臺風(fēng)和臺風(fēng)模型研究綜述

陳俊鵬 周自成 劉飛虹 王 印 周 月

明陽智慧能源集團(tuán)股份公司

0 概述

熱帶氣旋作為一種破壞力極強(qiáng)的災(zāi)害性天氣系統(tǒng)，多發(fā)生于熱帶或副熱帶洋面。根據(jù)熱帶氣旋中心最大風(fēng)力的強(qiáng)弱，其分為六個(gè)等級，分別是熱帶氣壓、熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)、強(qiáng)臺風(fēng)與超強(qiáng)臺風(fēng)[1］?？紤]到國內(nèi)對熱帶氣旋命名的傳統(tǒng)習(xí)慣，下文將熱帶氣旋統(tǒng)稱為臺風(fēng)。

西北太平洋地區(qū)為全球熱帶氣旋發(fā)生頻次及強(qiáng)度最高的海域，其中臺風(fēng)年發(fā)生率約為28 個(gè)[2］。西北太平洋臺風(fēng)在環(huán)境流場的影響下，表現(xiàn)出向西北方向移動的趨勢，給我國帶來嚴(yán)重影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年平均有7 個(gè)熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)登陸我國，約占西北太平洋熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)總數(shù)的1/4[3］。因此，我國是世界上受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一，2022年臺風(fēng)災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)54.2億元[4］。

我國東南沿海及近海區(qū)域風(fēng)能資源豐富，并且靠近電力負(fù)荷中心。我國海上風(fēng)電裝機(jī)容量伴隨著海上風(fēng)電資源的開發(fā)顯著增加，然而我國東南沿海也是嚴(yán)重受到臺風(fēng)影響的區(qū)域之一[5］。臺風(fēng)期間，海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)、塔筒、葉片以及升壓站的風(fēng)荷載增大數(shù)倍，安全事故和故障風(fēng)險(xiǎn)大幅度增加[6］。張禮達(dá)等[7］總結(jié)臺風(fēng)對風(fēng)電的主要破壞有葉片出現(xiàn)裂紋或被撕裂，偏航系統(tǒng)受損，風(fēng)向儀、尾翼等設(shè)備被吹毀。Kumar等[8］研究表明，臺風(fēng)影響范圍內(nèi)波高與極端風(fēng)速之間有良好的相關(guān)性，臺風(fēng)帶來的狂風(fēng)、巨浪對風(fēng)電機(jī)組上部結(jié)構(gòu)和地基造成巨大破壞。

為了提高海上風(fēng)電機(jī)組施工、運(yùn)行的安全性，需要準(zhǔn)確地評估臺風(fēng)高發(fā)工程海域的極值風(fēng)速情況。由于缺少充足的臺風(fēng)相關(guān)觀測資料，常規(guī)的計(jì)算方法在極值風(fēng)速的預(yù)測上存在著較大的不確定性[9］。為了克服這個(gè)問題，Monte-Carlo方法應(yīng)運(yùn)而生，該方法利用參數(shù)化臺風(fēng)風(fēng)場模型以及臺風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)概率模型，采用數(shù)值模擬的方法對臺風(fēng)影響區(qū)極值風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測，又稱為臺風(fēng)危險(xiǎn)性分析方法[10］。1969 年Russell[11］首次采用經(jīng)驗(yàn)臺風(fēng)模型模擬計(jì)算臺風(fēng)極值風(fēng)速，此后Batts 等[12］、Shapiro[13］、Georgiou[14］、Vickery等[15］、YanMeng等[16］學(xué)者根據(jù)不斷更新的臺風(fēng)實(shí)測數(shù)據(jù)，對該模擬方法進(jìn)行了擴(kuò)展和改進(jìn)。在國內(nèi)，該方法主要被應(yīng)用于臺風(fēng)高發(fā)海域和沿海城市的極值風(fēng)速預(yù)測。

