MM5模式台风模拟与工程特性分析

论文摘要

我国是世界上台风登陆次数最多、灾害最严重的国家之一,登陆台风引起的大风是工程结构风致破坏的主要原因。以往在土木工程领域中,研究台风风场特性主要是通过现场实测和工程台风模型的简单数值模拟,显然不能满足当前工程的需要。美国宾夕法尼亚州立大学（PSU）与国家大气研究中心（NCAR）从二十世纪80年代共同开发的第5代区域中尺度数值模式MM5,经过二十多年的发展与完善,它包含了比较全面的大气物理过程,在中尺度现象模拟与预报中得到极为广泛的应用。本文将引入著名的中尺度模式MM5对台风进行高精度的数值模拟,从物理与力学本质方面研究台风边界层风场的工程特性,其主要研究内容如下:首先,采用MM5模式中已有的Blackadar高分辨率方案、Eta Mellor-Yamada方案、MRF方案与Gayno-Seaman方案四种边界层方案对1987年台风个例Betty（8710）进行高精度的数值模拟,分析各种边界层参数化方案对台风边界层风场、其它形势场以及地表特征量的影响。然后,以MM5模式中Blackadar高分辨率边界层方案为例,对台风Betty（8710）进行两次预报时间不同（24小时和48小时）的数值模拟,其结果与Shapiro风场模型的模拟结果进行比较,同时用我国沿海台风的实测资料验证其适用性。随后又详细分析台风Betty（8710）边界层风场平均风速的工程特性（如水平风速、垂直风速与风剖面等物理量的时间与空间变化规律）。最后,本文采用MM5模式网格精度为27公里、9公里、3公里与1公里的四层嵌套网格,对1996年台风个例Sally（9615）进行高精度的数值模拟。采用Brasseur（2001）提出的阵风估计方法（WGE方法）后处理MM5模式输出的气象数据,对关心的MM5模式第四层嵌套网格（包括香港、深圳等城市群区域）进行了小时最大的阵风大小及其上下界限估计,同时研究网格水平分辨率与边界层高度对阵风估计的影响。还分析了台风Sally（9615）强烈影响香港的全过程,最终得到第四层嵌套域台风最大阵风的空间分布。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 台风风工程学
• 1.2.2 台风MM5 模式模拟
• 1.2.3 阵风研究
• 1.3 课题来源
• 1.4 主要研究内容与研究方法
• 第2章 边界层方案对MM5 模式模拟台风的影响
• 2.1 引言
• 2.2 中尺度模式MM5 简介
• 2.2.1 MM5 模式框架
• 2.2.2 MM5 模式基本控制方程
• 2.2.3 MM5 模式主要物理方案
• 2.2.4 MM5 模式格点结构
• 2.3 MM5 模式设计
• 2.3.1 台风Betty（8710）简介
• 2.3.2 模式参数设计
• 2.3.3 MM5 模拟区域地形与初始台风Bogus 涡
• 2.3.4 台风最大风速半径
• 2.3.5 MM5 模式输出垂直坐标与距地面高度之间的关系
• 2.4 MM5 模式结果分析
• 2.4.1 台风路径与强度分析
• 2.4.2 散度场与涡度场分布
• 2.4.3 台风环流风场分布
• 2.4.4 垂直速度场分布
• 2.4.5 地表特征量分布
• 2.5 结论
• 第3章 台风边界层平均风特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 Shapiro 台风风场模型
• 3.2.1 Shapiro 台风速度场模型
• 3.2.2 Holland 台风气压场模型
• 3.2.3 Shapiro 台风风场模型求解方法
• 3.3 MM5 模式设计
• 3.3.1 客观分析与四维同化
• 3.4 MM5 模式结果与Shapiro 风场数值解比较
• 3.4.1 与观测数据的比较
• 3.4.2 台风速度场比较
• 3.4.3 台风压力场比较
• 3.5 台风边界层风场工程特性分析
• 3.5.1 台风边界层水平风速特性
• 3.5.2 台风边界层水平风速垂直剖面特性
• 3.5.3 台风边界层垂直速度特性
• 3.5.4 台风边界层风剖面特性
• 3.5.5 台风边界层高度特性
• 3.6 本章小结
• 第4章 台风近地阵风的估计
• 4.1 引言
• 4.2 模式的设计与结果
• 4.2.1 台风Sally（9615）简介
• 4.2.2 模式参数设计
• 4.2.3 与阵风相关物理量的模拟结果
• 4.3 阵风估计方法（WGE 方法）
• 4.3.1 阵风计算的基本原理
• 4.3.2 阵风大小的估计
• 4.3.3 阵风下界的估计
• 4.3.4 阵风上界的估计
• 4.3.5 台风阵风估计过程
• 4.4 WGE 方法模拟阵风结果分析
• 4.4.1 阵风估计值与上下界限结果
• 4.4.2 水平分辨率对阵风模拟的影响
• 4.4.3 边界层高度对阵风模拟的影响
• 4.4.4 台风Sally（9615）过程中的最大阵风估计
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