強風

風既有大小，又有方向，因此，風的預報包括風速和風向兩項。風速的大小常用幾級風來表示，風的級別是根據風對地面物體的影響程度而確定的。

在氣象上，一般按風力大小劃分為十二個等級。0級風又叫無風；2級風叫輕風，樹葉微有聲響，人面感覺有風；4級風叫和風，樹的小枝搖動，能吹起地面灰塵和紙張；6級風叫強風，大樹枝搖動，電線有呼呼聲，打雨傘行走有困難；8級風叫大風，樹的細枝可折斷，人迎風行走阻力甚大；10級風叫狂風，陸地少見，可拔起樹木，建築物損害較重；12級以上的風叫颱風（颶風），摧毀力極大，陸地少見。在天氣預報中，常聽到如“北風4到5級”之類的用語，此時所指的風力是平均風力；如聽到“陣風7級”之類的用語，其陣風是指風速忽大忽小的風，此時的風力是指大時的風力。

近地層風狀況特性涉及工程抗風、風能開發利用和污染物擴散，也是天氣過程形成、發展、消亡的重要水汽、熱量、動量輸送的載體。由於強風條件下的大氣邊界層結構及特性和小風狀況的特性具有明顯差別，因而不同領域、不同用途所關注的風特性的關鍵因子也不盡相同。為了防災抗風的需要，氣象和工程領域的專家學者越來越重視強風邊界層的研究，並取得了多項很有意義的研究成果，中國的相關規範也對工程抗風所涉及的參數計算提出了具體方法(中華人民共和國建設部，2006)，但由於實測資料的限制，多數研究成果和現行規範給出的參考公式和方法多適於均勻地形，對於複雜的山地風狀況研究較少。研究在複雜山地設置了現場風狀況觀測的基礎上，重點分析該種地形條件下，工程抗風所關注的近地層強風特性。

（1）測設置和環境描述

①觀測設置為貴州西南部山區某跨峽谷大橋建設需要，在峽谷兩端擬選橋位處，設置了兩座(10m和60m高度)測風塔，其中10m塔(B塔)設置了一套機械(杯)式測風儀器，60m塔(A塔)按照梯度觀測方式(觀測層次為10、20、30、40、60m)，設置了機械(杯)式測風儀器進行平均風場的梯度觀測，數據採樣頻率為1Hz；在30m高度層(大約與橋面高度相當)設置了一台英國Gill公司生產的R3-50型超聲風速儀，該儀器被廣泛應用於結構風工程的風狀況測量，儀器在輸出數據的同時，能自動給出判別碼，以識別觀測數據的有效性。

該儀器使用環境温度-40—60℃，水平方向風速量程為±45m/s，測量精度<±1%，其最大動態響應頻率50Hz，本觀測以10Hz採樣頻率進行三維瞬時風速數據採集。

②觀測環境描述

60m梯度測風塔(A塔)位於橋位北側海拔876m的小山包上(圖1)，其西北到東南側為深達300多米的峽谷，峽谷呈西北一東南走向，觀測塔東北至東側有海拔超過900m的山體，其北側的山體略低於觀測塔所在位置的海拔高度。測風塔周圍為幾十釐米高的低矮稀疏灌木；10m塔(B塔)位於橋位南側海拔864m的小山上，測風塔周圍也為低矮稀疏灌木。

（2）參照氣象站説明

與工程位置臨近的長期氣象站是晴隆縣氣象站，該站距工程位置約12km，觀測場海拔高度1552m，風觀測資料始於1961年，並具備與工程現場觀測同期進行的逐時測風資料。

（3）風速樣本篩選

氣象專業對風速的分級有明確的規定，即10min平均風速≥17m/s的風稱為“大風”，但在日常生活、風力發電和工程抗風等其他領域“大風”的概念量度隨影響對象而有所不同，通常泛指相對風速較大的狀況，為了敍述的方便，在此將滿足本文篩選條件的風通稱為“強風”。

近地層風的微觀結構(包括垂直變化、陣性和脈動特徵等)在很大程度上左右着結構物的安全性設計和投資成本。大量觀測事實證明，近地層強風和小風狀況的微觀結構十分不同，由於工程抗風主要關注強風狀況，為了避免因為小風條件下的近地層風狀況特性不同於強風而帶來的混淆和誤差，所以為工程抗風研究需要，應從觀測數據中篩選強風樣本(或過程)。

