台风条件下不同时距最大平均风速之间的转换系数研究

利用位于福建省漳浦县赤湖镇海岸线观测塔提供的三个登陆台风的四层超声风速仪观测数据,在数据质量控制基础上,研究不同下垫面条件下阵风因子与平均风速、观测高度,以及阵风时距的关系;在此基础上,给出不同时距最大平均风速之间的转换系数,从而在不同研究机构采用的表征登陆台风强度的1 min、2 min和10 min最大平均风速之间建立联系,并和WMO的推荐值进行比较。计算结果表明：粗糙度对阵风因子有显著影响,对转换系数影响较小;本文给出的2~10 min最大平均风速之间的转换系数和WMO的推荐值相差不大,表明计算结果是合理的,以及在相似地貌条件下利用WMO的推荐值进行强度估计具有一定的可靠性。     

环境风速垂直切变对西北太平洋热带气旋强度变化的影响

利用2000—2006年中国气象局《热带气旋年鉴》和NCEP再分析日资料,对环境风垂直切变对西北太平洋热带气旋（TC）强度变化的影响进行统计分析。首先比较了不同高度层之间、不同水平区域平均的全风速垂直切变和纬向风速垂直切变对TC强度变化的影响,结果表明,全风速切变对TC强度变化的抑制作用显著大于纬向风速垂直切变;以200～800 km的圆环区域平均计算的风速垂直切变与TC强度变化的负相关最显著;中高层的风速垂直切变与TC强度变化的相关优于中低层。其次,全风速切变大于8 m/s后抑制TC增强,且这种抑制作用存在6～60 h的滞后。全风速垂直切变大时,滞后时间较短:当全风速切变为8～9 m/s（9～10 m/s）时,TC强度在未来60（48） h开始减弱;当全风速切变大于10 m/s时,TC在6 h内开始减弱。最后,利用偏最小二乘回归建立TC强度变化的预报模型PLS-STIPSV。结果表明,加入风速垂直切变因子后对TC强度预报有所改进,并通过分析标准化回归系数进一步证实了上述的统计结果。      

河北地区边界层内不同高度风速变化特征

为了研究城市化进程对风速变化的影响,利用1971-2006年河北省境内邢台、张家口和乐亭3个探空站高空风观测资料和对应地面站风观测资料,统计分析了边界层内距地面10m、300m、600m、900m 4个高度的长期风速变化特征,比较了不同高度风速变化趋势的异同.分析结果表明:3站年和季节平均风速随着距地面高度的增加而变大,但最大的风速垂直递增率出现在从10m到300m之间;各站各高度层月平均风速具有明显的季节变化特征,春季风速最大,夏季较小;在近36年里,3站平均的地面(10m高)年和季节平均风速变化存在显著的减少趋势,300m以上各高度层平均风速一般也降低,但远没有地面明显;不同高度平均风速变化趋势的差异可能主要是由城市化以及台站附近观测环境的改变引起的,这使得地面风速明显减弱;但地面以上各层平均风速同样存在一定减弱现象,说明背景大气环流的变化也是地面风速下降的原因之一.     

复杂地形低风速气象特征分析

利用13个地面站和1个100 m气象塔的全年实测资料分析湖南中北部丘陵地区中尺度范围的低风速气象特征。结果表明：（1）该区域低风速出现频率高,小于15 m/s的风速出现频率年均达416%;（2）低风速与地形情况密切相关,区域内西部山地的低风速出现频率明显高于东部平原地区;（3）低风速的出现具有日变化特点,典型出现时间段是夜间至次日上午;（4）低风速条件下10 min平均风向多出现大角度变化的情况,60°以上的风向变化频率可达20%～30%。（5）水平风向标准差在低风速情况下明显增大,但观测仪器性能会对小风结果产生影响。     

基于测风塔数据的最大风速与极大风速 关系研究

利用辽宁省风能资源专业观测网2009年6月至2010年5月26座测风塔10—70 m(部分塔为100 m)高度的逐10 min梯度风观测数据,采用线性相关分析的方法,研究了近地层最大风速和极大风速的关系。结果表明:年内最大风速与极大风速多数出现在同一大风天气过程中,但极大风速并非主要发生在出现最大风速的20 min内;最大风速和极大风速易出现在午后和傍晚;极大风速与最大风速普遍具有较好的线性相关关系,日时距、10 min时距和大风条件下,日时距的相关性最好,平均相关系数达到0.970;不同时距和大风条件下,极大风速与最大风速的比值系数相差不大,但从相关性看可以考虑优先使用日时距样本的最大风速推算极大风速;随着高度的增加,极大风速与最大风速的比值系数减小,10 m高度日极大风速是日最大风速的1.42倍左右,70 m高度则是1.24倍左右,利用最大风速推算不同高度极大风速时不宜采用统一的比值系数。     

