近海岸强风风场特性现场实测研究
2017-04-28胡尚瑜聂功恒李秋胜
胡尚瑜, 聂功恒, 李秋胜, 张 敏
(1. 桂林理工大学 广西建筑新能源与节能重点实验室, 广西 桂林 541004;2. 香港城市大学 土木及建筑工程系, 中国 香港 999077)
近海岸强风风场特性现场实测研究
胡尚瑜1,*, 聂功恒1, 李秋胜2, 张 敏1
(1. 桂林理工大学 广西建筑新能源与节能重点实验室, 广西 桂林 541004;2. 香港城市大学 土木及建筑工程系, 中国 香港 999077)
基于近海岸100 m测风塔获取的近海面地貌条件5个不同高度风速数据。以10 m标准高度平均风速大于10 m/s为强风标准，选取台风和季风风场强风样本，应用Bootstrap统计分析法，对强风条件下近地层平均风剖面、湍流强度剖面、湍流特征参数进行分析，探讨了台风和季风条件下这些参数的差异，并将实测结果与风荷载规范规定值进行比较，检验风载荷规范的适宜性。分析结果表明 ：近地边界层的平均风剖面符合指数律或对数律，台风和季风风剖面指数分别约为0.12和0.06；近地平均湍流度剖面符合指数律，台风风场各高度平均湍流度与现行规范相接近；台风风场各高度阵风因子均值较风荷载规范推算值要大，但季风风场阵风因子均值与规范推算值相接近。
风荷载；平均风剖面；湍流度；阵风因子；Bootstrap统计
0 引 言
近年来近海岸建筑和高耸结构及超大跨度桥梁等工程不断兴建，近海岸工程的结构抗风设计和安全可靠性显得尤为重要。在强/台风极端条件下，近地风场特性和结构极值风荷载的现场实测研究，对近海岸工程结构抗风设计和结构安全评估有着重要的意义。近年来国内外学者[1-10]通过移动测风塔和近海岸观测塔等各种测试平台，获取了大量的近地台风风场数据。基于现场实测数据，统计分析了近地平均风剖面指数、湍流度、阵风因子等物理量。由于受台风自身湍流结构及随机性，不同台风区域和不同强风标准及统计方法等因素影响，近地台风风场湍流特性参数取值存在较大差异。
本文基于近海岸100 m测风塔在2009～2011年期间测得的10 m、50 m、65m、80 m、100 m 5个不同高度实测风速数据，以10 m高度平均风速大于10 m/s为强风标准，选取有效分析风速样本，应用Bootstrap统计方法，对近海岸海面来流地貌条件，台风和季风风场的平均风剖面、湍流强度剖面及相关湍流特征参数进行分析，并探讨了台风和季风风场近地层的平均风剖面指数、湍流度和阵风因子等参数的差异，同时将实测结果与风荷载规范规定值进行比较，检验风荷载规范的适宜性。本文研究结果可为近海岸工程结构抗风设计风剖面参数取值提供参考。
1 近地边界层风特性
1.1 平均风剖面
在强风作用下，近地中性稳定大气边界层的湍流主要由地面粗糙度控制，平均风速剖面变化规律常认为符合指数律或对数律[11-12]。
指数律模型：
式中：zR为参考高度；α为幂指数，其值与地貌状况相关。
对数律模型：
式中：k为卡曼常数，取0.4；u*为摩擦速度；z0为地面粗糙度长度。
1.1.1 指数律模型拟合
依据指数律模型式可得：
各高度拟合计算风速与实测风速离差平方和计算式如下：
式中:U(z)为实测值，U(zi)为拟合计算风速。
各高度拟合计算风速与实测风速离差平方和均方根误差计算式如下：
拟合风剖面的相对误差大小定义为离差平方和均方根误差与参考风速大小的比值如下：
1.1.2 对数律模型拟合
依据对数律模型计算式可得：
应用最小二乘法对各高度实测平均风速进行线性拟合，当拟合计算风速与实测风速离差平方和趋于零，可得地面粗糙度z0的计算公式[13]如下：
摩擦速度定义为：
式中:τ0为地表的剪切应力，ρ为空气密度。本文摩擦速度依据地面粗糙度z0拟合值和不同高度的风速代入公式(2)，运用最小二乘法进行线性拟合，可得其对应的摩擦速度u*拟合值。
1.2 湍流强度
湍流度反映了风的脉动强度，是确定脉动风荷载的关键参数之一。湍流度定义为平均时距的脉动风速标准差与水平方向平均风速的比值：
式中σu为1s采样频率脉动风速的标准差，文中的湍流度主要反映大尺度湍流脉动的特征。依据文献[14]比较超声测风仪和NRG杯式测风仪实测湍流强度分析，认为两个风速仪获得的湍流强度具有相同趋势，超声风速仪的湍流强度略大于NRG杯式测风仪，因而本文对NRG杯式测风仪实测各高度的湍流强度乘以1.1进行了相应的修订。
GB50009-2012建筑结构荷载规范[15]给出了各高度平均湍流强度剖面计算式：
式中α为风剖面指数，其值与地貌状况相关。对应于A类地貌，规范给定值为0.12。I10为10m高度名义湍流度，对应A类地貌取值为0.12。
1.3 阵风因子
风的脉动强度也可用阵风因子来表示。阵风因子定义为阵风持续期的平均风速最大值与平均时距内平均风速的比值：
