方平治 趙兵科 魯小琴 梁旭東 湯杰

1中國氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海200030

2中國氣象局北京城市氣象研究所，北京100089

1 引言

臺(tái)風(fēng)災(zāi)害模型逐漸成為對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估的常用手段，其應(yīng)用范圍包括臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和風(fēng)荷載規(guī)范的基本風(fēng)速估計(jì)、海岸地區(qū)風(fēng)暴潮潮位和海浪高度的預(yù)測，以及保險(xiǎn)業(yè)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)評(píng)估等（Vickery et al., 2009a）。臺(tái)風(fēng)風(fēng)場模型是臺(tái)風(fēng)災(zāi)害模型的重要組成部分，而臺(tái)風(fēng)邊界層模型將臺(tái)風(fēng)風(fēng)場模型中的梯度風(fēng)速和 10米高度的地表風(fēng)速（包括陸地和洋面）在統(tǒng)計(jì)意義上建立聯(lián)系（Holland, 1980; Vickery et al., 2000; McConochie et al., 2004; Levinson et al., 2010）。地表風(fēng)速和梯度風(fēng)速的比值受到大氣穩(wěn)定度、下墊面粗糙度，以及距離臺(tái)風(fēng)中心位置的影響；另外，對(duì)梯度風(fēng)高度的認(rèn)識(shí)也是一個(gè)逐步深入的過程。在早期階段，通常認(rèn)為洋面上梯度風(fēng)高度在 1500～3000米之間（Powell et al., 1996; Willoughby and Rahn,2004），代表性的研究結(jié)果給出地表風(fēng)速和梯度風(fēng)速的比值在最大風(fēng)圈附近為 0.825，在臺(tái)風(fēng)外圍為0.75；在近海及海岸線上，上述風(fēng)速比值保持不變(Georgiou, 1985; Vickery and Twisdale, 1995)。在下投式探空儀出現(xiàn)之后，觀測結(jié)果表明洋面上梯度風(fēng)高度在 500～2000米之間（Powell et al., 1996;Willoughby and Rahn, 2004），代表性的研究結(jié)果給出地表風(fēng)速和梯度風(fēng)速的比值為 0.73（Powell et al.,2005）和 0.71（Vickery et al., 2009b）；在近海及海岸線上，風(fēng)速比值逐漸減小，前者減小的幅度為15%～20%，而后者減小的幅度為18%～20%。

通過對(duì) 1997～2003年期間大西洋、墨西哥灣和西太平洋上的颶風(fēng)進(jìn)行觀測，Vickery et al.（2009b）對(duì)颶風(fēng)的平均風(fēng)廓線進(jìn)行了研究。首先根據(jù)下投式探空儀的釋放地點(diǎn)，將風(fēng)廓線分為最大風(fēng)圈及其附近的風(fēng)廓線以及遠(yuǎn)離最大風(fēng)圈的風(fēng)廓線；然后根據(jù)最大風(fēng)圈半徑的大小，以及500米以下風(fēng)廓線的風(fēng)速平均值將風(fēng)廓線進(jìn)一步分類；最后將同類風(fēng)廓線求和平均得到平均風(fēng)廓線。結(jié)果表明：平均風(fēng)廓線的梯度風(fēng)（即最大風(fēng)）高度一般在1000米以下（在300～1000米之間，由文獻(xiàn)中表6和表7的H*/1.12得到）；梯度風(fēng)高度隨風(fēng)速平均值的增大而降低，隨最大風(fēng)圈半徑的增加而增加；梯度風(fēng)高度以下的平均風(fēng)廓線滿足對(duì)數(shù)律。由1997～1999年期間大西洋、東太平洋和中太平洋上成熟颶風(fēng)最大風(fēng)圈及其附近的風(fēng)廓線，采用相同的方法，Powell et al（2003）的研究結(jié)果表明：平均風(fēng)廓線的梯度風(fēng)高度可達(dá)500米。美國東部海岸沿海地帶以開闊場地為主，特征粗糙長度在 10?2米量級(jí)（0.03米），和颶風(fēng)條件下近海的特征粗糙長度基本相當(dāng)，因此，對(duì)于沿美國東部海岸登陸的颶風(fēng)，通常假定梯度風(fēng)速保持不變，僅梯度風(fēng)高度上升20%～30%左右（Vickery et al., 2009b）。

