【摘要】：我國(guó)深受臺(tái)風(fēng)(TC)災(zāi)害影響,沿海工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中必須考慮臺(tái)風(fēng)大風(fēng)的風(fēng)致效應(yīng)。本文針對(duì)我國(guó)沿海抗風(fēng)設(shè)計(jì)需求,利用統(tǒng)計(jì)分析、觀測(cè)分析、診斷分析及數(shù)值模擬等方法,研究了我國(guó)沿海臺(tái)風(fēng)大風(fēng)變化特征、風(fēng)工程參數(shù)特性及其變化機(jī)理,獲得一些有益的認(rèn)識(shí),可為沿海工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)和臺(tái)風(fēng)大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考,對(duì)防災(zāi)減災(zāi)也具有重要意義。本文首先通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析揭示了我國(guó)沿海地區(qū)TC的最大風(fēng)速半徑(RMW)、最大風(fēng)速、重現(xiàn)期極值風(fēng)速、最危險(xiǎn)路徑及大風(fēng)潛在破壞力的氣候特征,發(fā)現(xiàn):1)我國(guó)沿海TC的RMW均值為40.5km。最大風(fēng)速?gòu)?qiáng)值區(qū)主要位于臺(tái)灣島以東125°E附近及海南島東北側(cè)洋面。2)基于TC最佳路徑資料和再分析資料,提出了TC影響工程地的重現(xiàn)期極值風(fēng)速及最危險(xiǎn)襲擊路徑的推算方法。3)提出TC大風(fēng)潛在破壞力指數(shù),發(fā)現(xiàn)我國(guó)沿海30oN以南為臺(tái)風(fēng)大風(fēng)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),其中最危險(xiǎn)區(qū)域位于臺(tái)灣島及海南島東側(cè)海域。針對(duì)我國(guó)沿海臺(tái)風(fēng)大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)最高的臺(tái)灣島和海南島附近區(qū)域,基于最佳路徑資料與再分析資料,統(tǒng)計(jì)分析復(fù)雜地形下,不同方位TC的大風(fēng)結(jié)構(gòu)差異和變化特征,結(jié)果表明:1)島嶼不同方位TC的外圍風(fēng)場(chǎng)不均勻性特征顯著。TC中心與島嶼連線上有正、負(fù)渦度帶相間分布。且島嶼地形越高,特征越明顯。2)TC外圍風(fēng)場(chǎng)影響下,臺(tái)灣島東側(cè)與東北側(cè)、臺(tái)灣海峽、海南島東北側(cè)海域及北部灣內(nèi)大風(fēng)強(qiáng)且頻次高。3)RMW在臺(tái)灣島(海南島)附近均值為51.3 km(58.3km)。34節(jié)指定風(fēng)圈半徑(R_(34))在TC環(huán)流的四個(gè)象限半徑長(zhǎng)短不一,最長(zhǎng)半徑均位于東側(cè)象限。TC強(qiáng)度越強(qiáng)R_(34)越大。4)位于臺(tái)灣島(海南島)西北側(cè)(西南側(cè))區(qū)域TC風(fēng)圈變形最強(qiáng)。且臺(tái)灣島附近弱TC的風(fēng)圈變形較強(qiáng)TC明顯,海南島反之。以臺(tái)風(fēng)彩虹(2015)為例,對(duì)其登陸期間近地層工程風(fēng)特性進(jìn)行觀測(cè)分析,研究發(fā)現(xiàn):1)眼壁及螺旋云帶影響過(guò)程中,水平風(fēng)速變化呈“M”型。眼壁風(fēng)向變化180o,垂直速度增大3-4倍,均較螺旋云帶變化顯著。眼壁區(qū)風(fēng)攻角顯著增大,超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范中高風(fēng)速下的攻角推薦值(±3o之間)。眼壁及螺旋云帶影響時(shí),風(fēng)速廓線不符合規(guī)范推薦的冪指數(shù)分布。2)眼壁及螺旋云帶經(jīng)過(guò)時(shí)陣風(fēng)因子增大明顯;眼壁影響過(guò)后,其變化幅度顯著增大,且眼壁區(qū)域的變化強(qiáng)于螺旋云帶。3)湍流強(qiáng)度、順風(fēng)向的湍能譜均在眼壁及螺旋云帶經(jīng)過(guò)時(shí)顯著增大,不再滿足湍流各向同性的假設(shè)與“-5/3”律。且眼壁區(qū)域的變化較螺旋云帶更為明顯。進(jìn)一步利用中尺度數(shù)值模式WRF模擬獲得臺(tái)風(fēng)彩虹的精細(xì)化風(fēng)場(chǎng),并應(yīng)用于TC風(fēng)工程參數(shù)特性定量評(píng)估中,結(jié)果表明:1)臺(tái)風(fēng)大風(fēng)沿TC路徑呈帶狀分布,路徑右側(cè)風(fēng)速大于左側(cè)。2)風(fēng)攻角大值區(qū)主要位于TC路徑及地形附近。地形迎風(fēng)面為正攻角,背風(fēng)面為負(fù)攻角,其絕對(duì)值可超過(guò)3o,且大小與地形高度成正比。3)風(fēng)攻角、水平風(fēng)速(風(fēng)向)切變的模、風(fēng)速隨時(shí)間變化及風(fēng)暴螺旋度可定量反映臺(tái)風(fēng)大風(fēng)的工程致災(zāi)特征,有效指示臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)域及地形處的大風(fēng)高危區(qū)。4)山地地形高度和形狀均可對(duì)風(fēng)工程參數(shù)特性產(chǎn)生影響。減小地形高度后,迎風(fēng)坡(背風(fēng)坡)風(fēng)速減小(增大),大風(fēng)頻次減少(增多),大風(fēng)分布趨于均勻化,且風(fēng)攻角減弱至規(guī)范推薦范圍之內(nèi)。最后基于模擬結(jié)果對(duì)臺(tái)風(fēng)彩虹大風(fēng)分布變化特征及機(jī)理進(jìn)行了探討。研究表明:1)TC登陸過(guò)程中,方位角平均的大風(fēng)總體范圍先增大后減小,而RMW先減小后增大。這一變化與低層徑向絕對(duì)角動(dòng)量通量的變化密切聯(lián)系。2)受TC移動(dòng)和環(huán)境風(fēng)垂直切變的共同影響,TC大風(fēng)呈非對(duì)稱分布,大風(fēng)速區(qū)位于TC的東北和西北象限。而眼壁區(qū)域受渦旋羅斯貝波傳播的影響,大風(fēng)非對(duì)稱性還具有波動(dòng)特征。3)眼壁內(nèi)近地層大風(fēng)呈非均勻條狀分布,這與TC邊界層中類滾渦結(jié)構(gòu)及其造成的動(dòng)能下傳有關(guān)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)氣象科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：P444
【圖文】：

