熱帶低壓影響下平潭海峽公鐵兩用大橋橋址處風(fēng)雨特征分析

何旭輝，汪震，嚴(yán)磊，任磊，郭輝

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410075；2.中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410075；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京，100081)

近年來，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到長(zhǎng)足發(fā)展。橋梁是重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施之一，被譽(yù)為各大交通線的控制咽喉。伴隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，橋梁也進(jìn)入快速發(fā)展階段，橋梁的跨度越來越大，修建材料也更加輕質(zhì)，橋梁對(duì)荷載的敏感性增加。我國(guó)東南沿海地區(qū)常常受熱帶氣旋的影響，強(qiáng)風(fēng)往往還伴隨著強(qiáng)降雨。風(fēng)及風(fēng)雨耦合對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的作用和機(jī)理一直是研究者們研究和關(guān)注的熱點(diǎn)，要分析風(fēng)雨對(duì)大跨度橋梁的設(shè)計(jì)和施工過程的影響，需要對(duì)橋址處熱帶氣旋的風(fēng)雨特征展開研究，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析是目前最直接且有效的手段，近年來，人們已開展許多研究，如：FENERCI 等[1-3]利用Hardanger Bridge 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)橋位處的平均風(fēng)速、平均風(fēng)向及湍流強(qiáng)度等風(fēng)場(chǎng)特性參數(shù)進(jìn)行了研究；SHIAU 等[4-5]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)基隆港附近的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)的縱向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜與von Karman 譜較吻合；史文海等[6-8]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)浙南地區(qū)熱帶氣旋的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速、風(fēng)向角隨著平均時(shí)距的增加趨于平穩(wěn)，短時(shí)距(例如1 min和3 s)能夠更好地反映風(fēng)場(chǎng)特性，尤其是高風(fēng)速的脈動(dòng)性和變化規(guī)律。這些研究更多的是關(guān)注風(fēng)場(chǎng)，而同時(shí)開展風(fēng)場(chǎng)與降雨實(shí)地測(cè)量對(duì)風(fēng)雨特征進(jìn)行分析的研究較少。KIM等[9]借助三維超聲風(fēng)速儀和激光雨滴譜儀對(duì)山區(qū)風(fēng)雨特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明風(fēng)在背風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)對(duì)降雨強(qiáng)度的影響不同；TANG等[10]對(duì)16個(gè)不同地點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)21月的風(fēng)驅(qū)雨測(cè)量，分析了94個(gè)降雨事件，發(fā)現(xiàn)風(fēng)驅(qū)雨受風(fēng)速、風(fēng)向、降雨強(qiáng)度和地點(diǎn)的影響較大；CHOI[11]在新加坡建立風(fēng)雨觀測(cè)站(使用風(fēng)杯式風(fēng)速儀和雨量計(jì))采集風(fēng)速、風(fēng)向和雨量，并對(duì)雷暴和非雷暴情況下的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)強(qiáng)陣風(fēng)都是在雷暴中發(fā)生的；DEROME 等[12]對(duì)目前風(fēng)驅(qū)雨值得關(guān)注的10 個(gè)問題進(jìn)行總結(jié)，提出湍流特性是風(fēng)驅(qū)雨分析中不能夠忽視的因素；劉科等[13-15]基于瓊州海峽跨海大橋橋址處的測(cè)風(fēng)塔，利用螺旋槳風(fēng)速儀、超聲風(fēng)速儀和雨量計(jì)對(duì)該處的多個(gè)登陸臺(tái)風(fēng)的風(fēng)雨特征進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)建立風(fēng)雨聯(lián)合概率分布函數(shù)。綜上可知，目前人們對(duì)風(fēng)雨特征的實(shí)測(cè)分析較少，對(duì)于橋址處的熱帶氣旋風(fēng)雨特征分析仍然很少。為了保障沿海地區(qū)橋梁的施工安全以及橋梁結(jié)構(gòu)能夠完全穩(wěn)定運(yùn)行，滿足橋梁設(shè)計(jì)與使用要求，對(duì)橋址處的風(fēng)雨特征進(jìn)行全面觀測(cè)，獲得詳細(xì)的風(fēng)場(chǎng)特性與降雨特征，著重分析降雨前后湍流風(fēng)參數(shù)的變化規(guī)律以及降雨參數(shù)，以便為進(jìn)一步研究風(fēng)雨聯(lián)合作用下大跨度橋梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)打下基礎(chǔ)。

