马黎明

摘要：沿海地区工程结构的实用性耐久性与其抵挡风荷载尤其是台风荷载的能力相关，其设计荷载与台风具有的能量有很大的关系。本文简述了台风的特征和成因，通过分析气压梯度力、地转偏向力和近地面摩擦力建立一个台风能量简易模型，并对台风模型的研究提出了一定的建议。

关键词：台风；能量；简易模型；预测

1模型描述与假设

1.1提出背景

结构在设计基准期内是否能有效的工作，对工程的经济效益和安全性具有极大的影响。近年来，大跨度结构不断增多，全球范围内的台风峰值强度也在不断提升。由于大跨结构对风荷载更为敏感，因此每年世界范围内因台风侵袭造成的危害和损失也日趋严重。了解台风，分析台风的成因并建立相应的数学模型，并对其进行模拟预测，对于世界经济民生等具有重大意义。

1.2问题假设

（1）假设分析气压梯度力时可以将台风看做任一微小立方体。

（2）假设台风形成的初期能量都是一样。

（3）假设台风的运动轨迹近似为圆形。

（4）假设台风强度与台风所具有的能量成正比。

2台风活动

2.1台风

对所有最大风速达到32.7米每秒及以上的大风，通称为台风（广义上的，台风和台风相关规定一致，只是发生的地域不同而导致名称各异）。台风是一种极度强烈的灾害性天气系统，随着它的移动和登陆，通常会给路途旁的构筑物或者建筑物造成巨大的破坏。近年来不断提升的台风强度，对于世界各沿海国家的经济，民生，社会等造成巨大的冲击。

2.2台风的特征

台风是一种特殊的热带气旋，符合气旋具备的相关性质。台风在底层是从高压区流向低压区的流入气流。在高层则是反气旋的流出气流。上层气流与下层气流通过强上升运动联系起来。台风在水平方向上结构具有台风外围、台风本体和台风中心三部分。台风在垂直方向上结构具有流入层、中间层和流出层三部分。

2.3台风形成的最基本条件

（1）一定深度内的海水水温高在26.5度以上，只有充足的水温才能加快海水的蒸发，形成大量的水蒸气，而水蒸气正是台风形成的动力源泉。

（2）成型地点在10纬度内，这样地球旋转才能形成足够的科式力来引发台风的成型。

（3）足够的气流扰动，使空气被海面的风海改变为向内旋转流动。

（4）海面上有大风时，风向要均匀，否则海风会冲击台风漩涡，导致台风破坏。

3模型的建立

3.1台风强度的主要指标

3.1.1台风形成时两点间的温度差

假设P为气压分布不均匀造成的气压梯度，则气压梯度力G=-1/ρ*▽P。氣压梯度力与气压梯度差成正比，与空气密度成反比，方向为由高压指向低压。而PV=NRT，所以温度影响着气压梯度力的大小。

3.1.2台风形成位置

设地转偏向力为F，由F=2mvωsinφ可知，地转偏向力与台风形成的位置有定量关系。其中m为物体质量，v为物体的水平运动速度分量，ω为地球自转的角速度，φ为物件所处的纬度。将台风的运动轨迹近似为圆形，只考虑地转偏向力对台风运动轨迹影响下，由运动过程中向心力公式F=mv2/r得，地转偏向力F与运动轨迹的半径r成反比。当地转偏向力F增大时，运动轨迹的半径r变小。

3.1.3近地面摩擦系数

由f=umg得，台风在运动过程中会受到近地面摩擦力的影响。近地面摩擦力使台风消耗动能，使台风风速下降，强度下降。在海域地区，由于没有植被，近地面摩擦系数小，所以摩擦力小，对台风的阻碍能力弱；在平原地区，植被较低且较少，近地面摩擦系数相较于海域地区比较大；在森林地区，由于植被茂密，所以近地面摩擦系数大，对台风的阻碍能力强。

3.2台风活动强度模型的建立

假设台风在形成初期能量Ec相等，G为气压梯度力，F为地转偏向力，其总是垂直于台风的运动方向，f为近地面摩擦力，与台风的运动方向相反。则从C（x0，y0）运动到D（x1，y1）由力的分析可得：台风在D点所具有的能量ED=Ec+G*（y1-y0）-f；将G=-1/ρ*▽P，PV=NRT，y1-y0=r，F=mv2/r，F=2mvωsinφ，f=umg代入上式得：ED=Ec-1/ρ*▽（nRT/V）*v/2ωsinφ-umg，台风强度N=k*ED。

3.3模型评价

模型的优点是通过找到台风大小，面积，频率来看，影响台风的因素有温度上升引起的气温间的压强，压强梯度绝对值越大，所产生的能量也就越多，还从摩擦力以及台风形成的位置进行了分析。

主要的缺点是忽略了台风能量的不对称性，据分析，台风在外区和内区均存在明显的不对称性，而不对称性对台风的发展和动能的输送均有一定的影响。此外，在建立模型过程中考虑的因素太少，没有太过于全面的分析数据和分析造成全球变暖的因素。

4全球范围内的模型预测

4.1大前提

经世界银行提供的数据分析得图1与图2，可知世界平均温度不断的升高，世界平均森林面积也在不断降低。全球变暖，造成海洋中蒸发的水蒸气量大幅度提高，从而导致空气密度吸收更多的热量。全球变暖会使大陆更加干旱，使一些植物不能生存，更易引发森林火灾，导致植被的减少。

4.2小前提

海水水蒸气幅度提高会造成台风形成机会增加，温度的升高还会使台风强度增加；植被减少，造成台风在行进过程中阻力减少，使台风更具破坏力。

4.3结论

全球平均温度为上升趋势，全球变暖成立。全球变暖导致海水温度上升和植被减少。影响台风强度的因素中有其中一项比较重要的是温度梯度，海水温度升高则导致温度梯度增大，增大了台风的强度。植被的减少会使近对面的摩擦力减少，从而会让台风的破坏力更大。

综上所述，温度、纬度和地面植被与台风的强度呈相关关系。植被减少使台风在行进过程中受到的阻力减小，进而增加了台风的破坏力。温度的升高造成台风能量的增加，增大台风的强度和破坏力。可以预测，随着全球气温的升高和植被的减少，台风的强度可能还会进一步提高。

5模型研究建议

对于台风能量模型的构建，目前还没有一个公认最恰当的模型。因此，今后的研究重点可以放在以下几点：

（1）发展对台风的监测和预报技术，主要利用卫星技术来监测风的风向、风的强度，提前做好防范措施。

（2）采用大量实际数据建立的概率分布函数，并结合台风的主要影响因素变化，建立适当的模型。

（3）着手建立以结构失效模式分析为基础的，结合时间空间不确定性风场模型的风险分析模型。

参考文献：

[1]陈朝晖，Erik Van Marcke，孙毅，李正良.常规风与台风的极值风速预测模型评述[J].自然灾害学报，2008（05）：158-163.