臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型研究進(jìn)展

臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型研究進(jìn)展

1臺(tái)風(fēng)大風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)估方法熱帶雨林是指非鋒面系統(tǒng)的非鋒面組成，形成在熱帶或副熱帶洋面上有組織的扇氣流，并確定為空氣動(dòng)力學(xué)的地方風(fēng)流周期（吳榮生，1999）。中國(guó)按照風(fēng)速大小將熱帶氣旋分為熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。考慮到中國(guó)對(duì)熱帶氣旋命名的傳統(tǒng)習(xí)慣及簡(jiǎn)潔性,下文將熱帶氣旋統(tǒng)稱為臺(tái)風(fēng)。中國(guó)地處北太平洋西岸,臺(tái)風(fēng)災(zāi)害發(fā)生頻率高、影響范圍廣、突發(fā)性強(qiáng)、群發(fā)性顯著和成災(zāi)強(qiáng)度大,是遭受臺(tái)風(fēng)災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一(梁必騏等,1995)。近幾年,中國(guó)東南沿海各省先后遭受“云娜”、“達(dá)維”、“碧利斯”、“桑美”、“圣帕”、“納沙”等強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng),造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。僅2012年8月份,就有4場(chǎng)達(dá)到強(qiáng)熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度等級(jí)以上的熱帶氣旋登陸中國(guó),其中3場(chǎng)達(dá)到臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度等級(jí)。隨著中國(guó)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,從定量角度評(píng)估臺(tái)風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越重要。臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的致災(zāi)因子有大風(fēng)、暴雨、風(fēng)暴潮、海浪及其他次生致災(zāi)因子等,其中大風(fēng)的危險(xiǎn)性評(píng)估是風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要組成部分,也是風(fēng)暴潮、海浪等其他致災(zāi)因子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的前提。臺(tái)風(fēng)大風(fēng)危險(xiǎn)性可通過(guò)不同風(fēng)速發(fā)生的概率或超越概率來(lái)刻畫,也可通過(guò)繪制一定重現(xiàn)期下風(fēng)速的空間分布圖來(lái)描述,前者是固定空間屬性,建立可能發(fā)生的大風(fēng)強(qiáng)度與時(shí)間(用概率體現(xiàn))的關(guān)系;后者是固定時(shí)間屬性,建立可能發(fā)生的大風(fēng)強(qiáng)度與空間的關(guān)系。臺(tái)風(fēng)大風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)估方法大致可以分為3類:第1類直接基于氣象站點(diǎn),利用歷史風(fēng)速觀測(cè)值的時(shí)間序列,運(yùn)用極值分布函數(shù)等,直接計(jì)算各站點(diǎn)風(fēng)速重現(xiàn)期。第2類一般面向一個(gè)小區(qū)域,該方法主要過(guò)程為:(1)選取經(jīng)過(guò)研究區(qū)域一定范圍內(nèi)的歷史臺(tái)風(fēng)樣本,統(tǒng)計(jì)臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)的概率分布;(2)在此基礎(chǔ)上采用MonteCarlo方法抽樣獲得關(guān)鍵參數(shù)組合,利用臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型計(jì)算研究區(qū)域任意點(diǎn)的風(fēng)速序列;(3)采用極值理論統(tǒng)計(jì)得到極值風(fēng)速的概率分布,進(jìn)而計(jì)算不同重現(xiàn)期的風(fēng)速。Russell(1968)在對(duì)墨西哥灣臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)估時(shí)即采用此方法。類似應(yīng)用研究還有很多,例如,Huang等(2001)在評(píng)估美國(guó)東南部住房風(fēng)險(xiǎn)時(shí),采用此方法計(jì)算了極值風(fēng)速;國(guó)內(nèi)研究者歐進(jìn)萍等(2002)、趙林等(2005)、李瑞龍(2007)、湯海濤(2008)、Xiao等(2011)也采用類似的方法對(duì)中國(guó)東南沿海各城市的極值風(fēng)速進(jìn)行了預(yù)測(cè)。第3類是基于全臺(tái)風(fēng)路徑模型的危險(xiǎn)性評(píng)估,能夠彌補(bǔ)歷史樣本不足,但是過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。該方法主要基于MonteCarlo抽樣方法,分別建立起始點(diǎn)模型、行進(jìn)模型、終止點(diǎn)模型、洋面強(qiáng)度模型以及陸地衰減模型,模擬符合歷史規(guī)律的大量臺(tái)風(fēng)路徑樣本(方偉華等,2012),在此基礎(chǔ)上計(jì)算極值風(fēng)速。國(guó)外已有一些研究采用該方法評(píng)估沿岸颶風(fēng)大風(fēng)危險(xiǎn)性,并廣泛應(yīng)用于對(duì)概率分布計(jì)算精度要求較高的颶風(fēng)災(zāi)害保險(xiǎn)等領(lǐng)域(Emanueletal,2005;Powelletal,2005;Vickeryetal,2000b),以及風(fēng)工程規(guī)范領(lǐng)域(Wangetal,2012;Xiaoetal,2011)。國(guó)內(nèi)在臺(tái)風(fēng)路徑隨機(jī)模擬方面開展了一些研究(程鴻,2009;石先武,2012),并開始以此為基礎(chǔ)結(jié)合風(fēng)場(chǎng)模型進(jìn)行區(qū)域臺(tái)風(fēng)大風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)估。臺(tái)風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要對(duì)區(qū)域臺(tái)風(fēng)大風(fēng)的樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)概率規(guī)律研究,需要生成大量臺(tái)風(fēng)隨機(jī)事件(如設(shè)定時(shí)長(zhǎng)1萬(wàn)年),并進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬。因此,面向臺(tái)風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)用需求,選擇適用的風(fēng)場(chǎng)模型既要滿足模擬精度要求,還要兼顧計(jì)算效率。不同的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)計(jì)算方法各具特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。