CN112001069B - 一种轴非对称台风风场模拟的方法 - Google Patents

一种轴非对称台风风场模拟的方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种轴非对称台风风场模拟的方法，其方法包括步骤：S1、获取台风活动特征、台风登陆前后气压场及风场特征；S2、根据台风登陆前后气压场及风场特征、现有的台风风场模型和所获取的台风关键参数信息计算出台风最大风速；S3、进行近岸台风轴非对称气压场模式化，建立沿高度解析的台风轴非对称气压场三维模型；S4、基于所建立的轴非对称气压场模型对现有台风风场模型进行改进，得到能更好反应实际情况的近岸台风轴非对称风场模型。本发明通过实测研究、理论分析与数值模拟相结合的研究方法对影响我国东南沿海的近岸及登陆台风的轴非对称气压场进行***研究，建立台风轴非对称气压场模型，更好地反应台风近岸及登陆后气压场的分布特征。

Description

一种轴非对称台风风场模拟的方法
技术领域
本发明涉及风工程技术领域，尤其涉及一种轴非对称台风风场模拟的方法。
背景技术
台风是产生于热带海洋面上的一种强烈的热带气旋，极具破坏力。台风登陆时，容易在沿海地区引起狂风、暴雨、风暴潮等自然灾害。因此，能够合理的评估台风以及登陆台风的自然结构特征，是台风易发区域高层建筑结构抗风设计、风暴潮预测以及对台风灾害性评估的前提与基础。
现有的台风风场模型均建立在台风轴对称气压场模型基础之上，即认为台风气压场等值线呈同心圆形式分布。然而已有研究表明台风气压场在近岸以及登陆过程中表现出明显的轴非对称性。基于多座国家级气象站点实测得到的多个台风登陆前后若干条逐时气压场(以无量纲形式给出)的径向分布图及采用现有轴对称模型对逐时实测数据拟合的结果，可知采用轴对称模型所得出的气压场结果与真实情况存在明显差异。
因此，台风数值预报中由于采用对称气压场模型而导致预报误差，将导致其对台风风场的预测必然存在误差，进而给抗台风实践活动带来较大的不确定性影响。现有研究结果表明，风场模拟结果中70％的不确定性，与热带气旋气压场两大关键参数即最大风速半径和Holland-B的取值有关。基于上述研究，有理由认为上述差异很可能与气压场轴非对称分布特征相关。
发明内容
为解决现有技术所存在的技术问题，本发明提供一种轴非对称台风风场模拟的方法，通过实测研究、理论分析与数值模拟相结合的方法对近岸及登陆台风的轴非对称气压场进行***研究，建立适用于工程应用的台风轴非对称气压场模型及以此为基础的台风风场模型，并对台风风场进行后验模拟分析，验证所提模型的有效性。
本发明采用以下技术方案来实现：一种轴非对称台风风场模拟的方法，包括以下步骤：
S1、根据西北太平洋热带气旋气象资料，以及实测数据及后验数据模拟资料，获取台风活动特征、台风登陆前后气压场及风场特征，利用气压场模型对后验数据模拟资料进行拟合，获得台风关键参数信息；
S2、根据台风登陆前后气压场及风场特征、台风风场模型和所获取的台风关键参数信息计算出台风最大风速，并将计算结果与实测数据、气象部门发布的台风强度后验值比对，得出基于轴对称气压场模型的台风风场模型的模拟精度；
S3、进行近岸台风轴非对称气压场模式化，提出以共焦点椭圆族为气压场等值线分布形式的二维平面模型，确定二维平面模型中长轴方向θc与海岸线走向、台风平移速度的量化关系，建立椭圆族各离心率e与台风气压值的函数关系f(e)，结合沿高度解析的台风轴对称气压场模型，建立沿高度解析的台风轴非对称气压场三维模型；
S4、基于所建立的台风轴非对称气压场三维模型对台风风场模型进行改进，得到近岸台风轴非对称风场模型。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明基于近20年沿海台风实测数据及经后验得到的台风资料，对台风不同阶段气压场及风场特征，特别是对包含最大风速半径和Holland-B等在内的关键参数进行对比研究，揭示台风登陆前后内部结构及特征的差异。
2、本发明建立近地面轴非对称气压场模型，并结合已经建立的沿高度解析的台风气压场模型，建立沿高度解析的轴非对称气压场模型，可更好反应台风近岸及登陆后气压场的分布特征。
3、本发明基于提出的台风气压场模型对现有风场模型进行改进，并结合台风关键参数开展台风风场数值模拟研究，使之能更好反应近岸及登陆后台风风场实测结果。
附图说明
图1是本发明的台风风场模拟流程图；
图2是本发明轴非对称气压模型结果图；
图3是本发明垂直方向上的台风风速；
图4为本发明水平方向上的台风风速。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例一种轴非对称台风风场模拟的方法，主要包括以下步骤：
