帽儿山地区台风“美莎克”风场实测分析

2021-07-15衣海林

黑龙江交通科技 2021年6期

衣海林

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

1 台风路径及现场实测

“美莎克”于2020年8月28日15时发源于在菲律宾吕宋岛以东，在原地回旋后，转向偏北转北偏西方向的东海东南部海面移动，9月1日5时定义为超强台风。此后“美莎克”逐渐转向北偏东方向移动，强度转趋减弱，于9月3日1时韩国庆尚南道沿海登陆，后继续北上，并于9月3日13时移入中国吉林省，随后停止编号。

帽儿山风环境观测塔坐落在中国黑龙江帽儿山国家野外科学观测研究站(北纬45°24′，东经127°40′)附近。该区域位于我国东北部，但是今年受到太平洋信风影响，台风登陆影响东北地区的次数较往年相比较多。观测站设置有50 m高的观测塔，分别设置有5个来自英国GILL的三维超声波风速传感器WindMaster来分析研究复杂地形林区的季风和台风特性。风速观测层距地面距离分别为5 m、10 m、20 m、35 m和50 m，传感器的采样频率设置为10 Hz，本次研究由于篇幅有限，只使用50 m高度的风速数据来分析处理。

2 实测数据处理

2.1 实测数据预处理

按照《公路桥梁抗风设计规范》，将数据划分为10 min时间间隔处理分析。使用超声波风速计可以获得三个方向的风速矢量数据，即Ux，Uy和Uz。统计时距内的平均风速U和对应的平均风向角β分别根据公式(1)和(2)计算

(1)

(2)

顺风向、横风向和竖向的脉动风速分别为u、v和w,可以通过以下公式计算

u=Uxcosβ+Uysinβ-U

(3)

v=Uycosβ+Uxsinβ

(4)

w=Uz-W

(5)

2.2 湍流强度

湍流强度可以表征实测脉动风速的强烈程度，作为描述大气湍流强弱的重要统计参数，计算公式可表示为

(6)

2.3 阵风因子

阵风因子定义是在阵风持续周期内最大平均风速与10 min平均风速之比，表达式为

(7)

(8)

(9)

式中：tg是阵风持续周期，u(tg)、v(tg)和w(tg)是阵风持续时间内各个方向的脉动风速的大小。

3 数据处理分析

通过对实测数据处理得到2020年9月3日20时到9月4日20时时间段内，总共24 h的平均风速和风向图，可以看出平均风向开始时60°～180°，随后发生变化，并在随后的时间段内稳定在180°～240°之间。在整个影响过程中，平均风速大小随时间不断变化，说明由于受到台风远端风场的影响且观测地离台风中心距离的不断改变，导致风速强度随时间影响不断发生变化。

3.1 湍流强度

以规范要求的10 min统计时间计算得到的湍流强度来研究台风“美莎克”的脉动风特性。图1分别给出了横风向、顺风向和竖风向湍流强度随平均风速大小的变化图，图中可以看出三个方向的湍流强度大小整体为Iu>Iv>Iw，而且随着平均风速的增加，各个方向的湍流强度也会随之减小，其中，顺风向湍流强度减小幅度最大。

图1 湍流强度随平均风速变化

规范给出的湍流强度比为1∶0.88∶0.50，表1是“美莎克”的各个方向的湍流强度比值。显然跟规范值有很大的差距，但是Iv/Iu接近规范值0.88。

表1 台风“美莎克”的湍流强度比

3.2 阵风因子

为研究使用不同的阵风持续周期tg对计算得到的阵风因子大小的影响。

图2给出此次台风过程中，不同阵风持续周期(1 s、3 s和60 s)下的横风向、顺风向和竖向阵风因子随平均风速变化图。可以从图中看出：随着持续周期和平均风速的增加，三个方向的阵风因子均有不同程度的下降。并且，1 s和3 s的短持续周期下的阵风因子比60 s的阵风因子随风速大小变化更加明显。阵风持续周期为1 s和3 s下阵风因子与60 s阵风因子相比，离散程度更高。这意味着在短持续周期条件下，阵风效应更明显，但更具有离散性。而且低风速下阵风因子的离散性要比高风速下更高。

图2 不同方向阵风因子随风速变化

3.3 湍流强度与阵风因子的关系

阵风因子、湍流强度以及阵风持续周期的关系是风的脉动特性分析中十分重要的参数。目前很多学者根据实测风速样本拟合得到了了三者之间的关系。其中Ishizaki给出了以下公式

(10)

式中:取基本时距T为10 min，tg取3 s。顺风向的阵风因子与湍流强度的关系如图3所示。基于上述公式使用最小二乘法拟合结果为a=0.49，b=0.88，即湍流强度与阵风因子有很强的正相关性。并且由于不同地区的风特性下，湍流强度与阵风因子的拟合参数通常有很大的差别，并没有统一的规范标准。因此需要大量的实测数据统计来揭示两者的关系，为当地抗风设计给与参考。