jù)公式（4-6）計(jì)算。

湍流強(qiáng)度I定義為平均時(shí)距內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)速均方根與水平平均風(fēng)速的比值，其表征臺(tái)風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度，是確定結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載的關(guān)鍵參數(shù)之一。

式中：σi分別表示脈動(dòng)風(fēng)速u(t)、v(t)、w(t)的均方根，U為10 min時(shí)距內(nèi)水平平均風(fēng)速。

陣風(fēng)因子G也可表征臺(tái)風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度，定義為平均時(shí)距內(nèi)陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間為 τ的平均風(fēng)速最大值與平均時(shí)距內(nèi)的水平平均風(fēng)速之比，即公式（8-10），其中 τ取為3 s。

湍流積分尺度l用來描述風(fēng)場中湍流渦旋平均尺度，根據(jù)Taylor假設(shè)[47]用自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

式中：R(τ )為脈動(dòng)風(fēng)速的自相關(guān)函數(shù)。

脈動(dòng)風(fēng)速譜S(n)在頻域上表征了臺(tái)風(fēng)的脈動(dòng)特征，描述了湍動(dòng)能在不同尺度水平上的能量分布。其也是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重要參量之一。有研究表明[7,9,16]，von-Karman譜能夠較好地反映臺(tái)風(fēng)實(shí)測結(jié)果，其順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速譜函數(shù)表示為：

大氣穩(wěn)定度反應(yīng)了熱力因子（浮力對流）與動(dòng)力因子（雷諾應(yīng)力）對湍流作用的相對重要性。大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，湍流狀態(tài)的維持既有浮力也有雷諾應(yīng)力的作用。雷諾應(yīng)力做功表現(xiàn)為風(fēng)剪切導(dǎo)致湍流的機(jī)械產(chǎn)生，其值始終為正。浮力作用基于對流的產(chǎn)生與否可加強(qiáng)或抑制湍流，因此浮力做功可正可負(fù)。在中性層結(jié)條件下，浮力影響可以忽略不計(jì)，空氣流動(dòng)主要由大氣邊界層底層地形和粗糙度等導(dǎo)致的機(jī)械湍流控制，此時(shí)，對數(shù)律形式的風(fēng)速剖面規(guī)律仍可保持。在穩(wěn)定層結(jié)條件下，空氣反抗負(fù)浮力做功消耗湍流能量。相反地，在不穩(wěn)定層結(jié)下，浮力做正功，且浮力作用逐漸超過動(dòng)力影響占據(jù)控制優(yōu)勢，引起對流混合，增強(qiáng)湍流能量。因此，對于大氣穩(wěn)定度的判別，可根據(jù)浮力做功和雷諾應(yīng)力做功的相對大小來確定。目前常采用梯度理查森數(shù)Ri[25]和莫寧-奧布霍夫長度L[48]兩種參數(shù)作為穩(wěn)定度的判據(jù)。Ri可根據(jù)兩個(gè)高度之間的溫度和風(fēng)速梯度進(jìn)行計(jì)算，不需要湍流脈動(dòng)測量結(jié)果。L的計(jì)算涉及摩擦速度、豎向溫度通量等湍流數(shù)據(jù)，需要借助三維超聲風(fēng)速儀、渦動(dòng)系統(tǒng)等測量設(shè)備。本研究的觀測數(shù)據(jù)系由WindMaster Pro型超聲風(fēng)速儀獲得，由此選擇更為貼近的莫寧-奧布霍夫長度法對大氣層結(jié)狀況進(jìn)行判定，L的計(jì)算公式如下。

式中：u*為摩擦速度；κ為卡曼常數(shù)，取0.4；g為重力加速度，取 9.8m/s2；為10 min時(shí)距內(nèi)平均溫度；θ為溫度脈動(dòng)，表示10 min時(shí)距內(nèi)平均溫度豎向通量。由文獻(xiàn)[26]可知：當(dāng) |L|≥500 m時(shí)，大氣處于中性狀態(tài)；當(dāng)10 m＜L＜500 m時(shí)，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)–500 m＜L＜–50 m時(shí)，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)果分析

