基于測風塔實測臺風威馬遜登陸過程的強風特性分析*

黃浩輝 陳雯超 植石群 王丙蘭

1 廣東省氣候中心，廣州 510080 2 華風氣象傳媒集團有限責任公司，北京 100081

提 要： 利用廣東省徐聞縣西連鎮90 m測風塔在1409號超強臺風威馬遜登陸期間獲取的具備完整的臺風代表性的觀測數據以及處于臺風外圍的廣東省茂名市博賀鎮100 m測風塔的觀測數據，對臺風威馬遜的近地層強風特性進行了分析，西連測風塔結果表明：風速時程曲線呈明顯的“M”型分布特征，臺風中心經過測風塔前后，風向沿逆時針方向大幅偏轉約170°。風速隨高度增加而增大，風速廓線較好地符合對數和冪指數律；臺風過境前后，各強風區的風速廓線冪指數和粗糙長度呈先減小后增大的特點；粗糙陸地下墊面的風速廓線冪指數和粗糙長度較大。湍流強度和陣風系數在前外圍強風區或后外圍強風區較大，在前眼壁強風區或后眼壁強風區較小，湍流強度和陣風系數隨高度增加而減小，基本符合指數為負值的冪指數律；粗糙下墊面對湍流強度和陣風系數有增大的作用。外圍強風區和眼壁強風區的10 min風向變率變化較為平穩，而在眼區變動較為劇烈，在眼區，當風速達到最低值或次低值時，10 min風向變率幅值達到最大值。博賀測風塔結果表明其總體上與西連測風塔臺風前外圍和前眼壁強風區的情形相似。

引 言

風災是人類面臨的主要自然災害之一，其中又以臺風災害居首，西北太平洋是全球熱帶氣旋發生頻率最高的海域，中國又是全球登陸臺風最多的國家(陳聯壽等，2012)。每年約有8個臺風登陸我國，臺風引發的大風、暴雨和風暴潮具有嚴重的破壞力，可造成房屋尤其是沿海地區村鎮建筑的倒塌損毀、構筑物的破壞、交通癱瘓、輸電線路故障和電力基塔等基礎設施損壞并由此常造成重大的經濟損失和人員傷亡(陳海燕等，2018；楊絢等，2020)。臺風的近地層風特性在臺風不同位置和不同下墊面作用下會有不同的特征(端義宏等，2014；梁莉等，2018；鄭燾等，2018)，現代建筑結構的高度和水平跨度均越來越大，結構在不同位置的風環境也具有差異，在臺風非均勻風場作用下，這種差異會更為明顯，可能導致建筑結構發生振動甚至變形。現場實測是了解臺風風場結構及其對結構致災機理研究的重要手段，國內外對臺風外場觀測與分析已進行了大量的研究。Powell et al(2003)利用GPS探測儀測量了熱帶氣旋下海洋邊界層的風廓線。Cao et al(2009)利用位于15 m高度上同步測量的9臺翼式風速計和7臺超聲風速儀的觀測數據對登陸日本的臺風鳴蟬(2003)進行分析，探討了臺風湍流強度、相關系數、陣風因子和湍流譜。Ishizaki(1983)對登陸日本的多個強臺風過程的風速和湍流參數等進行研究，發現其風況特性與其經過的下墊面粗糙度關系密切。Tamura et al(2007)研究發現風廓線冪指數值隨著從海邊到陸地距離的增加而增加，離陸風的冪指數值均大于離海風的冪指數值。Li et al(2015)對比了臺風和颶風的風特性差異，并分析了粗糙長度和平均風速對湍流風特性的影響。宋麗莉等(2005;2006)和Song et al(2010;2012;2016)基于廣東多個登陸臺風的梯度觀測數據，對比分析了臺風中心區域和其外圍風況的平均風和脈動風參數特征,發現了臺風眼壁強風區和外圍大風區風特性的顯著差異,建立了風速廓線冪指數與粗糙長度的數學模型。趙小平等(2016)基于海南文昌市90 m測風塔分析了強臺風海鷗的近地層風場時空特征，發現粗糙長度、風廓線冪指數、湍流強度、陣風系數與風速呈負相關關系。肖輝等(2017)分析了深圳350 m氣象梯度塔在臺風妮妲的觀測資料，發現在臺風前外圍、前風圈、眼區的風廓線在350 m高度以下符合對數關系，而后風圈和后外圍的風廓線僅在150 m以下遵循對數律。陳雯超等(2019)對比了臺風莫拉菲和強對流、強冷空氣的近地層風特性，發現臺風強風的冪指數值要大于建筑結構荷載規范給出的B類下墊面的參考值。1409號臺風威馬遜是近年來登陸我國臺風強度最大的超強臺風之一，也有多位學者基于測風塔實測對其風特性進行了分析，王海龍等(2018)和程艷偉(2016)利用粵西風電場測風塔的觀測數據，計算分析了臺風威馬遜的風速廓線冪指數、湍流強度、陣風系數和風向等的時程變化特征，但臺風眼區沒有直接經過這些測風塔，其測風數據均不具備完整的臺風代表性。本文主要利用廣東省徐聞縣西連鎮測風塔具備完整臺風代表性的觀測數據，研究臺風威馬遜不同位置的近地層強風特性，并結合下墊面分析臺風強風疊加不同粗糙度下墊面時的風特性，以期為沿海臺風影響嚴重區域的抗風設計及相關研究提供參考依據。