本文首先介紹了臺風(fēng)的成因、結(jié)構(gòu)特征，然后回顧臺風(fēng)風(fēng)場模型的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，并對參數(shù)臺風(fēng)風(fēng)場模型的各子部分以及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，最后介紹了臺風(fēng)風(fēng)場模型的實(shí)際應(yīng)用，給出了關(guān)于臺風(fēng)和臺風(fēng)模型研究中仍存在的問題及未來發(fā)展方向，期望能為海上風(fēng)電場臺風(fēng)危險(xiǎn)性分析評估方法提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 臺風(fēng)的成因與結(jié)構(gòu)

大量的科學(xué)研究加深了人們對于臺風(fēng)形成機(jī)理和結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識，臺風(fēng)結(jié)構(gòu)是臺風(fēng)領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵研究內(nèi)容，同時(shí)也是臺風(fēng)風(fēng)場模型構(gòu)建的基礎(chǔ)[17］。本節(jié)分別對臺風(fēng)的成因以及臺風(fēng)結(jié)構(gòu)展開綜述。

1.1 形成原因及必要條件

臺風(fēng)成因示意圖如圖1所示，在熱帶洋面上，受到太陽強(qiáng)烈照射，海水表層溫度較高，熱帶洋面空氣蒸發(fā)抬升，導(dǎo)致地面空氣減少，形成氣壓較低的區(qū)域。受氣壓梯度力影響，風(fēng)從周圍的高氣壓區(qū)流入低氣壓區(qū)，流入低壓區(qū)的空氣持續(xù)抬升，使得低壓區(qū)氣壓持續(xù)降低，風(fēng)力持續(xù)增強(qiáng)。抬升的濕熱空氣在高層溫度較低的區(qū)域液化或凝華，形成云并釋放出潛熱。由于放熱后空氣變冷，不再上升，就在高空堆積，形成了一個(gè)高壓區(qū)。隨后高壓區(qū)空氣向外流出，拉動低層空氣抬升，形成臺風(fēng)。

圖1 臺風(fēng)成因

濕熱空氣抬升并凝結(jié)成云釋放潛熱，使得臺風(fēng)高層中心附近強(qiáng)烈增溫，形成臺風(fēng)暖核結(jié)構(gòu)。發(fā)展成熟的臺風(fēng)在臺風(fēng)眼區(qū)的對流層中上層具有明顯的暖核，高空暖核結(jié)構(gòu)的形成是臺風(fēng)生成的主要特征之一[2］。暖核結(jié)構(gòu)形成于臺風(fēng)發(fā)展階段，隨臺風(fēng)進(jìn)入成熟階段逐漸加強(qiáng)，暖核結(jié)構(gòu)一旦減弱，臺風(fēng)也將隨之削弱，甚至消散[18］。費(fèi)建芳[19］研究表明暖核結(jié)構(gòu)的存在有助于臺風(fēng)的發(fā)展，而暖核結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱則決定了臺風(fēng)內(nèi)部擾動的進(jìn)一步發(fā)展。陳聯(lián)壽和丁一匯[2］的研究表明，當(dāng)冷空氣與熱帶氣旋在低緯度地區(qū)相遇時(shí)，熱帶氣旋的暖心結(jié)構(gòu)將會被破壞，眼壁附近的最大風(fēng)速環(huán)流也會隨之突然消失。

空氣在運(yùn)動的過程中會受到地轉(zhuǎn)偏向力的影響，導(dǎo)致空氣的運(yùn)動軌跡向右偏離。因此在北半球，臺風(fēng)低層空氣逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流入，在高層順時(shí)針輻散[17］，如圖2 所示。臺風(fēng)的能量來源是水汽抬升釋放的潛熱。因此，溫暖的洋面、垂直切變小、低層輻合高層輻散和有一定的地轉(zhuǎn)偏向力是臺風(fēng)生成的四個(gè)必要條件[2］。海洋表面溫度是影響臺風(fēng)強(qiáng)度的重要因素之一，如海水表面溫度的降低，將會使臺風(fēng)強(qiáng)度減弱，風(fēng)速降低[20］。此外，大氣穩(wěn)定度也是影響臺風(fēng)形成、發(fā)展、強(qiáng)度和路徑的重要因素[21］。

