CN108490505A - 一种台风风场空间结构的判断方法和装置 - Google Patents

一种台风风场空间结构的判断方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN108490505A
CN108490505A CN201810239206.8A CN201810239206A CN108490505A CN 108490505 A CN108490505 A CN 108490505A CN 201810239206 A CN201810239206 A CN 201810239206A CN 108490505 A CN108490505 A CN 108490505A
Authority
CN
China
Prior art keywords
wind
typhoon
data
index
acquisition
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810239206.8A
Other languages
English (en)
Inventor
宋丽莉
王丙兰
陈雯超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Nine Days Weather Technology Co Ltd
CMA PUBLIC METEOROLOGICAL SERVICE CENTER
Original Assignee
Beijing Nine Days Weather Technology Co Ltd
CMA PUBLIC METEOROLOGICAL SERVICE CENTER
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Nine Days Weather Technology Co Ltd, CMA PUBLIC METEOROLOGICAL SERVICE CENTER filed Critical Beijing Nine Days Weather Technology Co Ltd
Priority to CN201810239206.8A priority Critical patent/CN108490505A/zh
Publication of CN108490505A publication Critical patent/CN108490505A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology
    • G01W1/02—Instruments for indicating weather conditions by measuring two or more variables, e.g. humidity, pressure, temperature, cloud cover or wind speed

Landscapes

  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Atmospheric Sciences (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)

Abstract

本发明提供一种台风风场空间结构的判断方法和装置。包括：获取设置在不同高度上的多个测风仪器在台风过程中测得的多组梯度风数据和至少一组三维超声测风数据；根据获得的多组梯度风数据，获得在不同观测高度上的风速数据和风向数据，计算得到风廓线指数；根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到获取至少一组三维超声测风数据的观测高度上的湍流强度、湍流动能和风攻角；根据获得的梯度风数据，或三维超声测风数据，计算得到阵风系数；根据获得的风廓线指数、湍流强度、湍流动能、风攻角和阵风系数，判断台风是否满足台风眼区风况特征指标、台风眼壁区风况特征指标、台风外围区风况特征指标；根据判断结果，确定台风的台风风场空间结构。

Description

一种台风风场空间结构的判断方法和装置
技术领域
本发明涉及测风技术领域，尤其涉及一种台风风场空间结构的判断方法和装置。
背景技术
工程抗台风论证的基本要求是基于台风近地层高精度观测数据基础上的分析论证，而台风具有很强的随机性，要获得其具有涡旋式强风特征的高精度观测数据十分困难。
长期以来，我国的相关标准规范大多只能对常态的季候风况进行抗风技术指导，对台风特有的涡旋式强风尚无确定的、成熟的工程抗台风论证方法。且，由台风本身特有的涡旋环流结构和复杂下垫面的共同作用而导致的近地层异常强烈、复杂的湍流风，恰是现代超长、大跨、高耸等结构工程和柔性构件以及城市中架空基础设施致灾致损的重要因素。由于对台风的脉动风况缺乏清晰地了解，因此目前对于部分结构工程的设计往往只简单地加大部分常规的抗风参数，在导致工程成本的无谓增大的同时，工程设施的防灾防损能力仍未得到提高。
台风在水平方向上一般可分为台风眼区、台风眼壁区和台风外围区三部分。由于台风特有的涡旋环流特征，导致台风眼区、台风眼壁区和台风外围区不同位置上的风场结构显著不同，主要反映在台风过程中的风速、风向时程变化以及湍流特性参数变化等。现代结构工程抗台风研究十分关注强风和强涡旋共同作用下的平均和脉动风特性，而这些特性只有在靠近台风中心的台风眼壁区才能够客观、清晰地体现出来。因此，准确地判断台风风场空间结构、准确地判断台风强风数据的代表性，是全面、客观地进行台风风致工程灾损论证的基础。
