上海陸家嘴地區(qū)高空臺風(fēng)“溫比亞”風(fēng)特性實(shí)測

傅國強(qiáng)，全涌，顧明，黃子逢

（同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

近年來，隨著全球氣候變暖，各種極端氣候事件頻發(fā).2018 年第21 號超強(qiáng)臺風(fēng)“飛燕”登陸日本，最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)57.4 m/s，造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，被日本稱為25 年來最強(qiáng)大的臺風(fēng).我國東南沿海地區(qū)也是世界上受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一，僅2018 年7 月、8 月兩個(gè)月，就有5 次臺風(fēng)先后登陸福建、上海和浙江.上海更是成為我國有氣象記錄以來首個(gè)30 d 內(nèi)有3 個(gè)臺風(fēng)正面登陸的城市.

臺風(fēng)風(fēng)場與常規(guī)風(fēng)場有很大差異，在風(fēng)洞試驗(yàn)中很難進(jìn)行模擬，因此現(xiàn)場實(shí)測是現(xiàn)階段最直接和最有效的研究手段，也是風(fēng)工程研究中非常重要的基礎(chǔ)性和長期性的研究方向[1].風(fēng)工程研究發(fā)達(dá)的國家基于長期的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)建立起本地區(qū)的風(fēng)特性數(shù)據(jù)庫，如挪威[2]、英國[3]、加拿大[4]等都建有近海觀測數(shù)據(jù)庫.美國圣母大學(xué)[5-6]對芝加哥4 棟高層建筑進(jìn)行了長期的現(xiàn)場實(shí)測研究.近年來國內(nèi)學(xué)者也開展了大量的實(shí)測研究，取得了一些進(jìn)展.文獻(xiàn)[7-12]在深圳平安金融中心、廣州西塔、臺北101 等數(shù)十棟超高層建筑開展了多次現(xiàn)場實(shí)測研究，詳細(xì)地分析了這些超高層建筑在臺風(fēng)作用下頂部的平均風(fēng)速、風(fēng)向、湍流度、陣風(fēng)因子、峰值因子、湍流積分尺度和脈動風(fēng)功率譜密度等風(fēng)場特性和動力特性.Xu 等[13]在深圳地王大廈對強(qiáng)風(fēng)的平均和脈動特性，以及結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)下的響應(yīng)進(jìn)行了研究，并給出了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)擬合公式；Guo 等[14]通過在廣州塔所布置的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對3 次臺風(fēng)作用下的平均風(fēng)速、風(fēng)向、湍流度等風(fēng)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行研究，與風(fēng)洞試驗(yàn)對比并評估了舒適度.史文海等[15]對廈門某超高層建筑在某次臺風(fēng)作用下的風(fēng)場和建筑表面風(fēng)壓進(jìn)行了同步實(shí)測，對湍流度、陣風(fēng)因子、脈動風(fēng)功率譜以及平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究.梁樞果等[16]對武漢某超高層建筑在良態(tài)風(fēng)作用下的頂部風(fēng)速與表面風(fēng)壓進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測.何宏明等[17]利用臺風(fēng)“海馬”登陸中心的觀測塔的風(fēng)速儀設(shè)備對不同高度處的風(fēng)場特征參數(shù)進(jìn)行了分析.張志田等[18]對江底河大橋橋址處深切峽谷的風(fēng)場特性進(jìn)行研究，詳細(xì)分析了深切峽谷地形特征對風(fēng)速風(fēng)向及湍流特性的影響.沈煉等[19]對某山區(qū)峽谷橋址處風(fēng)場進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬研究，得到了峽谷橋址處風(fēng)場的詳細(xì)分布特性.盡管許多學(xué)者在臺風(fēng)風(fēng)特性實(shí)測方面做了大量的工作，并且在我國華南地區(qū)取得了豐碩成果，但是由于現(xiàn)場實(shí)測費(fèi)用大、周期長、難度大，目前人們對臺風(fēng)風(fēng)特性的認(rèn)識還遠(yuǎn)不清楚.

上海地區(qū)緯度相對較高，直接登陸的臺風(fēng)很少，因此在上海進(jìn)行臺風(fēng)風(fēng)特性現(xiàn)場實(shí)測對我國華東地區(qū)臺風(fēng)風(fēng)特性的研究和擴(kuò)充上海地區(qū)高空風(fēng)速數(shù)據(jù)庫具有非常重要的意義.本文利用上海環(huán)球金融中心頂部（497 m）超聲波風(fēng)速儀采集到的臺風(fēng)“溫比亞”風(fēng)速數(shù)據(jù)，對平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、峰值因子、湍流積分尺度和脈動風(fēng)功率譜進(jìn)行了詳細(xì)地分析.研究成果可為相近地區(qū)的超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考.

