福建濱海區(qū)臺(tái)風(fēng)過程風(fēng)特性實(shí)測及分析

福建濱海區(qū)臺(tái)風(fēng)過程風(fēng)特性實(shí)測及分析林立;陳政清;華旭剛;陳鍇;夏丹丹;卓衛(wèi)東【摘要】在福建省平潭縣王爺山構(gòu)建風(fēng)場實(shí)測系統(tǒng)，記錄了2017年1709號臺(tái)風(fēng)'”納沙\”和1710號臺(tái)風(fēng)'”海棠\”的三維風(fēng)速時(shí)程利用兩次臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù),對臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前后的近地邊界層風(fēng)特性進(jìn)行研究和分析.總結(jié)風(fēng)速剖面參數(shù)、湍流強(qiáng)度、湍流積分尺度、陣風(fēng)因子等風(fēng)參數(shù)的分布規(guī)律和風(fēng)眼壁區(qū)脈動(dòng)風(fēng)速功率譜在頻域內(nèi)的特征，并對實(shí)測風(fēng)速功率譜進(jìn)行了分析及擬合，得到適應(yīng)該地區(qū)的風(fēng)速功率譜及相應(yīng)譜參數(shù)，供該地區(qū)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)參考.【期刊名稱】《福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》【年(卷)，期】2019(047)002【總頁數(shù)】7頁(P244-250)【關(guān)鍵詞】臺(tái)風(fēng);風(fēng)場實(shí)測;風(fēng)特性;功率譜【作者】林立;陳政清;華旭剛;陳鍇;夏丹丹淖衛(wèi)東【作者單位】湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410012;廈門理工學(xué)院海西風(fēng)工程研究中心福建廈門361024;湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410012;湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410012;福州大學(xué)土木工程學(xué)院福建福州350108;廈門理工學(xué)院海西風(fēng)工程研究中心福建廈門361024;福州大學(xué)土木工程學(xué)院福建福州350108【正文語種】中文【中圖分類】P425.20引言福建濱海地區(qū)遭受經(jīng)常性臺(tái)風(fēng)災(zāi)害侵襲，使抗風(fēng)安全成為大跨、高聳等風(fēng)敏感工程風(fēng)險(xiǎn)控制的關(guān)鍵因素.由于工程結(jié)構(gòu)所處地域、風(fēng)環(huán)境不同，導(dǎo)致實(shí)際風(fēng)特性參數(shù)具有鮮明的區(qū)域特征，因此，需要在更精確的地區(qū)風(fēng)場參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行臨海工程的抗風(fēng)設(shè)計(jì).根據(jù)福建省近30年的地區(qū)臺(tái)風(fēng)氣象數(shù)據(jù)及災(zāi)害記錄，在福建省臨海開闊場地進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，綜合現(xiàn)場大風(fēng)試測結(jié)果，在福建省平潭縣流水鎮(zhèn)王爺山山頂區(qū)架設(shè)風(fēng)場實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng).該系統(tǒng)于2016年11月安裝完成，2017年7月份觀測并記錄了雙臺(tái)風(fēng)〃納沙”和〃海棠”中心風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前后的完整登陸過程.根據(jù)實(shí)測風(fēng)速資料，對近地邊界層臺(tái)風(fēng)風(fēng)特性進(jìn)行研究和分析.1觀測臺(tái)站及臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)來源1.1平潭王爺山觀測站王爺山測風(fēng)塔塔高約50m,地理位置為東經(jīng)119°52'23"E,北緯25°33'24"N,塔基海拔高度182.8m,周邊地勢開闊，植被低矮.該塔坐落于我國極大風(fēng)區(qū)之—的福建省平潭海壇島東部，東臨臺(tái)灣海峽，西側(cè)為平坦的海邊地貌，海面開闊，測風(fēng)塔地理位置和周邊地貌如圖1所示.測風(fēng)儀器安裝鐵塔原為信號塔，經(jīng)改裝實(shí)現(xiàn)風(fēng)觀測數(shù)據(jù)功能，沿豎向梯度分別在塔身10、26、32m處布設(shè)測風(fēng)儀器，測風(fēng)站塔身如圖2所示.