台风“山竹”期间深圳近地面水平风的垂直特征

张庆，卢超，杨红龙，谭明艳，向豆

（深圳市国家气候观象台，广东深圳 518040）

据统计，平均每年约有7个台风影响我国［1］，其中每年影响深圳的台风数量平均3.6个，严重影响1.9个［2－3］，2018年的超强台风“山竹”影响深圳期间，全市出现大范围树木倒伏、内涝、交通受阻等问题，对城市安全造成严重影响。随着深圳城市化进程不断发展，高楼林立、人口密集已经成为深圳的典型特征，台风对城市发展和人民生命财产安全的威胁越发严重［4－6］。

为尽可能降低台风造成的影响，需要充分了解基于城市下垫面的近地面强风的垂直特征。许多学者已经针对台风近地面风场特征开展了研究，胡尚瑜等［7］研究了台风近海风场特征；魏应植等［8］利用多普勒天气雷达研究了台风风场结构；王海龙等［9］研究了台风近地面风速特征。以往的研究多集中于近海海面条件下的台风风场，基于城市下垫面条件开展相关研究较少。深圳市是粤港澳大湾区高密度城市区，建有356 m气象梯度观测塔，可以开展连续的近地面风观测。鉴于此，本研究以台风“山竹”为例，利用梯度塔开展城市复杂下垫面台风近地面水平风垂直特征分析，以期为深圳城市安全发展，合理防御台风风险提供参考。

1 观测数据与方法

1.1 观测数据

深圳气象梯度观测塔（以下简称梯度塔）距离珠江口10 km，位于万亩果园和水源保护区内，周围空旷，外部是城市群，能代表深圳的地表覆盖类型，非常适合开展台风对城市影响的观测研究。梯度塔共设置13层观测平台（10、20、40、50、80、100、150、160、200、250、300、320、350 m），塔上使用的是芬兰维萨拉WAA151风速计，测量范围0～70 m／s，测量精度0.1 m／s，采样间隔10 s，可以很好地观测到近地层风的连续变化特征。

超强台风“山竹”是2018年第22号热带气旋，具有生命期长、强度强、强风范围广、风雨影响严重等特点。本研究选取“山竹”影响深圳（9月16—17日）期间梯度塔风速数据，利用统计分析的方法开展城市近地面水平风的垂直特征分析。

1.2 研究方法

1）阵风。

大风过程中，风的阵性变化往往是导致风灾的重要原因之一，而通常用阵风因子来表征风的阵性特征［10－11］。阵风因子定义为极大风风速与相应10 min平均风速的比值。本研究利用10 min内的极大风风速与对应的10 min平均风风速的比值作为该10 min的阵风因子：

其中，T为阵风因子；vmax为极大风速（m／s）；¯v为10 min平均风速（m／s）。

2）风切变。

风切变按风向可分为水平风的水平切变、水平风的垂直风切变、垂直风的切变。台风“山竹”影响期间主导风向变化不大，本研究着重分析水平风的垂直风切变特征。由于台风影响期间伴随强风，大气近似中性条件，可认为风廓线服从指数规律［12－13］，因此本研究使用指数变化规律分析近地面水平风的垂直切变规律，表达式为

其中，v是Z高度（m）对应的风速（m／s）；v1是Z1高度（m）对应的风速（m／s）；∂是风廓线指数，其值越大，表示风速随高度变化的梯度越大，风切变越剧烈。本研究首先取梯度塔10 m高度风速的测量值作为参考值，结合不同高度风速测量值计算出不同高度的风廓线指数，进而分析不同高度的风切变特征。

3）湍流。

湍流主要反映的是风的脉动特性，通常用湍流强度表示，其值可以作为气流在垂直方向稳定程度的指标［14］。本研究利用观测所得的瞬时风速的标准差与相应的平均风速的比值来计算湍流强度：

