ISSN 1004-4965

CN 44-1326/P

用微信扫描二维码

分享至好友和朋友圈

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

拖曳系数参数化方案对工程台风模拟风场的影响研究

叶庚姣 余晖 方平治 鲁小琴 程海峰

叶庚姣, 余晖, 方平治, 鲁小琴, 程海峰. 拖曳系数参数化方案对工程台风模拟风场的影响研究[J]. 热带气象学报, 2018, 34(2): 188-197. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.02.005
引用本文: 叶庚姣, 余晖, 方平治, 鲁小琴, 程海峰. 拖曳系数参数化方案对工程台风模拟风场的影响研究[J]. 热带气象学报, 2018, 34(2): 188-197. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.02.005
Geng-jiao YE, Hui YU, Ping-zhi FANG, Xiao-qin LU, Hai-feng CHENG. EFFECTS OF THE PARAMETERIZATION SCHEME OF DRAG COEFFICIENT ON THE SIMULATION OF TYPHOON WIND FIELD IN ENGINEERING APPLICATIONA[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2018, 34(2): 188-197. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.02.005
Citation: Geng-jiao YE, Hui YU, Ping-zhi FANG, Xiao-qin LU, Hai-feng CHENG. EFFECTS OF THE PARAMETERIZATION SCHEME OF DRAG COEFFICIENT ON THE SIMULATION OF TYPHOON WIND FIELD IN ENGINEERING APPLICATIONA[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2018, 34(2): 188-197. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.02.005

拖曳系数参数化方案对工程台风模拟风场的影响研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.02.005
基金项目: 

国家重点基础研究发展计划(973计划) 2015CB452806

建筑安全与环境国家重点实验室开放课题基金 BSBE2016-04

中国长江三峡集团 2016FD(8)-008

国家电网浙江省电力公司 SGTYHT/15-JS-191

详细信息
    通讯作者:

    余晖,女,河南省人,研究员,主要从事热带气旋预报技术和灾害风险评估研究。E-mail: yuh@typhoon.org.cn

  • 中图分类号: P456.7

EFFECTS OF THE PARAMETERIZATION SCHEME OF DRAG COEFFICIENT ON THE SIMULATION OF TYPHOON WIND FIELD IN ENGINEERING APPLICATIONA

  • 摘要: 基于台风边界层的最新观测和研究成果,提出了最大风速半径、边界层风速比、拖曳系数等关键参数的经验方案,并依据垂直平均水平运动方程,建立适用于西北太平洋的工程台风风场模型,最高分辨率为2 km。通过理想试验,验证了所建模型的合理性,并重点关注模拟风场对拖曳系数参数化方案的敏感性。结果表明,不同拖曳系数参数化方案(增长型、饱和型、下降型)对强台风内核区的风场模拟有显著影响,但对最大风速的模拟影响不大。为验证所建模型对实际西北太平洋台风的适用性,选取台风“海葵”(1211)进行个例试验,得到最大风速的平均误差为-0.36 m/s,均方根误差为2.22 m/s。进一步选取我国沿海6个受“海葵”影响的测站,进行模拟风向、风速与观测的对比分析,发现所建台风风场模型能很好地模拟出台风影响过程中的风向转变,但各测站的风速均方根误差在1.61~6.92 m/s之间。较大的风速误差主要出现在位于台风中心附近的测站,意味着我国沿海复杂地形对台风的衰减作用在模型中考虑不足,是未来的改进方向。

     