圖1王爺山測風(fēng)塔站周圍地形圖Fig.1TopographicmapoftheMountWangyewindmeasurementtowerandsurroundingarea圖2王爺山測風(fēng)塔Fig.2MountWangyewindmeasurementtower此次實(shí)測中使用的風(fēng)數(shù)據(jù)采樣儀器采用英國Gill公司生產(chǎn)的高性能三維超聲風(fēng)速儀WindMasterPro，儀器主要參數(shù)如下：風(fēng)速量程0~65m-s-1,分辨率0.01m-s-1;現(xiàn)場選用10Hz樣本輸出頻率，同時(shí)自動(dòng)生成判別碼，作為數(shù)據(jù)質(zhì)量控制參考.1.2臺(tái)風(fēng)納沙和臺(tái)風(fēng)海棠臺(tái)風(fēng)〃納沙”和臺(tái)風(fēng)〃海棠”先后到達(dá)同一登陸地點(diǎn)，時(shí)間間隔不超過24h.2017年第9號臺(tái)風(fēng)〃納沙”于7月30日6時(shí)在福建省福清市登陸，登陸時(shí)中心最大風(fēng)力達(dá)到12級，最低氣壓為97.5kPa.與王爺山測風(fēng)塔最短直線距離為24.5km,實(shí)測10min平均風(fēng)速最大值為37.8m?s-1,臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)風(fēng)速時(shí)程曲線呈現(xiàn)明顯的M型雙峰式變化，風(fēng)向轉(zhuǎn)角變化約170°.2017年第10臺(tái)風(fēng)〃海棠”于2017年7月31日02時(shí)50分登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為8級，最低氣壓為99.0kPa,在福建境內(nèi)與〃納沙”殘余環(huán)流合并北上，使得〃海棠”在登陸后能量得到加強(qiáng)，持續(xù)影響時(shí)間更長.臺(tái)風(fēng)〃納沙”及臺(tái)風(fēng)〃海棠”的經(jīng)過前后風(fēng)速時(shí)程曲線如圖3所示.圖3臺(tái)風(fēng)〃納沙”和〃海棠”登陸前后平均風(fēng)速/風(fēng)向時(shí)程圖Fig.3Averagewindspeed/windtimehistorybeforeandafterlandingoftyphoon"Nesat”and"Haitang”1.3數(shù)據(jù)樣本選取因?yàn)閮x器自身或是外部環(huán)境影響，導(dǎo)致風(fēng)特性觀測的時(shí)序數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)壞點(diǎn)或不合理點(diǎn).本研究對數(shù)據(jù)壞點(diǎn)進(jìn)行五點(diǎn)三次插值替換［1］,并利用3Hz低通濾波對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，以減少采樣頻率帶來的誤差.選取10min平均風(fēng)速大于17.2m-s-1以上的采樣數(shù)據(jù)為分析樣本，同時(shí)平均風(fēng)向角選取雙臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前后的主導(dǎo)風(fēng)向NNE(11.25°~33.75。)和S(168.75°~191.25。)轉(zhuǎn)角范圍進(jìn)行分析.2平均風(fēng)特性風(fēng)剖面作為土木工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重要因素，是準(zhǔn)確估計(jì)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的關(guān)鍵參數(shù).平均風(fēng)速剖面變化規(guī)律常認(rèn)為符合指數(shù)律［2］或?qū)?shù)律［3］.臺(tái)風(fēng)登陸期間風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前后的風(fēng)速剖面采用最小二乘法進(jìn)行擬合，如圖4所示.由圖4可知，指數(shù)律和對數(shù)律均符合近地層實(shí)測風(fēng)剖面的變化趨勢，風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前指數(shù)率和對數(shù)率風(fēng)剖面經(jīng)驗(yàn)方程的地面粗糙度擬合參數(shù)分別為a=0.169,z0=0.0455，均大于風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過后的相對應(yīng)的地面粗糙度擬合參數(shù)值(a=0.122,z0=0.0047).圖4臺(tái)風(fēng)風(fēng)剖面擬合Fig.4Fittingofwindprofileoftyphoon3脈動(dòng)風(fēng)特性3.1湍流強(qiáng)度湍流強(qiáng)度反應(yīng)了風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度，是確定脈動(dòng)風(fēng)荷載的關(guān)鍵參數(shù)[2-3],表達(dá)式如下:(1)式中：ai為脈動(dòng)風(fēng)速u(t),v(t),w(t)的均方根.