我國華東沿海地形和美國東部海岸地形不同，特別是福建省和浙江省交界處，以丘陵山地為主。復(fù)雜地形導(dǎo)致其特征粗糙長度不同于開闊場地對(duì)應(yīng)的特征粗糙長度，從而影響登陸臺(tái)風(fēng)的風(fēng)廓線；另外，臺(tái)灣島對(duì)華東登陸臺(tái)風(fēng)的影響也不可忽略。因此，對(duì)于受到臺(tái)灣島影響并登陸我國華東沿海的臺(tái)風(fēng)，在臺(tái)風(fēng)登陸前后，由于粗糙度以及內(nèi)部環(huán)流等邊界條件和動(dòng)力機(jī)制的變化，地表風(fēng)速和梯度風(fēng)速的比值、梯度風(fēng)高度，以及梯度風(fēng)高度以下的風(fēng)廓線是否滿足對(duì)數(shù)律等登陸臺(tái)風(fēng)沿海地帶風(fēng)廓線的基本特征可能和洋面上成熟臺(tái)風(fēng)、近海臺(tái)風(fēng)，以及沿美國東部海岸登陸的颶風(fēng)等風(fēng)廓線特征存在差異。利用上海臺(tái)風(fēng)研究所移動(dòng)觀測系統(tǒng)獲得的“韋帕”、“莫拉克”、“凡亞比”和“梅花”四個(gè)臺(tái)風(fēng)的GPS探空數(shù)據(jù)，本文對(duì)華東近海和沿海地帶的臺(tái)風(fēng)風(fēng)廓線特征進(jìn)行初步分析。首先求出梯度風(fēng)速及其對(duì)應(yīng)的高度，在此基礎(chǔ)上利用指數(shù)律和對(duì)數(shù)律對(duì)風(fēng)廓線進(jìn)行擬合，并對(duì)冪指數(shù)、10米高度的地表風(fēng)速和梯度風(fēng)速的風(fēng)速比，以及由對(duì)數(shù)律定義的常通量層高度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)梯度風(fēng)高度和常通量層高度進(jìn)行比較。本文還通過平均風(fēng)廓線對(duì)上述各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)梯度風(fēng)高度以下風(fēng)廓線的變化規(guī)律和可能原因進(jìn)行了討論。

2 風(fēng)廓線的描述方法

土木工程中常用指數(shù)律對(duì)風(fēng)廓線進(jìn)行描述。指數(shù)律是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑑缰笖?shù)是其重要的參數(shù)，由來流方向的地形因素決定。對(duì)于一條典型的風(fēng)廓線，取風(fēng)廓線中的最大風(fēng)速為梯度風(fēng)速，其對(duì)應(yīng)的高度為梯度風(fēng)高度，指數(shù)律可定義為：

式中：U表示z高度處的流向平均風(fēng)速，α為風(fēng)廓線的冪指數(shù)，Ug和Hg分別為梯度風(fēng)速和梯度風(fēng)高度。風(fēng)廓線還可以用對(duì)數(shù)律來描述。對(duì)數(shù)律是理論模型，適宜于距離地面較小的范圍。對(duì)數(shù)律可定義為：

式中：*u表示摩擦風(fēng)速，0.40κ=為von Karman常數(shù)，0z為粗糙長度。理論上，上述對(duì)數(shù)律適用于中性大氣邊界層。臺(tái)風(fēng)條件下，特別是洋面上，由于風(fēng)速較大，機(jī)械混合作用較強(qiáng)，最大風(fēng)高度以下的風(fēng)廓線可以用對(duì)數(shù)律進(jìn)行描述，從而最大風(fēng)高度、梯度風(fēng)高度和由對(duì)數(shù)律定義的常通量層高度一致（Kepert, 2001; Powell et al., 2003；Vickery et al.,2009b）；因此，洋面上采用上述任意參數(shù)定義的邊界層高度基本一致。

圖1 L波段雷達(dá)探空數(shù)據(jù)和GPS探空數(shù)據(jù)給出的風(fēng)廓線對(duì)比：（a）16時(shí)；（b）17時(shí)Fig.1 Comparisons between the wind profiles from the L-band radar data and the GPS sonde data at (a) 1600 BT (Beijing time) and (b) 1700 BT 7 Dec 2009

