福建滨海区台风过程风特性实测及分析

福建滨海区台风过程风特性实测及分析林立;陈政清;华旭刚;陈锴;夏丹丹;卓卫东【摘要】在福建省平潭县王爷山构建风场实测系统，记录了2017年1709号台风'”纳沙\”和1710号台风'”海棠\”的三维风速时程利用两次台风数据,对台风风眼区经过前后的近地边界层风特性进行研究和分析.总结风速剖面参数、湍流强度、湍流积分尺度、阵风因子等风参数的分布规律和风眼壁区脉动风速功率谱在频域内的特征，并对实测风速功率谱进行了分析及拟合，得到适应该地区的风速功率谱及相应谱参数，供该地区结构抗风设计参考.【期刊名称】《福州大学学报(自然科学版)》【年(卷)，期】2019(047)002【总页数】7页(P244-250)【关键词】台风;风场实测;风特性;功率谱【作者】林立;陈政清;华旭刚;陈锴;夏丹丹淖卫东【作者单位】湖南大学土木工程学院，湖南长沙410012;厦门理工学院海西风工程研究中心福建厦门361024;湖南大学土木工程学院，湖南长沙410012;湖南大学土木工程学院，湖南长沙410012;福州大学土木工程学院福建福州350108;厦门理工学院海西风工程研究中心福建厦门361024;福州大学土木工程学院福建福州350108【正文语种】中文【中图分类】P425.20引言福建滨海地区遭受经常性台风灾害侵袭，使抗风安全成为大跨、高耸等风敏感工程风险控制的关键因素.由于工程结构所处地域、风环境不同，导致实际风特性参数具有鲜明的区域特征，因此，需要在更精确的地区风场参数基础上进行临海工程的抗风设计.根据福建省近30年的地区台风气象数据及灾害记录，在福建省临海开阔场地进行实地调研，综合现场大风试测结果，在福建省平潭县流水镇王爷山山顶区架设风场实时监测系统.该系统于2016年11月安装完成，2017年7月份观测并记录了双台风〃纳沙”和〃海棠”中心风眼区经过前后的完整登陆过程.根据实测风速资料，对近地边界层台风风特性进行研究和分析.1观测台站及台风数据来源1.1平潭王爷山观测站王爷山测风塔塔高约50m,地理位置为东经119°52'23"E,北纬25°33'24"N,塔基海拔高度182.8m,周边地势开阔，植被低矮.该塔坐落于我国极大风区之—的福建省平潭海坛岛东部，东临台湾海峡，西侧为平坦的海边地貌，海面开阔，测风塔地理位置和周边地貌如图1所示.测风仪器安装铁塔原为信号塔，经改装实现风观测数据功能，沿竖向梯度分别在塔身10、26、32m处布设测风仪器，测风站塔身如图2所示.图1王爷山测风塔站周围地形图Fig.1TopographicmapoftheMountWangyewindmeasurementtowerandsurroundingarea图2王爷山测风塔Fig.2MountWangyewindmeasurementtower此次实测中使用的风数据采样仪器采用英国Gill公司生产的高性能三维超声风速仪WindMasterPro，仪器主要参数如下：风速量程0~65m-s-1,分辨率0.01m-s-1;现场选用10Hz样本输出频率，同时自动生成判别码，作为数据质量控制参考.1.2台风纳沙和台风海棠台风〃纳沙”和台风〃海棠”先后到达同一登陆地点，时间间隔不超过24h.2017年第9号台风〃纳沙”于7月30日6时在福建省福清市登陆，登陆时中心最大风力达到12级，最低气压为97.5kPa.与王爷山测风塔最短直线距离为24.5km,实测10min平均风速最大值为37.8m・s-1,台风登陆时风速时程曲线呈现明显的M型双峰式变化，风向转角变化约170°.2017年第10台风〃海棠”于2017年7月31日02时50分登陆，登陆时中心附近最大风力为8级，最低气压为99.0kPa,在福建境内与〃纳沙”残余环流合并北上，使得〃海棠”在登陆后能量得到加强，持续影响时间更长.台风〃纳沙”及台风〃海棠”的经过前后风速时程曲线如图3所示.图3台风〃纳沙”和〃海棠”登陆前后平均风速/风向时程图Fig.3Averagewindspeed/windtimehistorybeforeandafterlandingoftyphoon"Nesat”and"Haitang”1.3数据样本选取因为仪器自身或是外部环境影响，导致风特性观测的时序数据存在数据坏点或不合理点.本研究对数据坏点进行五点三次插值替换［1］,并利用3Hz低通滤波对数据进行过滤，以减少采样频率带来的误差.选取10min平均风速大于17.2m-s-1以上的采样数据为分析样本，同时平均风向角选取双台风风眼区经过前后的主导风向NNE(11.25°~33.75。)和S(168.75°~191.25。)转角范围进行分析.2平均风特性风剖面作为土木工程抗风设计的重要因素，是准确估计结构风荷载的关键参数.平均风速剖面变化规律常认为符合指数律［2］或对数律［3］.