基于南海定點觀測數據的強風場特性研究

杜 宇，王延林，武文華，呂柏呈，岳前進，，張立偉

(1. 中電科海洋信息技術研究院有限公司，北京 100041; 2. 大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024; 3. 大連理工大學 海洋科學與技術學院，遼寧 盤錦 124221)

基于南海定點觀測數據的強風場特性研究

杜 宇1，2，王延林3，武文華2，呂柏呈2，岳前進2，3，張立偉1

(1. 中電科海洋信息技術研究院有限公司，北京 100041; 2. 大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024; 3. 大連理工大學 海洋科學與技術學院，遼寧 盤錦 124221)

為了滿足我國海洋工程抗風設計需求，在南海某海洋平臺定點開展了原型測量工作。通過對海面上82 m和29 m兩處開展實測工作，獲得了冬季寒潮和超強臺風“尤特”影響下的風場現場實測數據。利用非平穩過程分析方法對兩類強風過程的脈動風分量、湍流強度、陣風因子、湍流積分尺度和脈動風譜等風場特性進行了分析。驗證了脈動風分布的高斯性，給出了湍流強度與陣風因子的非線性擬合參數，分析了不同高度處風場特性剖面變化規律，證明了脈動風實測譜與Von Karman經驗譜的良好擬合關系。

南海；臺風；寒潮；強風荷載特性

Abstract: In order to satisfy wind resistant design demands of offshore structure in South China Sea, field measurement is implemented on a floating platform. Two anemometers are installed at the height of 82m and 29m to record wind speed and direction. Prototype data obtained during a cold wave period and typhoon “Utor” are chosen as sample data for analysis. Characteristics of wind like fluctuating wind, turbulence intensity, gust factor, integral scale of turbulence and spectrum are analyzed by using nonstationary wind speed model. It is proved that the probability density function of fluctuation wind speed follows Gaussian distribution and Von Karman spectrum fits the measurement spectrum best. Parameters of empirical formulas, which describe relationships between turbulence intensity and gust factor, and wind speeds at different heights, are also obtained.

Keywords: South China Sea; typhoon; cold wave; characteristics of strong wind load

風荷載是對工程結構影響最為顯著的荷載之一。我國受季風影響時間長、夏季沿海城市臺風登陸頻繁，屬于風致災害多發國家，因此對工程裝備與建筑設施的抗強風能力有比較高的要求。

對風荷載的研究，目前主要采用風洞試驗、數值方法以及現場實測研究三種方法。受理論基礎和實驗條件限制，目前對風場的模擬需要引入大量的假設和簡化，所以采用風洞試驗和數值模擬方法對風荷載的研究會引入不確定因素。因此風荷載實測研究在工程抗風能力的研究中占據重要地位。

隨著海洋工程結構的發展，對工程結構面向海洋強風環境的抗風要求也隨之增加。目前國內外在該方面開展了一些研究工作，Wang等[1]對近海面實測強風數據分析，給出了南海沿岸臺風天氣下的脈動風參數；Schroeder等[2]通過實測擬合脈動風譜發現經驗譜對強風環境能量分布的估計存在誤差；Li等[3]對一次臺風過程進行了深入分析，利用實測數據給出了近海強風改進經驗風譜；歐進萍等[4]對20余年渤海臺風數據進行了整理，給出了該海域結構設計年極值風速的建議。目前對海洋強風荷載的實測研究工作大多在沿岸或近陸海面開展，針對深遠海無遮擋開闊環境下的季節性強風和臺風環境特征的實測研究較少。

為了深入研究海洋結構風荷載特征，滿足我國在深遠海利用工程結構進行資源開發的需求，在我國南海一座深水海洋結構上開展了風場的現場實測研究工作。通過對海面上82 m和29 m兩處風場的測量，獲得了大量、長期的風場實測數據。選擇南海盛行的冬季寒潮和臺風2種不同風場條件的實測數據作為分析樣本，采用對強風環境適用性更好的非平穩模型，開展了以10分鐘為標準時距的湍流強度、陣風因子和湍流積分尺度的研究；總結了不同高度風載參數變化規律，并與對數率、指數率方法以及湍流強度剖面經驗公式計算結果開展了比較，給出了基于實測的建議擬合參數；討論了實測風譜與Davenport譜、Von karman譜、Simiu譜和Panofsky的擬合關系。對南海近海面風場特性的研究工作將為南海海洋工程結構抗風設計提供重要的參考。