3 GPS探空數(shù)據(jù)概述

本文的GPS探空數(shù)據(jù)來源于Win-9000氣象處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)為上海臺(tái)風(fēng)研究所移動(dòng)觀測系統(tǒng)的一部分。Win-9000氣象處理系統(tǒng)由美國Sippican公司提供，采用Mark II GPS微型探空儀，可以獲得風(fēng)速和風(fēng)向、溫度、氣壓以及濕度等基本氣象數(shù)據(jù)沿高度的變化，采樣頻率為1赫茲。為了考察GPS探空數(shù)據(jù)的可靠性，將由 GPS探空數(shù)據(jù)得到的風(fēng)廓線和L波段（I型）雷達(dá)探空數(shù)據(jù)得到的風(fēng)廓線進(jìn)行比較。L波段（I型）雷達(dá)高空氣象探測系統(tǒng)在中國氣象局的高空氣象探測業(yè)務(wù)中廣泛使用，采用國產(chǎn) GTS-I型數(shù)字式探空儀，采樣頻率為 1/60赫茲。2009年12月7日16時(shí)（北京時(shí)間，下同）和 17時(shí)，上海臺(tái)風(fēng)研究所在上海市氣象局寶山氣象站進(jìn)行了由兩種系統(tǒng)獲得的探空數(shù)據(jù)而得到的風(fēng)廓線的對(duì)比試驗(yàn)，如圖1所示。由圖可見：由兩組探空數(shù)據(jù)給出的風(fēng)廓線基本一致，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.996以上。另外，在相同時(shí)刻給出的觀測數(shù)據(jù)的差異不超過10%。探空氣球的“漂移”問題在探空數(shù)據(jù)應(yīng)用中需要特別注意，和時(shí)間尺度和大氣穩(wěn)定度緊密聯(lián)系。根據(jù)Vickery et al.（2009b）和Powell et al.（2003）的研究，由探空儀得到的風(fēng)廓線對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度在10分鐘至1小時(shí)之間。

4 臺(tái)風(fēng)風(fēng)廓線資料概述

圖2 觀測位置、臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑以及觀測期間臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑示意圖Fig.2 Observation sites, tracks of the typhoons (dashed lines), and the corresponding tracks of the typhoons during the observations (solid lines)

本文選擇“韋帕”、“莫拉克”、“凡亞比”和“梅花”四個(gè)臺(tái)風(fēng)的風(fēng)廓線資料進(jìn)行分析。觀測位置分別位于浙江省象山縣（29.429°N，121.959°E，海拔高度 5米）、福建省寧德市（26.663°N，119.550°E，海拔高度 10米）、福建省古雷港（23.771°N，117.586°E，海拔高度21米），以及浙江省小洋山（30.607°N，122.094°E，海拔高度 4米）。臺(tái)風(fēng)基本信息如表1所示。由表可見：“韋帕”臺(tái)風(fēng)的登陸最大風(fēng)速，以及“莫拉克”和“凡亞比”臺(tái)風(fēng)首次登陸的最大風(fēng)速接近。觀測位置、臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑，以及觀測期間臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑如圖2所示。由圖可見：“梅花”臺(tái)風(fēng)近海北上，“韋帕”、“莫拉克”和“凡亞比”三臺(tái)風(fēng)登陸；“韋帕”臺(tái)風(fēng)首次在浙江蒼南登陸，“莫拉克”和“凡亞比”兩臺(tái)風(fēng)首次均在臺(tái)灣花蓮登陸；“莫拉克”臺(tái)風(fēng)二次在福建霞浦登陸，“凡亞比”臺(tái)風(fēng)二次在福建漳浦（古雷港）登陸。另外，“莫拉克”和“凡亞比”兩臺(tái)風(fēng)的觀測位置均靠近臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)。探空氣球釋放的時(shí)刻、觀測地點(diǎn)到該時(shí)刻臺(tái)風(fēng)中心的距離，以及該時(shí)刻臺(tái)風(fēng)的最大風(fēng)圈半徑（數(shù)據(jù)源于JTWC）等臺(tái)風(fēng)風(fēng)廓線的基本信息見表2。