其中，G为湍流强度；σ为10 min瞬时风速的标准差；v为10 min平均风速（m／s）。

2 结果与分析

2.1 台风“山竹”期间深圳近地面阵风特性

统计实况资料可以看出，风速较小时，阵风因子在1－6区间变化且无明显规律，低层离散程度较大（图略），但随高度增加阵风因子离散度趋于减小（图1）。

图1 不同高度阵风因子离散度变化

当风速大于6级（10.8 m／s）后阵风因子趋于稳定，且不同高度阵风因子平均值（表1）均小于国家标准《建筑结构荷载规范》中对城市地区阵风因子2.4的推荐值［15］。此外，以阵风因子为横轴，高度为纵轴，利用指数规律尝试进行拟合（图2），拟合的相关系数为0.99，拟合效果较好，这也说明可以通过指数函数推算大风条件下不同高度的阵风特性。

表1 不同高度6级以上大风的阵风因子

图2 阵风因子随高度变化

2.2 台风“山竹”期间深圳近地面风切变特性

图3可以看出在不同高度风廓线指数随着风速增大有减小趋势，在风速达到一定阈值后逐渐趋于稳定。王志春等［16］研究台风“纳沙”近地层风切变规律时也得到相同结论。计算所有风速样本并求平均值约为0.23，同时史军等［17］研究海上风廓线指数为0.09，表明城市下垫面使得近地面风切变特性更明显。

图3 台风山竹影响深圳期间不同高度风廓线指数随风速变化散点图

（a）－（l）分别为20、40、50、80、100、150、160、200、250、300、320、350 m

此外，利用关系式（2）反算不同高度的风速如图4所示。可以看出，利用指数规律反算风速时，反算值略大于实测值，但整体趋势一致，表明利用指数规律可以推算不同高度的风速情况。不过由于数据量不足，更精确的风廓线指数参考值还需更多观测数据确定和验证。

图4 利用平均风廓线指数反算不同高度风速的结果

2.3 台风“山竹”期间深圳近地面风湍流特性

图5可以看出不同高度风速较小时湍流强度离散性较大，随着风速增大湍流强度逐渐减小，当风速超过一定阈值后趋于稳定。

图5 台风山竹影响深圳期间，不同高度湍流强度随风速变化

表2为利用6级以上的风速数据计算出不同高度的平均湍流强度，并尝试利用指数函数拟合得到图6。可以看出湍流强度随高度的变化近似呈指数规律减小，并且随着高度增加，湍流强度趋于稳定。史军等［17］基于上海两座海上测风塔的观测数据分析湍流强度随高度变化同样得到在不同风速情况下，平均湍流强度随高度增加逐渐减小。可能原因为台风“山竹”影响期间，高层风速较大，气流较为稳定，低层气流受下垫面的影响变得凌乱，湍流特性也更明显。但是否台风过程均存在这一现象还需更多的观测个例分析验证。

图6 湍流强度随高度变化

表2 不同高度6级以上大风的湍流强度

3 结论

1）风速较小时，阵风因子变化无明显规律，随着风速加大，阵风因子逐渐减小，当风速大于6级后，阵风因子趋于稳定，数值稳定于1.2～1.3之间；随着高度增加，阵风因子逐渐减小，并且在大风条件下，阵风因子随高度变化近似呈指数规律。

2）风廓线指数在风速小的区间离散性大，随着风速增大逐渐减小，在风速达到一定阈值后趋于稳定，计算所有观测样本得到平均风廓线指数约为0.23，该值也符合《建筑结构荷载规范》。但是利用指数规律反算风速时，推算结果略大于实测值。

3）湍流强度变化与阵风因子变化类似，随着风速增大湍流强度逐渐减小，当风速超过一定阈值后趋于稳定。可能原因为高层风速较大，气流较为稳定，低层气流受下垫面的影响变得凌乱，湍流特性也更明显，这说明台风“山竹”过程中受城市下垫面影响近地面风湍流强度大于高层。但是否台风过程均存在这一现象还需更多的观测个例分析验证。

本研究利用台风“山竹”影响深圳期间梯度塔测风数据分析了深圳近地面水平风的阵性特征、风切变特征和脉动垂直特征的垂直变化，并得到了初步结果。但是分析仍存在样本数不足等问题，更为精确的结果需更多的观测个例确定和验证，后期将会进一步进行相关研究。