實測下擊暴流風場特性分析

陳超豪 王子茹 霍林生 黃國慶

摘 要：目前下擊暴流風場特性的研究大多是圍繞風速模型和部分風場特性展開，較少涉及風場特性與平均風速之間的關系、不同風場特性之間的相關性以及與大地邊界層近地風特性的比較研究。基于下擊暴流實測風速數據，運用滑移平均法提取下擊暴流的時變平均風速，進而獲得脈動風速。在此基礎上，研究下擊暴流的紊流度、紊流積分尺度和陣風因子的特性，并分析3種特性與平均風速的關系以及3種特性之間的相關性。結果表明：下擊暴流的紊流度、紊流積分尺度以及陣風因子均大于相應場地類別下相同高度處大氣邊界層近地風的對應風場;下擊暴流的紊流度與平均風速之間、紊流積分尺度和紊流度之間均存在負相關性，而紊流積分尺度與平均風速之間、陣風因子與紊流度之間則都表現為正相關;低矮建筑的抗風設計應重點考慮下擊暴流脈動成分的影響，而高層建筑和高聳結構的抗風設計應重點關注下擊暴流氣流渦旋的威脅;相比大氣邊界層近地風，下擊暴流容易產生更大的瞬時極值風速，對工程結構威脅更大。

關鍵詞：下擊暴流;紊流度;紊流積分尺度;陣風因子;風場特性;相關性分析

中圖分類號：TU312;TU14 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：2096-6717（2022）01-0126-08

收稿日期：2020-07-13

基金項目：國家重點研發計劃（2016YFC0701103）

作者簡介：陳超豪（1989- ），男，博士生，主要從事結構抗風與風振控制研究，E-mail：17chchen@mail.dlut.edu.cn。

霍林生（通信作者），男，教授，博士生導師，E-mail：lshuo@dlut.edu.cn。

Abstract： At present， most of the studies on the wind field characteristics of downburst mainly focus on the wind speed model and partial wind field characteristics. Few studies on the relationship between wind field characteristics and mean wind speed，the correlation between different wind field characteristics or the comparison with the boundary layer surface wind characteristics are carried out.Based on the measured wind speed data of downburst， the time-varying mean wind speed of downburst is extracted by utilizing the moving average method， and then the fluctuating wind speed is obtained. On this basis， the characteristics of turbulence intensity， turbulence integral scale and gust factor of downburst are studied. The relationships between the above three characteristics and mean wind speed， as well as the correlations among the above three characteristics are analyzed. The results show that： 1） the turbulence intensity， turbulence integral scale and gust factor of downburst are greater than the corresponding wind field characteristic of atmospheric boundary layer surface wind at the same height under the corresponding site category; 2） there is a negative correlation between the turbulence intensity of downburst and the average wind speed， as well as between the turbulence integral scale and the turbulence intensity while there is a positive correlation between the turbulence integral scale and the average wind speed， as well as between gust factor and turbulence intensity; 3） the wind resistance design for low-rise buildings should focus on the influence of fluctuating components of downburst， while the threat of airflow vortexes of downburst should be paid more attention for high-rise buildings and high-rise structures; 4） compared with the atmospheric boundary layer surface wind， downburst is prone to produce larger instantaneous extreme wind speed， which could pose greater threats to engineering structures.

Keywords：downburst; turbulence intensity; turbulence integral scale; gust factor; wind field characteristic; correlation analysis

作為自然災害的重要類型之一，風災因其發生頻率高、波及范圍廣、直接災害和次生災害嚴重，早已引起了風工程界的廣泛關注。對于高層建筑、大跨結構以及高聳結構等風敏感性結構而言，風荷載往往是影響其安全性的關鍵因素，因而也是結構設計中必須充分考慮的。分析已有風災事故可知，風荷載輕則引起工程結構的局部破壞，重則導致工程結構的整體倒塌，不僅會造成重大的經濟損失，還往往伴隨著人員傷亡。

