考虑历史和未来气候变化的台风风场多尺度模拟
发布时间：2021-06-23 15:07
东南沿海地区是我国台风灾害最严重的区域,平均每年有6个台风强度级别以上的热带气旋进入24小时警备线内,给沿海地区超高层建筑、输电铁塔和风力机等结构造成威胁,并且受全球气候变化影响这些地区未来台风灾害可能会进一步增加。因此,加快开展工程场地台风演化规律以及台风风场特性分析,建立并完善在建在运营期间工程结构台风短期灾害预警和灾后评估体系,同时考虑未来气候变化因素对沿海地区极端台风灾害影响,具有重大现实意义。为此,本文基于考虑历史和未来气候数据的中尺度数值模式,同时结合现场实测和理论分析等多种技术手段,在近海台风演化规律、工程场地台风风场模拟、台风风剖面统计特性、以及未来气候对登陆台风影响等方面开展了以下工作:1.基于WRF模式的近海强化型台风模拟:针对近年来西北太平洋地区三次典型历史强化型台风,开展基于WRF（Weather Research and Forecating）台风模块的高精度台风演化规律模拟,重点分析不同网格精度、微物理方案和海表面通量方案对这三次台风的近海快速强化过程和登陆后强度弱化阶段模拟结果影响,同时利用中国气象局公布的台风路径强度和降雨等实测数据对台风模拟结果进行验证...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：209 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２我国热带气旋年极值Ｒ速变化⑴??
浙江大学ｗ?ｉ：学位论文???沿海所有省份以及在建在运营的土木工程结构，平均每年有６个以上台风强度级别的热带??气旋进入警备线内，对我国沿海地区安全构成威胁。最新历史台风统计和未来台风模拟研??究也表明［１＿３］，我国东南沿海地区的热带气旋年极值变化趋势受全球变暖影响呈上升趋势??（如图１．２），并且未来西北太平洋热带气旋强度可能进一步增强。近年来，超强台风如莫??兰蒂、山竹和利奇马（如图１．３）频繁登陆广东、福建和浙江沿海地区，给当地土木工程设??施造成了巨大台风灾害。如２０１３年台风天兔正面侵袭广东，造成８座近海风力机损毁倒??塌；２０１６年台风莫兰蒂登陆厦门时，造成山区位置５基输电铁塔倒塌，破坏了多条线路和??多座变电站设施，造成５５．２２万户停电等。??图１．３?２０１９年超强台风利奇马?图１．４台风三维结构示意图??这些沿海工程结构频繁发生台风风致灾害的一个重要原因在于，对于沿海地区的台风??运行规律以及台风风荷载作用机理研究不够并且缺少足够观测资料。典型的台风三维结构??示意图如图１．４所示。台风区域分为台风眼、螺旋风雨区以及外围大风区三部分。台风眼??位于台风中心，直径约５？１０公里。台风眼外侧为螺旋风雨区，最大风力可以达到１７级??以上，再向外为外围大风区，台风涡旋半径一般为５００－１０００?ｋｍ。实际工程结构的近地面??台风风场特性还受到复杂地形地貌和复杂大气环境影响。此外，目前土木工程建筑结构设??计参数并未充分考虑未来气候变化影响［４＿７］，也可能会增加台风灾害风险。??综上所述，加快展开台风演化规律以及台风风场特性分析，建立并完善实际工程场地??台风灾害评估体系，考虑未来气候变化因素对沿海地区
