基于ce风场与yan+meng风场的台风数值模拟与危险性分析

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1、第1章绪论第1章绪论1.1课题来源本课题来源于国家自然科学基金项目，项目名称：“土木工程相关的近地台风特性观测研究”（项目批准号：50578057）和“登陆台风风场及其工程致灾特性研究”（项目批准号：90715031）。1.2本课题研究的目的及意义台风形成于南、北纬5~26度广阔的大洋海面。它的形成要具有四个条件：广阔的高温洋面、合适的流场、合适的地球偏向力及较小的垂直切变。影响台风强度与运动的因素很多，这些因素包括：冷空气、急流、大尺度环流、地形[1]作用等，这些因素将导致台风的强度与运动路径发生改变，为

2、人类带来难以预料的后果。人类无法用当前的科学手段去改变台风的形成条件与其影响因素，因此，准确地预报台风强度与路径及加强构筑物的抗风能力是减小台风灾害的有效方法。国内外的科研人员和气象学家对台风作了大量的研究，对台风有了一定的认识，在预报台风和防灾方面有了长足的进步，但每年台风给人类带来的损失依然巨大。[2]西北太平洋是世界上发生热带气旋最多的海区，约占全球热带气旋的1/3。我国处于这一海区，海岸线较长，受台风影响严重。我国平均每年登陆台风多[3]达7~8个，是世界上台风登陆最多、灾害最重的国家。我国上海、浙

3、江、福建、台湾、广东、海南等沿海一带，每年台风都会给这里带来人员伤亡和严重的经[4]济损失。根据1945～1995年的资料,西北太平洋上热带风暴登陆中国的平均7.2个/年。从热带气旋进入各海区的个数来看，进入南海的最多，平均14个/年，东海次之，7.7个/年。因此，对我国东南沿海重点城市进行台风危险性分析是非常必要的。随着近年经济的飞速发展，我国东南沿海城市超高层建筑和大跨结构层出不穷。这些超高建筑和大跨结构对风荷载非常敏感，在设计中，风荷载成为主要的控制荷载。强大的风速，尤其是台风引起的风速近几年对近海的

4、房屋造成了很大破坏。在抗风设计中，由于过去台风观测数据较少，所给的基本风压有-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文些保守。基本风压是结构抗风设计的最重要参数，过高会为经济带来负担，建筑材料有所浪费。过低将会给生命财产带来风险。采用数值模拟方法将会弥补观测数据较少的缺陷，那么利用台风风场数值模拟和危险性分析进行推算重现期极值风速将是一条新的途径。台风区的极值风速估算普遍采用台风风场模型结合Monte-Carlo数值模拟方[5]法进行。Monte-Carlo数值模拟需要台风的关键参数（包括年发生率、中心气压差、最

5、大风速半径、移动速度、移动方向和模拟点最小距离等）的概率分布和这些关键参数的历史记录，通过随机取样，得到一系列新的台风，结合合理的风场模型可计算得到一系列最大风速序列，通过台风危险性分析方法推算推算重现期为50年、100年和200年极值风速。进行台风风场数值模拟与危险性分析能合理估算沿海地区建筑物设计年限内可能遭遇的台风极值风速，为工程结构的安全设计和风险评估提供合理的依据，提高我国沿海地区重大工程结构的抗风设计能力。1.3国内外相关方向发展现状1.3.1台风风场模型大量的科学研究使人类对台风的形成和结构有

6、了深刻的认识。而台风的结构是研究台风的关键，是台风风场建模的根本。台风结构在竖向分为流入层、中间层和流出层：流入层其高度约为3km，空气剧烈的向台风中心辐合，在边界层内最为强烈；中间层高度约为3~7.6km，在这一层，台风径向风很小，主要是竖向切向风并形成很强的垂直气流；流出层是从7.6km以上到台风顶部，这一层气流由中心向四周扩散。在水平方向，台风分为风眼区、最大风速区以及外围区。风眼区在台风的中心部位，一般为10~70km，这一区域，风小，暖干，云少。最大风速区的平均宽度为8~19km，最大风速半径介于

7、8~100km之间。台风外围区介于最大风速区与台风边缘之间。台风这种结构带有明显的流体力学与空气动力学特性。因此，成熟的台风风场数值模型大多建立在Navier-Stokes流体公式基础之上。-2-第1章绪论图1-1台风三维结构图Fig.1-1Typhoonthree-dimensionalstructure1.3.1.1台风风场数值模型国内外的学者在台风风场模的研究上做了大量工作，做出了有益的探索与尝试，把风场模型由简单演化到复杂，由粗糙演化到精确。这些探索与研究，取得了一定的成就与共识，推动了人们对台风结

8、构有了更深层次地认识，也为今后研究台风风场打下的坚实的基础。[6]Batts于1980年提出的风场模型(后被称为第一代风场模型)，具有划时代的[7]意义，其形式简单，易于求解，其求解的风速对比于其它风场相对偏高。Shapiro模型是第二风场模型，它由Shapiro于1983年提出，是一种建立在以Navier-Stokes[8]公式为基础的关于风速的动量平衡方程。1995年Vichery等发展了Shapiro风场，