圖1 現場實測系統搭載平臺與測點位置Fig. 1 Measurement positions of anemometers on the platform

1 現場測量系統

現場測量系統建立在我國南海流花4-1油田海域“南海挑戰號”半潛式平臺上。該平臺位于東經115°42′，北緯20°49′，香港以東215 km處。系統采用兩套RM.Young05103機械式螺旋槳測風儀器，觀測點選為在水面以上29 m處吊機頂端和水面上82 m處中心塔頂，所選測點視野開闊，四周無遮擋。如圖1所示。風速儀安裝以正北風向為0°，按順時針方向增大。

2 風載特征參數

土木工程結構抗風設計中考慮最大靜風荷載和動荷載兩部分。最大靜風荷載由最大重復期風速決定，一般偏保守。動風荷載則由風的波動性引起，一般認為大氣運動動量、熱量、水分等輸送不平衡以及大氣邊界的摩擦導致自然風在時間、空間上都具有隨機性。因此風荷載設計中需要考慮風場的脈動特性，主要體現為湍流強度、陣風系數、湍流積分尺度以及脈動風譜等。

2.1樣本數據

現場測量實驗從2011年5月起至今。南海風荷載以冬季盛行的東北季風和夏季臺風為主，選擇一次典型冬季寒潮天氣和一次夏季臺風天氣作為樣本，具體樣本信息如表1所示。

根據規范推薦，以10分鐘作為標準時距對樣本數據進行統計分析，獲得時距內平均風速與風向結果如圖2、圖3所示。

表1 分析樣本信息Tab. 1 Prototype data chosen as the analysis sample

圖2 冬季寒潮天氣29 m與82 m測點10分鐘平均風速與風向Fig. 2 Mean wind speed and direction in 10 minutes during cold wave

圖3 超強臺風“尤特”過境29m與82m測點10分鐘平均風速與風向Fig. 3 Mean wind speed and direction in 10 minutes during typhoon “Utor”

2.2數據分析方法

傳統風特征分析方法將風速時間序列作為平穩隨機過程分析。而實際強風中包含一定的非平穩隨機過程，因此利用傳統風特征平穩模型并不能夠很好的研究南海強風環境。為此，采用文獻[5]中推薦的非平穩模型開展研究。將風速分解成為時變平均風速與零均值的脈動分量，如式(1)所示。原始時間序列的非平穩分解方法采用EMD方法(經驗模態分解法)[6]。

2.3脈動分量概率分布

臺風與寒潮作用下海上脈動風的高斯性缺少足夠的實測結論支持。為此，比較了脈動風實測概率密度分布與估計的高斯分布。圖4為分析結果。可以看出兩類天氣情況下脈動風分布均符合高斯分布；不同高度與不同平均風速情況下脈動風的概率密度分布有所差異，82 m處寒潮天氣測量脈動風的高斯性最優。

圖4 不同高度下冬季寒潮與臺風“尤特”脈動分量概率分布Fig. 4 Probability density of wind speed during cold wave and typhoon

2.4湍流強度與陣風因子

湍流強度用于表示風的脈動強度，是結構脈動風荷載計算的重要參數。湍流強度定義為風的脈動分量平均變化幅值(即脈動風標準差)與時變平均風速的比：

式中：Iu為湍流強度，σu為脈動風標準差。

為了研究最大陣風對結構的影響，定義了用于表述陣風持續期內最大風速與標準時距內平均風速比值的陣風因子：

式中：Gu(tg)為以tg為瞬時時長的陣風因子，文中tg取3 s。

圖5和圖6為寒潮與臺風天氣下平均風速與湍流強度和陣風因子的關系。由圖中可以得到結論：

1)冬季寒潮平均湍流強度Iumean82=0.156 1，Iumean29=0.170 2；臺風尤特平均湍流強度Iumean82=0.072 5，Iumean29=0.106 3，平均風速越大，平均湍流強度越小。

2)冬季寒潮平均陣風因子Gumean82=1.374 6，Gumean29=1.405；臺風尤特平均陣風因子Gumean82=1.186 6，Gumean82=1.330 8，湍流強度越小，陣風因子越小。

3)冬季寒潮不同高度陣比值:Iumean82/Iumean29=0.917，Gumean82/Gumean29=0.978；臺風尤特不同高度比值：Iumean82/Iumean29=0.682，Gumean82/Gumean29=0.892,臺風天氣下湍流強度比值小于利用通常規范預測的比值，剖面分析在第3節介紹。