1 風(fēng)雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

平潭海峽公鐵兩用大橋是中國(guó)第1座跨越海峽的高鐵橋梁，全長(zhǎng)16.338 km，包括14.399 km的公路和鐵路共線以及4座主通道橋梁。分別為3座主跨為532，364 和336 m 的斜拉橋和1 座主跨168 m的連續(xù)剛構(gòu)橋。為了分析橋址處的風(fēng)場(chǎng)與降雨特征，在鼓嶼門航道橋橋塔施工階段，在Z03主塔塔吊的第二道附墻處，布置2 臺(tái)三維超聲風(fēng)速儀和1臺(tái)激光雨滴譜儀，安裝高度距離海平面69.638 m。現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示。風(fēng)雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與降雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由風(fēng)速儀和工業(yè)機(jī)組成，降雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由激光雨滴譜儀和INV3090A 采集儀組成，這2 套系統(tǒng)獨(dú)立工作，使用同一路由器上網(wǎng)，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至云端，可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問查看數(shù)據(jù)并下載。

超聲風(fēng)速儀采用英國(guó)Gill儀器設(shè)備公司生產(chǎn)的WindMaster Pro。WindMaster Pro 可用于多種環(huán)境下的風(fēng)特性測(cè)試，最高支持32 Hz采樣測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)采樣頻率設(shè)置為4 Hz，風(fēng)速量程設(shè)定為0～65 m/s，測(cè)量精度設(shè)定為0.01 m/s；風(fēng)向量程設(shè)定為0°～359.9°，測(cè)量精度設(shè)定為0.1°。

圖1 儀器布置圖Fig.1 Instrument layout

激光雨滴譜儀采用德國(guó)OTT/Hydromet 公司生產(chǎn)的OTT Parsivel EF。OTT Parsivel EF可以同時(shí)測(cè)量降水粒子的粒徑和下落速度，測(cè)量粒徑范圍為0.2～25 mm，速度范圍為0.2～20 m/s。在確定了粒子直徑(D)和粒子速度(v)后，根據(jù)粒子直徑和速度，分到相應(yīng)的直徑和速度級(jí)別中進(jìn)行存儲(chǔ)。直徑與速度各自有32個(gè)級(jí)別，因此，共有1 024個(gè)級(jí)別。粒徑小而速度慢的粒子比粒徑大而速度快的粒子的級(jí)別小。激光雨滴譜儀的采樣時(shí)間間隔為1 min。

2 熱帶低壓實(shí)測(cè)概況

2.1 熱帶低壓概況

對(duì)平潭海峽公鐵兩用大橋橋址處風(fēng)雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的一次熱帶低壓的風(fēng)雨特征進(jìn)行分析。根據(jù)中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)，該熱帶低壓于2018-08-23T8:00 在我國(guó)臺(tái)灣省高雄市附近生成，于2018-08-25T11:00在福建省莆田市附近消亡，本文選取2018-08-23T12:00—2018-08-25T14:00 共計(jì)50 h的實(shí)測(cè)風(fēng)速與降雨粒子進(jìn)行分析，熱帶低壓中心距離橋址處的最小距離約50 km。

2.2 降雨過程與降雨事件

研究表明[16-17]，在降雨過程中，可以按照2 次連續(xù)降雨的間隔時(shí)間劃分為不同的降雨事件。若間隔時(shí)間大于或等于1 h，則分別屬于2 個(gè)降雨事件，以此為標(biāo)準(zhǔn)，樣本時(shí)段可劃分為7 次降雨事件，如圖2所示。

為了后續(xù)描述和分析需要，根據(jù)熱帶低壓過程中的風(fēng)速與降雨強(qiáng)度，將該樣本劃分成不同工況進(jìn)行分析，各個(gè)工況的定義如表1所示。

2.3 降雨參數(shù)