步骤S1、根据西北太平洋热带气旋气象资料，以及实测数据及后验数据模拟资料，获取台风活动特征、台风登陆前后气压场及风场特征，利用气压场模型对后验数据模拟资料进行拟合，获得台风关键参数信息。
本实施例中，通过利用大量(近20年影响东南沿海的台风实测数据)可靠的有关发生在西北太平洋海域热带气旋的实测及经后验得到的数值模拟资料来获取台风活动特征(包括平移方向和速度)特别是台风气压场及风场特征在台风登陆前后的变化差异。利用公式(1a)、(1b)所示的Holland(1980)气压场模型对上述数据模拟资料进行拟合，从而得到台风RMW及Holland-B两大关键参数的数值，进而得到基于现有轴对称模型对台风气压场的模式化表达。
ΔP0(r)＝P0,ref-P0(r) (1a)
ΔP0(r)＝Pc0+ΔPc0exp[-(rm/r)B] (1b)
其中，ΔP0(r)为环境大气压与台风半径为r处的气压差、P0,ref为环境大气压、P0(r)为台风半径为r处的气压值、Pc0为台风中心气压、ΔPc0为环境大气压与台风中心的气压差、rm为最大风速半径、r为台风半径、B为一个常数。
以上述确定的气压场模式为基本输入信息，采用现有主流台风风场模型，包括slab模型及Meng等人(1995,1997)提出的模型，对台风风场进行后验分析，并将模拟结果与实测结果对比，从而检查基于轴对称气压场模型的台风风场模型模拟结果的有效性与精度。
步骤S2、根据台风登陆前后气压场及风场特征、现有的台风风场模型和所获取的RMW、β等台风关键参数信息计算出台风最大风速，并将计算结果与实测数据、气象部门发布的台风强度后验值比对，得出基于轴对称气压场模型的台风风场模型的模拟精度。
本实施例中，台风风场模型slab模型主要考虑Thompson和Cardone(1996)提出的CE风场模型，其控制方程如下所示：
Figure BDA0002624922870000031
其中
Figure BDA0002624922870000032
为质点导数；/>
Figure BDA0002624922870000033
为局部导数；/>
Figure BDA0002624922870000034
为对流项；/>
Figure BDA0002624922870000035
为二维微分算子；P为气压场；/>
Figure BDA0002624922870000036
为边界层内垂直平均的水平风速矢量；f为科氏参数；/>
Figure BDA0002624922870000037
为垂直方向的单位矢量；ρ为平均的空气密度；h为边界层的厚度；CD为阻力系数；KH为水平涡粘系数，其计算方程如下所示：
Figure BDA0002624922870000038
其中，Δx是网格尺寸，k为无量纲常数，u和v分别为相对直角坐标系下的x方向和y方向的速度分量。
将方程(2)转换为原点固连于台风中心，x轴指向正东为正，y轴指向正北为正的直角坐标系下的运动方程为：
Figure BDA0002624922870000041
其中，v0和vgo分别是相对于台风中心的水平风速和有效地转风速，vc是台风中心的移动风速。该方程可通过分析拆分为以下的标量方程组：
Figure BDA0002624922870000042
Figure BDA0002624922870000043
式中：
Figure BDA0002624922870000044
Figure BDA0002624922870000045
Figure BDA0002624922870000046
其中，Pu、Hu、Fu分别代表着关于气压力、水平涡粘性力以及阻力在u方向的函数；同理，Pv、Hv、Fv分别代表着关于气压力、水平涡粘性力以及阻力在v方向的函数，s代表着u、v，是一种简写，即Hs分别等于Hu和Hv，Fs分别等于Fu和Fv；Pc为台风中心气压；ug、vg是有效地转风速在u、v方向的分量；uc、vc分别为台风中心的移动速度在u和v方向的速度。
与上述台风风场模型slab模型不同的是，台风风场模型Meng模型具有沿高度解析的能力，其矢量控制方程如下：
Figure BDA0002624922870000047
其中，
Figure BDA0002624922870000048
Vg为梯度风速，V′为地表摩擦阻力风速，/>
Figure BDA0002624922870000049
为地表摩擦阻力。
基于上述方程容易得到以下的标量控制方程组：
Figure BDA00026249228700000410
Figure BDA0002624922870000051
