强风，是指风力等级达6级以上的风。强风风速叠加有2—3种频率的阵风，尤以每3—5min一阵的阵风最有规律。在强风期间，即使在边界层，其上下层的系统性垂直气流反号，120m以下为强下沉气流，而至少从280m处起，转为强上升气流。

风既有大小，又有方向，因此，风的预报包括风速和风向两项。风速的大小常用几级风来表示，风的级别是根据风对地面物体的影响程度而确定的。

在气象上，一般按风力大小划分为十二个等级。0级风又叫无风；2级风叫轻风，树叶微有声响，人面感觉有风；4级风叫和风，树的小枝摇动，能吹起地面灰尘和纸张；6级风叫强风，大树枝摇动，电线有呼呼声，打雨伞行走有困难；8级风叫大风，树的细枝可折断，人迎风行走阻力甚大；10级风叫狂风，陆地少见，可拔起树木，建筑物损害较重；12级以上的风叫台风（飓风），摧毁力极大，陆地少见。在天气预报中，常听到如“北风4到5级”之类的用语，此时所指的风力是平均风力；如听到“阵风7级”之类的用语，其阵风是指风速忽大忽小的风，此时的风力是指大时的风力。

近地层风状况特性涉及工程抗风、风能开发利用和污染物扩散，也是天气过程形成、发展、消亡的重要水汽、热量、动量输送的载体。由于强风条件下的大气边界层结构及特性和小风状况的特性具有明显差别，因而不同领域、不同用途所关注的风特性的关键因子也不尽相同。为了防灾抗风的需要，气象和工程领域的专家学者越来越重视强风边界层的研究，并取得了多项很有意义的研究成果，中国的相关规范也对工程抗风所涉及的参数计算提出了具体方法(中华人民共和国建设部，2006)，但由于实测资料的限制，多数研究成果和现行规范给出的参考公式和方法多适于均匀地形，对于复杂的山地风状况研究较少。研究在复杂山地设置了现场风状况观测的基础上，重点分析该种地形条件下，工程抗风所关注的近地层强风特性。

资料来源及说明

（1）测设置和环境描述

①观测设置为贵州西南部山区某跨峡谷大桥建设需要，在峡谷两端拟选桥位处，设置了两座(10m和60m高度)测风塔，其中10m塔(B塔)设置了一套机械(杯)式测风仪器，60m塔(A塔)按照梯度观测方式(观测层次为10、20、30、40、60m)，设置了机械(杯)式测风仪器进行平均风场的梯度观测，数据采样频率为1Hz；在30m高度层(大约与桥面高度相当)设置了一台英国Gill公司生产的R3-50型超声风速仪，该仪器被广泛应用于结构风工程的风状况测量，仪器在输出数据的同时，能自动给出判别码，以识别观测数据的有效性。

该仪器使用环境温度-40—60℃，水平方向风速量程为±45m/s，测量精度<±1%，其最大动态响应频率50Hz，本观测以10Hz采样频率进行三维瞬时风速数据采集。

②观测环境描述

60m梯度测风塔(A塔)位于桥位北侧海拔876m的小山包上(图1)，其西北到东南侧为深达300多米的峡谷，峡谷呈西北一东南走向，观测塔东北至东侧有海拔超过900m的山体，其北侧的山体略低于观测塔所在位置的海拔高度。测风塔周围为几十厘米高的低矮稀疏灌木；10m塔(B塔)位于桥位南侧海拔864m的小山上，测风塔周围也为低矮稀疏灌木。

（2）参照气象站说明

与工程位置临近的长期气象站是晴隆县气象站，该站距工程位置约12km，观测场海拔高度1552m，风观测资料始于1961年，并具备与工程现场观测同期进行的逐时测风资料。

（3）风速样本筛选

气象专业对风速的分级有明确的规定，即10min平均风速≥17m/s的风称为“大风”，但在日常生活、风力发电和工程抗风等其他领域“大风”的概念量度随影响对象而有所不同，通常泛指相对风速较大的状况，为了叙述的方便，在此将满足本文筛选条件的风通称为“强风”。