利用激光雨滴譜儀采集的降雨粒子的粒徑與速度計(jì)算降雨強(qiáng)度與平均粒子直徑這2 個(gè)降雨參數(shù)。其中，降雨強(qiáng)度表示單位時(shí)間內(nèi)的降雨量，單位為mm/h。激光雨滴譜儀采集的前2 級(jí)粒子因信噪比過低，無法使用，因此，計(jì)算降雨強(qiáng)度時(shí)從第3級(jí)開始[18]。此外，因自然界降雨中幾乎不存在粒徑在8 mm 以上的大粒子[19]，所以，最終選取3～23 級(jí)的粒子進(jìn)行計(jì)算，且降雨強(qiáng)度可以由下式計(jì)算獲得：

圖2 平均風(fēng)速與降雨強(qiáng)度時(shí)程圖Fig.2 Time history of mean wind speed and rainfall intensity

表1 降雨情況劃分Table 1 Division of rainfall pattern

式中：R為降雨強(qiáng)度；F為光雨滴譜儀的測(cè)量區(qū)域面積，F(xiàn)=52 cm2；t為采樣的間隔時(shí)間，此處為60 s；Di為第i級(jí)的粒子平均直徑；Δni為第i級(jí)中采樣間隔時(shí)間內(nèi)采集的粒子數(shù)；k為計(jì)算的最大級(jí)數(shù)，本文取23級(jí)。

平均粒子直徑是指全部雨滴的直徑總和除以雨滴的總數(shù)，可用下式計(jì)算：

式中：Dm為平均粒子直徑。

3 熱帶低壓風(fēng)雨特征

熱帶低壓過境時(shí)，風(fēng)場(chǎng)與降雨特征變化較快，雖然我國(guó)JTG T 3360-01—2018“公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范”[20]采用的基本時(shí)距為10 min，但此前已有研究[21-22]表明采用1 min 作為基本時(shí)距能夠更好地體現(xiàn)臺(tái)風(fēng)真實(shí)的風(fēng)速變化，更準(zhǔn)確地描述短時(shí)間內(nèi)的脈動(dòng)風(fēng)特性，因此，選取1 min為基本時(shí)距。

3.1 平均風(fēng)速

在對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)特性分析前，必須先對(duì)由風(fēng)速儀直接記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲得平均風(fēng)速和3 個(gè)脈動(dòng)風(fēng)速分量，即縱向脈動(dòng)風(fēng)速u、橫向脈動(dòng)風(fēng)速v和豎向脈動(dòng)風(fēng)速w。超聲風(fēng)速儀輸出U，V和W分量，正的U，V和W分別對(duì)應(yīng)正北風(fēng)風(fēng)速分量、正東風(fēng)風(fēng)速分量和豎直向下風(fēng)速分量。假定US(t)直接等于其所測(cè)得的北風(fēng)(從北向南)風(fēng)速分量，UE(t)和UU(t)分別取其所測(cè)得的東風(fēng)(從東向西)風(fēng)速分量的負(fù)值和豎直向下風(fēng)速分量的負(fù)值，則平均風(fēng)速U可以按下式表示：

3.1.1 平均風(fēng)速與降雨強(qiáng)度時(shí)程分析

從圖2可見：降雨前，平均風(fēng)速較穩(wěn)定，該段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速為9.49 m/s，風(fēng)速在7.78～11.23 m/s 之內(nèi)；隨著降雨過程臨近，平均風(fēng)速出現(xiàn)上升趨勢(shì)；在降雨過程中，平均風(fēng)速變化快，風(fēng)速波動(dòng)性大，平均風(fēng)速為10.84 m/s，最大平均風(fēng)速為18.22 m/s，最小平均風(fēng)速僅為3.70 m/s。

熱帶低壓過境中，各個(gè)情況的平均風(fēng)速見表2。從表2可見：從降雨事件1到降雨事件6，平均風(fēng)速均高于降雨前的平均風(fēng)速，而降雨事件7中的平均風(fēng)速低于降雨前的平均風(fēng)速；降雨發(fā)生前后，平均風(fēng)速出現(xiàn)較強(qiáng)烈變化；在降雨過程中，無降雨的平均風(fēng)速高于降雨時(shí)的平均風(fēng)速。