圖2 臺風(fēng)低層逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)

已有研究表明臺風(fēng)的活動與外部強(qiáng)迫場（如大尺度大氣環(huán)流等）和氣候變率模態(tài)間存在顯著關(guān)系[22］，國內(nèi)外學(xué)者基于上述關(guān)系建立了相關(guān)模型進(jìn)行臺風(fēng)預(yù)報(bào)，即統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)即基于臺風(fēng)歷史數(shù)據(jù)，采用概率統(tǒng)計(jì)方法，將臺風(fēng)極值風(fēng)速與相關(guān)參數(shù)（如中心氣壓、移速等）建立聯(lián)系，進(jìn)而得到較為合理的統(tǒng)計(jì)模型。但由于樣本數(shù)據(jù)有限，統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法具有較大局限性，并且缺乏理論支撐[23］（見圖3）。

圖3 臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)平臺[23]

隨著計(jì)算機(jī)性能不斷提高，基于大氣運(yùn)動方程的數(shù)值模式臺風(fēng)預(yù)報(bào)逐漸發(fā)展，可精細(xì)化地預(yù)報(bào)大風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間、影響范圍和強(qiáng)度，展現(xiàn)出很好的應(yīng)用價(jià)值[22］。數(shù)值預(yù)報(bào)模式目前以單一大氣模式為主，但臺風(fēng)是一個(gè)海氣浪相互作用的過程，為了提升我國東南沿海臺風(fēng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，有必要采用海氣浪耦合模式對西北太平洋海域的臺風(fēng)活動開展數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)研究。

1.2 臺風(fēng)結(jié)構(gòu)

發(fā)展成熟的臺風(fēng)通常呈扁平圓形旋渦狀，圖4為成熟臺風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖。發(fā)展成熟的臺風(fēng)在水平方向上主要分為三個(gè)部分：臺風(fēng)眼，臺風(fēng)發(fā)展成熟的重要標(biāo)志，在臺風(fēng)眼內(nèi)既無狂風(fēng)也無暴雨，天上僅有薄云；風(fēng)眼壁，風(fēng)力最強(qiáng)、降雨最劇烈的區(qū)域；螺旋雨帶，緊接在臺風(fēng)眼壁之外，該區(qū)域有著較為猛烈的降雨和吹向中心的大風(fēng)[24］。臺風(fēng)在垂直方向上可被分為流入層、中間層、流出層。氣流在流入層中有顯著的向中心輻合的徑向分量，從低層輻合流入的大量暖濕空氣通過中間層向高層輸送，氣流在流出層向外擴(kuò)散并與周圍空氣混合，隨后逐漸下降至低層，形成了臺風(fēng)的垂向環(huán)流圈。

圖4 臺風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖[25]

臺風(fēng)是一個(gè)強(qiáng)大的暖性低壓，強(qiáng)的臺風(fēng)中心氣壓常常在950 hPa 以下。如圖5 所示，自臺風(fēng)邊緣向中心氣壓不斷下降，至臺風(fēng)眼墻區(qū)氣壓猛然下降，在臺風(fēng)中心處氣壓達(dá)到最低。而水平風(fēng)速自臺風(fēng)邊緣向中心不斷增大，隨著距臺風(fēng)距離的減小，風(fēng)速的增幅不斷增大，至臺風(fēng)眼墻區(qū)風(fēng)速達(dá)到最大，隨后驟然下降，在臺風(fēng)中心處風(fēng)速達(dá)到最小。

圖5 臺風(fēng)剖面風(fēng)速、氣壓分布[26]

臺風(fēng)中存在著如螺旋雨帶、云墻、渦旋等中小尺度系統(tǒng)，它們決定了風(fēng)速的強(qiáng)弱、降雨的強(qiáng)度和分布[27］。臺風(fēng)中小尺度系統(tǒng)受到環(huán)境場、地表粗糙度及渦旋結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研究所面臨的挑戰(zhàn)如下：

