热带气象学报  2017, Vol. 33 Issue (6): 841-849  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.005
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引用本文  

胡波. 浙江沿海台风阵风系数的影响因子分析[J]. 热带气象学报, 2017, 33(6): 841-849.DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.005.
胡波. Analysis of gust factor associated with typhoons on zhejiang coast[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2017, 33(6): 841-849. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.005.

资助项目

浙江省重大科技专项重点社会发展项目(2011C13044)资助

通讯作者

胡波,男,浙江省人,高级工程师,硕士,主要从事数值预报解释应用的研究。E-mail: hubook12@163.com

文章历史

收稿日期:2016-09-21
修订日期:2017-03-07
浙江沿海台风阵风系数的影响因子分析
胡波     
浙江省气象台,浙江 杭州 310017
摘要:利用2004—2015年影响浙江海岛的台风及沿海气象站资料,分析台风阵风系数与平均风速、台风强度、测站高度、岛屿位置、台风与测站之间距离、台风象限和月份等因子的关系。结果表明,当平均风速较小时阵风系数的均值和波动幅度较大。在相同风速情况下,台风中心强度较强时的阵风系数会大些且其变化幅度随高度增大;而台风强度较弱时的阵风系数随高度变化不明显。最大阵风系数一般出现在台风与测站距离为150~250 km的区域内。台风第一和第四象限不仅其影响风力明显比第二和第三象限的强,且阵风系数变化幅度也较大。近海岸岛屿测站的阵风系数比远海岸岛屿测站要大。9月阵风系数波动范围比7—8月的小。从台风的自身环流来看,中低层的高度场、垂直速度场和湿度场等因子与阵风系数相关密切。
关键词台风    阵风系数    因子    沿海    环流    
ANALYSIS OF GUST FACTOR ASSOCIATED WITH TYPHOONS ON ZHEJIANG COAST
HU Bo     
Zhejiang Meteorological Observatory, Hangzhou 310017, China
Abstract: Using the data of typhoons affecting Zhejiang coastal islands from 2004 to 2015 and corresponding wind of coastal meteorological stations, the relationships between the gust factor and mean wind speed, intensity of typhoons, height of stations, position of islands, distance between typhoons and stations, typhoons quadrants and months are analyzed. The results show that the fluctuation and mean value of gust factor are large when the average wind speed is small, and with the same wind speed, the gust factor is large when the typhoon is strong; when the typhoon is relatively weak, the gust factor changes little with height, but when the typhoon is strong, it varies by large amplitude; the maximum gust factor appears generally in the distance of 150~250 km between the typhoon center and stations, and in the first and fourth quadrant of the typhoon the wind is not only stronger than in the second and third quadrant, but also the variation range of wind gust factor is wider; the gust factor in island stations near the coast is significantly smaller, and in September the fluctuation range of gust factor is smaller than that of July and August. From the analysis of typhoon circulations, it is known that the geopotential height field, vertical velocity field and humidity field are closely related with the gust factor.
Key words: typhoon    gust coefficient    factor    coast    circulation    
1 引言

浙江海岛受台风影响频繁,极端大风灾害多发,对海洋渔业、海岛旅游和经贸运输等造成严重影响。研究近地面瞬时强风的变化规律和提供更精准的预报,对保障交通和生命财产的安全及防控空气污染等具有重要意义[1-2]

