臺風和臺風模型研究綜述

陳俊鵬 周自成 劉飛虹 王 印 周 月

明陽智慧能源集團股份公司

0 概述

熱帶氣旋作為一種破壞力極強的災害性天氣系統，多發生于熱帶或副熱帶洋面。根據熱帶氣旋中心最大風力的強弱，其分為六個等級，分別是熱帶氣壓、熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風、強臺風與超強臺風[1］?？紤]到國內對熱帶氣旋命名的傳統習慣，下文將熱帶氣旋統稱為臺風。

西北太平洋地區為全球熱帶氣旋發生頻次及強度最高的海域，其中臺風年發生率約為28 個[2］。西北太平洋臺風在環境流場的影響下，表現出向西北方向移動的趨勢，給我國帶來嚴重影響。據統計，每年平均有7 個熱帶風暴和臺風登陸我國，約占西北太平洋熱帶風暴和臺風總數的1/4[3］。因此，我國是世界上受臺風影響最嚴重的國家之一，2022年臺風災害造成的直接經濟損失高達54.2億元[4］。

我國東南沿海及近海區域風能資源豐富，并且靠近電力負荷中心。我國海上風電裝機容量伴隨著海上風電資源的開發顯著增加，然而我國東南沿海也是嚴重受到臺風影響的區域之一[5］。臺風期間，海上風電機組的基礎、塔筒、葉片以及升壓站的風荷載增大數倍，安全事故和故障風險大幅度增加[6］。張禮達等[7］總結臺風對風電的主要破壞有葉片出現裂紋或被撕裂，偏航系統受損，風向儀、尾翼等設備被吹毀。Kumar等[8］研究表明，臺風影響范圍內波高與極端風速之間有良好的相關性，臺風帶來的狂風、巨浪對風電機組上部結構和地基造成巨大破壞。

為了提高海上風電機組施工、運行的安全性，需要準確地評估臺風高發工程海域的極值風速情況。由于缺少充足的臺風相關觀測資料，常規的計算方法在極值風速的預測上存在著較大的不確定性[9］。為了克服這個問題，Monte-Carlo方法應運而生，該方法利用參數化臺風風場模型以及臺風關鍵參數概率模型，采用數值模擬的方法對臺風影響區極值風速進行預測，又稱為臺風危險性分析方法[10］。1969 年Russell[11］首次采用經驗臺風模型模擬計算臺風極值風速，此后Batts 等[12］、Shapiro[13］、Georgiou[14］、Vickery等[15］、YanMeng等[16］學者根據不斷更新的臺風實測數據，對該模擬方法進行了擴展和改進。在國內，該方法主要被應用于臺風高發海域和沿海城市的極值風速預測。

本文首先介紹了臺風的成因、結構特征，然后回顧臺風風場模型的發展歷史和研究現狀，并對參數臺風風場模型的各子部分以及應用現狀進行闡述，最后介紹了臺風風場模型的實際應用，給出了關于臺風和臺風模型研究中仍存在的問題及未來發展方向，期望能為海上風電場臺風危險性分析評估方法提供技術基礎。

1 臺風的成因與結構

大量的科學研究加深了人們對于臺風形成機理和結構特征的認識，臺風結構是臺風領域的一個關鍵研究內容，同時也是臺風風場模型構建的基礎[17］。本節分別對臺風的成因以及臺風結構展開綜述。

1.1 形成原因及必要條件

臺風成因示意圖如圖1所示，在熱帶洋面上，受到太陽強烈照射，海水表層溫度較高，熱帶洋面空氣蒸發抬升，導致地面空氣減少，形成氣壓較低的區域。受氣壓梯度力影響，風從周圍的高氣壓區流入低氣壓區，流入低壓區的空氣持續抬升，使得低壓區氣壓持續降低，風力持續增強。抬升的濕熱空氣在高層溫度較低的區域液化或凝華，形成云并釋放出潛熱。由于放熱后空氣變冷，不再上升，就在高空堆積，形成了一個高壓區。隨后高壓區空氣向外流出，拉動低層空氣抬升，形成臺風。

圖1 臺風成因

濕熱空氣抬升并凝結成云釋放潛熱，使得臺風高層中心附近強烈增溫，形成臺風暖核結構。發展成熟的臺風在臺風眼區的對流層中上層具有明顯的暖核，高空暖核結構的形成是臺風生成的主要特征之一[2］。暖核結構形成于臺風發展階段，隨臺風進入成熟階段逐漸加強，暖核結構一旦減弱，臺風也將隨之削弱，甚至消散[18］。費建芳[19］研究表明暖核結構的存在有助于臺風的發展，而暖核結構的強弱則決定了臺風內部擾動的進一步發展。陳聯壽和丁一匯[2］的研究表明，當冷空氣與熱帶氣旋在低緯度地區相遇時，熱帶氣旋的暖心結構將會被破壞，眼壁附近的最大風速環流也會隨之突然消失。