本文取阵风持续期tg=3 s，平均时距T=10 min。
阵风峰值因子定义为：
式中：Umax,tg为阵风时距内最大平均风速。
阵风因子和湍流度在物理上都表示风速的脉动强度，相互关系可表示为：
依据式湍流强度剖面计算式(12)和式(15)可得各高度的阵风因子剖面计算式：
1.4 Boostrap法分析思路
以选取梯度风各高度范围内的强风风速样本，采用指数律模型拟合得到各样本的风剖面指数计算序列(αs1,αs2，…，αsn)为例。运用Bootstrap方法，统计分析风剖面指数置信区间的分析思路如下：
4) 按步骤3)连续重复B次，即得到B个Bootstrap再生样本，用矩阵表示为：
计算再生样本的统计量：
其中：y″i=y″i1,y″i2,…,y″iB，i=1,2。
5) 根据再生样本y″i，可以得到μ和σ2的估计:
2 现场实测及数据选取
2.1 实测系统及场地条件
测风塔位于海南文昌木兰头，东经110°44′，北纬20°09′，在离地面10 m、50 m、65 m、80 m、100 m高度处布设安装了NRG-Symphonie型杯式风速仪进行风速观测，同时在50 m、65 m、100 m高度处安装了风向仪进行风向角的观测。测试系统采样频率为1 Hz，每10 min输出1组平均风速风向、极大风速风向和风速、风向标准差等。观测塔观测地貌状况：东北方位来流地貌条件为海面，距离海岸线约为50 m；西南方位为平坦开阔场地，下垫面为近地有2～3 m高的马尾松防护林。
2.2 强风样本选取
2009年7月至2011年7月两年期间，近海岸梯度风观测塔获取的近地台风风场及季风风场有效观测样本的极值风速统计如表1所示，台风“彩虹” 实测3 s最大平均风速为26.2 m/s，10 min最大平均风速为20.4 m/s。台风“凯萨娜” 实测3 s最大平均风速为26.2 m/s， 10 min最大平均风速为20.3 m/s。台风“芭玛”实测3 s最大平均风速为20.1 m/s，10 min最大平均风速为14.7 m/s。
表1 观测样本资料 Table 1 Observation of wind records used in study
本文以测风塔10 m高度处10 min平均风速大于10 m/s为强风标准，选取台风和季风风场的强风样本数据，对近地边界层风特性进行分析。10 m高度处台风和季风风场强风风速、风向角样本分布如图1(a、b)所示：台风和季风风场强风样本主要分布在30°～60°范围内，因而本文选取风向角分布在30°～60°范围内的强风样本，该方位来流地貌为近海面，考虑来流经历由海面地貌到近海岸地貌条件，存在内部边界层高度需确定问题。参考文献[17]给出的内部边界高度计算公式，根据测风塔距其海岸线大约为50 m，假设海面地貌粗糙度长度由0.002 m过渡到0.02 m地貌条件时，其内部边界层高度值约为7.1 m。因而本文实测各高度风速实测大小反映来流为海面地貌条件下的边界层风速，旨在分析近海岸海面地貌状况下台风风场和季风风场特性。各观测层的高度应从海平面开始，根据实际量测测风塔相对海面高度差约为4 m。同时考虑到强风条件下受海浪的影响，测风塔平面位置相对海面高度差近似取为3 m，即各观测层的高度分别为13 m、53 m、68 m、83 m、103 m。
(a) 台风样本
(b) 季风样本
3 风特性分析
3.1 平均风特性
选取来流为近海面地貌条件下，实测台风“彩虹”、“凯萨娜”、“芭玛”及季风风场各观测高度的平均风速数据，应用对数律模型和指数律模型对风剖面进行最小二乘线性拟合。考虑当10 m高度风速达到17.2 m/s时,风力等级将达到八级大风级。因而以风速17.2 m/s为分界线对台风“凯萨娜”风速划分区间,区间[10,17.2)为“凯萨娜”(I),区间[17.2,20.3)为“凯萨娜”(II)。指数律、对数律风剖面参数拟合值如表2所示：台风“彩虹”风剖面指数α均值为0.122，应用Boostrap法计算得到的风剖面指数α均值在95%置信度条件下的置信区间为[0.115,0.130]；台风 “凯萨娜”(I) 平均风速小于17.2 m/s样本的风剖面指数α均值为0.128；台风 “凯萨娜”(II) 平均风速大于等于17.2 m/s大风样本的风剖面指数α均值为0.119；“芭玛”风场风剖面α指数均值范围为0.118，各台风风场与规范GB50009-2012中 A类地貌条件风剖面指数α规定值0.120相近。季风风场风剖面指数α均值为0.062，其95%置信区间为[0.060，0.063]。季风风场风剖面指数α均值小于规范值和台风风场值。台风风场地面粗糙度长度和摩擦速度与平均风速大小相关，与季风风场相比，地面粗糙度长度和摩擦速度相对增大。