3.1 大氣穩(wěn)定度

大氣穩(wěn)定度的判別可根據(jù)莫寧-奧布霍夫長度L來確定，但當(dāng)大氣處于中性狀態(tài)時(shí)，L可能趨于無限長，考慮實(shí)用中的便利性，常用無因次量z/L來代替L作為穩(wěn)定度的度量。相應(yīng)的判別準(zhǔn)則變?yōu)椋寒?dāng)-0.002z≤z/L≤0.002z時(shí)，大氣處于中性狀態(tài)；當(dāng)z/L＞0.002z時(shí)，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)z/L＜-0.002z時(shí)，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，測風(fēng)塔50 m、70 m、100 m、120 m不同觀測高度對應(yīng)的判別大氣穩(wěn)定度的閾值分別為±0.1、±0.14、±0.2 和±0.24。例如在 50 m 高度時(shí)，當(dāng) - 0.1≤z/L≤0.1 時(shí)，大氣處于中性狀態(tài)；當(dāng)z/L＞0.1時(shí)，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)z/L＜-0.1 時(shí)，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7為“莫拉克”影響期間大氣穩(wěn)定度隨時(shí)間的變化歷程。表1統(tǒng)計(jì)了不同穩(wěn)定度出現(xiàn)的頻率。其中，測風(fēng)塔T2在臺(tái)風(fēng)第二次登陸前后、測風(fēng)塔T3在第一次登陸后，數(shù)據(jù)缺失相對較多，因此，以測風(fēng)塔T1為主進(jìn)行大氣穩(wěn)定度的相關(guān)分析。從圖7和表1可以看出，中性層結(jié)狀況出現(xiàn)頻率最高（52%～64%），主要集中在臺(tái)風(fēng)第一次登陸前；不穩(wěn)定層結(jié)主要出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)登陸前后及臺(tái)風(fēng)穿過測風(fēng)塔時(shí)；穩(wěn)定層結(jié)主要出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)第二次登陸前。不同高度上大氣穩(wěn)定度分布略有不同。在50 m高度時(shí)，不穩(wěn)定層結(jié)出現(xiàn)頻率高于穩(wěn)定層結(jié)；而隨著高度的升高，穩(wěn)定層結(jié)出現(xiàn)頻率逐漸增大，從18%增大到35%，不穩(wěn)定層結(jié)出現(xiàn)頻率逐漸減小，從30%減小到10%。說明低空大氣由于受地表熱量和摩擦影響趨于不穩(wěn)定，而高空大氣受影響較小趨于穩(wěn)定。

表1 臺(tái)風(fēng)“莫拉克”期間不同大氣穩(wěn)定度出現(xiàn)頻率Table 1 The occurrence frequencies of different atmospheric stability conditions during the passage of typhoon Morakot