諸如MM5、WRF等中尺度大氣模式一般用于預(yù)報(bào)或案例分析,其動(dòng)力學(xué)機(jī)制描述清晰,但計(jì)算量偏大,洋面上的臺(tái)風(fēng)風(fēng)速模擬效果較好,陸上模擬精度尚需要改進(jìn)。半經(jīng)驗(yàn)半數(shù)值風(fēng)場(chǎng)模型,例如Shapiro風(fēng)場(chǎng)(Shapiro,1983)、CE風(fēng)場(chǎng)(Tompsonetal,1996)、YanMeng風(fēng)場(chǎng)(Mengetal,1995)等,以及參數(shù)化風(fēng)場(chǎng)模型也可用于風(fēng)場(chǎng)模擬。一般來(lái)說(shuō),數(shù)值模擬具有更高的精度,但其模型較為復(fù)雜,計(jì)算量大,目前還不適合與隨機(jī)路徑及強(qiáng)度模擬結(jié)合使用進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。因此,數(shù)值風(fēng)場(chǎng)非本文綜述內(nèi)容。參數(shù)化風(fēng)場(chǎng)模型能反映臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)基本特征,計(jì)算較為簡(jiǎn)便,也能取得較為精確的模擬效果,在臺(tái)風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)以及風(fēng)暴潮模擬等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文面向?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的需求,首先,選取適合開展大樣本臺(tái)風(fēng)事件計(jì)算的參數(shù)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型并對(duì)其各子部分進(jìn)行綜述;然后,討論國(guó)內(nèi)外關(guān)于地表粗糙度、地形、陣風(fēng)因子以及海陸轉(zhuǎn)換因素對(duì)于風(fēng)速修正的理論及應(yīng)用狀況;最后,對(duì)風(fēng)場(chǎng)模型的應(yīng)用狀況進(jìn)行評(píng)述。2基于特定風(fēng)廓線函數(shù)的梯度風(fēng)場(chǎng)模擬參數(shù)風(fēng)場(chǎng)模型通過(guò)輸入中心氣壓、最大風(fēng)速半徑、徑向風(fēng)廓線形狀系數(shù)、移動(dòng)速度以及移動(dòng)方向等關(guān)鍵參數(shù),基于特定風(fēng)廓線函數(shù)便能計(jì)算出梯度風(fēng)場(chǎng);在此基礎(chǔ)上考慮下墊面情況,利用邊界層模型計(jì)算梯度風(fēng)速到距地表10m處風(fēng)速的折減系數(shù),獲得近地表風(fēng)場(chǎng)。本節(jié)分別對(duì)關(guān)鍵參數(shù)估算、梯度風(fēng)場(chǎng)模擬以及邊界層模型展開綜述。由于移動(dòng)速度與移動(dòng)方向可通過(guò)臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)獲取,故其確定方法不在本文探討。2.1臺(tái)風(fēng)重要參數(shù)的估算2.1.1基本風(fēng)壓關(guān)系早期的探空儀觀測(cè)和船舶探測(cè)積累了許多可靠的臺(tái)風(fēng)近中心最低海平面氣壓資料,而與災(zāi)害更為相關(guān)的風(fēng)速資料卻十分缺乏(Knaffetal,2007)。因此,一些研究致力于探索臺(tái)風(fēng)中心氣壓與最大風(fēng)速的平均關(guān)系,并依此作為最大風(fēng)速與中心氣壓間的換算依據(jù)?；撅L(fēng)壓關(guān)系是在梯度平衡方程的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)的:式中:V風(fēng)壓關(guān)系中,參數(shù)A和B的取值受數(shù)據(jù)所限,會(huì)因擬合樣本量的變化而變化。另外,不同強(qiáng)度、不同緯度帶的風(fēng)壓關(guān)系有所不同(Knaffetal,2007),近年來(lái)一些新的研究考慮臺(tái)風(fēng)尺度、移動(dòng)速度等因素,分強(qiáng)度分緯度對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)壓關(guān)系進(jìn)行了改進(jìn)(Knaffetal,2007;鄒燕等,2009)。2.1.2對(duì)現(xiàn)代風(fēng)力壓縮方法對(duì)srw的應(yīng)用研究最大風(fēng)速半徑(RMW)對(duì)于風(fēng)速和氣壓的模擬有重要影響。西北太平洋海域RMW觀測(cè)數(shù)據(jù)短缺,在20世紀(jì)60年代,開展了臺(tái)風(fēng)RMW航空探測(cè),獲取了173個(gè)臺(tái)風(fēng)RMW樣本(Schwerdtetal,1979)。2001年后,美國(guó)聯(lián)合警報(bào)中心(JointTyphoonWarningCenter,JTWC)整編的臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)中開始包含RMW信息(JTWC,2012)。由于實(shí)測(cè)RMW數(shù)據(jù)不足,國(guó)內(nèi)外許多研究采用統(tǒng)計(jì)或物理模型,利用其他臺(tái)風(fēng)參數(shù)計(jì)算RMW,主要有4類方法。(1)基于歷史數(shù)據(jù)對(duì)RMW與中心氣壓、最大風(fēng)速、緯度等參數(shù)進(jìn)行直接擬合并依此推算RMW。研究普遍認(rèn)為RMW與中心氣壓差具有負(fù)相關(guān),而與緯度具有正相關(guān)關(guān)系(Vickeryetal,2008)。國(guó)外一些研究通過(guò)對(duì)Ho等(1987)提供的RMW數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,認(rèn)為RMW服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,其中位數(shù)是中心氣壓差以及緯度的函數(shù)(Powelletal,2005;Vickeryetal,2008)。國(guó)內(nèi)一些研究采用上述形式,利用JTWC數(shù)據(jù)集對(duì)RMW進(jìn)行了重新擬合(陳德文,2006;李瑞龍,2007)。(2)基于經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)模型,建立其他等級(jí)風(fēng)圈半徑向RMW的轉(zhuǎn)換關(guān)系。雷小途和陳聯(lián)壽采用Bogus臺(tái)風(fēng)切向風(fēng)模型,實(shí)現(xiàn)了RMW與8級(jí)風(fēng)圈半徑之間的轉(zhuǎn)換(雷小途等,2005);還有一些研究從天氣圖中讀取臺(tái)風(fēng)6級(jí)風(fēng)圈半徑信息,并依此轉(zhuǎn)換成RMW,其轉(zhuǎn)換系數(shù)由6級(jí)風(fēng)速與最大風(fēng)速的比值決定(江志輝,2007;李小莉等,1995),該方法也在后續(xù)的一些研究中被應(yīng)用(李茜等,2003;肖玉鳳,2011)。(3)基于臺(tái)風(fēng)地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?采用誤差分析法確定最優(yōu)RMW。Fujii等(1998)首次采用該方法計(jì)算,并在隨后的一些日本臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)估研究中得到應(yīng)用(Fujiietal,2002;Matsuietal,2002)。