低层大气运行形式主要表现为湍流运动,具有脉动特征,阵风因子表示风的脉动强度,常以阵风系数表征。阵风系数作为风的阵性特征的数学统计参数,其演变特征和估算已被国内外学者所研究[3-10]。董双林[11]研究给出了中国各地代表站的阵风因子随稳定风速、平均时间、距地面高度、地面粗糙度和稳定风速三阶矩变化的经验公式。周福等[12]分析了浙江省陆地和近海海面的冷空气、热带气旋和强对流大风的阵风系数特征,表明内陆的阵风系数大于沿海,表现出地形对阵风系数的增强作用。王志春等[13]分析强台风“纳沙”影响期间的大风特性指出,阵风系数随风速的增大而减小,但在风速达到6级之后,阵风系数不随风速大小产生趋势变化,大风阵风系数随高度变化可用指数函数来描述。张容焱等[14]对台风“莫拉克”阵风系数进行分析发现,阵风系数随高度变化与地形有关,一般情况下随高度的升高而减小,而在复杂地形条件下则不符合这一规律。Cao等[15]对台风“鸣蝉”影响期间的边界层数据进行分析指出,台风东风湍流强度和阵风系数均大于西风的。Krayer等[16]认为台风条件下的阵风因子要大于非台风条件下的阵风因子。

各地阵风系数因为影响系统的不同和地理条件的差异会有明显区别[11],因此需要系统地对本地阵风影响因子的特征做专项分析[17],以利于提高当地预报的准确率。阵风的主要物理成因是动量的垂直湍流输送和不同尺度垂直运动造成的辐合、辐散,不同台风其垂直方向物理量分布特征有较大差异,必然造成阵风系数不同。因此需进一步分析台风环流因子与阵风系数的关系。

2 资料和方法 2.1 阵风系数定义

世界气象组织(WMO)给出阵风系数的定义为:在时距T0时间段内持续时间为τ的最大风速与时距为T0的平均风速之比[18]${G_{\tau, {T_0}}} = \frac{{{V_{\tau, {T_0}}}}}{{{V_{{T_0}}}}}$。式中,${{V_{\tau, {T_0}}}}$为观测周期T0中持续时间τ的风速最大值(阵风),${{V_{{T_0}}}}$为观测周期T0的风速平均值。在计算阵风系数时,T0必须大于3 min才具有代表性。本文取T0为10 min,τ为3 s。

2.2 资料

风场资料来自浙江沿海的嘉兴、舟山、宁波、台州和温州等地区的107个气象观测站(表 1),其中常规地面观测站20个,自动气象站87个。资料包括整点10 min的平均风速和对应的极大风速。台风资料来自中央气象台,大风数据提取时间为2004—2015年的30个台风所对应的影响时段(表 2),时间间隔为1 h,选取时段内浙江海岛观测站持续出现8级(含)以上的阵风。

表 1 浙江沿海107个气象测站所在地区的分布
表 2 2004—2015年30个台风的大风影响时段

大气环流数据采用ERA-interim一天四时次的数据(来自http://apps.ecmwf.int/datasets/网站),水平分辨率为0.25 °×0.25 °。

3 台风阵风系数影响因子 3.1 阵风系数与台风强度和测站高度的关系

为了分析具有破坏性的大风特征,着重研究10 min平均风速大于10 m/s的大风样本。由于不同平均风速对应大风的阵风系数分布特征有较大差异,且随着平均风速的增大统计样本数量会不断减少,为了更细致地得到阵风系数的变化规律,将平均风速样本划分为10.1~13.0、13.1~16.0、16.1~20.0和≥20.1 m/s四种等级进行统计。

根据台风强度和测站高度的差异,分别计算不同台风强度区间内所对应的不同测站高度区间内样本的平均阵风系数(图 1)。当平均风速较小时阵风系数较大,10.1~13.0 m/s样本对应的阵风系数一般为1.5~1.7(图 1a);而≥20.1 m/s样本对应的阵风系数减少至1.3~1.4(图 1d)。从台风强度与阵风系数关系来看,在相同风速情况下,台风强度强的阵风系数要大些,10.1~20.0 m/s样本,台风中心强度在930 hPa时阵风系数普遍比980 hPa时大0.1~0.2。从测站高度与阵风系数的关系来看,10.1~16.0 m/s样本在海拔600 m处附近有一个阵风系数大值区,10.1~20.0 m/s样本在海拔1 600 m处有大值区,≥20.1 m/s样本则无明显大值区。说明阵风系数并不随测站高度单调变化,可能还与一些测站特定地形有关。此外,当台风强度 < 950 hPa时,10.1~20.0 m/s样本的阵风系数随着高度变化幅度更大,一般约为0.3,而>950 hPa时的变化幅度仅为0.1左右,这也说明强台风的阵风系数垂直波动较大。