台风登陆期间风眼区经过前后的风速剖面采用最小二乘法进行拟合，如图4所示.由图4可知，指数律和对数律均符合近地层实测风剖面的变化趋势，风眼区经过前指数率和对数率风剖面经验方程的地面粗糙度拟合参数分别为a=0.169,z0=0.0455，均大于风眼区经过后的相对应的地面粗糙度拟合参数值(a=0.122,z0=0.0047).图4台风风剖面拟合Fig.4Fittingofwindprofileoftyphoon3脉动风特性3.1湍流强度湍流强度反应了风的脉动强度，是确定脉动风荷载的关键参数[2-3],表达式如下:(1)式中：ai为脉动风速u(t),v(t),w(t)的均方根.表1湍流强度实测平均值统计量Tab.1Statisticsresultsofmeasuredturbulenceintensitymeanvalue风场踹流强度10m26m32m风眼区经过前0.15080.11020.1005风眼区经过后0.13750.08240.0829不同高度处基于实测数据的湍流强度计算值如表1所示，可知随实测高度位置的增加，纵风向湍流强度随之下降，风眼区经过前计算得到的湍流强度要比风眼区经过后高.台风风眼区经过前后10m高度处实测的湍流强度值如图5所示.台风风眼区经过前后，10m高度处湍流强度离散性较小，各向湍流强度稳定在均值附近.图510m高度处三维湍流强度实测值Fig.5Measured3Dturbulenceintensityattheheightof10m根据拟合风剖面系数，获得中国(GB50009-2012)[4]、美国(ASCE7-10)[5]、日本(AIJ-RLB-2004)[6]规范的纵风向湍流强度剖面曲线，如图6所示.可知美、日规范明显较中国规范中的建议值要大，同时偏离实测值的程度也相对较大，实测湍流强度剖面拟合曲线与规范GB50009-2012最为接近.图6湍流强度剖面Fig.6Turbulenceintensityprofile3.2湍流积分尺度脉动风湍流积分尺度是与湍流中空间两点脉动风速相关性关联的参数，积分尺度的大小决定了脉动风对结构的影响范围，表达方程［7］如下所示：(2)式中：Ru(t)为纵风向风速分量的自相关函数；为自相关系数.表2湍流积分尺度实测均值统计Tab.2Meanvaluestatisticsofmeasuredturbulenceintegrallengthscale风场湍流积分尺度10m26m32m风眼区经过前99253310风眼区经过后42572606测得风塔各高度处的湍流积分尺度如表2所示，可以发现风眼区经过前，纵风向湍流积分尺度随高度呈线性增加，风眼区经过后，纵风向湍流积分尺度在26m以上的变化幅度很小.在10m高度监测点，台风风眼区经过前后两种风场下的三维湍流积分尺度如图7所示，可知纵风向和横风向湍流积分尺度的离散性很大，而竖向湍流积分尺度则相对较为稳定.图7实测10m高度处三维湍流积分尺度Fig.7Measured3Dturbulenceintegrallengthscaleattheheightof10m3.3阵风因子阵风因子为短时距tg内风速均值的最大值与参考时间T平均风速的比值，表达方程［8］如下所示：(3)式中：Gu(tg,T)为持时tg内的纵风向阵风因子；u(tg)为持时tg的脉动风速.表3实测阵风因子均值Tab.3Meanvalueofmeasuredgustfactors风场工况阵风因子10m26m32m风眼区经过前1.331.221.20风眼区经过后7不同高度处利用实测数据得到的阵风因子如表3所示，可知在相同离地高度下，风眼区经过前的强风风场计算得到的阵风因子均要比经过后的强风风场高.10m高度处台风不同来流方向的持时3s实测三维阵风因子计算值，如图8所示，台风风眼区经过前后的三维阵风因子实测值稳定在均值附近，离散性较小.基于实测结果，对纵风向的阵风因子进行曲线拟合，如图9所示.图8实测10m高度处三维阵风因子Fig.8measured3Dgustfactorsattheheightof10m图9阵风因子剖面Fig.9Gustfactorprofile3.4风速功率谱根据Kolmogorov湍流理论，频域内脉动风功率谱可由如下的经验表达式[9-10]来表达：⑷在上述脉动风速谱特征以及实测数据的基础上，国内夕卜学者提出了不同形式的脉动风速谱经验表达式，并应用于不同国家的规范，如VonKarman谱[11],Davenport谱[12],Panofsky谱[13],Lumley-Panofsky谱[14].基于实测数据对双台风〃纳沙”和〃海棠”进行近地层脉动风速谱特征研究，选择四处台风眼壁区附近1h时长数据，离地高度10m处台风眼壁强风区的纵风向脉动风速谱如图10所示.由图10可见，对于工程结构设计关心的低频区以及峰值频率的估计VonKarman经验谱更为准确，而在高频区中，实测风速谱密度和Davenport经验谱更为吻合.