3.1.2 有無降雨時(shí)平均風(fēng)速分布的對(duì)比分析

為分析有無降雨時(shí)平均風(fēng)速的分布情況是否有所不同，繪制有降雨和無降雨這2種情況下的平均風(fēng)速頻率分布直方圖。有無降雨平均風(fēng)速頻率直方圖如圖3所示。從圖3可見：與無降雨情況相比，有降雨時(shí)的平均風(fēng)速分布范圍較廣，為3.70～18.12 m/s，平均風(fēng)速為10.33 m/s，而無降雨時(shí)的平均風(fēng)速分布范圍為6.42～18.22 m/s，平均風(fēng)速為11.74 m/s；有降雨時(shí)平均風(fēng)速中位數(shù)為10.41 m/s，無降雨時(shí)的中位數(shù)為11.87 m/s，且有降雨時(shí)高風(fēng)速段所占比例較無降雨時(shí)小。

3.2 湍流強(qiáng)度

湍流強(qiáng)度是風(fēng)場(chǎng)特性中1 個(gè)基本和重要指標(biāo)，用于描述脈動(dòng)風(fēng)速強(qiáng)度，被定義為基本時(shí)距內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差和平均風(fēng)速的比值，即

式中：U(Z)為高度Z處的平均風(fēng)速；a為u，v和w，分別表示縱向、橫向和豎向脈動(dòng)風(fēng)速；σa(Z)表示高度為Z處的脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差；Ia(Z)為高度Z處的湍流強(qiáng)度。

3.2.1 湍流強(qiáng)度與降雨強(qiáng)度時(shí)程分析

圖3 有無降雨平均風(fēng)速頻率直方圖Fig.3 Frequency histogram of rain and rainless

對(duì)整個(gè)過程中的縱向、橫向和豎向湍流強(qiáng)度進(jìn)行分析，圖4所示為湍流強(qiáng)度與降雨強(qiáng)度時(shí)程圖。從圖4可見：在熱帶低壓過境過程中，3 個(gè)脈動(dòng)分量的湍流強(qiáng)度在降雨開始后出現(xiàn)較大波動(dòng)，但湍流強(qiáng)度與降雨強(qiáng)度的變化并不完全同步，湍流強(qiáng)度的變化存在滯后現(xiàn)象。

各個(gè)降雨事件與不同情況下的湍流強(qiáng)度如表2所示。

根據(jù)JTG T 3360-01—2018“公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范”[20]橋址處的地貌應(yīng)屬于A類地貌，儀器安裝高度為69.638 m，各脈動(dòng)分量湍流強(qiáng)度的推薦值分別為Iu=11%，Iv=9.7%，Iw=5.5%，湍流強(qiáng)度的變化范圍可為±30%。從表2可知：降雨前，各脈動(dòng)分量湍流強(qiáng)度處于較低水平，小于規(guī)范推薦值，但橫向湍流強(qiáng)度大于縱向湍流強(qiáng)度；在降雨過程中，降雨事件3、降雨事件5 和無降雨時(shí)的縱向湍流強(qiáng)度和橫向湍流強(qiáng)度均低于規(guī)范推薦值，豎向湍流強(qiáng)度在規(guī)范的推薦范圍內(nèi)，降雨事件3和降雨事件5 的平均降雨強(qiáng)度分別為0.15 mm/h 和0.16 mm/h，與其他降雨事件的平均降雨強(qiáng)度相比更接近無降雨時(shí)的平均降雨強(qiáng)度；在其余情況中，縱向湍流強(qiáng)度和橫向湍流強(qiáng)度均在規(guī)范推薦范圍內(nèi)，但豎向湍流強(qiáng)度略高于規(guī)范推薦值，降雨過程的豎向湍流強(qiáng)度是規(guī)范推薦值Iw=5.5% 的150.4%。

表2 降雨情況劃分Table 2 Division of rainfall pattern

圖4 湍流強(qiáng)度與降雨強(qiáng)度R時(shí)程圖Fig.4 Time histories of turbulence intensity and rainfall intensity

通過對(duì)比各個(gè)降雨事件和不同情況下的縱向湍流強(qiáng)度可知：降雨前，無論是平均風(fēng)速還是湍流強(qiáng)度均比降雨發(fā)生后的低；發(fā)生降雨后，在降雨過程中，縱向、橫向和豎向這3個(gè)脈動(dòng)分量的湍流強(qiáng)度分別為降雨前的219.3%，165.9% 和195.9%，有很大提高；降雨時(shí)，各脈動(dòng)分量湍流強(qiáng)度比無降雨時(shí)的大，縱向、橫向和豎向這3個(gè)脈動(dòng)分量的湍流強(qiáng)度分別為無降雨時(shí)的155.6%，132.6%和142.8%。