該方法具體步驟為:(1)根據(jù)Holland(1980)的氣壓分布方程,設(shè)定HollandB系數(shù)為1,選取一個(gè)較小的RMW初值,采用最小二乘法計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)模擬的氣壓與實(shí)測(cè)氣壓的均方根誤差;(2)按一定的步長(zhǎng)逐步增大RMW,同時(shí)計(jì)算此時(shí)的均方根誤差;(3)選取均方根誤差最小時(shí)的RMW值為最優(yōu)最大風(fēng)速半徑。Vickery等在分析HollandB系數(shù)與RMW關(guān)系時(shí)也采用了類似的方法獲得了北大西洋颶風(fēng)的RMW樣本(Vickeryetal,2008)。(4)通過(guò)理論模型推導(dǎo)RMW。該類方法不依賴觀測(cè)數(shù)據(jù),僅通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)計(jì)算RMW。例如,胡邦輝等引入藤田氣壓場(chǎng)模型,在臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速已知的條件下,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化和推導(dǎo),得到了呈穩(wěn)定狀態(tài)的海面移動(dòng)非對(duì)稱臺(tái)風(fēng)RMW的計(jì)算方案(胡邦輝等,2004)。上述4類方法中,第1類從RMW樣本出發(fā),不受風(fēng)場(chǎng)模型制約,并且計(jì)算最簡(jiǎn)單;第2類計(jì)算較簡(jiǎn)單,并且具有一定的理論意義,但較依賴于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性;第3類獲得的是假想RMW,能減少一定誤差但計(jì)算量較大;第4類計(jì)算復(fù)雜,對(duì)于基于大樣本的臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)估來(lái)說(shuō)計(jì)算量太大。2.1.3參數(shù)b的區(qū)域分布規(guī)律Holland在1980年引入形狀參數(shù)HollandB,提出了一種新的氣壓剖面模型(Holland,1980)。該模型可根據(jù)臺(tái)風(fēng)實(shí)況選擇不同的參數(shù)B,從而計(jì)算不同的氣壓剖面,增強(qiáng)了模型的適用性。HollandB系數(shù)對(duì)風(fēng)速?gòu)较蚍植继卣饕约白畲箫L(fēng)速的模擬有重要影響,國(guó)外許多研究針對(duì)不同海域,分析了HollandB系數(shù)與其他臺(tái)風(fēng)參數(shù)的相關(guān)性,并建立了經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方程。例如,針對(duì)澳大利亞海域,Love等(1985)發(fā)現(xiàn)參數(shù)B與中心壓差存在弱的對(duì)數(shù)關(guān)系,并給出了參數(shù)B的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式;而Harper等(1999)認(rèn)為參數(shù)B與中心氣壓線性相關(guān)(引自Harper,2002)。針對(duì)北大西洋,Powell(2009)認(rèn)為參數(shù)B與RMW以及臺(tái)風(fēng)中心所在緯度線性相關(guān),而與臺(tái)風(fēng)中心氣壓關(guān)系不大;一些研究者根據(jù)梯度平衡方程對(duì)27場(chǎng)颶風(fēng)1300個(gè)徑向剖面上層風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到參數(shù)B的樣本,并且發(fā)現(xiàn)參數(shù)B與RMW以及緯度負(fù)相關(guān),與中心氣壓差關(guān)系很弱(Vickeryetal,2000a;Willoughbyetal,2004)。Holland(2008)利用多源數(shù)據(jù)重新擬合了風(fēng)壓關(guān)系,消去了臺(tái)風(fēng)尺度的影響,并且給出了參數(shù)B關(guān)于中心氣壓差、中心氣壓變化速率、緯度以及臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度的函數(shù)關(guān)系式(Holland,2008)。針對(duì)孟加拉灣,Jakobsen等(2004)對(duì)梯度平衡方程進(jìn)行簡(jiǎn)化,推導(dǎo)出HollandB系數(shù)關(guān)于最大風(fēng)速的函數(shù)。受實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所限,西北太平洋的HollandB系數(shù)研究較少見(jiàn)。國(guó)內(nèi)對(duì)于HollandB系數(shù)的研究主要集中于國(guó)外模型的區(qū)域性應(yīng)用,關(guān)于HollandB系數(shù)的區(qū)域分布規(guī)律分析研究也已初步開展。段忠東結(jié)合CE風(fēng)場(chǎng)模型,考察了HollandB系數(shù)對(duì)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響,并且采用Jakobsen方法對(duì)2場(chǎng)近海臺(tái)風(fēng)的參數(shù)B進(jìn)行了標(biāo)定(段忠東等,2005);肖玉鳳等比較了多種參數(shù)B計(jì)算方法對(duì)CE風(fēng)場(chǎng)模擬精度的影響,認(rèn)為國(guó)外的參數(shù)B計(jì)算方法應(yīng)用于中國(guó)海域不確定因素太大(肖玉鳳,2009)。對(duì)于HollandB系數(shù)的區(qū)域分布規(guī)律分析研究,林偉等(2013)基于海南省歷史臺(tái)風(fēng)地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),比較了7種HollandB系數(shù)計(jì)算方法對(duì)風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果的影響,優(yōu)選出適用性較好的HollandB參數(shù)模型,在此基礎(chǔ)上計(jì)算了西北太平洋海域歷史臺(tái)風(fēng)中心的HollandB系數(shù)并對(duì)其空間分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)低緯度地區(qū)比高緯度地區(qū)更易出現(xiàn)高HollandB值的臺(tái)風(fēng)。由于HollandB系數(shù)的取值不僅由臺(tái)風(fēng)本身特征決定,還與區(qū)域有關(guān)。因而,在進(jìn)行區(qū)域臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)估時(shí)應(yīng)選擇適用于該區(qū)域HollandB系數(shù)計(jì)算方法,以保證風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。2.2風(fēng)場(chǎng)建模和風(fēng)場(chǎng)研究梯度風(fēng)場(chǎng)模型用于模擬在足夠高的高度處(定義為梯度層,忽略地面摩擦的影響)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速分布特征。梯度風(fēng)場(chǎng)模擬通常有2種方法。(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)固定氣壓剖面,即氣壓分布由固定的函數(shù)決定,當(dāng)中心氣壓以及RMW確定后,風(fēng)速分布就確定了。