圖5 不同高度下冬季寒潮與臺風“尤特”湍流強度與平均風速關系Fig. 5 Turbulence intensity versus mean wind speed

圖6 不同高度下冬季寒潮與臺風“尤特”陣風因子與平均風速關系Fig. 6 Gust factor versus mean wind speed

湍流強度與陣風因子之間的關系是風工程領域的熱點問題之一。大量的研究工作表明湍流強度和陣風因子可以開展形如式(4)的非線性擬合：

式中：a、b為擬合參數，T為時距。

對兩個樣本數據的湍流強度和陣風因子開展了擬合研究，結果如圖7所示。同時與文獻[7]和文獻[8]開展的工作展開了對比。結果表明兩種測量高度下冬季寒潮和臺風尤特湍流強度與陣風因子的擬合結果與文獻[7]推薦的擬合結果(a=0.5，b=1)比較接近。因此在南海脈動風荷載設計中，可以考慮使用該擬合參數進行分析。

圖7 不同高度下冬季寒潮與臺風“尤特”陣風因子與湍流強度關系Fig. 7 Turbulence intensity versus gust factor

2.5湍流積分尺度

湍流運動中不同湍流漩渦參與程度不同，湍流積分尺度是脈動風中湍流漩渦的平均尺寸的度量，用于反應脈動風速空間相關性的強度。湍流積分尺度可通過式(5)獲得：

其中，Ru1u2(x)表達空間兩不同位置縱向脈動風速u1=u(x1,y1,z1,t)和u2=u(x2,y2,z2,t)的互協方差函數，t為時間。由于對空間中不同位置進行風速測量難以實現，通常都是利用單點測量估計整個風場，因此對計算湍流積分尺度應用比較廣泛的方法是基于Taylor假設，簡化為單點測量的分析。假設湍流漩渦以平均風速U在風向上進行遷移，則湍流積分尺度計算簡化為：

式中：Ru(τ)為脈動風速的自相關函數，τ為積分的時間尺度，通常積分上限取為Ru(τ)減小到0.05處的τ值。圖8為湍流積分尺度分析結果。冬季寒潮天氣湍流積分尺度為Lumean82=170.868 8 m,Lumean29=78.510 4 m；臺風尤特湍流積分尺度為Lumean82=289.918 8 m，Lumean29=142.996 m。其中82 m處測得臺風尤特的最大湍流積分尺度1 000 m，遠超冬季寒潮天氣。

圖8 不同高度下冬季寒潮與臺風“尤特”湍流積分尺度Fig. 8 Time domain integral scale of turbulence

3 剖面變化規律

風剖面用于描述一個地區不同高度風速的變化規律，是風荷載研究中的重要內容。由于臺風與寒潮屬于強對流天氣，因此可能會導致風剖面與常態風剖面有所不同。本節從平均風速剖面、湍流強度剖面和湍流積分尺度剖面三個方面討論南海海面上風剖面規律。

3.1平均風速

常態風剖面通常采用對數模型或指數模型估計[9]：

對數模型:

式中：κ為馮卡門常數，取為0.4，z為測點高度，u*為摩阻速度，z0為粗糙度長度，海面可按照I類粗糙度類別，取0.001 m。

指數模型：

式中：α為粗糙度系數，zref為參考處高度。

根據式(7)、式(8)獲得的平均風速比值分別為(U82/U29)對數=1.142 8，(U82/U29)指數=1.138 7；實測寒潮平均風速比值為(U82/U29)季風=1.265，實測臺風平均風速比值(U82/U29)臺風=1.233，均比規范中大8%左右。

3.2湍流強度

實測寒潮與臺風下湍流強度如圖9所示。作為比較，圖中同時給出了抗風規范ASCE7-02結果和文獻[11]在我國沿岸地區的實測結果[10-11]。從結果可以看出，寒潮天氣與規范預測結果相似，而與沿岸實測結果相差較大；臺風“尤特”過程中，規范預測與近地實測結果均不能夠很好的擬合。為了更好的反應南海臺風天氣湍流強度特點，采用Iu=a(z/10)b形式的非線性擬合，擬合參數a=0.16，b=-0.37。

3.3湍流積分尺度

與湍流強度類似，湍流積分尺度也隨高度的變化單調變化。很多風荷載規范中均對湍流積分尺度隨高度的變化給出經驗公式，圖10比較了實測湍流積分尺度與ASCE7-02規范和文獻[11]的沿岸實測結論。結果表明南海臺風、寒潮湍流積分尺度與ASCE7-02規范相比均偏小；臺風結果與實測的沿岸臺風湍流積分尺度相比偏大。根據實測結果開展參數擬合，獲得寒潮天氣擬合參數a=35.4，b=0.748，臺風天氣擬合參數a=69.33，b=0.68。

