臺風“海葵”近地風脈動特性實測研究

王 旭， 黃 超， 黃 鵬， 劉海明， 周海根

(1.重慶交通大學 山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶 400074； 2.同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092； 3.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

臺風“海葵”近地風脈動特性實測研究

王 旭1, 3， 黃 超1， 黃 鵬2， 劉海明3， 周海根2

(1.重慶交通大學 山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶 400074； 2.同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092； 3.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

基于10、20和30 m高度處臺風“海葵”影響下的上海浦東地區近地風現場實測數據，分析了陣風因子、湍流度、峰值因子以及湍流積分尺度的變化規律。結果表明，各向陣風因子隨高度和風速的增大而減小；不同高度處各向湍流度隨風速的增加而減小；峰值因子基本上隨平均風速的增大略有減小但是變化不甚明顯且離散性較大，觀測高度對峰值因子隨時距變化的影響較小；各向的湍流積分尺度均有隨平均風速的增大而增大的趨勢，并且隨著平均風速的增大，其離散度也略有增大，不同高度處縱向和橫向湍流積分尺度均隨時距的增大而增大。

臺風“海葵”；陣風因子；湍流度；峰值因子；積分尺度

我國東南沿海地區是臺風頻發的地區，每年臺風登陸都會給該地區帶來重大的經濟損失及人員傷亡。由于臺風與良態風相比，在微觀結構及湍流特性上均存在顯著差別，因此基于良態風獲得的結構抗風研究成果是否適用于臺風頻發地區，還有待商榷。現階段，研究臺風特性最有效也是最直接的方法就是開展現場實測研究。西方發達國家從事該項研究起步較早，積累了大量的實測數據及試驗經驗，并取得了一系列重要科研成果，部分成果已進入規范及標準中[1-5]。我國在該領域雖然起步較晚，但發展較快，截至目前已取得了豐碩的成果。如顧明等[6-7]基于上海環球金融中心頂部的風速風向實測數據，對結構抗風設計所關心的湍流度、陣風因子等風特性參數進行了研究。李秋勝等[8]基于強臺風黑格比登陸過程中觀測得到的風速數據，分析了臺風登陸過程中風特性參數的變化規律。雖已有眾多的研究成果，但目前臺風實測信息還遠遠不足，導致臺風特性的研究難以形成系統的理論[9]。

為了積累更多的臺風資料，支撐我國臺風特性研究的進一步發展。同濟大學風工程課題組在上海浦東機場附近建造了風工程實測基地，用來對該地區強風作用下的近地風特性以及底層建筑屋蓋的風壓變化特性進行研究[10-12]。本文對臺風“海葵”作用下上海浦東近海岸邊近地風特性進行了全程監測記錄，分別獲得了10、20及30 m高度處的實測數據。通過對臺風過程中湍流度、陣風因子、峰值因子以及湍流積分尺度的統計分析，全面了解該地區臺風風場特性，從而為我國臺風頻發地區結構抗強風設計提供基礎資料。

1 現場實測概況

1.1 臺風“海葵”實測

2012年8月3日08時，第11號臺風“海葵” 在西北太平洋洋面上生成，登陸時中心氣壓965百帕，近中心風力14級，其軌跡路線和基地設施布置,如圖1所示。

圖1 臺風“海葵”路徑圖、實測基地周邊布置和超聲波風速儀

Fig.1 Track of typhoon ‘HAIKUI’, field test base and ultrasonic anemometers

1.2 試驗儀器及場地

測風鋼塔位于上海浦東機場附近，全高40 m。如圖2所示，在10、20及30 m高度處東西方向兩側放置風速儀，風速儀采樣頻率為20 Hz，采集數據包括風速、風向以及溫度等，數據為txt文件格式。風速儀向正南安裝，風向角定義北風為0°，按俯視順時針增大。三維超聲風速儀記錄數據用于分析研究使用，機械風速儀采集數據只做相應的補充與校對。另外，基地周邊地勢平坦，非常適合開展風荷載實測研究，圖3給出了實測基地周邊東、南、西、北四個方向的地貌實物圖。

圖2 40 m測風塔及測風裝置實物及分布圖

2 數據處理方法

2.1 風速與風向

三維超聲風速儀可直接同步測量三維風速時程、水平風向角時程以及豎向風向角時程，分別記為U(t)、θ(t)和φ(t)。根據“矢量分解法”，首先利用式(1)～式(3)將三維風速U(t)在XYZ坐標系下進行分解，然后利用式(4)～(6)確定基本時距內的水平平均風速U和主風向角θ。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:step(·)表示階躍函數；ux(t)、uy(t)分別表示X軸和Y軸方向上風速分量在分析時距內的平均值，表達式為

(7)

(8)