然而，目前国内外并没有相关的台风风场空间结构的判断方法，导致工程抗台风论证工作缺乏基础依据。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种台风风场空间结构的判断方法和装置，能够判断出台风风场空间结构。技术方案如下：
基于本发明的一方面，本发明提供一种台风风场空间结构的判断方法包括：
获取设置在不同高度上的多个测风仪器，在台风过程中测得的多组观测数据，所述多组观测数据包括多组梯度风数据和至少一组三维超声测风数据；
根据获得的多组梯度风数据，获得在不同观测高度上的风速数据和风向数据，并根据获得的在不同观测高度上的风速数据和风向数据计算得到所述台风过程的风廓线指数；
根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到获取所述至少一组三维超声测风数据的观测高度上的湍流强度、湍流动能和风攻角；
根据获得的多组梯度风数据，或，根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到阵风系数；
根据获得的风廓线指数、湍流强度、湍流动能、风攻角和阵风系数，判断台风是否满足台风眼区风况特征指标、台风眼壁区风况特征指标、台风外围区风况特征指标；
根据判断结果，确定所述台风的台风风场空间结构。
可选地，所述台风眼区风况特征指标包括：台风过程的风速时程变化曲线呈双峰型、10min平均风速小于等于12m/s；
所述台风眼壁区风况特征指标包括：8级以上台风风速的风向连续转换的方位角度大于120°、台风过程的风速时程曲线呈双峰型或单峰型、峰顶附近的风况数据至少满足以下特征之一：湍流动能显著增大、风矢量正攻角增大、相同下垫面条件下湍流强度和风廓线幂指数增大；
所述台风外围区风况特征指标包括：观测点处获取的大于等于17.2m/s的风速样本数据对应的风向连续转换的方位角度小于90°；
其中，所述根据判断结果，确定所述台风的台风风场空间结构包括：
将满足所述台风眼区风况特征指标的台风区域确定为台风眼区；
将满足所述台风眼壁区风况特征指标的台风区域确定为台风眼壁区；
将满足所述台风外围区风况特征指标的台风区域确定为台风外围区。
可选地，所述方法还包括：
根据获得的风廓线指数、湍流强度、湍流动能、风攻角和阵风系数，判断台风是否满足台风边界层测风数据分区代表性判别指标；所述台风边界层测风数据分区代表性判别指标包括第一指标、第二指标和第三指标；
所述第一指标为10min平均风速大于等于17.2m/s的样本数据风向连续变化超过120°方位角；
所述第二指标为台风过程的风速时程变化曲线呈双峰型；
所述第三指标为风速时程变化曲线的双峰之间的底部10min平均风速小于12m/s；
其中，确定同时满足所述第一指标、所述第二指标和所述第三指标的观测数据为完整台风过程的风况数据；
确定只同时满足所述第一指标和所述第二指标的观测数据为只包含了台风的部分台风眼区、台风眼壁区和台风外围区的风况数据。
确定只满足所述第二指标的观测数据为部分台风眼壁区的风况数据或台风外围区的风况数据。
可选地，所述根据获得的在不同观测高度上的风速数据和风向数据计算得到所述台风过程的风廓线指数包括：
令y＝αx，其中Z表示观测高度，Z与Z1不同，u为Z高度处的风速，单位m/s(米/秒)，u1为Z1高度处的风速，单位m/s；
将测得的多组风速数据样本代入所述中，得到新的样本序列{(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)……(xn，yn)}；
利用公式计算得到风廓线指数α；
其中，i＝1、2、3……n，n为正整数。
可选地，所述根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到获取所述至少一组三维超声测风数据的观测高度上的湍流强度包括：
根据用于测得三维超声测风数据的测风仪器在X轴方向采集的风速数据、Y轴方向采集的风速数据及风向夹角，计算得到主风向的风速u(t)、侧风向的风速v(t)和垂直风向的风速w(t)；
利用公式计算得到湍流强度Ii；
其中，i分别表示u、v、w，Iu表示u方向上的湍流强度分量，Iv表示v方向上的湍流强度分量，Iw表示w方向上的湍流强度分量；σu表示脉动风速u(t)的标准差；σv表示脉动风速v(t)的标准差；σw表示脉动风速w(t)的标准差；U为水平平均风速。
可选地，所述根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到获取所述至少一组三维超声测风数据的观测高度上的湍流动能包括：
利用公式计算得到湍流动能
其中，分别为主流方向、垂直于主流方向的水平方向、以及铅直方向的脉动平均风速。
可选地，所述根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到获取所述至少一组三维超声测风数据的观测高度上的风攻角包括：
利用公式计算得到风攻角WAA；
其中，表示在T时距内用于测得三维超声测风数据的测风仪器在X轴方向采集的数据样本的风速平均值，表示在T时距内用于测得三维超声测风数据的测风仪器在Y轴方向采集的数据样本的风速平均值。
可选地，所述根据获得的多组梯度风数据，或，根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到阵风系数包括：
利用公式计算得到阵风系数G；
其中Umax为瞬时最大风速，U为10min平均风速。
可选地，所述多个测风仪器包括多个用于监测梯度风数据的风速、风向仪和至少一个用于监测三维超声测风数据的三维超声风速仪；
其中，多个所述风速、风向仪间隔预设距离设置在测风塔的不同高度上。