1）目前對于其結(jié)構(gòu)的特征和演變規(guī)律的認(rèn)識存在較多盲區(qū)。例如，臺風(fēng)雙眼壁結(jié)構(gòu)如何形成，并有何特征。

2）對于影響中小尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化機(jī)理尚不清楚。臺風(fēng)內(nèi)部力學(xué)作用和環(huán)境因素之間的相互作用，會導(dǎo)致中小尺度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

3）中小尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化如何單獨(dú)或耦合影響臺風(fēng)風(fēng)雨強(qiáng)度和分布變化的演變機(jī)理尚不清楚，這是導(dǎo)致當(dāng)前大風(fēng)、暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性不高的重要原因。

2 參數(shù)風(fēng)場模型

參數(shù)風(fēng)場模型是以臺風(fēng)結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)而建立的，目的是準(zhǔn)確描述臺風(fēng)風(fēng)場的主要特征，是臺風(fēng)危險(xiǎn)性分析方法的重要組成部分。參數(shù)化風(fēng)場模型包括梯度風(fēng)場模型和邊界層模型，首先基于特定的風(fēng)廓線函數(shù)，輸入中心氣壓、最大風(fēng)速半徑、形狀參數(shù)等臺風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)，計(jì)算得出梯度風(fēng)場模型。隨后通過邊界層模型計(jì)算得出梯度風(fēng)速至近地面處的風(fēng)速折減系數(shù)，從而獲取近地面風(fēng)場[28］。本節(jié)將分別對臺風(fēng)風(fēng)場關(guān)鍵參數(shù)、梯度風(fēng)場模型和邊界層模型展開綜述。

2.1 模型關(guān)鍵參數(shù)

2.1.1 風(fēng)速氣壓

通過統(tǒng)計(jì)分析臺風(fēng)中心氣壓與最大風(fēng)速的關(guān)系，可為最大風(fēng)速與中心氣壓之間的換算提供參考?；谔荻绕胶夥匠?，風(fēng)速與氣壓的關(guān)系：

式中：Vmax為最大風(fēng)速，單位m/s；Pn為外圍氣壓，單位hPa，西北太平洋海域通常取1 010 hPa；Cp為中心氣壓。利用歷史臺風(fēng)記錄數(shù)據(jù)對公式（1）進(jìn)行擬合，可獲取擬合參數(shù)a和b的最優(yōu)值。眾多學(xué)者采用該方法對西北太平洋海域的風(fēng)壓關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果見表1。

表1 西北太平洋風(fēng)壓關(guān)系擬合參數(shù)表[28-29]

國內(nèi)外已有研究表明，參數(shù)a和b作為擬合數(shù)值不僅受到樣本數(shù)據(jù)量的影響，還會受到臺風(fēng)強(qiáng)度、位置緯度的影響[30］。目前，研究主要分強(qiáng)度、緯度對傳統(tǒng)的風(fēng)速—?dú)鈮宏P(guān)系進(jìn)行修正，較新的研究中進(jìn)一步考慮了臺風(fēng)尺度、移動速度等因素對風(fēng)速—?dú)鈮宏P(guān)系的影響[31］。

2.1.2 最大風(fēng)速半徑

最大風(fēng)速半徑Rmax為臺風(fēng)最大風(fēng)速與臺風(fēng)中心的距離，對臺風(fēng)的風(fēng)速、氣壓模擬以及影響范圍具有重要意義。目前關(guān)于Rmax的觀測數(shù)據(jù)較少，因此，國內(nèi)外學(xué)者主要采用統(tǒng)計(jì)或物理模型，并借助其它臺風(fēng)參數(shù)計(jì)算Rmax。Rmax的計(jì)算方法主要有4種：