其中，P为气压场，Km为涡流粘度，f为科氏参数，r为风速半径，ρ为空气密度，vr、vθ分别为水平风速的分别沿r方向和θ方向的分量，vrg、vθg分别为梯度风速分别沿r方向和θ方向的分量，cθ＝-c sin(θ-β)，cθ为沿θ方向的台风中心移动速度，θ为正东方向与模拟点和台风中心连线的夹角，β是台风中心移动方向和正东方向的夹角，c为台风中心移动速度。
步骤S3、进行近岸台风轴非对称气压场模式化，提出以共焦点椭圆族为气压场等值线分布形式的二维平面模型，确定二维平面模型中长轴方向θc与海岸线走向、台风平移速度等参数的量化关系，建立椭圆族各离心率e与台风气压值的函数关系f(e)，结合沿高度解析的台风轴对称气压场模型，建立沿高度解析的台风轴非对称气压场三维模型。
本实施例中，采用的轴非对称气压场初步模型如公式(9a)、(9b)所示。公式中部分参数的取值需基于相关数据资料分析而定。对典型台风气压场个例开展对比分析，考察所建立模型及轴对称气压场模拟对应的模拟结果与实测数据间的吻合程度，进而获得两种模型特点及模拟精度。结合公式(10a)-(10e)所示的沿高度解析的台风气压场模型，建立沿高度解析的台风轴非对称气压场模型。
Figure BDA0002624922870000052
Figure BDA0002624922870000053
Figure BDA0002624922870000054
Figure BDA0002624922870000055
P*(z)＝P0(1-μz/T0)gM/(Rμ) (10c)
Pv(z)＝Pvs(z)·RH(z) (10d)
Figure BDA0002624922870000056
其中，ρ(e,θ)为离心率为e沿θ方向的空气密度；e为椭圆各族离心率，θc为椭圆长轴方向；L为直角坐标系下的矢径；P0为背景大气压力；Pc0为台风中心的气压；ΔPc0为中心气压差；P(z)为热力学分析大气压力的垂直分布；dz为积分变量z的定积分；z为海拔高度；Rd为干空气特定气压常数；T(z)为大气纬温度的垂直分布；ρ(z)表示海拔高度z上的空气密度；P*(z)为大气压力沿高度变化；μ为温度递减率；T0为平均海面温度；g是重力加速度；M为干空气的摩尔系数；R为通用气体常数；Pv(z)为水蒸气压力的垂直分布；Pvs(z)为饱和水蒸气压力的垂直分布；RH(z)为相对湿度的垂直分布。
步骤S4、基于所建立的台风轴非对称气压场三维模型对现有台风风场模型，包括slab模型及沿高度解析的风场模型进行改进，得到能更好反应实际情况的近岸台风轴非对称风场模型。
本实施例中，气压场模型在极坐标下有关径距和角度等变量的偏导关系及其与风场模型中其它参量的解析关系，通过理论分析及数值模拟得到给定输入参数下台风风场的模拟结果。采用改进前及改进后模型对典型台风风场个例进行模拟分析，通过与实测数据对比验证改进模型的有效性及优越性。具体为，采用公式(7)所示的平面轴非对称气压场模型对公式(5a)-(5b)、(6a)-(6c)所示的CE风场模型进行改进；而对Meng模型则采用公式(9a)-(9b)、(10a)-(10e)所示的沿高度解析的轴非对称气压场模型对其改进。对于改进的CE风场模型，选择广东省内国家气象站点及香港地区地表站点记录的地表风场资料验证其模拟有效性及精度；对于改进的Meng模型，选择香港境内高空探测气球实测资料验证其模拟有效性及精度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种轴非对称台风风场模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据西北太平洋热带气旋气象资料，以及实测数据及后验数据模拟资料，获取台风活动特征、台风登陆前后气压场及风场特征，利用气压场模型对后验数据模拟资料进行拟合，获得台风关键参数信息；
S2、根据台风登陆前后气压场及风场特征、台风风场模型和所获取的台风关键参数信息计算出台风最大风速，并将计算结果与实测数据、气象部门发布的台风强度后验值比对，得出基于轴对称气压场模型的台风风场模型的模拟精度；
S3、进行近岸台风轴非对称气压场模式化，提出以共焦点椭圆族为气压场等值线分布形式的二维平面模型，确定二维平面模型中长轴方向θc与海岸线走向、台风平移速度的量化关系，建立椭圆族各离心率e与台风气压值的函数关系f(e)，结合沿高度解析的台风轴对称气压场模型，建立沿高度解析的台风轴非对称气压场三维模型；
S4、基于所建立的台风轴非对称气压场三维模型对台风风场模型进行改进，得到近岸台风轴非对称风场模型；
所述台风风场模型包括slab模型和Meng模型；
所述slab模型为CE风场模型，其控制方程如下所示：
Figure FDA0004223744700000011
其中
Figure FDA0004223744700000012