圖7 大氣穩(wěn)定度隨時(shí)間變化歷程Fig.7 Time histories of the atmospheric stability

3.2 平均風(fēng)速、風(fēng)向

基于實(shí)測數(shù)據(jù)，以10 min為時(shí)距計(jì)算的平均風(fēng)速、風(fēng)向如圖8所示。測風(fēng)塔T1在50 m、70 m、100 m、120 m四層高度的平均風(fēng)速、風(fēng)向隨時(shí)間演變規(guī)律基本一致。“莫拉克”在第一次登陸前后，風(fēng)速在10～17 m/s（6～7級(jí)風(fēng)）之間變化，總體變化較為平緩，風(fēng)向東南和正南。此后，由于臺(tái)風(fēng)越來越靠近測風(fēng)塔，風(fēng)速開始緩慢增加，風(fēng)向基本保持南風(fēng)。在臺(tái)風(fēng)第二次登陸前，風(fēng)速有較大波動(dòng)，在登陸后，風(fēng)速明顯減小，直至距測風(fēng)塔T1最近時(shí)，風(fēng)速再次增強(qiáng)，風(fēng)向逐漸由南風(fēng)轉(zhuǎn)為西風(fēng)為主。測風(fēng)塔T2的平均風(fēng)向在第一次登陸前后以東南風(fēng)為主，在第二次登陸后，風(fēng)向轉(zhuǎn)為西風(fēng)和西北風(fēng)。測風(fēng)塔T2的平均風(fēng)速總體呈現(xiàn)比T1塔更為明顯的增強(qiáng)-減弱趨勢，在9日00:00時(shí)和7:00時(shí)附近風(fēng)速達(dá)到最大，超過25 m/s（10～11級(jí)風(fēng)），分析是由于臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶區(qū)的影響（圖2（a））以及眼墻區(qū)的逼近，使得風(fēng)速增強(qiáng)，并且T2塔距離臺(tái)風(fēng)眼墻更近，風(fēng)速增強(qiáng)更為明顯。但在第二次登陸后，風(fēng)向轉(zhuǎn)為西風(fēng)和西北風(fēng)，此時(shí)風(fēng)從陸地吹向海洋，雖然T2塔仍距離臺(tái)風(fēng)眼墻區(qū)較近，但由于海拔較高的山地地形和樹木等遮擋，其風(fēng)速逐漸減弱，甚至低于T1塔風(fēng)速。測風(fēng)塔T3由于儀器原因，只獲取了7日臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)。平均風(fēng)速最大值為31.2 m/s（10～11級(jí)），大于同時(shí)期T1和T2塔測得的風(fēng)速值，這是由于T3塔位于海拔較高的海島上，山地地形的加速效應(yīng)使得風(fēng)速迅速增強(qiáng)。三座測風(fēng)塔均位于臺(tái)風(fēng)中心行進(jìn)方向的右側(cè)，風(fēng)向均呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，與張容焱等[37]研究結(jié)果一致。

圖8 10 min平均風(fēng)速、風(fēng)向隨時(shí)間變化歷程Fig.8 Time histories of 10 min-averaged horizontal wind velocity and direction

將測風(fēng)塔T1不同穩(wěn)定度條件下平均風(fēng)速出現(xiàn)的頻數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖9所示。在所有高度上，中性層結(jié)條件下，平均風(fēng)速為12～14 m/s出現(xiàn)頻率最高。低空時(shí)，不穩(wěn)定層結(jié)下，10～12 m/s出現(xiàn)頻率最高；穩(wěn)定層結(jié)下14～16 m/s出現(xiàn)頻率最高。但高空時(shí)，不穩(wěn)定層結(jié)下出現(xiàn)頻率最高的平均風(fēng)速逐漸變?yōu)?4～16 m/s，穩(wěn)定層結(jié)下變?yōu)?2～14 m/s。風(fēng)速為18～20 m/s時(shí)，50 m高度中性層結(jié)下樣本數(shù)最多，70～120 m高度穩(wěn)定層結(jié)下樣本數(shù)最多，這一現(xiàn)象與王旭等[30]認(rèn)為當(dāng)平均風(fēng)速較大時(shí)大氣層結(jié)近似趨于中性有差異，可能原因是文獻(xiàn)[30]中觀測高度僅為40 m，結(jié)論或許有一定的局限性。將平均風(fēng)向在不同穩(wěn)定度條件下出現(xiàn)頻數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)中性層結(jié)下以東南風(fēng)和南風(fēng)為主，穩(wěn)定和不穩(wěn)定層結(jié)下以南風(fēng)為主。

圖9 不同穩(wěn)定度條件下平均風(fēng)速出現(xiàn)頻率（測風(fēng)塔T1）Fig.9 Occurrence frequencies of 10 min-averaged horizontal wind velocity under different atmospheric stability conditions at Tower T1

