浙南滨海丘陵地貌台风近地风剖面特性实测研究

朱云辉， 孙富学， 姜 硕， 史文海,， 张传雄， 李正农， 赵喆斐

(1. 温州大学 瓯江学院，浙江 温州 325035； 2. 温州大学 建筑工程学院，浙江 温州 325035；3. RMIT University, Melbourne, Australia 3030； 4. 湖南大学 土木工程学院，长沙 410082)

目前，我国风荷载相关规范规定是基于良态大风特性并借鉴国外规范制定的。在台风频发及沿海地区，台风荷载是高层建筑及高耸风敏感结构必须要考虑的因素。

近年来，学者们开展了一些近地面边界层风场特性的实测工作。李秋胜等[1]对沙尘暴天气下的320 m气象塔风速进行了统计分析，发现不同高度的实测湍流度之比与现有公式有一定差别。赵林等[2]针对3次台风距地面5个不同高度处的风速实测记录进行了分析，发现风剖面指数在台风登陆前变化剧烈，在登陆后变化平稳；王旭等[3]基于10 m、20 m、30 m和40 m高度处台风影响下的现场实测数据，研究了平均风速、湍流度和阵风因子随高度的变化规律，发现通过公式计算得到的边界层高度随平均风速的增大而增大，远远大于我国规范；顾明等[4]对上海环球金融中心大楼顶部风速实测，分析了良态风下高空的风场特性；申建红等[5]对强风作用下的超高层建筑风场特性的实测研究，表明特殊地形环境下的风速脉动不完全符合典型的风速谱；张传雄等[6]通过温州市中心某高层建筑顶部风场特性实测，研究获得了城市中心高空台风风场的风场特性；罗叠峰等[7]通过对海边三栋相邻高层建筑顶部台风风场实测，研究了多栋高层建筑顶部的风场在台风影响下的风特性和相关性；史文海等[8-12]基于多次台风的近地面和超高空风场的实测，对比分析了两者不同时距的湍流特性，发现两者不同时距平均风速的离散性和平均最大风速之间的比例相差较大。王旭等[15]针对台风“海葵”近地风脉动特性进行了实测研究。辛亚兵等[16]基于山区地形实测数据，进行了风场的非平稳特性和非高斯特性分析。

尽管学者们已经开展了一些高空台风风场及其风剖面特性的实测研究，但由于台风特征具有明显的地域性。目前，针对浙南滨海丘陵地貌台风风剖面特性的实测研究尚未见报道。

本文针对浙南滨海丘陵地貌，基于浙江苍南滨海的测风基地，实测获得了100 m高度内台风历程中的风场数据，并通过综合分析，研究分析其规律性特征，可为该地区建筑抗风设计以及结构减灾参考。

1 台风观测概况

课题组建立的测风塔位于浙江省苍南县霞关镇，紧邻海边，周边为丘陵地貌。测风塔基海拔高度155 m，塔高100 m。测风不同高度(10 m、30 m、50 m、70 m和100 m)分别布置风速和风压传感器，以实测不同高度的风场特性。风速传感器采用三杯式风速传感器，风向传感器采用单翼式风向传感器。其中，30 m高度处风向传感器本次实测过程中损坏，未获得该点位实测数据。数据采集系统采样频率为1 Hz。现场布置如图1(a)所示。

本文实测研究针对台风“莫拉克”进行。“莫拉克”于2009年8月9日16点左右在福建省霞浦县沿海登陆，移动路径如图1(b)所示。登陆时中心附近最大风力有12级，9日20时减弱为强热带风暴。在台风逐渐登陆过程中，台风路径离观测点最近为80 km左右。

图1 100高测风塔及台风“莫拉克”路径图

根据台风影响程度，本文选取2009年8月8日15时至8月9日20时时段台风“莫拉克”登录前后的实测数据进行分析。

2 风剖面特性分析

2.1 实测瞬时风场分析

台风“莫拉克”于8月9日16时20分在福建省霞浦县北壁乡登录，离观测点90 km左右，实测风速在台风登录前9小时(8月9日7时)左右达到最大。其中10 m、30 m、50 m、70 m和100 m五个高度处的瞬时风速最大值分别为35.1 m/s、40.4 m/s、40.9 m/s、39.3 m/s、42.1 m/s。风速达到最大后，风速迅速衰减，然后再增大、衰减，但强度远远小于台风强度最大时刻。