5 臺(tái)風(fēng)風(fēng)廓線特征的觀測事實(shí)分析

5.1 數(shù)據(jù)處理的基本方法

首先，為避免周圍雜物等的影響，以及氣球釋放初期階段信號(hào)的不穩(wěn)定，風(fēng)廓線中 20米以下的數(shù)據(jù)不予考慮；其次，沿高度方向，由下至上，將每條風(fēng)廓線數(shù)據(jù)分成三段，即 20～500米、500～1000米，以及1000米以上，對(duì)應(yīng)每段數(shù)據(jù)，將每20米、50米，以及100米內(nèi)所包含數(shù)據(jù)點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向及其對(duì)應(yīng)的高度進(jìn)行平均，得到新的風(fēng)速、風(fēng)向和高度，由此形成新的風(fēng)廓線，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)廓線特征分析。本文中 GPS探空數(shù)據(jù)的采樣頻率為1赫茲，在實(shí)際觀測中，探空氣球的上升速率在300～400米/分鐘，即每20米大約包括3～4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。上述過程能夠消除或降低由技術(shù)原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)波動(dòng)，可以得到較為平滑的風(fēng)廓線。針對(duì)新的風(fēng)廓線，首先求出梯度風(fēng)速Ug和梯度風(fēng)高度Hg，在此基礎(chǔ)上采用指數(shù)律和對(duì)數(shù)律對(duì)風(fēng)廓線進(jìn)行擬合，并對(duì)冪指數(shù)α、地表風(fēng)速和梯度風(fēng)速的風(fēng)速比Rvel，由對(duì)數(shù)律定義的常通量層高度Hc，以及梯度風(fēng)高度和常通量層高度的比值Rhei進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算風(fēng)速比時(shí)，10米高度的地表風(fēng)速由指數(shù)律得到。

理論上，風(fēng)廓線最下部的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以完全確定對(duì)數(shù)律。由于觀測過程包含很多不確定性以及技術(shù)原因，由此得到的對(duì)數(shù)律不一定很好描述風(fēng)廓線底部風(fēng)速的變化規(guī)律；因此，針對(duì)每條風(fēng)廓線，有必要利用更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用擬合方法求對(duì)數(shù)律，并引入相關(guān)系數(shù)來控制擬合精度。隨著數(shù)據(jù)點(diǎn)的增多，對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)逐漸減小，同時(shí)，對(duì)數(shù)律的適用范圍越大。本文的目標(biāo)相關(guān)系數(shù)R為0.995，即擬合結(jié)果必須滿足對(duì)數(shù)律和觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)大于或等于0.995。需額外說明的是：當(dāng)擬合結(jié)果出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)為1.0，對(duì)應(yīng)的常通量層高度低于60米時(shí)，說明擬合結(jié)果僅用到風(fēng)廓線最下部的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，此時(shí)，風(fēng)廓線可能不滿足對(duì)數(shù)律，相應(yīng)地，與對(duì)數(shù)律相關(guān)的常通量層高度也沒有意義，相關(guān)的數(shù)據(jù)分析將剔除這些數(shù)據(jù)。

表1 臺(tái)風(fēng)基本信息（中國氣象局，2006～2011年）Table 1 Fundamental data of the studied typhoons (China Meteorological Administration, 2006?2011)

表2 臺(tái)風(fēng)風(fēng)廓線基本信息Table 2 Fundamental data of the wind profiles for the typhoons

5.2 觀測事實(shí)分析

各臺(tái)風(fēng)相同參數(shù)的比較如圖3所示。圖中橫坐標(biāo)表示臺(tái)風(fēng)風(fēng)廓線的序號(hào)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)廓線可根據(jù)表2的序號(hào)確定。

圖 3a是臺(tái)風(fēng)各風(fēng)廓線中梯度風(fēng)速的比較。由圖可見：（1）由于“莫拉克”和“凡亞比”兩臺(tái)風(fēng)的觀測位置位于臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)附近，在臺(tái)風(fēng)靠近時(shí)，梯度風(fēng)速較低（低于20米/秒）；（2）“凡亞比”臺(tái)風(fēng)的梯度風(fēng)速相對(duì)較低，而其他三個(gè)臺(tái)風(fēng)梯度風(fēng)速較高而且接近。梯度風(fēng)速的大小基本反映了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度。