此類模型中具有代表性的有Bjerknes(1921)、Takahashi(1939)、Fujita(1952)、Myers(1954)等模型(引自陳孔沫,1981)。(2)可變氣壓剖面,即可通過(guò)系數(shù)調(diào)整氣壓剖面函數(shù)形式。Holland(1980)建立的模型引入了HollandB系數(shù),開創(chuàng)了該類方法的先河。隨后,Georgiou(1983)、Thompson等(1996)的研究以Holland氣壓場(chǎng)模型為基礎(chǔ),發(fā)展了新的風(fēng)場(chǎng)模型。(2)根據(jù)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(chǎng)。常見(jiàn)的有Rankine模型(陳孔沫,1994)、Jelesnianski(1965)模型、Miller(1967)模型等。由于上述模型并不能很好地刻畫各地真實(shí)風(fēng)場(chǎng),國(guó)內(nèi)許多研究對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。例如,陳孔沫提出了一種新的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)計(jì)算方法,改進(jìn)了Rankine渦風(fēng)場(chǎng)模型以及Jelesnianski的風(fēng)場(chǎng)模型(陳孔沫,1994);此外,徐家雋等(1988)、章家琳等(1989)、雷小途等(2005)也對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)構(gòu)建及應(yīng)用展開了系統(tǒng)研究。臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的模擬中,為了反映出風(fēng)場(chǎng)的不對(duì)稱性,常把臺(tái)風(fēng)看作是兩部分風(fēng)疊加的結(jié)果,一部分是臺(tái)風(fēng)中心不移動(dòng)的圓對(duì)稱風(fēng)場(chǎng),另一部分是與臺(tái)風(fēng)移速有關(guān),并隨距臺(tái)風(fēng)中心距離增大而逐漸減小的移行風(fēng)場(chǎng)(閻秉耀,1984)。常見(jiàn)的移行風(fēng)場(chǎng)有宮崎正衛(wèi)Miyazaki(1961)、Jelesnianski(1965)和上野模型(陳孔沫,1992)。中國(guó)學(xué)者在移行風(fēng)場(chǎng)研究方面做了大量工作,例如,陳孔沫(1982)提出了適用于一般臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的移行風(fēng)場(chǎng)計(jì)算方法;隨后他又提出了新的移行臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型,對(duì)宮崎正衛(wèi)、Jelesnianski和上野模型都進(jìn)行了改進(jìn)(陳孔沫,1988)。為避免合成圓對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)與移行風(fēng)場(chǎng)的系數(shù)調(diào)整問(wèn)題,閻秉耀(1984)提出了考慮氣塊運(yùn)動(dòng)軌跡曲率的獨(dú)立梯度風(fēng)方程,能較好地模擬臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)不對(duì)稱性。2.3線性化臺(tái)風(fēng)模型能夠致災(zāi)的臺(tái)風(fēng)大風(fēng)通常指的是近地表大風(fēng)。在得到平均梯度風(fēng)速后,需要將其轉(zhuǎn)化為近地表風(fēng)速。臺(tái)風(fēng)邊界層的感熱、潛熱和動(dòng)量的垂直輸送對(duì)臺(tái)風(fēng)的發(fā)生發(fā)展起著十分重要的作用,直接影響了風(fēng)速的垂直分布(Alexander,2000)。許多學(xué)者采用邊界層模型,對(duì)風(fēng)速折減因子展開研究。一些學(xué)者將折減因子取為定值,比如Schwerdt等(1979)取為0.95,Batts等(1980)取為0.865,Georgiou(1985)在臺(tái)風(fēng)眼壁處取0.825,遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)眼壁處取0.75,Sparks等(2001)取為0.65。此外,一些學(xué)者根據(jù)一定的理論基礎(chǔ),提出了比經(jīng)驗(yàn)折減因子更具物理意義的邊界層模型。例如,Meng等(1997)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,在他的模型中,折減因子是相對(duì)高度(模擬高度與邊界層高度的比值)的指數(shù)函數(shù),而指數(shù)是由地表粗糙度確定。該模型多次應(yīng)用于日本的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型,例如Matsui等(2002)、Okazaki等(2005)在隨后的研究中均采用了該模型。Vickery等(2000b)同時(shí)考慮升力系數(shù)與風(fēng)速成線性關(guān)系,認(rèn)為折減因子不僅與風(fēng)速有關(guān)系,還和空氣海水溫差有關(guān)。對(duì)于相對(duì)較強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)即當(dāng)空氣海水溫差為零時(shí),在臺(tái)風(fēng)眼壁處的折減因子應(yīng)取0.70~0.72。隨后,Vickery等(2009a)根據(jù)臺(tái)風(fēng)的尺寸和風(fēng)速對(duì)探空儀數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,再根據(jù)Keper(2001)提出的線性化臺(tái)風(fēng)模型,對(duì)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)速剖面在低層兩百米以下滿足對(duì)數(shù)率,這與Powell等(2003)的觀點(diǎn)一致。據(jù)此,Vickery等(2009a)提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?用于模型邊界層內(nèi)臺(tái)風(fēng)平均風(fēng)速隨邊界層高度的變化關(guān)系,此模型不但考慮了地表粗糙度,還考慮了邊界層高度的變化情況。2.4風(fēng)廓線及邊界層模型當(dāng)臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)確定后,選用不同的梯度風(fēng)場(chǎng)模型及邊界層模型對(duì)模擬結(jié)果影響很大。Lin等(2012)針對(duì)參數(shù)風(fēng)場(chǎng)模型在風(fēng)暴潮模擬的應(yīng)用,進(jìn)行了一系列敏感性分析,結(jié)果也表明梯度風(fēng)廓線形式以及邊界層折減因子對(duì)于模擬結(jié)果影響最大。下文分別對(duì)各梯度風(fēng)場(chǎng)模型及邊界層模型的特點(diǎn)進(jìn)行分析。(1)臺(tái)風(fēng)中心附近和外圍梯度風(fēng)速的變化并不均勻,應(yīng)選用合適的風(fēng)廓線來(lái)描述梯度風(fēng)速的徑向變化。本文以中心氣壓為950hPa,緯度20°N,最大風(fēng)速半徑35km,HollandB系數(shù)為1.2的情景作為輸入,得出8種梯度風(fēng)場(chǎng)模型風(fēng)廓線(圖1)。可以看出,不同模型推算的最大風(fēng)速差異較大,臺(tái)風(fēng)內(nèi)外域風(fēng)速變化速率各不相同。