典型臺風登陸過程平均風時距轉換系數分析

潘晶晶,趙 林,梁旭東,朱樂東,葛耀君

(1.土木工程防災國家重點實驗室(同濟大學)，上海200092；2.中國氣象局北京城市氣象研究所，北京100089)

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典型臺風登陸過程平均風時距轉換系數分析

潘晶晶1,趙 林1,梁旭東2,朱樂東1,葛耀君1

(1.土木工程防災國家重點實驗室(同濟大學)，上海200092；2.中國氣象局北京城市氣象研究所，北京100089)

為掌握中國東南沿海臺風登陸過程近地面風速變化規律及影響因素，根據2005年浙江省東海塘觀測塔和上海市蘆潮港觀測塔分別實測得到的2次典型強臺風(麥莎(Matsa 0509)和卡努(Khanun 0515))登陸時段距地面10 m高度處的實時風速記錄資料，計算了不同時距風速的轉換系數及其概率分布.計算結果表明，風速時距轉換系數服從廣義極值分布，V3 s/V10 min服從極值Ⅱ型分布，V30 min/V10 min以及V1 h/V10 min服從極值Ⅲ型分布.分別處于臺風遠端和近端的兩處觀測塔的實測記錄表明，A類場地下，在臺風影響范圍內，工程場地處臺風氣候條件下10 m高度處風速時距轉換系數的取值及其概率分布基本保持穩定，基本不受臺風路徑、臺風強度變化、觀測點在臺風風場中的相對位置以及臺風登陸與否的影響.A類場地的臺風氣候條件下，采用基于概率統計的具有一定保證率的風速時距轉換系數取值，能夠為建筑結構抗風性能設計提供可靠保證.關鍵詞: 強臺風；轉換系數；不同時距；廣義極值分布；影響因素

隨著沿海經濟的快速發展，工程結構逐漸向高層和大跨度方向發展，結構柔性的大幅增加，使得風，尤其是沿海地區頻繁發生的臺風，逐漸成為現代結構工程設計中一項重要的影響因素.目前土木工程結構設計中，對良態風氣候條件下的風特性積累了一定的研究資料，而對于臺風氣候條件下的風特性，由于歷史記錄資料的缺乏而了解不足，臺風氣候條件下工程場地風特性規律實測工作逐漸受到相關部門的重視.為此，本文利用觀測到的臺風實測數據對臺風氣候條件下不同時距的風速轉換及其影響因素進行研究.

1 研究背景

在工程結構設計領域，各國所使用的建筑結構荷載規范中良態風風荷載的基本風速采用的平均時距不統一，中國、前蘇聯、日本以及國際標準化協會ISO采用的平均時距為10 min；澳大利亞采用的是3 s；英國、加拿大采用的是1 h.臺風氣候條件下基本風速的時距也沒有統一標準化，中國整編的《熱帶氣旋年鑒》[1]對臺風中心最大風速的測量最早使用的是2 min的平均時距，近年則主要使用10 min.由于不同時距風速的振幅、方差等風速特征[2-4]具有明顯不同的特點，因此時距的選擇對于風速特征有很大的影響，鑒于此，有學者根據實測數據對不同時距的風速轉換進行對比研究，試圖得到關于轉換系數的規律[5-7].

同時，中國東南沿海一帶面臨全球發生熱帶風暴最多的太平洋海域，多年來受臺風導致的強風影響巨大[8]，臺風特有的強烈渦旋風場特征可導致其近地風特性有別于其他天氣系統風場.而臺風的強隨機性，又使得獲取具有代表性的臺風實測數據十分困難，因此世界氣象組織WMO[9]經過多年的總結研究給出了臺風條件下針對海上、陸地、離岸和離海幾種不同下墊面的不同時距風速的轉換系數，但WMO 的這份技術文件中采用的資料主要來自于美國和澳大利亞，適合于中國沿海的可靠性和適用性值得商榷.廣東省氣象中心的蔡凝昊等[5]和廣東省氣候中心的陳雯超等[10]分別利用臺風黃蜂(Vongfong 0214)以及強臺風黑格比(Hagupit 0814)實測數據進行不同時距風速轉換系數的計算以及不同時距風速的轉換公式的擬合，從臺風整體過程平均意義上給出了不同時距下風速的轉換.臺風作為相對小概率的災害性氣候，其發生、發展歷經復雜的變化過程，臺風登陸過程中其自身強度由強減弱的時間歷程下，不同時距下的風速轉換系數存在一定的演變規律.為此，利用浙江省臺州海域東海塘觀測塔和上海市東海區域蘆潮港觀測塔分別實測得到的2次強臺風(麥莎(Matsa 0509)和卡努(Khanun 0515))登陸時段距地面10 m高度處的風速記錄資料，實施基于概率統計算法的臺風登陸全過程下風速轉換系數分布研究，并綜合考慮臺風強度變化、觀測點相對臺風中心距離以及臺風登陸狀態對風速轉換系數的影響.