?ｖ?ｖ?Ｆｅｅｄｂａｃｋ：??ｕ?０?ｕ?ｅ?ｍ?ｅ?ｙ?－Ｊｉ－ＳＪ?￥??．．．．．ｃｏｌｕｍｎ??ｒ?Ｖ?：Ｖ?Ｖ?Ｖ?Ｖ?＼／??Ｍ?８?ｕｉｙｅｙ＆ｊ｜ｅ〇６Ｕ６ｉ｜ｉ?０?Ｖ?Ｕ?ｌＯＷ??＇■■■■■?Ｖ?？?Ｖ?［?Ｖ?；－－Ｖ……Ｖ?－ｙ?｜?｜??＾?Ｕ?ｅ?ｍ?ｅ?ｉ｜?ｅ?ｕ?ｅ?ｕ?ｅ?ｕ?Ｉ?ｌ?Ｃ６ＩＩ??Ｖ?ｖ?ｖ?ｖ?｜?ｖ?ｖ?ｖ?｜?Ｖ??ｉｅｕｅｕｅｉｊｉｏｉｌｊ??！??！?ｖ??Ｖ??Ｖ?１?Ｖ???图２．１?Ａｒａｋａｗａ?Ｃ网格嵌套示意图??为实现台风风场多尺度数值模拟，本文基于ＷＲＦ网格原理拟采用的多种网格设计方??案实现不同尺度风场降尺度和升尺度模拟。如图２．２所示，ＷＲＦ模式的嵌套网格技术目前??支持双向实时嵌套、单向实时嵌套和单向离线嵌套等三种方式，可以灵活实现母网格与子??网格之间气象要素信息传递。这三种网格嵌套方式的相同之处在于，最外层网格和内层子??网格的边界条件分别由全球再分析气象数据和上一层母网格插值提供。但在双向实时嵌套??方式中，子网格数值解可以被子网格平均后反馈给母网格中具有相同坐标位置的更粗网格??点，该方式能够在每个时间积分步长中实现母网格和子网格之间即时求解信息的降尺度和??升尺度信息传递。单向实时嵌套和单向离线嵌套方式的不同之处在于，前者可以实现在每??个时间积分步长中实现从母网格到子网格的单向即时传递；而后者先独立完成粗网格计算??域求解，然后从母网格计算结果中提取出子网格模拟计算的初始和边界气象数据，然后独??立开始对子网格计算域进行模拟计算。??静态网格和移动网格方案示意图如图２．２所示。静态网格
【参考文献】：
期刊论文
[1]气候变化风险下中国建筑和土木工程设计参数分析[J]. 贺静,姜彤,房小怡,李明财,宋婕,孙楠,陈佳玉. 科技导报. 2020(08)
[2]某复杂山体的三维风场特征研究[J]. 沈国辉,翁文涛,王轶文,陈建飞. 振动与冲击. 2020(04)
[3]运动学效应对登陆台风近地面风场模拟的影响[J]. 汤胜茗,黄穗,余晖,顾明. 同济大学学报(自然科学版). 2020(01)
[4]考虑中尺度台风影响的大跨度航站楼屋盖风压特性研究[J]. 朱容宽,柯世堂. 振动与冲击. 2019(23)
[5]台风“玛莉亚”作用下风场结构特征现场实测研究[J]. 张传雄,王艳茹,黄张琦,李正农,王澈泉. 自然灾害学报. 2019(04)
[6]Sensitivity of WRF simulated typhoon track and intensity over the South China Sea to horizontal and vertical resolutions[J]. Zhiyuan Wu,Changbo Jiang,Bin Deng,Jie Chen,Xiaojian Liu. Acta Oceanologica Sinica. 2019(07)
[7]基于WRF/CALMET的关中盆地中部典型风场模拟[J]. 张侠,程路,王琦,吴琼. 陕西气象. 2019(04)
[8]浙南滨海丘陵地貌台风近地风剖面特性实测研究[J]. 朱云辉,孙富学,姜硕,史文海,张传雄,李正农,赵喆斐. 振动与冲击. 2019(12)
[9]Convective Bursts Episode of the Rapidly Intensified Typhoon Mujigae（2015）[J]. Shuai YANG,Xiba TANG,Shuixin ZHONG,Bin CHEN,Yushu ZHOU,Shouting GAO,Chengxin WANG. Advances in Atmospheric Sciences. 2019(05)