3.2.2 湍流強(qiáng)度與降雨參數(shù)

圖5所示為縱向湍流強(qiáng)度與降雨強(qiáng)度和平均粒子直徑之間的關(guān)系(其他脈動(dòng)分量的湍流強(qiáng)度與降雨強(qiáng)度、平均粒子直徑的關(guān)系與縱向湍流強(qiáng)度通它們之間的關(guān)系較相似，故這里僅給出縱向湍流強(qiáng)度與降雨強(qiáng)度、平均粒子直徑的關(guān)系)。

從圖5可知：湍流強(qiáng)度與降雨強(qiáng)度、平均粒子直徑之間的關(guān)系并不十分清晰，高湍流強(qiáng)度情況主要集中在小降雨強(qiáng)度段區(qū)域。造成該現(xiàn)象的原因可能是本文分析的參數(shù)主要是中小降雨強(qiáng)度，且大降雨強(qiáng)度的情況在降雨過程中出現(xiàn)的頻率要遠(yuǎn)比中小降雨強(qiáng)度情況在降雨過程中出現(xiàn)的頻率小，未能夠采集到足夠多的大降雨強(qiáng)度樣本。高湍流強(qiáng)度主要集中分布在平均粒子直徑為1 mm附近，在大粒子區(qū)域中并未觀察到較高的湍流強(qiáng)度，研究表明[23-24]，復(fù)雜的空氣運(yùn)動(dòng)會(huì)直接影響雨滴在其中的運(yùn)動(dòng)，使得雨滴蒸發(fā)、破碎以及相互間作用發(fā)生改變，在高湍流強(qiáng)度影響下，可能會(huì)使較大直徑雨滴破碎、分裂成小直徑雨滴，因此，在高湍流強(qiáng)度出現(xiàn)時(shí)，平均粒子直徑主要集中在1 mm附近。

3.3 湍流積分尺度

湍流積分尺度是用來描述脈動(dòng)風(fēng)中各種湍流渦旋沿某一方向的平均尺寸指標(biāo)。因結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載對(duì)湍流積分尺度較敏感，所以，湍流積分尺度是1個(gè)重要的風(fēng)特性指標(biāo)[8]。各脈動(dòng)分量沿順風(fēng)向的湍流積分尺度數(shù)學(xué)定義式[25]為

式中：a為u，v和w，它分別表示縱向、橫向和豎向；x表示順風(fēng)向；R12(r)為順風(fēng)向相距為r的2 點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)速之間的互協(xié)方差函數(shù)；為脈動(dòng)風(fēng)速a的方差；為脈動(dòng)風(fēng)速a沿順風(fēng)向x的湍流積分尺度。根據(jù)Taylor“渦流凍結(jié)傳輸”假設(shè)[26]，脈動(dòng)風(fēng)中的渦旋以不衰減的平均風(fēng)速向下游傳輸，可將式(5)轉(zhuǎn)換為時(shí)間尺度的形式：

式中；Ra(τ)為脈動(dòng)風(fēng)速a的自協(xié)方差函數(shù)；τ為時(shí)間延遲；Ra(0)=；Ta為脈動(dòng)風(fēng)速a的時(shí)間尺度。

3.3.1 湍流積分尺度與降雨強(qiáng)度時(shí)程分析

通過自相關(guān)函數(shù)積分計(jì)算獲得3個(gè)脈動(dòng)分量沿順風(fēng)向的湍流積分尺度，并將其與降雨強(qiáng)度時(shí)程進(jìn)行分析，如圖6所示。

