熱帶氣旋風場模型影響因素和精確度驗證方法研究

趙文晴

（天津市建筑工程職工大學，天津 300074）

熱帶氣旋的形成主要是由于海面溫度相對較高，為了避免或減少熱帶氣旋帶來的損失，各國學者開始建設模擬熱帶氣旋風場。現(xiàn)在熱帶氣旋風場建模方法在世界各地各領域廣泛用于估算建筑結(jié)構(gòu)應承受的最大風速并進行結(jié)構(gòu)設計，同時被業(yè)界用于評估熱帶氣旋風險、估算保險費率。熱帶氣旋風場建模也可助于開發(fā)風暴潮模型，用于評估沿海洪水，有助于確保建筑物樓層的最低標高，避免不必要的損失。

1 氣旋風場模型的發(fā)展歷史

模型的演變包括三個主要部分：單站點概率模型、熱帶氣旋路徑模型和熱帶氣旋風場模型。

單站點概率模型最早由Russel 在他的文獻中提出，他提出并描述了模擬方法。從那時起，不斷有其他學者改進這種方法，包括Trygvason、Batts、Georgiou、Neumann 以及Vickery 和Twisdale 等。使用這種方法的過程是相似的，包括獲得熱帶氣旋關鍵參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，使用蒙特卡羅方法分析統(tǒng)計參數(shù)和樣本的分布，記錄建模風速，并使用數(shù)學方法畫一條線來表示采樣的數(shù)據(jù)。

Vickery 研究團隊在2000 年首次提出了熱帶氣旋路徑模型。他們提出了一種模擬熱帶氣旋路徑的方法[1]。熱帶氣旋路徑建模方法將研究范圍擴大到更大的范圍，而不是特定的小區(qū)域。跟蹤模型可以對熱帶氣旋沿海岸線的整個運動軌跡的風速和風險進行建模。還有其他人對這種方法進行了改進和擴展，包括Powell、Hall和Jewson、James和Mason，Emanuel、Lee 和Rosowsky。

熱帶氣旋風場建模有三個步驟。首先，利用中心壓力、最大風半徑、平移速度等關鍵參數(shù)來估計梯度高度的風速，假設這個速度等于平均風速。其次，利用大氣邊界層的概念，假設中性點的穩(wěn)定性，使梯度風速滿足特定高度的平均風速。最后，使用陣風系數(shù)來調(diào)整平均風速取決于地形和平均時間。Georgiou 是第一個使用熱帶氣旋風場建模的人，Vickery 等人也使用這種方法對熱帶氣旋進行了建模。

2 熱帶氣旋風場建模的意義

熱帶氣旋風場模型用于估計熱帶氣旋造成的風險[2]。熱帶氣旋的風險很多，包括經(jīng)濟風險、洪水風險、安全風險和其他風險[3]。在現(xiàn)代國家，熱帶氣旋風場模型被應用于許多領域。

一是這個模型可以用于測試風速。將該速度與風洞試驗數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用估計的風荷載設計臺風區(qū)的結(jié)構(gòu)。這種方法可以使設計的結(jié)構(gòu)更加安全和穩(wěn)定。估計的風速也可以幫助政府確定將用于建筑標準的設計速度。

二是這種方法可以模擬沿海風險。例如，使用此方法可以評估風暴潮高程和波高。為了使生活在臺風地區(qū)的人們免受危險，測試數(shù)據(jù)可用于確定建筑物樓層的標高。

三是熱帶氣旋風場模型可以用于獲得保險損失估計。銀行和保險領域可以使用它來估計損失和評估保險費率。

四是這種方法可以提高結(jié)構(gòu)和設施的要求。由于人們可以使用這種方法來估計危險區(qū)域的最大損失，因此設計師需要進行更精確的設計，以提高基礎設施的穩(wěn)定性。精確的設計可以盡可能地減少損壞，提高安全性。