2 觀測塔及觀測設備

為統計和研究中國東南沿海臺風風速轉換系數的特性，在氣象局的幫助下，分別收集了浙江省東海塘風能觀測塔和上海市蘆潮港觀測塔觀測到的2個強臺風麥莎和卡努近地面10 m高度處的實測風速數據.

東海塘觀測塔，東經121.6°，北緯28.4°，位于浙江省溫嶺市松門鎮東北的東海塘海灣平原地區，觀測塔周邊地形為開墾農田和沿海灘涂，按照JTG/T D60-01—2004《公路橋梁抗風設計規范》[11]東海塘觀測塔周邊地形應屬A類場地，見圖1 (a)；蘆潮港觀測塔，東經121.9°，北緯31.85°，位于上海市浦東新區，地處東海與杭州灣交匯處的海堤內側，附近地面為農田草地，按照JTG/T D60-01—2004《公路橋梁抗風設計規范》蘆潮港觀測塔周邊地形應屬于A類場地，見圖1(b).采用Nomad系列機械軸測式風速記錄儀，采樣頻率1 Hz，測量范圍0.4 ～70 m/s，可在溫度-55～60 ℃下正常工作，保證風速記錄儀在長時間的測試過程中，具有良好的穩定性、較高的可靠度和極高的準確度.

圖1 兩觀測塔位置及周邊地形示意

Fig.1 Locations of two anemometer towers and their neighboring terrain

臺風麥莎于2005年7月31日20時在菲律賓以東洋面上生成，8月3日02時加強為臺風，近中心最大風速45 m/s，最低氣壓950 hPa，6日03時40分在浙江玉環登陸；臺風卡努于同年9月5日上午在西北太平洋洋面上形成，8日加強為臺風，近中心最大風速50 m/s，最低氣壓945 hPa，11日14時50分在浙江臺州市路橋區金清鎮登陸.

東海塘和蘆潮港兩觀測塔記錄的臺風麥莎和臺風卡努風速樣本狀況見表1和圖2.

表1 強臺風觀測記錄狀況

圖2 臺風麥莎、卡努路徑以及東海塘、蘆潮港觀測塔位置示意

Fig.2 The path of typhoons and locations of anemometer towers in Donghaitang and Luchaogang

由圖2結合臺風有記錄期間的狀況可知：

1)臺風麥莎和卡努的路徑和強度變化很相似，便于將兩臺風的實測數據進行對比，互相驗證.

2)盡管從路徑和強度變化趨勢上來看，兩臺風看起來很相似，但是兩者之間還是存在區別的.一方面，根據氣象臺的記錄，臺風麥莎的十級和七級風速圈半徑分別為200 km和600 km左右；而臺風卡努的分別為150 km和400 km左右.可以看到，雖然臺風卡努的最低氣壓(945 hPa)低于臺風麥莎的(950 hPa)，即臺風卡努的強度比臺風麥莎大，但臺風麥莎影響的區域范圍大于臺風卡努的，也就是說，臺風卡努除臺風風眼區域外產生的影響未必大于臺風麥莎的.另一方面，在東海塘觀測塔記錄期間，東海塘觀測塔始終處于臺風麥莎和卡努的影響范圍內；而在蘆潮港觀測塔記錄期間，蘆潮港觀測塔始終位于臺風麥莎的影響范圍內，對于臺風卡努，則是從2005-09-11T09:00開始(此時臺風中心氣壓保持為945 hPa)，觀測塔進入臺風影響范圍.總的來看，除了蘆潮港觀測塔記錄臺風卡努的前9 h之外，兩觀測塔始終基本位于臺風影響范圍內.

3)東海塘觀測塔記錄的臺風卡努實測數據為1 430 min，其余3次記錄均為2 870 min.雖然東海塘觀測塔記錄的臺風卡努風速樣本僅1 d時間，幾乎為其余3次樣本記錄時間的一半，但是同時，該樣本記錄期間也是臺風卡努對東海塘觀測塔所在場地的影響區間，故4個數據樣本均有效記錄了臺風登陸全過程期間受影響的工程場地風速狀況.