通常認為絕大多數強風過程為中性層結狀態，現行國家規範推薦的風廓線描述的指數或對數公式的適用條件也為中性大氣層結，因而在此以中性層結作為強風樣本篩選的基本條件。

從Pasquill大氣邊界層的穩定性分級標準(表1)中可以看出，大氣穩定(E、F類)和不穩定(A、B、C類)時，其對應的風速均較小，而當10m高平均風速>6m/s時，只有在強太陽輻射出現時，大氣層結才為C類(弱不穩定)狀態，其他情況均為中性層結，以此類推可以認為，當10m高平均風速>6m/s時，近地層通常可以達到中性大氣層結要求。綜合考慮貴州本地的強風氣候狀況和現場觀測資料特點，並要滿足研究需要的樣本長度，在此選定平均場觀測的A塔60m高平均風速≥9m/s作為強風分析樣本。該高度層現場觀測年度內(12個月)平均風速≥9m/s的出現頻率為1.2%；由於脈動場觀測的有效數據較少，為了滿足研究需要的樣本長度，在此選取A塔30m高平均風速≥7m/s的個例作為研究的分析樣本。該高度在觀測年度內出現平均風速≥7m/s的頻率為3.4%。

山地地形對風場的影響機制比較複雜，一方面因接受的太陽輻射不均勻而導致的氣流的局地上升和下沉，另一方面由於地形的起伏而改變了低層氣流的方向和速度，對於工程抗風來説，主要關注較強風速時的風場特性變化。

（1）地形對風向的影響

①主導風向晴隆氣象站海拔高度1552m，可以較好地代表當地較大區域內的平均風狀況。從該站的累年各風向頻率(表2和圖2a)可以看出，當地冬季主導風向為北到東北風，春、夏、秋季均以南風為主；從各月主導風向分佈(表3)可以發現，當地一年中有10個月(3—12月)的主導風向都為南風。而橋位觀測點B塔以及A塔(具備風向觀測的10m、30m、60m)觀測年度的主導風向均為東南(SE)向，並且隨着觀測高度增高，主導風向(SE)更為穩定。從A塔60rll風向玫瑰圖(圖2b)可以較形象地看出，其風向分佈特徵明顯不同於當地長期氣象站的風向特徵：A塔60m高風向資料統計結果顯示，一年中各個月的最多風向均為東南(SE)向(表3)，而晴隆氣象站除1月主導風向為東北向外，其他10個月均為南風；統計結果還顯示，A塔60m高風向分佈在ESE—SSE扇面的風向頻率為47%，在WNW—NNW扇面的風向頻率為27%，即沿峽谷走向的風向頻率達到74%(圖2b)。可見，由於受東南一西北走向的峽谷地形影響，導致當地的南風在橋位測站多轉為東南風，東北風多轉成了西北風。

②最大風速及風向

圖3給出了當地長期氣象站和工程位置最大風速風向分佈特徵，可以看出，長期氣象站歷年最大風速的風向主要分佈在S-SW方向(圖3a)，而A塔60m工程位置一年觀測期間強風(10min平均風速≥9m/s)的風向更集中在SE方向，頻率達84%(圖3b)。

山地地形對風場的強迫作用還在致使其脈動風特性的改變。根據設置於A塔30m高度層(與橋面高度相當)的三維測風儀，分析強風(10min風速≥7m/s)條件下，地形對脈動風場的影響。圖4給出了一個典型的強風過程風速的實測個例，觀測時間為2006年4月5日，採樣時段長度為20min，過程平均風速10.8m/s，過程極大陣風(0.1s)風速14.3m/s。從圖中可以看出，在山谷複雜地形條件下，湍流脈動風速具有複雜的時間變化過程，還可看出明顯的強陣性風特徵。

通過對複雜山地實地測風數據的計算分析，得出以下初步結果：

(1)影響本工程項目局地風場的主要地形特徵是西北一東南走向的深切峽谷，它的存在完全改變局地低層風場，使之主導風向和最大風速的方向均發生了改變，風速的垂直分佈變得更為複雜，即使在中性大氣層結(強風)條件下，風的垂直廓線也完全不滿足冪指數分佈形式。