基于本发明的另一方面，本发明还提供一种台风风场空间结构的判断装置，其特征在于，包括：
设置在测风塔的不同高度上的多个测风装置，所述多个测风装置用于在台风过程中测得多组观测数据，所述多组观测数据包括多组梯度风数据和至少一组三维超声测风数据；
与各个测风装置连接的处理器，所述处理器用于根据获得的多组梯度风数据，获得在不同观测高度上的风速数据和风向数据，并根据获得的在不同观测高度上的风速数据和风向数据计算得到所述台风过程的风廓线指数；根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到获取所述至少一组三维超声测风数据的观测高度上的湍流强度、湍流动能和风攻角；根据获得的多组梯度风数据，和/或，根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到阵风系数；根据获得的风廓线指数、湍流强度、湍流动能、风攻角和阵风系数，判断台风是否满足台风眼区风况特征指标、台风眼壁区风况特征指标、台风外围区风况特征指标；根据判断结果，确定所述台风的台风风场空间结构。
本发明提供的台风风场空间结构的判断方法和装置中，通过获取设置在测风塔不同高度处的多个测风仪器在台风过程中测得的多组观测数据，进而根据获得的多组观测数据分别计算得到台风过程的风廓线指数、湍流强度、湍流动能、风攻角和阵风系数，并根据获得的风廓线指数、湍流强度、湍流动能、风攻角和阵风系数，判断台风是否满足台风眼区风况特征指标、台风眼壁区风况特征指标、台风外围区风况特征指标，最后根据判断结果，确定台风的台风风场空间结构。本发明利用观测数据实现了台风风场空间结构的判断，为工程抗台风论证工作提供了基础依据。
此外，本发明还实现了台风边界层测风数据分区代表性的判断，能够较为准确地判断出台风观测数据的代表性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种台风风场空间结构的判断方法的流程图；
图2为本发明中测风塔上风速、风向仪的设置方式示意图；
图3为本发明中三维超声风速仪的俯视图；
图4为台风“黑格比”过程风速、风向、风攻角、湍流强度、风廓线指数、湍流动能的时程变化示意图；
图5为本发明提供的一种台风风场空间结构的判断装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在介绍本发明保护的技术方案之前，发明人首先对本发明涉及的相关背景技术以及相关名词进行解释说明。
台风为世界气象组织定义的热带气旋中的一个类别，是指在西北太平洋(赤道以北，国际日期线以西，东经100度以东)出现的最大(或极大)风速达到32.7m/s(12级风下限)的热带气旋。在我国、日本等地，常常将最大(或极大)风速17.2m/s以上的热带气旋(包括热带风暴、强烈热带风暴、台风、强台风和超强台风等)皆称为台风。本发明中，将中心底部风速17.2m/s(8级)以上的热带气旋统称为台风涡旋(typhoon cylone)。
本发明中所有风参数的统计时距均为10min。
平均风速(mean wind speed)为给定时距内风速的平均值。
样本数据(sampling data)为满足一定指标或条件的经过筛选的数据。
风攻角(attack angle)为风矢量与水平面产生的夹角。风矢朝上，为正风攻角，风矢朝下，为负风攻角。
湍流动能(turbulence energy)为湍流产生的气流动能。
湍流强度(turbulence intensity)为衡量湍流强弱的相对指标，以湍流风速涨落标准差和平均速度的比值来表达。
风廓线指数(wind profile index)为表示风速随高度变化大小的参数，以幂指数的形式表达。
阵风系数(gust factor)为表达风速阵性的参数，以时距为T0的时间内持续时间为τ的最大阵风风速与时距为T0的平均风速之比来表达。本发明中T0取值10min，τ取值3s。
依据台风涡旋式环流结构特征，可以将台风风况划分为台风眼区、台风眼壁区和台风外围区。
其中台风眼区是台风中心的小风区域；台风眼壁区又称台风眼壁强风区，是围绕着台风眼区的不规则环状强风带，是台风过程风速最大的区域；台风外围区又称台风外围大风区，是以台风眼壁区向台风边缘方向延伸的平均风速大于等于17.2m/s的区域，包括台风中心经过前的风速增大区和台风中心及台风眼壁区经过后的风速减小区。各个区域都有各自的特征，本发明正是基于不同区域的不同特征，通过对相关参数的判断，来确定出台风的各个区域。
如图1所示，本发明提供的台风风场空间结构的判断方法包括：
步骤101，获取设置在不同高度上的多个测风仪器，在台风过程中测得的多组观测数据，所述多组观测数据包括多组梯度风数据和至少一组三维超声测风数据。
本发明中的测风仪器包括多个用于监测梯度风数据的风速、风向仪和至少一个用于监测三维超声测风数据的三维超声风速仪，其中风速、风向仪优选为风杯式风速仪及风向仪，如NRG型风速、风向仪，三维超声风速仪优选为Gill WindMaster(PRO)型三维超声风速仪。
具体地，对于多个风杯式风速仪及风向仪的设置方式，可结合图2所示，在测风塔的不同高度上间隔预设距离进行设置，比如各个风杯式风速仪及风向仪的安装高度分别为10m、20m、40m、60m、80m、100m，当然各个风杯式风速仪及风向仪的安装高度还可以为10m、20m、30m、50m、60m、70m、80m、90m、100m。本发明对于风杯式风速仪及风向仪的设置个数，以及各个风杯式风速仪及风向仪的安装高度不作限定。
三维超声风速仪设置在测风塔的某一高度上，比如60m高度。本发明对于三维超声风速仪的设置个数和安装高度不作限定。
