基于近海海面觀測的臺風黑格比風特性研究

肖儀清，李利孝，宋麗莉，秦 鵬

（1.哈爾濱工業大學深圳研究生院，廣東 深圳 518055；2.廣東省氣候與農業氣象中心，廣東 廣州 510080）

0 引 言

隨著我國國民經濟的發展，城市土地資源匱乏及城市品牌效益的追求，建筑結構向著高、輕、柔的方向發展，導致結構的風敏感性增加，風荷載成為這類結構的控制荷載。尤其在臺風影響區已建或即將興建的大量高層建筑，如上海中心、深圳京基大廈、平安銀行大廈、廣州東西雙塔、廣州電視塔等，抵抗臺風作用成為這些結構設計的關鍵所在。而在過去的幾十年，由于人類對自然環境的過度破壞，導致災害性天氣的強度和頻度也在近幾年逐漸增加，尤其是每年的破壞性臺風頻繁發生［1］。

建筑結構設計可分為荷載估算和抗力設計兩個步驟。對于臺風影響區的風敏感結構，如何準確地估計結構上的臺風荷載作用及作用形式成為這類結構設計的重中之重。為了準確刻畫在臺風影響區結構的臺風荷載，國內外專家學者進行了大量風特性和結構風效應現場實測研究，如 Xu［2］，Choi［3］和黃世成［4］等，但是由于臺風本身機理的復雜性、發生的相對稀缺性以及觀測的困難性，到目前為止這方面相對成熟的成果還較少。同時臺風是水汽交換作用的結果，其風場特性對地形地貌的影響非常敏感，已進行的臺風風場特性的觀測研究基本上是在沿海地區或內陸相對平坦場地進行的，很難反映臺風風場本身的特性，在海面上進行觀測研究成果非常少，只有Sparks［5－6］和Harper［7］進行了少量的海面觀測研究。本文針對在博賀海洋觀測站上測得的0814強臺風黑格比，研究了其在海面上的風場特性，給出了風場特性參數，并與海岸觀測結果［8］進行了對比分析，為進一步研究臺風登陸后衰減過程中風場特性提供借鑒。

1 博賀海洋觀測站介紹

博賀海洋觀測站位于廣東省茂名市電白縣博賀鎮至沙扒鎮之間對開海面約3km處的峙仔島上。峙仔島是一個距離陸地約4km的無人島，小島長120m，寬50m，最高海拔只有11m，周圍海水深6m～10m，非常適合開展海陸氣相互作用試驗。在峙仔島上東經111°22′28.02″E，北緯21°27′3.12″N，海拔11m 高度處建了一座高度為100m的觀測鐵塔，在塔身離地8m高度處安裝了美國NRG公司的氣溫計和氣壓計，在離地10、20、40、60、80、100m 高度處安裝了風速儀，在10、60、100m高度處安裝了風向儀，測風儀全部為美國NRG Symphonie型測風儀，在60m高度安裝了GillWindMasterPro超聲風速儀進行脈動風場測量。鐵塔及風速儀安裝圖如圖1（a）所示。在觀測塔的正南側1.14km處有一個最高海拔高度為48m的大竹洲島；在觀測塔的東北偏北側距離12km為沙扒鎮；在觀測站正西側6.5km和正北側6.0km及之間均為內陸地區，最短距離為4.4km，其他側均為外海面。詳細地形情況如圖1（b）所示。沙角旋海岸觀測塔的詳細地形情況以及風速儀安裝見參考文獻［8］。

圖1 觀測站儀器設置及地形圖Fig.1 Instruments setting of station and topographic map

2 臺風黑格比介紹

臺風黑格比是2008年的第14號強臺風，也是至1996年以來登陸廣東的最強臺風。黑格比于9月19日早上在香港東南偏東約2540km的北太平洋西部海上形成，并向西南偏西移動，它于9月24日早上6時45分在廣東西部電白陳村附近登陸，登陸時中心風力達15級（48m／s），圖2給出了臺風黑格比的路徑圖。