圖3b是臺(tái)風(fēng)各風(fēng)廓線中與梯度風(fēng)速對(duì)應(yīng)的梯度風(fēng)高度的比較。總體而言，“梅花”臺(tái)風(fēng)的梯度風(fēng)高度明顯低于其他三個(gè)登陸臺(tái)風(fēng)?！懊坊ā迸_(tái)風(fēng)梯度風(fēng)高度的平均值為1.579公里，“韋帕”、“莫拉克”和“凡亞比”三個(gè)臺(tái)風(fēng)的平均值分別為4.121公里、 2.862公里和3.171公里。 對(duì)于“梅花”臺(tái)風(fēng)，其移動(dòng)路徑表現(xiàn)為近海北上，從觀測位置獲得的風(fēng)廓線也很少受到陸地過程的影響，因此，梯度風(fēng)高度可以認(rèn)為接近深海臺(tái)風(fēng)的特征；而其他三個(gè)臺(tái)風(fēng)的風(fēng)廓線均受到包括臺(tái)灣島在內(nèi)的陸地過程的影響，從而梯度風(fēng)高度較大。

圖3c是臺(tái)風(fēng)各風(fēng)廓線中由梯度風(fēng)速及其對(duì)應(yīng)的梯度風(fēng)高度通過最小二乘法擬合得到的冪指數(shù)的比較。對(duì)于登陸臺(tái)風(fēng)，觀測位置位于沿海地帶，風(fēng)廓線不僅受到臺(tái)灣島以及臺(tái)灣海峽海域的影響，也可能受到觀測位置所處的局部地形的影響，并在冪指數(shù)上有所反映。對(duì)于“莫拉克”臺(tái)風(fēng)，其登陸地點(diǎn)的局部地形在華東沿海最為復(fù)雜。由圖可見：登陸臺(tái)風(fēng)的冪指數(shù)明顯大于近海臺(tái)風(fēng)；“莫拉克”臺(tái)風(fēng)的冪指數(shù)大于“韋帕”和“凡亞比”兩臺(tái)風(fēng)?！懊坊ā迸_(tái)風(fēng)冪指數(shù)的平均值為0.189，“韋帕”、“莫拉克”和“凡亞比”三個(gè)臺(tái)風(fēng)的平均值分別為0.348、0.450和0.274。

圖3d是臺(tái)風(fēng)各風(fēng)廓線中由指數(shù)律風(fēng)廓線得到的風(fēng)速比的比較。由圖可見：登陸臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速比明顯小于近海臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速比。“梅花”臺(tái)風(fēng)風(fēng)速比的平均值為 0.405，“韋帕”、“莫拉克”和“凡亞比”臺(tái)風(fēng)的平均值分別為 0.134、0.098和 0.229。根據(jù) Powell et al.（2005）和 Vickery et al.（2009b）的研究結(jié)果，在近海及海岸線上，該比值在0.57～0.62之間。計(jì)算結(jié)果表明：“梅花”臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速比略低于上述研究成果；“韋帕”、“莫拉克”和“凡亞比”登陸臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速比遠(yuǎn)小于上述研究結(jié)果。其原因可能是后者經(jīng)過臺(tái)灣島或者受到臺(tái)灣島，以及二次登陸的影響，梯度風(fēng)高度增加，梯度風(fēng)速受地形的影響較小或保持不變（Vickery et al.,2009b）；而地表風(fēng)速由于復(fù)雜地形引起的摩擦大幅度減小，從而風(fēng)速比值大幅度減小。

圖3 近海臺(tái)風(fēng)和登陸臺(tái)風(fēng)風(fēng)廓線各參數(shù)比較：（a）梯度風(fēng)速；（b）梯度風(fēng)高度；（c）冪指數(shù)；（d）風(fēng)速比；（e）常通量層高度；（f）高度比Fig.3 Comparisons of the parameters of the wind profiles for the offshore and landing typhoons: (a) Gradient wind speed; (b) gradient wind level; (c)exponential index; (d) wind speed ratio; (e) height of the constant flux layer; (f) height ratio

