无论在气象还是风工程领域，深入认识台风近地面风特性及气动特性对于增强台风防灾减灾能力具有重要科学和现实意义。自20世纪90年代以来，气象和风工程领域研究人员针对台风近地面风廓线和气动特性开展了大量实测研究，然而很少有研究关注海陆过渡区域特征。
针对这个问题，中国气象局上海台风研究所汤胜茗副研究员及合作者利用2009—2020年中国东南沿海15个登陆台风影响期间的17个观测点的测风塔和激光雷达观测数据(图 1)，对比分析了近海海上与沿海陆地台风近地面风廓线以及气动参数随风速大小的变化规律。其中，气动参数包括粗糙长度(Z₀)、摩擦速度(U_*)和阻力系数(C_d)三个参数，由对数风廓线法拟合计算得出。

图1 17个观测点（A-Q）的地理位置以及15个登陆台风的最佳路径图。

研究结果表明，随地表10米平均风速(U(10))增大，近海海上与沿海陆地的近地面风廓线逐步接近幂指数率分布。在低风速条件下(U(10) < 10 m/s)，沿海陆地的Z₀显著大于近海海面;在高风速条件下(U(10) > 18 m/s)，由于波浪形状阻力不断增大，近海海面的Z₀和U_*开始大于沿海陆地的值(图 2)。在近海海上，当不区分近岸风和离岸风风向时，C_d达到峰值的临界风速为24 m/s;区分近岸风和离岸风风向后，发现近海海上近岸风C_d随平均风速呈“双峰”分布，C_d出现峰值的U(10)分别为13 m/s和21 m/s，该“双峰”分布特征出现的原因与水深和风向有关(图 3)。最后，建立了沿海陆地近岸风C_d与地表10米平均风速(U(10))的线性函数关系：

图2 陆上离岸风、陆上近岸风、海上离岸风和海上近岸风四种情况下，(a)粗糙度长度Z0、(b)摩擦速度U_*、(c)阻力系数C_d随地表10 m平均风速U(10)的变化。图(d)是在海上近岸风情况下C_d随U(10)变化的放大图。横坐标上方的数字表示每个风速区间的样本数量，箱型图端线之间的区域表示95%置信区间。

图 3 (a)海上近岸风情况下，海上所有测点和M点的观测样本数;M点的(b)阻力系数C_d和(c)风向随地表10 m平均风速U(10)的变化;(d)M点周围水深分布。其中，(b)图中2个红色箱体表示M点C_d的两个峰值;(c)图中橙色柱高代表风向平均值，端线之间的区域表示95%置信区间;(d)图中“Peak 1”和“Peak 2”分别表示M点C_d峰值所对应的风向区间：105-120°和135-150°，红色箭头代表海浪方向。

该项研究关注了台风近地面气动参数在海陆过渡区域的变化特征，所提出的近海海上近岸风C_d随平均风速呈“双峰”分布、沿海陆地近岸风C_d与平均风速呈线性函数关系等创新观点可为台风边界层结构研究、改进台风数值预报模式地表层参数化方案等工作提供参考。

论文信息:

Tang S, Wang K, Yu H, Li T, Tang J. A Comparative Study on Wind Profiles and Surface Aerodynamic Parameters of Typhoons Over Coastland and Coastal Sea. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2024, 129(13): e2023JD040449.

原文链接:

https://doi.org/10.1029/2023JD040449

(文/审:汤胜茗 复审:陈佩燕 终审:陈国民)