空氣在運動的過程中會受到地轉偏向力的影響，導致空氣的運動軌跡向右偏離。因此在北半球，臺風低層空氣逆時針旋轉流入，在高層順時針輻散[17］，如圖2 所示。臺風的能量來源是水汽抬升釋放的潛熱。因此，溫暖的洋面、垂直切變小、低層輻合高層輻散和有一定的地轉偏向力是臺風生成的四個必要條件[2］。海洋表面溫度是影響臺風強度的重要因素之一，如海水表面溫度的降低，將會使臺風強度減弱，風速降低[20］。此外，大氣穩定度也是影響臺風形成、發展、強度和路徑的重要因素[21］。

圖2 臺風低層逆時針旋轉

已有研究表明臺風的活動與外部強迫場（如大尺度大氣環流等）和氣候變率模態間存在顯著關系[22］，國內外學者基于上述關系建立了相關模型進行臺風預報，即統計預報方法。統計預報即基于臺風歷史數據，采用概率統計方法，將臺風極值風速與相關參數（如中心氣壓、移速等）建立聯系，進而得到較為合理的統計模型。但由于樣本數據有限，統計預報方法具有較大局限性，并且缺乏理論支撐[23］（見圖3）。

圖3 臺風數值預報平臺[23]

隨著計算機性能不斷提高，基于大氣運動方程的數值模式臺風預報逐漸發展，可精細化地預報大風出現的時間、影響范圍和強度，展現出很好的應用價值[22］。數值預報模式目前以單一大氣模式為主，但臺風是一個海氣浪相互作用的過程，為了提升我國東南沿海臺風預報的準確性，有必要采用海氣浪耦合模式對西北太平洋海域的臺風活動開展數值模擬與預報研究。

1.2 臺風結構

發展成熟的臺風通常呈扁平圓形旋渦狀，圖4為成熟臺風結構示意圖。發展成熟的臺風在水平方向上主要分為三個部分：臺風眼，臺風發展成熟的重要標志，在臺風眼內既無狂風也無暴雨，天上僅有薄云；風眼壁，風力最強、降雨最劇烈的區域；螺旋雨帶，緊接在臺風眼壁之外，該區域有著較為猛烈的降雨和吹向中心的大風[24］。臺風在垂直方向上可被分為流入層、中間層、流出層。氣流在流入層中有顯著的向中心輻合的徑向分量，從低層輻合流入的大量暖濕空氣通過中間層向高層輸送，氣流在流出層向外擴散并與周圍空氣混合，隨后逐漸下降至低層，形成了臺風的垂向環流圈。

圖4 臺風結構示意圖[25]

臺風是一個強大的暖性低壓，強的臺風中心氣壓常常在950 hPa 以下。如圖5 所示，自臺風邊緣向中心氣壓不斷下降，至臺風眼墻區氣壓猛然下降，在臺風中心處氣壓達到最低。而水平風速自臺風邊緣向中心不斷增大，隨著距臺風距離的減小，風速的增幅不斷增大，至臺風眼墻區風速達到最大，隨后驟然下降，在臺風中心處風速達到最小。

圖5 臺風剖面風速、氣壓分布[26]

臺風中存在著如螺旋雨帶、云墻、渦旋等中小尺度系統，它們決定了風速的強弱、降雨的強度和分布[27］。臺風中小尺度系統受到環境場、地表粗糙度及渦旋結構的影響，結構復雜，研究所面臨的挑戰如下：

1）目前對于其結構的特征和演變規律的認識存在較多盲區。例如，臺風雙眼壁結構如何形成，并有何特征。

2）對于影響中小尺度系統結構的變化機理尚不清楚。臺風內部力學作用和環境因素之間的相互作用，會導致中小尺度系統的結構發生變化。

3）中小尺度系統結構變化如何單獨或耦合影響臺風風雨強度和分布變化的演變機理尚不清楚，這是導致當前大風、暴雨預報準確性不高的重要原因。

2 參數風場模型

參數風場模型是以臺風結構特征為基礎而建立的，目的是準確描述臺風風場的主要特征，是臺風危險性分析方法的重要組成部分。參數化風場模型包括梯度風場模型和邊界層模型，首先基于特定的風廓線函數，輸入中心氣壓、最大風速半徑、形狀參數等臺風關鍵參數，計算得出梯度風場模型。隨后通過邊界層模型計算得出梯度風速至近地面處的風速折減系數，從而獲取近地面風場[28］。本節將分別對臺風風場關鍵參數、梯度風場模型和邊界層模型展開綜述。