例如,Bjerknes模型估算的最大風(fēng)速最大,臺(tái)風(fēng)外域風(fēng)速減弱較快;Fujita、Georgiou、Holland、Myers模型風(fēng)廓線較相似,最大風(fēng)速及風(fēng)速變化速率適中;Rankine及Jelesnianski模型在最大風(fēng)速半徑附近風(fēng)速變化過(guò)快;Takehashi模型估算的最大風(fēng)速最小,并且臺(tái)風(fēng)外域風(fēng)速減小速率過(guò)慢。在上述模型中,Holland及Geougiou模型可通過(guò)調(diào)整HollandB系數(shù)來(lái)改變風(fēng)廓線,對(duì)于不同臺(tái)風(fēng)的適應(yīng)性較好。(2)邊界層模型中,風(fēng)速經(jīng)驗(yàn)折減因子計(jì)算簡(jiǎn)便,但理論依據(jù)較缺乏,精度較差,僅適用于風(fēng)場(chǎng)模型的簡(jiǎn)化分析。Meng模型基于空氣微團(tuán)平衡方程,較好地反映了邊界層風(fēng)速的分布規(guī)律,但計(jì)算較復(fù)雜。Vickery模型從實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā),考慮了臺(tái)風(fēng)登陸前后邊界層高度的變化,對(duì)整場(chǎng)臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)速垂直分布規(guī)律模擬效果較好。3風(fēng)速修正3.1基于lulc-pcr的土地覆蓋算法地表粗糙度是近地面平均風(fēng)速為零的高度,是流體力學(xué)、大氣邊界層理論研究的一個(gè)重要概念,反映了地表對(duì)風(fēng)速的減弱作用(曹文俊,1991)。地表粗糙度是臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型的重要輸入?yún)?shù),給定開闊地表的風(fēng)速、地表粗糙度,就可估算出實(shí)際地形任意高度處的風(fēng)速。地表粗糙度的傳統(tǒng)估算方法是利用中性近地面層風(fēng)廓線外推,采用對(duì)數(shù)定律表達(dá)式(曹文俊,1991):式中:U(z)為高度z的水平風(fēng)速;U20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)外有很多研究建立了土地覆蓋類型與地表粗糙度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并用于估算地表粗糙度。例如,Wieringa等(2001)總結(jié)了30年來(lái)采用實(shí)地測(cè)量、模型研究、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等手段進(jìn)行地表粗糙度值估算的研究成果,并給出推薦經(jīng)驗(yàn)地表粗糙度值對(duì)應(yīng)表。Simiu等(1996)也做了類似的工作,認(rèn)為建筑區(qū)土地覆蓋類型復(fù)雜,可將其劃分為若干個(gè)子類,每一類對(duì)應(yīng)獨(dú)立的粗糙度值。采用該方法估算區(qū)域地表粗糙度時(shí),需要獲得該區(qū)域土地利用/土地覆蓋(LandUse/LandCover,LULC)數(shù)據(jù)。目前已有一些覆蓋中國(guó)的LULC數(shù)據(jù)集,例如,GLC2000項(xiàng)目開發(fā)的基于SPOT4遙感數(shù)據(jù)的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)中國(guó)子集(Xuetal,2005)、IG-BP-DIS基于AVHRR遙感數(shù)據(jù)的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)中國(guó)子集(Lovelandetal,2000)、基于MODIS數(shù)據(jù)的土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品中國(guó)子集(Hansenetal,2000)、馬里蘭大學(xué)基于AVHRR數(shù)據(jù)的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)中國(guó)子集(Hansenetal,2000)、中國(guó)科學(xué)院基于中國(guó)1:10萬(wàn)土地覆蓋分類結(jié)果的全國(guó)1km×1km網(wǎng)格土地利用數(shù)據(jù)集等(劉紀(jì)遠(yuǎn)等,2002)。近年來(lái),國(guó)外越來(lái)越多的研究致力于采用遙感手段,反演區(qū)域地表粗糙度。Greeley等(1997)研究結(jié)果表明,地表粗糙度與雷達(dá)后向散射有著高度的相關(guān)性,通過(guò)建立統(tǒng)計(jì)模型可反演出地表粗糙度的空間分布。Deroin等(1997)利用歐洲空間局(EuropeRemote-SensingSatellite,ERS)衛(wèi)星攜帶的高空間分辨率合成孔徑雷達(dá)(SAR),計(jì)算了土壤粗糙度。Prigent等(2005)用ERS散射儀觀測(cè)數(shù)據(jù)估算了全球尺度干旱和半干旱地區(qū)的地表糙度,并將其作為輸入?yún)?shù)用于全球粉塵循環(huán)模型,使粉塵排放計(jì)算結(jié)果的精度得到了顯著提高。與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)也有一些相關(guān)研究,但數(shù)量不多。例如,王心源等(2001)利用SAR雷達(dá)數(shù)據(jù),選擇內(nèi)蒙古額濟(jì)納旗東北區(qū)作為實(shí)驗(yàn)區(qū),進(jìn)行了雷達(dá)回波與地表粗糙度分形測(cè)量研究,朱彩英等(2004)利用同時(shí)相的雷達(dá)后向散射測(cè)量圖像及TM熱紅外波段圖像,建立了TM像元等效幾何粗糙度向地表粗糙度轉(zhuǎn)換的模型,定量反演了地表粗糙度。對(duì)比上述兩種方法可以發(fā)現(xiàn):(1)采用土地覆蓋類型經(jīng)驗(yàn)對(duì)應(yīng)法步驟簡(jiǎn)單,但必須保證兩個(gè)前提,一是要選擇準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)粗糙度值表,二是區(qū)域土地覆蓋數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)粗糙度值表中的分類能良好匹配;(2)采用遙感反演法的關(guān)鍵在于建立準(zhǔn)確的粗糙度值和像元值回歸模型,需要實(shí)地測(cè)量獲得準(zhǔn)確的建模點(diǎn)粗糙度值,步驟較復(fù)雜,結(jié)果較為可靠。3.2模型性能指標(biāo)的應(yīng)用在大氣邊界層中,當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)山坡、山脊以及懸崖等地形特征時(shí),可能出現(xiàn)加速或減速現(xiàn)象。當(dāng)臺(tái)風(fēng)登陸后,復(fù)雜地形將顯著改變近地表風(fēng)速、風(fēng)壓和湍流結(jié)構(gòu),使得這些地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)呈現(xiàn)與平坦地區(qū)較明顯的差異(Ngoetal,2009)。探索地形對(duì)風(fēng)速的影響,對(duì)于準(zhǔn)確計(jì)算局地風(fēng)速及風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義。計(jì)算地形影響因子,既有簡(jiǎn)單的線性方法,也有非線性模型。線性模型基于中小尺度氣流過(guò)山理論,常用Boussinesq近似下的三維、絕熱、無(wú)粘無(wú)旋的定常方程組來(lái)描述線性的山脈波動(dòng)(李藝苑等,2009)。Jackson等(1975)提出了湍流層氣流過(guò)山的二維地形理論,并由Mason等(1979)發(fā)展為可用的三維地形理論。