3.3 湍流強(qiáng)度

根據(jù)各測風(fēng)塔的平均風(fēng)速及風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差的臺(tái)風(fēng)樣本，統(tǒng)計(jì)分析了“莫拉克”影響期間湍流強(qiáng)度的分布規(guī)律（圖10）。測風(fēng)塔T1測得的湍流強(qiáng)度在四層高度上的變化趨勢基本一致，這里僅給出50 m高度結(jié)果?？傮w上，順風(fēng)向湍流強(qiáng)度高于橫風(fēng)向和豎向。臺(tái)風(fēng)第一次登陸時(shí)，由于臺(tái)風(fēng)中心距離測風(fēng)塔較遠(yuǎn)，湍流強(qiáng)度變化較為平緩；第二次登陸時(shí)，湍流強(qiáng)度變化劇烈，湍流強(qiáng)度最大值達(dá)到53%。測風(fēng)塔T2的湍流強(qiáng)度在7日白天較大，而后逐漸減小，在臺(tái)風(fēng)穿過測風(fēng)塔時(shí)，幅值再次增大。這種減小-增大的變化趨勢與T2塔的平均風(fēng)速增強(qiáng)-減弱的變化趨勢較為一致。這是因?yàn)橥牧鲝?qiáng)度計(jì)算時(shí)采用水平平均風(fēng)速進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，所以隨著風(fēng)速的增強(qiáng)，湍流強(qiáng)度反而減弱。在“莫拉克”眼墻區(qū)影響時(shí)段，湍流強(qiáng)度略微降低，與Schroeder等[13]結(jié)論一致。在10日12:00-24:00期間，T2塔的橫風(fēng)向湍流強(qiáng)度大于順風(fēng)向，說明有樹木和地形遮擋的離岸風(fēng)對湍流脈動(dòng)強(qiáng)度的分布有較大影響。測風(fēng)塔T3的湍流強(qiáng)度與T2塔變化規(guī)律一致，但幅值偏小，同樣是由于T3塔處的水平平均風(fēng)速比T2塔大導(dǎo)致。

圖10 湍流強(qiáng)度隨時(shí)間變化歷程Fig.10 Time histories of the turbulence intensity

測風(fēng)塔T1測得的湍流強(qiáng)度在不同穩(wěn)定度條件下出現(xiàn)的頻率在各高度上一致，圖11僅展示50 m高度結(jié)果。在中性層結(jié)條件下湍流強(qiáng)度主要分布在8%～16%之間，且出現(xiàn)頻率分布相對均勻，在非中性層結(jié)條件下8%～10%出現(xiàn)頻率最高。

圖11 不同穩(wěn)定度條件下湍流強(qiáng)度出現(xiàn)頻率（測風(fēng)塔T1）Fig.11 Histograms of the turbulence intensity under different atmospheric stability conditions at Tower T1

3.4 陣風(fēng)因子

“莫拉克”影響期間，陣風(fēng)因子隨時(shí)間的演變規(guī)律如圖12所示。測風(fēng)塔T1在四層高度上的變化趨勢基本一致，這里僅給出50 m高度上結(jié)果。順風(fēng)向陣風(fēng)因子在1.0～1.5之間變化，在臺(tái)風(fēng)第二次登陸時(shí)，波動(dòng)較大，最大值可達(dá)2.4。T2塔陣風(fēng)因子總體演變規(guī)律與湍流強(qiáng)度類似，先減小后增大；在眼墻區(qū)影響時(shí)段內(nèi)，陣風(fēng)因子相對較小。陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度在眼墻區(qū)影響時(shí)段內(nèi)均未出現(xiàn)類似T1塔的劇烈波動(dòng)，可能是由于數(shù)據(jù)缺失的原因，未能正確反應(yīng)真實(shí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場特性。T3塔陣風(fēng)因子趨勢與T2塔類似，但幅值偏小。不同穩(wěn)定度條件下陣風(fēng)因子出現(xiàn)頻率與湍流強(qiáng)度出現(xiàn)頻率趨勢一致。