2.2 平均风速、风向角

基于实测数据，按照时距10 min将数据进行分割处理。图2给出了“莫拉克”的10 min平均风速、风向角剖面时程。可以看出，随着高度的增加，风速逐渐增大，不同高度处的10 min平均风速和风向角的变化非常同步。因10 m和50 m的风向角变化一致，所以30 m风向角参考10 m和50 m高度风向取值。实测平均风速在8月9日7时左右达到最大，100 m高处10 min平均风速最大值为30.28 m/s。分析时间段内，从10 m到100 m高度，10 min平均风速的总体均值分别为15.03 m/s、18.92 m/s、19.95 m/s、20.82 m/s、21.92 m/s。

图2 10 min平均风速、风向角时程

风剖面指数a是风剖面中反应地面粗糙度的一个重要指标。图3为依据10 m、30 m、50 m、70 m和100 m高度处实测平均风速计算得到的风剖面指数值。可以看出，随着风速的增大，指数a离散度呈减小趋势。除个别点外，大部分a值都在0.15以下，因此将该场地定为B类粗糙度场地是合适的,与规范[14]场地分类结果基本吻合。

图3 风剖面指数

图4为五个高度处10 min平均风速的总体均值剖面和10 min平均风速最大值剖面，以及相应规范风速剖面图。可以看出两者随着高度的变化基本一致，并与规范风剖面具有较好的吻合度，用指数律能较好的反映风速沿高度的分布规律。

图4 10 min平均风速的总体均值剖面和最大值剖面

2.3 湍流度剖面

图5为各高度处顺风向湍流度均值及规范湍流度曲线。在10 m、30 m、50 m、70 m和100 m高度处，顺风向湍流度均值分别为0.193 1、0.146 6、0.134 1、0.113 8、0.099 7，横风向湍流度均值分别为0.190 8、0.121 5、0.138 2、0.099 0、0.096 4。顺风向湍流度、横风向湍流度在同高度处较为接近，顺风向湍流度略大于横风向的湍流度，且其变化趋势基本一致。可以看出，随着高度的增加，湍流度呈逐渐减小的趋势。同时，图中还给出了国家规范在类似场地条件下的湍流度随高度变化的关系曲线。可以看出，任一高度处的实测湍流度均小于规范取值，随着高度增加，偏离值增大。表明对应规范取值偏于保守，可以根据不同地域实测资料，在确保安全性的同时，进行取值优化。

图5 湍流度剖面

图6给出了顺风向、横风向湍流度剖面与平均风速之间的关系。可以看出，随着风速的增大，顺风向、横风向湍流度总体上呈现递减的趋势。随着高度的增加，湍流度的离散度逐渐变小，横风向湍流度相对较为明显，30 m以上离散性显著降低。表明地表台风横风向湍流特性的研究在30 m以下表现较为明显。

图6 湍流度与平均风速的关系

2.4 阵风因子剖面

图7为实测阵风因子剖面。在10 m、30 m、50 m、70 m和100 m高度处，顺风向阵风因子均值分别为1.471、1.336、1.301、1.256、1.223，横风向阵风因子均值分别为0.371 8、0.247 3、0.274 0、0.242 9、0.210 3。可以看出，100 m内顺风向、横风向阵风因子随着高度的增加呈逐渐减小的趋势，且横风向阵风因子较小。

图7 阵风因子剖面

图8给出了五个高度处顺风向、横风向阵风因子与湍流度的关系。可以看出，湍流度与阵风因子之间基本为线性关系，顺风向的线性关系更为显著；且随着高度增加，线性关系的离散度逐渐变小；随着湍流度的增大，阵风因子相应增大。

图8 湍流度与阵风因子之间的关系

2.5 湍流积分尺度

湍流积分尺度是脉动风中湍流涡旋平均尺寸的量度，湍流积分尺度也是反映风场特性的一项重要指标。本文采用对实测Von Karman谱进行拟合的方法。Von Karman谱反应顺风向脉动风速、横风向脉动风速特征的相应表达式如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