1 數據說明

用于主要計算分析的測風數據來源于廣東省徐聞縣西連鎮的一座90 m高度測風塔，塔基海拔為18 m，在2014年7月18—19日，超強臺風威馬遜登陸廣東徐聞縣期間，測風塔獲取了較為完整的觀測數據，測風塔位于“威馬遜”前進路徑左側，距“威馬遜”路徑的最近距離約為19 km(圖1)。西連測風塔位于北部灣沿海，下墊面開闊平坦，以農田為主，塔基附近有一片約5 m高的灌木林，北面較為稀疏，南面較為茂密，在測風塔10、40、70、80、90 m高度安裝了美國Renewable NRG Systems公司的NRG#40型杯式風速傳感器，最大風速量程為96 m·s-1，在10、70、90 m高度安裝了NRG#200P型風向傳感器,風速記錄為每10 min的平均風速、3 s陣風風速最大值和風速標準差(由1 s采樣數據計算得到)，風向記錄為每10 min的平均風向，測風儀器在安裝前均經過標準風洞檢定合格。臺風威馬遜登陸期間，除90 m風速數據在2014年7月19日01:10后因風速傳感器損壞而造成數據缺失外，其余測風數據經合理范圍、相關性、變化趨勢檢驗等手段進行質量控制均沒有發現異常，數據完整可靠。

用于輔助性對比分析的測風數據來源于廣東省茂名市博賀鎮一座100 m高度測風塔，“威馬遜”登陸期間，該測風塔也獲取了較為完整的觀測數據，測風塔位于“威馬遜”前進路徑右側，距“威馬遜”路徑的最近距離約為155 km(圖1)。博賀測風塔位于離海岸約4.5 km的一座無人小島——峙仔島上，該小島露出海面的部分長約90 m、寬約40 m，地面為沙石間或有稀疏的雜草，地勢為東北—西南走向并逐漸向中間隆起，測風塔設置在小島的最高點，塔基海拔為10 m。該測風塔在10、20、40、60、80、100 m高度上安裝了風速、風向傳感器，型號與西連測風塔相同，“威馬遜”登陸期間，除100 m觀測數據因傳感器損壞而造成數據缺失外，其余測風數據均完整可靠。

圖1 西連測風塔和博賀測風塔位置Fig.1 Location of Xilan Tower and Bohe Tower

2 臺風威馬遜概況

臺風威馬遜于2014年7月12日在西北太平洋上生成，15日18：20登陸菲律賓中部沿海，隨后穿過菲律賓中部進入南海繼續向西北方向移動，18日05時在南海北部加強為超強臺風，15：30前后登陸海南省文昌市翁田鎮，登陸時中心附近最大風速為60 m·s-1(17級，超強臺風級)，19：30前后以同等強度再次在廣東省徐聞縣龍塘鎮沿海登陸，19日07：10前后在廣西防城港光坡鎮沿海第三次登陸，登陸時中心附近最大風速為48 m·s-1(15級，強臺風級)，20日04時在云南省境內減弱為熱帶低壓。

“威馬遜”登陸時的中心附近最大風力和最低氣壓均達到或突破了有記錄以來歷史極值，“威馬遜”在海南文昌和廣東徐聞沿海登陸時中心附近最大風力均為60 m·s-1(17級)，與1973年9月14日登陸海南瓊海的7314號臺風瑪琪和2006年8月10日登陸浙江蒼南的0608號臺風桑美并列第一，“威馬遜”登陸時中心氣壓為910 hPa，低于“桑美”的920 hPa和“瑪琪”的925 hPa，為1949年以來登陸我國臺風的中心氣壓最低值, 因此可以認為“威馬遜”為1949年以來登陸我國的最強臺風。受“威馬遜”影響，海南東北部、廣東雷州半島和廣西沿海地區普遍出現10～13級平均風，陣風達14～17級，海南文昌七洲列島記錄到最大陣風風速高達72.4 m·s-1，海南海口、廣東雷州半島和廣西沿海等局地12級以上瞬時大風持續6～9 h。

