不同台风场模型的比较研究

张 亮 牛海英* 齐 晴

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)

不同台风场模型的比较研究

张 亮 牛海英* 齐 晴

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)

介绍了经典的藤田风场、内域藤田+外域高桥风场、修正外域藤田风场、Jelesnianski风场和Holland风场，并比较分析了各风场模型的气压、气压梯度力和风速沿着径向的分布廓线，对工程结构的防灾设计有重要意义。

台风，风场模型，气压，风速

1 概述

台风是一种极具破坏性的灾害性海洋天气系统，其过程伴随着狂风、巨浪和急流，而这给海上航运交通、海产养殖业、海洋工程和近岸建筑带来巨大威胁[1]。因此，通过数值模拟手段预报和后报沿海地区可能遭受台风灾害的影响范围和影响程度，对沿海地区有效防灾减灾以及工程结构的防灾设计具有重要意义。

台风过程中恶劣的天气条件，给获取台风实地观测信息带来很多困难。实测数据相对匮乏，需要较高精度的台风场数值模型的发展和应用。为提高台风场数值模拟的精度，有必要对不同台风场模型的模拟结果进行比较和验证，进而深入探讨其对台风浪模拟结果的影响。本文从计算高效且精度足够的梯度风台风场模型入手，对比分析了藤田风场、内域藤田+外域高桥风场、修正藤田风场、Jelesnianski风场和Holland风场五种不同的梯度风台风场模型。

2 梯度风台风场模型

当前常用的梯度风台风场模型，台风域内气压场可以写成：

(1)

其中，P为距离台风中心r处的气压;Pc为台风中心处的气压;Pn为台风外围的环境气压;f(r)为到台风中心距离r的函数，通过假设不同的f(r)，可以得到台风域内不同的气压场模型。

对式(1)求导，可以得到台风域内气压梯度力：

(2)

由梯度风平衡，可以建立台风场廓线方程：

(3)

其中，f=2Ωsin(φ)为地球自转科氏力项，φ为计算点的纬度。

1)藤田风场[2]。

(4)

其中,Rmax为最大风速半径，需通过经验公式给出。

2)内域藤田+外域高桥风场[3,4]。

(5)

3)修正藤田风场[5]。

(6)

其中，R∞为P=Pn时，计算点到台风中心的距离，即环境气压半径。

4)Jelesnianski风场[6]。

(7)

5)Holland风场[7]。

(8)

其中,β为Holland风场经验参数。对于澳大利亚海岸地区，Holland[7]给出β的范围是1.0～2.5。本文中，β的取值根据Love和Murphy[8]提出的经验公式，并乘以修正系数λ，λ的值取为0.7：

β=λ·[0.25+0.3ln(ΔP)]

(9)

前述五种风场模型的气压沿台风径向的分布廓线见图1。取ΔP=28 hPa，可以计算得到台风气压梯度沿径向的分布廓线，见图2。对应的风速沿径向的分布廓线见图3。图1～图3中修正藤田15表示环境气压半径为15倍最大风速半径的修正藤田风场，下同。

一般的，在上述梯度风模型中，忽略科氏力的影响，可认为台风场的最大风速位于最大风速半径处。但是从气压梯度力廓线和风速廓线看(见图2，图3)，在台风外围区域，各模型气压梯度力廓线与风速廓线具有相同的分布趋势。而在4倍最大风速半径以内，虽然风速廓线与气压梯度力廓线的趋势相同，但两者达到最大值的位置不同。除了分段建立模型的Jelesnianski风场，其最大气压梯度力和最大风速均在最大风速半径处，其余四个风场模型的最大气压梯度力出现在远小于最大风速半径的0.5Rmax～0.7Rmax处，而最大风速值出现在接近最大风速半径的约0.9Rmax处。

3 结语

本文比较了五种梯度风台风场模型，根据气压、气压梯度力和风速廓线，可以看出最大气压梯度力和最大风速并不发生在同一位置。其中Holland风场模型由于可以调整和台风结构相关的参数β，故可以适应不同的台风场结构。

[1] 史玉姣.东中国海台风浪分布特征研究[D].青岛：中国海洋大学，2012.

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[5] 陈超辉，谭言科，李 琳，等.藤田公式改进及其在台风预报中的应用[J].气象科技，2011,39(1):1-8.

[6] 杨 洋，朱志夏，周 科.西北太平洋台风浪数值模拟[J].海洋科学，2010,34(2):62-67.

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[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

张 亮(1987- )，男，在读硕士； 齐 晴(1991- )，女，在读硕士

牛海英(1977- )，女，副教授

1009-6825(2015)12-0027-02

TU318

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