步骤102，根据获得的多组梯度风数据，获得在不同观测高度上的风速数据和风向数据，并根据获得的在不同观测高度上的风速数据和风向数据计算得到所述台风过程的风廓线指数。
根据获得的梯度风数据，可以直接从中获取到风速数据和风向数据，由此本发明根据获得的多组梯度风数据，能够直接获得在不同观测高度上的风速数据和风向数据。
具体地，本发明根据获得的在不同观测高度上的风速数据和风向数据计算得到所述台风过程的风廓线指数的实现方法包括：
在近地层内，风速随高度变化的指数公式为：
其中，Z表示观测高度，Z与Z1不同，u为Z高度处的风速，单位m/s(米/秒)，u1为Z1高度处的风速，单位m/s；α为风速随高度变化幂指数，即台风过程的风廓线指数，其值大小表明了风速垂直切变的强度。
对公式1作变换并等号两边取对数，即得：
进一步，令
则得到线性方程
y＝αx (公式3)
进而将实际测到的多组风速数据样本代入公式2，得到新的样本序列{(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)……(xn，yn)}。
用最小二乘法拟合回归系数，得到指数α的计算公式：
其中，i＝1、2、3……n，n为正整数。
由此直接利用公式即可计算得到风廓线指数α。
本发明中的风廓线指数α为10min风廓线指数α。
步骤103，根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到获取所述至少一组三维超声测风数据的观测高度上的湍流强度、湍流动能和风攻角。
首先结合图3所示，安装在测风塔上的三维超声风速仪的一个轴朝向正北方向(0°)。三维超声风速仪采样频率为10HZ，即1秒采样10次，所测三维风速ux(t)、uy(t)和uz(t)分别为在三个轴方向测得的数据。以周期T(例如，10min)为基本时距分析，则水平平均风速U和风向夹角Φ如下公式所示：
公式5和公式6中，表示在T时距内三维超声风速仪在X轴方向采集的数据样本的风速平均值；表示在T时距内三维超声风速仪在Y轴方向采集的数据样本的风速平均值，Φ表示风向。
根据三维超声风速仪在X轴方向采集的风速数据、Y轴方向采集的风速数据及风向夹角，计算得到主风向的风速u(t)、侧风向的风速v(t)和垂直风向的风速w(t)。如图3所示，侧风向是指与主风向水平垂直的方向，即，侧风向与主风向都在一个水平面上，且侧风向与主风向的夹角为270°或90°。垂直风向是垂直于主风向和侧风向所在水平面的方向，与三维超声风速仪的Z轴方向相同。
u(t)＝ux(t)cosΦ+uy(t)sinΦ
u(t)＝-ux(t)cosΦ-uy(t)sinΦ
w(t)＝uz(t) (公式9)
湍流强度为10分钟时距的脉动风速标准差与水平平均风速(U)的比值，本发明利用如下公式10，计算得到湍流强度Ii：
公式10中，i分别表示u、v、w，Iu表示u方向上的湍流强度分量，Iv表示v方向上的湍流强度分量，Iw表示w方向上的湍流强度分量；σu表示脉动风速u(t)的标准差，根据主风向的风速u(t)计算得到；σv表示脉动风速v(t)的标准差，根据侧风向的风速v(t)计算得到；σw表示脉动风速w(t)的标准差，根据垂直风向的风速w(t)计算得到；U根据公式5计算得到。
风攻角对建筑结构物特别是柔性结构物的影响比较突出，其长期作用会加速或加重结构的疲劳损坏，强风尤其是台风时，风攻角的改变可能对结构造成突然损伤甚至破坏。在大型工程抗风设计中，应考虑大风速时风的平均攻角。风的主流方向与水平面产生的夹角。当为上升气流时，为正风攻角，当为下沉气流时，为负风攻角。
本发明利用如下公式11，计算得到风攻角WAA；
其中，表示在T时距内用于测得三维超声测风数据的测风仪器在X轴方向采集的数据样本的风速平均值，表示在T时距内用于测得三维超声测风数据的测风仪器在Y轴方向采集的数据样本的风速平均值。W、U根据公式5计算得到。
湍流动能是边界层气象学中重要的物理量之一，和边界层动量、热量和水汽输送密切相关，引入湍流动能(TKE)作为评估台风脉动风特性的参考指标，本发明利用如下公式12，计算得到湍流动能e。
步骤104，根据获得的多组梯度风数据，或，根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到阵风系数。
本发明可以利用如下公式13，计算得到阵风系数G。
其中Umax为瞬时最大风速，这里时距取值为3秒，U为10min平均风速。
步骤105，根据获得的风廓线指数、湍流强度、湍流动能、风攻角和阵风系数，判断台风是否满足台风眼区风况特征指标、台风眼壁区风况特征指标、台风外围区风况特征指标。
根据台风涡旋式环流结构特征，可以将台风风况划分为台风眼区、台风眼壁区和台风外围区。在实际应用中，发明人发现，各个区的风速样本的特征也不相同。其中，
1)对于台风眼区的风速样本：台风过程的风速时程曲线呈M型双峰型变化，风速曲线的双峰之间多出现下沉气流、风矢量多呈负攻角、10min平均风速小于12m/s。
2)对于台风眼壁区的风速样本：台风眼壁区是围绕着台风眼区的不规则环状最大风速区，该区域的对流、降水和湍流最为强烈，需通过多种参数进行判别。其中，多种参数主要包括风速、湍流动能、阵风系数、湍流强度、风廓线指数等。
在台风眼壁区，观测点获取到的8级以上台风风速的风向连续转换的方位角度应大于120°；台风过程的风速时程曲线呈双峰或单峰型，峰顶附近的风况数据应至少符合以下特征之一：湍流动能显著增大，风矢量正攻角增大，相同下垫面条件下湍流强度和风廓线幂指数增大。
3)对于台风外围区的风速样本：台风外围区观测点获取的大于等于17.2m/s的风速样本数据对应的风向连续转换的方位角度小于90°、湍流动能、阵风系数、风速廓线指数、湍流强度等参数与常态风相似。