(2)複雜山地的風攻角可能遠遠大於5°，不同風向的強風攻角變化幅度會很大，有的方向為正攻角、有的方向為負攻角，兩個方向攻角差異可達20°。

(3)不同風向的湍流強度有明顯差異，但順着峽谷方向湍強卻較小；不同方向的風在三維方向的湍流強度比值也有較大差異，並且不滿足現行“設計指南”給出的比值。

(4)湍流積分空間尺度均偏大，其中縱向值偏大20%—60%，橫向值在某些特殊的風向上可偏大3倍以上，垂直方向則普遍較平坦地形偏大一個量級左右。

(5)對橋樑等結構較為敏感的(0.1—0.5Hz)頻域範圍內，各方向的湍流譜密度值有顯著差異，在縱向上，不同風向的值可相差8倍，橫向和垂直向可相差6倍，但無論哪個方向的湍流譜密度值均比颱風中心小1—2個量級。

需要指出的是，雖然1年的觀測資料基本可以表明當地的一般強風特性，但短期觀測往往難以“捕捉”到當地的小概率(或極端)強風過程，因此，擬建的大型工程還需要根據實地觀測給出的分析結果，再結合相關風洞模擬試驗，來確定和進一步驗證某些特殊的設計參數；複雜地形近地層風廓線一般不符合冪指數或對數分佈，對於研究實測分析的各種“異形”廓線形態，還需要進一步研究，尋找出與之相符的數學模型(或模擬方案)，以便能對複雜地形近地層的風廓線進行客觀描述。 ^[1] 

中氣旋是WSR-88D雷達的一種速度導出產品，它表示了對流風暴中與強烈上升氣流相聯繫的小尺度渦旋。美國國家強風暴實驗室最初引入這一概念主要是為了用於預報龍捲等災害性天氣。據統計30%～50%的中氣旋能產生龍捲，約90%的中氣旋和局地強風或冰雹相聯繫。在我國，龍捲天氣相對比較少見。以上海地區為例，1998年到2003年6年間可以查到的氣象記錄中，僅發生龍捲5次，而在其他出現破壞性大風的天氣中卻至少有一半以上伴隨着中氣旋的出現，這裏還不包括閾值設置，距離摺疊所引起的中氣旋未被辨認的情況。因此，研究希望通過研究中氣旋的算法及其發生發展過程來了解其與龍捲、雷雨大風等災害性天氣的關係，並從中獲得一些利用中氣旋產品預報局地強風(大於17m·s^-1)的參考信息。

（1）中氣旋的定義

中氣旋可以被模擬為一個蘭金組合渦旋，即在中氣旋核以內，切向速度正比於渦旋半徑；而在中氣旋核以外，切向速度則反比於渦旋半徑，隨着半徑的增加而減少。根據美國俄克拉荷馬州中氣旋探測資料的統計結果，凡滿足下列判據的小尺度渦旋即為中氣旋：

①核區直徑(最大流人速度V_in與最大流出速度V_out的距離)≤9km，旋轉速度V_r=(V_out+V_in)/2≥所定的閾值，可以根據其轉動速度和相對雷達的距離強中氣旋、中等強度中氣旋、弱中氣旋和弱切變。