3 近地層風速和風向時程變化特征

為了較為完整地了解臺風威馬遜近地層風速和風向隨時間的變化特征，選取西連測風塔2014年7月18日10時至19日10時逐10 min的觀測數據進行分析，圖2是測風塔10 min平均風速和風向時程變化曲線，圖中下部一組5條曲線是測風塔10、40、70、80、90 m高度的風速時程曲線(90 m高度風速傳感器在19日01:10損壞，其后風速數據缺失，此時臺風中心已進入北部灣)，圖中上部一組3條曲線是測風塔10、70、90 m高度的風向時程曲線。

從圖2看到，西連測風塔風速時程曲線呈明顯的“M”型分布特征，各層風速走勢基本一致，各高度風速曲線由下至上有序排列，符合隨高度增加，摩擦效應減弱，風速增大的一般規律，其中10 m風速曲線與40 m以上風速曲線距離較大，主要是因為其高度較低，受下墊面灌木林的摩擦作用影響較大。在“M”型的左側端點，時間為7月18日10時，臺風威馬遜中心位于海南島東面，距測風塔約250 km，各層10 min平均風速在5.9～12.3 m·s-1，隨著臺風向西北方向移動，臺風中心與測風塔的距離逐漸減少，測風塔各層風速逐漸變大，在18日20:50左右達到“M”型左側的頂峰，此時臺風中心距測風塔約27 km，測風塔10、40、70、80、90 m高度的10 min平均風速峰值分別為31.3、42.4、44.4、46.2和47.5 m·s-1，3 s陣風風速峰值分別為47.1、56.2、55.5、57.2和58.1 m·s-1，隨后在“M”型的中部，風速首先有一個大幅下降的過程，在22:10左右達到“M”的底部，此時臺風中心與測風塔距離最近，約為19 km，10、40、70、80、90 m高度的10 min平均風速谷值分別為8.8、14.8、16.7、17.1和16.9 m·s-1，在80 min時間內，各層10 min平均風速降幅達到62%～72%，然后風速大幅上升，在23:20達到“M”型右側的頂峰，此時臺風中心距測風塔約29 km，10、40、70、80、90 m高度的10 min平均風速峰值分別為21.6、36.1、41.7、42.7和44.2 m·s-1，3 s陣風風速峰值分別為36.4、48.4、49.7、50.2 和50.6 m·s-1，相對“M”型左側峰值要低一些，在70 min時間內，測風塔各層10 min平均風速升幅達到145%～162%，隨后臺風繼續向西北方向移動，于19日01時左右進入北部灣，并于19日07：10左右在廣西防城港光坡鎮沿海第三次登陸，在“M”型的右側端點，時間為19日10：10，臺風中心位于廣西西南部，靠近云南省邊界，距測風塔約260 km，各層10 min平均風速在5.4～13.6 m·s-1。

圖2 2014年7月18日10時至19日10時西連測風塔風速和風向時程變化曲線Fig.2 Time series of the wind speed and wind direction observed at Xilian Tower from 10:00 BT 18 to 10:00 BT 19 July 2014

從圖2看到，西連測風塔10、70、90 m高度的風向時程曲線走勢基本一致，各層風向差別較小，其中70、90 m高度風向曲線幾乎重合，在臺風中心經過測風塔前，從7月18日10:00—21:50，各層風向基本在330°左右小幅波動，即一直保持在西北偏北風，從18日22時臺風中心經過測風塔開始，測風塔各層風向有一個沿逆時針方向連續大幅偏轉的過程，風向偏轉方向與測風塔位于臺風前進路徑左側相關，至19日03:40臺風中心行進到測風塔西北面約120 km的北部灣時，各層風向轉向幅度達到170°左右，即風向從西北偏北風沿逆時針方向大幅轉向為東南偏南風，此后，測風塔各層風向維持在160°左右，即東南偏南風，直至臺風中心進入廣西境內。從圖2還可以看到，在臺風中心經過測風塔前，10 m高度風向值較70 m高度大7°左右(沿順時針方向偏轉)，從臺風中心經過測風塔時開始至其后約3.5 h內，10和70 m高度風向曲線幾乎重合，即風向基本一致，此后，10 m高度風向值又較70 m高度大8°左右(沿順時針方向偏轉)。

對同時段博賀測風塔的觀測數據進行對比分析，圖3是博賀測風塔80 m高度10 min平均風速和風向時程變化曲線，選擇80 m高度觀測數據進行分析是因為其受下墊面影響較小。

