基于测风塔实测台风威马逊登陆过程的强风特性分析*

黄浩辉 陈雯超 植石群 王丙兰

1 广东省气候中心，广州 510080 2 华风气象传媒集团有限责任公司，北京 100081

提 要： 利用广东省徐闻县西连镇90 m测风塔在1409号超强台风威马逊登陆期间获取的具备完整的台风代表性的观测数据以及处于台风外围的广东省茂名市博贺镇100 m测风塔的观测数据，对台风威马逊的近地层强风特性进行了分析，西连测风塔结果表明：风速时程曲线呈明显的“M”型分布特征，台风中心经过测风塔前后，风向沿逆时针方向大幅偏转约170°。风速随高度增加而增大，风速廓线较好地符合对数和幂指数律；台风过境前后，各强风区的风速廓线幂指数和粗糙长度呈先减小后增大的特点；粗糙陆地下垫面的风速廓线幂指数和粗糙长度较大。湍流强度和阵风系数在前外围强风区或后外围强风区较大，在前眼壁强风区或后眼壁强风区较小，湍流强度和阵风系数随高度增加而减小，基本符合指数为负值的幂指数律；粗糙下垫面对湍流强度和阵风系数有增大的作用。外围强风区和眼壁强风区的10 min风向变率变化较为平稳，而在眼区变动较为剧烈，在眼区，当风速达到最低值或次低值时，10 min风向变率幅值达到最大值。博贺测风塔结果表明其总体上与西连测风塔台风前外围和前眼壁强风区的情形相似。

引 言

风灾是人类面临的主要自然灾害之一，其中又以台风灾害居首，西北太平洋是全球热带气旋发生频率最高的海域，中国又是全球登陆台风最多的国家(陈联寿等，2012)。每年约有8个台风登陆我国，台风引发的大风、暴雨和风暴潮具有严重的破坏力，可造成房屋尤其是沿海地区村镇建筑的倒塌损毁、构筑物的破坏、交通瘫痪、输电线路故障和电力基塔等基础设施损坏并由此常造成重大的经济损失和人员伤亡(陈海燕等，2018；杨绚等，2020)。台风的近地层风特性在台风不同位置和不同下垫面作用下会有不同的特征(端义宏等，2014；梁莉等，2018；郑焘等，2018)，现代建筑结构的高度和水平跨度均越来越大，结构在不同位置的风环境也具有差异，在台风非均匀风场作用下，这种差异会更为明显，可能导致建筑结构发生振动甚至变形。现场实测是了解台风风场结构及其对结构致灾机理研究的重要手段，国内外对台风外场观测与分析已进行了大量的研究。Powell et al(2003)利用GPS探测仪测量了热带气旋下海洋边界层的风廓线。Cao et al(2009)利用位于15 m高度上同步测量的9台翼式风速计和7台超声风速仪的观测数据对登陆日本的台风鸣蝉(2003)进行分析，探讨了台风湍流强度、相关系数、阵风因子和湍流谱。Ishizaki(1983)对登陆日本的多个强台风过程的风速和湍流参数等进行研究，发现其风况特性与其经过的下垫面粗糙度关系密切。Tamura et al(2007)研究发现风廓线幂指数值随着从海边到陆地距离的增加而增加，离陆风的幂指数值均大于离海风的幂指数值。Li et al(2015)对比了台风和飓风的风特性差异，并分析了粗糙长度和平均风速对湍流风特性的影响。宋丽莉等(2005;2006)和Song et al(2010;2012;2016)基于广东多个登陆台风的梯度观测数据，对比分析了台风中心区域和其外围风况的平均风和脉动风参数特征,发现了台风眼壁强风区和外围大风区风特性的显著差异,建立了风速廓线幂指数与粗糙长度的数学模型。赵小平等(2016)基于海南文昌市90 m测风塔分析了强台风海鸥的近地层风场时空特征，发现粗糙长度、风廓线幂指数、湍流强度、阵风系数与风速呈负相关关系。肖辉等(2017)分析了深圳350 m气象梯度塔在台风妮妲的观测资料，发现在台风前外围、前风圈、眼区的风廓线在350 m高度以下符合对数关系，而后风圈和后外围的风廓线仅在150 m以下遵循对数律。陈雯超等(2019)对比了台风莫拉菲和强对流、强冷空气的近地层风特性，发现台风强风的幂指数值要大于建筑结构荷载规范给出的B类下垫面的参考值。1409号台风威马逊是近年来登陆我国台风强度最大的超强台风之一，也有多位学者基于测风塔实测对其风特性进行了分析，王海龙等(2018)和程艳伟(2016)利用粤西风电场测风塔的观测数据，计算分析了台风威马逊的风速廓线幂指数、湍流强度、阵风系数和风向等的时程变化特征，但台风眼区没有直接经过这些测风塔，其测风数据均不具备完整的台风代表性。本文主要利用广东省徐闻县西连镇测风塔具备完整台风代表性的观测数据，研究台风威马逊不同位置的近地层强风特性，并结合下垫面分析台风强风叠加不同粗糙度下垫面时的风特性，以期为沿海台风影响严重区域的抗风设计及相关研究提供参考依据。

