飓风古斯塔夫（2008）过境过程风特性研究

邵亚会，葛耀君，柯世堂，郭增伟

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092）

0 引 言

飓风为多发性自然灾害，对北大西洋和墨西哥湾沿岸国家而言，每年由于飓风造成的经济损失达数亿美元。鉴于飓风的强大破坏力，目前有关风灾分析和防灾减灾的研究成为热点，这其中关于强风的实测和分析工作，是重要的基础性工作。因此，采集飓风登陆或过境过程中的数据信息对于研究飓风特性以及预测该地区未来的飓风生成、飓风强度、飓风路径等问题有重要价值。Choi［1］（1973）、Wilson［2］（1978）、Tamura［3］（1993）、Miyashita［4］（1992）、Spark［5］、Schroeder［6］（2003）、Paulsen［7］（2005）、Vickery［8］（2005）等人在过去的几十年中分别对多种台风、飓风和热带气旋进行了风场数据采集，分析研究了不同地区的峰值因子、阵风因子、风速均值、风速均方差、风场分布特性、风谱特性等特征参数。而这些参数对于不同的场地环境和地域差异较大，有必要对特定地区的飓风风环境特性进行单独研究。

2009年8月末，古斯塔夫飓风在大西洋北部生成，登陆之前风速最大为66.7m／s。当古斯塔夫进入墨西哥湾时，仍有51m／s的风速。据统计，古斯塔夫共造成138人死亡，经济损失约328亿美元。美国路易斯安那州位于墨西哥沿岸，古斯塔夫登陆并正面袭击该州，为此路易斯安那州立大学飓风研究中心自行研制开发了便携移动式风塔，并将其预先安装调试完毕，架设于路易斯安那州南部一处地势开阔平坦处，且位于飓风路径的中心位置。为期约48h的现场观测共获得了该位置高度分别为2.5m、4m、5m、7.5m、10m处的风速、风向、风压、湿度、雨量等多项参数，并对数据进行了详细分析，得出了一些重要结论。

1 风塔设计、安装与数据采集

美国路易斯安那州立大学飓风研究中心（Hurricane Center of Louisiana State University）研发了能够测量风速、气压、雨量、湿度等多项气象学参数的可移动式风塔，如图1所示，该塔高10m，主要特征如下：可抵御的最大飓风强度为五级；信息交互系统通过盒式路由器将采样数据即时输送回研究中心；动力系统可以不间断地提供三天能量确保采集设备和传输系统的正常工作。塔身、电力系统和支撑系统的设计、焊接、安装、调试费用为14310美元，采样设备和采集系统造价为20285美元，单塔总造价34595美元，历时五个月制作完成。2009年8月30日完成风塔现场安装，场地坐标为 W 82°7′5.8″，N 26°39′24.3″，如图2所示，场地周围环境平坦开阔。现场实测时间从2009年8月31日18：06分开始9月2日下午18点结束，历时约48小时。完整地捕捉到了飓风古斯塔夫登陆美国路易斯安那州时的风场特征，包括高度为2.5m、4m、5m、7.5m、10m处的风速、风向、气压、温度、雨量、湿度等关键参数。本文作者在赴美进行访问研究期间参与了该飓风的实测数据处理工作。

2 时域风特性分析

飓风时程信号特征类似于随机振动信号，在时域中，脉动风场的基本统计参数有风速的概率密度函数、平均风速、阵风因子、紊流度、紊流积分尺度、不同高度处的相关系数等。本文将所有的原始数据记录按照600s时距平均分割为若干子样本，并剔除异常数据点（风速记录小于0或者大于60m／s，或数据格式混乱的点，并用相邻点内插法填补）后获得的600s平均风速时程与阵风因子、紊流强度、紊流积分尺度的关系如图3～图5所示。按照10min平均风速的时间特征，将该次实测信息分为三个典型区段：飓风过境前期，飓风过境中期和飓风过境后期，分别称为第一典型区段，第二典型区段和第三典型区段。其中，飓风过境前期的平均风速较小，但呈现增大趋势；飓风过境中期的风速信号先增大后减小，完整地捕捉了风速峰值的过境过程；飓风过境后期，风速较小，且趋于平稳。