陕西省风速风向时空变化特征

利用陕西1971—2000年风速风向观测资料,分析了陕西风速风向空间分布特征及风速的日变化、月际变化、年际变化特征。结果表明,年平均风速较大的区域主要位于陕北长城沿线、渭北和黄河小北干流沿岸以及峡谷地带;各地盛行风向除受天气系统影响外,还受到地形地貌影响,不同区域主导风向差异甚大,变化复杂;陕北、关中年平均风速整体上呈现减小的趋势,各地减小幅度存在差异;平均风速存在明显的季节变化和日变化,2—6月平均风速较大,其余月份月平均风速较小,白天风速较大,夜间风速较小。     

登陆台湾岛热带气旋强度和结构变化的统计分析

利用1949—2008年共60年的《台风年鉴》、《热带气旋年鉴》资料及CMA-STI热带气旋最佳路径数据集,2001—2008年美国联合台风警报中心(JTWC)热带气旋尺度相关资料及日本气象厅(JMA)的TBB资料,统计分析西北太平洋(包括南海)热带气旋(TC)在登陆台湾过程中强度和结构变化的基本特征,主要结论有:(1)TC登陆台湾时强度为台风及以上级别的样本数占总样本数约60%,主要出现在6—9月,东部登陆TC的强度一般比在西部登陆的强;(2)大部分TC在岛上维持6 h左右,登陆时最大风速≤5级和强度为超强台风的TC穿越台湾岛时移动比较缓慢;(3)126个登陆台湾的TC样本过岛后近中心海平面气压平均增加5.61 hPa,近中心最大风速平均减小3.58 m/s,在台湾东部地区登陆TC的衰减率比在西部登陆的大3倍左右;(4)TC在登陆台湾前6 h至离岛后6 h期间其8级和10级风圈半径均明显减小,TC形状略呈长轴为NE-SW向的椭圆状,而其最大风速的半径却逐渐增大;(5)TBB分析结果显示,TC登陆台湾前,其外围对流主要出现在南侧和西侧,结构不对称,登陆以后,TC北部及东部的对流显著发展,外围结构区域对称;但中心附近的强对流则从登陆前6 h开始逐渐减弱消失。表明TC穿越台湾过程中内核结构松散、强度减弱。     

热带气旋对中国沿海风电开发的影响

利用1961-2006年热带气旋(TC)资料,选取进入距海岸3个纬距左右警戒区的TC为影响中国沿海风电开发的TC;根据风电工程风电机组(WTGS)安全等级,详细分析了影响中国沿海地区TC路径、强度、风力的气候特征,发现进入警戒区后台风和强热带风暴占59.5%,超强台风、强台风占总频数的21.5%;TC造成的10分钟平均最大风速40m·s~(-1)以上的区域集中在珠江口以东的广东沿海和海南东部沿海和浙闽交界处;登陆福建及以北沿海强度达台风以上的常造成≥25m·s~(-1)的强风,而在福建以南登陆并造成强风的为强热带风暴以上;福建中南部沿海TC大风的可利用率达80%以上;TC威胁风电机组安全的区域主要在浙江的中部沿海、浙闽交界处沿海和珠江口以东的广东沿海.     

台风影响上海时风速风向分布特征

用1971-2002年的气象资料,分析了不同路径台风影响上海时风速风向的分布特征。登陆台风影响时,上海南部地区风速最大,主导风向是偏东风;近海北上台风影响时,上海东部的风速最大,风向以东北偏北为主。城市的发展使台风影响上海时的风速明显减小。     

岳阳洞庭湖大桥桥位设计风速推算

利用岳阳气象站1953-2010年年最大风速观测资料,通过时距换算、高度换算及地形订正等处理,构建相当于开阔平地10m高度处10min平均年最大风速58年序列。根据极值Ⅰ型分布曲线,采用耿贝尔法计算出10m高处不同重现期(200年、100年、50年、20年、10年)基本风速,根据洞庭湖区测风塔与岳阳气象站相应时段10min平均月最大风速比值,外推得到岳阳洞庭湖大桥桥位设计风速。根据设计风速,取α=0.131,利用风速随高度变化的指数公式推算到300m以内各个高度层(70m内10m一层,70m以上间隔30m)最大风速。     

两次台风过程近地层湍流度和阵风因子分析

利用2005年台风"麦莎"和"卡努"期间青岛海岸实测三维风观测资料,挑选6个10 min平均风速≥8 m/s的强风时段,使用矢量分析方法研究台风影响华东地区时近地层的平均风速风向变化、湍流度和阵风因子变化等湍流特性,结果表明台风影响期间,近地层湍流脉动风速不稳定,水平方向、垂直方向风速风向快速变化;虽然台风"麦莎"、"卡努"入海地点不同,不同强风时段近地层湍流度差异也较大,但湍流强度都表现为Iu(横向)＞Iv(纵向)＞Iw(垂直向).两次台风影响过程不同强风时段近地层阵风因子的变化与湍流度的变化是一致的,在风速增大风向转变的时段,湍流度和阵风因子明显增大.     