圖9 湍流強度剖面Fig. 9 Turbulence intensity profiles

圖10 湍流積分尺度剖面Fig. 10 Integral scale of turbulence profiles

4 實測風譜擬合

脈動風功率譜是海洋結構抗風設計的重要參量，表征了不同頻率湍流漩渦的貢獻。目前大量的風譜形式被廣泛應用，比較典型的有Von Karman譜、Davenport譜、Simiu譜和Panofsky譜等。選擇合適的脈動風譜對結構抗風性能的設計擁有重要的意義。

根據Tieleman的建議[9]，脈動風速譜可以表達為無量綱形式：

其中，n為脈動風頻率，Sa為脈動風功率譜密度函數，u*為摩阻速度，fz=nz/U為莫寧坐標。分析中，u*可由式(10)得出

根據規范，選取樣本數據中一個小時數據作為典型強風持續時間開展脈動風功率譜分析。對4組風速樣本分別開展了分析，取無量綱實測譜與典型風譜開展了比較。由圖11和圖12可以看出，不論冬季寒潮還是臺風，Von Karman譜均與實測譜擬合最優，Panofsky譜最差。而我國抗風規范中使用的Devenport譜并不能夠很好的擬合南海實測脈動風譜。

圖11 不同高度下冬季寒潮實測脈動風功率譜與經驗譜比較Fig. 11 Comparison results of measured spectrum and empirical spectrum during cold wave at different heights

圖12 不同高度下臺風“尤特”實測脈動風功率譜與經驗譜比較Fig. 12 Comparison results of measured spectrum and empirical spectrum during tphoon “Utor” at different heights

5 結 語

面向我國新興的海洋土木工程裝備與建筑物抗風設計需求，針對我國南海海面風荷載特征開展了實測研究工作。基于南海典型強風氣候——冬季寒潮和臺風的實測數據，對南海海面風場的湍流強度、陣風因子、湍流積分尺度、剖面變化規律和脈動風譜進行了分析，獲得了如下結論：

1)南海冬季寒潮和臺風天氣中，脈動風速都符合正態分布，平均風速較大的82 m處測點獲得的脈動風速概率分布更加接近正態分布。

2)湍流強度隨著平均風速的增大而減小，陣風因子與湍流強度存在耦合關系。通過對實測數據開展非線性擬合，發現陣風因子與湍流強度耦合關系與Ishizaki獲得的結論相似。在南海脈動風荷載分析中可以考慮使用Ishizaki推薦的擬合形式。

3)實測寒潮湍流積分尺度在10～400 m之間，Lumean82=170.866 8 m，Lumean29=78.510 4 m;實測臺風湍流積分尺度在50～1 000 m之間，Lumean82=289.918 8 m，Lumean29=142.996 m。臺風期間湍流積分尺度明顯大于寒潮期間湍流積分尺度。

4)對平均風速剖面、湍流強度剖面和湍流積分尺度剖面開展了擬合工作，通過比較發現，基于實測的沿岸地區剖面擬合關系并不能很好的反應海面上風場剖面變化規律。基于實測的結果對湍流強度和湍流積分尺度剖面以Iu=a(z/10)b形式進行了擬合，分別給出了推薦的擬合參數。

5)將實測數據計算得到的實測風譜與Von Karman譜、Davenport譜、Simiu譜和Panofsky譜進行比較，Von Karman譜擬合最好，Panofsky譜擬合最差。我國規范中應用廣泛的Davenport譜并不能很好的擬合南海的實測脈動風譜。

以實測數據為基礎，為海洋土木建筑抗風設計提供了一些有價值的資料。后續對大量實測樣本進行分析，并對文中給出的結論進一步的修正，為我國南海建筑抗風設計提供重要參考。

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Filed measurement of characteristics of strong wind loads on offshore structure in South China Sea

DU Yu1, 2, WANG Yanlin3, WU Wenhua2, LYU Baicheng2, YUE Qianjin2, 3, ZHANG Liwei1

(1. CETC Ocean Information Technology Research Institute Co. Ltd., Beijing 100041, China; 2. State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 3. School of Ocean Science and Technology, Dalian University of Technology, Panjin 124221, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.04.005

1005-9865(2017)04-0036-08

2016-07-26

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2014CB046803)；國家科技重大專項(2016ZX05028-002)；國家自然科學基金(11572072)

杜 宇(1987-)，男，博士研究生。E-mail: duyu0501@163.com

武文華(1973-)，男，副教授，博士。E-mail: lxyuhua@dlut.edu.cn