图9给出了顺风向与横风向湍流积分尺度与10 min平均风速之间的关系。可以看出，随平均风速的增大，顺风向与横风向湍流积分尺度有增大趋势，但不明显。在10 m、30 m、50 m、70 m和100 m高度处，顺风向湍流积分尺度均值分别为58.78、137.55、147.56、214.48、234.79，横风向湍流积分尺度均值分别为5.41、7.00、10.08、10.24、37.73；顺风向和横风向湍流积分尺度均值的比值分别为1∶0.09、1∶0.05、1∶0.07、1∶0.05、1∶0.158，顺风向的湍流积分尺度远大于横风向的湍流积分尺度。随着高度的增加，湍流积分尺度的离散度变大，如图10箱线图所示；随着高度的增加，湍流积分尺度正常值的分布由集中转向分散，异常值在较大值一侧增多，呈现右偏态。

用中位数比较稳定，因为中位数不太会受到极值的影响，而平均值则受极值的影响很大。图11给出了顺风向与横风向湍流积分尺度整体均值随着高度变化的剖面图形，同时给出了湍流积分尺度中位数以及日本规范[13]推荐的剖面图形。可以看出，随着高度的增加，横风向及顺风向湍流积分尺度平均值与中位数剖面均呈逐渐增加的趋势。其中，顺风向湍流积分尺度的中位数剖面与日本规范较为接近，可为工程所借鉴。

图9 湍流积分尺度与平均风速的关系

图10 湍流积分尺度箱线图

图11 湍流积分尺度剖面

2.6 脉动风速功率谱

图12给出了实测风场平均风速顺风向和横风向脉动风速功率谱，作为对比在图中还给出了Von Karman谱。可以看出，在不同高度上，顺风向和横风向脉动风速功率谱有一定的变化；低频部分，随着高度增加，谱值增加，增加趋势变小；高频部分，随着高度增加，谱值减小。脉动风速的功率谱密度在顺风向与Von Karman谱在拟合得较好，尤其是100 m处，在10 m处低频部分拟合较差，这可能与地面粗糙度的影响较大有关，而在横风向相差较大。

图12 湍流功率谱密度

2.7 相关系数及相干系数

选取最大风速子样本分析不同高度处风速的相关性。相关系数如表1。随着风速仪间距的增加，相关性迅速变弱；同等间距时，高处要比低处的相关性好，尤其是100 m与70 m处，表现为显著相关。

表1 相关系数

相干函数反映了两高度处脉动风速在各频率上分量间的线性相关程度，分析不同高度处的顺风向风速，得到的相干系数如图13。可以看出，频率接近于0时，随着间距增大，竖向衰减系数明显增大，100 m与70 m的相干系数接近0.75，这与时域对应的结果相似，相同间距下，高空较近地处衰减速率慢，实测衰减系数结果与Davenport建议的衰减系数有明显差别。

图13 相干系数与频率关系图

3 结 论

本文基于浙江滨海丘陵地貌测风塔，实测研究了台风“莫拉克”登陆期间风剖面特性。主要结论如下：

(1) 随着台风逼近实测点，实测点的风场变化逐渐呈现递增的趋势，有多次快速增大和衰减过程，且呈现出一定的周期性和脉动性。不同高度处10 min平均风速的总体均值剖面和10 min平均风速最大值剖面，随着高度的变化基本一致。平均风速随着高度的增加而逐渐增大，用指数律能较好的反映风速沿高度的分布规律。

(2) 在不同高度处，随着风速的增大，顺风向、横风向湍流度、阵风因子总体上呈现递减的趋势。100 m内顺风向、横风向湍流度、阵风因子随着高度的增加呈逐渐减小的趋势。湍流度与我国规范差异较大，国家规范偏于保守。顺风向湍流度略大于横风向的湍流度，且其变化趋势基本一致。湍流度与阵风因子之间基本为线性关系；顺风向的线性关系更为显著，且随着高度增加，线性关系的离散度逐渐变小；随着湍流度的增大，阵风因子相应增大。

(3) 随着高度的增加，顺风向湍流积分尺度均值 呈逐渐增加的趋势。顺风向湍流积分尺度的中位数剖面与日本规范较为接近。脉动风速的功率谱密度在顺风向与Von Karman谱在顺风向拟合较好，而在横风向相差较大。在不同高度上，顺风向和横风向脉动风速功率谱有一定的变化。

(4) 100 m与70 m的相干系数接近0.75，相关性较强，这与时域对应的结果相似；相同间距下，高空较近地处衰减速率慢，实测衰减系数结果与Davenport建议的衰减系数有明显差别。