基于此，本发明给出台风眼壁、眼区、外围的判断指标：
台风眼区风况特征指标包括：台风过程的风速时程变化曲线呈M双峰型、10min平均风速小于等于12m/s；为了进一步保证判断的精准度，台风眼区风况特征指标还可以包括风速时程变化曲线的双峰之间多出现下沉气流、风矢量多呈负攻角等；
台风眼壁区风况特征指标包括：8级以上台风风速的风向连续转换的方位角度大于120°、台风过程的风速时程曲线呈双峰型或单峰型、峰顶附近的风况数据至少满足以下特征之一：湍流动能显著增大、风矢量正攻角增大、相同下垫面条件下湍流强度和风廓线幂指数增大；
台风外围区风况特征指标包括：观测点处获取的大于等于17.2m/s的风速样本数据对应的风向连续转换的方位角度小于90°；为了进一步保证判断的精准度，台风外围风况特征指标还可以包括湍流动能、阵风系数、风速廓线指数、湍流强度等参数与常态风相似。
步骤106，根据判断结果，确定所述台风的台风风场空间结构。
具体地，本发明中将满足台风眼区风况特征指标的台风区域确定为台风眼区；将满足台风眼壁区风况特征指标的台风区域确定为台风眼壁区；将满足台风外围区风况特征指标的台风区域确定为台风外围区。由此，本发明能够确定出台风的台风风场空间结构，为工程抗台风论证工作提供了基础依据。
作为本发明优选地，本发明还可以进一步包括：
根据获得的风廓线指数、湍流强度、湍流动能、风攻角和阵风系数，判断台风是否满足台风边界层测风数据代表性判别指标；所述台风边界层测风数据代表性判别指标包括第一指标、第二指标和第三指标。其中，
第一指标为10min平均风速大于等于17.2m/s的样本数据风向连续变化超过120°方位角；
第二指标为台风过程的风速时程变化曲线呈M双峰型；
第三指标为风速时程变化曲线的双峰之间的底部10min平均风速小于12m/s。
本发明中，确定同时满足所述第一指标、所述第二指标和所述第三指标的观测数据为完整台风过程的风况数据；确定只同时满足所述第一指标和所述第二指标的观测数据为只包含了台风的部分台风眼区、台风眼壁区和台风外围区的风况数据。确定只满足所述第二指标的观测数据为部分台风眼壁区的风况数据或台风外围区的风况数据。
由此，本发明还实现了台风边界层测风数据代表性的判断，能够较为准确地判断出台风观测数据的代表性。
下面，发明人以设置在广东博贺峙仔岛的测风塔获取的台风“黑格比”风速数据为例来介绍本发明保护的台风风场空间结构的判断方法。
其中图2为广东博贺峙仔岛测风塔的示意图。其中，在测风塔上安装6层杯式测风仪，该6层杯式测风仪的设置高度分别为10m、20m、40m、60m、80m、100m。在60m高度处安装三维超声测风仪。
测风塔观测装置于2008年9月24日观测到了台风“黑格比”过程。本发明根据获取到的6组梯度风数据和一组三维超声测风数据，采用前文提供的对各种数据或参数的获取、计算方法得到台风“黑格比”过程10min时距的风速、风向、风廓线指数、风攻角、湍流强度、阵风系数、湍流动能等参数，如图4所示。
其中，△为风速；●分别代表：(a)风向(b)风攻角(c)纵向湍流强度(d)风廓线指数(e)湍流动能。
一方面，根据本发明设定的台风边界层测风数据分区代表性判别指标：
第一指标：10min平均风速大于等于17.2m/s的样本数据风向连续变化超过120°方位角；
第二指标：台风过程的风速时程变化曲线呈M双峰型
第三指标：风速时程变化曲线的双峰之间的底部10min平均风速小于12m/s。
结合图4可知，台风“黑格比”以上3个指标全部满足，因此台风“黑格比”可代表台风眼区、台风眼壁区和台风外围区的完整台风过程风况数据。
另一方面，根据本发明设定的台风眼区风况特征指标、台风眼壁区风况特征指标、台风外围区风况特征指标，即台风各结构(眼区、眼壁、外围)判断指标可知，台风“黑格比”的各结构所在区域为：
(1)图4中虚线包括的部分，8级以上台风风速的风向连续转换的方位角度大于120°；台风过程的风速时程曲线呈双峰型，峰顶附近的风况数据湍流动能显著增大，风矢量正攻角增大，相同下垫面条件下湍流强度和风廓线幂指数增大。因此图4中虚线包括的部分是台风眼壁区。
(2)图4中实线包括的部分，台风过程的风速时程曲线应呈M型双峰型变化，风速曲线的双峰之间10min平均风速小于12m/s，因此图4中实线包括的部分是台风眼区。
(3)图4中其余部分，10min平均风速大于等于17.2m/s，且其对应的风向连续转换的方位角度小于90°，因此这部分区域是台风外围区。
基于前文本发明提供的一种台风风场空间结构的判断方法，本发明还提供一种台风风场空间结构的判断装置，如图5所示，包括：
设置在测风塔的不同高度上的多个测风装置100，所述多个测风装置100用于在台风过程中测得多组观测数据，所述多组观测数据包括多组梯度风数据和至少一组三维超声测风数据。
具体地，该测风装置100为测风仪器，如风杯式风速仪及风向仪、三维超声风速仪。
与各个测风装置100连接的处理器200，所述处理器200用于根据获得的多组梯度风数据，获得在不同观测高度上的风速数据和风向数据，并根据获得的在不同观测高度上的风速数据和风向数据计算得到所述台风过程的风廓线指数；根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到获取所述至少一组三维超声测风数据的观测高度上的湍流强度、湍流动能和风攻角；根据获得的多组梯度风数据，和/或，根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到阵风系数；根据获得的风廓线指数、湍流强度、湍流动能、风攻角和阵风系数，判断台风是否满足台风眼区风况特征指标、台风眼壁区风况特征指标、台风外围区风况特征指标；根据判断结果，确定所述台风的台风风场空间结构。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种台风风场空间结构的判断方法，其特征在于，包括：