式中:N為樣本數。

圖3 測風塔周邊地形實物圖

Fig.3 The photo of terrain around the station

獲得水平平均風速U和主風向角θ后，利用水平風速分量ux(t)和uy(t)在縱向(主風向方向，定義為u向)和橫向(垂直于主風方向，定義為v向)的投影可以得到水平縱向脈動分量u(t)和橫向脈動分量v(t)，同理由三維風速時程U(t)在豎向(定義為w向)的投影可以得到豎向脈動分量。具體計算公式見式(9)～(11)。

(9)

(10)

(11)

式中:φ為風速分量Ux與平均風速U的夾角。

2.2 湍流度

湍流度又名湍流強度，是湍流強度漲落標準差和平均速度的比值，是確定結構風荷載的重要參數之一。一般來說，湍流度可定義為平均時距(10 min)內脈動風速的標準差與相應時距內平均風速大小的比值，表達式為

(12)

式中:σi為脈動風速u(t)、v(t)和w(t)的均方根。

2.3 陣風因子

陣風因子定義為短時距tg內風速均值的最大值與較長參考時間T平均風速的比值表達式

(13)

(14)

(15)

2.4 峰值因子

峰值因子用來定量表示脈動風的瞬時強度的表達式

(16)

式中：Umax(T,t)表示t(s)短時距段平均風速的最大值；U(T)表示基本時距T內的平均風速；σu(T,t)表示t(s)時間段內縱向脈動風速標準差。

2.5 湍流積分尺度

在風工程領域，湍流積分尺度表征各種湍流渦旋中最經常出現，起主導作用的渦旋的大小，是氣流中渦旋平均尺寸的量度，是反映風場特性的一項重要指標[13]。根據其定義可知湍流積分尺度是基于空間相關的表達式

(17)

基于Taylor假設并經推導，可得到基于時間相關的湍流積分尺度表達式

(18)

式中：Li表示i方向(縱向、橫向及豎向)脈動風速的湍流積分尺度；Ri(τ)表示i方向脈動風速自相關函數。

3 實測數據分析

3.1 風速與風向

本文對超聲風速儀采集的風速數據進行分析，分析方法可以采用矢量法。根據我國《建筑結構荷載規范》[14]的規定，樣本時長取為10 min，所得樣本數及10 min最大平均風速在如表1所示。另外，圖4及圖5分別給出了臺風“海葵”過境時不同觀測高度處10 min平均風速隨時間以及水平風向角的變化。從圖4中可見，由于此次臺風不是正面登陸，因此隨時間變化呈現為單峰曲線；平均風速隨高度的增加而增加，30 m高度處最大10 min平均風速為16.51 m/s。

表1 臺風“海葵”實測數據樣本

圖4 10 min平均風速隨時間的變化

圖5 10 min平均風速隨風向的變化

3.2 湍流度

圖6和圖7分別描述了臺風“海葵”過境時不同高度處縱向、橫向及豎向湍流強度隨平均風速及風向的變化趨勢。從圖6中可以看出，不同高度處各向湍流度均隨風速的增加而減小，但減小速率隨著風速的增大而減小，湍流度與風速之間呈負相關。30 m高度處風速大于10 m/s時湍流度基本趨近于0.1，與Ishizaki[15]的研究結果接近。圖7中可見，臺風在不同高度處縱向、橫向及豎向湍流強度在風向角60°～90°之間隨著風向角的變化而增加，而過了90°之后該變化趨勢不再明顯。

(a) 10 m

(b) 20 m

(c) 30 m

為了分析湍流度隨時距的變化規律，圖8給出了各高度處不同風速區間臺風縱向湍流強度隨時距變化的曲線。可以看出，各高度處縱向湍流度隨著時距的增加而減小；通過與DURST和Krayer-Marshall經驗曲線的對比，發現10 m高度處縱向湍流度平均值、風速大于8 m/s以及風速小于8 m/s的縱向湍流度在tg<10 s時數值明顯偏大，當tg>30 s時結果與Durst經驗曲線接近。20 m及30 m高度處三條實測曲線值都小于Krayer-Marshall經驗曲線的數值。另外，圖9給出了臺風登陸不同時段縱向湍流度平均值隨時距的變化。可以看出10、20及30 m高度處不同時間段內，縱向湍流度隨時距的變化曲線趨勢一致數值相近。

3.3 陣風因子

經式(13)～(15)計算后，得到了不同高度處陣風持續時間為3 s時各向陣風因子的平均值，如表2所示。從表中可見，各向陣風因子隨高度的增大而減小。

(a) 10 m

(b) 20 m

(c) 30 m

(a) 10 m

(b) 20 m

(c) 30 m

(a) 10 m

(b) 20 m

(c) 30 m

順風向陣風因子總平均值為1.44，比黃鵬等[16]實測臺風“梅花”的結果(1.39)偏大；10 m高度處結果比文獻[17]實測臺風“Maemi”(觀測高度10 m)的結果相比略大，比胡尚瑜等[18]10 m高度以下的實測結果(1.30)偏大。