下擊暴流是多種強風災害中的一類特殊氣候現象，其發生區域涉及全球多個國家和地區，在亞洲、澳洲以及北美等地更是頻繁發生。統計資料顯示，僅澳大利亞、美國以及南非等地，“風氣候”這一罪魁禍首引發的大量輸電線塔破壞事故中，就有約80%是由下擊暴流或龍卷風等極端風氣候所致[1]。下擊暴流大多產生于雷暴天氣環境中，1978年，Fujita[2]首先給出了下擊暴流的定義，即一種生成于地面或近地面附近并且極具突發性和破壞性的強下沉氣流。2009年5月，美國達拉斯牛仔訓練場館因遭受下擊暴流襲擊而倒塌[3]。同年6月，下擊暴流突襲江蘇，鎮江市的“5291江晉線”輸電線塔突然倒伏，現場實測獲得的下擊暴流瞬時極值風速達到了33 m/s[4]。2016年9月，南澳大利亞遭遇連續下擊暴流襲擊，直接導致了23座輸電線塔的倒塌破壞[5]。

可見，有效應對下擊暴流災害對工程結構的破壞，提出相應的抗風措施勢在必行。為此，首先需要了解其風場特性。盡管下擊暴流實測風速數據較難獲得，但目前也有部分學者開展了針對下擊暴流風場特性的相關研究。Chen等[6]提出了一種新的非平穩風速分析框架，并將該框架應用于兩組下擊暴流風速時間序列，重點分析了下擊暴流的平均風速垂直廓線、紊流度垂直廓線、功率譜密度以及相關函數。Chen等[7]利用兩組全尺度實測下擊暴流時間序列，分析了下擊暴流的橫向尺度相關性。Orwig等[8]研究了下擊暴流部分風場特性的時程變化及其隨高度的變化關系。Lombardo等[9]基于實測風速數據，對近地面下擊暴流的風場特性進行了識別與分析，并推薦了可用于下擊暴流參數計算的風速時距取值。Shu等[10]基于香港6個氣象站的6年風場資料，針對熱帶氣旋、季風和下擊暴流的陣風因子特性進行了研究。Su等[11]以兩組全尺度下擊暴流風速記錄為例，對3種不同時間窗尺度的下擊暴流風速時變均值的計算方法進行了比較，并提出了合理的計算方法和時間窗大小。以上關于下擊暴流風場特性的研究工作大多是圍繞風速模型以及部分風場特性展開，甚少涉及針對風場特性與平均風速的關系、各類風場特性之間的相關性分析，以及與大氣邊界層近地風（以下簡稱常態風）的風場特性的比較研究。

筆者基于實測風速數據，針對下擊暴流的風場特性進行研究，對比分析了下擊暴流與常態風的紊流度、紊流積分尺度和陣風因子3個風場特性參數。另外，考慮到相關性對工程結構風壓分布的影響，詳細分析了下擊暴流不同風場特性之間的相關性，以期為下擊暴流多發地區的工程結構抗風設計提供參考。

1 下擊暴流風速數據采集

選取的下擊暴流風速數據由美國德州理工大學（Texas Tech University， TTU）風工程實驗室于2008年6月19日實測采集得到，采集地點位于距離盧博克市（Lubbock）以西15 km的里斯技術中心（Reese Technology Center， RTC），采集現場為開闊地帶。

數據采集現場布設了一座高200 m的塔架，如圖1所示，在塔架0.9、2.4、4、10、116、158、200 m高度處分別安裝了風速計，用于采集不同高度處的下擊暴流風速數據[12]。風速計采用RM Young Gill 27005T U-V-W三向風速傳感器，可用于測量3個正交方向的風速，數據采樣頻率為30 Hz。

4 下擊暴流風場特性分析

由于下擊暴流具有強烈的非平穩性，且下擊暴流的持續時間通常較短，一般不超過600 s，因此，Holmes等[18]指出，傳統的基于10 min或1 h時變平均的處理方法并不適用于下擊暴流風場特性相關參數的計算。文獻[9]指出，下擊暴流相關參數計算的基本時距可以取60～240 s。結合所取下擊暴流風速樣本的時程情況，選取60 s作為下擊暴流相關參數計算的基本時距。此外，在得到下擊暴流的風場特性后，將其與常態風的風場特性參考值進行了比較。

4.1 紊流度

圖5給出了兩個下擊暴流風速樣本的紊流度時程，可以看出，樣本A和樣本B的紊流度在約0～1 500 s時段較為穩定，而在約1 500～3 000 s時段波動較大，這是由于兩個風速樣本在該時段的平均風速波動較大所致。