1 臺風(fēng)“溫比亞”及現(xiàn)場實(shí)測概況

2018 年第18 號臺風(fēng)“溫比亞”（英文名：Typhoon Rumbia）于8 月15 日14 時(shí)在東海東南部生成.8 月16 日21 時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴.8 月17 日4 時(shí)在上海市浦東新區(qū)南部沿海登陸.登陸時(shí)由強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級減弱為熱帶風(fēng)暴級，中心附近最大風(fēng)力為9 級，中心最低氣壓98.5 kPa.臺風(fēng)“溫比亞”登陸后向西偏北方向移動，強(qiáng)度逐漸減弱，在黃海北部海面變性為溫帶氣旋，并于8 月21 日2 時(shí)停止編號.在臺風(fēng)“溫比亞”經(jīng)過上海過程中，其先從東南方向逐漸靠近觀測地點(diǎn)；8 月17 日5 時(shí)其路徑中心距離觀測地點(diǎn)最近，距離達(dá)到18 km；隨后其逐漸向西并遠(yuǎn)離觀測地點(diǎn).

上海環(huán)球金融中心（圖1）位于上海市陸家嘴金融核心區(qū)，結(jié)構(gòu)高度為492 m，地上共有101 層.金茂大廈（420.5 m）和上海中心（632 m）分別位于環(huán)球金融中心的西北部和西南部，除此之外其周圍還密集分布有大量高層與超高層建筑，這使得環(huán)球金融中心的近地風(fēng)特性極其復(fù)雜.

圖1 上海環(huán)球金融中心周邊環(huán)境和頂部俯瞰圖Fig.1 Surroundings and top view of the Shanghai World Financial Center

風(fēng)速監(jiān)測系統(tǒng)的觀測點(diǎn)設(shè)置在上海環(huán)球金融中心101 層?xùn)|北端和西南端，兩側(cè)均安裝有一臺英國Gill 公司生產(chǎn)Windmaster Pro 超聲風(fēng)速儀（圖1 和圖2），離地高度約494 m，兩端儀器間距約72 m.超聲風(fēng)速儀的3 個(gè)分量U，V，W 分別對應(yīng)正北、正西和豎直向上，風(fēng)向角按俯視逆時(shí)針方向遞增，以南風(fēng)為0°，東風(fēng)為90°，如圖2 所示.超聲波風(fēng)速儀風(fēng)速量程為0.01～65 m/s，采樣頻率為10 Hz，采樣得到的數(shù)據(jù)通過Campbell 公司生產(chǎn)的CR3000 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)存儲.為避免來流風(fēng)受到環(huán)球金融中心頂部女兒墻、擦窗機(jī)、建筑本身等繞流影響，經(jīng)過計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）計(jì)算得知，當(dāng)來流方向在以東北角和西南角連線為平分線22.5°范圍內(nèi)可忽略繞流影響，即東北端有效風(fēng)向角為112.5°～157.5°，西南端有效風(fēng)向角為292.5°～337.5°.

圖2 超聲波風(fēng)速儀Fig.2 Windmaster pro ultrasonic anemometer

2 臺風(fēng)“溫比亞”風(fēng)特性分析

2.1 平均風(fēng)特性

選取東北端超聲風(fēng)速儀從2018 年8 月15 日20：00 至8 月17 日16：00 采集得到的共44 h 的風(fēng)速時(shí)程數(shù)據(jù)作為平均風(fēng)特性分析樣本.本文利用矢量分解法[20]對采集得到的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到平均水平風(fēng)速U 和平均水平風(fēng)向角Φ.由于風(fēng)速的豎向分量對高層建筑影響較小，所以這里不考慮豎向平均及脈動風(fēng)速.根據(jù)中國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[21]，本文以10 min 作為分析時(shí)距，可得到264 個(gè)連續(xù)的10 min 風(fēng)速時(shí)程樣本.圖3 和圖4 分別為東北端縱向10 min 平均風(fēng)速和10 min 平均風(fēng)向角變化情況.