2.1 模型關鍵參數

2.1.1 風速氣壓

通過統計分析臺風中心氣壓與最大風速的關系，可為最大風速與中心氣壓之間的換算提供參考?；谔荻绕胶夥匠?，風速與氣壓的關系：

式中：Vmax為最大風速，單位m/s；Pn為外圍氣壓，單位hPa，西北太平洋海域通常取1 010 hPa；Cp為中心氣壓。利用歷史臺風記錄數據對公式（1）進行擬合，可獲取擬合參數a和b的最優值。眾多學者采用該方法對西北太平洋海域的風壓關系進行擬合，結果見表1。

表1 西北太平洋風壓關系擬合參數表[28-29]

國內外已有研究表明，參數a和b作為擬合數值不僅受到樣本數據量的影響，還會受到臺風強度、位置緯度的影響[30］。目前，研究主要分強度、緯度對傳統的風速—氣壓關系進行修正，較新的研究中進一步考慮了臺風尺度、移動速度等因素對風速—氣壓關系的影響[31］。

2.1.2 最大風速半徑

最大風速半徑Rmax為臺風最大風速與臺風中心的距離，對臺風的風速、氣壓模擬以及影響范圍具有重要意義。目前關于Rmax的觀測數據較少，因此，國內外學者主要采用統計或物理模型，并借助其它臺風參數計算Rmax。Rmax的計算方法主要有4種：

1）基于歷史臺風實測數據對Rmax與中心氣壓、最大風速、緯度等參數擬合出Rmax。目前的研究普遍認為Rmax與緯度具有正相關關系，而與中心氣壓具有負相關關系[32］，Rmax服從對數正態分布，其中位數為中心氣壓差以及緯度的函數[33］。

2）基于經驗風場模型，建立各級風圈半徑與Rmax的轉換關系。例如，雷小途和陳聯壽基于Bogus臺風切向風模型，明確了Rmax與8級風圈半徑之間的轉換關系[34］。

3）基于臺風地面實測數據及經驗模型，通過誤差分析法確定Rmax。Fujii[35］于1998年首次采用該方法計算Rmax，隨后被多次應用于登陸日本的臺風危險性分析[36］。

4）基于空氣動力學方程推算Rmax。胡邦輝等[37］基于藤田氣壓場模型，推導出呈穩定狀態的海面移動非對稱臺風Rmax的計算方法。

上述4種方法中，第一種方法最為簡單，但理論依據匱乏；第二種方法具有一定理論依據，且計算較為簡單，計算結果取決于經驗模型的準確度；第三種方法誤差較小，但計算量較大；第四種方法對于臺風危險性分析評估而言計算量較大?；诖罅繉崪y數據的分析結果表明，不同區域獲得的風場參數計算方法差異較大，有必要針對不同區域風場參數的計算方法進行對比分析研究。

2.1.3 形狀參數B

為了增強氣壓模型的適用范圍，Holland[38］在1980 年提出了引入形狀參數B的氣壓剖面模型，該模型根據臺風實際風場選擇對應的形狀參數B，從而獲取更真實的臺風氣壓剖面。形狀參數B對最大風速模擬以及風速徑向分布特征有顯著影響，其取值與臺風中心所在區域密切相關。

國外得益于長期臺風觀測數據的積累，開展形狀參數B的區域特征研究基礎較好。國外學者對不同海域形狀參數B與其它臺風參數的相關性進行研究，如中心氣壓、緯度、移動速度等，并建立起函數關系[39］。

國內對于形狀參數B系數的研究主要集中于對國外模型在中國海域的區域性應用規律。段忠東結合CE 風場，分析形狀參數B對風場結構的影響，并采用Jakobsen 方法對2 場臺風的形狀參數B進行標定[40］。肖玉鳳[41］比較了多種形狀參數B計算方法對CE 風場模擬精度的影響，結果表明國外模型在中國海域的應用存在較多不確定性因素。

對于登陸我國頻率最高的西太平洋臺風，目前缺乏該海域臺風上層徑向風廓線數據。因此針對西太平洋海域形狀參數B的研究較少。形狀參數B的取值變化較大，有必要根據我國沿海實測臺風風速記錄，并針對特定區域，界定出形狀參數B的取值范圍，對于開展臺風危險性評估具有重要意義。

2.2 梯度風場模型

梯度風場模型用于模擬臺風高空處的風速分布特征，梯度風場模型主要分為2種：

1）基于氣壓分布模型，求解梯度平衡方程從而計算風速。該方法按氣壓剖面函數形式可分為2類：

（1）氣壓分布由固定的函數決定，具有代表性的模型有Bjerknes（1921）、Takahashi（1939）、Fujita（1952）等模型[42］.

