臺風(fēng)“Soulik”東南沿海近地風(fēng)剖面特性研究

李東亮，張宏杰，韓軍科

(1.國家電網(wǎng)有限公司，北京 100031；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100055)

臺風(fēng)為沿海地區(qū)頻發(fā)的自然災(zāi)害，每年臺風(fēng)都會造成沿海地區(qū)大量的人員傷亡和房屋倒塌。尤其是沿海地區(qū)近年來興建了大量的大跨越鐵塔，風(fēng)荷載成為了這類高聳結(jié)構(gòu)的控制荷載。為保證輸電鐵塔安全，提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，更好地了解臺風(fēng)的風(fēng)場分布和強(qiáng)度具有極為重要的意義。

研究近地風(fēng)沿高度的變化規(guī)律，可以較為精確地獲得設(shè)計風(fēng)荷載所需的風(fēng)特性參數(shù)，這對于受風(fēng)荷載影響較大的高聳鐵塔的抗風(fēng)設(shè)計尤為重要。近幾十年來，世界各國對強(qiáng)風(fēng)進(jìn)行了許多的現(xiàn)場實測，如 Tieleman[1]通過分析大量的實測數(shù)據(jù)，得出大氣表層高度隨粗糙度和平均風(fēng)速的增大而增大，至少為150 m的結(jié)論，并且認(rèn)為達(dá)文波特的“梯度風(fēng)高度”不是風(fēng)速的函數(shù)，近似等于大氣表層高度的兩倍值。李利孝等[2]研究了臺風(fēng)“黑格比”邊界層風(fēng)剖面特征，得出摩擦速度與平均風(fēng)速的關(guān)系為近似線性增長。王旭等[3]基于上海浦東地區(qū)10 m，20 m，30 m和40 m高度實測臺風(fēng)“梅花”數(shù)據(jù)，研究了上海浦東地區(qū)近地風(fēng)的風(fēng)剖面特性，得出了平均風(fēng)速，湍流度和陣風(fēng)因子隨高度的變化規(guī)律。趙林等[4]利用浙江沿海東海塘觀測站實測的3個臺風(fēng)(“海棠”、“麥莎”和“卡努”)，統(tǒng)計得到風(fēng)剖面冪指數(shù)隨臺風(fēng)中心與觀測塔的距離增大而減小，并且在A類地貌下，大于我國規(guī)范建議值0.12。Li等[5]以某輸電塔上5臺不同高度的三維超聲風(fēng)速儀實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了我國福建地區(qū)近地風(fēng)場特性。并依據(jù)指數(shù)率模型擬合出風(fēng)剖面冪指數(shù)和湍流強(qiáng)度剖面。Shu等[6]以香港沿海氣象觀測站用杯型風(fēng)速計和多普勒雷達(dá)同步實測數(shù)據(jù)得出了季風(fēng)和雷雨大風(fēng)的風(fēng)剖面形狀，并導(dǎo)出了冪率和指數(shù)率模型中包含的擬合參數(shù)。然而，由于野外監(jiān)測周期長，設(shè)備維護(hù)成本高昂，實時臺風(fēng)數(shù)據(jù)難以采集，使得我國缺乏對沿海地區(qū)近地風(fēng)剖面的研究。基于此，選取福建寧德地區(qū)500 kV輸電桿塔作為觀測基站，研究了臺風(fēng)“Soulik”過境時的近地風(fēng)場特征。以期為臺風(fēng)影響區(qū)的輸電鐵塔等高聳結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計提供參考。

1 觀測地點及測量程序

1.1 臺風(fēng)Soulik的介紹

2013年的07號熱帶風(fēng)暴“Soulik”于西北太平洋上生成，42 h后升級為超強(qiáng)臺風(fēng)，最大風(fēng)力16級，以20 km/h的風(fēng)速移動。于2013年7月13日16時在中國福建省連江縣黃岐半島沿海登陸，13日17時再次削減為熱帶風(fēng)暴。此次臺風(fēng)具有強(qiáng)度高，路徑穩(wěn)定、影響范圍廣的特征。

1.2 場地概況和儀器

實測場地位于福建省寧德市霞浦縣牙城鎮(zhèn)洪山村，選取550 kV寧德的笠里核電送出線路上的52#桿塔為研究對象。該場地為南、北方向山丘環(huán)繞的河谷型地貌，介于北緯26°25′～27°09′，東經(jīng)119°46′～120°26′，北距溫州、南距福州均160 km。在塔身上安裝有5個三維超聲風(fēng)速儀，分別距離地面15 m，27 m，53 m，67 m和82 m。5個風(fēng)速儀同步計量風(fēng)速，采樣頻率為10 Hz，如圖1所示。采樣的時段為2013年7月13日0時—2013年7月13日22時，并按10 min平均時距進(jìn)行子樣本分割。