從圖3 中可以看到，10 min 平均風(fēng)速隨著時(shí)間呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢.2018 年8 月16 日10時(shí)至8 月17 日2 時(shí)，10 min 平均風(fēng)速從11.33 m/s逐漸增大，最大風(fēng)速達(dá)到22.52 m/s，隨后逐漸減小到3 m/s 左右.從圖4 中可以看到，10 min 平均風(fēng)向角先在120°至180°左右波動，隨著臺風(fēng)“溫比亞”登陸和遠(yuǎn)離上海，平均風(fēng)向角瞬間增大至270°，之后逐漸穩(wěn)定在190°左右.

圖3 10 min 平均風(fēng)速Fig.3 10 min mean wind speed

圖4 10 min 平均風(fēng)向角Fig.4 10 min mean wind directon

結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，不同時(shí)距平均風(fēng)速的相互關(guān)系具有重要工程價(jià)值和理論意義.張相庭[22]根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對不同時(shí)距平均風(fēng)速的研究比較，統(tǒng)計(jì)得到近似比值關(guān)系，如表1 所示.

表1 不同時(shí)距平均風(fēng)速近似比值關(guān)系Tab.1 The approximate ratio of the mean wind speed with different time interval

圖5 為1 h 內(nèi)時(shí)距分別為3 s、10 min 和1 h 的平均風(fēng)速變化情況.可以看到，3 s、10 min、1 h 3 個(gè)時(shí)距的平均風(fēng)速變化趨勢一致.隨著時(shí)距減小，最大平均風(fēng)速逐漸增大，其中1 h 內(nèi)3 s 最大平均風(fēng)速為29.10 m/s，發(fā)生在2018 年8 月17 日5 時(shí).

圖5 1 h 內(nèi)不同時(shí)距最大平均風(fēng)速Fig.5 Maximum mean wind speeds in 1 h with different time interval

圖6 和圖7 分別為3 s 最大平均風(fēng)速隨10 min平均風(fēng)速變化關(guān)系和10 min 最大平均風(fēng)速隨1 h 平均風(fēng)速變化關(guān)系.從圖中可以看出，3 s 最大平均風(fēng)速與10 min 平均風(fēng)速和10 min 最大平均風(fēng)速與1 h平均風(fēng)速均呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系.本文實(shí)測結(jié)果與張相庭[22]的統(tǒng)計(jì)近似比值存在一定的差距，這應(yīng)該是觀測高度差異所導(dǎo)致的.本研究觀測高度離地近500 m，風(fēng)速的湍流強(qiáng)度應(yīng)該低于離地高度較小的區(qū)域，這導(dǎo)致短觀測時(shí)矩和長觀測時(shí)矩的最大風(fēng)速之比減小.

圖6 3 s 最大平均風(fēng)速隨10 min 平均風(fēng)速變化關(guān)系Fig.6 Maximum 3 s mean wind speed versus 10 min mean wind speed

2.2 脈動風(fēng)特性

本文選取2018 年8 月16 日13：30 至8 月17日03：00 東北端采集得到的有效風(fēng)向角范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.下文中如無特殊說明，分析時(shí)距均為10 min.

圖7 10 min 最大平均風(fēng)速隨1 h 平均風(fēng)速變化關(guān)系Fig.7 Maximum 10 min mean wind speed versus 1 h mean wind speed

2.2.1 湍流強(qiáng)度

湍流強(qiáng)度描述了風(fēng)速隨時(shí)間變化的程度，反映了脈動風(fēng)的相對強(qiáng)度，是描述脈動風(fēng)特性的重要參數(shù).湍流強(qiáng)度通常定義為10 min 時(shí)距內(nèi)脈動風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差與水平平均風(fēng)速U 的比值.

式中：Ii（i=u，v）分別為縱向和橫向湍流強(qiáng)度；σi（i=u，v）分別表示脈動風(fēng)速u（t）和v（t）在10 min 時(shí)距內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差.圖8 為縱向和橫向湍流強(qiáng)度隨10 min 平均風(fēng)速變化的關(guān)系.從圖中可以看出，當(dāng)10 min 平均風(fēng)速小于16 m/s 時(shí)，縱向和橫向湍流強(qiáng)度均隨著10 min 平均風(fēng)速增加而下降，但當(dāng)10 min 平均風(fēng)速大于16 m/s 后兩者卻沒有明顯的變化趨勢.

