台风“海葵”近地风脉动特性实测研究

王 旭， 黄 超， 黄 鹏， 刘海明， 周海根

(1.重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆 400074； 2.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092； 3.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

台风“海葵”近地风脉动特性实测研究

王 旭1, 3， 黄 超1， 黄 鹏2， 刘海明3， 周海根2

(1.重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆 400074； 2.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092； 3.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

基于10、20和30 m高度处台风“海葵”影响下的上海浦东地区近地风现场实测数据，分析了阵风因子、湍流度、峰值因子以及湍流积分尺度的变化规律。结果表明，各向阵风因子随高度和风速的增大而减小；不同高度处各向湍流度随风速的增加而减小；峰值因子基本上随平均风速的增大略有减小但是变化不甚明显且离散性较大，观测高度对峰值因子随时距变化的影响较小；各向的湍流积分尺度均有随平均风速的增大而增大的趋势，并且随着平均风速的增大，其离散度也略有增大，不同高度处纵向和横向湍流积分尺度均随时距的增大而增大。

台风“海葵”；阵风因子；湍流度；峰值因子；积分尺度

我国东南沿海地区是台风频发的地区，每年台风登陆都会给该地区带来重大的经济损失及人员伤亡。由于台风与良态风相比，在微观结构及湍流特性上均存在显著差别，因此基于良态风获得的结构抗风研究成果是否适用于台风频发地区，还有待商榷。现阶段，研究台风特性最有效也是最直接的方法就是开展现场实测研究。西方发达国家从事该项研究起步较早，积累了大量的实测数据及试验经验，并取得了一系列重要科研成果，部分成果已进入规范及标准中[1-5]。我国在该领域虽然起步较晚，但发展较快，截至目前已取得了丰硕的成果。如顾明等[6-7]基于上海环球金融中心顶部的风速风向实测数据，对结构抗风设计所关心的湍流度、阵风因子等风特性参数进行了研究。李秋胜等[8]基于强台风黑格比登陆过程中观测得到的风速数据，分析了台风登陆过程中风特性参数的变化规律。虽已有众多的研究成果，但目前台风实测信息还远远不足，导致台风特性的研究难以形成系统的理论[9]。

为了积累更多的台风资料，支撑我国台风特性研究的进一步发展。同济大学风工程课题组在上海浦东机场附近建造了风工程实测基地，用来对该地区强风作用下的近地风特性以及底层建筑屋盖的风压变化特性进行研究[10-12]。本文对台风“海葵”作用下上海浦东近海岸边近地风特性进行了全程监测记录，分别获得了10、20及30 m高度处的实测数据。通过对台风过程中湍流度、阵风因子、峰值因子以及湍流积分尺度的统计分析，全面了解该地区台风风场特性，从而为我国台风频发地区结构抗强风设计提供基础资料。

1 现场实测概况

1.1 台风“海葵”实测

2012年8月3日08时，第11号台风“海葵” 在西北太平洋洋面上生成，登陆时中心气压965百帕，近中心风力14级，其轨迹路线和基地设施布置,如图1所示。

图1 台风“海葵”路径图、实测基地周边布置和超声波风速仪

Fig.1 Track of typhoon ‘HAIKUI’, field test base and ultrasonic anemometers

1.2 试验仪器及场地

测风钢塔位于上海浦东机场附近，全高40 m。如图2所示，在10、20及30 m高度处东西方向两侧放置风速仪，风速仪采样频率为20 Hz，采集数据包括风速、风向以及温度等，数据为txt文件格式。风速仪向正南安装，风向角定义北风为0°，按俯视顺时针增大。三维超声风速仪记录数据用于分析研究使用，机械风速仪采集数据只做相应的补充与校对。另外，基地周边地势平坦，非常适合开展风荷载实测研究，图3给出了实测基地周边东、南、西、北四个方向的地貌实物图。

图2 40 m测风塔及测风装置实物及分布图

2 数据处理方法

2.1 风速与风向

三维超声风速仪可直接同步测量三维风速时程、水平风向角时程以及竖向风向角时程，分别记为U(t)、θ(t)和φ(t)。根据“矢量分解法”，首先利用式(1)～式(3)将三维风速U(t)在XYZ坐标系下进行分解，然后利用式(4)～(6)确定基本时距内的水平平均风速U和主风向角θ。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:step(·)表示阶跃函数；ux(t)、uy(t)分别表示X轴和Y轴方向上风速分量在分析时距内的平均值，表达式为

(7)

(8)