图 1 台风平均风速为10.1~13.0、13.1~16.0、16.1~20.0和≥20.1 m/s(a~d)与不同测站高度和台风中心气压所对应的台风阵风系数
3.2 阵风系数与台风强度和台风测站之间距离的关系

根据台风强度和台风测站之间距离的差异,分别计算不同台风强度的滑动区间内所对应不同台风测站之间距离区间内样本的平均阵风系数(图 2)。可见,台风测站之间距离与台风阵风系数关系十分密切,最大阵风系数出现在台风与测站距离为150~250 km的区域内,其中10.1~13.0 m/s样本的最大阵风系数达到1.9(图 2a),13.1~20.0 m/s样本最大值达到1.6~1.7(图 2b2c),而≥20.1 m/s样本阵风系数差异较小,一般为1.3~1.4(图 2d)。随着台风中心与测站进一步接近,阵风系数逐渐减少,这是由于近台风中心区域的风力更大,阵风系数反而减少。此外,在相同风速情况下,阵风系数随台风强度的加强而有增大的趋势。

图 2 台风平均风速为10.1~13.0、13.1~16.0、16.1~20.0和≥20.1 m/s(a~d)与不同台风测站之间距离和台风中心气压所对应的台风阵风系数分布
3.3 阵风系数与台风象限的关系

以台风中心为坐标中心,正北为0 °,按顺时针方向,以90 °为间隔分别定义一、二、三和四台风象限。计算台风四个象限的不同平均风速区间样本的平均阵风系数,得到平均风速与阵风系数的对应关系(图 3)。第一、四象限(图 3a3d)不仅台风影响风力明显比第二、三象限(图 3b3c)大,且阵风系数变化幅度也大,其最大平均风速普遍大于28 m/s,最大阵风系数达到2.5;而第二、三象限明显偏小,其中第二象限最大平均风速仅为22 m/s,最大阵风系数约为2.0。从阵风系数的平均值来看,四个象限均值较接近,变化区间一般在1.3~1.6之间。可见在台风登陆的过程中,浙江沿海海面在刮东风-东北风时更容易出现极端大风天气。

图 3 台风的第一至第四象限(a~d)的平均风速与阵风系数的对应关系 等值线为样本数,蓝色实粗线为与平均风速对应的阵风系数的平均值。
3.4 阵风系数与岛屿位置的关系

海岸线地形必然影响大风阵风系数,近海岸和远海岸的岛屿测站由于地表粗糙度不同,其阵风系数也会呈现出较大差异。选取舟山群岛的定海区作为近海岸岛屿区,岱山县作为远海岸岛屿区(图 4),分别统计这两个区的台风大风平均风速与阵风系数的关系(图 5)。

图 4 方框内是舟山群岛的定海区和岱山县观测站大致的地理位置
图 5 舟山群岛的岱山县(a)和定海区(b)的平均风速与阵风系数的对应关系 说明同图 3

图 5可知,定海区(近海岸岛屿区)测站的阵风系数比岱山县(远海岸岛屿区)的明显偏大,其阵风系数的平均值变化范围为1.4~1.6(图 5b),而岱山县的阵风系数平均值变化范围为1.4~1.5(图 5a)。当平均风速 < 14 m/s的情况下两者的差异最大,定海区平均阵风系数普遍偏大约0.2。在最大阵风系数方面,定海区要大些,达到2.4左右,而岱山县约为2.2。最小阵风系数两个区域类似,均约为1.1。可见近海岸测站受海岸线地形影响更明显,其阵风系数比远海岸测站要大些。