圖12 陣風(fēng)因子隨時(shí)間變化歷程Fig.12 Time histories of the gust factor

3.5 湍流積分尺度

圖13給出了“莫拉克”的湍流積分尺度隨風(fēng)場發(fā)展的變化情況（測風(fēng)塔T1僅給出100 m高度上結(jié)果）。總體上，順風(fēng)向湍流積分尺度最大，豎向最小。就測風(fēng)塔T1和T2而言，在9日00:00時(shí)至臺(tái)風(fēng)第二次登陸前后，湍流積分尺度變化劇烈，且橫風(fēng)向與順風(fēng)向幅值相當(dāng)，分析是由“莫拉克”逐漸靠近觀測點(diǎn)以及臺(tái)風(fēng)登陸等導(dǎo)致，順風(fēng)向和橫風(fēng)向湍流渦旋尺度相當(dāng)。從T3塔的積分尺度分布來看，其值在0～1 000 m之間變化，分布比較離散，說明下墊面為陡峭山地地形時(shí)，臺(tái)風(fēng)非平穩(wěn)性較強(qiáng)，湍流積分尺度較大。在不同穩(wěn)定度條件下，湍流積分尺度的頻率分布趨勢基本一致，且100 m積分尺度均出現(xiàn)頻率最高（圖14），說明大氣層結(jié)狀況對湍流積分尺度頻率分布影響不顯著。這可能是因?yàn)橛?jì)算積分尺度所用的自相關(guān)函數(shù)法基于“Taylor假設(shè)”，適用于均勻平穩(wěn)的純機(jī)械湍流（中性層結(jié)條件）[45]，所以未能充分反映不同層結(jié)狀況的影響。

圖13 湍流積分尺度隨時(shí)間變化歷程Fig.13 Time histories of the integral length

圖14 不同穩(wěn)定度下湍流積分尺度出現(xiàn)頻率（測風(fēng)塔T1）Fig.14 Histograms of the integral length under different atmospheric stability conditions at Tower T1

3.6 脈動(dòng)風(fēng)速譜

圖15為不同穩(wěn)定度條件下脈動(dòng)風(fēng)速譜及與von-Karman經(jīng)驗(yàn)譜的對比。由于工程結(jié)構(gòu)通常關(guān)心臺(tái)風(fēng)登陸后對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)荷載效應(yīng)，所以此處針對測風(fēng)塔T1和T2，選取臺(tái)風(fēng)登陸后的10 min時(shí)距脈動(dòng)風(fēng)速譜，其中T2塔的樣本還位于臺(tái)風(fēng)眼墻區(qū)影響時(shí)段內(nèi)。從圖15可以看出，在中性層結(jié)條件下，脈動(dòng)風(fēng)速譜與經(jīng)驗(yàn)譜吻合較好，在1～5 Hz頻率范圍內(nèi)基本符合Kolmogorov的局地均勻各向同性湍流理論[22]，即在慣性子區(qū)內(nèi)風(fēng)速譜基本滿足-2/3次方律，湍流脈動(dòng)具有統(tǒng)計(jì)相似性。在非中性層結(jié)條件下，脈動(dòng)風(fēng)速譜與von-Karman譜存在一定偏差。對于測風(fēng)塔T1，在穩(wěn)定層結(jié)條件下，小于0.2 Hz頻段von-Karman譜略高估了風(fēng)速譜的能量，而大于1.5 Hz頻段則低估了譜能量；在不穩(wěn)定層結(jié)下，小于 0.3 Hz頻段譜能量被高估，而大于0.8 Hz頻段被低估。對于測風(fēng)塔T2，在穩(wěn)定層結(jié)下，小于0.2 Hz頻段von-Karman譜高估了風(fēng)速譜能量，大于1 Hz頻段則低估了譜能量；在不穩(wěn)定層結(jié)下，小于0.1 Hz頻段譜能量被略微高估，而大于1 Hz頻段則被低估。位于眼墻區(qū)的風(fēng)速譜（T2塔）與外圍區(qū)的風(fēng)速譜（T1塔）相比，高頻區(qū)風(fēng)速譜能量在中性層結(jié)下偏低，在穩(wěn)定層結(jié)下偏高，在不穩(wěn)定層結(jié)下相近。從工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)所關(guān)注的高頻段（＞0.2 Hz）來看，經(jīng)驗(yàn)譜基本可以描述中性條件下臺(tái)風(fēng)實(shí)測譜，而在非中性條件下存在低估譜能量的情況。此外，臺(tái)風(fēng)不同位置的風(fēng)速譜在高頻區(qū)的能量分布也存在差異。