從圖3看到，博賀測風塔風速時程曲線總體呈拱形，并沒有出現明顯的“M”型分布特征，10 min平均風速峰值出現在7月18日16時，為29.9 m·s-1。風向時程曲線呈緩慢的單邊上升形態，并沒有出現大幅偏轉的情況，風向從東北偏北風沿順時針方向逐漸轉變為東南風，與測風塔位于臺風前進路徑右側相關。

圖3 同圖2，但為博賀測風塔Fig.3 Same as Fig.2, but for Bohe Tower

4 測風數據代表性分析和臺風強風樣本劃分

根據《臺風渦旋測風數據判別規范》(GB/T 36745—2018)(國家市場監督管理總局和國家標準化管理委員會，2018)，同時滿足以下3項判別指標的測風數據，可代表臺風眼區、臺風眼壁區和臺風外圍區的完整臺風過程風況樣本數據：(a)平均風速大于或等于17.2 m· s-1的樣本數據風向連續變化超過120 °方位角；(b)臺風過程的風速時程曲線呈雙峰分布；(c)雙峰之間的底部平均風速小于10 m· s-1。依據上述判別條件，對西連測風塔的觀測數據進行代表性判別，從圖2及具體觀測數據看到，臺風威馬遜登陸期間西連測風塔8級以上強風(以受下墊面影響較小且數據完整的80 m高度10 min平均風速≥17.2 m· s-1為參考)的起止時段為7月18日13:20至19日05:30，從前述分析看到，該時段內，測風塔各層風向沿逆時針方向連續變化約170°方位角，風速時程曲線呈明顯的“M”型雙峰分布特征，在雙峰之間的底部，測風塔10 m高度10 min平均風速谷值為8.8 m·s-1，因此，可以認為，西連測風塔獲取的“威馬遜”觀測數據包含了臺風眼區、臺風眼壁區和臺風外圍區的完整臺風過程風況樣本數據，能夠代表臺風特有的強風特性。

為進一步了解“威馬遜”的近地層強風特性，主要對上述西連測風塔7月18日13:20至19日05:30 的觀測數據進行分析。

利用2014年7月18—19日廣東省逐6 min的雷達回波圖資料，根據其形態和強度、不同時刻西連測風塔所處臺風位置(圖4)，結合臺風渦旋結構特征，可將測風塔臺風強風時段劃分為5個區段(以80 m高度10 min平均風速時程曲線為參照，詳見圖5)：(a)前外圍強風區，18日13:20—19:00；(b)前眼壁強風區，18日19:01—21:42；(c)眼區，18日21:43—22:54；(d)后眼壁強風區，18日22:55至19日01:42；(e)后外圍強風區，19日01:43—05:30。

圖4 2014年7月18日15：00(a)，20：48(b)，22：06(c)，23：24(d)和19日04：00(e)典型時刻西連測風塔在臺風雷達回波圖位置(a)前外圍強風區，(b)前眼壁強風區，(c)眼區，(d)后眼壁強風區，(e)后外圍強風區(五角星為測風塔)Fig.4 Location of Xilian Tower on the radar echo map at typical typhoon moments at 15:00 BT 18 (a), 20:48 BT 18 (b), 22:06 BT 18 (c), 23:24 BT 18 (d) and 04:00 BT 19 (e) July 2014(a) front outer-vortex, (b) front eye-wall, (c) wind eye, (d) back eye-wall, (e) back outer-vortex(The star represents wind observation tower)

圖5 2014年7月18日13：20至19日05：20西連測風塔臺風強風區段劃分(a)前外圍強風區，(b)前眼壁強風區，(c)眼區，(d)后眼壁強風區，(e)后外圍強風區Fig.5 Different sections of the typhoon severe wind zone at Xilian Tower from 13:20 BT 18 to 05:20 BT 19 July 2014(a) front outer-vortex, (b) front eye-wall, (c) wind eye, (d) back eye-wall, (e) back outer-vortex

選取各強風區段的臺風典型影響時段以進行更有代表性的分析：(a)18日14:50—15:10，前外圍強風區中前段，風速大幅上升前；(b)20:40—21:00，前眼壁強風區風速峰值附近；(c)18日22:00—22:20，眼區風速谷值附近；(d)18日23:10—23:30，后眼壁強風區風速峰值附近；(e)19日04:00—04:20，后外圍強風區中后段，風速大幅下降后。

另外，鑒于下墊面對風參數的重要影響作用，根據西連測風塔的下墊面地形地貌和臺風威馬遜期間測風塔測得的風向范圍，將臺風期間的來風分為三個扇區(圖6)進行分析。扇區1、扇區2和扇區3的方位角范圍分別為320°～349°、175°～319°和158°～174°。扇區1和扇區3的來風下墊面以海洋和陸地為主，扇區2的來風下墊面則以海洋為主。結合圖2的風速和風向時程變化曲線可見，在7月18日13:20—22:00，來風下墊面為扇區1，18日22:01至19日03:00，來風下墊面為扇區2，19日03:01—05:30，來風下墊面為扇區3。