以此為基礎(chǔ),Walmsley等(1982)建立了模擬中性邊界層氣流過(guò)緩坡的模型MS3DJH,并由Beljaars等(1987)進(jìn)行了改進(jìn),發(fā)展為中性表層氣流過(guò)復(fù)雜地形模型MSFD。比較研究證實(shí),線性模型可以對(duì)氣流過(guò)較低山脈時(shí)的山頂風(fēng)速進(jìn)行良好模擬(Walmsleyetal,1990)。非線性模型綜合考慮了氣流分離、強(qiáng)下坡風(fēng)和湍流邊界層等非線性和耗散問(wèn)題,更適用于山脈較高的情況。最早由Raithby等(1987)引入?yún)⒄窄h(huán)境水流計(jì)算中應(yīng)用成熟的三維非線性模型;隨后,Xu等(1992)將MSFD模型忽略的非線性項(xiàng)重新引入,發(fā)展了NLMSFD模型。線性和非線性模型都能在一定程度上刻畫中小尺度過(guò)山氣流的部分特征,但總體來(lái)說(shuō),非線性模型對(duì)過(guò)山氣流,尤其在背風(fēng)坡方向的模擬效果普遍較好,這對(duì)中小尺度數(shù)值模式發(fā)展提供了有利條件。此外,風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是研究復(fù)雜地形影響的重要方法。它通過(guò)制作實(shí)際地形的縮尺模型,在風(fēng)洞中人工形成近似風(fēng)場(chǎng),并通過(guò)儀器測(cè)得風(fēng)速、風(fēng)壓等數(shù)據(jù)(Baskaranetal,1989)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用于驗(yàn)證地形影響修正模型,但因其成本高,周期長(zhǎng),尺度小,不適用于常規(guī)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型修正。多國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范給出了地形影響因子的計(jì)算方法。國(guó)外一些比較研究表明,采用中國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2001》(2002年3月1日發(fā)布)、美國(guó)ASCE7(2005)、澳大利亞/新西蘭AS1170.2(2002)、歐洲EN1991-1-4(2005年4月25日發(fā)布)以及加拿大NBC1990(1990)等國(guó)家風(fēng)荷載規(guī)范中地形影響因子的計(jì)算方法,其結(jié)果差異較大(Maharanietal,2009)。例如,Holmes等(2005)通過(guò)設(shè)定多組參數(shù),比較了各主要風(fēng)荷載規(guī)范中地形因子的計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)采用不同的地形因子計(jì)算方法得到的風(fēng)荷載最大差異超過(guò)了80%。Li等(2005)分別采用各規(guī)范中的方法計(jì)算了山坡、山脊以及懸崖的風(fēng)速特征,結(jié)果表明,不同地形特征頂部附近的風(fēng)速分布特征差異顯著,在相似的氣流邊界條件下,懸崖頂部的地形影響因子要比山坡以及山脊頂部小得多。各國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范適用于臺(tái)風(fēng)近地表風(fēng)場(chǎng)修正,但仍存在一些局限性。例如,各規(guī)范更關(guān)注區(qū)域可能出現(xiàn)的最大風(fēng)荷載,因而通常只考慮地形對(duì)氣流的加速作用。另外,風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,地表粗糙度對(duì)于地形因子有較大影響,相對(duì)于上風(fēng)向地表粗糙度均一并且類型相同的地形特征,光滑地表的地形因子更大(Caoetal,2006)。在各主要風(fēng)荷載規(guī)范中,僅ASCE7明確考慮了地表粗糙度對(duì)地形因子的影響。目前已有一些應(yīng)用軟件在風(fēng)速計(jì)算時(shí)包含了地形修正模塊。例如,丹麥技術(shù)大學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于1987年開發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力評(píng)估軟件WAsP(WindAtlasAnalysisandApplicationProgram),其風(fēng)況估算模塊以風(fēng)圖譜為基礎(chǔ),考慮某一點(diǎn)周圍障礙物、地表粗糙度以及地形對(duì)風(fēng)的影響,估算出該點(diǎn)的平均風(fēng)速和平均風(fēng)功率密度(Mortensen,1993)。日本開發(fā)了一種非線性模型MASCOT(MicroclimateAnalysisSystemforComplexTerrain),實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地形風(fēng)速模擬,并應(yīng)用于單點(diǎn)臺(tái)風(fēng)極值風(fēng)速計(jì)算。該模型采用數(shù)值模擬的方法求解Navier-Stokes及連續(xù)性方程,可以評(píng)估地表粗糙度、地形以及冠層對(duì)風(fēng)速的影響,其中輸入高程和地表粗糙度數(shù)據(jù)的空間分辨率分別為50m和100m(Ishiharaetal,2002)。此外,美國(guó)的SiteWind以及加拿大的WEST(WindEnergySimulatingToolkit)數(shù)值模式系統(tǒng)等也都用于風(fēng)能資源數(shù)值模擬(Ayotteetal,2001;Yuetal,2006)。上述軟件在進(jìn)行單點(diǎn)風(fēng)速模擬時(shí)操作簡(jiǎn)便并且精度較高。而在進(jìn)行區(qū)域臺(tái)風(fēng)大風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)估時(shí)其適用性較差,主要原因在于:(1)多采用數(shù)值模擬手段,計(jì)算復(fù)雜且計(jì)算量大;(2)已形成軟件包,對(duì)于輸入數(shù)據(jù)要求較高,靈活性不夠。國(guó)外已有一些研究綜合上述方法,針對(duì)臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)估進(jìn)行了區(qū)域地形影響修正研究。例如,Lee等(2009)基于DEM數(shù)據(jù),根據(jù)韓國(guó)建筑規(guī)范計(jì)算了濟(jì)州島8風(fēng)向的地形修正因子,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了臺(tái)風(fēng)大風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)估;Chock等(2005)結(jié)合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和多國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范,利用DEM數(shù)據(jù)繪制了夏威夷島地形修正因子圖,并對(duì)颶風(fēng)Iniki進(jìn)行危險(xiǎn)性分析;Kikuchi等(2012)基于蒙特卡羅方法,采用數(shù)值模擬手段計(jì)算了區(qū)域不同年遇水平臺(tái)風(fēng)極值風(fēng)速的地形影響修正因子。國(guó)內(nèi)對(duì)于地形影響修正的研究主要集中在風(fēng)工程領(lǐng)域,特別是針對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行,其理論較成熟,應(yīng)用較廣泛。