1）基于歷史臺風(fēng)實(shí)測數(shù)據(jù)對Rmax與中心氣壓、最大風(fēng)速、緯度等參數(shù)擬合出Rmax。目前的研究普遍認(rèn)為Rmax與緯度具有正相關(guān)關(guān)系，而與中心氣壓具有負(fù)相關(guān)關(guān)系[32］，Rmax服從對數(shù)正態(tài)分布，其中位數(shù)為中心氣壓差以及緯度的函數(shù)[33］。

2）基于經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場模型，建立各級風(fēng)圈半徑與Rmax的轉(zhuǎn)換關(guān)系。例如，雷小途和陳聯(lián)壽基于Bogus臺風(fēng)切向風(fēng)模型，明確了Rmax與8級風(fēng)圈半徑之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[34］。

3）基于臺風(fēng)地面實(shí)測數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過誤差分析法確定Rmax。Fujii[35］于1998年首次采用該方法計(jì)算Rmax，隨后被多次應(yīng)用于登陸日本的臺風(fēng)危險(xiǎn)性分析[36］。

4）基于空氣動力學(xué)方程推算Rmax。胡邦輝等[37］基于藤田氣壓場模型，推導(dǎo)出呈穩(wěn)定狀態(tài)的海面移動非對稱臺風(fēng)Rmax的計(jì)算方法。

上述4種方法中，第一種方法最為簡單，但理論依據(jù)匱乏；第二種方法具有一定理論依據(jù)，且計(jì)算較為簡單，計(jì)算結(jié)果取決于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確度；第三種方法誤差較小，但計(jì)算量較大；第四種方法對于臺風(fēng)危險(xiǎn)性分析評估而言計(jì)算量較大?；诖罅繉?shí)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，不同區(qū)域獲得的風(fēng)場參數(shù)計(jì)算方法差異較大，有必要針對不同區(qū)域風(fēng)場參數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行對比分析研究。

2.1.3 形狀參數(shù)B

為了增強(qiáng)氣壓模型的適用范圍，Holland[38］在1980 年提出了引入形狀參數(shù)B的氣壓剖面模型，該模型根據(jù)臺風(fēng)實(shí)際風(fēng)場選擇對應(yīng)的形狀參數(shù)B，從而獲取更真實(shí)的臺風(fēng)氣壓剖面。形狀參數(shù)B對最大風(fēng)速模擬以及風(fēng)速徑向分布特征有顯著影響，其取值與臺風(fēng)中心所在區(qū)域密切相關(guān)。

國外得益于長期臺風(fēng)觀測數(shù)據(jù)的積累，開展形狀參數(shù)B的區(qū)域特征研究基礎(chǔ)較好。國外學(xué)者對不同海域形狀參數(shù)B與其它臺風(fēng)參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行研究，如中心氣壓、緯度、移動速度等，并建立起函數(shù)關(guān)系[39］。

國內(nèi)對于形狀參數(shù)B系數(shù)的研究主要集中于對國外模型在中國海域的區(qū)域性應(yīng)用規(guī)律。段忠東結(jié)合CE 風(fēng)場，分析形狀參數(shù)B對風(fēng)場結(jié)構(gòu)的影響，并采用Jakobsen 方法對2 場臺風(fēng)的形狀參數(shù)B進(jìn)行標(biāo)定[40］。肖玉鳳[41］比較了多種形狀參數(shù)B計(jì)算方法對CE 風(fēng)場模擬精度的影響，結(jié)果表明國外模型在中國海域的應(yīng)用存在較多不確定性因素。

對于登陸我國頻率最高的西太平洋臺風(fēng)，目前缺乏該海域臺風(fēng)上層徑向風(fēng)廓線數(shù)據(jù)。因此針對西太平洋海域形狀參數(shù)B的研究較少。形狀參數(shù)B的取值變化較大，有必要根據(jù)我國沿海實(shí)測臺風(fēng)風(fēng)速記錄，并針對特定區(qū)域，界定出形狀參數(shù)B的取值范圍，對于開展臺風(fēng)危險(xiǎn)性評估具有重要意義。

2.2 梯度風(fēng)場模型

梯度風(fēng)場模型用于模擬臺風(fēng)高空處的風(fēng)速分布特征，梯度風(fēng)場模型主要分為2種：

1）基于氣壓分布模型，求解梯度平衡方程從而計(jì)算風(fēng)速。該方法按氣壓剖面函數(shù)形式可分為2類：

（1）氣壓分布由固定的函數(shù)決定，具有代表性的模型有Bjerknes（1921）、Takahashi（1939）、Fujita（1952）等模型[42］.

