强台风纳沙（1117）登陆过程的湍流特性分析

蒋承霖 黄浩辉 陈雯超 张光宇

（广东省气象防灾技术服务中心，广州 510080）

0 引言

台风的破坏力极大，是世界上最严重的自然灾害之一。台风挟带狂风、暴雨，导致大批房屋、建筑被毁，城镇、农田受淹，电力、交通、通讯中断，并造成大量的人员伤亡和财产损失。我国是世界上受台风危害最甚的国家之一，随着经济的快速发展，近海和沿海大型工程结构朝着超长、高耸、大跨和柔性的方向发展，这些建筑在设计、施工及营运各阶段均对抗风有着非常高的要求。因此，摸清台风在近地层的湍流特性对建筑结构的设计及预防台风灾害等方面具有至关重要的意义。

国内外学者对台风进行了各方面的研究，取得了大量的成果。胡尚瑜等[1]研究了不同时矩下近地台风的实测风特性；谭晓伟等[2]对超强台风桑美（2006）登陆前后低层风廓线进行了数值模拟分析；肖仪清等[3]基于4个台风过程中的长时间序列风速、风向观测数据，分析研究了近地台风的湍流积分尺度和脉动风速谱等脉动特性；宋丽莉等[4]研究了“鹦鹉”台风经过澳门友谊大桥的湍流特性；史文海等[5]基于2008年影响温州的台风海鸥、凤凰和蔷薇的实测风场资料，分析了不同平均时距下近地台风的湍流特性；王蓉等[6]利用广东省沿海海洋站及近海浮标的实测资料，对1208号台风韦森特的特性进行了分析和探讨；许娈等[7]利用 1011 号台风凡亚比高分辨率数值模拟资料及合力散度方程，诊断分析了台风凡亚比的合力散度水平分布及演变过程；王旭等[8]研究了台风梅花的近地层脉动风速功率谱及相干性；钱燕珍等[9]利用雷达资料对强台风海葵登陆前后强度变化进行了分析。

由于台风路径的不确定性，要探测到台风中心附近的强风数据并不容易，华南地区用三维超声测风仪观测到的完整台风样本仍然较少，本文基于捕捉到的1117号强台风纳沙登陆过程的三维超声测风数据，从三维方向探讨强台风登陆过程的近地层湍流脉动特性，观测塔距离台风中心最近时仅有18 km，取得了台风登陆过程较为完整的记录，观测数据对台风特有的强风代表性较好，有利于摸清华南沿海登陆台风的风环境和风特性参数，从而保障沿海的工程安全，为工程抗风设计、施工及营运各阶段所需的关键参数提供依据。

1 观测设置和台风过程

1.1 观测位置和仪器

观测塔设置在广东省湛江市徐闻县南山镇三塘村，塔基海拔4 m，塔高112 m，90 m高度安装了英国Gill公司生产的WindmasterPro三维超声测风仪。

WindMasterPro超声测风仪最大风速量程为65 m/s，最大采样频率为32 Hz，本观测以10 Hz采样频率进行三维瞬时风速数据记录。

1.2 台风过程概况

1117号强台风纳沙于2011年9月25日05时（北京时，下同）加强为强热带风暴级，于25日夜间加强为台风级，并于27日07时在菲律宾吕宋岛沿海地区登陆，登陆时中心附近最大风力为14级（45.0 m/s），随后台风继续向西北偏西方向移动，于27日下午进入南海东部海面，于29日早晨加强为强台风级，并于29日14时30分在海南文昌翁田镇沿海地区登陆，登陆时中心附近最大风力达14级（42.0 m/s）、中心最低气压为960 hPa（图1）。徐闻观测塔距离台风中心的最近距离约18 km，实测到的最大10 min平均风速为25.2 m/s，0.1 s极大风速为36.2 m/s。

图1 台风纳沙过程路径示意图 Fig. 1 The track of Typhoon Nesat

根据该台风过程持续时间，在此筛选台风纳沙过程的分析数据样本开始于2011年9月29日06时10分—30日06时，共24 h的记录数据，重点分析8级及以上大风（10 min平均风速≥17.2 m/s）时段出现在2011年9月29日10时30分—30日02时10分。

