不同臺風場模型的比較研究

張 亮 牛海英* 齊 晴

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

不同臺風場模型的比較研究

張 亮 牛海英* 齊 晴

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

介紹了經典的藤田風場、內域藤田+外域高橋風場、修正外域藤田風場、Jelesnianski風場和Holland風場，并比較分析了各風場模型的氣壓、氣壓梯度力和風速沿著徑向的分布廓線，對工程結構的防災設計有重要意義。

臺風，風場模型，氣壓，風速

1 概述

臺風是一種極具破壞性的災害性海洋天氣系統，其過程伴隨著狂風、巨浪和急流，而這給海上航運交通、海產養殖業、海洋工程和近岸建筑帶來巨大威脅[1]。因此，通過數值模擬手段預報和后報沿海地區可能遭受臺風災害的影響范圍和影響程度，對沿海地區有效防災減災以及工程結構的防災設計具有重要意義。

臺風過程中惡劣的天氣條件，給獲取臺風實地觀測信息帶來很多困難。實測數據相對匱乏，需要較高精度的臺風場數值模型的發展和應用。為提高臺風場數值模擬的精度，有必要對不同臺風場模型的模擬結果進行比較和驗證，進而深入探討其對臺風浪模擬結果的影響。本文從計算高效且精度足夠的梯度風臺風場模型入手，對比分析了藤田風場、內域藤田+外域高橋風場、修正藤田風場、Jelesnianski風場和Holland風場五種不同的梯度風臺風場模型。

2 梯度風臺風場模型

當前常用的梯度風臺風場模型，臺風域內氣壓場可以寫成：

(1)

其中，P為距離臺風中心r處的氣壓;Pc為臺風中心處的氣壓;Pn為臺風外圍的環境氣壓;f(r)為到臺風中心距離r的函數，通過假設不同的f(r)，可以得到臺風域內不同的氣壓場模型。

對式(1)求導，可以得到臺風域內氣壓梯度力：

(2)

由梯度風平衡，可以建立臺風場廓線方程：

(3)

其中，f=2Ωsin(φ)為地球自轉科氏力項，φ為計算點的緯度。

1)藤田風場[2]。

(4)

其中,Rmax為最大風速半徑，需通過經驗公式給出。

2)內域藤田+外域高橋風場[3,4]。

(5)

3)修正藤田風場[5]。

(6)

其中，R∞為P=Pn時，計算點到臺風中心的距離，即環境氣壓半徑。

4)Jelesnianski風場[6]。

(7)

5)Holland風場[7]。

(8)

其中,β為Holland風場經驗參數。對于澳大利亞海岸地區，Holland[7]給出β的范圍是1.0～2.5。本文中，β的取值根據Love和Murphy[8]提出的經驗公式，并乘以修正系數λ，λ的值取為0.7：

β=λ·[0.25+0.3ln(ΔP)]

(9)

前述五種風場模型的氣壓沿臺風徑向的分布廓線見圖1。取ΔP=28 hPa，可以計算得到臺風氣壓梯度沿徑向的分布廓線，見圖2。對應的風速沿徑向的分布廓線見圖3。圖1～圖3中修正藤田15表示環境氣壓半徑為15倍最大風速半徑的修正藤田風場，下同。

一般的，在上述梯度風模型中，忽略科氏力的影響，可認為臺風場的最大風速位于最大風速半徑處。但是從氣壓梯度力廓線和風速廓線看(見圖2，圖3)，在臺風外圍區域，各模型氣壓梯度力廓線與風速廓線具有相同的分布趨勢。而在4倍最大風速半徑以內，雖然風速廓線與氣壓梯度力廓線的趨勢相同，但兩者達到最大值的位置不同。除了分段建立模型的Jelesnianski風場，其最大氣壓梯度力和最大風速均在最大風速半徑處，其余四個風場模型的最大氣壓梯度力出現在遠小于最大風速半徑的0.5Rmax～0.7Rmax處，而最大風速值出現在接近最大風速半徑的約0.9Rmax處。

3 結語

本文比較了五種梯度風臺風場模型，根據氣壓、氣壓梯度力和風速廓線，可以看出最大氣壓梯度力和最大風速并不發生在同一位置。其中Holland風場模型由于可以調整和臺風結構相關的參數β，故可以適應不同的臺風場結構。

[1] 史玉姣.東中國海臺風浪分布特征研究[D].青島：中國海洋大學，2012.

[2] Fujita T. Pressure distribution in typhoon[J].Geophys. Mag,1952(23):437.

[3] Takahashi K.. Distribution of pressure and wind in a typhoon [J].Meteor. Soc. Japan,1939,2(17):417-421.

[4] 黃君寶，趙 鑫，李志永.南海北部灣臺風浪數值模擬方法研究[J].水運工程，2008(1):7-10.

[5] 陳超輝，譚言科，李 琳，等.藤田公式改進及其在臺風預報中的應用[J].氣象科技，2011,39(1):1-8.

[6] 楊 洋，朱志夏，周 科.西北太平洋臺風浪數值模擬[J].海洋科學，2010,34(2):62-67.

[7] Holland G J. An Analytic Model of the Wind and Pressure Profiles in Hurricanes[J]. Monthly Weather Review，1980,108(8):1212-1218.

[8] Love G, Murphy K. The Operational Analysis of Tropical Cyclone Wind Fields in the Australian Northern Region [R].Northern Territory Region:Bureau of Meteorology,1985.

Comparisons of several typhoon field models

Zhang Liang Niu Haiying* Qi Qing

(CollegeofOceanandCivilEngineering,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China)

This paper introduces classical Fujita wind field, inner Fujita+outer Takahashi wind filed, improved Fujita wind field, Jelesnianski wind field and Holland wind field. The comparisons of pressure, pressure gradient force and wind velocity in radial direction are implemented. It is significant for the disaster prevention design of engineering structures.

typhoon, wind field model, pressure, wind velocity

2015-02-09

張 亮(1987- )，男，在讀碩士； 齊 晴(1991- )，女，在讀碩士

牛海英(1977- )，女，副教授

1009-6825(2015)12-0027-02

TU318

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