圖3e是臺(tái)風(fēng)各風(fēng)廓線中由對(duì)數(shù)律定義的常通量層高度的比較。根據(jù)前述關(guān)于常通量層高度低于60米的數(shù)據(jù)處理說明，“梅花”臺(tái)風(fēng)的第8數(shù)據(jù)點(diǎn)、“韋帕”臺(tái)風(fēng)的第4和第6數(shù)據(jù)點(diǎn)、“莫拉克”臺(tái)風(fēng)的第1、第4～6數(shù)據(jù)點(diǎn)，以及“凡亞比”臺(tái)風(fēng)的第6數(shù)據(jù)點(diǎn)不存在常通量層高度，在數(shù)據(jù)分析中不予考慮。由圖可見：在早期觀測階段（前兩條風(fēng)廓線），“梅花”臺(tái)風(fēng)的常通量層高度最高可達(dá) 450米左右，這可能與局部地形以及觀測位置和臺(tái)風(fēng)中心的相對(duì)位置等因素有關(guān)。小洋山北部是最高海拔高度約 50米左右的起伏地形，東北方向的地形相對(duì)平坦；在觀測早期，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，局部地形的影響微弱，而遠(yuǎn)處為開闊海面，因此風(fēng)廓線具有深海成熟臺(tái)風(fēng)的特征，從而常通量層高度較高。總體而言，對(duì)于登陸臺(tái)風(fēng)，常通量層高度基本在200米以下，“韋帕”、“莫拉克”和“凡亞比”三個(gè)臺(tái)風(fēng)的平均值分別為138米、143米和90米。圖3f是臺(tái)風(fēng)各風(fēng)廓線中梯度風(fēng)高度和常通量層高度比值的比較?？傮w說來，臺(tái)風(fēng)的梯度風(fēng)高度均大于常通量層高度；但登陸臺(tái)風(fēng)梯度風(fēng)高度和常通量層高度的差異更為明顯。

在臺(tái)風(fēng)風(fēng)廓線研究中經(jīng)常用到平均風(fēng)廓線，因此，有必要考察平均風(fēng)廓線的特征值和風(fēng)廓線特征值的平均值之間的差異。針對(duì)每一個(gè)臺(tái)風(fēng)，將所有風(fēng)廓線進(jìn)行求和，得到平均風(fēng)廓線。平均風(fēng)廓線各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果和風(fēng)廓線各參數(shù)平均值的比較如表3所示。由表可見：兩種方法得到的梯度風(fēng)速、梯度風(fēng)高度、冪指數(shù)和風(fēng)速比差別不大；對(duì)于常通量層高度，“梅花”和“凡亞比”兩臺(tái)風(fēng)的差別較大。對(duì)于近海的“梅花”臺(tái)風(fēng)，由于觀測過程包含諸多不確定因素，導(dǎo)致單個(gè)風(fēng)廓線的常通量層高度較低，而通過平均過程，可以降低或消除一些不確定因素，將風(fēng)廓線中對(duì)數(shù)律部分更加明顯地表現(xiàn)出來?？傮w而言，通過平均風(fēng)廓線可以對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)沿海地帶風(fēng)廓線進(jìn)行初步了解，如圖4所示。通過和Vickery et al.（2009b）的研究結(jié)果進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)：“梅花”臺(tái)風(fēng)的平均風(fēng)廓線特征和深海成熟颶風(fēng)的平均風(fēng)廓線特征基本相似，即平均風(fēng)廓線的梯度風(fēng)高度在 1000米以下，以及梯度風(fēng)高度以下的風(fēng)廓線滿足對(duì)數(shù)律；對(duì)于“莫拉克”臺(tái)風(fēng)，由對(duì)數(shù)律定義的常通量層高度大幅度降低，維持在200米左右，而梯度風(fēng)高度大幅度上升，最后維持在3000米左右，即隨高度的增加，風(fēng)廓線逐漸偏離對(duì)數(shù)律?！绊f帕”臺(tái)風(fēng)的平均風(fēng)廓線特征和“莫拉克”臺(tái)風(fēng)相似。

表3 平均風(fēng)廓線各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果和風(fēng)廓線各參數(shù)平均值的比較Table 3 Comparisons of the parameters between the values from the mean wind profiles and the mean values from the wind profiles of the typhoons