3.5 阵风系数与月份的关系

分别计算7—9月平均风速与对应阵风系数的关系(图 6),可见7—8月阵风系数的分布相似(图 6a6b),最大阵风系数都接近2.5,最大平均风速普遍超过28 m/s;而9月台风最大阵风系数减少到2.0左右(图 6c),最大平均风速仅在24 m/s以上。从平均阵风系数来看,7—9月均为1.3~1.6;在平均风速 < 14 m/s的情况下,7月系数偏大0.1~0.2。可见,7—8月阵风系数变化范围较大,阵风较强,而9月随着气温下降,大陆高压强度减弱,台风环流的整体气压梯度减小,台风极端大风出现的概率有所减少。

图 6 7—9月(a~c)平均风速与对应阵风系数的关系 说明同图 3
4 台风环流与阵风系数的关系 4.1 环流因子与阵风系数的关系

阵风系数不仅与地表粗糙度有关,还与天气系统本身紧密联系[11],为此分别计算多种台风环流物理量与阵风系数的相关系数,表 3为相关系数的信度检验结果。从风场来看,中低层垂直风场与阵风系数的相关性明显好于水平风场,500~950 hPa垂直风速均通过0.01的显著性检验。对于水平风场而言,纬向风速(U)比经向风速(V)的相关性要好,低层950 hPa、高层200 hPa的纬向风速均通过0.01的显著性检验;而经向风速从低空到高空均没有通过0.01显著性检验,仅在中低空通过0.05显著性检验,且在200 hPa高空与阵风系数不存在相关性。纬向风相关性好可能原因是,当台风逼近浙江中南部沿海海面时,近地面吹东-东北方向大风的几率明显更高些,而在200 hPa的高层大气环流主要表现为纬向,其急流大小与“抽吸”效应相关[19],影响台风系统的上升运动。从高度场(Z)的检验来看,500~950 hPa高度场均通过0.01的显著性检验,200 hPa高度场也通过0.05的显著性检验。可见高度场也是影响台阵风系数的主要因子之一,这是由于位势高度场与气压场紧密相关,其分布反映了气压梯度的大小,从而影响台风的强度和阵风系数。从水汽因子来看,绝对湿度(Q)和相对湿度(R)表现相似,均在中低层(700~950 hPa)通过0.01的显著性检验,而中高层相关性差。这主要原因是水汽大量集中在中低层,水汽含量越高降雨凝结释放的潜热也越多,有助于台风强度的维持或发展。

表 3 多种大气环流要素与台风阵风系数的相关系数的信度检验
4.2 1109号台风“梅花”与1214号台风“天秤”的阵风系数对比分析

不同台风由于环流形势差异,其阵风系数的大小也有所不同。下面对比分析均在浙江近海北上的1109号和1214号台风(图 7)。1109号台风“梅花”在2011年8月6日近海北上时强度较强(台风级别),而1214号台风“天秤”在2012年8月29日北上时离浙江沿海较近,但其强度较弱,为强热带风暴级别。

图 7 1109号台风“梅花”和1214号台风“天秤”的移动路径和强度演变

图 8为1109号台风“梅花”和1214号台风“天秤”的平均风速与对应的阵风系数关系。1109号台风对浙江海岛影响风力量级比1214号台风要大。从阵风系数来看,1109号台风(图 8a)平均风速为10 m/s时对应的阵风系数约为1.7,然后随着平均风速增大阵风系数缓慢减少,到16 m/s时系数减少到约1.45,此后基本保持在1.4左右。对比1214号台风阵风系数情况(图 8b),其平均风速10 m/s对应阵风系数就明显偏小,约为1.4,然后随着平均风速增大阵风系数缓慢减小,到14 m/s时减少到1.25左右。总体来看,1109号台风阵风系数明显比1214号台风大。