3 氣旋風場模型精確度影響因素

3.1 折減系數(shù)與海陸過渡

在獲得梯度風場模型后，確定Vg，即梯度高度的平均風速。所得到的風速需要根據(jù)表層速度進行調(diào)整，選擇相應的高度為海面或地面以上10m。為了實現(xiàn)速度調(diào)整，可以使用邊界層模型和折減系數(shù)。

海面上流動風的折減系數(shù)從0.950 到0.650 不等。Schwerdt 給出了最高值0.950，Sparks 和Huang 給出了最低值0.650，Batts 在估算中選擇了0.865 的值，Georgiou對遠離云墻和靠近云墻的區(qū)域分別采用了0.750和0.825的值。

至于與地面相對應的折減系數(shù)，上述四個例子與海上因素不同。在內(nèi)陸19km 的地區(qū)，對于Schwerdt的研究，折減系數(shù)降至0.745。在其他研究者的結(jié)論中，折減系數(shù)也均有所下降，分別為Sparks 和Huang 得出0.450、Georgiou研究中的0.620和Batts采用的0.740。對比折減系數(shù)的變化，可以發(fā)現(xiàn)在風從海洋向地面移動的過程中，風速有所降低。速度降低了11%～22%。不過這個樣本數(shù)據(jù)沒有提到地面的粗糙度，但實際上，地面上是有粗糙度影響存在的。

在Powell 的研究中，一開始使用80%的邊界層風速作為平均表面風速來進行建模，相應的折減系數(shù)V10/Vg=0.73，但數(shù)值會因風速的變化而發(fā)生變化。在Powell 后續(xù)的研究中，他們將比例從80%改為78%。在海陸過渡過程中，采用了無上限阻力系數(shù)模型來評估海面的粗糙度，然后使用地形轉(zhuǎn)換模型來確定平均風速的降低。這些數(shù)據(jù)的選用是來源于對探空儀數(shù)據(jù)的分析，得出的五點信息：第一，在較低的200m 處，邊界層內(nèi)的風速剖面看起來是對數(shù)廓線；第二，海面10m 高度處的平均風速等于500m 以下時平均邊界層風速的78%；第三，10m 高度的平均風速等于梯度風速的71%；第四，海面的阻力系數(shù)隨風速的變化而變化，當平均風速低于40m/s 時，阻力系數(shù)隨著風速的增加而增加，當平均風速超過40m/s 時，阻力系數(shù)隨著風速的增加而減小；第五，邊界層的高度隨著風速的增加而減小。

Vickery 在研究中也分析了探空儀數(shù)據(jù)，結(jié)果是邊界層的高度隨著慣性穩(wěn)定性的增加而減小。將他們的結(jié)果與Powell 的分析進行比較，第一點是相同的，這意味著邊界層在較低的200m 處是風速與高度是對數(shù)相關的。

Vickery 研究給出的平均風速的計算公式為[4]：

對于陸地風速的分析，探空儀數(shù)據(jù)幫助不大，因此需要使用有效的模型來估計邊界層的情況。Vickery通過研究使用并修改了Kepert 在2001 年提出的BL 理論，用來估計邊界層高度的變化[5]。圖1 顯示了過渡風速的比率隨邊界層高度的變化而變化。

圖1 過渡風速的比值隨邊界層高度的變化而變化

上述研究是關于將風速轉(zhuǎn)換為10m 高度的表面風速。當風在陸地上移動時，會有另一個系數(shù)來顯示陸地變化所造成的影響，常用的是使用陣風系數(shù)。

3.2 熱帶氣旋陣風系數(shù)

在許多計算中，需要使用的風速并不是平均風速。例如，在估計峰值陣風、短時平均風和其他一些風時，需要使用陣風系數(shù)。因此，陣風因子模型已經(jīng)用于熱帶氣旋風場建模。