1 数据说明

用于主要计算分析的测风数据来源于广东省徐闻县西连镇的一座90 m高度测风塔，塔基海拔为18 m，在2014年7月18—19日，超强台风威马逊登陆广东徐闻县期间，测风塔获取了较为完整的观测数据，测风塔位于“威马逊”前进路径左侧，距“威马逊”路径的最近距离约为19 km(图1)。西连测风塔位于北部湾沿海，下垫面开阔平坦，以农田为主，塔基附近有一片约5 m高的灌木林，北面较为稀疏，南面较为茂密，在测风塔10、40、70、80、90 m高度安装了美国Renewable NRG Systems公司的NRG#40型杯式风速传感器，最大风速量程为96 m·s-1，在10、70、90 m高度安装了NRG#200P型风向传感器,风速记录为每10 min的平均风速、3 s阵风风速最大值和风速标准差(由1 s采样数据计算得到)，风向记录为每10 min的平均风向，测风仪器在安装前均经过标准风洞检定合格。台风威马逊登陆期间，除90 m风速数据在2014年7月19日01:10后因风速传感器损坏而造成数据缺失外，其余测风数据经合理范围、相关性、变化趋势检验等手段进行质量控制均没有发现异常，数据完整可靠。

用于辅助性对比分析的测风数据来源于广东省茂名市博贺镇一座100 m高度测风塔，“威马逊”登陆期间，该测风塔也获取了较为完整的观测数据，测风塔位于“威马逊”前进路径右侧，距“威马逊”路径的最近距离约为155 km(图1)。博贺测风塔位于离海岸约4.5 km的一座无人小岛——峙仔岛上，该小岛露出海面的部分长约90 m、宽约40 m，地面为沙石间或有稀疏的杂草，地势为东北—西南走向并逐渐向中间隆起，测风塔设置在小岛的最高点，塔基海拔为10 m。该测风塔在10、20、40、60、80、100 m高度上安装了风速、风向传感器，型号与西连测风塔相同，“威马逊”登陆期间，除100 m观测数据因传感器损坏而造成数据缺失外，其余测风数据均完整可靠。

图1 西连测风塔和博贺测风塔位置Fig.1 Location of Xilan Tower and Bohe Tower

2 台风威马逊概况

台风威马逊于2014年7月12日在西北太平洋上生成，15日18：20登陆菲律宾中部沿海，随后穿过菲律宾中部进入南海继续向西北方向移动，18日05时在南海北部加强为超强台风，15：30前后登陆海南省文昌市翁田镇，登陆时中心附近最大风速为60 m·s-1(17级，超强台风级)，19：30前后以同等强度再次在广东省徐闻县龙塘镇沿海登陆，19日07：10前后在广西防城港光坡镇沿海第三次登陆，登陆时中心附近最大风速为48 m·s-1(15级，强台风级)，20日04时在云南省境内减弱为热带低压。

“威马逊”登陆时的中心附近最大风力和最低气压均达到或突破了有记录以来历史极值，“威马逊”在海南文昌和广东徐闻沿海登陆时中心附近最大风力均为60 m·s-1(17级)，与1973年9月14日登陆海南琼海的7314号台风玛琪和2006年8月10日登陆浙江苍南的0608号台风桑美并列第一，“威马逊”登陆时中心气压为910 hPa，低于“桑美”的920 hPa和“玛琪”的925 hPa，为1949年以来登陆我国台风的中心气压最低值, 因此可以认为“威马逊”为1949年以来登陆我国的最强台风。受“威马逊”影响，海南东北部、广东雷州半岛和广西沿海地区普遍出现10～13级平均风，阵风达14～17级，海南文昌七洲列岛记录到最大阵风风速高达72.4 m·s-1，海南海口、广东雷州半岛和广西沿海等局地12级以上瞬时大风持续6～9 h。