4.2 紊流積分尺度

圖6給出了下擊暴流的紊流積分尺度時程。可以看出，樣本B的紊流積分尺度明顯大于樣本A的紊流積分尺度，這是由下擊暴流豎向風剖面的性質所決定的。翟偉廉等[19]指出，與常態風風速沿高度單調增加不同的是，下擊暴流的風速隨高度的增加先增大后減小，且在約80 m高度附近取得最大值。測點1所處位置低，風速較小，下擊暴流的紊流積分尺度較小。而測點5所在高度風速更大，由此產生的渦旋尺寸更大。同樣地，從表1可知，樣本A和樣本B的紊流積分尺度最大值分別達到了118.45、450.6 m，均顯著大于測點1和測點5所在高度處常態風的紊流積分尺度參考值17.321、196.638 m。如前面所述，紊流積分尺度表征了氣流中渦旋平均尺度的大小，這意味著，與常態風相比，下擊暴流會產生尺度更大的渦旋，這些渦旋更容易將結構包圍，脈動風在結構各個部位所引起的動荷載更容易接近同步，從而威脅到結構的安全。尤其是測點5所在高度116 m處，紊流積分尺度很大，而這一高度是高層建筑和高聳結構經常觸及到的，因此，在這類結構的抗風設計中，有必要針對下擊暴流的威脅提出有效的應對措施。

4.3 陣風因子

在常態風和臺風的風場特性分析中，陣風因子的計算時距一般取tg=3 s。針對下擊暴流的瞬時特性，根據文獻[8]中對計算時距的分析，取tg=1 s，即采用時距更短的1 s陣風因子。計算得到樣本A和樣本B的陣風因子時程，如圖7所示。同樣，由于樣本A和樣本B的平均風速在約1 500～3 000 s時段波動較大，導致該時段內的陣風因子也呈現較大的波動性，而在0～1 500 s時段則變化較小。

表1的對比結果同樣說明，相比常態風，下擊暴流的陣風因子更大，尤其是樣本B的最大陣風因子達到了1.743，遠大于對應高度處常態風的陣風因子1.243。這表明，相對常態風而言，下擊暴流容易產生更大的瞬時極值風速，這對高層建筑以及高聳結構的安全非常不利。此外，可以看到，樣本B的最大陣風因子大于樣本A的最大陣風因子，如前面所述，這也是由下擊暴流豎向風剖面的性質所決定的，相比于測點1，測點5所在高度處容易產生更大的瞬時極值風速。

4.4 相關性分析

圖8、圖9分別為下擊暴流的紊流度、紊流積分尺度與平均風速的關系。可以看出，兩個風速樣本的紊流度與平均風速之間都表現出了負相關性，平均風速的增大會促使紊流度減小;而紊流積分尺度與平均風速之間則呈現正相關性，平均風速的增大會使得紊流積分尺度也隨之增大。

圖10為下擊暴流的紊流積分尺度與紊流度的關系。可以看出，紊流積分尺度和紊流度之間存在負相關性，即當紊流度增大時，紊流積分尺度減小，這與二者和平均風速的相關性分析結果吻合。

綜合以上相關性分析結果可知，對低矮建筑而言，由于所處高度下擊暴流風速較小，氣流渦旋的尺度較小，但脈動成分卻較多，因此，在該類結構的抗風設計中應重點關注脈動成分的影響。而對高層建筑和高聳結構而言，由于所處高度下擊暴流風速較大，氣流渦旋的尺度往往很大，因此，在該類結構的抗風設計中需要側重考慮氣流渦旋的威脅。最后，針對下擊暴流極值風速可能造成的結構破壞，在各類結構的抗風設計中都必須嚴格考慮。

5 結論

基于下擊暴流實測風速數據，分析了下擊暴流的風場特性，并與常態風的風場特性進行了對比，得到以下結論：

1）下擊暴流的紊流度、紊流積分尺度以及陣風因子均大于相應場地類別下相同高度處常態風的對應風場特性。

2）下擊暴流的紊流度與平均風速之間存在負相關性，平均風速的增大會促使紊流度減小;而紊流積分尺度與平均風速之間則呈現正相關性，平均風速的增大會使得紊流積分尺度也隨之增大。

3）下擊暴流的紊流積分尺度和紊流度之間表現為負相關，陣風因子與紊流度之間則呈現出與臺風風場特性類似的非線性正相關關系。

4）下擊暴流風場中，對于低矮建筑，應重點關注脈動成分的影響;而對于高層建筑和高聳結構，則應側重考慮氣流渦旋的威脅。

5）相比常態風，下擊暴流能夠產生更大的瞬時極值風速，會對結構構成更大的威脅，需要引起工程設計人員的充分重視。參考文獻：

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（編輯 胡玲）