获取设置在不同高度上的多个测风仪器，在台风过程中测得的多组观测数据，所述多组观测数据包括多组梯度风数据和至少一组三维超声测风数据；
根据获得的多组梯度风数据，获得在不同观测高度上的风速数据和风向数据，并根据获得的在不同观测高度上的风速数据和风向数据计算得到所述台风过程的风廓线指数；
根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到获取所述至少一组三维超声测风数据的观测高度上的湍流强度、湍流动能和风攻角；
根据获得的多组梯度风数据，或，根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到阵风系数；
根据获得的风廓线指数、湍流强度、湍流动能、风攻角和阵风系数，判断台风是否满足台风眼区风况特征指标、台风眼壁区风况特征指标、台风外围区风况特征指标；
根据判断结果，确定所述台风的台风风场空间结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述台风眼区风况特征指标包括：台风过程的风速时程变化曲线呈双峰型、10min平均风速小于等于12m/s；
所述台风眼壁区风况特征指标包括：8级以上台风风速的风向连续转换的方位角度大于120°、台风过程的风速时程曲线呈双峰型或单峰型、峰顶附近的风况数据至少满足以下特征之一：湍流动能显著增大、风矢量正攻角增大、相同下垫面条件下湍流强度和风廓线幂指数增大；
所述台风外围区风况特征指标包括：观测点处获取的大于等于17.2m/s的风速样本数据对应的风向连续转换的方位角度小于90°；
其中，所述根据判断结果，确定所述台风的台风风场空间结构包括：
将满足所述台风眼区风况特征指标的台风区域确定为台风眼区；
将满足所述台风眼壁区风况特征指标的台风区域确定为台风眼壁区；
将满足所述台风外围区风况特征指标的台风区域确定为台风外围区。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据获得的风廓线指数、湍流强度、湍流动能、风攻角和阵风系数，判断台风是否满足台风边界层测风数据分区代表性判别指标；所述台风边界层测风数据分区代表性判别指标包括第一指标、第二指标和第三指标；
所述第一指标为10min平均风速大于等于17.2m/s的样本数据风向连续变化超过120°方位角；
所述第二指标为台风过程的风速时程变化曲线呈双峰型；
所述第三指标为风速时程变化曲线的双峰之间的底部10min平均风速小于12m/s；
其中，确定同时满足所述第一指标、所述第二指标和所述第三指标的观测数据为完整台风过程的风况数据；
确定只同时满足所述第一指标和所述第二指标的观测数据为只包含了台风的部分台风眼区、台风眼壁区和台风外围区的风况数据；
确定只满足所述第二指标的观测数据为部分台风眼壁区的风况数据或台风外围区的风况数据。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述根据获得的在不同观测高度上的风速数据和风向数据计算得到所述台风过程的风廓线指数包括：
令y＝αx，其中Z表示观测高度，Z与Z1不同，u为Z高度处的风速，单位m/s(米/秒)，u1为Z1高度处的风速，单位m/s；
将测得的多组风速数据样本代入所述中，得到新的样本序列{(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)……(xn，yn)}；
利用公式计算得到风廓线指数α；
其中，i＝1、2、3……n，n为正整数。
5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到获取所述至少一组三维超声测风数据的观测高度上的湍流强度包括：
根据用于测得三维超声测风数据的测风仪器在X轴方向采集的风速数据、Y轴方向采集的风速数据及风向夹角，计算得到主风向的风速u(t)、侧风向的风速v(t)和垂直风向的风速w(t)；
利用公式计算得到湍流强度Ii；
其中，i分别表示u、v、w，Iu表示u方向上的湍流强度分量，Iv表示v方向上的湍流强度分量，Iw表示w方向上的湍流强度分量；σu表示脉动风速u(t)的标准差；σv表示脉动风速v(t)的标准差；σw表示脉动风速w(t)的标准差；U为水平平均风速。
6.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到获取所述至少一组三维超声测风数据的观测高度上的湍流动能包括：
利用公式计算得到湍流动能
其中，分别为主流方向、垂直于主流方向的水平方向、以及铅直方向的脉动平均风速。
7.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到获取所述至少一组三维超声测风数据的观测高度上的风攻角包括：
利用公式计算得到风攻角WAA；
其中， 表示在T时距内用于测得三维超声测风数据的测风仪器在X轴方向采集的数据样本的风速平均值，表示在T时距内用于测得三维超声测风数据的测风仪器在Y轴方向采集的数据样本的风速平均值。
8.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述根据获得的多组梯度风数据，或，根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到阵风系数包括：