3 近地层风速和风向时程变化特征

为了较为完整地了解台风威马逊近地层风速和风向随时间的变化特征，选取西连测风塔2014年7月18日10时至19日10时逐10 min的观测数据进行分析，图2是测风塔10 min平均风速和风向时程变化曲线，图中下部一组5条曲线是测风塔10、40、70、80、90 m高度的风速时程曲线(90 m高度风速传感器在19日01:10损坏，其后风速数据缺失，此时台风中心已进入北部湾)，图中上部一组3条曲线是测风塔10、70、90 m高度的风向时程曲线。

从图2看到，西连测风塔风速时程曲线呈明显的“M”型分布特征，各层风速走势基本一致，各高度风速曲线由下至上有序排列，符合随高度增加，摩擦效应减弱，风速增大的一般规律，其中10 m风速曲线与40 m以上风速曲线距离较大，主要是因为其高度较低，受下垫面灌木林的摩擦作用影响较大。在“M”型的左侧端点，时间为7月18日10时，台风威马逊中心位于海南岛东面，距测风塔约250 km，各层10 min平均风速在5.9～12.3 m·s-1，随着台风向西北方向移动，台风中心与测风塔的距离逐渐减少，测风塔各层风速逐渐变大，在18日20:50左右达到“M”型左侧的顶峰，此时台风中心距测风塔约27 km，测风塔10、40、70、80、90 m高度的10 min平均风速峰值分别为31.3、42.4、44.4、46.2和47.5 m·s-1，3 s阵风风速峰值分别为47.1、56.2、55.5、57.2和58.1 m·s-1，随后在“M”型的中部，风速首先有一个大幅下降的过程，在22:10左右达到“M”的底部，此时台风中心与测风塔距离最近，约为19 km，10、40、70、80、90 m高度的10 min平均风速谷值分别为8.8、14.8、16.7、17.1和16.9 m·s-1，在80 min时间内，各层10 min平均风速降幅达到62%～72%，然后风速大幅上升，在23:20达到“M”型右侧的顶峰，此时台风中心距测风塔约29 km，10、40、70、80、90 m高度的10 min平均风速峰值分别为21.6、36.1、41.7、42.7和44.2 m·s-1，3 s阵风风速峰值分别为36.4、48.4、49.7、50.2 和50.6 m·s-1，相对“M”型左侧峰值要低一些，在70 min时间内，测风塔各层10 min平均风速升幅达到145%～162%，随后台风继续向西北方向移动，于19日01时左右进入北部湾，并于19日07：10左右在广西防城港光坡镇沿海第三次登陆，在“M”型的右侧端点，时间为19日10：10，台风中心位于广西西南部，靠近云南省边界，距测风塔约260 km，各层10 min平均风速在5.4～13.6 m·s-1。

图2 2014年7月18日10时至19日10时西连测风塔风速和风向时程变化曲线Fig.2 Time series of the wind speed and wind direction observed at Xilian Tower from 10:00 BT 18 to 10:00 BT 19 July 2014

从图2看到，西连测风塔10、70、90 m高度的风向时程曲线走势基本一致，各层风向差别较小，其中70、90 m高度风向曲线几乎重合，在台风中心经过测风塔前，从7月18日10:00—21:50，各层风向基本在330°左右小幅波动，即一直保持在西北偏北风，从18日22时台风中心经过测风塔开始，测风塔各层风向有一个沿逆时针方向连续大幅偏转的过程，风向偏转方向与测风塔位于台风前进路径左侧相关，至19日03:40台风中心行进到测风塔西北面约120 km的北部湾时，各层风向转向幅度达到170°左右，即风向从西北偏北风沿逆时针方向大幅转向为东南偏南风，此后，测风塔各层风向维持在160°左右，即东南偏南风，直至台风中心进入广西境内。从图2还可以看到，在台风中心经过测风塔前，10 m高度风向值较70 m高度大7°左右(沿顺时针方向偏转)，从台风中心经过测风塔时开始至其后约3.5 h内，10和70 m高度风向曲线几乎重合，即风向基本一致，此后，10 m高度风向值又较70 m高度大8°左右(沿顺时针方向偏转)。

对同时段博贺测风塔的观测数据进行对比分析，图3是博贺测风塔80 m高度10 min平均风速和风向时程变化曲线，选择80 m高度观测数据进行分析是因为其受下垫面影响较小。