圖6 2014年7月18—19日西連測風塔臺風期間來風下墊面分類Fig.6 Classification of underlying surface at Xilian Tower during the typhoon process in 18-19 July 2014

為進行對比分析，同樣選取博賀測風塔7月18日13:20至19日05:30的觀測數據進行臺風過程分析，臺風典型影響時段選取18日15:50—16:10，為臺風過程風速峰值附近。從前述分析可以判斷博賀測風塔明顯處于“威馬遜”外圍區域，由于其處于海島，整個臺風過程來風下墊面均以海洋為主。

5 近地層強風特性分析

5.1 風速廓線特征

風速廓線是指風速隨高度的變化曲線,常用于不同高度風速的推算，是建筑物設計需要考慮的重要因素。造成風速在近地層的垂直變化的原因有動力因素和熱力因素，前者主要來源于下墊面的摩擦效應，即下墊面的粗糙度，后者主要主要表現為與近地層大氣穩定度的關系，當大氣層結為中性時，近地層風速隨高度變化近似地服從對數函數和冪指數函數(王承煦和張源，2003)。

風速隨高度變化對數函數為：

(1)

式中：u為z高度處的風速，u1為z1高度處的風速，z0為下墊面粗糙長度。

風速隨高度變化冪指數函數為：

(2)

式中：α為風速廓線冪指數，是表征下墊面粗糙程度的參數，反映風速垂直切變的強弱，其余變量同式(1)。

當具有兩層以上風速觀測數據時，z0和α值均可采用最小二乘法擬合得出，當擬合風速廓線和實測風速廓線對應各高度層風速的殘差平方和達到最小時，即可確定z0和α值。

根據修訂的帕斯奎爾(Pasquill)穩定度分級法(蔣維楣等，2004)，當地面10 m高度處10 min平均風速≥6.0 m·s-1時，大氣層結為中性狀態，根據第4節的分析，在西連測風塔8級以上強風時段，10 m高度處10 min平均風速最小值為8.8 m·s-1，因此，可以判斷西連測風塔強風時段大氣層結均處于中性狀態，近地層風速廓線適合采用對數函數和冪指數函數進行擬合分析。

利用西連測風塔逐10 min平均風速觀測數據，先計算不同強風區段典型時段各高度層的平均風速，再采用對數函數和冪指數函數進行風速廓線擬合。結果見表1和圖7。

從圖7看到，對數函數和冪指數函數對各個強風區段的風速廓線的擬合效果均較好，從表1看到，在各個強風區段，對數函數擬合均方差小于或等于0.57 m·s-1，冪指數函數擬合均方差小于或等于0.81 m·s-1，除后外圍強風區外，對數函數擬合均方差均小于冪指數函數擬合均方差，因此，總體上對數函數對強風風速廓線的擬合效果優于冪指數函數。前外圍強風區、前眼壁強風區、眼區、后眼壁強風區、后外圍強風區的風速廓線冪指數分別為0.310、0.196、0.266、0.312、0.334，粗糙長度分別為1.163、0.186、0.716、1.199、1.382 m，從前外圍強風區到前眼壁強風區，風速廓線冪指數和粗糙長度先是減少，隨后到眼區、后眼壁強風區和后外圍強風區，風速廓線冪指數和粗糙長度漸次增大，在前眼壁強風區，風速廓線冪指數和粗糙長度均為最小。

表1 西連測風塔不同強風區段的風速廓線擬合Table 1 Wind speed profile fitting at different severe wind sections at Xilian Tower

圖7 西連測風塔臺風期間不同強風區段的風速廓線擬合(a)前外圍強風區，(b)前眼壁強風區，(c)眼區，(d)后眼壁強風區，(e)后外圍強風區Fig.7 Wind speed profile fitting at different severe wind sections during the typhoon process at Xilian Tower(a) front outer-vortex, (b) front eye-wall, (c) wind eye, (d) back eye-wall, (e) back outer-vortex

根據第4節的下墊面扇區的劃分，分別計算扇區1、2、3的平均風廓線并進行冪指數擬合和對數擬合，結果在表2中給出。扇區1雖然近處和遠處均有海岸陸地影響，但中間有一段相對寬廣的水域，且測風塔北面是較為稀疏的灌木林，因此，扇區1的粗糙長度相對較小，對應的風切變指數也較小。而扇區2和扇區3均受近處陸地和測風塔南面較為茂密的灌木林影響，但由于扇區2遠處為海洋下墊面，因此粗糙長度要小于扇區3，風切變指數也小于扇區3，扇區3同時受茂密樹林和沿岸陸地影響，粗糙長度最大，對應的風切變指數也最大。從擬合均方差來看，粗糙程度相對較小的扇區1和扇區2的來風更符合對數律分布，扇區3的來風更符合冪指數分布。