②垂直伸展厚度>少3km。

③上述兩類指標都滿足的持續時間至少為兩個體掃描。

綜上所述，具有強切變、垂直延伸達到一定的高度、持續一定的時間是識別中氣旋的三個必要判據。

（2）中氣旋算法簡介

首先搜索平均徑向速度數據，尋找多普勒速度值有持續增長的方位角相鄰的距離庫，組合為模式矢量；測量出從最大負值到最大正值的速度變化和這些值之間的距離，根據這兩個量計算角動量(距離X△速度)和切向切變(△速度)，並將它們與角動量閾值和切變閾值進行比較，對超過閾值的模式矢量作下一步處理；將相同仰角上的模式矢量按照其空間鄰近情況(小於徑向距離閾值TRD和方位閾值TMA)加以組合，並與確定一個二維特徵所需要的最小模式矢量的個數閾值(TPV)加以比較，檢驗是否為同一個二維特徵；若二維特徵的中心與雷達的距離小於距離閾值(TRA)，並且其徑向長度與切向長度的比值在最小比例閾值(TRM)和最大比例閾值(TRM)之間，那麼該二維特徵被認為是對稱的。另一種情況，若該二維特徵中心與雷達的距離大於距離閾值，並且其徑向長度與方位長度的比值在長距離風暴最小比例閾值(TRF)和長距離風暴最大比例閾值(TFR)之間的，那麼該二維特徵也被認為是對稱的，否則歸為非對稱的；對高度低於特徵高度閾值(TFM)的二維特徵進行垂直相關處理。將第一個仰角上的二維特徵與第二個仰角上的進行比較，如果較小的二維特徵的中心點垂直地位於較大的二維特徵區內，那麼認為特徵是垂直相關的，從而判斷它們構成了一個三維環流。

（3）中氣旋的三種分類

根據中氣旋不同階段的特徵可分為三種類型，即非相關切變、三維切變和中氣旋。如果一個二維特徵是對稱的但不能與另一個垂直相關，那麼該特徵被認為是非相關切變；若二個或以上二維特徵垂直相關，但少於二個二維特徵是對稱的，則三維特徵被稱作三維切變；如果二個以上垂直相關的特徵是對稱的，那麼此三維特徵被稱作中氣旋。

識別中氣旋三種分類最重要的特徵值是旋轉速度、特徵中心最低高度、特徵厚度、切變強度、最大切變及其位置等。研究對上海多普勒雷達從1998年7月至2003年9月間探測到的93箇中氣旋產品的特徵參數進行了統計分析，希望從中獲取一些與預報強風有關的信息，其中非相關切變45個，三維切變和中氣旋共48個。

通過對中氣旋概念模式和算法的研究並結合上面的特徵值統計和個例分析，可以驗證，中氣旋產品與某種形式的強天氣(大冰雹、災害性風或龍捲)有關，顯示了那些與雷暴有關的風暴級渦旋的存在及特徵。上海地區以出現弱切變和弱中氣旋為主，可能引發龍捲的強中氣旋出現的幾率比較小。中氣旋與雷雨大風等災害性天氣的出現具有密切關係，因此可望利用它進行中尺度破壞性強風的預報。可以根據其強度和分類，綜合利用各種雷達產品，確定預報的天氣類型以及影響區域、時間等。

災害性強風的預報着眼點：

(1)當雷達識別出中氣旋、三維切變時即可考慮預報局地大風，還要注意風場資料中有明顯風速增大的現象和區域。

(2)在利用中氣旋預報中尺度強風的工作中，綜合使用R、SRM、STI、CM、VMP等產品對提高預報的準確性和時效有很大的幫助，最好將這些產品作為中尺度氣旋的警報配套產品。特別要注意反射率因子R產品中是否有強回波中心或強回波帶(區)的形成，密切關注那些強度強、高度梯度大、移速快的回波系統。

(3)通過分析可知多普勒雷達可以直接獲得中氣旋(或非相關切變，三維切變)的相關信息，提前瞭解中氣旋的生成和特徵值的變化。

(4)測時要注意：一箇中層的中氣旋，如果向着地面發展，且旋轉速度和切變持續加強，伸展高度增加，有進一步發展成龍捲風的可能。

(5)中氣旋算法有助於我們識別龍捲風和強風，但由於雷達掃描在時間和空間上存在不連續性，該算法還有一些缺陷，應該同時檢查R和SRM產品以確定中氣旋的存在。

(6)處於初生階段和成熟階段的中氣旋，我們應該結合多普勒雷達和風暴軌跡ST/產品判斷其當前位置和移向移速，及時做出預報，對於已處於消亡階段的中氣旋，除非出現某些可以使其再生的環境條件，一般情況下可不再作為預報關注的重點。

(7)SRM產品中看是否存在明顯的氣流的輻合或切變。如果沒有，則説明降水乃是由於較大尺度的天氣系統引起，一般情況下不會出現中氣旋。 ^[2]