4)從相對位置來看，東海塘觀測塔距臺風麥莎和卡努中心的最近距離分別在38和10 km左右，結合圖2可知，在兩臺風登陸地點附近，觀測塔恰巧穿過了兩臺風中心，也就是說，東海塘觀測塔位于兩臺風近端.而蘆潮港觀測塔距臺風麥莎和卡努中心的最近距離分別為287和208 km,在登陸點處甚至達到了400 km，可見，蘆潮港觀測塔始終位于臺風的遠端.

3 臺風實測數據

世界氣象組織在2008年發布的技術指引[9]中定義風速轉換系數是在確定的觀測周期(簡稱平均風速時距)的平均風速與該周期內陣風風速時距為τ的最大風速之間的理論上的轉換關系，其計算公式為

式中:Gτ,T為時距τ的平均風速和時距T的平均風速之間的轉換系數，vτ,T為時距T內時距τ的平均風速最大值，vT為時距T的平均風速值,T=10 min.

基于GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[12]中提供的設計基準風速為地面或水平以上10 m高度處，100 a重現期的10 min平均年最大風速(m/s)，以東海塘觀測塔和蘆潮港觀測塔10 m高度處的臺風風速實測數據進行風速不同時距轉換系數研究，得到的實測資料見圖3、4.

從圖3、4中可看到：由時距越短、平均風速變化越劇烈可知，時距轉換系數V3 s/V10 min因V3 s的脈動而變化劇烈，而V30 min/V10 min和V1 h/V10 min的時程因V30 min和V1 h變化緩慢而平滑.4次記錄除偶爾的強烈波動外，基本保持平穩波動.

4 實測數據統計分析

根據JTG/T D60-01—2004《公路橋梁抗風設計規范》[11]、GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[12]、ANSI/ASCE Standard 7-95[13]、NBC2010[14]以及AS/NZS 1170.2:2011[15]，對于近地風速的概率分布，各國風荷載規范都是在極值Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型中選擇采用.本文亦統一采用廣義極值分布函數(GEV)和極大似然參數估計法來研究臺風不同時距的風速轉換系數.廣義極值分布(GEV)函數為

式中：μ為位置參數，σ為尺度參數，ε為形狀參數.

其概率密度函數為

本文基于各觀測塔實測得到的10 m高度處的臺風風速資料，結合廣義極值分布函數和極大似然參數估計法，分別獲得東海塘、蘆潮港兩觀測塔10 m高度處臺風麥莎和臺風卡努不同時距風速轉換系數的概率分布情況，結果見表2和圖5(圖中僅以東海塘麥莎為例，給出臺風氣候條件下不同時距的風速轉換系數的概率密度及其擬合結果).

圖3 東海塘、蘆潮港兩觀測塔臺風麥莎10 m高度處不同時距風速轉換系數

圖4 東海塘、蘆潮港兩觀測塔臺風卡努10 m高度處不同時距風速轉換系數

觀測塔轉換系數麥莎(Matsa0509)分布類型概率分布參數μσε卡努(Khanun0515)分布類型概率分布參數μσε東海塘V3s/V10min極值Ⅱ型1.3980.0830.080極值Ⅱ型1.4000.0870.174 V30min/V10min極值Ⅲ型0.9420.035-0.610極值Ⅲ型0.9450.041-0.769V1h/V10min極值Ⅲ型0.8990.046-0.670極值Ⅲ型0.9010.059-0.747蘆潮港V3s/V10min極值Ⅱ型1.3580.1110.127極值Ⅱ型1.3000.0820.363 V30min/V10min極值Ⅲ型0.9630.026-0.733極值Ⅲ型0.9690.023-0.746V1h/V10min極值Ⅲ型0.9380.034-0.552極值Ⅲ型0.9480.027-0.748

圖5 東海塘觀測塔10 m高度臺風麥莎不同時距風速轉換系數概率密度曲線

Fig.5 The probability distribution of conversion factors over different time intervals at the height of 10 m during typhoon Matsa recorded by anemometer towers located in Donghaitang

結合表2和圖5可看到，時距轉換系數的概率分布服從廣義極值分布，其中V3 s/V10 min服從極值Ⅱ型分布(Frechet分布)，V30 min/V10 min以及V1 h/V10 min均服從極值Ⅲ型分布(Weibull分布)；除V3 s/V10 min的形狀參數ε相差比較大之外，其余分布的參數基本處于一個數量級.