  • 图  1  嵌套网格的第一象限示意图

    图  2  近海CD参数化方案的表达式

    图  3  增长型CD参数化方案试验的水平风场

    图  4  饱和型与增长型CD参数化方案试验的水平风场差值

    图  5  下降型与增长型CD参数化方案试验的水平风场差值

    图  6  1211号台风“海葵”的移动路径

    图  7  “海葵”(1211)生命史各时次的Vmax模拟值与观测值的对比

    实线为观测值,圆圈为模拟值。

    图  8  台风“海葵”(1211)的模拟风速(2分钟平均)的水平分布

    箭头为台风移动方向。

    图  9  “海葵”影响期间在石浦、定海、杭州和宝山的风速、风向的模拟值(实线,6 h间隔)与观测值(圆圈,3 h间隔)的对比

    表  1  最大风速半径Rmax(单位:n mile)与最大风速Vmax(单位:kts)的关系式

    风速范围/ kts 关系式
    < 34 Rmax=0.076 8×Vmax+41.733 4
    34~50 Rmax=-0.759 4×Vmax+67.007 3
    50~64 Rmax=-0.423 5×Vmax+47.535 8
    ≥64 Rmax=-0.085 2×Vmax+26.204 8
    下载: 导出CSV

    表  2  1 h与2 min的平均风速的转换系数

    区域 内陆 沿海 远海
    G120, 360 0 1.19 1.15 1.07
    下载: 导出CSV

    表  3  拖曳系数参数化试验的VmaxRmax模拟结果

    组别 类别 输入值 模拟值
    增长型 饱和型 下降型
    A 最大风速Vmax/(m/s) 40 41.49 41.63 41.76
    最大风速半经Rmax/km 35.62 38.47 38.47 38.47
    В 最大风速Vmax/(m/s) 55 54.15 54.90 55.60
    最大风速半经Rmax/km 30.77 32.56 32.98 34.53
    С 最大风速Vmax/(m/s) 70 67.04 67.85 68.79
    最大风速半经Rmax/km 25.93 26.31 28.28 30.07
    下载: 导出CSV

    表  4  台风“海葵”影响时期各测站风向、风速的模拟误差

    台风要素 误差类别 宝山 大陈 定海 杭州 嵊涧 石浦
    风向/° 平均误差 24.01 24.52 30.28 38.33 26.66 20.30
    均方根误差 28.85 28.32 37.11 47.60 31.27 26.65
    风速/(m/s) 平均误差 -0.54 -2.78 0.34 2.29 -3.46 1.63
    均方根误差 1.61 6.42 2.78 5.01 3.96 6.92
    下载: 导出CSV