为质点导数；/>
Figure FDA0004223744700000013
为局部导数；/>
Figure FDA0004223744700000014
为对流项；/>
Figure FDA0004223744700000015
为二维微分算子；P为气压场；/>
Figure FDA0004223744700000016
为边界层内垂直平均的水平风速矢量；f为科氏参数；/>
Figure FDA0004223744700000017
为垂直方向的单位矢量；ρ为平均的空气密度；h为边界层的厚度；CD为阻力系数；KH为水平涡粘系数，其计算方程如下所示：
Figure FDA0004223744700000018
其中，Δx是网格尺寸，k为无量纲常数，u和v分别为相对直角坐标系下的x方向和y方向的速度分量；
方程(2)转换为原点固连于台风中心，x轴指向正东为正，y轴指向正北为正的直角坐标系下的运动方程为：
Figure FDA0004223744700000019
其中，v0和vgo分别是相对于台风中心的水平风速和有效地转风速，vc是台风中心的移动风速；方程(4)通过分析拆分为以下的标量方程组：
Figure FDA0004223744700000021
Figure FDA0004223744700000022
式中：
Figure FDA0004223744700000023
Figure FDA0004223744700000024
Figure FDA0004223744700000025
其中，Pu、Hu、Fu分别代表着关于气压力、水平涡粘性力以及阻力在u方向的函数；同理，Pv、Hv、Fv分别代表着关于气压力、水平涡粘性力以及阻力在v方向的函数，s代表着u、v，是一种简写，即Hs分别等于Hu和Hv，Fs分别等于Fu和Fv；Pc为台风中心气压；ug、vg是有效地转风速在u、v方向的分量；uc、vc分别为台风中心的移动速度在u和v方向的速度；
所述Meng模型具有沿高度解析的能力，其矢量控制方程如下：
Figure FDA0004223744700000026
其中，
Figure FDA0004223744700000027
Vg为梯度风速，V′为地表摩擦阻力风速，/>
Figure FDA0004223744700000028
为地表摩擦阻力；
轴非对称气压场模型初步模型如公式(9a)、(9b)所示，结合公式(10a-10e)所示的沿高度解析的台风气压场模型，建立沿高度解析的台风轴非对称气压场模型：
Figure FDA0004223744700000029
Figure FDA00042237447000000210
Figure FDA00042237447000000211
Figure FDA0004223744700000031
P*(z)＝P0(1-μz/T0)gM/(Rμ)(10c)
Pv(z)＝Pvs(z)·RH(z)(10d)
Figure FDA0004223744700000032
其中，ρ(e,θ)为离心率为e沿θ方向的空气密度；e椭圆各族离心率，θc椭圆长轴方向；L为直角坐标系下的矢径；P0为背景大气压力；Pc0为台风中心的气压；ΔPc0为中心气压差；P(z)为热力学分析大气压力的垂直分布；dz为积分变量z的定积分；z为海拔高度；Rd为干空气特定气压常数；T(z)为大气纬温度的垂直分布；ρ(z)表示海拔高度z上的空气密度；P*(z)为大气压力沿高度变化；μ为温度递减率；T0为平均海面温度；g是重力加速度；M为干空气的摩尔系数；R为通用气体常数；Pv(z)为水蒸气压力的垂直分布；Pvs(z)为饱和水蒸气压力的垂直分布；RH(z)为相对湿度的垂直分布；
对于改进的CE风场模型，选择广东省内国家气象站点及香港地区地表站点记录的地表风场资料验证其模拟有效性及精度；对于改进的Meng模型，选择香港境内高空探测气球实测资料验证其模拟有效性及精度。
2.根据权利要求1所述的一种轴非对称台风风场模拟的方法，其特征在于，所述矢量控制方程用于得到以下的标量控制方程组：
Figure FDA0004223744700000033
Figure FDA0004223744700000034
其中，P为气压场，Km为涡流粘度，f为科氏参数，r为风速半径，ρ为空气密度，vr、vθ分别为水平风速的分别沿r方向和θ方向的分量，vrg、vθg分别为梯度风速分别沿r方向和θ方向的分量，cθ＝-csin(θ-β)，cθ为沿θ方向的台风中心移动速度，θ为正东方向与模拟点和台风中心连线的夹角，β是台风中心移动方向和正东方向的夹角，c为台风中心移动速度。
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