圖15 實(shí)測縱向脈動(dòng)風(fēng)速譜與經(jīng)驗(yàn)譜的比較（虛線代表von-Karman經(jīng)驗(yàn)譜）Fig.15 Comparisons between the empirical and measured power spectra of the fluctuating longitudinal wind speed.Dashed lines represent von-Karman spectra

4 結(jié) 論

以往關(guān)于臺(tái)風(fēng)影響期間大氣穩(wěn)定度對風(fēng)場特性的影響研究多集中在風(fēng)速剖面模型的刻畫上，而對臺(tái)風(fēng)風(fēng)場湍流特征和脈動(dòng)風(fēng)速譜的研究較少。然而，湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、風(fēng)速譜等參數(shù)與結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載、結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析密切相關(guān)，對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)起著重要的作用。基于此，本文依據(jù)2009年臺(tái)風(fēng)“莫拉克”風(fēng)場的實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了臺(tái)風(fēng)影響期間大氣層結(jié)狀況及不同大氣穩(wěn)定度下近地面風(fēng)場特性，以探究大氣穩(wěn)定度對臺(tái)風(fēng)風(fēng)場特性的影響。得到的結(jié)論如下：

1）在臺(tái)風(fēng)外圍雨帶區(qū)，非中性層結(jié)出現(xiàn)頻率約44%，主要出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)登陸前后及臺(tái)風(fēng)外圍穿過測風(fēng)塔時(shí)。當(dāng)平均風(fēng)速較大（18～20 m/s）時(shí)，隨著高度的增加，大氣層結(jié)由中性漸趨于穩(wěn)定。這與先前研究認(rèn)為平均風(fēng)速較大時(shí)大氣層結(jié)近似趨于中性有差異。進(jìn)行高層建筑、輸電塔等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需注意沿高度方向上大氣穩(wěn)定度的分層特性。

2）不同穩(wěn)定度條件下平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子的分布規(guī)律有顯著差異，但平均風(fēng)向和湍流積分尺度差異較小。由于風(fēng)速與湍流強(qiáng)度等與結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的確定直接相關(guān)，且已有設(shè)計(jì)理論多基于中性層結(jié)假定，因此需注意非中性層結(jié)下這些參數(shù)的差異性及對風(fēng)荷載計(jì)算的影響。

3）在中性層結(jié)條件下，脈動(dòng)風(fēng)速實(shí)測譜與經(jīng)驗(yàn)譜（von-Karman譜）吻合較好。而在非中性層結(jié)下，實(shí)測譜比經(jīng)驗(yàn)譜在低頻段湍動(dòng)能偏低，在高頻段偏高。在工程結(jié)構(gòu)所感興趣的高頻區(qū)（＞0.2 Hz），經(jīng)驗(yàn)譜存在低估譜能量的情況，因此，在非中性層結(jié)條件下，有必要對經(jīng)驗(yàn)譜依據(jù)大氣穩(wěn)定度進(jìn)行修正后應(yīng)用，以防工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)存在安全隱患。

本研究以“莫拉克”臺(tái)風(fēng)為背景，分析了臺(tái)風(fēng)影響期間不同大氣穩(wěn)定度下近地面風(fēng)場特性，但僅涉及一個(gè)臺(tái)風(fēng)實(shí)例，且觀測位置距離臺(tái)風(fēng)中心較遠(yuǎn)，以上結(jié)論為初步分析事實(shí)，仍需要更多的臺(tái)風(fēng)實(shí)測數(shù)據(jù)來進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，下一步計(jì)劃進(jìn)一步探究不同大氣穩(wěn)定度下近地面風(fēng)場特性產(chǎn)生差異的原因，以及考慮不同穩(wěn)定度條件的平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、脈動(dòng)風(fēng)速譜的數(shù)學(xué)表達(dá)，為工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)。