目錄 Index

  1. 簡介
  2. 指數定義
  3. 風力指數新版本
  4. 計算及研究
  5. 可能的誤差
  6. 參考

 

1.簡介

本港風力指數(HK wind index)由香港熱帶氣旋追擊站創立,是一個非官方的指標,用以評估影響本港風力的強度及破壞性。它的考慮因素包括到香港市區及空地間的平均風力差異、陣風關係和過去六年間熱帶氣旋襲港時所錄得之風力數據作參考。

指數的單位亦是公里每小時(km/h),並取香港天文台所提供之最新氣象站風力讀數作計算,每十分鐘更新一次。風力指數的數值一般介乎於市區及離岸高地之平均風力間,他的變化是非線性的,因為陣風隨平均風力之變化亦會使指數的結果不同。綜合來說他能統一地反映出本港大部份地區目前所受到甚麼程度的風力影響。

 

   

2.指數定義

指數的定義是根據了近六年來熱帶氣旋影響本港下,各區之平均風力、陣風等數據,作統計及分析後歸納出來的結果,有關數據可參看附頁、附頁及附頁(表列五年數據)。

級數 指數值 市區及新市鎮風力 離岸高地相對風力
輕微 0 至 13 微風風力,此級風力視為沒有陣風
清勁 14 至 24 風力和緩,陣風可達40公里 風力達清勁至強風水平
強勁 25 至 44 風力清勁,陣風可達60公里以上 風力普遍達強風程度,
部份地區更可出現烈風
強烈 45 至 74 普遍吹強風,陣風可達100公里 普遍吹烈風,部份
地區更吹暴風
極強 超過 75 部份區域可能吹烈風,
陣風頻密並可達颶風水平
風力可普遍達暴風至颶風程度

 

3.風力指數的新版本

•3.1: 2002年8月第二版報告

•3.2: 2003年8月第三版報告

•3.3: 2005年11月第四版報告

 

4.計算及研究

•4.1:公式:

香港風力指數乃根據以下公式所計算:

0.56[(1-Ur)U + (UrUg)] + 0.44[(1-Vr)V+ (VrVg)]

當中,U為市區平均風力、V為離岸及高地平均風力,Ug及Vg分別是市區和離岸高地之最大陣風估計值,而Ur和Vr則是陣風值的比重。

式左方括為計算市區所受風力之部份,佔總式比重之56%;右式離岸及高地風力比重44%。

方括式中,左邊(1-Ur)U或(1-Vr)V是氣象站實況風力讀數所求出的平均值再乘以陣風比重餘下的百份比,而(UrUg)及(VrVg)則是陣風值比重。當平均風力值細於14km/h時,則陣風可視作不存在,這是由於風勢和緩的情況下氣流穩定,邊界磨擦的效應很低,陣風將近乎不會出現。

對於陣風估計值Ug及Vg,和陣風比重的分配,稍後我們在在陣風研究中加以詳述。

•4.2:平均風力資料U及V:

風力指數中佔絕大比重的是由市區平均風力和離岸高地平均風力間平分所得出的總平均數。被計算在內的氣象站名單,請參閱風力指數新版本

它們的位置列出於下圖中(除青衣站外):

hk_sat1.jpg (46486 bytes)

從本港地型的考慮上,主山脊以大帽山為主體,自新界東北部向西南方延伸,平均高度超過400米(紅線所示);其次以馬鞍山為首至筆架山(藍線),最後則是港島中部的山群(海藍),這些高山都對市區及港內構成不同程度的風力阻擋。

當本港吹偏北風(包括西北、北及東北風)時,大部份的風力已被大帽山所阻擋而大為減弱,而吹南風時又有港島山群保護,因此港內包括天文台、將軍澳站的風力一般很少超過40km/h。但流浮山(特別是西北風)、赤立角及西貢等地則可吹起50公里或以上之強風或烈風,而當吹南風時赤立角更可因大東山和鳳凰山所組成之窄管效應而風力極強,例如2001年尤特遠離時,就因偏南急流影響而錄得暴風風力。

隨著新市鎮的發展,居住在那裡的人口實不比港九為少,因此我們亦選取了沙田及屯門區作新市鎮風力的參考。沙田為山谷地型,三面還山,一般風力都很難超過30km/h,只有吹正東北或西南風時,風力才會較強。而屯門區東西亦分別有兩座超過500米高的青山和九徑山保護,只有吹南風時風力才較強。

在九站當中,長洲為唯一一個真正的離岸觀測站,因此它是本港除去地型效應後的真實風力指標,當熱帶氣旋影響時,它往往有最高的風速紀錄,其次則為赤立角站。

根據過去五年熱帶氣旋襲港風力之數據統計,分析後得出,離岸及高地之平均風力值平均為市區風力值的1.8倍,但差幅亦可達15%;不過我們從此可以知道,把市區和離岸高地間的風力作50、50的直接平均計算是不合理的,加上離岸高地亦較少人住,因此,在風力指數中我們把市區和空地的比重定為5:4。

•4.3:陣風的考慮 (updated):