从图3看到，博贺测风塔风速时程曲线总体呈拱形，并没有出现明显的“M”型分布特征，10 min平均风速峰值出现在7月18日16时，为29.9 m·s-1。风向时程曲线呈缓慢的单边上升形态，并没有出现大幅偏转的情况，风向从东北偏北风沿顺时针方向逐渐转变为东南风，与测风塔位于台风前进路径右侧相关。

图3 同图2，但为博贺测风塔Fig.3 Same as Fig.2, but for Bohe Tower

4 测风数据代表性分析和台风强风样本划分

根据《台风涡旋测风数据判别规范》(GB/T 36745—2018)(国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会，2018)，同时满足以下3项判别指标的测风数据，可代表台风眼区、台风眼壁区和台风外围区的完整台风过程风况样本数据：(a)平均风速大于或等于17.2 m· s-1的样本数据风向连续变化超过120 °方位角；(b)台风过程的风速时程曲线呈双峰分布；(c)双峰之间的底部平均风速小于10 m· s-1。依据上述判别条件，对西连测风塔的观测数据进行代表性判别，从图2及具体观测数据看到，台风威马逊登陆期间西连测风塔8级以上强风(以受下垫面影响较小且数据完整的80 m高度10 min平均风速≥17.2 m· s-1为参考)的起止时段为7月18日13:20至19日05:30，从前述分析看到，该时段内，测风塔各层风向沿逆时针方向连续变化约170°方位角，风速时程曲线呈明显的“M”型双峰分布特征，在双峰之间的底部，测风塔10 m高度10 min平均风速谷值为8.8 m·s-1，因此，可以认为，西连测风塔获取的“威马逊”观测数据包含了台风眼区、台风眼壁区和台风外围区的完整台风过程风况样本数据，能够代表台风特有的强风特性。

为进一步了解“威马逊”的近地层强风特性，主要对上述西连测风塔7月18日13:20至19日05:30 的观测数据进行分析。

利用2014年7月18—19日广东省逐6 min的雷达回波图资料，根据其形态和强度、不同时刻西连测风塔所处台风位置(图4)，结合台风涡旋结构特征，可将测风塔台风强风时段划分为5个区段(以80 m高度10 min平均风速时程曲线为参照，详见图5)：(a)前外围强风区，18日13:20—19:00；(b)前眼壁强风区，18日19:01—21:42；(c)眼区，18日21:43—22:54；(d)后眼壁强风区，18日22:55至19日01:42；(e)后外围强风区，19日01:43—05:30。

图4 2014年7月18日15：00(a)，20：48(b)，22：06(c)，23：24(d)和19日04：00(e)典型时刻西连测风塔在台风雷达回波图位置(a)前外围强风区，(b)前眼壁强风区，(c)眼区，(d)后眼壁强风区，(e)后外围强风区(五角星为测风塔)Fig.4 Location of Xilian Tower on the radar echo map at typical typhoon moments at 15:00 BT 18 (a), 20:48 BT 18 (b), 22:06 BT 18 (c), 23:24 BT 18 (d) and 04:00 BT 19 (e) July 2014(a) front outer-vortex, (b) front eye-wall, (c) wind eye, (d) back eye-wall, (e) back outer-vortex(The star represents wind observation tower)

图5 2014年7月18日13：20至19日05：20西连测风塔台风强风区段划分(a)前外围强风区，(b)前眼壁强风区，(c)眼区，(d)后眼壁强风区，(e)后外围强风区Fig.5 Different sections of the typhoon severe wind zone at Xilian Tower from 13:20 BT 18 to 05:20 BT 19 July 2014(a) front outer-vortex, (b) front eye-wall, (c) wind eye, (d) back eye-wall, (e) back outer-vortex

选取各强风区段的台风典型影响时段以进行更有代表性的分析：(a)18日14:50—15:10，前外围强风区中前段，风速大幅上升前；(b)20:40—21:00，前眼壁强风区风速峰值附近；(c)18日22:00—22:20，眼区风速谷值附近；(d)18日23:10—23:30，后眼壁强风区风速峰值附近；(e)19日04:00—04:20，后外围强风区中后段，风速大幅下降后。

另外，鉴于下垫面对风参数的重要影响作用，根据西连测风塔的下垫面地形地貌和台风威马逊期间测风塔测得的风向范围，将台风期间的来风分为三个扇区(图6)进行分析。扇区1、扇区2和扇区3的方位角范围分别为320°～349°、175°～319°和158°～174°。扇区1和扇区3的来风下垫面以海洋和陆地为主，扇区2的来风下垫面则以海洋为主。结合图2的风速和风向时程变化曲线可见，在7月18日13:20—22:00，来风下垫面为扇区1，18日22:01至19日03:00，来风下垫面为扇区2，19日03:01—05:30，来风下垫面为扇区3。