利用公式计算得到阵风系数G；
其中Umax为瞬时最大风速，U为10min平均风速。
9.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述多个测风仪器包括多个用于监测梯度风数据的风速、风向仪和至少一个用于监测三维超声测风数据的三维超声风速仪；
其中，多个所述风速、风向仪间隔预设距离设置在测风塔的不同高度上。
10.一种台风风场空间结构的判断装置，其特征在于，包括：
设置在测风塔的不同高度上的多个测风装置，所述多个测风装置用于在台风过程中测得多组观测数据，所述多组观测数据包括多组梯度风数据和至少一组三维超声测风数据；
与各个测风装置连接的处理器，所述处理器用于根据获得的多组梯度风数据，获得在不同观测高度上的风速数据和风向数据，并根据获得的在不同观测高度上的风速数据和风向数据计算得到所述台风过程的风廓线指数；根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到获取所述至少一组三维超声测风数据的观测高度上的湍流强度、湍流动能和风攻角；根据获得的多组梯度风数据，和/或，根据获得的至少一组三维超声测风数据，计算得到阵风系数；根据获得的风廓线指数、湍流强度、湍流动能、风攻角和阵风系数，判断台风是否满足台风眼区风况特征指标、台风眼壁区风况特征指标、台风外围区风况特征指标；根据判断结果，确定所述台风的台风风场空间结构。
CN201810239206.8A 2018-03-22 2018-03-22 一种台风风场空间结构的判断方法和装置 Pending CN108490505A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810239206.8A CN108490505A (zh) 2018-03-22 2018-03-22 一种台风风场空间结构的判断方法和装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810239206.8A CN108490505A (zh) 2018-03-22 2018-03-22 一种台风风场空间结构的判断方法和装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108490505A true CN108490505A (zh) 2018-09-04

Family

ID=63319073

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810239206.8A Pending CN108490505A (zh) 2018-03-22 2018-03-22 一种台风风场空间结构的判断方法和装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108490505A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113092813A (zh) * 2021-03-15 2021-07-09 南京航空航天大学 一种翼伞空降情境下自适应风速风向检测系统和方法
CN116449456A (zh) * 2022-10-31 2023-07-18 中国气象局广州热带海洋气象研究所（广东省气象科学研究所） 阵风预报输出方法、装置、计算机设备和存储介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102938075A (zh) * 2012-11-29 2013-02-20 浙江师范大学 最大风半径和台风眼尺寸建模的相关向量机方法
CN105426681A (zh) * 2015-11-27 2016-03-23 温州电力设计有限公司 台风与常规风风场特性参数差异分析方法
CN106919792A (zh) * 2017-02-24 2017-07-04 天津大学 基于高精度数值风场资料的涡旋中心自动识别方法
CN107357999A (zh) * 2017-07-19 2017-11-17 云南电网有限责任公司电力科学研究院 一种风场的数值模拟方法及系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102938075A (zh) * 2012-11-29 2013-02-20 浙江师范大学 最大风半径和台风眼尺寸建模的相关向量机方法
CN105426681A (zh) * 2015-11-27 2016-03-23 温州电力设计有限公司 台风与常规风风场特性参数差异分析方法
CN106919792A (zh) * 2017-02-24 2017-07-04 天津大学 基于高精度数值风场资料的涡旋中心自动识别方法
CN107357999A (zh) * 2017-07-19 2017-11-17 云南电网有限责任公司电力科学研究院 一种风场的数值模拟方法及系统

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
姚博: ""台风"海马"登陆过程近地风场脉动特性研究"", 《建筑结构学报》 *
宋丽莉: ""登陆台风近地层湍流特征观测分析"", 《气象学报》 *
肖仪清: ""基于近海海面观测的台风黑格比风特性研究"", 《空气动力学学报》 *
陈雯超: ""不同下垫面的热带气旋强风阵风系数研究"", 《中国科学》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113092813A (zh) * 2021-03-15 2021-07-09 南京航空航天大学 一种翼伞空降情境下自适应风速风向检测系统和方法