近地100 m 高度范围内的指数律和对数律剖面以及相关拟合曲线如图2所示。由图2(a)可知：“彩虹”台风近地层平均风剖面各高度平均风速变化规律符合指数律和对数律模型。同理由图2(b-e)可知，指数律和对数律模型对台风“凯萨娜(I)、(II)”和 “芭玛”及季风风场近地层平均风剖面各高度风速拟合基本较好，各台风指数律风剖面拟合相对误差值与参考风速变化关系如图2(f)所示，整体上相对误差约为2%左右，表明强风条件下指数律和对数律模型都能较好的反映近地100 m高度范围内的平均风速变化规律。值得说明的是，在50～70 m 高度范围，近地层存在一段风速变化大小变化不明显区间，这与文献[18]在近海平坦地貌条件，海面来风时，在50～70 m高度范围，风速大小变化不明显，具有相似的现象，在高度60 m附近范围存在强风区段。其主要原因仍需要通过采用超声风速仪等资料分析其区间梯度风变化规律及差异产生的原因。
表2 平均风剖面参数Table 2 Parameters of mean wind speed
(a) 台风“彩虹”
(b) 台风“凯萨娜”(I)
(c) 台风“凯萨娜”(II)
(d) 台风“芭玛”
(e) 季风风场
(f) 相对误差
3.2 湍流特性
3.2.1 湍流强度及剖面
选取来流为近海面地貌条件下，实测台风“彩虹”、“凯萨娜”、“芭玛”及季风风场各观测高度的平均风速及风速标准差的强风样本，统计分析了近海岸地貌下，台风和季风风场近地边界层湍流度分布规律。如表3所示：“彩虹”、“凯萨娜”样本(I)、(II)和“芭玛”台风风场13 m高度湍流强度均值分别为0.119、0.135、0.123和0.125，均值范围为0.119～0.135，略大于现行规范A类地貌规范计算值0.116。季风风场13 m高度湍流强度均值为0.104，略小于现行规范A类地貌规范计算值。
如图3所示，台风风场平均湍流度沿高度变化规律符合指数律分布，各台风湍流强度平均剖面与现行规范给定值相接近。应用公式(12)和实测风剖面指数z0拟合值，采用最小二乘法线性拟合，可得“彩虹”、“凯萨娜”样本(I)、(II)和 “芭玛”台风风场13m高度湍流度拟合值。同时考虑到13m高度的湍流实测值可能受到近地面干扰影响，在湍流特性参数拟合计算时未采用13m高度湍流实测值。拟合所得各台风13m高度湍流度拟合值分别为0.116、0.114、0.108和0.109，与规范给定计算值0.116较为接近，小于实测值。各高度的规范推荐值能较好反映实测各台风风场平均湍流度剖面均值分布特性。从图3(e)可以看出，季风实测各高度湍流度明显小于规范推荐值。同理对季风风场湍流剖面进行拟合，可得季风风场13 m高度湍流度拟合值为0.078，小于13 m高度实测湍流度均值0.104和规范计算值0.116。近地13 m高度的湍流度的拟合值与实测值差别的主要原因是：通常湍流参数的内边界层高度是平均风速的2倍，相对近地13 m高以下大气湍流的更易受近地植被扰动作用影响。
表3 各高度的湍流强度与阵风因子统计Table 3 Parameter of wind turbulence intensity and gust factors statistics
(a) 台风“彩虹”
(c) 台风“凯萨娜”(II)
(b) 台风“凯萨娜”(I)
(d) 台风“芭玛”
(e) 季风风场
3.2.2 阵风因子及剖面
基于13 m、53 m、68 m、83 m、103 m 5个不同高度处相对应的平均风速及3 s最大阵风风速，统计分析台风和季风风场近地边界层阵风因子及剖面。如表3所示：台风 “彩虹”、“凯萨娜(I)”、“凯萨娜(II)”和 “芭玛”在13 m高度处的阵风因子均值分别为1.33、1.38、1.36、1.37，略大于现行规范A类地貌规范计算值1.29。季风风场13 m高度阵风因子均值为1.30，与现行规范A类地貌规范计算值接近。如图4所示，实测台风和季风风场阵风因子沿高度变化规律同样符合指数律分布，台风风场阵风因子剖面大于现行规范给定值，季风阵风因子与规范推算值相接近。依据阵风因子计算式(16)，采用实测风剖面指数α拟合值和各台风风场湍流强度剖面拟合13 m高度湍流度拟合值即I13取0.116、0.114、0.108和0.109，对各台风风场阵风因子剖面进行最小二乘线性拟合。拟合“彩虹”、“凯萨娜”(I)、(II)和 “芭玛”台风风场的峰值因子g值分别为2.74、2.68、2.73和2.84，略大于规范给定值2.5。同理对季风风场阵风因子剖面进行拟合得季风峰值因子g值为3.07，大于规范给定值。相对而言，近地13m高度的阵风因子的拟合值与实测值差别的主要原因是受近地面干扰作用影响产生一定大尺度阵风湍流。
(a) 台风“彩虹”