圖2 臺風黑格比路徑圖Fig.2 Track of typhoon Hagupit

3 數據質量控制方法和樣本選取原則

在臺風條件下，常伴有強降雨，并且在空氣中有時會夾雜一些風致飛射物，以及臺風導致電壓不穩和環境噪聲等使得采用超聲風速儀進行臺風現場實測時，觀測到的數據中總是存在壞點和野點。另外，在實際觀測中還常存在如下幾類無以避免的誤差［9］：（1）實測中缺乏真正各向同性的場地以及恒定粗糙度的實驗條件；（2）不存在完全中性的大氣層結條件；（3）不同的信號處理技術以及湍流參數的計算方法產生的誤差；（4）湍流本身的隨機性。所有這些誤差最終都將影響臺風條件下平均和脈動風特性的計算及反演。

綜合分析各類誤差來源以及特征，可將其劃分為如下三類：（1）顯著誤差，這類誤差主要由于強降雨或風致飛射物的干擾，電壓的不穩定性造成的，基本上用肉眼就能識別出來，通常稱為野點；（2）趨勢誤差，這類誤差主要由于在測試中采樣頻率的限制，以及與電源頻率重合產生“折疊效應”，測試時長沒有經歷所有大渦運動的特性等導致的；（3）隨機誤差，這類誤差主要是由于試驗條件和湍流信號本身的隨機性導致。

針對以上實測數據誤差，許多文獻提出了不同的處理方法，如李鵬飛采用的“子樣本分割法”［10］、孫建超采用的“絕對均值法”［11］等，但是都沒有系統的對數據樣本進行檢測處理，本文根據對大量實測臺風數據的分析經驗，提出如下系統的數據檢測處理方法：

（1）首先根據風速儀自帶的判別碼，判別出壞點，采用五點三次插值法進行替換；

（2）繪制風速時程，找出其中的野點，采用五點三次插值法進行替換；

（3）進行子樣本分割，根據需要分割為長度為L（通常為10min）的子樣本；

（4）針對后兩類誤差導致的不合理點，采用一個長度為L1（通常為1min或30s）的矩形窗以一個數據為單位進行滑移，然后計算每一個矩形窗的均值和標準差，如果某個值與均值差的絕對值大于3.5倍標準差，則認為其為不合理點，采用五點三次插值法進行替換，這個過程一直重復，直到沒有不合理點檢測出來為止，在第二次檢測時標準差倍數取為3.6，當不合理點數量超過總點數的1%，認為數據樣本不合理；

（5）大氣湍流譜分析理論建立在自然界風過程是平穩各態遍歷的隨機過程的假定基礎上，而實測臺風過程中風時程具有非平穩和非高斯特性，因此在計算湍流參數時，應盡可能地減少非平穩特性的影響，需進行去除趨勢項處理；

（6）對子樣本進行平穩性檢驗，檢測數據合理性。

通過上述數據質量控制之后，樣本可以進行風特性研究及譜分析研究。

當計算湍流參數時，同一風速時程的不同樣本計算結果離散性較大，故如何判定臺風特性及選取樣本進行臺風風特性研究至關重要，本文采取如下原則：

（1）平均風速標準，當氣旋中心風力小于6級時，將不具有螺旋結構，對流發展較差，不能反映臺風特性。根據世界氣象組織的規定，8級及以上的風力，即底層中心最大平均風速大于17.2m／s時，具有一定的破壞力，同時只有當風速較大時才能滿足近似中性層結假定，故在研究臺風特性時，樣本10分鐘平均風速應大于17.2m／s；

（2）平均風向標準，臺風風眼前后眼壁區風向存在約180°相角差，距離風眼越遠，風向相對轉角越小。而臺風的強風、高湍流度、螺旋及剖面特征均發生在眼壁強風區，外圍與常態大風特性類似。故所選樣本擬反映眼壁強風區風特性，需臺風中心經過觀測站前后樣本10min平均風向相對轉變應大于90°；

