帽兒山地區臺風“美莎克”風場實測分析

衣海林

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 臺風路徑及現場實測

“美莎克”于2020年8月28日15時發源于在菲律賓呂宋島以東，在原地回旋后，轉向偏北轉北偏西方向的東海東南部海面移動，9月1日5時定義為超強臺風。此后“美莎克”逐漸轉向北偏東方向移動，強度轉趨減弱，于9月3日1時韓國慶尚南道沿海登陸，后繼續北上，并于9月3日13時移入中國吉林省，隨后停止編號。

帽兒山風環境觀測塔坐落在中國黑龍江帽兒山國家野外科學觀測研究站(北緯45°24′，東經127°40′)附近。該區域位于我國東北部，但是今年受到太平洋信風影響，臺風登陸影響東北地區的次數較往年相比較多。觀測站設置有50 m高的觀測塔，分別設置有5個來自英國GILL的三維超聲波風速傳感器WindMaster來分析研究復雜地形林區的季風和臺風特性。風速觀測層距地面距離分別為5 m、10 m、20 m、35 m和50 m，傳感器的采樣頻率設置為10 Hz，本次研究由于篇幅有限，只使用50 m高度的風速數據來分析處理。

2 實測數據處理

2.1 實測數據預處理

按照《公路橋梁抗風設計規范》，將數據劃分為10 min時間間隔處理分析。使用超聲波風速計可以獲得三個方向的風速矢量數據，即Ux，Uy和Uz。統計時距內的平均風速U和對應的平均風向角β分別根據公式(1)和(2)計算

(1)

(2)

順風向、橫風向和豎向的脈動風速分別為u、v和w,可以通過以下公式計算

u=Uxcosβ+Uysinβ-U

(3)

v=Uycosβ+Uxsinβ

(4)

w=Uz-W

(5)

2.2 湍流強度

湍流強度可以表征實測脈 動風速的強烈程度，作為描述大氣湍流強弱的重要統計參數，計算公式可表示為

(6)

2.3 陣風因子

陣風因子定義是在陣風持續周期內最大平均風速與10 min平均風速之比，表達式為

(7)

(8)

(9)

式中：tg是陣風持續周期，u(tg)、v(tg)和w(tg)是陣風持續時間內各個方向的脈動風速的大小。

3 數據處理分析

通過對實測數據處理得到2020年9月3日20時到9月4日20時時間段內，總共24 h的平均風速和風向圖，可以看出平均風向開始時60°～180°，隨后發生變化，并在隨后的時間段內穩定在180°～240°之間。在整個影響過程中，平均風速大小隨時間不斷變化，說明由于受到臺風遠端風場的影響且觀測地離臺風中心距離的不斷改變，導致風速強度隨時間影響不斷發生變化。

3.1 湍流強度

以規范要求的10 min統計時間計算得到的湍流強度來研究臺風“美莎克”的脈動風特性。圖1分別給出了橫風向、順風向和豎風向湍流強度隨平均風速大小的變化圖，圖中可以看出三個方向的湍流強度大小整體為Iu>Iv>Iw，而且隨著平均風速的增加，各個方向的湍流強度也會隨之減小，其中，順風向湍流強度減小幅度最大。

圖1 湍流強度隨平均風速變化

規范給出的湍流強度比為1∶0.88∶0.50，表1是“美莎克”的各個方向的湍流強度比值。顯然跟規范值有很大的差距，但是Iv/Iu接近規范值0.88。

表1 臺風“美莎克”的湍流強度比

3.2 陣風因子

為研究使用不同的陣風持續周期tg對計算得到的陣風因子大小的影響。

圖2給出此次臺風過程中，不同陣風持續周期(1 s、3 s和60 s)下的橫風向、順風向和豎向陣風因子隨平均風速變化圖。可以從圖中看出：隨著持續周期和平均風速的增加，三個方向的陣風因子均有不同程度的下降。并且，1 s和3 s的短持續周期下的陣風因子比60 s的陣風因子隨風速大小變化更加明顯。陣風持續周期為1 s和3 s下陣風因子與60 s陣風因子相比，離散程度更高。這意味著在短持續周期條件下，陣風效應更明顯，但更具有離散性。而且低風速下陣風因子的離散性要比高風速下更高。

圖2 不同方向陣風因子隨風速變化

3.3 湍流強度與陣風因子的關系

陣風因子、湍流強度以及陣風持續周期的關系是風的脈動特性分析中十分重要的參數。目前很多學者根據實測風速樣本擬合得到了了三者之間的關系。其中Ishizaki給出了以下公式

(10)

式中:取基本時距T為10 min，tg取3 s。順風向的陣風因子與湍流強度的關系如圖3所示。基于上述公式使用最小二乘法擬合結果為a=0.49，b=0.88，即湍流強度與陣風因子有很強的正相關性。并且由于不同地區的風特性下，湍流強度與陣風因子的擬合參數通常有很大的差別，并沒有統一的規范標準。因此需要大量的實測數據統計來揭示兩者的關系，為當地抗風設計給與參考。

圖3 湍流強度與陣風因子的關系

4 結 論

利用超聲波風速傳感器對受到遠端臺風“美莎克”影響下的帽兒山附近復雜地形林區的風速特征進行實測研究，主要得到以下結論：

(1)受臺風“美莎克”遠端風場的影響下，觀測地的平均風向角隨時間先增加，然后主要在分布在180°～240°之間，平均風速強度隨時間不斷變化。

(2)臺風“美莎克”遠端風場，各個方向的湍流強度隨平均風速的增加而減小，湍流強度比與規范相差較大，但是，Iv/Iu接近規范值0.88。

(3)臺風“美莎克”遠端風場影響下，各個方向的陣風因子會隨著陣風持續周期和平均風速的增加而有所下降。