圖8 湍流強(qiáng)度與10 min 平均風(fēng)速的關(guān)系Fig.8 Turbulence intensities versus 10 min mean wind speed

表2 實(shí)測湍流強(qiáng)度對比Tab.2 Comparison of turbulence intensities

2.2.2 陣風(fēng)因子

風(fēng)速的極值特性是風(fēng)特性分析中十分重要的部分.陣風(fēng)因子反映了陣風(fēng)風(fēng)速與平均風(fēng)速之比，定義為陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間tg（本文取3 s）內(nèi)最大平均風(fēng)速與分析時(shí)距（10 min）的水平平均風(fēng)速U 之比，即

式中：Gi（tg）（i=u，v）分別為縱向和橫向陣風(fēng)因子；分別表示縱向和橫向脈動風(fēng)在分析時(shí)距（10 min）內(nèi)陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間tg的最大平均風(fēng)速.圖9 為縱向和橫向陣風(fēng)因子Gu、Gv隨10 min 平均風(fēng)速變化情況.從圖中可以看出，Gu隨平均風(fēng)速增加沒有明顯的變化趨勢，Gv則先隨著平均風(fēng)速的增加而逐漸減小，當(dāng)10 min 平均風(fēng)速大于16 m/s 后逐漸趨于穩(wěn)定.Gu、Gv平均值分別為1.26、0.37，兩者比值為=1 ∶0.29.An 等，Quan 等和黃子逢等也對陣風(fēng)因子進(jìn)行了分析，見表3.從表中可以看出，本文實(shí)測結(jié)果與An 等實(shí)測結(jié)果接近，Gu和Gv與Quan 等實(shí)測結(jié)果相差比較大，Gv與黃子逢等實(shí)測結(jié)果存在差異，原因與上文中湍流強(qiáng)度存在差異的原因相同.

圖9 陣風(fēng)因子與10 min 平均風(fēng)速關(guān)系Fig.9 Gust factors versus 10 min mean wind speed

表3 實(shí)測陣風(fēng)因子對比Tab.3 Comparison of gust factors

陣風(fēng)因子和湍流度之間的關(guān)系是風(fēng)特性分析中重要的脈動參數(shù)關(guān)系.圖10 為縱向和橫向陣風(fēng)因子與湍流強(qiáng)度之間的關(guān)系，從圖10 可知，縱向和橫向的陣風(fēng)因子均隨著湍流強(qiáng)度增加而增加.Cao 等[27]和Li 等[28]利用實(shí)測數(shù)據(jù)對陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式進(jìn)行了線性和非線性擬合，表達(dá)式可統(tǒng)一為：

式中：a 和b 均為待擬合參數(shù)；T 為分析時(shí)距，取10 min；tg為陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間，本文取3 s.本文分別對縱向和橫向陣風(fēng)因子與湍流強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行線性和非線性擬合.線性擬合結(jié)果為Gu=1.21Iu+1.09，Gv=2.61Iu+0.02；非線性擬合結(jié)果為Gu=1+0.19Iu0.67ln（600/3），Gv=0.60Iv1.09ln（600/3）.從圖10 可知，Gu與線性和非線性擬合結(jié)果接近，Gv在低湍流強(qiáng)度時(shí)吻合得很好，隨著湍流強(qiáng)度增加陣風(fēng)因子略呈發(fā)散趨勢.總體上Gu和Gv隨著湍流強(qiáng)度的增加而呈現(xiàn)線性增加的趨勢.

圖10 湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子關(guān)系Fig.10 Gust factors versus turbulence intensities

2.2.3 峰值因子

峰值因子也是反映風(fēng)速極值特性的重要參數(shù).峰值因子表征了脈動風(fēng)速的瞬時(shí)強(qiáng)度，定義為：

式中：gu為峰值因子；為分析時(shí)距（10 min）內(nèi)陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間tg（3 s）最大平均風(fēng)速；σu為分析時(shí)距內(nèi)脈動風(fēng)速u（t）標(biāo)準(zhǔn)差.圖11 為峰值因子隨10 min 平均風(fēng)速變化的情況.從圖中可以看到，峰值因子在平均風(fēng)速小于16 m/s 時(shí)受平均風(fēng)速影響的規(guī)律性不明顯.當(dāng)平均風(fēng)速大于16 m/s 時(shí)，峰值因子呈現(xiàn)出隨平均風(fēng)速先增大后減小，并逐漸趨于穩(wěn)定.總體來看，峰值因子呈現(xiàn)出隨著10 min 平均風(fēng)速增大而略微增大的趨勢，變化區(qū)間為[1.33，2.91]，平均值為1.98.表4 為4 次實(shí)測峰值因子均值的對比.本次實(shí)測結(jié)果峰值因子均值稍低.4 次實(shí)測結(jié)果的峰值因子均有隨著10 min 平均風(fēng)速增大而增大的趨勢.