近地层风的微观结构(包括垂直变化、阵性和脉动特征等)在很大程度上左右着结构物的安全性设计和投资成本。大量观测事实证明，近地层强风和小风状况的微观结构十分不同，由于工程抗风主要关注强风状况，为了避免因为小风条件下的近地层风状况特性不同于强风而带来的混淆和误差，所以为工程抗风研究需要，应从观测数据中筛选强风样本(或过程)。

通常认为绝大多数强风过程为中性层结状态，现行国家规范推荐的风廓线描述的指数或对数公式的适用条件也为中性大气层结，因而在此以中性层结作为强风样本筛选的基本条件。

从Pasquill大气边界层的稳定性分级标准(表1)中可以看出，大气稳定(E、F类)和不稳定(A、B、C类)时，其对应的风速均较小，而当10m高平均风速>6m/s时，只有在强太阳辐射出现时，大气层结才为C类(弱不稳定)状态，其他情况均为中性层结，以此类推可以认为，当10m高平均风速>6m/s时，近地层通常可以达到中性大气层结要求。综合考虑贵州本地的强风气候状况和现场观测资料特点，并要满足研究需要的样本长度，在此选定平均场观测的A塔60m高平均风速≥9m/s作为强风分析样本。该高度层现场观测年度内(12个月)平均风速≥9m/s的出现频率为1.2%；由于脉动场观测的有效数据较少，为了满足研究需要的样本长度，在此选取A塔30m高平均风速≥7m/s的个例作为研究的分析样本。该高度在观测年度内出现平均风速≥7m/s的频率为3.4%。

地形对平均风场的影响

山地地形对风场的影响机制比较复杂，一方面因接受的太阳辐射不均匀而导致的气流的局地上升和下沉，另一方面由于地形的起伏而改变了低层气流的方向和速度，对于工程抗风来说，主要关注较强风速时的风场特性变化。

（1）地形对风向的影响

①主导风向晴隆气象站海拔高度1552m，可以较好地代表当地较大区域内的平均风状况。从该站的累年各风向频率(表2和图2a)可以看出，当地冬季主导风向为北到东北风，春、夏、秋季均以南风为主；从各月主导风向分布(表3)可以发现，当地一年中有10个月(3—12月)的主导风向都为南风。而桥位观测点B塔以及A塔(具备风向观测的10m、30m、60m)观测年度的主导风向均为东南(SE)向，并且随着观测高度增高，主导风向(SE)更为稳定。从A塔60rll风向玫瑰图(图2b)可以较形象地看出，其风向分布特征明显不同于当地长期气象站的风向特征：A塔60m高风向资料统计结果显示，一年中各个月的最多风向均为东南(SE)向(表3)，而晴隆气象站除1月主导风向为东北向外，其他10个月均为南风；统计结果还显示，A塔60m高风向分布在ESE—SSE扇面的风向频率为47%，在WNW—NNW扇面的风向频率为27%，即沿峡谷走向的风向频率达到74%(图2b)。可见，由于受东南一西北走向的峡谷地形影响，导致当地的南风在桥位测站多转为东南风，东北风多转成了西北风。

②最大风速及风向

图3给出了当地长期气象站和工程位置最大风速风向分布特征，可以看出，长期气象站历年最大风速的风向主要分布在S-SW方向(图3a)，而A塔60m工程位置一年观测期间强风(10min平均风速≥9m/s)的风向更集中在SE方向，频率达84%(图3b)。

地形对脉动风场的影响

山地地形对风场的强迫作用还在致使其脉动风特性的改变。根据设置于A塔30m高度层(与桥面高度相当)的三维测风仪，分析强风(10min风速≥7m/s)条件下，地形对脉动风场的影响。图4给出了一个典型的强风过程风速的实测个例，观测时间为2006年4月5日，采样时段长度为20min，过程平均风速10.8m/s，过程极大阵风(0.1s)风速14.3m/s。从图中可以看出，在山谷复杂地形条件下，湍流脉动风速具有复杂的时间变化过程，还可看出明显的强阵性风特征。