表1湍流強(qiáng)度實(shí)測平均值統(tǒng)計(jì)量Tab.1Statisticsresultsofmeasuredturbulenceintensitymeanvalue風(fēng)場踹流強(qiáng)度10m26m32m風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前0.15080.11020.1005風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過后0.13750.08240.0829不同高度處基于實(shí)測數(shù)據(jù)的湍流強(qiáng)度計(jì)算值如表1所示，可知隨實(shí)測高度位置的增加，縱風(fēng)向湍流強(qiáng)度隨之下降，風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前計(jì)算得到的湍流強(qiáng)度要比風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過后高.臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前后10m高度處實(shí)測的湍流強(qiáng)度值如圖5所示.臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前后，10m高度處湍流強(qiáng)度離散性較小，各向湍流強(qiáng)度穩(wěn)定在均值附近.圖510m高度處三維湍流強(qiáng)度實(shí)測值Fig.5Measured3Dturbulenceintensityattheheightof10m根據(jù)擬合風(fēng)剖面系數(shù)，獲得中國(GB50009-2012)[4]、美國(ASCE7-10)[5]、日本(AIJ-RLB-2004)[6]規(guī)范的縱風(fēng)向湍流強(qiáng)度剖面曲線，如圖6所示.可知美、日規(guī)范明顯較中國規(guī)范中的建議值要大，同時(shí)偏離實(shí)測值的程度也相對較大，實(shí)測湍流強(qiáng)度剖面擬合曲線與規(guī)范GB50009-2012最為接近.圖6湍流強(qiáng)度剖面Fig.6Turbulenceintensityprofile3.2湍流積分尺度脈動(dòng)風(fēng)湍流積分尺度是與湍流中空間兩點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)速相關(guān)性關(guān)聯(lián)的參數(shù)，積分尺度的大小決定了脈動(dòng)風(fēng)對結(jié)構(gòu)的影響范圍，表達(dá)方程［7］如下所示：(2)式中：Ru(t)為縱風(fēng)向風(fēng)速分量的自相關(guān)函數(shù)；為自相關(guān)系數(shù).表2湍流積分尺度實(shí)測均值統(tǒng)計(jì)Tab.2Meanvaluestatisticsofmeasuredturbulenceintegrallengthscale風(fēng)場湍流積分尺度10m26m32m風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前99253310風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過后42572606測得風(fēng)塔各高度處的湍流積分尺度如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前，縱風(fēng)向湍流積分尺度隨高度呈線性增加，風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過后，縱風(fēng)向湍流積分尺度在26m以上的變化幅度很小.在10m高度監(jiān)測點(diǎn)，臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前后兩種風(fēng)場下的三維湍流積分尺度如圖7所示，可知縱風(fēng)向和橫風(fēng)向湍流積分尺度的離散性很大，而豎向湍流積分尺度則相對較為穩(wěn)定.圖7實(shí)測10m高度處三維湍流積分尺度Fig.7Measured3Dturbulenceintegrallengthscaleattheheightof10m3.3陣風(fēng)因子陣風(fēng)因子為短時(shí)距tg內(nèi)風(fēng)速均值的最大值與參考時(shí)間T平均風(fēng)速的比值，表達(dá)方程［8］如下所示：(3)式中：Gu(tg,T)為持時(shí)tg內(nèi)的縱風(fēng)向陣風(fēng)因子；u(tg)為持時(shí)tg的脈動(dòng)風(fēng)速.表3實(shí)測陣風(fēng)因子均值Tab.3Meanvalueofmeasuredgustfactors風(fēng)場工況陣風(fēng)因子10m26m32m風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前1.331.221.20風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過后7不同高度處利用實(shí)測數(shù)據(jù)得到的陣風(fēng)因子如表3所示，可知在相同離地高度下，風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前的強(qiáng)風(fēng)風(fēng)場計(jì)算得到的陣風(fēng)因子均要比經(jīng)過后的強(qiáng)風(fēng)風(fēng)場高.10m高度處臺(tái)風(fēng)不同來流方向的持時(shí)3s實(shí)測三維陣風(fēng)因子計(jì)算值，如圖8所示，臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前后的三維陣風(fēng)因子實(shí)測值穩(wěn)定在均值附近，離散性較小.