不同情況下的各脈動(dòng)分量湍流積分尺度的平均值、最大值和最小值見表3。

從表3可知：降雨前的各脈動(dòng)分量湍流積分尺度平均值與降雨過程中的各脈動(dòng)分量湍流積分尺度較接近，降雨前的各脈動(dòng)分量湍流積分尺度比降雨過程中的略大，但結(jié)合圖6可知降雨過程中的湍流積分尺度較降雨前有很大不同。降雨過程中的湍流積分尺度最小值比降雨前的小，縱向、橫向和豎向這3個(gè)脈動(dòng)分量湍流積分尺度分別是降雨前的31.1%，26.1%和43.2%；而其最大值比降雨前的大，這3個(gè)脈動(dòng)分量湍流積分尺度分別是降雨前的146.6%，130.8%和137.0%。在降雨過程中，有降雨時(shí)的各脈動(dòng)分量湍流積分尺度的平均值、最大值與最小值均比無降雨時(shí)的小，但兩者較接近，區(qū)別并不明顯。

圖5 縱向湍流強(qiáng)度Iu與降雨參數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between longitudinal turbulence intensity and rainfall parameters

表3 不同情況下的湍流積分尺度Table 3 Turbulent integral scale under different conditions m

圖6 湍流積分尺度與降雨強(qiáng)度R時(shí)程圖Fig.6 Time histories of turbulence integral scale and rainfall intensity

3.3.2 時(shí)間尺度與降雨參數(shù)

從圖6可知：當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)，縱向、橫向和豎向這3個(gè)脈動(dòng)分量湍流積分尺度最小值、最大值均發(fā)生變化，與降雨前有所不同。湍流積分尺度和降雨特性之間可能存在一定的聯(lián)系。已有研究表明[1,27-28]，湍流積分尺度隨平均風(fēng)速增大而增大，為減小平均風(fēng)速帶來的影響，著重分析降雨與湍流積分尺度的關(guān)系。在熱帶低壓過境過程中，縱向、橫向和豎向這3個(gè)脈動(dòng)分量時(shí)間尺度與降雨強(qiáng)度、平均粒子直徑之間的關(guān)系較相似，為此，僅列出縱向時(shí)間尺度與降雨參數(shù)，如圖7所示。

從圖7中未能夠觀察到縱向時(shí)間尺度與降雨參數(shù)存在明確的聯(lián)系，時(shí)間尺度主要集中分布在小降雨強(qiáng)度區(qū)域。時(shí)間尺度與平均粒子直徑的關(guān)系和湍流強(qiáng)度與平均粒子直徑的關(guān)系有些類似，時(shí)間尺度中的大尺度主要集中在1 mm區(qū)域附近，可能是由于受天氣系統(tǒng)控制的低頻大渦為湍流活動(dòng)貢獻(xiàn)能量[29-30]，使二者出現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。

3.4 脈動(dòng)風(fēng)速功率譜

脈動(dòng)風(fēng)速功率譜反映了湍流動(dòng)能在頻域上的分布，可以用來描述不同尺寸渦旋運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)速脈動(dòng)能量的貢獻(xiàn)。脈動(dòng)風(fēng)速功率譜是風(fēng)工程研究中的1 個(gè)重要參數(shù)，一般都以約化風(fēng)譜的形式出現(xiàn)，如nSa/u2*(其中，n為工程頻率，單位為Hz；u*為摩擦風(fēng)速，單位為m/s；Sa為脈動(dòng)風(fēng)速a的功率譜密度函數(shù)，單位為m2/s)，這是因?yàn)樵撔问较碌募s化風(fēng)譜至少有1 個(gè)與典型湍流渦旋尺度相對(duì)應(yīng)的峰值。

圖8～10所示分別為降雨前、降雨時(shí)和無降雨這3種情況下典型時(shí)段縱向、橫向與豎向的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜，選取Simiu 譜、von Karman 譜與縱向、橫向的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜進(jìn)行對(duì)比，選取Panofsky譜、von Karman 譜和豎向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜進(jìn)行對(duì)比。

圖7 縱向時(shí)間尺度Tu與降雨參數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between longitudinal time scale and rainfall parameters

圖8 不同情況下縱向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度Fig.8 Power spectral density of longitudinal fluctuating component under different conditions

圖9 不同情況下橫向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度Fig.9 Power spectral density of transverse fluctuating component under different conditions