[10]EFFECTS OF SST, VWS, AND DCC UPON RAPID INTENSIFICATION OF OFF-SHORE TYPHOONS IN CHINA SEAS[J]. 郑峰,岳彩军,陈佩燕,曾智华,雷小途,陈联寿,张灵杰. Journal of Tropical Meteorology. 2019(01)
博士论文
[1]基于多尺度耦合模式的风电场流动及运行特性数值模拟研究[D]. 袁仁育.浙江大学 2018
[2]海洋暖涡对台风快速强化过程作用机制的数值研究[D]. 邵彩霞.国防科学技术大学 2017
[3]中国近海台风突然增强和衰亡的研究[D]. 郑峰.中国气象科学研究院 2015
[4]深切峡谷桥址区风特性风洞试验及CFD研究[D]. 胡朋.西南交通大学 2013
[5]台风Megi（2010）强度和结构变化的数值研究[D]. 王慧.南京信息工程大学 2013
[6]全球变暖背景下西北太平洋热带气旋活动变化机理研究[D]. 赵海坤.南京信息工程大学 2012
[7]环境场和边界层对近海热带气旋结构和强度变化影响的研究[D]. 曾智华.南京信息工程大学 2011
[8]气候变化对热带气旋活动的影响[D]. 马丽萍.南京信息工程大学 2009
[9]我国近海热带气旋强度突变的机理研究[D]. 于玉斌.南京信息工程大学 2007
硕士论文
[1]考虑复杂风环境影响的山地地形CFD数值模拟[D]. 张希斌.合肥工业大学 2019
[2]基于数据同化逼近的强台风边界层风场模拟研究[D]. 范喜庆.哈尔滨工业大学 2018
[3]基于WRF中尺度数值模式台风风场模拟及验证[D]. 曾祥锋.广州大学 2018
[4]华南近海登陆台风边界层结构和海气通量的观测研究[D]. 符靖茹.南京信息工程大学 2017
[5]随机脉动风场的数值模拟[D]. 杨波.兰州大学 2016
[6]精细化台风风场模拟[D]. 任贺贺.哈尔滨工业大学 2015
[7]WRF与CFD嵌套的局地台风风场数值模拟研究[D]. 杨剑.哈尔滨工业大学 2015
[8]环境场因子对南海热带气旋迅速加强的影响研究[D]. 胡皓.中国气象科学研究院 2015
[9]利用雷达分析近海台风快速增强期间内核结构和演变特征[D]. 刘伯骏.南京大学 2015
[10]台风边界层风场标准化观测研究[D]. 林雯.成都信息工程学院 2014
本文编号：3245163
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：209 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２我国热带气旋年极值Ｒ速变化⑴??
浙江大学ｗ?ｉ：学位论文???沿海所有省份以及在建在运营的土木工程结构，平均每年有６个以上台风强度级别的热带??气旋进入警备线内，对我国沿海地区安全构成威胁。最新历史台风统计和未来台风模拟研??究也表明［１＿３］，我国东南沿海地区的热带气旋年极值变化趋势受全球变暖影响呈上升趋势??（如图１．２），并且未来西北太平洋热带气旋强度可能进一步增强。近年来，超强台风如莫??兰蒂、山竹和利奇马（如图１．３）频繁登陆广东、福建和浙江沿海地区，给当地土木工程设??施造成了巨大台风灾害。如２０１３年台风天兔正面侵袭广东，造成８座近海风力机损毁倒??塌；２０１６年台风莫兰蒂登陆厦门时，造成山区位置５基输电铁塔倒塌，破坏了多条线路和??多座变电站设施，造成５５．２２万户停电等。??图１．３?２０１９年超强台风利奇马?图１．４台风三维结构示意图??