CN116449456A (zh) * 2022-10-31 2023-07-18 中国气象局广州热带海洋气象研究所（广东省气象科学研究所） 阵风预报输出方法、装置、计算机设备和存储介质
CN116449456B (zh) * 2022-10-31 2024-02-27 中国气象局广州热带海洋气象研究所（广东省气象科学研究所） 阵风预报输出方法、装置、计算机设备和存储介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Grant et al. Observations of boundary‐layer structure over complex terrain
Wiggs et al. The role of streamline curvature in sand dune dynamics: evidence from field and wind tunnel measurements
Mickle et al. The Askervein Hill Project: Vertical profiles of wind and turbulence
Smedman et al. Observational study of marine atmospheric boundary layer characteristics during swell
Mason et al. Atmospheric flow over a succession of nearly two‐dimensional ridges and valleys
Jegede et al. A study of the internal boundary layer due to a roughness change in neutral conditions observed during the LINEX field campaigns
Klaas et al. LiDAR-mast deviations in complex terrain and their simulation using CFD
Papadopoulos et al. Effects of turbulence and flow inclination on the performance of cup anemometers in the field
Grare et al. The influence of wind direction on Campbell Scientific CSAT3 and Gill R3-50 sonic anemometer measurements
Eliassen et al. Coherence of turbulent wind under neutral wind conditions at FINO1
CN108490505A (zh) 一种台风风场空间结构的判断方法和装置
Li et al. A Study on Measuring the Wind Field in the Air Using a multi-rotor UAV Mounted with an Anemometer
Chen et al. Full-scale measurements of wind effects and modal parameter identification of Yingxian wooden tower
CN106932607B (zh) 一种简便判断测风数据受测风塔体遮挡影响的方法和装置
Mason Diurnal variations in flow over a succession of ridges and valleys
CN105068075B (zh) 一种近地面大风的计算方法
Vosper et al. Measurements of the near‐surface flow over a hill
Song et al. Flux–gradient relationships in the atmospheric surface layer over the Gobi Desert in China
Grant et al. Errors in turbulence measurements with a sonic anemometer
Rao et al. Heat-flux scaling for weakly forced turbulent convection in the atmosphere
Grant Surface drag and turbulence over an inhomogeneous land surface
Auer Jr Observations of an industrial cumulus
CN106353838B (zh) 一种岛礁大气边界层底层结构和海气通量交换观测塔
Bernard-Trottolo et al. TRAC98: Detection of coherent structures in a convective boundary layer using airborne measurements
CN206096510U (zh) 一种岛礁大气边界层底层结构和海气通量交换观测塔

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180904