4.1 風速轉換系數的概率分布

4.1.1 同一觀測塔經歷不同臺風

計算同一觀測塔經歷不同臺風時距轉換系數的概率分布參數的相差比，見表3.

表3 同一觀測塔經歷不同臺風時距轉換系數的概率分布參數的相差比

Tab.3 Percent difference for probability distribution parameters of conversion factors at a certain site between different typhoons

觀測塔項目相差比/%μM-μK/mean(μM,μK)σM-σK/mean(σM,σK)εM-εK/mean(εM,εK)東海塘V3s/V10min0.094.4774.43 V30min/V10min0.3516.12-23.02V1h/V10min0.2424.55-11.00蘆潮港V3s/V10min4.3730.4796.11 V30min/V10min0.6311.96-1.74V1h/V10min1.0321.93-30.22

注：M表示臺風麥莎Matsa,K表示臺風卡努Khanun.

通過上表可以看到，路徑相似、強度及其變化也相似的不同臺風麥莎和卡努，雖然影響范圍大小不一致，但是在同一地點的時距轉換系數的概率分布依然是非常接近的，其中位置參數μ尤為接近，相差比不超過5%，且基本在2%以下，尺度參數σ的差異也較小，保持在31%以內，V3 s/V10 min的形狀參數ε較其他轉換系數差異明顯.同時，距離臺風路徑較近的東海塘的記錄差異較遠端的蘆潮港更小，但這種差異較小.很明顯，對于路徑相似、臺風強度大小及其變化趨勢相似的強臺風，在某確定場地的風速時距轉換系數的概率分布也是相似的，其中，V3 s/V10 min服從極值Ⅱ型分布，V30 min/V10 min以及V1 h/V10 min服從極值Ⅲ型分布.

4.1.2 不同觀測塔經歷同一臺風

計算同一臺風在不同觀測塔記錄得到的時距轉換系數的概率分布參數的相差比，得到表4.

表4 不同觀測塔經歷同一臺風時距轉換系數的概率分布參數的相差比

Tab.4 Percent difference for probability distribution parameters of conversion factors at different sites during a certain typhoon

臺風項目相差比/%μD-μL/mean(μD,μL)σD-σL/mean(σD,σL)εD-εL/mean(εD,εL)麥莎V3s/V10min2.9528.8145.95 V30min/V10min2.1630.08-18.30V1h/V10min4.3130.50-19.31卡努V3s/V10min7.416.1670.21 V30min/V10min2.4456.83-3.04V1h/V10min5.0973.78-0.08

注：D表示東海塘觀測塔,L表示蘆潮港觀測塔.

比較表3、4，相對同一觀測塔經歷不同臺風而言，不同觀測塔經歷同一臺風的時距轉換系數的概率分布參數取值差異稍大一些，但這種差異依然較小.其中，位置參數μ的相差比不超過7.5%，尺度參數σ和V3 s/V10 min的形狀參數ε差異明顯.同時注意到，登陸過程中，東海塘觀測塔距兩臺風較近，甚至曾穿過臺風眼區，而蘆潮港觀測塔始終處于臺風遠端，僅記錄了臺風風場外圍的風速信息，可見，在臺風由強減弱的整個過程中，不管場地是經歷臺風眼區，還是始終停留在臺風風場外圍區，時距轉換系數的概率分布差異都不大.因此，作為結構抗風設計的風特性參考值，臺風多發區風速轉換系數可采用基于概率統計的具有一定保證率的取值.

4.2 風速轉換系數的影響因素

根據《熱帶氣旋年鑒》[1]，觀測塔記錄風速期間，臺風麥莎和卡努強度變化見圖6.

圖6 臺風強度隨時間的變化

由圖6可知：

1)在東海塘、蘆潮港兩處觀測塔記錄期間，麥莎、卡努兩臺風均經歷了強度從保持不變到逐漸減小的逐步衰減過程.

2)結合第3節和第4.1節的分析，雖然臺風卡努的強度比臺風麥莎大，但臺風卡努對兩觀測塔所在工程場地的影響未必大于臺風麥莎產生的.

3)結合臺風路徑可知，強風強度衰減過程中，臺風中心距觀測塔的距離變化為先減小后增大，這點對處于臺風近端的東海塘觀測塔較明顯，而對遠端的蘆潮港觀測塔影響較小.