（2）可通過系數(shù)調(diào)整氣壓剖面函數(shù)，Georgious（1883）、Thompson（1996）等以Holland 氣壓場模型為基礎(chǔ)發(fā)展了新的臺風(fēng)模型。

2）基于風(fēng)廓線經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，從最大風(fēng)速推算整個(gè)風(fēng)場。 常見的有Rankine 模型、Jelesnianski（1965）模型、Miller（1967）模型等，但上述模型無法反映各地區(qū)真實(shí)風(fēng)場，因此國內(nèi)許多研究針對此進(jìn)行了改進(jìn)。例如，陳孔沫[43］提出了一種新的臺風(fēng)風(fēng)場計(jì)算方法，改進(jìn)了Rankine 風(fēng)場模型以及Jelesnianski風(fēng)場模型。

臺風(fēng)中心附近和外圍梯度風(fēng)速的不均勻，選用不同的梯度風(fēng)場模型對結(jié)果影響很大。方偉華和林偉基[28］于同一套臺風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)對比了8個(gè)梯度風(fēng)場模型風(fēng)廓線。結(jié)果如圖6 所示，不同梯度風(fēng)場模型推算出的最大風(fēng)速、徑向風(fēng)廓線與風(fēng)速變化速率存在較大差異。其中，Georgious 和Holland 模型由于可通過調(diào)整形狀參數(shù)B，對不同臺風(fēng)的適用性更強(qiáng)。

圖6 不同梯度風(fēng)場模型廓線對比圖[28]

2.3 邊界層模型

通過梯度風(fēng)場模型得到梯度風(fēng)速后，需要利用邊界層模型將其轉(zhuǎn)化為近地表風(fēng)速。Meng 等[44］于1997 年提出了一個(gè)半理論模型用于模擬不同高度的風(fēng)速折減因子，可直接求解出特定點(diǎn)的風(fēng)速，計(jì)算速度快。模型中的風(fēng)速折減因子是隨模擬高度與邊界層高度比值變化的指數(shù)函數(shù)，指數(shù)的大小取決于地表粗糙度，相較于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透哂形锢硪饬x。憑借上述優(yōu)勢該模型被廣泛應(yīng)用于臺風(fēng)風(fēng)場模擬，例如Matsui等[45］在隨后的研究中均采用了該模型。

Vickery 等[46］根據(jù)臺風(fēng)的風(fēng)速和尺度，首先對探空儀數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，再基于Kepert[47］提出的線性化臺風(fēng)模型，對探空儀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明邊界層高度隨慣性穩(wěn)定度的增加而減小，邊界層垂直風(fēng)速剖面圖在低層200 m 以下滿足對數(shù)率。隨后Vickery 等[48］提出一個(gè)用于模擬邊界層內(nèi)臺風(fēng)平均風(fēng)速隨邊界層高度變化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型不僅考慮了地表粗糙度，還考慮了邊界層高度的變化情況。

在邊界層模型中，Meng 模型基于空氣微團(tuán)平衡方程，能較好反映邊界層風(fēng)速的分布規(guī)律，但計(jì)算較為復(fù)雜。Vickery模型基于實(shí)際觀測數(shù)據(jù)，考慮了臺風(fēng)登陸前后邊界層高度的變化情況，對臺風(fēng)期間風(fēng)速垂直分布規(guī)律的擬合效果較好。目前，常用的幾種邊界層模型均假定臺風(fēng)剖面為指數(shù)率或?qū)?shù)率形式，但有關(guān)臺風(fēng)剖面的形式仍存在爭議，基于漂浮式激光雷達(dá)的臺風(fēng)剖面研究也是近年來臺風(fēng)模型研究的熱點(diǎn)問題。