式中:N为样本数。

图3 测风塔周边地形实物图

Fig.3 The photo of terrain around the station

获得水平平均风速U和主风向角θ后，利用水平风速分量ux(t)和uy(t)在纵向(主风向方向，定义为u向)和横向(垂直于主风方向，定义为v向)的投影可以得到水平纵向脉动分量u(t)和横向脉动分量v(t)，同理由三维风速时程U(t)在竖向(定义为w向)的投影可以得到竖向脉动分量。具体计算公式见式(9)～(11)。

(9)

(10)

(11)

式中:φ为风速分量Ux与平均风速U的夹角。

2.2 湍流度

湍流度又名湍流强度，是湍流强度涨落标准差和平均速度的比值，是确定结构风荷载的重要参数之一。一般来说，湍流度可定义为平均时距(10 min)内脉动风速的标准差与相应时距内平均风速大小的比值，表达式为

(12)

式中:σi为脉动风速u(t)、v(t)和w(t)的均方根。

2.3 阵风因子

阵风因子定义为短时距tg内风速均值的最大值与较长参考时间T平均风速的比值表达式

(13)

(14)

(15)

2.4 峰值因子

峰值因子用来定量表示脉动风的瞬时强度的表达式

(16)

式中：Umax(T,t)表示t(s)短时距段平均风速的最大值；U(T)表示基本时距T内的平均风速；σu(T,t)表示t(s)时间段内纵向脉动风速标准差。

2.5 湍流积分尺度

在风工程领域，湍流积分尺度表征各种湍流涡旋中最经常出现，起主导作用的涡旋的大小，是气流中涡旋平均尺寸的量度，是反映风场特性的一项重要指标[13]。根据其定义可知湍流积分尺度是基于空间相关的表达式

(17)

基于Taylor假设并经推导，可得到基于时间相关的湍流积分尺度表达式

(18)

式中：Li表示i方向(纵向、横向及竖向)脉动风速的湍流积分尺度；Ri(τ)表示i方向脉动风速自相关函数。

3 实测数据分析

3.1 风速与风向

本文对超声风速仪采集的风速数据进行分析，分析方法可以采用矢量法。根据我国《建筑结构荷载规范》[14]的规定，样本时长取为10 min，所得样本数及10 min最大平均风速在如表1所示。另外，图4及图5分别给出了台风“海葵”过境时不同观测高度处10 min平均风速随时间以及水平风向角的变化。从图4中可见，由于此次台风不是正面登陆，因此随时间变化呈现为单峰曲线；平均风速随高度的增加而增加，30 m高度处最大10 min平均风速为16.51 m/s。

表1 台风“海葵”实测数据样本

图4 10 min平均风速随时间的变化

图5 10 min平均风速随风向的变化

3.2 湍流度

图6和图7分别描述了台风“海葵”过境时不同高度处纵向、横向及竖向湍流强度随平均风速及风向的变化趋势。从图6中可以看出，不同高度处各向湍流度均随风速的增加而减小，但减小速率随着风速的增大而减小，湍流度与风速之间呈负相关。30 m高度处风速大于10 m/s时湍流度基本趋近于0.1，与Ishizaki[15]的研究结果接近。图7中可见，台风在不同高度处纵向、横向及竖向湍流强度在风向角60°～90°之间随着风向角的变化而增加，而过了90°之后该变化趋势不再明显。

(a) 10 m

(b) 20 m

(c) 30 m

为了分析湍流度随时距的变化规律，图8给出了各高度处不同风速区间台风纵向湍流强度随时距变化的曲线。可以看出，各高度处纵向湍流度随着时距的增加而减小；通过与DURST和Krayer-Marshall经验曲线的对比，发现10 m高度处纵向湍流度平均值、风速大于8 m/s以及风速小于8 m/s的纵向湍流度在tg<10 s时数值明显偏大，当tg>30 s时结果与Durst经验曲线接近。20 m及30 m高度处三条实测曲线值都小于Krayer-Marshall经验曲线的数值。另外，图9给出了台风登陆不同时段纵向湍流度平均值随时距的变化。可以看出10、20及30 m高度处不同时间段内，纵向湍流度随时距的变化曲线趋势一致数值相近。

3.3 阵风因子

经式(13)～(15)计算后，得到了不同高度处阵风持续时间为3 s时各向阵风因子的平均值，如表2所示。从表中可见，各向阵风因子随高度的增大而减小。

(a) 10 m

(b) 20 m

(c) 30 m

(a) 10 m

(b) 20 m

(c) 30 m

(a) 10 m

(b) 20 m

(c) 30 m

顺风向阵风因子总平均值为1.44，比黄鹏等[16]实测台风“梅花”的结果(1.39)偏大；10 m高度处结果比文献[17]实测台风“Maemi”(观测高度10 m)的结果相比略大，比胡尚瑜等[18]10 m高度以下的实测结果(1.30)偏大。