（3）樣本風向標準，不同的下墊面強烈影響風特性，上風向風區長度的變化導致內邊界層風場高度改變，外邊界層的風場特征受上風向下墊面的影響［12］。因此所選樣本的上風向粗糙度長度不能發生較大的變化，故選取樣本時樣本內瞬時風向變化應小于22.5°。

4 風場特性分析

本文分析了2008年9月24日00：00時到次日00：00時在博賀海洋觀測站得到的數據，數據長24h。平均風剖面數據為每10min輸出一次平均值。脈動風場研究所采用的數據為60m高度安裝的Gill WindMaster Pro超聲風速儀觀測到的數據，采樣頻率為10Hz。

4.1 平均風速、風向、風攻角

Gill WindMaster Pro超聲風速儀輸出的為三個方向的風速矢量 ，通過風軸坐標轉換求得平均風速、風向、風攻角和脈動風速。

根據實測數據，以10min為基本時距的平均風速、風向和風攻角如圖3所示，10分鐘平均風速的最大值為45.88m／s。在9月24日早上6時臺風正中心經過觀測站，在中心經過前后風向角有一個大約192°的轉變。風攻角介于－1°～7°之間。在眼壁強風區和風眼區，全部為正攻角，介于1°～7°之間。當臺風后眼壁經過后，攻角急劇下降，基本上介于－1°～2°。在眼壁強風區有較大的正攻角，由臺風風場導致的攻角大約為3～7°，大于規范［13］規定的－3°～3°之間。

圖3 十分鐘平均風速、風向和風攻角隨時間變化歷程Fig.3 Wind speed direction and attack angle varying history

4.2 風剖面

風剖面描述了平均風速隨高度的變化規律，臺風條件下，由于臺風的強對流作用以及臺風本身結構特性，導致臺風與常態風剖面不同。常用的風速剖面模型有：

其中d為零平面位移，u＊為摩擦速度，h為大氣邊界層高度，z0為粗糙度長度，k為卡門常數。

本文根據在觀測站所測到的梯度風場數據，得到了臺風前眼壁強風區、風眼區和后眼壁強風區風剖面如圖4所示，由于在近地100m風剖面與對數率剖面符合較差，故只給出了A類場地的指數律剖面。由圖4可見，無論是眼壁區還是風眼區剖面均比A類場地指數律剖面陡，指數a遠小于A類場地類別規范推薦值。圖5給出了風剖面隨時間的變化歷程，從圖上我們可以發現在臺風前眼壁強風區，在近地面（10m高度）有一個近地急流層，隨著臺風中心區經過之后，該急流層的高度逐漸移動到40m左右。采用指數律擬合的臺風眼壁強風區和風眼區風剖面指數如表1所列，同時給出了沙角旋海岸觀測塔的結果作為對比，在海面下墊面時，指數a小于規范推薦的A類場地類別相應值。

表1 指數律風剖面指數aTable 1 Exponential index a in power law

圖4 臺風不同部位風剖面與指數律比較Fig.4 Wind profile and exponential law in different parts

圖5 臺風黑格比風剖面發展歷程Fig.5 Wind profile varying history

4.3 梯度風高度

梯度風高度表征了大氣邊界層的厚度，在梯度風高度以上大氣運動將不再受地面摩擦的影響。Deaves和Harris［14］給出了下式來計算梯度風高度：

其中u＊為摩阻速度，fc為科里奧利參數。根據在觀測站60m高度超聲風速儀實測所得到的數據，用公式（1）計算了梯度風高度如圖6所示，梯度風高度的最大值出現在十分鐘平均風速最大值附近，略微提前。風場前眼壁強風區梯度風高度平均值為3368.7m，風場后眼壁強風區梯度風高度平均值為2692.4m。Franklin等［15］發現臺風風速沿高度有多個局部極大值，平均梯度風高度大約在離地500m高度左右，遠小于公式（1）計算結果，可能是因為在臺風條件下對流湍流比重增加，梯度風高度不再單純地由機械湍流控制。