表2 西連測風塔不同下墊面扇區的風速廓線擬合Table 2 Wind speed profile fitting at different underlying surface sectors at Xilian Tower

同時分析了博賀測風塔臺風典型影響時段的風速廓線特征，圖8為其風速廓線擬合情況。可以看到，博賀測風塔風速廓線也基本符合冪指數律和對數律，風速廓線冪指數為0.030，粗糙長度為1.0×10-12m，擬合均方差分別為0.22和0.32 m·s-1。風速廓線冪指數和粗糙長度相對于西連測風塔數值最小的前眼壁強風區，其值也小很多，原因主要為地形的差異，因為博賀測風塔處于小島頂峰，氣流在經過迎風坡時受到地形擠壓，產生加速效應，導致測風塔低層風速增大，測風塔的風速垂直梯度變小。

圖8 博賀測風塔風速廓線擬合Fig.8 Wind speed profile fitting at Bohe Tower

5.2 湍流強度特征

湍流強度反映了風的脈動特征，是確定結構脈動風荷載的關鍵參數，對于風電場建設時風力發電機的選型及風電場的運行管理也是需要考慮的重要因素。湍流強度定義為風速標準差與水平風速模量的比值(盛裴軒等，2003)，工程應用上通常采用10 min時距的風速標準差與水平平均風速的比值，計算公式為：

(3)

式中:I為湍流強度，σ為10 min時距的風速標準差，U為相應的10 min水平平均風速。

圖9是臺風強風過程西連測風塔湍流強度時程變化曲線。從圖中看到，各高度湍流強度曲線由上至下有序排列，隨高度增加，湍流強度減少，與摩擦效應隨高度增加而減弱相關。其中10 m湍流強度與40 m以上湍流強度差距較大，主要是因為其高度較低，湍流強度受下墊面灌木林摩擦作用影響較大。從整個強風過程來看，在風速、風向大幅變化以及下墊面摩擦作用影響的復雜情況下，測風塔不同高度湍流強度變化的情況有所差別。在前外圍強風區和前眼壁強風區，10 m湍流強度隨時間變化有明顯減少的趨勢，而40 m以上湍流強度變化較為平穩；隨后在眼區，10 m湍流強度明顯增大，40 m湍流強度也有所增大，但不如10 m明顯，而70 m以上湍流強度有小幅度的減少趨勢；然后在后眼壁強風區，10、40 m湍流強度有小幅度的減少趨勢，而70 m以上湍流強度變化較為平穩；最后在后外圍強風區，10 m湍流強度波動較大，但變化趨勢不明顯，而40 m以上湍流強度則有較為明顯的增大趨勢。

整個強風過程，西連測風塔10、40、70、80 m高度湍流強度最大值分別為0.308、0.206、0.155、0.150，除10 m高度湍流強度最大值出現在前外圍強風區外，40 m高度以上湍流強度最大值均出現在后外圍強風區，對應風速分別為10.7、17.5、19.8、20.6 m·s-1，相對而言，風速均不大；強風過程測風塔10、40、70、80、90 m高度的10 min平均風速最大值分別為31.3、42.4、44.4、46.2和47.5 m·s-1，均出現在前眼壁強風區，對應湍流強度分別為0.166、0.111、0.095、0.091和0.082，僅為最大值的60%左右。

圖9 同圖5，但為湍流強度時程變化Fig.9 Same as Fig.5, but for time series of turbulence intensity

表3為西連測風塔不同強風區段典型時段的平均湍流強度，圖10為其湍流強度廓線的冪指數擬合情況。

可以看到，湍流強度在前外圍強風區或后外圍強風區較大，在前眼壁強風區或后眼壁強風區較小。湍流強度隨高度增加而減小，基本符合指數為負值的冪指數規律，眼區和后眼壁強風區擬合效果稍差，其余強風區段擬合效果較好。

表4給出西連測風塔各扇區的湍流強度平均值。從圖9和表4來看，在10 m高度，由于受下墊面灌木林摩擦作用影響較大，且站點離海岸約有1.8 km 遠，近處周邊均受陸地影響，因此不同扇區的湍流強度差異相對較小。但在70～90 m高度，來風能攜帶更遠范圍的下墊面信息，圖中可以看到下墊面陸地面積比例較多的扇區1和扇區3的湍流強度較大，而以海洋下墊面為主的扇區2的湍流強度則相對較小，此外，來自下墊面最粗糙的扇區3的后外圍強風的湍流強度要明顯大于來自相對較光滑的扇區1的前外圍強風的湍流強度。