6 討論

梯度風(fēng)高度以下風(fēng)速偏離對(duì)數(shù)律的原因可能和陸地過程有關(guān)。以“莫拉克”臺(tái)風(fēng)為例，臺(tái)風(fēng)路徑存在首次登陸和二次登陸。由于觀測點(diǎn)在海岸線附近，二次登陸對(duì)平均風(fēng)廓線的影響較?。≒owell et al., 1996; Sempreviva et al., 1990），因此，首次登陸臺(tái)灣島可能是一個(gè)重要原因。隨著臺(tái)風(fēng)首次登陸，一方面在梯度風(fēng)速保持不變或變化不大條件下梯度風(fēng)高度大幅度上升（Vickery et al., 2009b），另一方面會(huì)形成和較大粗糙度相適應(yīng)的陸地條件下的常通量層；隨著臺(tái)風(fēng)再次進(jìn)入海域，由于粗糙度減小，常通量層底部的風(fēng)速重新變大（Masters et al.,2010），從而導(dǎo)致沿高度方向，風(fēng)廓線逐漸偏離對(duì)數(shù)律。Vickery et al.（2009b）和 Powell et al.（2003）也觀測到類似的現(xiàn)象，特別是對(duì)于風(fēng)速較大的平均風(fēng)廓線，并推測是由于海浪泡沫等引起的“滑移”（“slip”）邊界條件導(dǎo)致的。事實(shí)上，在深海中，同樣存在粗糙度由大變小的過程：臺(tái)風(fēng)外圍的風(fēng)速較小，海浪泡沫等尚未形成，粗糙度較大；隨著臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)，當(dāng)遇到最大風(fēng)圈時(shí)，由于風(fēng)速較大，形成了海浪泡沫等，從而形成“滑移”邊界條件。單獨(dú)的“滑移”邊界條件很難形成上述現(xiàn)象。

圖4 平均風(fēng)廓線：（a）“梅花”臺(tái)風(fēng)；（b）“凡亞比”臺(tái)風(fēng)；（c）“韋帕”臺(tái)風(fēng) ；（d）“莫拉克”臺(tái)風(fēng)Fig.4 Mean wind profiles of typhoons: (a) Muifa; (b) Fanapi; (c) Wipha; (d) Morakot

7 結(jié)語

利用 2007年的“韋帕”、2009年的“莫拉克”、2010年的“凡亞比”和2011年的“梅花”四個(gè)臺(tái)風(fēng)的GPS探空數(shù)據(jù)，對(duì)我國華東近海和沿海地帶的風(fēng)廓線特征進(jìn)行分析。首先求出梯度風(fēng)速及其對(duì)應(yīng)的高度，在此基礎(chǔ)上利用指數(shù)律和對(duì)數(shù)律對(duì)風(fēng)廓線進(jìn)行擬合，并對(duì)冪指數(shù)、地表風(fēng)速和梯度風(fēng)速的風(fēng)速比，以及由對(duì)數(shù)律定義的常通量層高度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)梯度風(fēng)高度和常通量層高度進(jìn)行比較。本文還通過四個(gè)臺(tái)風(fēng)的平均風(fēng)廓線對(duì)上述各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并和風(fēng)廓線各參數(shù)的平均值進(jìn)行對(duì)比。最后對(duì)梯度風(fēng)高度以下風(fēng)速沿高度偏離對(duì)數(shù)律的原因進(jìn)行了討論。結(jié)果表明：

（1）華東沿海地帶登陸臺(tái)風(fēng)平均風(fēng)廓線的地表風(fēng)速和梯度風(fēng)速比值的平均值在0.2左右，明顯低于Vickery et al.（2009b）的研究結(jié)果。主要原因是隨著臺(tái)風(fēng)經(jīng)過臺(tái)灣島以及二次登陸，梯度風(fēng)高度增加，梯度風(fēng)速受地形的影響較小或保持不變；而地表風(fēng)速由于復(fù)雜地形引起的摩擦大幅度減小，從而風(fēng)速比值大幅度減小。需要特別指出的是：如果采用常通量層高度對(duì)應(yīng)的風(fēng)速，本文的風(fēng)速比值和Vickery et al.（2009b）的研究結(jié)果基本相當(dāng)。

（2）華東沿海地帶登陸臺(tái)風(fēng)平均風(fēng)廓線的梯度風(fēng)高度平均值在 3000米左右，常通量層高度平均值在200米左右，兩者之間存在明顯差異；梯度風(fēng)高度以下，隨高度的增加，風(fēng)廓線逐漸偏離對(duì)數(shù)律，和Vickery et al.（2009b）關(guān)于深海臺(tái)風(fēng)的研究結(jié)果存在明顯差異。