离地高度32m处台风眼壁强风区的竖向脉动风速谱如图11所示，由图可见，Panofsky谱和Lumley-Panofsky谱对台风风场近地层竖向风速谱的拟合都比较准确.测风塔纵向风速经验谱与实测谱相差很大，台风风场脉动风速谱不能严格镜像传递风速谱的谱特性，因此，基于此次台风实测数据，采用莫宁坐标进行谱拟合，提出适合福建沿海地区台风的脉动风速功率谱.纵风向对VonKarman谱进行拟合比对如图12所示，前眼壁强风区拟合参数a=67.78,b=10.51,a=0.95,p=2.45;后眼壁强风区拟合参数a=64.19,b=6.72,a=0.66,p=2.97.竖向风向对Panofsky谱进行拟合结果如图13所示，前眼壁强风区拟合参数a=5.57,b=4.34;后眼壁强风区拟合参数a=5.75,b=5.16.图10台风期间实测纵风向功率谱(z=10m)Fig.10Longitudinalwinddirectionpowerspectrumsduringtyphoon(z=10m)图11台风期间实测竖向风速谱(z=32m)Fig.11Verticalwindspeedspectrumduringtyphoon(z=32m)图12纵风向风速谱拟合(z=32m)Fig.12Fittingofwindspeedspectrumoflongitudinalwinddirection(z=32m)图13竖向风向风速谱拟合(z=32m)Fig.13Fittingofverticalwindspeedspectrum(z=32m)4结语基于近地风场风特性的实测强风风速样本，对中国福建东南沿海地貌台风极端气候下的平均风特性和脉动风特性进行统计分析，得到如下结论：指数律模型、对数律模型与实测风剖面的变化规律均较为吻合，台风眼区经过前的风剖面应用指数率和对数率的拟合参数值(a=0.169,z0=0.0455m)大于风眼区经过后的拟合参数值(a=0.122,z0=0.0047m).湍流强度随实测高度位置的增加而减小，台风风眼区经过前的实测湍流强度值比风眼区经过后要大；拟合实测湍流强度剖面，接近指数分布，美、中、日规范中，中国规范GB5009-2012推荐湍流强度剖面最接近实测情况.3）湍流积分尺度相较于其他脉动风特性参数，其离散性较大，其中竖向湍流积分尺度相对于纵风向和横风向则较为稳定；风眼区经过前，纵风向湍流积分尺度随高度呈线性增加，风眼区经过后，纵风向湍流积分尺度在26m以上趋于稳定.4）阵风因子随高度的增加而减小，风眼区经过后的阵风因子出现衰减.5）实测风速功率谱与传统的经验谱拟合性较弱，不同区域的实际风场适应不同的经验谱.因此，对实测风速谱进行拟合，得到的当地台风风场风速功率谱及相应谱参数，可为该地区工程设计提供参考.参考文献：【相关文献】宋丽莉,陈雯超,黄浩辉.工程抗台风研究中风观测数据的可靠性和代表性判别[J].气象科技进展,2011,1(1):35-39.POWELLMD,VICKERYPJ,REINHOLDTA.Reduceddragcoefficientforhighwindspeedsintropicalcyclones[J].Nature,2003,422(6929):279-283.CHOIECC.CharacteristicsoftyphoonsovertheSouthChinaSea[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1978,3(4):353-365.中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范:GB50009-2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.ASCE.Minimumdesignloadsforbuildingsandotherstructures:ASCE/SEI7-10[S].RestonVA:AmericanSocietyofCivilEngineers,2010.AIJ.Recommendationsforloadsonbuilding-windloads:AIJ-RLB-2004[S].Tokyo:ArchitecturalInstituteofJapan,2004.李家亮.基于近地观测的登陆台风湍流积分尺度研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2012.DAVENPORTAG.Noteonthedistributionofthelargestvalueofarandomfunctionwithapplicationtogustloading[J].ProceedingsoftheInstitut