(b) 台风“凯萨娜”(I)
(c) 台风“凯萨娜”(II)
(d) 台风“芭玛”
(e) 季风
3.3 风特性参数与平均风速
选取台风“凯萨娜”(I)、(II)风场样本统计的风特性参数，探讨风特性参数与平均风速的相关性。台风风场风剖面指数与平均风速的关系如图5所示：台风风剖面指数α随平均风速增大有减小趋势。类似对数律拟合得台风风场摩擦速度和地面粗糙度长度与平均风速大小相关，如图6、图7所示，台风风场地面粗糙度长度随平均风速增大而减少，而摩擦速度随平均风速增大而增大。
台风“凯萨娜”(I)、(II)风场样本的相对海面高度为13 m处的湍流强度与平均风速的关系如图8所均风速增大而减少，而在平均风速17.2～22 m/s区间范围相对趋于平稳。
图5 风剖面指数与平均风速的关系Fig.5 Variation of power law index with mean wind speed
图6 摩擦速度与平均风速的关系Fig.6 Variation of friction with mean wind speed
示，在平均风速10～22 m/s范围内，台风的湍流强度随平均风速增大而减小，随平均风速的进一步增大而相对趋于稳定。相对海面高度为13 m处的阵风因子与平均风速的关系如图9所示，台风风场在平均风速10～22 m/s范围内，阵风因子随平均风速的变化相对稳定。综上所述，近海岸地貌强风条件下，台风风场风剖面指数、湍流强度和阵风因子大于季风风场实测值。各台风风场湍流参数随着平均风速增大有减小的趋势，随着风速的继续增大而趋于稳定。与文献[6-7]具有相似的结论，各台风风场湍流参数随着平均风速增大而减少，而在平均风速17.2～22 m/s区间范围相对趋于平稳。
图7 地貌粗糙度与平均风速的关系Fig.7 Variation of roughness with mean wind speed
图9 阵风因子与平均风速的关系Fig.9 Variation of gust factor with mean wind speed
4 结 论
基于近地层风场风特性的实测强风风速样本，对近海岸地貌强风条件下台风和季风风场参数如风剖面指数、湍流度和阵风因子等进行了统计分析，得到如下结论：
1) 强风风场近地平均风速剖面符合指数律或对数律，台风风场风剖面指数α均值约为0.12，与规范规定值接近。季风风场风剖面指数α均值为0.06，小于规范值。台风风场地面粗糙度长度及摩擦速度较季风风场值偏大达70%；
2) 台风风场平均湍流度剖面符合指数律分布，台风湍流强度平均剖面与规范A类地貌湍流强度推算值相一致。季风风场各高度实测湍流度明显小于规范给定值；
3) 台风风场阵风因子剖面变化规律同样符合相应的平均风速剖面α指数律分布。台风风场阵风因子剖面大于现行规范给定值，季风风场阵风因子与规范给定值接近；
4) 台风风场平均风剖面α指数、湍流度和阵风因子大于季风风场实测值。各台风风场湍流参数随着平均风速增大而减少，而在平均风速17.2～22 m/s区间范围相对趋于平稳。
讨论：本文依据近海岸观测塔获取的台风和季风强风特性的实测数据进行统计分析，得出了近海岸海面地貌条件下近地平均风速剖面、湍流度剖面及阵风因子剖面的变化规律与现行规范A类地貌条件推荐值具有较好的一致性，但具体量值存在的差异，风速剖面参数化仍需要更多的有效实测强风样本确定和验证。
致谢:感谢中国华能海南文昌风电厂提供的实测风速数据。
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Field measurement study on wind characteristics of strong windstorm in coastal terrain
Hu Shangyu1,*, Nie Gongheng1, Li Qiusheng2, Zhang Min1
(1.GuangxiKeyLaboratoryofNewEnergyandBuildingEnergySaving,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China; 2.DepartmentofBuildingandConstruction,CityUniversityofHongKong,HongKong999077)