图 8 1109号台风“梅花”(a)和1214号台风“天秤”(b)沿海站点的平均风速(单位:m/s)与阵风系数的对应关系 说明同图 3

分析两个台风的环流因子差异,从地面气压场来看,当1109号台风影响浙江海岛时,其中心气压维持在960 hPa,而1214号台风为980 hPa;从500 hPa高度场来看,1109号台风近海北上时(图 9a),长江中下游基本表现为均压区,西风槽北至40 °N,有利于台风保持较强的强度,其中心位势高度低达5 560 gpm,568闭合线直径约180 km,覆盖范围广,台风影响范围大。而1214号台风近海北上时(图 9b),从我国东北到长江中下游维持一个低槽,不利于台风强度加强,其中心位势高度仅为5 720 gpm,中心并无闭合等高线,可见1109号台风中低层的强度均比1214号台风强。从850 hPa垂直速度场来看,1109号台风在浙北沿海海面(图 9c)有0.2~0.4 Pa/s的上升气流,在浙江中南部沿海海面则为0.0~0.4 Pa/s的下沉气流。而1214号在浙江沿海海面基本表现为 < 0.2 Pa/s的弱下沉气流(图 9d)。此外,对比中低层水汽含量(图略),在1109号台风影响时,浙江中北部沿海850 hPa绝对湿度一般为0.015~0.016 g/g,1214号台风影响时一般为0.014~0.015 g/g;在700 hPa层1109台风绝对湿度一般为0.010~0.012 g/g,而1214号台风一般为0.009~0.095 g/g。

图 9 2011年8月6日20时1109号台风“梅花”(a、c)和2012年8月29日14时1214号台风“天秤”(b、d) 在浙江近海北上时的500 hPa高度场(a、b,单位:10 gpm)和850 hPa垂直速度场(c、d,单位:Pa/s)

可见,1109号台风影响浙江沿海时在中低层的强度明显比1214号台风强,其在浙北沿海海面存在较明显的上升气流,而1214号台风则以下沉气流为主(图略)。绝对湿度等方面两者差异不明显,相对来说1109号台风的水汽含量略高(图略),导致在相同平均风速情况下,1109号台风比1214号台风的阵风系数明显偏大约0.3(图 8)。

5 结论

台风阵风是风的瞬时变量,不仅与测站的地理位置有关,还与台风自身的环流特征密切相关。本文分析台风阵风系数与平均风速、台风强度、测站高度、岛屿位置、台风与测站之间距离、台风象限、月份以及台风环流要素等多种因子的关系,得出以下主要结论。

(1)一般来说,台风强度较强时,其平均风速、阵风系数以及变化幅度均大些,更容易出现极端大风。阵风系数不随测站高度的增加而单调变化,不同平均风速分别在600 m和1 600 m附近处有一个阵风系数大值区,说明阵风系数可能还与测站地形有关。

(2)台风的阵风系数与台风测站之间距离的关系十分密切,最大阵风系数出现在台风与测站距离为150~250 km的区域内,此区域往往是台风7~10级风圈的区域。随着台风中心与测站进一步接近,阵风系数逐渐减少,这是由于近台风中心区域的风力更大,阵风系数反而减少。

(3)台风的第一、四象限不仅其影响风力明显比第二、三象限要强,而且阵风系数的变化幅度也大,可见在台风登陆过程中,浙江沿海海面在刮东风-东北风时更易出现极端大风天气。

(4)近海岸测站由于受海岸线地形影响更大,其阵风系数比远海岸测站要大些。7—8月阵风系数变化范围较大,阵风也较强,9月随着气温下降,大陆高压强度减弱,台风环流整体气压梯度减小,台风极端大风出现的概率有所减少。

(5)阵风系数还与台风环流系统紧密联系,从相关性分析来看,中低层垂直风场与阵风系数的相关性明显好于水平风场;高度场也是影响台风阵风系数的主要因子之一,这是由于位势高度场与气压场紧密相关,其分布反映了气压梯度的大小,从而影响台风的强度和阵风系数。

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