（3）由于臺(tái)灣島的存在，導(dǎo)致在梯度風(fēng)速保持不變或變化不大條件下梯度風(fēng)高度上升，同時(shí)形成和較大粗糙度相適應(yīng)的陸地條件下的常通量層；隨著臺(tái)風(fēng)進(jìn)入臺(tái)灣海峽，下墊面對(duì)應(yīng)的粗糙度經(jīng)歷由大變小的過程，相應(yīng)地，邊界層底部的動(dòng)量通量減小，風(fēng)速變大，從而使風(fēng)廓線沿高度方向逐漸偏離對(duì)數(shù)律。風(fēng)廓線偏離對(duì)數(shù)律的原因需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

（4）對(duì)于沿我國華東登陸，特別是受臺(tái)灣島影響較大的臺(tái)風(fēng)，單獨(dú)的對(duì)數(shù)律已難以全面描述梯度風(fēng)高度以下風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律，有必要同時(shí)引入指數(shù)律。

致謝 本文GPS探空數(shù)據(jù)和無線電探空數(shù)據(jù)的對(duì)比試驗(yàn)由上海市氣象局寶山氣象站協(xié)助完成，特表示感謝。

（References）

Georgiou P N.1985.Design wind speeds in tropical cyclone-prone regions[D].Ph.D.Thesis, Faculty of Engineering Science, University of Western Ontario, London, Ontario, Canada.

Holland G J.1980.An analytic model of the wind and pressure profiles in hurricanes [J].Mon.Wea.Rev., 108 (8): 1212–1218.

Kepert J D.2001.The dynamics of boundary layer jets within the tropical cyclone core.Part I: Linear theory [J].J.Atmos.Sci., 58 (17): 2469–2484.

Levinson D H, Vickery P J, Resio D T.2010.A review of the climatological characteristics of landfalling Gulf hurricanes for wind, wave, and surge hazard estimation [J].Ocean Eng., 37 (1): 13–25.

Masters F J, Vickery P J, Bacon P, et al.2010.Toward objective,standardized intensity estimates from surface wind speed observations [J].Bull.Amer.Meteor.Soc., 91 (12): 1665–1681.

McConochie J D, Hardy T A, Mason L B.2004.Modelling tropical cyclone over water wind and pressure fields [J].Ocean Eng., 31: 1757–1782.

Powell M D, Houston S H, Reinhold T A.1996.Hurricane Andrew’s landfall in South Florida.Part I: Standardizing measurements for documentation of surface wind fields [J].Wea.Forecasting, 11 (3):304–328.

Powell M D, Vickery P J, Reinhold T A.2003.Reduced drag coefficient for high wind speeds in tropical cyclones [J].Nature, 422 (6929): 279–283.

Powell M D, Soukup G, Cocke S, et al.2005.State of Florida hurricane loss projection model: Atmospheric science component [J].J.Ind.Aerodyn.,93 (8): 651–674.

Sempreviva A M, Larsen S E, Mortensen N G, et al.1990.Response of neutral boundary layers to changes of roughness [J].Bound.-Layer Meteor., 50: 205–225.

Vickery P J, Twisdale L A.1995.Wind-field and filling models for hurricane wind-speed predictions [J].J.Struct.Eng., ASCE, 121 (11): 1700–1709.

Vickery P J, Skerlj P F, Steckley A C, et al.2000.Hurricane wind field model for use in hurricane simulations [J].J.Struct.Eng., 126 (10):1203–1221.

Vickery P J, Masters F J, Powell M D, et al.2009a.Hurricane hazard modeling: The past, present, and future [J].J.Wind Eng.Ind.Aerodynam., 97: 392–405.

Vickery P J, Wadhera D, Powell M D, et al.2009b.A hurricane boundary layer and wind field model for use in engineering applications [J].J.Appl.Meteor.Climatol., 48 (2): 381–405.

Willoughby H E, Rahn M E.2004.Parametric representation of the primary hurricane vortex.Part I: Observations and evaluation of the Holland(1980) model [J].Mon.Wea.Rev., 132 (12): 3033–3048.

中國氣象局.2006–2011.熱帶氣旋年鑒 (2005–2010) [M].北京: 氣象出版社.China Meteorological Administration.2006–2011.Yearbook of Tropical Cyclone (2005–2010) (in Chinese) [M].Beijing: China Meteorological Press.