圖11 峰值因子與10 min 平均風(fēng)速關(guān)系Fig.11 Peak factors versus 10 min mean wind speed

表4 實(shí)測峰值因子對比Tab.4 Comparison of peak factors

2.2.4 湍流積分尺度

湍流積分尺度定義了若干具有一定特征的代表性的渦旋尺度來表征湍流中渦旋的平均尺度.本文采用基于Taylor 假設(shè)自相關(guān)函數(shù)法計(jì)算縱向和橫向脈動風(fēng)速的湍流積分尺度.計(jì)算公式為：

圖12 湍流積分尺度與10 min平均風(fēng)速關(guān)系Fig.12 Turbulence integral length scale versus 10 min mean wind speed

表5 實(shí)測湍流積分尺度對比Tab.5 Comparison of turbulence integral length

2.2.5 脈動風(fēng)功率譜

脈動風(fēng)功率譜密度描述了湍流中不同尺度的渦的動能對湍流脈動動能的貢獻(xiàn)，它在頻域上的分布代表了湍動能在不同尺度上的能量分布比例.各國學(xué)者提出了幾種具有代表性的擬合經(jīng)驗(yàn)功率譜，分別為達(dá)文波特譜、馮卡門譜、卡曼譜以及哈里斯譜.馮卡門（Von-Karman）譜的表達(dá)式為：

式中：Su（n）和Sv（n）分別為縱向和橫向脈動風(fēng)功率譜密度；和分別為相應(yīng)的脈動風(fēng)速方差；n 為脈動風(fēng)速頻率.圖13 和圖14 分別為實(shí)測得到不同平均風(fēng)速下縱向和橫向的歸一化平均脈動風(fēng)功率譜.從圖中可以看出，高風(fēng)速樣本在高頻段譜值比低風(fēng)速樣本大，在慣性子區(qū)內(nèi)衰減速率也比低風(fēng)速樣本緩慢；不同平均風(fēng)速下縱向和橫向脈動風(fēng)功率譜和相應(yīng)的Von-Karman 譜均吻合得很好，在高頻部分略大于Von-Karman 譜.

圖13 歸一化縱向脈動風(fēng)功率譜密度Fig.13 Normalized power spectra density of longitudinal fluctuating wind speed

圖14 歸一化橫向脈動風(fēng)功率譜密度Fig.14 Normalized power spectra density of lateral fluctuating wind speed

3 結(jié)論

本文通過對臺風(fēng)“溫比亞”登陸上海前后上海環(huán)球金融中心頂部東北端超聲風(fēng)速儀記錄的風(fēng)速時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

1）3 s 最大平均風(fēng)速與10 min 平均風(fēng)速呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系：y=1.32x；10 min 最大平均風(fēng)速與1 h 平均風(fēng)速也呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系：y=1.14x.本文實(shí)測結(jié)果與張相庭[22]的近似統(tǒng)計(jì)比值存在一定的差距.

2）縱向和橫向湍流強(qiáng)度均值分別為0.135 和0.132，比值為=1 ∶0.98.湍流強(qiáng)度隨著平均風(fēng)速增加而下降，但當(dāng)平均風(fēng)速大于16 m/s 后卻沒有明顯的變化趨勢.本文實(shí)測結(jié)果比中國規(guī)范和日本規(guī)范略大.

3） 縱向和橫向陣風(fēng)因子均值分別為1.26 和0.37，比值為=1 ∶0.29.Gu隨平均風(fēng)速增加沒有明顯的變化趨勢，Gv隨著平均風(fēng)速的增加而逐漸減小.縱向和橫向的陣風(fēng)因子與湍流強(qiáng)度的線性擬合結(jié)果與非線性擬合結(jié)果吻合較好，表明Gu和Gv隨著湍流強(qiáng)度的增加而呈現(xiàn)線性增加的趨勢.

4）峰值因子呈現(xiàn)出隨著平均風(fēng)速增大而增大的趨勢.峰值因子的變化區(qū)間為 [1.33，2.91]，均值為1.98.

5）縱向和橫向湍流積分尺度均值分別為261.06 m、136.93 m，比值為Lu∶Lv=1 ∶0.52.湍流積分尺度隨平均風(fēng)速增加而沒有明顯的變化趨勢.

6）實(shí)測臺風(fēng)“溫比亞”縱向和橫向脈動風(fēng)功率譜與Von-Karman 譜吻合得很好.