而在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面,在進(jìn)行區(qū)域臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模擬時(shí),很少考慮復(fù)雜微地形的影響。因此,借鑒風(fēng)工程領(lǐng)域地形影響修正計(jì)算方法,將其應(yīng)用于災(zāi)害評(píng)估是未來(lái)一個(gè)研究重點(diǎn)。3.3陣風(fēng)因子研究陣風(fēng)(Gust)是在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi),風(fēng)速對(duì)其平均值的、持續(xù)時(shí)間不大于2min的正的或負(fù)的偏離,峰值陣風(fēng)(PeakGust)為正的陣風(fēng)振幅對(duì)應(yīng)的風(fēng)速(Mondiale,2008)。臺(tái)風(fēng)登陸后,由于地表摩擦以及地形起伏引起的氣流方向和速度的改變,往往會(huì)引起大的峰值陣風(fēng)(陳訓(xùn)來(lái)等,2005)。臺(tái)風(fēng)峰值陣風(fēng)會(huì)對(duì)承災(zāi)體造成巨大的破壞,在工程領(lǐng)域的應(yīng)用中,人們往往更關(guān)注的是峰值陣風(fēng)。通過(guò)邊界層模型獲得近地表風(fēng)速為長(zhǎng)時(shí)段(如1h)平均持續(xù)風(fēng)速,還需通過(guò)地表粗糙度進(jìn)行折算,獲得短時(shí)段(如3s)峰值陣風(fēng),其折算系數(shù)通常稱為陣風(fēng)因子。國(guó)內(nèi)外許多研究建立了陣風(fēng)因子模型,用于計(jì)算臺(tái)風(fēng)峰值陣風(fēng)。早在1960年,Durst(1960)首先提出了陣風(fēng)因子模型,發(fā)現(xiàn)在給定1h時(shí)段內(nèi),短時(shí)距平均風(fēng)速與該時(shí)段平均風(fēng)速的偏差服從高斯分布,并給出了峰值陣風(fēng)的計(jì)算方法。工程科學(xué)數(shù)據(jù)組織(EngineeringSciencesDataUnit,ESDU)在Greenway等的研究基礎(chǔ)上建立了一套陣風(fēng)因子計(jì)算方法,該方法假定地表(離地面50~100m)邊界層的湍流特征滿足中性層結(jié)條件假設(shè),颶風(fēng)邊界層低層的湍流結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單地由地表粗糙度決定,而不用考慮熱效應(yīng)的影響(ES-DU,1983)。隨后,Krayer等(1992)在Durst研究基礎(chǔ)上發(fā)展了陣風(fēng)因子模型,根據(jù)后者的計(jì)算方法,對(duì)34場(chǎng)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速記錄進(jìn)行分析,并給出了不同時(shí)距的陣風(fēng)因子參考表。結(jié)果表明,在相同的粗糙度和地形條件下,臺(tái)風(fēng)的陣風(fēng)因子要大于溫帶氣旋的陣風(fēng)因子。Sparks等(2001)分別計(jì)算了近海、沿海以及內(nèi)陸站點(diǎn)的陣風(fēng)因子,與Krayer等的研究結(jié)果不同,認(rèn)為熱帶氣旋的風(fēng)速特征以其及陣風(fēng)因子在本質(zhì)上是和溫帶氣旋一樣。Vickery等(2005)重新分析了Krayer等使用的數(shù)據(jù),并首次將其陣風(fēng)因子模型應(yīng)用到臺(tái)風(fēng)模型中,用于模擬登陸臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速隨時(shí)距的變化情況。國(guó)內(nèi)研究者Chen等(2011)對(duì)不同下墊情況下的臺(tái)風(fēng)陣風(fēng)因子進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)的陣風(fēng)因子波動(dòng)性比弱風(fēng)更大;另外,地表越粗糙,陣風(fēng)因子波動(dòng)性越大。在工程領(lǐng)域,陣風(fēng)因子的計(jì)算是進(jìn)行設(shè)計(jì)風(fēng)速評(píng)估的重要部分。中國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2001》、美國(guó)ASCE7、澳大利亞/新西蘭AS1170.2、歐洲EN1991-1-4以及加拿大NBC1990等國(guó)家風(fēng)荷載規(guī)范中均給出了陣風(fēng)因子的計(jì)算方法。趙楊等(2010)以美國(guó)規(guī)范中的陣風(fēng)荷載因子為基準(zhǔn),對(duì)中澳加等國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范中的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了比較研究。各國(guó)規(guī)范在陣風(fēng)因子計(jì)算中主要的不同在于平均時(shí)距的選取,例如美國(guó)規(guī)范取平均時(shí)距為3s,其他規(guī)范都選取較長(zhǎng)的平均時(shí)距,因此按照美國(guó)規(guī)范計(jì)算得到的陣風(fēng)荷載因子要比其他規(guī)范小。需要注意的是,利用陣風(fēng)因子模型計(jì)算得到的通常為平均陣風(fēng)因子,無(wú)法反映不同臺(tái)風(fēng)的異質(zhì)性。另外,陣風(fēng)因子的計(jì)算對(duì)于地表粗糙度十分敏感,因此,作為陣風(fēng)因子模型的輸入?yún)?shù),應(yīng)保證其準(zhǔn)確性。3.4atts,powell,vicary當(dāng)臺(tái)風(fēng)從海面向向陸地移動(dòng),受地面摩擦影響,平均風(fēng)速存在折減現(xiàn)象(Vickeryetal,2009b)。由于海面風(fēng)場(chǎng)模型無(wú)法準(zhǔn)確刻畫陸面風(fēng)場(chǎng),一些研究提出海陸轉(zhuǎn)換系數(shù),經(jīng)驗(yàn)地將洋面平均風(fēng)速轉(zhuǎn)換為陸面平均風(fēng)速。海陸轉(zhuǎn)換系數(shù)與距海岸線距離有關(guān),不同研究對(duì)于該系數(shù)的設(shè)定有較大差別。對(duì)于海岸處的海陸轉(zhuǎn)換系數(shù),Schwerdt等取11%,Batts取15%,Powell取15%~20%,Vickery等在2000年取14%~20%,而在2009年取18%~20%;對(duì)于內(nèi)陸的海陸轉(zhuǎn)換系數(shù),Schwerdt等在19km處取22%,Georgiou在50km處取25%,Vickery等在50km處取23%~28%,Powell在內(nèi)陸取30%,但未給出具體的距離。中國(guó)國(guó)家核安全局發(fā)布的《核安全導(dǎo)則匯編》在“核電站設(shè)計(jì)基準(zhǔn)熱帶氣旋”部分也給出了海陸轉(zhuǎn)換系數(shù),距海岸線15km時(shí)開始考慮海陸轉(zhuǎn)換,相對(duì)光滑地帶風(fēng)速減小15%,而城市、山地和森林等粗糙區(qū)域風(fēng)速減小60%(國(guó)家核安全局,1998)。經(jīng)驗(yàn)海陸轉(zhuǎn)換系數(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)便,但不能反映區(qū)域特異性,一些研究在邊界層模型中考慮了海陸轉(zhuǎn)換因素。在這些模型中,假定當(dāng)臺(tái)風(fēng)大風(fēng)吹向粗糙區(qū)域時(shí),邊界層頂風(fēng)速保持不變,此時(shí)邊界層風(fēng)速垂直剖面形狀以及邊界層高度隨地表粗糙度變化而變化(Mengetal,1997;Vickeryetal,2009a)。