2 数据处理和分析方法

2.1 基础数据处理

1）子样划分：将超声风速仪记录的所有原始数据按10 min时距分割成多个子样本，每个子样本均有10 Hz×600 s＝6000组三维风速风向记录。

2）剔除无效和异常数据。

3）有效数据完整率达95%的样本作为一个子样本。

2.2 平均风速和风向

如果实测三维风速ux(t), uy(t)和uz(t)是定义在超声风速仪坐标下的三个实数序列，以10 min为基本时距分析，则水平平均风速U和风向角Φ分别为

垂直风速方向与风速仪坐标z轴相同，因此垂直平均风速W为

在10 min时距内，纵向脉动风速分量u(t)、横向脉动风速分量v(t)和垂直脉动风速w(t)可根据以下公式计算，结果作为脉动风速统计分析的数据基础

2.3 风攻角

风攻角指风的来流方向与水平面的夹角。风攻角对建筑结构物特别是柔性结构物的影响比较突出，其长时间作用会加速或加重结构的疲劳损坏。强风时，风攻角的改变可能对结构造成突然损伤甚至破坏。

2.4 湍流强度

湍流度反映了风的脉动强度，是确定结构脉动风荷载的关键参数，定义湍流度为10 min时距的脉动风速均方根与水平平均风速的比值

式中，σi分别表示对应于脉动风速u(t)、v(t)和w(t)的均方根，相当于湍流脉动风速在i方向上的动能。

2.5 湍流积分尺度

湍流积分尺度的定义和计算根据Taylor冷冻假设[10]

式中，Li、ri分别表示u, v和w分量的积分长度和自相关系数，τ0.05表示自相关系数从1单调减小至0.05时对应的延迟时间。

2.6 湍流功率谱密度

湍流功率谱密度函数的工程模型有很多表达形式，我国桥梁抗风设计规范[11]采用了用摩阻速度归一化的Simiu谱和Panofsky谱，根据Simiu谱和能量归一化原理应当存在从大气边界层理论分析，摩阻速度只有在接近地面有限高度（约30 m）内基本为常数，而且前提条件是“纯机械湍流”，即浮力的作用可以忽略[12]。桥梁结构高度一般超过30 m，因此不宜用摩阻速度无量纲化湍流功率谱密度函数模型。从表达“脉动能量”的角度出发，功率谱密度函数在全频段的积分等于脉动风速能量的总合，用脉动风速的方差对湍流功率谱密度归一化更合适，Simiu谱和Panofsky谱的脉动速度方差无量纲化形式[13]，其公式如下

式中，Su、Sv、Sw分别为三个脉动分量的功率谱密度函数；f为莫宁坐标，定义为f=nZ/U；σu和σw分别表示脉动风速u(t)和w(t)对应于U的均方根；n为频率；Z为高度。

3 台风的湍流特性实测分析

3.1 台风测风数据的代表性判别

研究台风边界层脉动风场对大型结构建筑的影响主要是研究台风过程的强风时段的脉动风场特性。根据热带气旋等级划分标准和台风系统的风场结构特点，判断台风核心强风区域是否经过观测点的条件为同时满足以下两点：1）台风过程8级及以上大风（10 min平均风速≥17.2 m/s）的风向角连续偏转大于120°；2）台风过程出现8级及以上大风（10 min平均风速≥17.2 m/s）的风速时程曲线呈“M”型双峰分布，双峰之间的底部出现小于11 m/s（5级）的风速（近地层），为台风眼区[14]。

在徐闻测风塔观测的强台风纳沙8级（17.2 m/s）以上的大风时段出现在2011年9月29日10时30分—9月30日02时10分，台风8级以上大风的风向按顺时针连续偏转了219°，台风风速时程曲线呈明显“M”型双峰分布，双峰之间的底部风速小于11 m/s；由此可以判断台风核心强风区域经过徐闻测风塔观测点，其观数据对台风特有的强风特性代表性较好。

3.2 平均风速、风向

徐闻测风塔记录的强台风纳沙过程在台风过境前的10 min最大风速为25.2 m/s，台风过境后的最大风速为22.3 m/s，台风中心小风期（风速小于11 m/s）持续时间达90 min，最小风速为4.9 m/s，0.1 s极大风速为35.2 m/s，出现在台风过境前（2011年9月29日11时50分）（图2）。

图2 台风纳沙过程的风速和风向 Fig. 2 Wind speed and direction of Typhoon Nesat process

台风8级以上大风过程的风向由登陆前的307°，沿顺时针方向偏转，最大时转为登陆后的166°，风向最大转换幅度达219°。

3.3 风攻角

从图3可见，强台风纳沙过境前后风攻角差异较大，其中表1给出了台风8级强风样本的平均风攻角，整个台风过程8级以上强风的平均风攻角为0.9°。台风过境前8级以上强风样本的风攻角均为负值，在-2.5°～-0.11°范围内变化，平均值为-1.4°，最大风攻角为-2.5°，对应的风速为18.3 m/s，风向为311°；台风过境后8级以上强风样本的风攻角均为正值，风攻角在3.5°～8.2°范围内变化，平均值为4.9°，最大风攻角为8.2°，对应的风速为20.4 m/s，对应的风向为149°。