圖6 梯度風高度隨風場變化特征Fig.6 Gradient wind height varying history

4.4 陣風因子與湍流強度

陣風因子是不同時距平均風速轉換的關系，也是我國《建筑結構荷載規范》［16］風荷載中圍護結構抗風設計的重要參數。本文選取3s陣風持時研究了陣風因子與平均風速的關系如圖7所示，發現在海面觀測的陣風因子隨著平均風速的增大而增大，當平均風速大于30m／s時，基本上不再變化。在圖7同時對比了沙角旋海岸觀測塔11m高度超聲風速儀的結果，當平均風速較大（大于17.2m／s）時，陣風因子基本上不發生變化，可能是在海面上，隨著風速的增加，浪高增加而導致粗糙度增加，當在風速達到一定值之后，在海面形成一個新的平衡層，粗糙度相對穩定，湍流參數將不再發生變化。實測陣風因子列于表2。

表2 陣風因子和湍流強度Table 2 Gust factor and turbulence intensity

湍流強度表征了風的脈動程度。圖8給出了博賀海上觀測站湍流強度隨平均風速的變化關系，同時給出了沙角旋海岸觀測站結果進行對比。當風速大于17.2m／s時，湍流強度基本上不隨平均風速變化。博賀站三個方向湍流強度的比值與我國規范給出的1∶0.88∶0.52相對較為接近，而沙角旋海岸觀測結果有較大差異，可能是因為觀測高度在11m，受地形影響較多。實測不同地形三向湍流強度的對比列于表2。

Ishizaki［17］和 Choi［18］建議的湍流強度和陣風因子之間的關系，可統一用下式表示：

Ishizaki建議k1＝0.5，k2＝1.0，Choi建議k1＝0.62，k2＝1.7。圖9給出了湍流強度與陣風因子的變換關系，從圖9可見湍流強度與陣風因子的變換關系不是完全線性的。Ishizaki所建議的參數在臺風黑格比博賀海上觀測站觀測結果中高估了二者之間的關系，而Choi所建議的參數低估了二者之間的關系，根據實測結果擬合得到兩個參數分別為k1＝0.48，k2＝1.04。

圖7 陣風因子隨平均風速變化關系Fig.7 Relationship between gust factor and mean wind speed

圖8 湍流強度隨平均風速變化關系Fig.8 Relationship between turbulence intensity and speed

4.5 時間尺度和積分長度尺度

通常假定自然界風為水平平穩氣流，因此自相關函數僅與離地高度和時間差τ有關。時間尺度用來描述時間軸上兩點脈動風速的相關情況。我們認為時間差τ?T（z）時，兩脈動風矢量具有較大的相關性，反之亦然。時間尺度定義為：

圖9 陣風因子隨湍流強度變化關系Fig.9 Ralationship between gust factor and intensity

積分長度尺度是湍流中漩渦平均尺度的度量。用來描述空間兩點脈動風速的相關情況。積分長度尺度在數學上可以定義為：

根據泰勒的“凝固湍流”假設，空間兩點脈動可轉換為時間軸上相應兩點的脈動。于是積分長度尺度和時間尺度具有如下關系：

圖10給出了博賀海上觀測站實測樣本的時間尺度隨時間發展的歷程，由圖我們發現風眼區時間尺度較大，在眼壁強風區最大風速位置略微提前一點出現了較大的時間尺度。在強風區時間尺度基本上小于30s，與臺風中湍流的特征尺度一致。豎向時間尺度均小于10s，表明豎向湍流相關性較弱。圖11給出了積分尺度隨風場發展的變化關系，我們可以發現與時間尺度類似變化規律，最大值均出現在眼壁強風區，但是比風速最大值出現略微提前一點。在前眼壁強風區縱向、橫向和豎向積分尺度的平均值分別為466m、441m和111m；后眼壁強風區三個方向的積分尺度平均值分別為460.84m、401m和85m。由此可見在海面上受局部地形的影響較小，縱向和橫向湍流相當，只有在豎直方向上湍流較小。當平均風速大于17.2m／s以后，湍流積分尺度隨平均風速的變化沒有固定的規律。表3列出了博賀觀測站和沙角旋觀測塔觀測結果，下墊面為海面時積分尺度遠大于陸地下墊面的結果。在沙角旋海面來風時，由于眼壁區風向發生急變，橫風向樣本出現非平穩性，導致橫風向積分尺度大于順風向值。