表2 陣風因子平均值(tg=3 s,T=10 min)

圖10反映了當陣風持續時間為3 s時，縱向、橫向及豎向陣風因子隨10 min平均風速的變化關系。可以明顯看出，各向陣風因子在各高度處均隨風速增大而減小。當風速較小時，減小速率較快；而風速較大時，減小趨勢趨于平穩。

3.4 峰值因子

圖11表示不同高度處(時距：T=10 min,t=3 s)峰值因子隨10 min平均風速的變化情況。可以看出，臺風過境時，10 m、20 m以及30 m高度處峰值因子基本上隨平均風速的增大略有減小但是變化不甚明顯且離散性比較大。各時段峰值因子的均值分別為2.801、2.663、2.621和2.385，隨著高度增加峰值因子的均值略有減小。

(a) 縱向

(b) 橫向

圖11 峰值因子隨風速的變化關系

圖12反映了各風速時段峰值因子均值隨時距的變化規律。為便于與國外成果進行比較，特別指出此處基本時距取為1 h。由圖可見，不同高度對峰值因子隨時距變化的影響較小；實測結果與DURST曲線符合較好，但各高度處實測結果與DURST結果相比都要偏大。

圖12 各高度處峰值因子均值隨時距的變化(T=1 h)

Fig.12 Variation of peak factors with gust time interval at different heights(T=1 h)

3.5 積分尺度

(a) 縱向

(b) 橫向

(c) 豎向

另外，本文詳細研究了10、20及30 m高度處各向湍流積分尺度隨時距的變化規律，如圖14所示。可以看出，不同高度處縱向和橫向湍流積分尺度均隨時距的增大而增大，而豎向湍流積分尺度隨時距的變化趨勢不明顯。30 m高度處，縱向和橫向湍流積分尺度均隨時距的變化趨勢較快，而豎向湍流積分尺度在30 m高度處變化速率較大。另外，還發現在時距較小時，縱向湍流積分尺度大于橫向湍流積分尺度，但時距較大時結論相反，這可能是由于微觀湍流結構特性的差異導致的。

(a) 縱向

(b) 橫向

(c) 豎向

4 結 論

基于上海浦東近海岸邊測風塔上風速儀記錄的臺風“海葵”實測數據，對臺風過程中風速與風向、陣風因子、湍流度、峰值因子以及湍流積分尺度的變化規律進行了分析，得到以下結論:

(1) 不同高度處各向湍流度隨風速及時距的增加而減小，湍流度與風速及時距呈負相關。實測湍流度隨時距的變化曲線與DURST和KRAYER-MARSHALL經驗結果基本一致。

(2) 各向陣風因子隨高度的增大而減小。各高度處均隨風速增大而減小，并且隨風速的增大減小趨勢趨于平穩。

(3) 在10、20以及30 m高度處，峰值因子隨平均風速的變化均不明顯，峰值因子變化范圍在1.5～5.0之間，且離散性較大。

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Field measurements for characteristics of near ground fluctuating wind during typhoon ‘HAIKUI’ blowing

WANG Xu1,3, HUANG Chao1, HUANG Peng2, LIU Haiming3, ZHOU Haigen2

(1. State Key Lab Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering, Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074, China; 2. State Key Lab of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3. China Merchants Chongqing Communications Technology Research & Design Institute Co., Ltd, Chongqing 400067, China)

Based on field measured data for near ground fluctuating wind at heights of 10m, 20m and 30m during typhoon HAIKUI blowing cross Shanghai Pudong District, the variation laws of gust factor, turbulence intensity, peak factor and turbulence integral scale were analyzed. The results showed that all gust factors decrease with increase in height and wind speed; all turbulence intensities at different heights decrease with increase in wind speed; peak factor decreases substantially with increase in the mean wind speed but its change isn’t obvious and its discreteness is larger, and the observation height has a smaller effect on the change of peak factor with variation of time interval; all turbulence integral scales have an increasing trend and their discreteness also slightly increases with increase in the mean wind speed, longitudinal and lateral turbulence integral scales at different heights increase with increase in time interval.

Typhoon ‘HAIKUI’; gust factor; turbulence intensity; peak factor; turbulence integral scale

國家自然科學基金面上項目(51308510)；重慶市博士后基金項目(XM2015066)；橋梁工程結構動力學國家重點實驗室開放基金(201503)；山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地開放基金(CQSLBF-Y16-4)

2015-12-17 修改稿收到日期：2016-04-14

王旭 男，副教授，博士，1982年生

黃鵬 男，博士,研究員，1974年生 E-mail:huangtju@tongji.edu.cn

TU312. 1；TU317. 2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.11.032