強風出現時,穩定少變的平均風力往往沒有太大的破壞力;但突如其來的陣風卻可相當危險。根據物理力學上提到,衝擊力(Impact force)是等如作用力除以時間,因此時間越短,力作用在物件上的量亦會越大,而陣風正是一種在短時間內急速提升的衝擊力。因此在風力指數內,我們亦考慮到陣風之影響。

2005年10月,香港天文台全面公開各區陣風資料,香港風力指數現可直接採用其數據計算出來,免除了舊版需要用統計方法估計陣風而造成的誤差。

以下部份解釋香港風力指數4.0以前版本計算陣風的方法。

根據過去六年熱帶氣旋襲港風力之數據,以線性回歸法(Linear Regression)可得出一條線性的方程去形容市區平均風力和陣風間的關係,還有離岸高地平均風力和陣風之關係:

市區平均風力U和陣風Ug的關係為
Ug= 2.28U + 10

離岸及高地平均風力V和陣風Vg的關係為
Vg= 1.58V + 10

在2003年8月的風力指數修訂版中,兩條陣風公式均作出了修訂:

市區平均風力 U 和陣風 Ug 的關係為: Ug= 2.68U + 10
離岸及高地平均風力 V 和陣風 Vg 的關係為: Vg = 1.58V + 10

當中,陣風系數(陣風比平均風力高出的倍數)市區平均為2.5至2.7,離岸及高地平均為1.5至1.8,系數隨平均風力正比增加。而當中所提到的陣風值,則為陣風最大風速(Gust peak speed)。在進一步討論前,我們先介紹一下陣風的特性和定義。

根據香港天文台定義,在短暫數秒內,風力可變化不定。這種瞬時風力變化與平均風力的差距稱為陣風。即時陣風最大值則稱為陣風最大風速(Gust peak speed)。熱帶氣旋報告中提及的最高陣風實際上是指陣風最大風速的最大值(Maximum gust peak speed)。同時,從一般觀測技術的報告中,我們可視平均風速當少於15公里時,是沒有陣風存在的;而陣風值,則是從兩分鐘平均風速中,最大風速的5秒為之,而從經驗中我們亦得知陣風一般不會持續出現超過20秒,因此陣風出現的頻率時間一般約為5%。

為甚麼會有陣風呢?又為甚麼市區的陣風系數(Gust Factor)會大於離岸高地呢?

根據流體力學原理,當空氣流過障礙物或粗糙面時,因摩擦力及作用力的關係,氣流會發生不規則的擾動,稱之為湍流;而這些湍流因為是由空氣粒子相互混亂碰撞而成,故作用在物體上的壓力較大,亦做成更大的破壞和風力值。空氣流動慢時(風力弱),氣流可視為穩定(Steady flow),因此我們說風力弱時大致上沒有(湍流擾動)陣風;但隨著風力越來越強,空氣和摩擦層間的混亂亦越來越易產生,因此湍流會越來越強,陣風的強度及出現的頻率也會隨之增加。而在熱帶氣旋中或是暴雨區中,對流、下衝氣流及垂直風切亦會幫助陣風的發生及加強。

由於市區高樓臨立,因此粗糙面和氣流間的接觸面大大增加,還有高樓間構成明顯的狹窄地帶,構成窄管效應。這些因素為引致市區的陣風爆發力遠比空地為高的原因。

風力指數中之陣風比重,Ur及Vr值,就是根據了以上的理論去決定,所以我們在較高的風力中採取了較高的比重值去計算。

根據舊版風力指數的定義,陣風指數以條件式被分為三個階段:

當平均風力是14至20公里間時,陣風比重為10%,
當平均風力是21至30公里間時,陣風比重為15%,
當平均風力超過30公里時,陣風比重則為20%。

在2003年8月的風力指數修訂版中,此三個階段被歸納為一連續二次方程的關係式:

 

陣風比重的二次方程式為
R = -0.00005a2 + 0.0081a - 0.0005

當中R為陣風比,a為風力平均值(市區或空地)

並設定最大a值81,最大R值0.327
並因R值不應下降,故設R到達最大值後
不會再隨二次方程的後段而下降

 

5.可能誤差

風力指數計算中,誤差來源主要來自陣風值。因為目前網上未有各站陣風值的公佈,因此我們只有從數式中估計出陣風值。根據數據統計,市區陣風值的誤差大約為5%至15%,這隨平均風力之增加以上升;而離岸及高地之陣風誤差則大約為8%左右。

不過,由於陣風比重最高亦只有32%,它對風力指數上所做成的總誤差其實頗低,一般為5%或以下。

另外,當某些風向而引致一些觀測站嚴重受地型保護時,可引致市區平均風力接近甚至超過於離岸高地風力,亦是一項因拉平均而引致的誤差之一。

 

6.參考

  1. 過去五年熱帶氣旋襲港時之風力統計:
    •附頁一: 十號及九號風球資料
    •附頁二: 八號風球資料
    •附頁三: 三號風球資料
  2. 香港惡劣天氣資訊中心,資料庫
  3. HOURLY ASOS Frequently Asked Questions
  4. RPI - Hurricane Winds Over Land - How to bulid up a risk model

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日期:2003年8月17日
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