    表  5  台风“海葵”7日20时—8日14时的Rmax(单位:km)输入值及模拟值

    日期 7日20时 8日02时 8日08时 8日14时
    输入Rmax 34.00 34.97 37.23 37.88
    模拟Rmax 40.49 32.56 28.64 27.78
    下载: 导出CSV
  • [1] 肖玉风, 肖仪清, 段忠东, 等. CE风场模型在中国华南沿海地区的适用性研究[J].工程力学, 2010, 27(10): 251-256.
    [2] LI S H, HONG H P. Observations on a hurricane wind hazard model used to map extreme hurricane wind speed[J]. J Struct Engin, 2015, 141(10): 04014238.
    [3] LI S H, HONG H P. Typhoon wind hazard estimation for China using an empirical track model[J]. Natural Hazards, 2016, 82(2): 1 009-1 029.
    [4] VICKERY P J, SKERLJ P F, STECKLEY A C, et al. Hurricane wind field model for use in hurricane simulations[J]. J Struct Engin, 2000, 126(10): 1 203-1 221.
    [5] 方伟华, 林伟.面向灾害风险评估的台风风场模型研究综述[J].地理科学进展, 2013, 32(6): 852-867.
    [6] HOLLAND G J. An analytic model of the wind and pressure profiles in hurricanes[J]. Mon Wea Rev, 1980, 108(8): 1 212-1 218.
    [7] BATTS M E, RUSSELL L R, SIMIU E. Hurricane wind speeds in the United States[J]. J Struct Div, 1980, 106(10): 2 001-2 016.
    [8] SHAPIRO L J. The asymmetric boundary layer flow under a translating hurricane[J]. J Atmos Sci, 1983, 40(8): 1 984-1 998.
    [9] GEORGIOU P N. Design wind speeds in tropical cyclone-prone regions[D]. London: The University of Western Ontario, 1986: 27-84.
    [10] CARDONE V J, GREENWOOD C V, GREENWOOD J A, et al. Unified program for the specification of hurricane boundary layer winds over surfaces of specified roughness[R]. Washington DC: US Army Corps of Engineers, 1992: 12-35.
    [11] CHOW S. A study of the wind field in the planetary boundary layer of a moving tropical cyclone[D]. New York: New York University, 1971.
    [12] 陈孔沫.一种计算台风风场的方法[J].热带海洋学报, 1994, 13(2): 41-48.
    [13] SMITH S D. Wind stress and heat flux over the ocean in gale force winds[J]. J Phys Oceanogr, 1980, 10(5): 709-726.
    [14] WU J. Wind-stress coefficients over sea surface near neutral conditions——A revisit[J]. J Phys Oceanogr, 1980, 10(5): 727-740.
    [15] DONELAN M A, HAUS B K, REUL N, et al. On the limiting aerodynamic roughness of the ocean in very strong winds[J]. Geophys Res Lett, 2004, 31(18): :355-366.
    [16] POWELL M D, VICKERY P J, REINHOLD T A. Reduced drag coefficient for high wind speeds in tropical cyclones[J]. Nature, 2003, 422(6 929): 279-283.
    [17] BLACK P G, D'ASARO E A, DRENNAN W M, et al. Air-sea exchange in hurricanes: synthesis of observations from the coupled boundary layer air sea transfer experiment[J]. Bull Amer Meteorolog Soc, 2007, 88(3): 357-374.
    [18] 赵中阔, 梁建茵, 万齐林, 等.强风天气条件下海气动量交换参数的观测分析[J].热带气象学报, 2011, 27(6): 899-904.
    [19] 方平治, 赵兵科, 张帅, 等.中等到强风条件下近海拖曳系数随风速变化的观测[J].热带气象学报, 2015, 31(5): 713-720.
    [20] LU X Q, YU H, LEI X. Statistics for size and radial wind profile of tropical cyclones in the western north pacific[J]. Acta Meteorolog Sin, 2011, 25(1): 104-112.
    [21] YING M, ZHANG W, YU H, et al. An overview of the china meteorological administration tropical cyclone database[J]. J Atmos Oceanic Technol, 2014, 31(2): 287-301.
    [22] POWELL M, SOUKUP G, COCKE S, et al. State of florida hurricane loss projection model: atmospheric science component[J]. J Wind Engin Industr Aerodyn, 2005, 93(8): 651-674.
    [23] VICKERY P J, WADHERA D. Statistical models of Holland pressure profile parameter and radius to maximum winds of hurricanes from flight-level pressure and H*Wind data[J]. J Appl Meteorol Climatol, 2008, 47(10): 2 497-2 517.
    [24] 林伟, 方伟华.西北太平洋台风风场模型中Holland B系数区域特征研究[J].热带地理, 2013, 33(2): 124-132.
    [25] 赵林, 潘晶晶, 梁旭东, 等.台风边缘/中心区域经历平坦地貌时平均风剖面特性[J].土木工程学报, 2016, 49(8): 45-52.
    [26] HARPER B A, KEPERT J D, GINGER J D. Guidelines for converting between various wind averaging periods in tropical cyclone conditions[S]. Australia: World Meteorological Organization, 2009: 3-4.
    [27] ZHAO Z K, LIU C X, LI Q, et al. Typhoon air-sea drag coefficient in coastal regions[J]. J Geophys Res Oceans, 2015, 120(2): 716-727.
  • 加载中
图(9) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  1150
  • HTML全文浏览量:  50
  • PDF下载量:  542
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-12-21
  • 修回日期:  2017-09-20
  • 刊出日期:  2018-04-01

目录

    /

    返回文章
    返回