4.6 脈動風速譜

圖10 時間尺度隨風場發展的變化關系Fig.10 Time scale varying history

圖11 積分尺度隨風場發展的變化關系Fig.11 Integral scale varying history

表3 積分時間尺度和積分長度尺度Table 3 Integral time scale and length scale

脈動風速譜表征了湍動能在不同頻率（漩渦）上的分布。脈動風速譜是結構抗風設計至關重要的一個參量，基于Kolmogorov假設，大量學者根據實測資料研究了脈動風速譜的表達式，如von Karman譜、Davenport譜、Kaimal譜、Panofsky譜等，以及對各脈動風速譜進行修正，如Solari［19］、Tieleman［20］等，但是真正針對臺風特性的風速譜特性研究還較少。盡管各風速譜的表達形式各不相同，根據Tieleman［20］建議，風速譜可統一表示為：其中A、B、C、α、β和γ為六個待定參數，滿足γ－αβ＝－2／3。

本文根據實測數據，選取了前、后眼壁強風區和外風場三個時間段各一小時的時程樣本研究了臺風不同部位風速譜特性。前眼壁強風區10分鐘平均風速介于35.66～45.88m／s，平均值為40.61m／s，風向介于223°～244°之間，積分長度尺度平均值為259m；后眼壁強風區10分鐘平均風速介于32.30～40.07m／s之間，平均值為36.44m／s，風向介于20°～28°之間，積分長度尺度平均值為180m；外風場10分鐘平均風速介于16.18～20.49m／s之間，平均值為18.05m／s，風向介于40°～47°之間，積分長度尺度平均值為149m。圖12給出了所選取樣本的示意圖。

圖12 風速譜分析樣本Fig.12 Specimen used for analyzing wind spectra

圖13給出了三個樣本的實測風速譜，同時給出了經驗譜：von Karman譜、Davenport譜和Kaimal譜對比。從圖13我們可以發現，在雙對數坐標系中，前眼壁強風區的峰值頻率為0.0232Hz，無量綱化峰值能量為0.3215；后眼壁強風區的峰值頻率為0.0427Hz，無量綱化峰值能量為0.2698；外風場區的峰值頻率為0.0208Hz，無量綱化峰值能量為0.2706。

前眼壁強風區風速譜，von Karman譜在低頻區（＜0.02Hz）略微高估了風速譜能量，對峰值頻率的估計比較準確，無量綱化峰值能量為0.2713；在土木工程結構通常所關心的高頻區（＞0.1Hz），von Karman譜和Kaimal譜則低估了譜能量，Davenport譜在高頻區高估了譜能量，實測譜在高頻區基本上介于Kaimal譜和Davenport譜之間。后眼壁強風區風速譜，von Karman譜同樣在低頻區略微高估了風速譜能量，對峰值頻率的估計值為0.0300Hz，低于實測值，可能因為實測樣本的湍流積分尺度估計值略微偏高導致峰值頻率的估計稍微偏小，對無量綱化峰值能量估計較為接近；在高頻區，同樣von Karman譜低估了風譜能量，實測風譜在高頻區介于von Karman譜和Davenport之間。對外風場區風速譜，von Karman譜亦在低頻區略微高估了風速譜能量，對峰值頻率的估計值為0.0181Hz，低于實測值，但是對無量綱化峰值能量估計較為準確；在高頻區，實測風速譜與Davenport譜吻合較好。分析三個經驗風速譜與實測風速譜的吻合程度我們可以發現，由于Davenport譜和Kaimal譜只受平均風速的影響，對大氣穩定度、湍流形式和地形沒有進行考慮，所以估計的只是中性大氣層結平穩天氣的風譜特征，von Karman譜的影響因素除了平均風速還有積分尺度，但是由于積分尺度對計算采用的方法、時長還有平穩程度的敏感性，很難有一個比較準確的計算，故導致對風速譜峰值頻率和高低頻區估計略微不準確，但是相對而言還是比較適合描述臺風狀況下的風速譜特征。