（2）可通過系數調整氣壓剖面函數，Georgious（1883）、Thompson（1996）等以Holland 氣壓場模型為基礎發展了新的臺風模型。

2）基于風廓線經驗函數，從最大風速推算整個風場。 常見的有Rankine 模型、Jelesnianski（1965）模型、Miller（1967）模型等，但上述模型無法反映各地區真實風場，因此國內許多研究針對此進行了改進。例如，陳孔沫[43］提出了一種新的臺風風場計算方法，改進了Rankine 風場模型以及Jelesnianski風場模型。

臺風中心附近和外圍梯度風速的不均勻，選用不同的梯度風場模型對結果影響很大。方偉華和林偉基[28］于同一套臺風關鍵參數對比了8個梯度風場模型風廓線。結果如圖6 所示，不同梯度風場模型推算出的最大風速、徑向風廓線與風速變化速率存在較大差異。其中，Georgious 和Holland 模型由于可通過調整形狀參數B，對不同臺風的適用性更強。

圖6 不同梯度風場模型廓線對比圖[28]

2.3 邊界層模型

通過梯度風場模型得到梯度風速后，需要利用邊界層模型將其轉化為近地表風速。Meng 等[44］于1997 年提出了一個半理論模型用于模擬不同高度的風速折減因子，可直接求解出特定點的風速，計算速度快。模型中的風速折減因子是隨模擬高度與邊界層高度比值變化的指數函數，指數的大小取決于地表粗糙度，相較于傳統的經驗模型更具有物理意義。憑借上述優勢該模型被廣泛應用于臺風風場模擬，例如Matsui等[45］在隨后的研究中均采用了該模型。

Vickery 等[46］根據臺風的風速和尺度，首先對探空儀數據進行分類，再基于Kepert[47］提出的線性化臺風模型，對探空儀數據進行分析。結果表明邊界層高度隨慣性穩定度的增加而減小，邊界層垂直風速剖面圖在低層200 m 以下滿足對數率。隨后Vickery 等[48］提出一個用于模擬邊界層內臺風平均風速隨邊界層高度變化的經驗模型，該模型不僅考慮了地表粗糙度，還考慮了邊界層高度的變化情況。

在邊界層模型中，Meng 模型基于空氣微團平衡方程，能較好反映邊界層風速的分布規律，但計算較為復雜。Vickery模型基于實際觀測數據，考慮了臺風登陸前后邊界層高度的變化情況，對臺風期間風速垂直分布規律的擬合效果較好。目前，常用的幾種邊界層模型均假定臺風剖面為指數率或對數率形式，但有關臺風剖面的形式仍存在爭議，基于漂浮式激光雷達的臺風剖面研究也是近年來臺風模型研究的熱點問題。

2.4 臺風風場模型應用

臺風風場模型主要應用于臺風危險性評估以及臺風次生災害模擬研究，在多個臺風風險模型軟件中集成應用。

臺風危險性評估是指通過對臺風歷史數據進行分析，以評估特定區域內臺風期間極值風速，為工程設計和風險評估提供合理依據。例如，海上風電機組的安全性直接受到臺風極值風速和持續時間的影響，當風速超過風電機組的極限設計載荷，可能導致機組部件損壞或倒塌。對于東南沿海城市超高層建筑物以及大跨度橋梁而言，風荷載是其結構抗風設計最重要的參數，極端風速評估的準確性直接影響項目的安全性和經濟性。

臺風能量巨大，會引起風暴潮、山體滑坡等次生災害。強大的風暴潮會對沿海地區的建筑物以及基礎設施造成破壞，引發海水倒灌，嚴重影響交通運輸和社會生產。分析風暴潮的危險性有助于降低其沿海地區的影響，臺風風場作為風暴潮預報的主要驅動場，其模擬的準確性將直接影響風暴潮的預報結果。臺風模型也應用于臺風次生滑坡災害模擬，分析臺風降雨過程中邊坡滲流場的變化，是臺風次生滑坡模擬的主要手段。

3 結論

本文從熱力學和動力學角度詳細介紹了臺風的成因及其結構特征，明確臺風生成的必要條件?？偨Y了參數風場模型中風速氣壓關系、最大風速半徑、形狀參數B等臺風關鍵參數的確定方法。分析了國內外梯度風場模擬、邊界層風速模擬的研究進展。最后，對臺風風場模型在臺風危險性評估和臺風次生災害模擬的應用進行了評述。

臺風風場模型是臺風危險性分析的重要基礎，針對現有臺風風場模擬研究，發展和改進的空間包括：

1）加強跨學科綜合集成研究。國內大氣、海洋等領域的學者對于大洋面臺風風場的機制理論研究較為成熟，但主要集中于大、中尺度臺風模擬，后續應加強工程尺度的應用聯合研究。

2）深化臺風關鍵參數的計算方法及區域適用性的研究。未來研究應能有效反映多臺風參數的影響機制，擺脫簡易的經驗參數，提升不同區域海面風場模擬的準確性。

3）強化氣象數據觀測?；A數據不足是進行風場模型驗證的障礙，需著重加強我國沿海海域海洋氣象測量設備的建設。