圖1 儀器安裝位置Fig.1 Installation position of the instrument

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 風(fēng)速廓線

在大氣邊界層內(nèi)，用風(fēng)速廓線理論研究平均風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律。常用的風(fēng)速廓線理論模型包括指數(shù)率模型、對數(shù)率模型[7]和Deaves-Harries模型[8-10]。

2.1.1 指數(shù)率模型

Davenport通過大量的實測研究，提出平均風(fēng)沿高度呈指數(shù)分布。由于指數(shù)率模型形式簡單，已被納入我國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[11],經(jīng)驗表達(dá)式為

(1)

式中：zref為標(biāo)準(zhǔn)高度；U(zref)為標(biāo)準(zhǔn)高度處的風(fēng)速；α為地面粗糙度指數(shù)。

2.1.2 對數(shù)率模型

在中性大氣條件下，大氣邊界層的近層和遠(yuǎn)層存在一定重疊區(qū)域。這一區(qū)域的風(fēng)速同時滿足壁面定律和速度虧損定律，以此得到風(fēng)剖面的對數(shù)率表達(dá)式為

(2)

(3)

式中，u′，v′和w′分別為縱向脈動風(fēng)速、橫向脈動風(fēng)速和豎向脈動風(fēng)速。

研究表明[16-17]，當(dāng)u′和v′二者任意風(fēng)向與主風(fēng)向一致時，式(3)可簡化為

(4)

2.1.3 Deaves-Harries模型

Deaves改進(jìn)了對數(shù)律模型，使得改進(jìn)后的對數(shù)率模型完全適用于全邊界層，得到的Deaves-Harries模型表達(dá)式為

(5)

式中,zg為邊界層高度，計算表達(dá)式為

(6)

式中,B′為經(jīng)驗參數(shù),一般取6；f為科里奧利參數(shù)，文中取 7.554×10-5s-1。

2.2 湍流度

湍流強(qiáng)度是衡量湍流強(qiáng)弱的相對指標(biāo)，是描述大氣湍流運動的重要特征量。定義為平均時距內(nèi)脈動風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差與相應(yīng)時距內(nèi)縱向平均風(fēng)速大小的比值，表達(dá)式為

(7)

式中：σi為脈動風(fēng)速u(t)和v(t)的均方根；u,v,w分別為縱向、橫向及豎向脈動風(fēng)速分量。

三維超聲風(fēng)速儀輸出3個方向的風(fēng)速分量ux(t)，uy(t)和uz(t)，本文采用矢量分解法求得平均風(fēng)速U，風(fēng)向角φ，計算表達(dá)式為

(8)

(9)

脈動風(fēng)速可依據(jù)下式計算

u(t)=ux(t)cosφ+uy(t)sinφ-U

(10)

v(t)=-ux(t)sinφ+uy(t)cosφ

(11)

(12)

2.3 陣風(fēng)因子

自然風(fēng)的脈動強(qiáng)弱也可用陣風(fēng)因子來表示，陣風(fēng)因子定義為高度z處陣風(fēng)持續(xù)周期tg內(nèi)平均風(fēng)速峰值與平均時距內(nèi)平均風(fēng)速的比值。其一般表達(dá)式為

(13)

(14)

(15)

3 實測數(shù)據(jù)處理

3.1 風(fēng)速廓線理論及相關(guān)參數(shù)分析

3.1.1 平均風(fēng)速與風(fēng)向角

規(guī)定實測風(fēng)向角以正北方向為0°，順時針轉(zhuǎn)向為正方向。2013年7月13日0：00—21：00期間不同高度z處的10 min平均風(fēng)速U和風(fēng)向角φ隨時間的變化曲線，如圖2所示。由圖2可知：平均風(fēng)速的大小與風(fēng)速采集的高度成正比關(guān)系，各高度處平均風(fēng)速，風(fēng)向角變化趨勢基本一致。各高度平均風(fēng)速在2013年7月13日13：00：00—13：10：00時段達(dá)到峰值，15 m，27 m，53 m，67 m和82 m對應(yīng)的最大平均風(fēng)速分別為15.24 m/s，16.67 m/s，17.22 m/s，17.72 m/s和18.24 m/s。對應(yīng)的風(fēng)向角分別為73.58°，83.23°，80.39°，74.21°和76.40°。之后平均風(fēng)速開始下降，風(fēng)向角在2013年7月13日07:00:00趨于平穩(wěn)狀態(tài)。

圖2 平均風(fēng)速、風(fēng)向角變隨時間變化Fig.2 Variation of mean wind speed and wind direction angle with time