图6 2014年7月18—19日西连测风塔台风期间来风下垫面分类Fig.6 Classification of underlying surface at Xilian Tower during the typhoon process in 18-19 July 2014

为进行对比分析，同样选取博贺测风塔7月18日13:20至19日05:30的观测数据进行台风过程分析，台风典型影响时段选取18日15:50—16:10，为台风过程风速峰值附近。从前述分析可以判断博贺测风塔明显处于“威马逊”外围区域，由于其处于海岛，整个台风过程来风下垫面均以海洋为主。

5 近地层强风特性分析

5.1 风速廓线特征

风速廓线是指风速随高度的变化曲线,常用于不同高度风速的推算，是建筑物设计需要考虑的重要因素。造成风速在近地层的垂直变化的原因有动力因素和热力因素，前者主要来源于下垫面的摩擦效应，即下垫面的粗糙度，后者主要主要表现为与近地层大气稳定度的关系，当大气层结为中性时，近地层风速随高度变化近似地服从对数函数和幂指数函数(王承煦和张源，2003)。

风速随高度变化对数函数为：

(1)

式中：u为z高度处的风速，u1为z1高度处的风速，z0为下垫面粗糙长度。

风速随高度变化幂指数函数为：

(2)

式中：α为风速廓线幂指数，是表征下垫面粗糙程度的参数，反映风速垂直切变的强弱，其余变量同式(1)。

当具有两层以上风速观测数据时，z0和α值均可采用最小二乘法拟合得出，当拟合风速廓线和实测风速廓线对应各高度层风速的残差平方和达到最小时，即可确定z0和α值。

根据修订的帕斯奎尔(Pasquill)稳定度分级法(蒋维楣等，2004)，当地面10 m高度处10 min平均风速≥6.0 m·s-1时，大气层结为中性状态，根据第4节的分析，在西连测风塔8级以上强风时段，10 m高度处10 min平均风速最小值为8.8 m·s-1，因此，可以判断西连测风塔强风时段大气层结均处于中性状态，近地层风速廓线适合采用对数函数和幂指数函数进行拟合分析。

利用西连测风塔逐10 min平均风速观测数据，先计算不同强风区段典型时段各高度层的平均风速，再采用对数函数和幂指数函数进行风速廓线拟合。结果见表1和图7。

从图7看到，对数函数和幂指数函数对各个强风区段的风速廓线的拟合效果均较好，从表1看到，在各个强风区段，对数函数拟合均方差小于或等于0.57 m·s-1，幂指数函数拟合均方差小于或等于0.81 m·s-1，除后外围强风区外，对数函数拟合均方差均小于幂指数函数拟合均方差，因此，总体上对数函数对强风风速廓线的拟合效果优于幂指数函数。前外围强风区、前眼壁强风区、眼区、后眼壁强风区、后外围强风区的风速廓线幂指数分别为0.310、0.196、0.266、0.312、0.334，粗糙长度分别为1.163、0.186、0.716、1.199、1.382 m，从前外围强风区到前眼壁强风区，风速廓线幂指数和粗糙长度先是减少，随后到眼区、后眼壁强风区和后外围强风区，风速廓线幂指数和粗糙长度渐次增大，在前眼壁强风区，风速廓线幂指数和粗糙长度均为最小。

表1 西连测风塔不同强风区段的风速廓线拟合Table 1 Wind speed profile fitting at different severe wind sections at Xilian Tower

图7 西连测风塔台风期间不同强风区段的风速廓线拟合(a)前外围强风区，(b)前眼壁强风区，(c)眼区，(d)后眼壁强风区，(e)后外围强风区Fig.7 Wind speed profile fitting at different severe wind sections during the typhoon process at Xilian Tower(a) front outer-vortex, (b) front eye-wall, (c) wind eye, (d) back eye-wall, (e) back outer-vortex

根据第4节的下垫面扇区的划分，分别计算扇区1、2、3的平均风廓线并进行幂指数拟合和对数拟合，结果在表2中给出。扇区1虽然近处和远处均有海岸陆地影响，但中间有一段相对宽广的水域，且测风塔北面是较为稀疏的灌木林，因此，扇区1的粗糙长度相对较小，对应的风切变指数也较小。而扇区2和扇区3均受近处陆地和测风塔南面较为茂密的灌木林影响，但由于扇区2远处为海洋下垫面，因此粗糙长度要小于扇区3，风切变指数也小于扇区3，扇区3同时受茂密树林和沿岸陆地影响，粗糙长度最大，对应的风切变指数也最大。从拟合均方差来看，粗糙程度相对较小的扇区1和扇区2的来风更符合对数律分布，扇区3的来风更符合幂指数分布。