圖13 臺風不同部位風速譜特征Fig.13 Wind spectra characteristics in different parts of typhoon

比較臺風不同部位的三個風速譜特征，可以發現在土木工程所關心的高頻區，臺風強風區的風譜能量均高于外風場強風區的能量；慣性子區，三個部位風譜均能滿足－5／3次律；三個實測風速譜在高頻區均介于von Karman譜和Davenport譜估計值之間或與Davenport譜接近；實測臺風前眼壁強風區的無量綱化峰值能量最高。

5 結 論

臺風荷載已經成為沿海臺風影響區高層結構的重要控制荷載。國內外對臺風特性的研究基本上是在空曠場地上或結構上安裝風速儀進行觀測，同時所觀測的10分鐘平均風速比較小，基本上是臺風外風場的常態風，不能較好地反映臺風風場特性（強風速、強風切、螺旋結構），很難指導臺風影響區結構抗風設計，本文基于近海面觀測結果，研究了臺風風場特性得出如下結論：

（1）研究了在臺風條件下觀測到的原始風時程的處理方法，將不合理數據區分為：顯著誤差、趨勢誤差和隨機誤差，并提出了處理方法及臺風條件下風速樣本選取的原則；

（2）海面上臺風條件下，在前眼壁強風區有3°～7°的正風攻角，風眼區和后眼壁強風區，有－1°～2°的風攻角。當在陸地上時，需疊加由于地形影響導致的風攻角；

（3）在臺風條件下，下墊面為海面時無論在臺風眼壁區還是風眼區，離地100m高度內指數律風剖面指數α均小于規范中A類地貌推薦值0.12。風場前眼壁強風區梯度風高度計算值大于風場后眼壁強風區梯度風高度計算值；

（4）海面實測陣風因子隨著平均風速的增大而略微增大。在近海海面3s陣風因子的平均值為1.23；當10分鐘平均風速達到17.2m／s以上時，湍流強度基本上不隨平均風速變化，在近海海面三個方向湍流強度的平均值分別為0.10、0.07和0.04，Iu∶Iv∶Iw＝1∶0.80∶0.43與規范給出的1∶0.88∶0.52較接近；湍流強度和陣風因子成非線性關系，擬合得湍流強度和陣風因子表達式中兩個參數為k1＝0.48，k2＝1.04；

（5）水平向時間尺度基本上小于30s，豎向時間尺度基本上小于10s，與湍流的特征時間尺度一致。積分長度尺度與平均風速具有一定的相關性，極大值比平均風速的極大值略微提前出現。臺風前眼壁區積分尺度大于后眼壁區積分尺度；

（6）在雙對數坐標系中，前眼壁強風區的峰值頻率為0.0232Hz，無量綱化峰值能量為0.3215；后眼壁強風區的峰值頻率為0.0427Hz，無量綱化峰值能量為0.2698；外風場區的峰值頻率為0.0208Hz，無量綱化峰值能量為0.2706。前眼壁區峰值能量較高，后眼壁區和外風場區峰值能量較接近；在土木工程結構敏感的高頻區（＞0.1Hz），實測風速譜均介于von Karman譜和Davenport譜之間。

本文以近海海面臺風風場實測數據為基礎，研究了臺風本身的一些風場特征，為后續的臺風風特性研究和結構抗風設計提供一些參考意見，但是由于這方面的觀測尚少，結論具有片面性，以后有必要進一步的觀測，積累更多的數據，為準確刻畫臺風風場特性和土木工程結構抗風設計提供更為可靠的依據。

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