台风模拟技术的改进—日本地区台风风险估计外文翻译资料

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台风模拟技术的改进—日本地区台风风险估计

T.Okazaki1, H.Watabe2, T.Ishihara3

摘要：提高台风模式风险估计是为了预测每次台风给被保险人带来的损失。这个模型模拟了台风从产生到消失的过程。然而，这个模型需要长时间的模拟，所以精度并不能很好保证。此外，有必要提高表面风速的预测方法。在这项研究中，台风模型可以改善中心压力的衰减速率，并且引入石原模型评估表面风速。

1 简介

每年大概2.5个台风登陆日本，而且最近被保险人的损失 一直在增加。表一是2003年三月前由于台风损失最大的情况。尤其是，台风梅丽莎让国内保险公司支付了567.9十亿元（大约是5.679十亿美元）；当时是世界上最大的支付金额。

通过台风模拟评估台风风险的行动在台风梅丽莎之后迅速开展，现在保险公司通常在检查中使用模拟数据。

像台风之类的对流性活动与流体动力学有关，在有了初始条件之后，可以通过模式模拟台风特征。然而，台风生成概率和台风特征一样重要，因此评估一个台风能否生成也很有必要。因此，在这项研究中，我们“蒙特卡罗”方法发展台风概率模型。

使用蒙特卡罗方法的台风模拟模式大致分为三种形式，我们把这些叫做现场有限模型（图一），全踪模型（图二），和栅极模型（图三）。现场有限模型由L.R. Russell(1971)提出。这个模型模拟据目标点半径为500Km的飓风，评估了目标点上生成的风速。松井（1994）第一次将现场有限模型应用于日本。这可以在一个长时间段精确评估目标点的风速，并且可以评估风荷载，这要求设计一个桥梁或高层建筑。然而，风速的两个点或多个点不能同时进行评估；因此，它是不可能评估由于各个台风引起的损失的总金额。因此，现场有限概率模型并不能满足保险公司的要求。全踪模型是模拟所有过程的技术—从台风的生成到消失。在日本，Mitsuta和藤井（1975）提出在日本南部生成一个台风并模拟其北上的技术。然而，由于全踪模型需要一个长期的仿真，它和现场有限模型不具有一样的准确度。

栅极模型是用栅极沿着海岸线模拟台风生成的技术。藤井和Mitsuta（1986）建议设置沿着日本和评估的海岸线门登陆台风。然而，精度在经过较长时间的模拟点不够高。在这项研究中，我们选择基于评估每一个保险损失的必要性选择栅极模型。这个模型通过中央压力的衰减率校准改进。此外，栅极模型表面风速的评估技术也有所提高。B.V.Tryggvason（1976）提出从梯度风风速评估地面风速，被许多台风模型采纳。

因此，有一个梯度风和地表风速之间的关系式是很重要的。P.N.Georgiou（1983），藤井和Mitsuta（1986）从一些观察中提出了适用于梯度风和地表风速的经验公式。由于公式不能评估每个地区粗糙度的影响，地表风速在人满为患的地区被高估。因为，由于建筑的影响，风速变小。在这个研究中，引入石原模型，这是首次引入石原模型的栅极模型。由石原（1996）得到的关系式可以把土地差异定义成粗糙度参数，使得粗糙度对地表风速评估产生影响。粗糙度数据库由国家土地研究机构提供。

2 台风模拟模型

2.1 蒙特卡罗模拟

台风参数的概率分布（台风速度，中心气压差，接近角，台风的位置，径向最大风力）由1932年~2003年间181个越过大陆海岸线的台风定义而成。随机数生成遵循蒙特卡罗概率分布。

风速和梯度风风速由一个压力分布评估。因此，它解释了压力分布、梯度风风速和地表风速的顺序。

2.2 压力分布模型

众所周知，等压线分布在台风同心圆附近，Holland（1980）给了下列关系

P(r)=据台风中心r处的气压；P(c)=中心气压；D(p)=中心气压差；R(M)=最大风速半径，B=轮廓系数。轮廓系数B假设1~2.5是合适的。藤井（1975）认为，等压线大致分布在中心同心圆，则中心气压在985hpa以下。在这种模式设置轮廓系数B=1

2.3 梯度风风场

梯度风风速由以下运动方程得到，气压梯度力、科式力和惯性离心力三力平衡得到。

V(rg)=柱坐标r方向的梯度风风速；V()=方向的梯度风风速；C=台风移动速度;=角度（逆时针方向为正）；f=科式参数；rho;=空气密度。

2.4 基于石原模型风场

平均风速由自由大气中的梯度风和Z高度处的分量(z)，(z)是由于地面摩擦而形成的。

=绝对涡度；amp;=不均匀轴向涡度参数；=涡流粘性。石原（1996）采用封闭模式被提出在大气边界层的速度分量:

=z高度风速；=角度偏差；=指数参数；=粗糙长度；=表面切应力角度。这些方程的组合。（7）-（9）可以评估任意高度上的风速和风向。

由于栅极模型需要评估日本的所有地区，有必要设置粗糙长度为所有地区。粗糙度长度被设定为在日本各地区与1公里根据土地利用形式。风速与1公里目评估以及粗糙度长度。

2.5 中央气压下降评价

台风从水汽潜热释放中获取能量，包括海表温暖的大气，以保持强度。在台风登陆后，台风强度逐渐减弱。由于台风不能从陆地上获得潜热，因此，中央的参数压力差单调衰减为：

3 验证模型

首先，由改进后的模型得到的梯度风风速是经过所以台风的观测验证过的，地表风速是过去典型台风观测验证。

3.1 梯度风风速的验证

梯度风速的模拟由过去梯度风风速对比模拟得到。过去台风的梯度风速是有（3）式的参数带入得到。每年最大梯度风的标准变化见图6-10。有五次观测，秋田、金泽、新泻、大阪、仙台。大约有25000台风产生。

其结果是，在大量的概率分布模拟以及观察中排除秋田。在秋田县，台风从转

日本海侧未在此考虑台风模型，它需要修改的设置门。

3.2 最大地面风速的验证

地表风速是由典型的过去台风模拟得到的。台风在表一中选择。选择1991年Mireille，1999年Bart，1998年Vicki。在台风Mireille中，观测点在Sasebo和Makurazaki（图12）。观测时间是1991年9月27日15-22点。在台风Bart，观测点是Ooita和Miyakonojo（图13），观测时间是1999年9月24日1-10点；在台风Vicki中，观测点是Kyoto和Himeji（图14），观测时间是1998年9月22日12-24点。图13是Bart的路径和观测地区。表面风速十分钟一次平滑。每隔一小时的时间序列数据（观测数据与模拟对比的结果）

而且，由梯度风模式得到的地表风速已经被计算。滕进和Mitsuta（1986）提出梯度风和地表面风速涡度的关系：

是梯度风风速；是表面风风速；是与地表条件有关的参数，在平原=1/2，在海上=2/3。这个关系式并没有考虑到粗糙度的影响。表2中的对比，关系式的对比如下：

因此，石原模型在所有的观测中比梯度风模型都精确。然而，由石原模型得到的梯度风风速并不完全与观测对应。由于观测的环境和台风模拟模型的不确定性。观测受当地因素的影响。台风模拟模型在每一步计算中都有误差。尤其是，这个模型不能考虑与风向有关的外地的影响和粗糙度的影响。而且，由日本气象协会得到的中心气压差在5hpa（如960hPa, 965hPa, and 970hPa）。

4、总结

应用了石原模型的栅极台风模拟模式可以评估每个站点对应的粗糙度长度。

栅极模型需要一个长期的模拟。长期点的模拟精度不够先进。因此，这个模型提高了台风登陆后中央的压力衰减率。由模拟的三次台风可以确定石原模型比梯度风模型更精确。

5、致谢

非常感谢Yozo Fujino博士，东京大学教授，Jun Kanda博士，东京大学教授，及所有东京大学桥梁和结构实验室的成员。

6、参考文献

Davenport, A.G. (1983) The Relationship of Reliability toWind Loading, J. of Wind Engineering and IndustrialAerodynamics, 13, pp.3-27

Fujii, T. amp; Mitsuta, Y. (1986) Synthesis of a stochastic typhoonmodel and simulation of typhoon winds, Annuals, Disas.Prev. Res. Inst., Kyoto Univ., No.29 B-1

Fujii, T., amp; Mitsuta, Y. (1986) Simulation of winds in typhoons by a stochastic model, J. Wind Eng. No.28, pp.1-12

Fujii, T. amp; Mitsuta, Y. (1975) Synthesis of a stochastic typhoon model and simulation of typhoon winds, Annuals, Disas Prev. Res. Inst., Kyoto Univ.

Georgiou,, P.N., Davenport, A.G., amp; Vickery, B.J. (1983) Design wind speeds in regions dominated by tropical cyclones, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 13, pp.139-152

Holland, G.J. (1980) An analytic model of the wind and pressure profiles in Hurricanes, Mon. Weather Rev. 108 No.8, pp.1212-1218

Ishihara, T., Matsui, M. amp; Hibi, K. (1993) An analytical model on the simulation of the wind field in a typhoon boundary layer, J. of Wind Engineering. No.57, pp.1-14

Ishihara, T., Matsui, M. amp; Hibi, K. (1995) Characteristics of the vertical wind profile in neutrally atomospheric boundary layers Part 1: Strong winds during non – typhoon climates, J. of Wind Engineering, No.65, pp.1-15

Ishihara, T., Matsui, M. amp; Hibi, K. (1996) Characteristics of the vertical wind profile in neutrally atomospheric boundary layers Part 2: Strong winds during

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