研究结论

通过对复杂山地实地测风数据的计算分析，得出以下初步结果：

(1)影响本工程项目局地风场的主要地形特征是西北一东南走向的深切峡谷，它的存在完全改变局地低层风场，使之主导风向和最大风速的方向均发生了改变，风速的垂直分布变得更为复杂，即使在中性大气层结(强风)条件下，风的垂直廓线也完全不满足幂指数分布形式。

(2)复杂山地的风攻角可能远远大于5°，不同风向的强风攻角变化幅度会很大，有的方向为正攻角、有的方向为负攻角，两个方向攻角差异可达20°。

(3)不同风向的湍流强度有明显差异，但顺着峡谷方向湍强却较小；不同方向的风在三维方向的湍流强度比值也有较大差异，并且不满足现行“设计指南”给出的比值。

(4)湍流积分空间尺度均偏大，其中纵向值偏大20%—60%，横向值在某些特殊的风向上可偏大3倍以上，垂直方向则普遍较平坦地形偏大一个量级左右。

(5)对桥梁等结构较为敏感的(0.1—0.5Hz)频域范围内，各方向的湍流谱密度值有显著差异，在纵向上，不同风向的值可相差8倍，横向和垂直向可相差6倍，但无论哪个方向的湍流谱密度值均比台风中心小1—2个量级。

需要指出的是，虽然1年的观测资料基本可以表明当地的一般强风特性，但短期观测往往难以“捕捉”到当地的小概率(或极端)强风过程，因此，拟建的大型工程还需要根据实地观测给出的分析结果，再结合相关风洞模拟试验，来确定和进一步验证某些特殊的设计参数；复杂地形近地层风廓线一般不符合幂指数或对数分布，对于研究实测分析的各种“异形”廓线形态，还需要进一步研究，寻找出与之相符的数学模型(或模拟方案)，以便能对复杂地形近地层的风廓线进行客观描述。

中气旋是WSR-88D雷达的一种速度导出产品，它表示了对流风暴中与强烈上升气流相联系的小尺度涡旋。美国国家强风暴实验室最初引入这一概念主要是为了用于预报龙卷等灾害性天气。据统计30%～50%的中气旋能产生龙卷，约90%的中气旋和局地强风或冰雹相联系。在我国，龙卷天气相对比较少见。以上海地区为例，1998年到2003年6年间可以查到的气象记录中，仅发生龙卷5次，而在其他出现破坏性大风的天气中却至少有一半以上伴随着中气旋的出现，这里还不包括阈值设置，距离折叠所引起的中气旋未被辨认的情况。因此，研究希望通过研究中气旋的算法及其发生发展过程来了解其与龙卷、雷雨大风等灾害性天气的关系，并从中获得一些利用中气旋产品预报局地强风(大于17m·s-1)的参考信息。

中气旋定义及其算法

（1）中气旋的定义

中气旋可以被模拟为一个兰金组合涡旋，即在中气旋核以内，切向速度正比于涡旋半径；而在中气旋核以外，切向速度则反比于涡旋半径，随着半径的增加而减少。根据美国俄克拉荷马州中气旋探测资料的统计结果，凡满足下列判据的小尺度涡旋即为中气旋：

①核区直径(最大流人速度Vin与最大流出速度Vout的距离)≤9km，旋转速度Vr=(Vout+Vin)/2≥所定的阈值，可以根据其转动速度和相对雷达的距离强中气旋、中等强度中气旋、弱中气旋和弱切变。