图1 树立中的风塔Fig.1 Erection of the wind tower

图2 现场实测的场地环境Fig.2 Map of field measurement

图3 阵风因子与平均风速Fig.3 Gust wind speed factors and average wind speeds

图4 紊流强度与平均风速Fig.4 Turbulence intensities and average wind speeds

图5 紊流积分尺度与平均风速Fig 5 Integral length scales and average wind speeds

阵风因子为G（t）：

紊流度：

σu为某一风速样本的均方差，U为该风速样本的平均值。

紊流积分尺度：

τ0.05表示自相关函数单调减小至0.05σ2u对应的延迟时间。

由图3所示，飓风过境前期和飓风过境中期的前半部分时间内，阵风因子均较大，平均值在2.0左右，当飓风风速峰值过后，阵风因子降低为1.4左右，以上特征与风速的变化关系不大。可见，飓风过境时，当飓风风速峰值到达之前，脉动风速的变化较为剧烈，因此阵风因子较大。同样地，由图4可以看出，紊流度随时间的变化特征和阵风因子的该变化特征完全相同，由图5可以看出，紊流积分尺度的变化特征则与此相反。由此可见，飓风的时域风特性参数（阵风因子、紊流度、紊流积分尺度）随着飓风过境的时间变化而有较大差异，单纯地按照以往惯例取该参数的平均值作为该飓风的特征参数是有一定缺陷的，本文建议对于飓风的特性参数取值应按照不同的时间段给出。

由图3可以看出，从2009年9月1日凌晨四点左右开始到9月2日凌晨四点，是飓风古斯塔夫通过观测塔的主要时间段，本文选取该时间段进行了紊流强度、阵风因子、紊流积分尺度等参数的统计分析并与文献的相关实测数据进行了对比，如表1所示。

表1 时域主要参数分析Table 1 Main parameters in time domain

本次现场实测首次获得了不同高度处气压、温度、湿度、雨量等参数随时间的变化，如图7所示。可以看到，飓风通过观测塔风速最大时，气压最小；飓风带来大西洋暖湿气流，导致气温攀升，两天内温度升高约8℃；最大风速峰值之前，随着风速增大，降雨量增大，相对湿度增大，风速最大时，相对湿度达到100%。

如图8所示，对比不同高度处风场的相关性可以看出，10m高度处水平风速与2.5m、4m、5m处的相关系数随着高度的增加而增大，三者在飓风过境之后的数值趋于平稳，不随时间的变化而变化，且大于过境之间。

图6 阵风因子与紊流强度的关系Fig.6 Gust factor and turbulence intensity

图7 气象学参数Fig.7 Parameters of meteorology

图8 不同高度处风速相关性分析Fig.8 Correlation of wind speeds in different heights

良态气候风场通常认为脉动风速的概率分布符合高斯分布特征，对于本文的飓风风场，图9给出了风速的概率密度函数，可以看到飓风过境时的风速依然符合高斯分布，这与相关文献对于台风［11］的研究结论一致。目前来看，无论飓风、台风还是良态风场，风速的分布特征基本上都符合高斯分布特征。

图9 风速分布拟合Fig.9 Fitting of probability distribution function

3 频域风特性分析

脉动风的紊流风速可以认为是由许多涡旋叠加所引起的，每一涡旋的特点是以圆频率作周期运动。相应地，紊流运动的总动能可以认为是气流中每一涡旋贡献的总和。由于脉动风是一个随机过程，必须用统计方法加以描述。为了研究脉动风中涡旋的统计特征，通常采用脉动风功率谱方法。本文以水平脉动风谱为例对古斯塔夫飓风过境中三个典型区段的风谱进行了分阶段非线性最小二乘法拟合，具体做法为将各个阶段的飓风信号分割为600s的子样本，各样本分别拟合然后取平均，并与其它现有水平风谱进行比较，如图10所示。研究发现：飓风过境的各个阶段的风谱均可采用Karman型谱进行拟合，飓风过境前期，本文拟合谱在低频部分高于其它已有风谱，而高频部分略低于其它风谱，即飓风信号在低频区段能量偏高，高频区段能量偏低，因此在风洞实验室中对于飓风信号的模拟应该特别注意低频区段的能量模拟；且第一和第二个典型区段中，本文拟合风谱与其它已有规范风谱的差距大于第三个典型区段，即飓风过境前期和过境后期的风速信号变化剧烈，飓风风谱与良态气候风谱呈现较大差异。