表2 西连测风塔不同下垫面扇区的风速廓线拟合Table 2 Wind speed profile fitting at different underlying surface sectors at Xilian Tower

同时分析了博贺测风塔台风典型影响时段的风速廓线特征，图8为其风速廓线拟合情况。可以看到，博贺测风塔风速廓线也基本符合幂指数律和对数律，风速廓线幂指数为0.030，粗糙长度为1.0×10-12m，拟合均方差分别为0.22和0.32 m·s-1。风速廓线幂指数和粗糙长度相对于西连测风塔数值最小的前眼壁强风区，其值也小很多，原因主要为地形的差异，因为博贺测风塔处于小岛顶峰，气流在经过迎风坡时受到地形挤压，产生加速效应，导致测风塔低层风速增大，测风塔的风速垂直梯度变小。

图8 博贺测风塔风速廓线拟合Fig.8 Wind speed profile fitting at Bohe Tower

5.2 湍流强度特征

湍流强度反映了风的脉动特征，是确定结构脉动风荷载的关键参数，对于风电场建设时风力发电机的选型及风电场的运行管理也是需要考虑的重要因素。湍流强度定义为风速标准差与水平风速模量的比值(盛裴轩等，2003)，工程应用上通常采用10 min时距的风速标准差与水平平均风速的比值，计算公式为：

(3)

式中:I为湍流强度，σ为10 min时距的风速标准差，U为相应的10 min水平平均风速。

图9是台风强风过程西连测风塔湍流强度时程变化曲线。从图中看到，各高度湍流强度曲线由上至下有序排列，随高度增加，湍流强度减少，与摩擦效应随高度增加而减弱相关。其中10 m湍流强度与40 m以上湍流强度差距较大，主要是因为其高度较低，湍流强度受下垫面灌木林摩擦作用影响较大。从整个强风过程来看，在风速、风向大幅变化以及下垫面摩擦作用影响的复杂情况下，测风塔不同高度湍流强度变化的情况有所差别。在前外围强风区和前眼壁强风区，10 m湍流强度随时间变化有明显减少的趋势，而40 m以上湍流强度变化较为平稳；随后在眼区，10 m湍流强度明显增大，40 m湍流强度也有所增大，但不如10 m明显，而70 m以上湍流强度有小幅度的减少趋势；然后在后眼壁强风区，10、40 m湍流强度有小幅度的减少趋势，而70 m以上湍流强度变化较为平稳；最后在后外围强风区，10 m湍流强度波动较大，但变化趋势不明显，而40 m以上湍流强度则有较为明显的增大趋势。

整个强风过程，西连测风塔10、40、70、80 m高度湍流强度最大值分别为0.308、0.206、0.155、0.150，除10 m高度湍流强度最大值出现在前外围强风区外，40 m高度以上湍流强度最大值均出现在后外围强风区，对应风速分别为10.7、17.5、19.8、20.6 m·s-1，相对而言，风速均不大；强风过程测风塔10、40、70、80、90 m高度的10 min平均风速最大值分别为31.3、42.4、44.4、46.2和47.5 m·s-1，均出现在前眼壁强风区，对应湍流强度分别为0.166、0.111、0.095、0.091和0.082，仅为最大值的60%左右。

图9 同图5，但为湍流强度时程变化Fig.9 Same as Fig.5, but for time series of turbulence intensity

表3为西连测风塔不同强风区段典型时段的平均湍流强度，图10为其湍流强度廓线的幂指数拟合情况。

可以看到，湍流强度在前外围强风区或后外围强风区较大，在前眼壁强风区或后眼壁强风区较小。湍流强度随高度增加而减小，基本符合指数为负值的幂指数规律，眼区和后眼壁强风区拟合效果稍差，其余强风区段拟合效果较好。

表4给出西连测风塔各扇区的湍流强度平均值。从图9和表4来看，在10 m高度，由于受下垫面灌木林摩擦作用影响较大，且站点离海岸约有1.8 km 远，近处周边均受陆地影响，因此不同扇区的湍流强度差异相对较小。但在70～90 m高度，来风能携带更远范围的下垫面信息，图中可以看到下垫面陆地面积比例较多的扇区1和扇区3的湍流强度较大，而以海洋下垫面为主的扇区2的湍流强度则相对较小，此外，来自下垫面最粗糙的扇区3的后外围强风的湍流强度要明显大于来自相对较光滑的扇区1的前外围强风的湍流强度。