②垂直伸展厚度>少3km。

③上述两类指标都满足的持续时间至少为两个体扫描。

综上所述，具有强切变、垂直延伸达到一定的高度、持续一定的时间是识别中气旋的三个必要判据。

（2）中气旋算法简介

首先搜索平均径向速度数据，寻找多普勒速度值有持续增长的方位角相邻的距离库，组合为模式矢量；测量出从最大负值到最大正值的速度变化和这些值之间的距离，根据这两个量计算角动量(距离X△速度)和切向切变(△速度)，并将它们与角动量阈值和切变阈值进行比较，对超过阈值的模式矢量作下一步处理；将相同仰角上的模式矢量按照其空间邻近情况(小于径向距离阈值TRD和方位阈值TMA)加以组合，并与确定一个二维特征所需要的最小模式矢量的个数阈值(TPV)加以比较，检验是否为同一个二维特征；若二维特征的中心与雷达的距离小于距离阈值(TRA)，并且其径向长度与切向长度的比值在最小比例阈值(TRM)和最大比例阈值(TRM)之间，那么该二维特征被认为是对称的。另一种情况，若该二维特征中心与雷达的距离大于距离阈值，并且其径向长度与方位长度的比值在长距离风暴最小比例阈值(TRF)和长距离风暴最大比例阈值(TFR)之间的，那么该二维特征也被认为是对称的，否则归为非对称的；对高度低于特征高度阈值(TFM)的二维特征进行垂直相关处理。将第一个仰角上的二维特征与第二个仰角上的进行比较，如果较小的二维特征的中心点垂直地位于较大的二维特征区内，那么认为特征是垂直相关的，从而判断它们构成了一个三维环流。

（3）中气旋的三种分类

根据中气旋不同阶段的特征可分为三种类型，即非相关切变、三维切变和中气旋。如果一个二维特征是对称的但不能与另一个垂直相关，那么该特征被认为是非相关切变；若二个或以上二维特征垂直相关，但少于二个二维特征是对称的，则三维特征被称作三维切变；如果二个以上垂直相关的特征是对称的，那么此三维特征被称作中气旋。

中气旋特征参数的统计分析

识别中气旋三种分类最重要的特征值是旋转速度、特征中心最低高度、特征厚度、切变强度、最大切变及其位置等。研究对上海多普勒雷达从1998年7月至2003年9月间探测到的93个中气旋产品的特征参数进行了统计分析，希望从中获取一些与预报强风有关的信息，其中非相关切变45个，三维切变和中气旋共48个。

预报参考信息

通过对中气旋概念模式和算法的研究并结合上面的特征值统计和个例分析，可以验证，中气旋产品与某种形式的强天气(大冰雹、灾害性风或龙卷)有关，显示了那些与雷暴有关的风暴级涡旋的存在及特征。上海地区以出现弱切变和弱中气旋为主，可能引发龙卷的强中气旋出现的几率比较小。中气旋与雷雨大风等灾害性天气的出现具有密切关系，因此可望利用它进行中尺度破坏性强风的预报。可以根据其强度和分类，综合利用各种雷达产品，确定预报的天气类型以及影响区域、时间等。

灾害性强风的预报着眼点：

(1)当雷达识别出中气旋、三维切变时即可考虑预报局地大风，还要注意风场资料中有明显风速增大的现象和区域。

(2)在利用中气旋预报中尺度强风的工作中，综合使用R、SRM、STI、CM、VMP等产品对提高预报的准确性和时效有很大的帮助，最好将这些产品作为中尺度气旋的警报配套产品。特别要注意反射率因子R产品中是否有强回波中心或强回波带(区)的形成，密切关注那些强度强、高度梯度大、移速快的回波系统。

(3)通过分析可知多普勒雷达可以直接获得中气旋(或非相关切变，三维切变)的相关信息，提前了解中气旋的生成和特征值的变化。

(4)测时要注意：一个中层的中气旋，如果向着地面发展，且旋转速度和切变持续加强，伸展高度增加，有进一步发展成龙卷风的可能。

(5)中气旋算法有助于我们识别龙卷风和强风，但由于雷达扫描在时间和空间上存在不连续性，该算法还有一些缺陷，应该同时检查R和SRM产品以确定中气旋的存在。

(6)处于初生阶段和成熟阶段的中气旋，我们应该结合多普勒雷达和风暴轨迹ST/产品判断其当前位置和移向移速，及时做出预报，对于已处于消亡阶段的中气旋，除非出现某些可以使其再生的环境条件，一般情况下可不再作为预报关注的重点。

(7)SRM产品中看是否存在明显的气流的辐合或切变。如果没有，则说明降水乃是由于较大尺度的天气系统引起，一般情况下不会出现中气旋。