2.4 臺風(fēng)風(fēng)場模型應(yīng)用

臺風(fēng)風(fēng)場模型主要應(yīng)用于臺風(fēng)危險(xiǎn)性評估以及臺風(fēng)次生災(zāi)害模擬研究，在多個(gè)臺風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)模型軟件中集成應(yīng)用。

臺風(fēng)危險(xiǎn)性評估是指通過對臺風(fēng)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以評估特定區(qū)域內(nèi)臺風(fēng)期間極值風(fēng)速，為工程設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評估提供合理依據(jù)。例如，海上風(fēng)電機(jī)組的安全性直接受到臺風(fēng)極值風(fēng)速和持續(xù)時(shí)間的影響，當(dāng)風(fēng)速超過風(fēng)電機(jī)組的極限設(shè)計(jì)載荷，可能導(dǎo)致機(jī)組部件損壞或倒塌。對于東南沿海城市超高層建筑物以及大跨度橋梁而言，風(fēng)荷載是其結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)最重要的參數(shù)，極端風(fēng)速評估的準(zhǔn)確性直接影響項(xiàng)目的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

臺風(fēng)能量巨大，會引起風(fēng)暴潮、山體滑坡等次生災(zāi)害。強(qiáng)大的風(fēng)暴潮會對沿海地區(qū)的建筑物以及基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞，引發(fā)海水倒灌，嚴(yán)重影響交通運(yùn)輸和社會生產(chǎn)。分析風(fēng)暴潮的危險(xiǎn)性有助于降低其沿海地區(qū)的影響，臺風(fēng)風(fēng)場作為風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)的主要驅(qū)動場，其模擬的準(zhǔn)確性將直接影響風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)結(jié)果。臺風(fēng)模型也應(yīng)用于臺風(fēng)次生滑坡災(zāi)害模擬，分析臺風(fēng)降雨過程中邊坡滲流場的變化，是臺風(fēng)次生滑坡模擬的主要手段。

3 結(jié)論

本文從熱力學(xué)和動力學(xué)角度詳細(xì)介紹了臺風(fēng)的成因及其結(jié)構(gòu)特征，明確臺風(fēng)生成的必要條件。總結(jié)了參數(shù)風(fēng)場模型中風(fēng)速氣壓關(guān)系、最大風(fēng)速半徑、形狀參數(shù)B等臺風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)的確定方法。分析了國內(nèi)外梯度風(fēng)場模擬、邊界層風(fēng)速模擬的研究進(jìn)展。最后，對臺風(fēng)風(fēng)場模型在臺風(fēng)危險(xiǎn)性評估和臺風(fēng)次生災(zāi)害模擬的應(yīng)用進(jìn)行了評述。

臺風(fēng)風(fēng)場模型是臺風(fēng)危險(xiǎn)性分析的重要基礎(chǔ)，針對現(xiàn)有臺風(fēng)風(fēng)場模擬研究，發(fā)展和改進(jìn)的空間包括：

1）加強(qiáng)跨學(xué)科綜合集成研究。國內(nèi)大氣、海洋等領(lǐng)域的學(xué)者對于大洋面臺風(fēng)風(fēng)場的機(jī)制理論研究較為成熟，但主要集中于大、中尺度臺風(fēng)模擬，后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)工程尺度的應(yīng)用聯(lián)合研究。

2）深化臺風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法及區(qū)域適用性的研究。未來研究應(yīng)能有效反映多臺風(fēng)參數(shù)的影響機(jī)制，擺脫簡易的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，提升不同區(qū)域海面風(fēng)場模擬的準(zhǔn)確性。

3）強(qiáng)化氣象數(shù)據(jù)觀測?；A(chǔ)數(shù)據(jù)不足是進(jìn)行風(fēng)場模型驗(yàn)證的障礙，需著重加強(qiáng)我國沿海海域海洋氣象測量設(shè)備的建設(shè)。