基于實(shí)測結(jié)果，對縱風(fēng)向的陣風(fēng)因子進(jìn)行曲線擬合，如圖9所示.圖8實(shí)測10m高度處三維陣風(fēng)因子Fig.8measured3Dgustfactorsattheheightof10m圖9陣風(fēng)因子剖面Fig.9Gustfactorprofile3.4風(fēng)速功率譜根據(jù)Kolmogorov湍流理論，頻域內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)功率譜可由如下的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式[9-10]來表達(dá)：⑷在上述脈動(dòng)風(fēng)速譜特征以及實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)夕卜學(xué)者提出了不同形式的脈動(dòng)風(fēng)速譜經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，并應(yīng)用于不同國家的規(guī)范，如VonKarman譜[11],Davenport譜[12],Panofsky譜[13],Lumley-Panofsky譜[14].基于實(shí)測數(shù)據(jù)對雙臺(tái)風(fēng)〃納沙”和〃海棠”進(jìn)行近地層脈動(dòng)風(fēng)速譜特征研究，選擇四處臺(tái)風(fēng)眼壁區(qū)附近1h時(shí)長數(shù)據(jù)，離地高度10m處臺(tái)風(fēng)眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)的縱風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速譜如圖10所示.由圖10可見，對于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)心的低頻區(qū)以及峰值頻率的估計(jì)VonKarman經(jīng)驗(yàn)譜更為準(zhǔn)確，而在高頻區(qū)中，實(shí)測風(fēng)速譜密度和Davenport經(jīng)驗(yàn)譜更為吻合.離地高度32m處臺(tái)風(fēng)眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)的豎向脈動(dòng)風(fēng)速譜如圖11所示，由圖可見，Panofsky譜和Lumley-Panofsky譜對臺(tái)風(fēng)風(fēng)場近地層豎向風(fēng)速譜的擬合都比較準(zhǔn)確.測風(fēng)塔縱向風(fēng)速經(jīng)驗(yàn)譜與實(shí)測譜相差很大，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場脈動(dòng)風(fēng)速譜不能嚴(yán)格鏡像傳遞風(fēng)速譜的譜特性，因此，基于此次臺(tái)風(fēng)實(shí)測數(shù)據(jù)，采用莫寧坐標(biāo)進(jìn)行譜擬合，提出適合福建沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜.縱風(fēng)向?qū)onKarman譜進(jìn)行擬合比對如圖12所示，前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)擬合參數(shù)a=67.78,b=10.51,a=0.95,p=2.45;后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)擬合參數(shù)a=64.19,b=6.72,a=0.66,p=2.97.豎向風(fēng)向?qū)anofsky譜進(jìn)行擬合結(jié)果如圖13所示，前眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)擬合參數(shù)a=5.57,b=4.34;后眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)擬合參數(shù)a=5.75,b=5.16.