因此,當(dāng)臺(tái)風(fēng)大風(fēng)由海面吹向陸地時(shí),表面拖曳系數(shù)隨地表粗糙度增大而增大,通過(guò)輸入不同的地表粗糙度直接計(jì)算邊界層頂?shù)浇乇淼钠骄L(fēng)速折減系數(shù),而無(wú)需進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)海陸轉(zhuǎn)換。4風(fēng)場(chǎng)模型方法臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型常應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、次生海洋災(zāi)害以及次生滑坡災(zāi)害模擬研究中,為臺(tái)風(fēng)次生災(zāi)害評(píng)估提供重要輸入,目前已集成于多個(gè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)模型軟件中。臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型作為臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要手段,在世界各主要臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)模型中集成應(yīng)用。臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)模型是將臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法以及數(shù)據(jù)模塊集成,開發(fā)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng),廣泛用于防災(zāi)減災(zāi)、風(fēng)險(xiǎn)管理以及保險(xiǎn)等領(lǐng)域。目前,比較完善的臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)模型主要有政府資助的公共模型,如FEMA的HA-ZUS颶風(fēng)模型(FEMA,2007)、佛羅里達(dá)公共颶風(fēng)模型(FPHLM)(FIU,2010),和模型公司的商用模型,如RMS公司的RISKLINK(RMS,2008)、AIR公司的CATRADER(AIR,2008)、AppliedResearchAsso-ciates公司的ARA(ARA,2008)以及EQECAT公司的USWIND(EQECAT,2008),表2總結(jié)了上述6個(gè)系統(tǒng)中風(fēng)場(chǎng)模型各部分所采用的方法。可以看出,RMS、AIR以及EQECAT模型采用參數(shù)風(fēng)場(chǎng)模型,而ARA、FPHLM以及HAZUS采用數(shù)值風(fēng)場(chǎng)模型;對(duì)于風(fēng)速修正部分,6個(gè)模型均采用土地覆蓋類型經(jīng)驗(yàn)對(duì)應(yīng)法估算地表粗糙度,陣風(fēng)因子考慮較全面,僅RMS模型采用經(jīng)驗(yàn)海陸轉(zhuǎn)換系數(shù),均未進(jìn)行地形影響修正。此外,加勒比海地區(qū)颶風(fēng)巨災(zāi)指數(shù)保險(xiǎn)及巨災(zāi)基金項(xiàng)目(CCRIF)、中美洲概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目以及日本、澳大利亞、印度等臺(tái)風(fēng)多發(fā)國(guó)家均建立了臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型,用于評(píng)估區(qū)域臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)(Arthuretal,2008;Okazakietal,2005;Pochardetal,2010;Sverdrupetal,2010)。臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型常應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)浪模擬以及臺(tái)風(fēng)次生風(fēng)暴潮模擬研究中。在臺(tái)風(fēng)海洋災(zāi)害模型中,臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)是風(fēng)暴潮、海流、海浪預(yù)報(bào)的主要驅(qū)動(dòng)場(chǎng)之一,其準(zhǔn)確與否直接影響著模型的計(jì)算結(jié)果。在臺(tái)風(fēng)浪模擬研究中,目前常用的第3代海浪模式WAM、SWAN以及WAVEWATCHIII中均嵌入臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型,考慮了風(fēng)—浪相互作用等物理機(jī)制(Booijetal,1999;Rogersetal,2003;Tolman,2002);在臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮模擬研究中,風(fēng)應(yīng)力和氣壓梯度力是風(fēng)暴潮的主要外界強(qiáng)迫力,美國(guó)的SPLASH模式、進(jìn)一步發(fā)展的SLOSH模式、英國(guó)的STWS系統(tǒng)以及高級(jí)環(huán)流模式ADCIRC等都把風(fēng)場(chǎng)模型作為輸入(Bodeetal,1997;Jelesnianski,1972,1992;LuettichJr.etal,1992)。臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型也可為臺(tái)風(fēng)次生滑坡災(zāi)害模擬提供新的解決方案?，F(xiàn)階段,通過(guò)建立滑坡水力學(xué)模型,分析臺(tái)風(fēng)降雨作用下的地下水滲流場(chǎng)變化,是臺(tái)風(fēng)次生滑坡模擬的主要手段(Baumetal,2005;Iverson,2000),而對(duì)于風(fēng)效應(yīng)的考慮十分缺乏。風(fēng)壓、風(fēng)荷載以及風(fēng)振等因素可能通過(guò)植被的傳遞效應(yīng)對(duì)斜坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此,應(yīng)用臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型,在現(xiàn)有建筑物風(fēng)荷載的研究基礎(chǔ)上計(jì)算風(fēng)荷載特征參數(shù),進(jìn)而探究其對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響,是改進(jìn)臺(tái)風(fēng)次生滑坡災(zāi)害模擬的一個(gè)重要研究點(diǎn)。以上分析可以看出,臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型是臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)估的基礎(chǔ),在臺(tái)風(fēng)及其次生災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。5風(fēng)場(chǎng)模擬法研究本文總結(jié)了參數(shù)風(fēng)場(chǎng)模型中最大風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑、HollandB系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的確定方法,分析了國(guó)內(nèi)外梯度風(fēng)場(chǎng)模擬、邊界層風(fēng)速垂直折減計(jì)算的研究進(jìn)展;重點(diǎn)討