登陆台风边界层风廓线特征的地基雷达观测

为了分析登陆台风边界层风廓线特征,利用2004—2013年中国东南沿海新一代多普勒天气雷达收集的17个登陆台风资料,采用飓风速度体积分析方法,反演登陆台风的边界层风场结构特征。与探空观测对比表明,利用雷达径向风场可以准确地反演登陆台风的边界层风场结构,其风速误差小于2 m/s,风向误差小于5°。所有登陆台风合成的边界层风廓线显示,在近地层(100 m)以上,边界层风廓线存在类似急流的最大切向风,其高度均在1 km以上,显著高于大西洋观测到的飓风边界层急流高度(低于1 km)。陆地边界层内低层入流强度也明显大于过去海上观测,这主要是由陆地上摩擦增大引起。越靠近台风中心,边界层风廓线离散度越大,其中,径向风廓线比全风速以及切向风廓线离散度更大。将风廓线相对台风移动方向分为4个象限,分析边界层风廓线非对称特征显示,台风移动前侧入流层明显高于移动后侧。最大切向风位于台风移动左后侧,而台风右后侧没有显著的急流特征,与过去理想模拟的海陆差异导致的台风非对称分布特征一致。     

On extraction of time-varying mean wind speed from wind record based on stationarity index

We have proposed in a previous study a non-stationary wind model to represent the typhoon record as a summation of a time-varying mean wind speed (TVM) and a stationary turbulence. This note further suggests a quantitative scheme, rather than the previous qualitative method, to find the best TVM for any given wind record. Trial TVMs are first extracted from the wind record by a data-processing technique named empirical mode decomposition. For each TVM, its corresponding turbulent component is computed by removing the TVM from the original wind record, and the degree of stationarity of the turbulence component is checked. The best TVM is taken as the one that leads to the maximum degree of stationarity. The degree of stationarity of turbulence is quantified by two indicators: ?? the ratio of horizontal wind variability and wind speed; and ?? the ratio of friction velocity at different Reynolds averaging periods. The applicability of the suggested scheme is validated with 550 typhoon and 3300 monsoon records of 10 minute duration and at different measurement heights. Threshold values for the two stationary indicators ?? and ?? are determined using field measurements and their sensitivities to the Reynolds averaging periods are discussed. Observations in this study demonstrate that the suggested scheme is proper for finding the TVM of a wind record. For a stationarity quantification of 10 minute duration record, the ?? indicator with 30 second Reynolds averaging period is recommended.     

上海徐家汇地区台风“灿鸿”与良态风风速特征

上海徐家汇地区建筑分布密集且高低不一,是典型的具有非均一下垫面特征的城市地貌。本文利用该地区的地理信息研究了粗糙度长度的分布规律,并基于80m高度的风速实测数据,对台风"灿鸿"和良态风作用下的平均风速、湍流强度、阵风因子等参数与粗糙度长度之间的关系进行了分析。结果表明:不同风向角对应的计算扇区内建筑物高度、分布密度的差别导致了粗糙度长度值随风向角发生明显变化,但是变化幅度随着计算扇区的增大而减小;台风"灿鸿"作用下的平均风速最大值大于良态风,两者对应的粗糙度长度变化范围差别甚微,但是台风作用下的粗糙度长度中位数较小且分布相对集中;台风"灿鸿"作用下各向湍流强度均随着平均风速的增加呈明显的减小趋势,但不随粗糙度长度变化;良态风作用下,各向湍流强度不随平均风速变化,而随着粗糙度长度的增加而增加;台风"灿鸿"和良态风作用下,各向阵风因子均随湍流强度的增加而增大,但前者作用下的阵风因子略大于后者。     

基于测风塔实测台风威马逊登陆过程的强风特性分析

利用广东省徐闻县西连镇90 m测风塔在1409号超强台风威马逊登陆期间获取的具备完整的台风代表性的观测数据以及处于台风外围的广东省茂名市博贺镇100 m测风塔的观测数据,对台风威马逊的近地层强风特性进行了分析,西连测风塔结果表明:风速时程曲线呈明显的"M"型分布特征,台风中心经过测风塔前后,风向沿逆时针方向大幅偏转约170°。风速随高度增加而增大,风速廓线较好地符合对数和幂指数律;台风过境前后,各强风区的风速廓线幂指数和粗糙长度呈先减小后增大的特点;粗糙陆地下垫面的风速廓线幂指数和粗糙长度较大。湍流强度和阵风系数在前外围强风区或后外围强风区较大,在前眼壁强风区或后眼壁强风区较小,湍流强度和阵风系数随高度增加而减小,基本符合指数为负值的幂指数律;粗糙下垫面对湍流强度和阵风系数有增大的作用。外围强风区和眼壁强风区的10 min风向变率变化较为平稳,而在眼区变动较为剧烈,在眼区,当风速达到最低值或次低值时,10 min风向变率幅值达到最大值。博贺测风塔结果表明其总体上与西连测风塔台风前外围和前眼壁强风区的情形相似。     