图3 台风纳沙过程的风速和风攻角 Fig. 3 Wind speed and wind attack angle of Typhoon Nesat process

3.4 湍流强度

图4给出强台风纳沙在纵向、横向和垂直向三维方向的湍流强度变化过程，湍流强度时程变化与风速时程变化有一定的相似性，在台风中心最小，在台风眼壁强风区附近出现最大值。8级大风样本的湍流强度纵向为0.14、横向为0.12、垂直向为0.07，三维方向的湍流强度之比为Iu∶Iv∶Iw = 1∶0.86∶0.5。

表1 纳沙8级强风样本的平均风攻角 Table 1 Average wind attack angle with the velocity greater Than 17.2 m/s of Typhoon Nesat

图4 台风“纳沙”过程的风速和三维方向湍流强度 Fig. 4 Wind speed and three-dimensional turbulence intensity of Typhoon Nesat process

3.5 湍流积分尺度

强台风纳沙三维湍流积分尺度在台风期间的时程变化呈“风期型双峰分布，与风速时程变化较为相似，但湍流积分尺度的变化要稍微滞后于风速变化，最低值出现在台风中心过后2 h（图5）。

图5 台风“纳沙”过程的风速和三维方向湍流积分尺度 Fig. 5 Wind speed and three-dimensional turbulence integral scale of Typhoon Nesat process

强台风纳沙过程8级以上大风的湍流积分空间尺度平均值及比值见表2。8级以上强风的u、v、w三维湍流积分空间尺度平均值分别为132、51、28 m，比值为1∶0.38∶0.21。在台风过程中，横向的湍流积分尺度最大，数值也很不稳定，纵向和垂直向的湍流积分尺度较小，数值相对稳定。

表2 台风纳沙过程的三维方向湍流积分尺度 Table 2 Three-dimensional turbulence integral scale of Typhoon Nesat process

3.6 功率谱密度

根据强台风纳沙三维超声风速资料，分别选取台风过境前、台风过境时以及台风过境后的大风样本，计算各向脉动风功率谱（图6）。

根据强台风纳沙的大风湍流谱样本，拟合区间1～4 Hz频率范围内，分析惯性子区（图中拟合区域）的湍流谱特征，可以发现，台风过境前大风样本的横向和纵向的湍流谱接近于-5/3律，不满足各向同性假设，而台风过境后的大风样本与台风中心的小风样本的湍流谱样本均不满足-5/3律和各向同性假设。

图6 台风纳沙过境前（a）、过境时（b）与过境后（c）的大风湍流功率谱 Fig. 6 The turbulence spectrum of the strong wind of Typhoon Nasat before (a),during (b), and after crossing (c)

4结论

徐闻测风塔观测到的强台风纳沙过程的超声脉动数据，台风核心强风区域经过了观测点，具有非常好的代表性，对沿海的建筑抗风设计有非常好的指导作用，经分析研究后得到如下结论：

1）台风风速时程曲线呈明显“M”型双峰分布，台风过境前的10 min最大风速为25.2 m/s，台风过境后的最大风速为22.3 m/s，在沿海登陆的台风中并不算强，但风向最大转换幅度达219°，转向幅度大，对建筑结构有很强的破坏力。

2）台风过程8级以上强风的风攻角平均为0.9°，台风过境前8级以上强风的风攻角平均值为-1.4°，台风过境后8级以上强风的风攻角平均值为4.9°，沿海建筑抗风设计时应考虑风攻角的正负转换。

3）8级大风样本的湍流强度纵向为0.14、横向为0.12、垂直向为0.07，三维方向的湍流强度之比为Iu∶Iv∶Iw＝1∶0.86∶0.5，与胡尚瑜等[1]观测的0601号台风“珍珠”的湍流强度基本一致[1]。

4）8级以上强风的u、v、w三维湍流积分空间尺度平均值分别为132、51、28 m。横向的湍流积分尺度数值很不稳定，相对于肖仪清等计算的四个台风[3]，台风纳沙过程的横向湍流积分尺度偏小。

5）台风过境前大风样本的横向和纵向的湍流谱接近于-5/3律，不满足各向同性假设，而台风过境后的大风样本与台风中心的小风样本的湍流谱样本均不满足-5/3律和各向同性假设。