Batts 等人在1980 年使用的陣風模型由Durst 于1960 年出版。Krayer 和Marshall（1992）描述了另一個陣風模型，該陣風因子模型的測試數(shù)據(jù)表明，熱帶氣旋的陣風因子大于與熱帶氣旋外風速有關的陣風因子。施羅德等人（2002）和施羅德和史密斯（2003）的研究使用了熱帶氣旋邦妮的信息，也表明了與Krayer 和Marshall（1992）相同的熱帶氣旋陣風因素。

還有一些人有不同的意見。Sparks 和Huang（1999）描述說，根據(jù)大量的風速記錄，幾乎沒有任何證據(jù)表明熱帶氣旋陣風因素大于溫帶風暴的因素。Vickery 和Skerlj（2005）通過使用Krayer 和Marshall（1992）使用的數(shù)據(jù)得出了相同的結(jié)論。事實上，Sparks 和Huang（1999）以及Vickery 和Skerlj（2005）的研究都認為，熱帶氣旋的陣風因素更大是由于陸地的粗糙，他們認為，陸地的粗糙度大于開放區(qū)域的粗糙度，這是導致陣風系數(shù)更大的原因。Miller（2006）同意Vickery 和Skerlj（2005）的觀點。Masters（2005）還分析了大量熱帶氣旋的數(shù)據(jù)，得出的結(jié)論是熱帶氣旋陣風因子與溫帶風暴因子沒有差異，這支持了Vickery 和Skerlj（2005）的結(jié)論。

4 氣旋風場模型驗證方法

4.1 氣旋風場模型驗證步驟

模型精確度的驗證方法：

第一步是對比梯度風場建模Vg。梯度風場建模涉及的因素包括熱帶氣旋的平移速度、Coriolis 參數(shù)、旋轉(zhuǎn)風速、中心壓差等，然后還需要考慮風速衰減系數(shù)V10?Vg和海陸過渡。風速的降低與表面粗糙度或其他一些折減系數(shù)有關。

第二步是使用熱帶氣旋陣風系數(shù)來確定陣風風速的估計值。因為在許多模型應用中，需要使用的風速與平均風速不同。陣風系數(shù)模型將用于熱帶氣旋風場建模。

最后一步是進行熱帶氣旋風場模型驗證。驗證的第一種方法是將模型估計的風速與實際風場中測得的風速進行比較。驗證應包括平均風速、陣風風速、風向和壓力的比較。另一種驗證方法是在同一特定時間拍攝真實熱帶氣旋風場和模擬風場的快照。比較這兩個快照中的所有觀察值。這種方法中采用的真實熱帶氣旋風場圖是根據(jù)H*Wind 分析得出的。

4.2 實際風速與模擬風速比較

在熱帶氣旋風場建模過程中，一件重要的事情是使用該模型來測量風速，并將結(jié)果與真實熱帶氣旋中記錄的風速進行比較。Georgiou（1985）在熱帶氣旋風場模型中測試了風速和風向隨時間的變化[6]。Vickery和Twisdale（1995b）以及Vickery等人（2000a）的研究對平均風速和陣風風速進行了測試。在接下來的研究中，還檢查了表面壓力，這可以確保模型能夠模擬風場，而不會影響壓力場。

精確的驗證可以驗證模型中的誤差，但一些良好的驗證可能會受益于建模中使用的其他因素。在驗證中，選擇了表面風速，而不是梯度風速。因此，驗證只能驗證表面風速，而對于高空風則無法進行檢查。然而，在某些情況下，例如高層建筑的估計，由于表面風和高空風之間的差異很大，因此高空風的驗證很重要。在觀測到的和模擬的峰值陣風風速的比較中發(fā)現(xiàn)，模擬峰值陣風風速的結(jié)果與觀測到的結(jié)果相似。但由于許多因素，如高度、土地條件、參數(shù)Holland B和RMW的估計值等，模型值和觀測值之間存在細微差異。