3.1.2 相關(guān)參數(shù)分析

理論模型中提及到了粗糙度指數(shù)、摩擦速度和邊界層高度等相關(guān)參數(shù)，本文將逐個對其展開分析。

(1)粗糙度指數(shù)α

粗糙度指數(shù)α主要與地面的粗糙程度有關(guān)，它是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的一個重要參數(shù)。粗糙度指數(shù)隨10 m高度處10 min平均風(fēng)速的變化情況，如圖3所示。粗糙度指數(shù)是按15 m，27 m，53 m，67 m和82 m高度處的10 min平均風(fēng)速按照指數(shù)分布擬合得到。圖3中結(jié)果表明：當(dāng)平均風(fēng)速小于12 m/s時，粗糙度指數(shù)α隨平均風(fēng)速的增大而減小，數(shù)據(jù)較為離散，最大值達(dá)到0.58，最小值為0.026；當(dāng)平均風(fēng)速大于12 m/s時，粗糙度指數(shù)基本不隨平均風(fēng)速發(fā)生變化，與Shu等所得結(jié)論基本一致。

圖3 粗糙度指數(shù)隨平均風(fēng)速的變化Fig.3 Roughness index changes with mean wind speed

圖4 摩擦速度隨平均風(fēng)速及高度的變化Fig.4 Variation of friction velocity with mean wind speed and height

(3)邊界層高度zg

邊界層高度指自由大氣層不受地面摩擦力影響的臨界高度，邊界層高度受平均風(fēng)速的影響。圖5(a)所示為由公式計算的邊界層高度zg隨平均風(fēng)速的變化情況。從圖6(a)可知：邊界層高度隨平均風(fēng)速的增大而增大，可以得出邊界層高度zg的平均值為2 007.89 m，遠(yuǎn)高于我國規(guī)范規(guī)定的B類地貌下的邊界層高度350 m。而本文所得結(jié)論與王旭等研究及文獻(xiàn)[18]所得結(jié)論相近。邊界層高度隨高度的變化如圖5(b)箱線圖所示。可以看出不同高度處邊界層高度的分布有著明顯的差異。邊界層高度的均值隨高度的增大而增大，而中位數(shù)隨著高度的增加與均值的差異越來越大。

圖5 邊界層高度隨平均風(fēng)速的變化邊界層高度沿高度分布箱型圖Fig.5 Box diagram of boundary layer height distribution along the height as the change of boundary layer height with average wind speed

3.1.3 風(fēng)速廓線實測分析

平均風(fēng)速剖面隨時間的變化曲線，如圖6所示。由于受地形地貌以及儀器安裝條件的限制，10 m高度處未設(shè)置三維風(fēng)速儀，采用53 m，67 m，和83 m高度處的風(fēng)速按指數(shù)率計算出10 m高度處的風(fēng)速。以U(z)與10 m高度處平均風(fēng)速的比值為橫坐標(biāo)，結(jié)果表明，平均剖面隨著時間的推移而發(fā)生改變，在6：00時刻由于風(fēng)速增大風(fēng)剖面變化明顯，各個剖面之間存在著顯著的差異。在初始時刻，各測點高度的平均風(fēng)速與10 m高平均風(fēng)速的比值近似相等。隨著時間的推移，比值開始增大，U(82)與U(10)的比值從1.06增大到1.37。圖7(a)給出了5組不同時段平均風(fēng)速下對應(yīng)的風(fēng)剖面。圖7(a)結(jié)果表明，5組風(fēng)速剖面呈現(xiàn)出兩種不同的變化趨勢。當(dāng)風(fēng)速小于12 m/s時，平均風(fēng)速隨高度的變化曲線相對平緩；當(dāng)風(fēng)速超過12 m/s時，平均風(fēng)速隨高度變化較為劇烈。利用平均風(fēng)速大于12 m/s的實測數(shù)據(jù)繪制的平均風(fēng)速剖面圖，如圖7(b)所示。并且與該實測數(shù)據(jù)擬合的指數(shù)率模型、對數(shù)率模型和Deaves-Harris模型進(jìn)行對比。結(jié)果表明，當(dāng)平均風(fēng)速大于12 m/s時，臺風(fēng)“Soulik”的平均風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律與指數(shù)率模型、對數(shù)率模型基本吻合，而采用Deaves-Harris模型對臺風(fēng)“Soulik”平均風(fēng)沿高度的變化描述不夠準(zhǔn)確。這與王旭等的研究所得結(jié)論不同，原因可能因為王旭等所研究的范圍僅在40 m高度以內(nèi)。

圖6 風(fēng)剖面隨時間變化Fig.6 Variation of wind profile with time

圖7 不同風(fēng)速下風(fēng)剖面實測結(jié)果與理論結(jié)果對比Fig.7 Comparison between measured results and the oretical results of wind profiles at different wind