4 时频域混合风特性分析

图10 飓风过境过程的风谱拟合Fig.10 Fitting of wind spectrum of Hurricane Gustavo

时域或频域分析方法是研究信号的直观思维方法，傅立叶方法作为频域分析的经典方法，局限性在于所研究的信号必须具有严格线性和平稳特征，否则得到的频谱没有物理意义。20世纪80年代的小波分析方法虽然实现了在时频域内信号处理，但是这种方法是线性的，存在很多缺陷。1998年N.E.Huang提出的Hilbert－Huang变换是一种新的具有自适应的时频分析方法，它可根据信号的局部时变特征进行自适应的时频分解，消除了人为的因素，克服了传统方法中用无意义的谐波分量来表示非平稳、非线性信号的缺陷，并可得到极高的时频分辨率，具有良好的时频聚集性，非常适合对非平稳、非线性信号进行分析。该方法首先采用EMD方法将信号分解为若干个IMF分量之和，然后对每个IMF分量进行Hilbert变换得到瞬时频率和瞬时幅值，从而得到信号的Hilbert谱，Hilbert谱表示了信号完整的时间－频率分布。本征模函数IMF（Intrinsic Mode Function），任意一点的瞬时频率都是有意义的，一个本征模函数必须满足以下两个条件：函数在整个时间范围内，局部极值点和过零点的数目必须相等，或最多相差一个；在任意时刻点，局部最大值的包络（上包络线）和局部最小值的包络（下包络线）平均必须为零。

本文将飓风Gustavo过境过程的三个阶段的信号分别进行了EMD分解和Hilbert变换得到了飓风不同阶段的Hilbert谱，如图11可以清晰地观察到风速的瞬时频率和能量随时间的变化特点，图11为各IMF分量的余量的时程，图12为Hilbert谱时程。

图12 Hilbert谱Fig.12 Hilbert spectrum

从图11可以看出飓风来临之前的风速时程可以分解为17个IMF分量和一个余量的加和，各IMF分量均为非线性、非平稳过程，余量较大且随时间增大而增大，这表明风速的增长趋势；飓风过境中期的风速时程可以分解为16个IMF分量和一个余量的加和，各IMF分量也为非线性、非平稳过程，余量较大且随存在峰值，这表明飓风风速在此区间存在峰值；飓风过境后期的风速时程可以分解为16个IMF分量和一个余量的加和，各IMF分量同样为非线性、非平稳过程，余量较大且随存在峰值。

从图12中可以看出风速时频谱的变化规律，图中点越亮表明局部能量越高。无论对于飓风过境前、中、后期的哪一个阶段：风速信号不存在较为明显的频率，这更清晰地表明了飓风风速信号的非线性和非平稳特征，即飓风场与良态风场的这一特征是一致的；能量大部分集中在低频部分，这表明在进行风谱拟合时，正确地模拟低频部分的谱线具有重要意义；高频部分的能量虽然较小，但是分布也比较广泛，在进行飓风现场实测时，要保证采样设备具有足够高的采样频率，以囊括风场的细部特征。

5 结 论

通过以上对于飓风Gustavo（2008）过境过程中不同典型区间实测信息的时域、频域和时频域混合分析研究，可以得出如下结论：

（1）阵风因子、紊流度和紊流积分尺度随飓风过境过程的不同时间段有较大差异，而与风速的关系较小，飓风过境风速峰值到来之前，阵风因子和紊流度大于飓风过境风速峰值到来之后，而紊流积分尺度与此相反。传统的按照平均值定义的飓风风特性参数不能反应这个特征，建议对于飓风时域风特性参数的取值应按照飓风的不同时段给出，否则可能会偏于保守。

（2）阵风因子随紊流强度的增大呈指数增长趋势，且在相同的紊流强度条件下，本文古斯塔夫的阵风因子偏大。飓风过境过程中带来大西洋暖湿气流，导致当地气温升高10℃左右，且伴随有大量降雨。

（3）脉动风速的概率分布服从高斯分布，这与良态气候模式的分布特征相同。

（4）飓风过境过程中的风谱特征可以通过Karman型谱表示，飓风过境前期和中期的脉动风谱与良态气候风谱差异较大，且低频部分的能量高于良态风谱，高频部分的能量低于良态风谱，飓风过境后期的风谱与良态风谱较为接近。风洞实验中对于飓风风谱的模拟要特别注意低频部分的能量。

（5）时频谱分析显示，飓风过境过程的三个阶段中，风速信号均呈现出强烈的非线性和非平稳特征，这与良态风场类似。

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