深圳近地面風(fēng)特性分析

深圳近地面風(fēng)特性分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每年約有七個(gè)臺(tái)風(fēng)影響中國(guó)。為盡可能降低臺(tái)風(fēng)造成的影響，需要充分了解基于城市下墊面的近地面強(qiáng)風(fēng)的垂直特征。許多學(xué)者已經(jīng)針對(duì)臺(tái)風(fēng)近地面風(fēng)場(chǎng)特征開展了研究，胡尚瑜等11.1觀測(cè)平臺(tái)及儀器深圳氣象梯度觀測(cè)塔(以下簡(jiǎn)稱梯度塔)距離珠江口10km,位于萬(wàn)畝果園和水源保護(hù)區(qū)內(nèi)，周圍空曠，外部是城市群，能代表深圳的地表覆蓋類型，非常適合開展臺(tái)風(fēng)對(duì)城市影響的觀測(cè)研究。梯度塔共設(shè)置13層觀測(cè)平臺(tái)(10、20、40、50、80、100、150、160、200、250、300、320、350m),塔上使用的是芬蘭維薩拉WAA151風(fēng)速計(jì)，測(cè)量范圍0～70m/s,測(cè)量精度0.1m/s,采樣間隔10s,可以很好地觀測(cè)到近地層風(fēng)的連續(xù)變化特征。超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”是2018年第22號(hào)熱帶氣旋，具有生命期長(zhǎng)、強(qiáng)度強(qiáng)、強(qiáng)風(fēng)范圍廣、風(fēng)雨影響嚴(yán)重等特點(diǎn)。本研究選取“山竹”影響深圳(9月16—17日)期間梯度塔風(fēng)速數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)分析的方法開展城市近地面水平風(fēng)的垂直特征分析。1.21好的大風(fēng)過(guò)程中，風(fēng)的陣性變化往往是導(dǎo)致風(fēng)災(zāi)的重要原因之一，而通常用陣風(fēng)因子來(lái)表征風(fēng)的陣性特征(1)其中，2垂直風(fēng)切變特性分析風(fēng)切變按風(fēng)向可分為水平風(fēng)的水平切變、水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變、垂直風(fēng)的切變。臺(tái)風(fēng)“山竹”影響期間主導(dǎo)風(fēng)向變化不大，本研究著重分析水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變特征。由于臺(tái)風(fēng)影響期間伴隨強(qiáng)風(fēng)，大氣近似中性條件，可認(rèn)為風(fēng)廓線服從指數(shù)規(guī)律(2)其中，3流量湍流主要反映的是風(fēng)的脈動(dòng)特性，通常用湍流強(qiáng)度表示，其值可以作為氣流在垂直方向穩(wěn)定程度的指標(biāo)(3)其中，22.1陣風(fēng)因子離散度隨高度的變化統(tǒng)計(jì)實(shí)況資料可以看出，風(fēng)速較小時(shí)，陣風(fēng)因子在1-6區(qū)間變化且無(wú)明顯規(guī)律，低層離散程度較大(圖略),但隨高度增加陣風(fēng)因子離散度趨于減小(圖1)。當(dāng)風(fēng)速大于6級(jí)(10.8m/s)后陣風(fēng)因子趨于穩(wěn)定，且不同高度陣風(fēng)因子平均值(表1)均小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中對(duì)城市地區(qū)陣風(fēng)因子2.4的推薦值2.2指數(shù)規(guī)律在反算風(fēng)速時(shí)的應(yīng)用圖3可以看出在不同高度風(fēng)廓線指數(shù)隨著風(fēng)速增大有減小趨勢(shì)，在風(fēng)速達(dá)到一定閾值后逐漸趨于穩(wěn)定。王志春等此外，利用關(guān)系式(2)反算不同高度的風(fēng)速如圖4所示?？梢钥闯觯弥笖?shù)規(guī)律反算風(fēng)速時(shí)，反算值略大于實(shí)測(cè)值，但整體趨勢(shì)一致，表明利用指數(shù)規(guī)律可以推算不同高度的風(fēng)速情況。不過(guò)由于數(shù)據(jù)量不足，更精確的風(fēng)廓線指數(shù)參考值還需更多觀測(cè)數(shù)據(jù)確定和驗(yàn)證。2.3平均湍流強(qiáng)度圖5可以看出不同高度風(fēng)速較小時(shí)湍流強(qiáng)度離散性較大，隨著風(fēng)速增大湍流強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)一定閾值后趨于穩(wěn)定。表2為利用6級(jí)以上的風(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算出不同高度的平均湍流強(qiáng)度，并嘗試?yán)弥笖?shù)函數(shù)擬合得到圖6。可以看出湍流強(qiáng)度隨高度的變化近似呈指數(shù)規(guī)律減小，并且隨著高度增加，湍流強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。史軍等3陣風(fēng)因子及近地面風(fēng)特性1)風(fēng)速較小時(shí)，陣風(fēng)因子變化無(wú)明顯規(guī)律，隨著風(fēng)速加大，陣風(fēng)因子逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速大于6級(jí)后，陣風(fēng)因子趨于穩(wěn)定，數(shù)值穩(wěn)定于1.2～1.3之間；隨著高度增加，陣風(fēng)因子逐漸減小，并且在大風(fēng)條件下，陣風(fēng)因子隨高度變化近似呈指數(shù)規(guī)律。2)風(fēng)廓線指數(shù)在風(fēng)速小的區(qū)間離散性大，隨著風(fēng)速增大逐漸減小，在風(fēng)速達(dá)到一定閾值后趨于穩(wěn)定，計(jì)算所有觀測(cè)樣本得到平均風(fēng)廓線指數(shù)約為0.23,該值也符合《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》。但是利用指數(shù)規(guī)律反算風(fēng)速時(shí)，推算結(jié)果略大于實(shí)測(cè)值。3)湍流強(qiáng)度變化與陣風(fēng)因子變化類似，隨著風(fēng)速增大湍流強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)一定閾值后趨于穩(wěn)定?？赡茉?yàn)楦邔语L(fēng)速較大，氣流較為穩(wěn)定，低層氣流受下墊面的影響變得凌亂，湍流特性也更明顯，這說(shuō)明臺(tái)風(fēng)“山竹”過(guò)程中受城市下墊面影響近地面風(fēng)湍流強(qiáng)度大于高層。但是否臺(tái)風(fēng)過(guò)程均存在這一現(xiàn)象還需更多的觀測(cè)個(gè)例分析驗(yàn)證。本研究利用臺(tái)風(fēng)“山竹”影響深圳期間梯度塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)分析了深圳近地面水平