表3 西连测风塔不同强风区段的湍流强度Table 3 Turbulence intensities at different severe wind sections at Xilian Tower

图10 同图7，但为湍流强度Fig.10 Same as Fig.7, but for turbulence intensity

表4 西连测风塔不同下垫面扇区的湍流强度平均值Table 4 Mean turbulence intensity at different underlying surface sectors at Xilian Tower

图11为台风强风过程博贺测风塔80 m高度湍流强度时程变化曲线。可以看到湍流强度主要在0.06～0.11波动，变化较为平稳，与西连测风塔70 m 高度以上台风前外围和前眼壁强风区的湍流强度变化情况相似，与来风下垫面状况较为相似有关。台风典型影响时段博贺测风塔的湍流强度也基本符合指数为负值的幂指数律，幂指数为-0.084，拟合均方差为0.002。

5.3 阵风系数特征

阵风系数也是表达风脉动特征的参数，可以简单直观地表征风的阵性特点，在缺乏阵风观测的情况下，通常采用阵风系数由平均风速推算出阵风风速。WMO给出阵风系数的定义为：在时间间距为T0的时间内持续时间为τ的最大阵风风速与时距为T0的平均风速之比，目前我国气象和风工程领域一般取T0为10 min，取τ为3 s(陈雯超等，2011)。其计算公式为：

图11 2014年7月18日13：20至19日05：20博贺测风塔湍流强度时程变化Fig.11 Time series of turbulence intensity at Bohe Tower from 13:20 BT 18 to 05:20 BT 19 July 2014

(4)

式中:G为阵风系数，Umax为3 s时距的阵风风速最大值，U为相应的10 min平均风速。

图12是台风强风过程西连测风塔阵风系数时程变化曲线。从图中看到， 各高度阵风系数曲线由上至下基本上有序排列，随高度增加，阵风系数减少，同样与摩擦效应随高度增加而减弱相关。其中10 m阵风系数与40 m以上阵风系数差距较大，波动也较大，主要也是因为其高度较低，阵风系数受下垫面灌木林摩擦作用影响较大。在前外围强风区和前眼壁强风区，10 m阵风系数有较为明显的减少趋势，而40 m以上阵风系数变化相对较为平稳；随后在眼区，10 m阵风系数明显增大，40 m阵风系数有小幅度的增大趋势，而70 m以上阵风系数有小幅度的减少趋势；然后在后眼壁强风区，40 m阵风系数有小幅度的减少趋势，其他高度阵风系数变化较为平稳；最后在后外围强风区，10 m阵风系数波动较大，但变化趋势不明显，而40 m以上阵风系数则有较为明显的增大趋势。

整个强风过程，西连测风塔10、40、70、80 m高度阵风系数最大值分别为1.954、1.668、1.474、1.422，均出现在后外围强风区，对应风速分别为10.8、13.7、21.0、22.3 m·s-1，相对而言，风速均不大；强风过程测风塔10、40、70、80、90 m高度的10 min平均风速最大值分别为31.3、42.4、44.4、46.2和47.5 m·s-1，均出现在前眼壁强风区，对应阵风系数分别为1.505、1.325、1.207、1.232和1.206，为最大值的80%左右。

表5为西连测风塔不同强风区段典型时段的平均阵风系数，图13为阵风系数廓线的幂指数拟合情况。

图12 同图5，但为阵风系数时程变化Fig.12 Same as Fig.5, but for time series of gust coefficient

可以看到，西连测风塔阵风系数在前外围强风区或后外围强风区较大，在前眼壁强风区或后眼壁强风区较小。阵风系数随高度增加而减小，基本符合指数为负值的幂指数规律，除前外围强风区和后眼壁强风区拟合效果稍差，其余强风区段拟合效果较好。

表6给出各扇区的阵风系数平均值。从图12和表6来看，在10 m高度，不同扇区的阵风系数差异相对较小，与其受陆地下垫面影响较大相关。随着高度的增加，尤其在70～90 m高度层，远处下垫面陆地面积比例较多的扇区1和扇区3的阵风系数明显较大，而以海洋下垫面为主的扇区2的阵风系数则相对较小。另外，从70～90 m高度层看，来自下垫面最粗糙的扇区3的后外围强风的阵风系数也要明显大于来自相对较光滑的扇区1的前外围强风的阵风系数，来自远处陆地面积较多的扇区1的前眼壁强风的阵风系数也要大于来自海洋下垫面为主的扇区2的后眼壁强风区的阵风系数。