这些沿海工程结构频繁发生台风风致灾害的一个重要原因在于，对于沿海地区的台风??运行规律以及台风风荷载作用机理研究不够并且缺少足够观测资料。典型的台风三维结构??示意图如图１．４所示。台风区域分为台风眼、螺旋风雨区以及外围大风区三部分。台风眼??位于台风中心，直径约５？１０公里。台风眼外侧为螺旋风雨区，最大风力可以达到１７级??以上，再向外为外围大风区，台风涡旋半径一般为５００－１０００?ｋｍ。实际工程结构的近地面??台风风场特性还受到复杂地形地貌和复杂大气环境影响。此外，目前土木工程建筑结构设??计参数并未充分考虑未来气候变化影响［４＿７］，也可能会增加台风灾害风险。??综上所述，加快展开台风演化规律以及台风风场特性分析，建立并完善实际工程场地??台风灾害评估体系，考虑未来气候变化因素对沿海地区
?ｖ?ｖ?Ｆｅｅｄｂａｃｋ：??ｕ?０?ｕ?ｅ?ｍ?ｅ?ｙ?－Ｊｉ－ＳＪ?￥??．．．．．ｃｏｌｕｍｎ??ｒ?Ｖ?：Ｖ?Ｖ?Ｖ?Ｖ?＼／??Ｍ?８?ｕｉｙｅｙ＆ｊ｜ｅ〇６Ｕ６ｉ｜ｉ?０?Ｖ?Ｕ?ｌＯＷ??＇■■■■■?Ｖ?？?Ｖ?［?Ｖ?；－－Ｖ……Ｖ?－ｙ?｜?｜??＾?Ｕ?ｅ?ｍ?ｅ?ｉ｜?ｅ?ｕ?ｅ?ｕ?ｅ?ｕ?Ｉ?ｌ?Ｃ６ＩＩ??Ｖ?ｖ?ｖ?ｖ?｜?ｖ?ｖ?ｖ?｜?Ｖ??ｉｅｕｅｕｅｉｊｉｏｉｌｊ??！??！?ｖ??Ｖ??Ｖ?１?Ｖ???图２．１?Ａｒａｋａｗａ?Ｃ网格嵌套示意图??为实现台风风场多尺度数值模拟，本文基于ＷＲＦ网格原理拟采用的多种网格设计方??案实现不同尺度风场降尺度和升尺度模拟。如图２．２所示，ＷＲＦ模式的嵌套网格技术目前??支持双向实时嵌套、单向实时嵌套和单向离线嵌套等三种方式，可以灵活实现母网格与子??网格之间气象要素信息传递。这三种网格嵌套方式的相同之处在于，最外层网格和内层子??网格的边界条件分别由全球再分析气象数据和上一层母网格插值提供。但在双向实时嵌套??方式中，子网格数值解可以被子网格平均后反馈给母网格中具有相同坐标位置的更粗网格??点，该方式能够在每个时间积分步长中实现母网格和子网格之间即时求解信息的降尺度和??升尺度信息传递。单向实时嵌套和单向离线嵌套方式的不同之处在于，前者可以实现在每??个时间积分步长中实现从母网格到子网格的单向即时传递；而后者先独立完成粗网格计算??域求解，然后从母网格计算结果中提取出子网格模拟计算的初始和边界气象数据，然后独??立开始对子网格计算域进行模拟计算。??静态网格和移动网格方案示意图如图２．２所示。静态网格
【参考文献】：
期刊论文
[1]气候变化风险下中国建筑和土木工程设计参数分析[J]. 贺静,姜彤,房小怡,李明财,宋婕,孙楠,陈佳玉. 科技导报. 2020(08)
[2]某复杂山体的三维风场特征研究[J]. 沈国辉,翁文涛,王轶文,陈建飞. 振动与冲击. 2020(04)
[3]运动学效应对登陆台风近地面风场模拟的影响[J]. 汤胜茗,黄穗,余晖,顾明. 同济大学学报(自然科学版). 2020(01)
[4]考虑中尺度台风影响的大跨度航站楼屋盖风压特性研究[J]. 朱容宽,柯世堂. 振动与冲击. 2019(23)
[5]台风“玛莉亚”作用下风场结构特征现场实测研究[J]. 张传雄,王艳茹,黄张琦,李正农,王澈泉. 自然灾害学报. 2019(04)
[6]Sensitivity of WRF simulated typhoon track and intensity over the South China Sea to horizontal and vertical resolutions[J]. Zhiyuan Wu,Changbo Jiang,Bin Deng,Jie Chen,Xiaojian Liu. Acta Oceanologica Sinica. 2019(07)