圖10臺(tái)風(fēng)期間實(shí)測縱風(fēng)向功率譜(z=10m)Fig.10Longitudinalwinddirectionpowerspectrumsduringtyphoon(z=10m)圖11臺(tái)風(fēng)期間實(shí)測豎向風(fēng)速譜(z=32m)Fig.11Verticalwindspeedspectrumduringtyphoon(z=32m)圖12縱風(fēng)向風(fēng)速譜擬合(z=32m)Fig.12Fittingofwindspeedspectrumoflongitudinalwinddirection(z=32m)圖13豎向風(fēng)向風(fēng)速譜擬合(z=32m)Fig.13Fittingofverticalwindspeedspectrum(z=32m)4結(jié)語基于近地風(fēng)場風(fēng)特性的實(shí)測強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速樣本，對中國福建東南沿海地貌臺(tái)風(fēng)極端氣候下的平均風(fēng)特性和脈動(dòng)風(fēng)特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到如下結(jié)論：指數(shù)律模型、對數(shù)律模型與實(shí)測風(fēng)剖面的變化規(guī)律均較為吻合，臺(tái)風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前的風(fēng)剖面應(yīng)用指數(shù)率和對數(shù)率的擬合參數(shù)值(a=0.169,z0=0.0455m)大于風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過后的擬合參數(shù)值(a=0.122,z0=0.0047m).湍流強(qiáng)度隨實(shí)測高度位置的增加而減小，臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前的實(shí)測湍流強(qiáng)度值比風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過后要大；擬合實(shí)測湍流強(qiáng)度剖面，接近指數(shù)分布，美、中、日規(guī)范中，中國規(guī)范GB5009-2012推薦湍流強(qiáng)度剖面最接近實(shí)測情況.3）湍流積分尺度相較于其他脈動(dòng)風(fēng)特性參數(shù)，其離散性較大，其中豎向湍流積分尺度相對于縱風(fēng)向和橫風(fēng)向則較為穩(wěn)定；風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過前，縱風(fēng)向湍流積分尺度隨高度呈線性增加，風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過后，縱風(fēng)向湍流積分尺度在26m以上趨于穩(wěn)定.4）陣風(fēng)因子隨高度的增加而減小，風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過后的陣風(fēng)因子出現(xiàn)衰減.5）實(shí)測風(fēng)速功率譜與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)譜擬合性較弱，不同區(qū)域的實(shí)際風(fēng)場適應(yīng)不同的經(jīng)驗(yàn)譜.因此，對實(shí)測風(fēng)速譜進(jìn)行擬合，得到的當(dāng)?shù)嘏_(tái)風(fēng)風(fēng)場風(fēng)速功率譜及相應(yīng)譜參數(shù)，可為該地區(qū)工程設(shè)計(jì)提供參考.參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】宋麗莉,陳雯超,黃浩輝.工程抗臺(tái)風(fēng)研究中風(fēng)觀測數(shù)據(jù)的可靠性和代表性判別[J].氣象科技進(jìn)展,2011,1(1):35-39.POWELLMD,VICKERYPJ,REINHOLDTA.Reduceddragcoefficientforhighwindspeedsintropicalcyclones[J].Nature,2003,422(6929):279-283.CHOIECC.CharacteristicsoftyphoonsovertheSouthChinaSea[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1978,3(4):353-365.中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范:GB50009-2012[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.ASCE.Minimumdesignloadsforbuildingsandotherstructures:ASCE/SEI7-10[S].RestonVA:AmericanSocietyofCivilEngineers,2010.AIJ.Recommendationsforloadsonbuilding-windloads:AIJ-RLB-2004[S].Tokyo:ArchitecturalInstituteofJapan,2004.李家亮.基于近地觀測的登陸臺(tái)風(fēng)湍流積分尺度研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.DAVENPORTAG.Noteonthedistributionofthelargestvalueofarandomfunctionwithapplicationtogustloading[J].ProceedingsoftheInstitut