厦门地区台风风场模型初步研究

论文摘要

我国是世界上受台风影响最严重的地区之一,风灾每年都造成巨额的经济损失和人员伤亡。近年来,由于沿海地区城市化速度加快、人口增长及社会财富密集度快速增长,导致沿海城市和建筑物在台风条件下的灾害易损性与灾害链的易发性大大增加。为减少台风灾害损失,对沿海台风区特别是重点城市进行风危险性分析就愈发重要。研究台风风场物理模型与危险性分析的理论与方法是减轻台风灾害的基础;应用成熟台风的物理模型和台风参数资料,采用数值方法模拟台风风速进行台风危险性分析是目前国际上普遍采用的方法。本文以厦门城市为例,进行了系统的台风危险性分析,并探讨建立了登陆台风沿路径的概率模型和风速衰减模型。本文主要研究内容为:首先,研究了厦门地区的台风发生概率模型和台风关键参数概率模型。对台风历史数据进行了分析处理,提取了台风登陆概率、台风移动速度、最大风速半径、台风中心压差和最小距离等参数,进行了遭遇概率和关键参数的概率模型的统计分析;使用拟合优度检验方法,对比研究了不同概率模型对各参数的适用性。在此基础上,应用Monte-Carlo法随机抽样得到模拟台风所用的参数;结合成熟台风的风场模型,模拟得到了不同时间段（100年、200年、500年、1000年）的极值风速序列;对上述模拟产生的风速序列进行极值风速统计分析,推算得到了不同重现期和地貌的极值风速,结果与实测资料推算的风速和实测风速非常吻合。最后,采用网格化划分,采用历史数据统计分析和数值分析,建立登陆厦门地区台风的路径概率模型,分析台风登陆后沿路径的各区块受袭击的概率;建立台风登陆后沿路径的风速衰减模型,得出厦门地区台风危险性分析的基本风速;可对单个台风沿路径的风速衰减作出预测,为分析研究单个台风对具体区域建筑物的风险损失评估提供更合理依据。本文的研究为在目前极值风速资料缺乏的情况下对台风多发的东南沿海地区进行风灾危险性分析及确定设计风荷载提供了可行的途径,为中国东南沿海地区的重大工程抗风设计、防灾减灾规划提供了科学依据。另外,本文研究了台风沿路径的风速衰减规律,结合台风沿路径的来袭概率,为分析基于台风事件的局部区域建筑物的经济损失评估提供更加合理的依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 结构的风效应概述
• 1.3 台风灾害危险性分析基本原理
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 风场模型
• 1.4.2 台风路径与风速衰减
• 1.5 课题学术和现实意义
• 1.6 课题研究目的和内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究内容
• 2 台风及其关键参数概率模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 热点气旋与台风
• 2.2.1 分类与命名
• 2.2.2 台风结构
• 2.2.3 台风形成的内在机理和外界条件
• 2.2.4 热带气旋的多发地区
• 2.2.5 登陆我国的台风时空分布特征
• 2.2.6 台风灾害
• 2.3 台风关键参数及其概率模型
• 2.3.1 台风数据
• 2.3.2 模拟圆半径
• 2.3.3 台风的年发生率
• 2.3.4 台风中心气压差
• 2.3.5 台风移动速度
• 2.3.6 最小距离
• 2.3.7 台风移动方向
• max'>2.3.8 最大风速半径R_max
• 2.4 关键参数分布的参数估计
• 2.4.1 对数正态分布
• 2.4.2 三参数Weibull 分布
• 2.5 台风参数概率分布的拟合优度检验
• 2.5.1 拟合优度检验的基本思想
• 2.6 本章小结
• 3 Monte-Carlo 方法
• 3.1 Monte-Carlo 方法
• 3.2 Monte-Carlo 的基本思想及原理
• 3.2.1 基本思想
• 3.2.2 基本原理
• 3.3 随机数的产生
• 3.3.1 随机数的性质
• 3.3.2 随机数与伪随机数
• 3.3.3 随机数的产生
• 3.4 随机数的检验
• 3.5 随机变量抽样
• 3.6 Monte-Carlo 方法的步骤
• 3.6.1 构造概率模型
• 3.6.2 概率模型的确定
• 3.6.3 从已知概率分布进行抽样实验
• 3.7 Monte-Carlo 方法结果的统计特性
• 3.8 抽样次数与结果精度
• 3.9 本章小结
• 4 台风风场模型及其数值模拟
• 4.1 风场模型
• 4.1.1 气团运动平衡方程
• 4.1.2 梯度风压径向分布关系
• 4.1.3 边界层风速剖面
• 4.1.4 边界层紊流特性
• 4.1.5 登陆台风衰减模型
• 4.1.6 各个模型的比较
• 4.1.7 Batts 台风模型
• 4.2 风场数值模拟
• 4.2.1 台风数值模拟步骤
• 4.3 本章小结
• 5 台风极值风速分布研究
• 5.1 引言
• 5.2 极值风速分布与参数估计
• 5.2.1 极值风速分布
• 5.2.2 参数估计
• 5.3 地面粗糙度风速的衰减
• 5.4 极值风速分布研究
• 5.5 重现期基本风速
• 5.6 结论
• 5.7 本章小结
• 6 登陆台风路径与风速衰减数值分析
• 6.1 台风路径预报
• 6.2 风速衰减
• 6.3 区域网格的划分
• 6.4 路径概率模型
• 6.5 风速衰减模型
• 6.6 本章小结
• 7 结语
• 致谢
• 参考文献
• 附录