[7]基于WRF/CALMET的关中盆地中部典型风场模拟[J]. 张侠,程路,王琦,吴琼. 陕西气象. 2019(04)
[8]浙南滨海丘陵地貌台风近地风剖面特性实测研究[J]. 朱云辉,孙富学,姜硕,史文海,张传雄,李正农,赵喆斐. 振动与冲击. 2019(12)
[9]Convective Bursts Episode of the Rapidly Intensified Typhoon Mujigae（2015）[J]. Shuai YANG,Xiba TANG,Shuixin ZHONG,Bin CHEN,Yushu ZHOU,Shouting GAO,Chengxin WANG. Advances in Atmospheric Sciences. 2019(05)
[10]EFFECTS OF SST, VWS, AND DCC UPON RAPID INTENSIFICATION OF OFF-SHORE TYPHOONS IN CHINA SEAS[J]. 郑峰,岳彩军,陈佩燕,曾智华,雷小途,陈联寿,张灵杰. Journal of Tropical Meteorology. 2019(01)
博士论文
[1]基于多尺度耦合模式的风电场流动及运行特性数值模拟研究[D]. 袁仁育.浙江大学 2018
[2]海洋暖涡对台风快速强化过程作用机制的数值研究[D]. 邵彩霞.国防科学技术大学 2017
[3]中国近海台风突然增强和衰亡的研究[D]. 郑峰.中国气象科学研究院 2015
[4]深切峡谷桥址区风特性风洞试验及CFD研究[D]. 胡朋.西南交通大学 2013
[5]台风Megi（2010）强度和结构变化的数值研究[D]. 王慧.南京信息工程大学 2013
[6]全球变暖背景下西北太平洋热带气旋活动变化机理研究[D]. 赵海坤.南京信息工程大学 2012
[7]环境场和边界层对近海热带气旋结构和强度变化影响的研究[D]. 曾智华.南京信息工程大学 2011
[8]气候变化对热带气旋活动的影响[D]. 马丽萍.南京信息工程大学 2009
[9]我国近海热带气旋强度突变的机理研究[D]. 于玉斌.南京信息工程大学 2007
硕士论文
[1]考虑复杂风环境影响的山地地形CFD数值模拟[D]. 张希斌.合肥工业大学 2019
[2]基于数据同化逼近的强台风边界层风场模拟研究[D]. 范喜庆.哈尔滨工业大学 2018
[3]基于WRF中尺度数值模式台风风场模拟及验证[D]. 曾祥锋.广州大学 2018
[4]华南近海登陆台风边界层结构和海气通量的观测研究[D]. 符靖茹.南京信息工程大学 2017
[5]随机脉动风场的数值模拟[D]. 杨波.兰州大学 2016
[6]精细化台风风场模拟[D]. 任贺贺.哈尔滨工业大学 2015
[7]WRF与CFD嵌套的局地台风风场数值模拟研究[D]. 杨剑.哈尔滨工业大学 2015
[8]环境场因子对南海热带气旋迅速加强的影响研究[D]. 胡皓.中国气象科学研究院 2015
[9]利用雷达分析近海台风快速增强期间内核结构和演变特征[D]. 刘伯骏.南京大学 2015
[10]台风边界层风场标准化观测研究[D]. 林雯.成都信息工程学院 2014
本文编号：3245163
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