的滾渦主要沿臺(tái)風(fēng)的切向排列，但不同研究中觀測(cè)到滾渦的數(shù)十公里不等（ Morrison 等 2005；Ellis 2010；Foster 201論研究和數(shù)值研究認(rèn)為這與臺(tái)風(fēng)邊界層中徑向風(fēng)的拐點(diǎn)不hi and Niino，2012；Gao and Ginis，2014；Ito et al，2017）、垂直2005；Wang and Jiang，2017）和慣性不穩(wěn)定（Nolan，2在可增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)邊界層內(nèi)動(dòng)量、熱量和水汽的輸送，增強(qiáng)邊界對(duì)流，對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，從而影響臺(tái)風(fēng)大風(fēng)（Morrisolis 2010；Gao et al，2016，2017）。

分別為前處理模塊（The WRF Preprocessing System，WA，可選）、ARW 求解器模塊（ARW solver）和后g）。主要用于真實(shí)天氣過(guò)程的模擬。該模塊主要功能包括設(shè)及氣象數(shù)據(jù)插值到模擬區(qū)域，以為后續(xù)模擬提供初始場(chǎng)塊可根據(jù)模擬需求選用。該模塊主要功能為將觀測(cè)資料中，為模式提供包含更多觀測(cè)資料的初始場(chǎng)及邊界條件er 這是 WRF（ARW）模式的核心模塊，此模塊主要完ARW）模式是一個(gè)完全可壓縮的非靜力模型（運(yùn)行時(shí)標(biāo)可設(shè)置為地形跟隨坐標(biāo)或混合垂直坐標(biāo)（從 WRF3.9wa C 網(wǎng)格。該模型采用 Runge-Kutta 二階和三階時(shí)間積均采用二階到六階的平流方案。sing 模塊主要是將模式輸出的結(jié)果進(jìn)行后處理，轉(zhuǎn)化為軟件有 NCL、RIP4、GrADS、Vapor 等。

我國(guó)沿海臺(tái)風(fēng)大風(fēng)及其風(fēng)工程參數(shù)特性研究3.6a-d，第一行）與 ERA-interim 再分析數(shù)據(jù)集中（圖 3.6e-h，第二行）的 10m 風(fēng)速，分別反查引發(fā)各組站點(diǎn)（黑色“+”）2 min 平均風(fēng)速的前 5% （藍(lán)色）、1%（綠色）與最大風(fēng)速（紅色）的臺(tái)風(fēng)中心位置。可見(jiàn)在地形復(fù)雜的臺(tái)灣島附近區(qū)域，用再分析資料查找的引發(fā)站點(diǎn)極值大風(fēng)的臺(tái)風(fēng)中心位置與用站點(diǎn)觀測(cè)查找的臺(tái)風(fēng)中心位置相似。因此我們認(rèn)為 ERA-interim 再分析資料可有效描述臺(tái)風(fēng)的主要環(huán)流，可利用該資料查找最危險(xiǎn)襲擊臺(tái)風(fēng)的中心位置。此外我們還發(fā)現(xiàn)，使臺(tái)灣島附近區(qū)域站點(diǎn)產(chǎn)生最大風(fēng)速的臺(tái)風(fēng)中心位置常臨近站點(diǎn)。但在福建沿海區(qū)域觀測(cè)站處，引發(fā)觀測(cè)站大風(fēng)的臺(tái)風(fēng)中心位置不僅在觀測(cè)站附近，在臺(tái)灣島另一側(cè)的臺(tái)風(fēng)也可使陸地上的站點(diǎn)產(chǎn)生極端大風(fēng)，且二者距離可達(dá) 150km，超過(guò)了臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑（通常為 40 km 左右）的范圍。這可能與臺(tái)灣島地形的影響有關(guān)，將在第四章中進(jìn)行詳細(xì)討論。

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本文編號(hào)：2788910