表3 西連測風塔不同強風區段的湍流強度Table 3 Turbulence intensities at different severe wind sections at Xilian Tower

圖10 同圖7，但為湍流強度Fig.10 Same as Fig.7, but for turbulence intensity

表4 西連測風塔不同下墊面扇區的湍流強度平均值Table 4 Mean turbulence intensity at different underlying surface sectors at Xilian Tower

圖11為臺風強風過程博賀測風塔80 m高度湍流強度時程變化曲線。可以看到湍流強度主要在0.06～0.11波動，變化較為平穩，與西連測風塔70 m 高度以上臺風前外圍和前眼壁強風區的湍流強度變化情況相似，與來風下墊面狀況較為相似有關。臺風典型影響時段博賀測風塔的湍流強度也基本符合指數為負值的冪指數律，冪指數為-0.084，擬合均方差為0.002。

5.3 陣風系數特征

陣風系數也是表達風脈動特征的參數，可以簡單直觀地表征風的陣性特點，在缺乏陣風觀測的情況下，通常采用陣風系數由平均風速推算出陣風風速。WMO給出陣風系數的定義為：在時間間距為T0的時間內持續時間為τ的最大陣風風速與時距為T0的平均風速之比，目前我國氣象和風工程領域一般取T0為10 min，取τ為3 s(陳雯超等，2011)。其計算公式為：

圖11 2014年7月18日13：20至19日05：20博賀測風塔湍流強度時程變化Fig.11 Time series of turbulence intensity at Bohe Tower from 13:20 BT 18 to 05:20 BT 19 July 2014

(4)

式中:G為陣風系數，Umax為3 s時距的陣風風速最大值，U為相應的10 min平均風速。

圖12是臺風強風過程西連測風塔陣風系數時程變化曲線。從圖中看到， 各高度陣風系數曲線由上至下基本上有序排列，隨高度增加，陣風系數減少，同樣與摩擦效應隨高度增加而減弱相關。其中10 m陣風系數與40 m以上陣風系數差距較大，波動也較大，主要也是因為其高度較低，陣風系數受下墊面灌木林摩擦作用影響較大。在前外圍強風區和前眼壁強風區，10 m陣風系數有較為明顯的減少趨勢，而40 m以上陣風系數變化相對較為平穩；隨后在眼區，10 m陣風系數明顯增大，40 m陣風系數有小幅度的增大趨勢，而70 m以上陣風系數有小幅度的減少趨勢；然后在后眼壁強風區，40 m陣風系數有小幅度的減少趨勢，其他高度陣風系數變化較為平穩；最后在后外圍強風區，10 m陣風系數波動較大，但變化趨勢不明顯，而40 m以上陣風系數則有較為明顯的增大趨勢。

整個強風過程，西連測風塔10、40、70、80 m高度陣風系數最大值分別為1.954、1.668、1.474、1.422，均出現在后外圍強風區，對應風速分別為10.8、13.7、21.0、22.3 m·s-1，相對而言，風速均不大；強風過程測風塔10、40、70、80、90 m高度的10 min平均風速最大值分別為31.3、42.4、44.4、46.2和47.5 m·s-1，均出現在前眼壁強風區，對應陣風系數分別為1.505、1.325、1.207、1.232和1.206，為最大值的80%左右。

表5為西連測風塔不同強風區段典型時段的平均陣風系數，圖13為陣風系數廓線的冪指數擬合情況。

圖12 同圖5，但為陣風系數時程變化Fig.12 Same as Fig.5, but for time series of gust coefficient

可以看到，西連測風塔陣風系數在前外圍強風區或后外圍強風區較大，在前眼壁強風區或后眼壁強風區較小。陣風系數隨高度增加而減小，基本符合指數為負值的冪指數規律，除前外圍強風區和后眼壁強風區擬合效果稍差，其余強風區段擬合效果較好。

表6給出各扇區的陣風系數平均值。從圖12和表6來看，在10 m高度，不同扇區的陣風系數差異相對較小，與其受陸地下墊面影響較大相關。隨著高度的增加，尤其在70～90 m高度層，遠處下墊面陸地面積比例較多的扇區1和扇區3的陣風系數明顯較大，而以海洋下墊面為主的扇區2的陣風系數則相對較小。另外，從70～90 m高度層看，來自下墊面最粗糙的扇區3的后外圍強風的陣風系數也要明顯大于來自相對較光滑的扇區1的前外圍強風的陣風系數，來自遠處陸地面積較多的扇區1的前眼壁強風的陣風系數也要大于來自海洋下墊面為主的扇區2的后眼壁強風區的陣風系數。