從圖10可見：降雨前，縱向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜在高頻段與低頻段和Simiu 譜吻合度較高，但與von Karman 譜對(duì)比，實(shí)測(cè)結(jié)果在低頻段略高，在高頻段略低；橫向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜在低頻段略低于Simiu譜和von Karman譜，在高頻段與這2個(gè)經(jīng)驗(yàn)譜吻合度較高；豎向脈動(dòng)風(fēng)速功率在低頻段略低于Panofsky譜和von Karman譜，在高頻段與這2個(gè)經(jīng)驗(yàn)譜吻合度較高；在降雨過程中，即有降雨與無降雨時(shí)，縱向和橫向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜在低頻段略低于Simiu譜和von Karman譜，在高頻段出現(xiàn)上揚(yáng)趨勢(shì)，且高于這2個(gè)經(jīng)驗(yàn)譜；豎向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜在低頻段略低于Panofsky譜和von Karman譜，在高頻段出現(xiàn)上揚(yáng)趨勢(shì)，且高于這2個(gè)經(jīng)驗(yàn)譜。實(shí)測(cè)譜顯示出與經(jīng)驗(yàn)譜不一樣的變化趨勢(shì)，與TANG等[10,21,27]觀測(cè)到的臺(tái)風(fēng)登陸過程中的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度變化趨勢(shì)較相似。

圖10 不同情況下豎向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度Fig.10 Power spectral density of vertical fluctuating component under different conditions

4 結(jié)論

1)在降雨過程剛發(fā)生時(shí)，平均風(fēng)速變化較大，降雨前的平均風(fēng)速為9.57 m/s，降雨過程中的平均風(fēng)速為10.84 m/s，比降雨前的平均風(fēng)速大13.3%；降雨時(shí)平均風(fēng)速為10.33 m/s，無降雨的平均風(fēng)速為11.74 m/s，較降雨時(shí)的平均風(fēng)速大13.7%。平均風(fēng)速的變化在降雨過程中要比降雨前大得多。在降雨事件中，平均風(fēng)速在降雨出現(xiàn)前后開始增大，但隨著降雨持續(xù)，平均風(fēng)速開始出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。降雨過程結(jié)束后一段時(shí)間內(nèi)，平均風(fēng)速較低，低于降雨前和降雨過程中的平均風(fēng)速。

2)湍流強(qiáng)度在降雨前與降雨過程中的變化最顯著，與降雨前相比，降雨過程中縱向、橫向和豎向這3 個(gè)脈動(dòng)分量的湍流強(qiáng)度分別為降雨前的219.3%，165.0%和195.9%。當(dāng)某個(gè)降雨事件的平均降雨強(qiáng)度較低時(shí)，該階段內(nèi)的湍流強(qiáng)度也低于降雨過程的平均湍流強(qiáng)度。湍流強(qiáng)度與降雨強(qiáng)度、平均粒子直徑?jīng)]有存在顯著相關(guān)性，但高湍流強(qiáng)度會(huì)使得大直徑的雨滴發(fā)生蒸發(fā)、破碎，高湍流強(qiáng)度主要集中在平均粒子直徑為1 mm區(qū)域附近。

3)各脈動(dòng)分量湍流積分尺度的均值在降雨前與降雨過程中較接近，但其最大值與最小值有較大不同，降雨過程中各脈動(dòng)分量湍流積分尺度的最小值比降雨前小，而最大值比降雨前大。有降雨和無降雨時(shí)各脈動(dòng)分量湍流積分尺度無論均值還是最大值、最小值都較相近，沒有明顯差別。湍流積分尺度與每分鐘的降雨強(qiáng)度、平均粒子直徑?jīng)]有明確的相關(guān)性，大尺度渦和湍流強(qiáng)度主要集中在1 mm的平均粒子直徑區(qū)域。這可能是由于大尺度渦為湍流活動(dòng)提供了能量，使得湍流強(qiáng)度增大。

4)熱帶低壓中的各分量脈動(dòng)風(fēng)速功率譜在降雨前、降雨過程(包含有降雨和無降雨)這2 種情況下有較大不同，主要體現(xiàn)在高頻段上，降雨過程中的各分量脈動(dòng)風(fēng)速功率譜在高頻段出現(xiàn)上揚(yáng)，高于經(jīng)驗(yàn)譜。在有降雨和無降雨這2種情況下的各分量脈動(dòng)風(fēng)速功率譜變化趨勢(shì)相同。