Hydrodynamic model of wind field in a moving typhoon

An algorithm is developed for solving the hydrodynamic equations describing wind field structure in a typhoon. The specific feature of the algorithm consists in solving an overdetermined set of equations: given radial profiles of pressure and vertical velocity component, horizontal wind components are found. Projection of angular momentum on tangential direction plays a role of “error of closure.” The calculated wind fields in resting and moving typhoons are presented. As an example, the whole lifecycle of Typhoon Ivan (September 2–17, 2004) is described in detail.     

利用多普勒雷达径向速度提取台风环境风场信息

应用蓝金模式模拟了纯气旋性旋转的多普勒雷达径向速度特征,还模拟了不同环境风向和吹向台风中心的辐合风对台风多普勒速度特征的影响。在此基础上,提出了雷达实测台风速度的特征和不同环境风向的速度数值模拟图进行比较,从而提取出相应环境风信息的方法,并应用这种环境风信息来判断台风的移动路径。通过对台风实例分析,特别是在台风发生转折的关键时刻,该方法都能够较准确地判断环境风转折的多普勒速度特征。应用多普勒雷达径向速度图像与不同环境风向模拟图像进行比较的方法,能够实时(雷达观测时间间隔仅为6 min)监测到环境气流的方向及其变化,比较准确地监测台风的移动路径,这是其他大尺度气象资料难以做到的。分析表明:环境风转向变化的现象在前,台风发生转折的现象在后,对台风路径的短时预报具有一定应用价值。     

基于模糊时间序列的华南台风登陆时最大风速极值预测模型

利用1995—2017年登陆华南地区的台风登陆时最大风速极值数据,构建基于模糊时间序列的台风登陆时最大风速极值预测模型,并将该模型与传统时间序列ARIMA模型作对比。其预测结果表明,模糊时间序列的平均绝对误差、平均相对误差和均方根误差分别为2.621 m·s-1、0.066和2.727 m·s-1,预测的精确度明显高于传统时间序列ARIMA模型,同时也表明将模糊时间序列应用于登陆时最大风速极值的预测能够获得较理想的预测结果。     

超强台风“威马逊”登陆期间近地层风速变化特征分析

利用1409号超强台风“威马逊”登陆广东徐闻期间勇士风电场观测数据,计算分析了“威马逊”风切变、湍流强度、阵风系数和风向等的时程变化特征,拟为沿海台风影响严重区域输电线路设计和风电机组选型提供参考依据。分析发现“威马逊”风切变指数相比年平均风速(即常态风)切变指数减小,随台风中心逼近和经过呈现先减小再增大的规律;台风中心过后风向回南之后,幂指数函数拟合较差。阵风系数呈现随高度增加而减小的趋势,该趋势在台风中心经过前较好地吻合幂函数,而在台风中心经过后吻合较差;各高度阵风系数以及不同高度之间的差值随台风中心逼近、风速增加而趋于减小,随台风中心远离、风速下降而缓慢增大。湍流强度随高度增加而减小,强风时段湍流强度较小且相对平稳,轮毂高度处湍流强度基本不超IEC-B类。测站位于台风中心路径右侧眼壁区时,所测风向随时间呈顺时针旋转。      

有限区域流函数和速度势的计算及其在台风中应用

在Endlich提出求解旋转风和辐散风基础上,本文给出了直接利用风场迭代计算流函数和速度势的方法,该方法不但能求解流函数和速度势,还可将原始风场直接分解为旋转风和辐散风。此方法在有限区域中,能大大降低边界条件对计算结果的影响,不仅能计算准确的涡度和散度,还能很好的重建原始风场。采用此方法,对"0808"号台风"凤凰"进行了诊断分析,得到了台风不同时期的流函数和速度势、旋转风和辐散风。结果发现在台风的不同时期,流函数与高度场相似,可用其低值中心来分析台风移动路径和强度的变化,速度势存在高值区,其中心与高度场低值中心不吻合;旋转风的涡旋中心也可用来反映台风中心,台风南侧辐散风较大,故可用来反映南方水汽供应对台风发展、成熟、衰退的影响。