台风强风过程博贺测风塔80 m高度阵风系数时程变化曲线如图14所示。可以看到阵风系数主要在1.2左右波动，变化较为平稳，与西连测风塔70 m高度以上台风前外围和前眼壁强风区的阵风系数变化情况相似，同样与来风下垫面状况较为相似有关。台风典型影响时段博贺测风塔的阵风系数同样基本符合指数为负值的幂指数律，幂指数为-0.016，拟合均方差为0.004。

表5 西连测风塔不同强风区段的阵风系数Table 5 Gust coefficients at different severe wind sections at Xilian Tower

图13 同图7，但为阵风系数Fig.13 Same as Fig.7, but for gust coefficient

表6 西连测风塔不同下垫面扇区的阵风系数平均值Table 6 Mean gust coefficient at different underlying surface sectors at Xilian Tower

5.4 风向短时变化特征

由于台风具有涡旋结构特征，台风过程除了风速的剧烈变化，风向也存在剧烈变化的情况，台风风向短时变化特征对于风电场等的设计、运行管理是一个需要考虑的重要因素。

定义10 min风向变率为后一个10 min风向角和前一个10 min风向角的差值的绝对值。

图15是台风强风过程西连测风塔代表低层(10 m)和高层(90 m)高度的10 min风向变率时程变化图。从图中看到，台风强风过程西连测风塔10和90 m的10 min风向变率较为接近，随时间变化走势基本一致，前外围强风区、前眼壁强风区、后眼壁强风区和后外围强风区的10 min风向变率变化较为平稳，基本在10°之内变动，而在眼区变动较为剧烈，在7月18日22:10，10和90 m的10 min风向变率分别为25°和23°，幅值达到最大值，此时，各层风速达到眼区的最低值或次低值。

对比分析了博贺测风塔80 m高度的10 min风向变率时程变化(图16)。可以看到，台风过程博贺测风塔10 min风向变率变化较为平稳，基本在10°之内变动，没有出现剧烈变动的情况，与西连测风塔除眼区之外的强风区段的情形较为相似。

图14 同图11，但为阵风系数Fig.14 Same as Fig.11, but for gust coefficient

图15 同图5，但为10 min风向变率时程变化Fig.15 Same as Fig.5, but for time series of 10 min wind direction variability

图16 同图11，但为10 min风向变率Fig.16 Same as Fig.11, but for 10 min wind direction variability

6 结 论

利用广东省徐闻县西连镇90 m测风塔在1409号超强台风威马逊登陆期间获取的具备完整的台风代表性的观测数据以及处于台风外围的广东省茂名市博贺镇100 m测风塔的观测数据，对台风威马逊不同位置以及不同下垫面的近地层强风特性进行了分析，西连测风塔观测数据分析结果表明：

(1)测风塔各高度风速时程曲线呈明显的“M”型分布特征，台风前眼壁强风区的风速峰值略大于后眼壁强风区。各层风向差别较小，走势基本一致，台风中心经过测风塔前后，各层风向沿逆时针方向大幅偏转约170°。

(2)风速随高度增加而增大，风速廓线较好地符合对数和幂指数律，总体上对数函数对风速廓线的拟合效果优于幂指数函数。从前外围强风区到前眼壁强风区，风速廓线幂指数和粗糙长度先是减少，随后到眼区、后眼壁强风区和后外围强风区，风速廓线幂指数和粗糙长度渐次增大，在后外围强风区，风速廓线幂指数和粗糙长度最大，风速垂直切变最强，在前眼壁强风区，风速廓线幂指数和粗糙长度最小，风速垂直切变最弱。下垫面最粗糙的扇区3的风速廓线幂指数和粗糙长度最大。

(3)各层湍流强度和阵风系数在前外围强风区或后外围强风区较大，在前眼壁强风区或后眼壁强风区较小，湍流强度和阵风系数随高度增加而减小，基本符合指数为负值的幂指数律。粗糙的陆地下垫面会使湍流强度和阵风系数增大。

(4)各层10 min的风向变率较为接近，外围强风区和眼壁强风区的10 min风向变率变化较为平稳，而在眼区变动较为剧烈，在眼区，当风速达到最低值或次低值时，10 min风向变率幅值达到最大值。

博贺测风塔观测数据分析结果表明其总体上与西连测风塔台风前外围和前眼壁强风区的情形相似。