3.2 湍流度剖面

縱向湍流度隨高度的變化關(guān)系以及美國、日本[19]和歐洲規(guī)范[20]規(guī)定的湍流度剖面，如圖8所示。從圖8可知：縱向湍流度隨著高度的增大而減小。當(dāng)風(fēng)速較小時，風(fēng)速大于12 m/s的湍流度更能反應(yīng)臺風(fēng)在中性大氣層中的湍流特性。與各國規(guī)范對比發(fā)現(xiàn)，實測湍流度隨高度的變化與規(guī)范的經(jīng)驗變化曲線有著一致的變化趨勢。但各高度處縱向湍流度實測值均小于規(guī)范經(jīng)驗值，說明臺風(fēng)“Soulik”的湍流剖面不適合用3種規(guī)范的經(jīng)驗表達(dá)式來描述。因此，對平均風(fēng)速大于12 m/s的縱向湍流度進(jìn)行了指數(shù)型擬合，擬合后的表達(dá)式為Iu=0.138(45/z)0.2。

圖8 縱向湍流度隨高度變化Fig.8 Longitudinal turbulivity changes with height

由于國內(nèi)外對橫向和豎向湍流剖面的研究欠缺，各國規(guī)范也沒有相應(yīng)的經(jīng)驗表達(dá)式。因此本文對橫向和豎向的湍流度實測結(jié)果進(jìn)行了類似于縱向湍流度剖面的指數(shù)型擬合，分別得到橫向剖面的表達(dá)式為Iv=0.084(24/z)0.3，豎向剖面的表達(dá)式為Iw=0.137(60/z)0.3，如圖9、圖10所示。

圖9 橫向湍流度隨高度變化Fig.9 Transverse turbulivity changes with height

圖10 豎向湍流度隨高度變化Fig.10 Vertical turbulivity changes with height

3.3 陣風(fēng)因子剖面

實測陣風(fēng)因子隨高度的變化規(guī)律，如圖11所示。結(jié)果表明各向陣風(fēng)因子隨高度的增大而減小。由于陣風(fēng)因子剖面的表達(dá)式尚無相關(guān)規(guī)定，本文對各向陣風(fēng)因子進(jìn)行了形如Gi=α(z/10)β的擬合。從圖11可知：各向?qū)崪y陣風(fēng)因子隨高度的變化均能與擬合結(jié)果較好地吻合，說明擬合表達(dá)式可以用來描述本次臺風(fēng)地陣風(fēng)因子剖面。

圖11 陣風(fēng)因子隨高度變化Fig.11 Variation of gust factor with altitude

4 結(jié) 論

本文利用福建寧德地區(qū)500 kV輸電桿塔為觀測點，通過在15 m，27 m，53 m，67 m和82 m高度處實測臺風(fēng)“Soulik”數(shù)據(jù)，進(jìn)行了近地風(fēng)剖面及相關(guān)參數(shù)的研究，得到如下結(jié)論：

(1)當(dāng)平均風(fēng)速小于12 m/s時，粗糙度指數(shù)α隨平均風(fēng)速的增大而減小，數(shù)據(jù)較為離散，最大值0.580，最小值0.026。當(dāng)平均風(fēng)速大于12 m/s時，粗糙度指數(shù)基本不隨平均風(fēng)速變化，與Shu等所得結(jié)論基本一致。

(2)當(dāng)風(fēng)速小于12 m/s時，摩擦速度分布較為離散，隨平均風(fēng)速的增大而增大；當(dāng)平均風(fēng)速大于12 m/s時，摩擦速度分布由離散狀態(tài)開始變?yōu)榧袪顟B(tài)，此時，摩擦速度基本不隨平均風(fēng)速變化。

(3)依據(jù)公式計算出的邊界層高度隨平均風(fēng)速的變化不明顯。實測數(shù)據(jù)平均值為2 007.89 m，遠(yuǎn)高于我國規(guī)范規(guī)定邊界層高度在B類地貌下的350 m，本文所得結(jié)論與王旭等和Li等所得結(jié)論相近。

(4)臺風(fēng)“Soulik”平均風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律可以用指數(shù)率和對數(shù)率模型來描述。美國、日本和歐洲規(guī)范中縱向湍流剖面的經(jīng)驗表達(dá)式均不能與本次臺風(fēng)縱向湍流剖面相吻合。本文通過指數(shù)型擬合分別得到了縱向、橫向和豎向湍流剖面的表達(dá)式。

(5)由于陣風(fēng)因子剖面的表達(dá)式尚無明文規(guī)定，本文對實測陣風(fēng)因子進(jìn)行了形如Gi=α(z/10)β的擬合。實測陣風(fēng)因子隨高度的變化均能與擬合結(jié)果較好地吻合，并獲得了陣風(fēng)因子的經(jīng)驗表達(dá)式。