表2 阵风因子平均值(tg=3 s,T=10 min)

图10反映了当阵风持续时间为3 s时，纵向、横向及竖向阵风因子随10 min平均风速的变化关系。可以明显看出，各向阵风因子在各高度处均随风速增大而减小。当风速较小时，减小速率较快；而风速较大时，减小趋势趋于平稳。

3.4 峰值因子

图11表示不同高度处(时距：T=10 min,t=3 s)峰值因子随10 min平均风速的变化情况。可以看出，台风过境时，10 m、20 m以及30 m高度处峰值因子基本上随平均风速的增大略有减小但是变化不甚明显且离散性比较大。各时段峰值因子的均值分别为2.801、2.663、2.621和2.385，随着高度增加峰值因子的均值略有减小。

(a) 纵向

(b) 横向

图11 峰值因子随风速的变化关系

图12反映了各风速时段峰值因子均值随时距的变化规律。为便于与国外成果进行比较，特别指出此处基本时距取为1 h。由图可见，不同高度对峰值因子随时距变化的影响较小；实测结果与DURST曲线符合较好，但各高度处实测结果与DURST结果相比都要偏大。

图12 各高度处峰值因子均值随时距的变化(T=1 h)

Fig.12 Variation of peak factors with gust time interval at different heights(T=1 h)

3.5 积分尺度

(a) 纵向

(b) 横向

(c) 竖向

另外，本文详细研究了10、20及30 m高度处各向湍流积分尺度随时距的变化规律，如图14所示。可以看出，不同高度处纵向和横向湍流积分尺度均随时距的增大而增大，而竖向湍流积分尺度随时距的变化趋势不明显。30 m高度处，纵向和横向湍流积分尺度均随时距的变化趋势较快，而竖向湍流积分尺度在30 m高度处变化速率较大。另外，还发现在时距较小时，纵向湍流积分尺度大于横向湍流积分尺度，但时距较大时结论相反，这可能是由于微观湍流结构特性的差异导致的。

(a) 纵向

(b) 横向

(c) 竖向

4 结 论

基于上海浦东近海岸边测风塔上风速仪记录的台风“海葵”实测数据，对台风过程中风速与风向、阵风因子、湍流度、峰值因子以及湍流积分尺度的变化规律进行了分析，得到以下结论:

(1) 不同高度处各向湍流度随风速及时距的增加而减小，湍流度与风速及时距呈负相关。实测湍流度随时距的变化曲线与DURST和KRAYER-MARSHALL经验结果基本一致。

(2) 各向阵风因子随高度的增大而减小。各高度处均随风速增大而减小，并且随风速的增大减小趋势趋于平稳。

(3) 在10、20以及30 m高度处，峰值因子随平均风速的变化均不明显，峰值因子变化范围在1.5～5.0之间，且离散性较大。

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Field measurements for characteristics of near ground fluctuating wind during typhoon ‘HAIKUI’ blowing

WANG Xu1,3, HUANG Chao1, HUANG Peng2, LIU Haiming3, ZHOU Haigen2

(1. State Key Lab Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering, Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074, China; 2. State Key Lab of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3. China Merchants Chongqing Communications Technology Research & Design Institute Co., Ltd, Chongqing 400067, China)

Based on field measured data for near ground fluctuating wind at heights of 10m, 20m and 30m during typhoon HAIKUI blowing cross Shanghai Pudong District, the variation laws of gust factor, turbulence intensity, peak factor and turbulence integral scale were analyzed. The results showed that all gust factors decrease with increase in height and wind speed; all turbulence intensities at different heights decrease with increase in wind speed; peak factor decreases substantially with increase in the mean wind speed but its change isn’t obvious and its discreteness is larger, and the observation height has a smaller effect on the change of peak factor with variation of time interval; all turbulence integral scales have an increasing trend and their discreteness also slightly increases with increase in the mean wind speed, longitudinal and lateral turbulence integral scales at different heights increase with increase in time interval.

Typhoon ‘HAIKUI’; gust factor; turbulence intensity; peak factor; turbulence integral scale

国家自然科学基金面上项目(51308510)；重庆市博士后基金项目(XM2015066)；桥梁工程结构动力学国家重点实验室开放基金(201503)；山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地开放基金(CQSLBF-Y16-4)

2015-12-17 修改稿收到日期：2016-04-14

王旭 男，副教授，博士，1982年生

黄鹏 男，博士,研究员，1974年生 E-mail:huangtju@tongji.edu.cn

TU312. 1；TU317. 2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.11.032