臺風強風過程博賀測風塔80 m高度陣風系數時程變化曲線如圖14所示。可以看到陣風系數主要在1.2左右波動，變化較為平穩，與西連測風塔70 m高度以上臺風前外圍和前眼壁強風區的陣風系數變化情況相似，同樣與來風下墊面狀況較為相似有關。臺風典型影響時段博賀測風塔的陣風系數同樣基本符合指數為負值的冪指數律，冪指數為-0.016，擬合均方差為0.004。

表5 西連測風塔不同強風區段的陣風系數Table 5 Gust coefficients at different severe wind sections at Xilian Tower

圖13 同圖7，但為陣風系數Fig.13 Same as Fig.7, but for gust coefficient

表6 西連測風塔不同下墊面扇區的陣風系數平均值Table 6 Mean gust coefficient at different underlying surface sectors at Xilian Tower

5.4 風向短時變化特征

由于臺風具有渦旋結構特征，臺風過程除了風速的劇烈變化，風向也存在劇烈變化的情況，臺風風向短時變化特征對于風電場等的設計、運行管理是一個需要考慮的重要因素。

定義10 min風向變率為后一個10 min風向角和前一個10 min風向角的差值的絕對值。

圖15是臺風強風過程西連測風塔代表低層(10 m)和高層(90 m)高度的10 min風向變率時程變化圖。從圖中看到，臺風強風過程西連測風塔10和90 m的10 min風向變率較為接近，隨時間變化走勢基本一致，前外圍強風區、前眼壁強風區、后眼壁強風區和后外圍強風區的10 min風向變率變化較為平穩，基本在10°之內變動，而在眼區變動較為劇烈，在7月18日22:10，10和90 m的10 min風向變率分別為25°和23°，幅值達到最大值，此時，各層風速達到眼區的最低值或次低值。

對比分析了博賀測風塔80 m高度的10 min風向變率時程變化(圖16)。可以看到，臺風過程博賀測風塔10 min風向變率變化較為平穩，基本在10°之內變動，沒有出現劇烈變動的情況，與西連測風塔除眼區之外的強風區段的情形較為相似。

圖14 同圖11，但為陣風系數Fig.14 Same as Fig.11, but for gust coefficient

圖15 同圖5，但為10 min風向變率時程變化Fig.15 Same as Fig.5, but for time series of 10 min wind direction variability

圖16 同圖11，但為10 min風向變率Fig.16 Same as Fig.11, but for 10 min wind direction variability

6 結 論

利用廣東省徐聞縣西連鎮90 m測風塔在1409號超強臺風威馬遜登陸期間獲取的具備完整的臺風代表性的觀測數據以及處于臺風外圍的廣東省茂名市博賀鎮100 m測風塔的觀測數據，對臺風威馬遜不同位置以及不同下墊面的近地層強風特性進行了分析，西連測風塔觀測數據分析結果表明：

(1)測風塔各高度風速時程曲線呈明顯的“M”型分布特征，臺風前眼壁強風區的風速峰值略大于后眼壁強風區。各層風向差別較小，走勢基本一致，臺風中心經過測風塔前后，各層風向沿逆時針方向大幅偏轉約170°。

(2)風速隨高度增加而增大，風速廓線較好地符合對數和冪指數律，總體上對數函數對風速廓線的擬合效果優于冪指數函數。從前外圍強風區到前眼壁強風區，風速廓線冪指數和粗糙長度先是減少，隨后到眼區、后眼壁強風區和后外圍強風區，風速廓線冪指數和粗糙長度漸次增大，在后外圍強風區，風速廓線冪指數和粗糙長度最大，風速垂直切變最強，在前眼壁強風區，風速廓線冪指數和粗糙長度最小，風速垂直切變最弱。下墊面最粗糙的扇區3的風速廓線冪指數和粗糙長度最大。

(3)各層湍流強度和陣風系數在前外圍強風區或后外圍強風區較大，在前眼壁強風區或后眼壁強風區較小，湍流強度和陣風系數隨高度增加而減小，基本符合指數為負值的冪指數律。粗糙的陸地下墊面會使湍流強度和陣風系數增大。

(4)各層10 min的風向變率較為接近，外圍強風區和眼壁強風區的10 min風向變率變化較為平穩，而在眼區變動較為劇烈，在眼區，當風速達到最低值或次低值時，10 min風向變率幅值達到最大值。

博賀測風塔觀測數據分析結果表明其總體上與西連測風塔臺風前外圍和前眼壁強風區的情形相似。