結合風速轉換系數的時程變化曲線和概率分布，可以看到，無論是時距轉換系數變化的范圍還是劇烈程度，彼此之間并不存在明顯的差異.具體地說，臺風麥莎和卡努在兩觀測塔記錄風速期間，臺風強度保持不變時，臺風中心和觀測塔之間的距離逐步減小(這一點對于處于臺風近端的東海塘觀測塔而言尤為明顯)，而在時距轉換系數的時程曲線上，并沒有看到時距轉換系數有明顯的增大或減小的趨勢；同時，臺風登陸前后臺風強度減弱時，臺風中心與東海塘觀測塔的距離逐漸增大，與蘆潮港觀測塔的距離變化較小，而兩觀測塔記錄所得時距轉換系數也沒有因此發生明顯的波動趨勢.可見，對于無量綱的時距轉換系數而言，由于撇去了基本風速的影響，基本沒有受到臺風強度變化、臺風中心與觀測塔之間距離(即觀測點位于臺風風場的相對位置)、臺風登陸與否以及觀測塔距離臺風路徑遠近的影響.這些在風速時距轉換系數的概率分布上也有明顯體現.故知，時距轉換系數的概率分布也較穩定，基本不受臺風強度、臺風登陸與否以及場地在臺風風場中位置等因素的影響，故利用觀測站實測得到臺風數據獲得臺風不同時距轉換系數具有實用價值，研究其變化規律及概率分布對臺風氣候條件下的風速時距轉換系數研究具有指導意義，在臺風氣候條件下的土木工程結構抗風設計中，采用基于概率統計的具有一定保證率的風速時距轉換系數取值是可靠的.

5 結 論

1)中國沿海臺風多發區臺風氣候條件下近地面風速時距轉換系數的概率分布服從廣義極值分布，其中，V3 s/V10 min服從極值Ⅱ型分布，V30 min/V10 min以及V1 h/V10 min服從極值Ⅲ型分布.

2)分別處于臺風路徑遠端和近端的兩處觀測塔的實測記錄表明，A類場地下，臺風的風速時距轉換系數的取值情況基本比較穩定，即，某一工程場地、某一臺風氣候條件下的風速時距轉換系數基本不受臺風強度變化、觀測點在臺風風場中的相對位置以及臺風登陸與否的影響.

3)A類場地下，在臺風影響范圍內，工程場地所在處的臺風氣候條件下風速時距轉換系數的概率分布較為穩定，采用基于概率統計的具有一定保證率的風速時距轉換系數取值，能夠為建筑結構抗風性能設計提供可靠保證.

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(編輯 趙麗瑩)

Analysis of wind speed conversion factors of different time intervals during the passage of strong typhoons

PAN Jingjing1, ZHAO Lin1,LIANG Xudong2, ZHU Ledong1, GE Yaojun1

(1.State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering(Tongji University),Shanghai 200092, China;2.Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China)

To obtain the variation of wind speed near ground at the southeastern coastal area of China and its influence factors during the landfall process of typhoons, wind speed samples at 10 m during the landing of two strong typhoons(Typhoon Matsa 0509 and Typhoon Khanun 0515)were recorded by anemometer towers located at the regions of Donghaitang in Zhejiang Province and Luchaogang in Shanghai. Wind speed conversion factors of different time intervals and their probability distribution were calculated based on the sampling wind speeds. It is illustrated that wind speed conversion factors of different time intervals follow generalized extreme value distribution.V3 s/V10 minfollows Frechet Distribution, whileV30 min/V10 minandV1 h/V10 minfollow Weibull Distribution. There are 2 anemometer towers, one is adjacent to the paths of typhoons, while the other one is far away from them. It shows that in typhoons’ condition for terrain A, values of wind speed conversion factor keep steady and the probability distribution functions of conversion factors hold similar distribution characteristics during the landing process of strong typhoons regardless of the paths of typhoons, variation of typhoon intensity, the distance between the anemometer tower and the typhoon center and the landfall state of the typhoon. Values for wind speed conversion factors for terrain A in the condition of typhoons based on the analysis of probability statistics provide the assurance of reliability for wind resistant design of structures.

strong typhoons;conversion factors; different time intervals; generalized extreme value distribution; influence factors

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.12.023

2015-12-04

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2013CB036300)；國家自然科學基金優秀重點實驗室項目(51323013)

潘晶晶(1991—)，女，碩士研究生； 趙 林(1974—)，男，教授，博士生導師； 朱樂東(1965—)，男，研究員，博士生導師； 葛耀君(1958—)，男，教授，博士生導師

趙 林，zhaolin@tongji.edu.cn

TU375.4

A

0367-6234(2016)12-0158-07