Mean wind speed and wind turbulence characteristics of strong winds in surface boundary layer were studied by bootstrap method based on strong wind data sample in accordance with 10m height and mean wind speed higher than 10 m/s. The strong wind data were recorded from 100 m meteorological tower at sites near seashore with strong wind conditions and coastal terrain. The major objective of the paper is to further understand differences between near ground typhoon-generated and monsoon wind characteristics. Furthermore, the estimated wind profile and turbulence profiles were compared to those stipulated by wind loads Standard to verify the suitability of the wind load specification.The results reveal that in the near-surface range vertical distribution of mean wind speed can be well described by a logarithmic law and a power law. The mean values of exponent of the power-law profile are 0.12 and 0.06 for the coastal terrain in the typhoons and monsoon wind climates, respectively. The variation of the mean longitudinal turbulence intensity with varing height approximately follows a power law. The mean value of longitudinal turbulence intensity at five heights was fitting the results of the turbulence intensity profile. The profile is which was approximately same as that stipulated in wind loads Standard for coastal terrain exposure. Meanwhile, the measured gust factor of typhoons is larger than that stipulated in wind loads Standard for the coastal terrain exposure, but for the monsoon, it is close to the code value.
wind loads; mean wind speed profile; turbulence intensity; gust factor; bootstrap statistics
0258-1825(2017)02-0242-09
2015-10-21;
2015-12-08
国家自然科学基金(51308140,51668015); 广西自然科学基金(2015GXNSFAA139251);广西建筑新能源与节能重点实验室(16-J-21-7);广西高校科研项目(2013YB103)
胡尚瑜*(1981-)，男，湖南永州人，工学博士，副教授, 研究方向: 结构风工程. E-mail:hushangyu@glut.edu.cn
胡尚瑜, 聂功恒, 李秋胜. 近海岸强风风场特性现场实测研究[J]. 空气动力学学报, 2017, 35(2): 242-250.
10.7638/kqdlxxb-2015.0009 Hu S Y, Nie G H, Li Q S. Field measurement studyon wind characteristics of strong windstorm in coastal terrain[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2017, 35(2): 242-250.
TU312.1
A doi: 10.7638/kqdlxxb-2015.0009
