典型臺(tái)風(fēng)登陸過程平均風(fēng)時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)分析

潘晶晶,趙 林,梁旭東,朱樂東,葛耀君

(1.土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))，上海200092；2.中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京100089)

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典型臺(tái)風(fēng)登陸過程平均風(fēng)時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)分析

潘晶晶1,趙 林1,梁旭東2,朱樂東1,葛耀君1

(1.土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))，上海200092；2.中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京100089)

為掌握中國(guó)東南沿海臺(tái)風(fēng)登陸過程近地面風(fēng)速變化規(guī)律及影響因素，根據(jù)2005年浙江省東海塘觀測(cè)塔和上海市蘆潮港觀測(cè)塔分別實(shí)測(cè)得到的2次典型強(qiáng)臺(tái)風(fēng)(麥莎(Matsa 0509)和卡努(Khanun 0515))登陸時(shí)段距地面10 m高度處的實(shí)時(shí)風(fēng)速記錄資料，計(jì)算了不同時(shí)距風(fēng)速的轉(zhuǎn)換系數(shù)及其概率分布.計(jì)算結(jié)果表明，風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)服從廣義極值分布，V3 s/V10 min服從極值Ⅱ型分布，V30 min/V10 min以及V1 h/V10 min服從極值Ⅲ型分布.分別處于臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)端和近端的兩處觀測(cè)塔的實(shí)測(cè)記錄表明，A類場(chǎng)地下，在臺(tái)風(fēng)影響范圍內(nèi)，工程場(chǎng)地處臺(tái)風(fēng)氣候條件下10 m高度處風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的取值及其概率分布基本保持穩(wěn)定，基本不受臺(tái)風(fēng)路徑、臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化、觀測(cè)點(diǎn)在臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)中的相對(duì)位置以及臺(tái)風(fēng)登陸與否的影響.A類場(chǎng)地的臺(tái)風(fēng)氣候條件下，采用基于概率統(tǒng)計(jì)的具有一定保證率的風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)取值，能夠?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能設(shè)計(jì)提供可靠保證.關(guān)鍵詞: 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)；轉(zhuǎn)換系數(shù)；不同時(shí)距；廣義極值分布；影響因素

隨著沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)逐漸向高層和大跨度方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)柔性的大幅增加，使得風(fēng)，尤其是沿海地區(qū)頻繁發(fā)生的臺(tái)風(fēng)，逐漸成為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的影響因素.目前土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)良態(tài)風(fēng)氣候條件下的風(fēng)特性積累了一定的研究資料，而對(duì)于臺(tái)風(fēng)氣候條件下的風(fēng)特性，由于歷史記錄資料的缺乏而了解不足，臺(tái)風(fēng)氣候條件下工程場(chǎng)地風(fēng)特性規(guī)律實(shí)測(cè)工作逐漸受到相關(guān)部門的重視.為此，本文利用觀測(cè)到的臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)風(fēng)氣候條件下不同時(shí)距的風(fēng)速轉(zhuǎn)換及其影響因素進(jìn)行研究.

1 研究背景

在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，各國(guó)所使用的建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中良態(tài)風(fēng)風(fēng)荷載的基本風(fēng)速采用的平均時(shí)距不統(tǒng)一，中國(guó)、前蘇聯(lián)、日本以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)ISO采用的平均時(shí)距為10 min；澳大利亞采用的是3 s；英國(guó)、加拿大采用的是1 h.臺(tái)風(fēng)氣候條件下基本風(fēng)速的時(shí)距也沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，中國(guó)整編的《熱帶氣旋年鑒》[1]對(duì)臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)速的測(cè)量最早使用的是2 min的平均時(shí)距，近年則主要使用10 min.由于不同時(shí)距風(fēng)速的振幅、方差等風(fēng)速特征[2-4]具有明顯不同的特點(diǎn)，因此時(shí)距的選擇對(duì)于風(fēng)速特征有很大的影響，鑒于此，有學(xué)者根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)不同時(shí)距的風(fēng)速轉(zhuǎn)換進(jìn)行對(duì)比研究，試圖得到關(guān)于轉(zhuǎn)換系數(shù)的規(guī)律[5-7].

同時(shí)，中國(guó)東南沿海一帶面臨全球發(fā)生熱帶風(fēng)暴最多的太平洋海域，多年來受臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致的強(qiáng)風(fēng)影響巨大[8]，臺(tái)風(fēng)特有的強(qiáng)烈渦旋風(fēng)場(chǎng)特征可導(dǎo)致其近地風(fēng)特性有別于其他天氣系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng).而臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)隨機(jī)性，又使得獲取具有代表性的臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)十分困難，因此世界氣象組織WMO[9]經(jīng)過多年的總結(jié)研究給出了臺(tái)風(fēng)條件下針對(duì)海上、陸地、離岸和離海幾種不同下墊面的不同時(shí)距風(fēng)速的轉(zhuǎn)換系數(shù)，但WMO 的這份技術(shù)文件中采用的資料主要來自于美國(guó)和澳大利亞，適合于中國(guó)沿海的可靠性和適用性值得商榷.廣東省氣象中心的蔡凝昊等[5]和廣東省氣候中心的陳雯超等[10]分別利用臺(tái)風(fēng)黃蜂(Vongfong 0214)以及強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比(Hagupit 0814)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同時(shí)距風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算以及不同時(shí)距風(fēng)速的轉(zhuǎn)換公式的擬合，從臺(tái)風(fēng)整體過程平均意義上給出了不同時(shí)距下風(fēng)速的轉(zhuǎn)換.臺(tái)風(fēng)作為相對(duì)小概率的災(zāi)害性氣候，其發(fā)生、發(fā)展歷經(jīng)復(fù)雜的變化過程，臺(tái)風(fēng)登陸過程中其自身強(qiáng)度由強(qiáng)減弱的時(shí)間歷程下，不同時(shí)距下的風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)存在一定的演變規(guī)律.為此，利用浙江省臺(tái)州海域東海塘觀測(cè)塔和上海市東海區(qū)域蘆潮港觀測(cè)塔分別實(shí)測(cè)得到的2次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)(麥莎(Matsa 0509)和卡努(Khanun 0515))登陸時(shí)段距地面10 m高度處的風(fēng)速記錄資料，實(shí)施基于概率統(tǒng)計(jì)算法的臺(tái)風(fēng)登陸全過程下風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)分布研究，并綜合考慮臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化、觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)臺(tái)風(fēng)中心距離以及臺(tái)風(fēng)登陸狀態(tài)對(duì)風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)的影響.

2 觀測(cè)塔及觀測(cè)設(shè)備

為統(tǒng)計(jì)和研究中國(guó)東南沿海臺(tái)風(fēng)風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)的特性，在氣象局的幫助下，分別收集了浙江省東海塘風(fēng)能觀測(cè)塔和上海市蘆潮港觀測(cè)塔觀測(cè)到的2個(gè)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)麥莎和卡努近地面10 m高度處的實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù).

東海塘觀測(cè)塔，東經(jīng)121.6°，北緯28.4°，位于浙江省溫嶺市松門鎮(zhèn)東北的東海塘海灣平原地區(qū)，觀測(cè)塔周邊地形為開墾農(nóng)田和沿海灘涂，按照J(rèn)TG/T D60-01—2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]東海塘觀測(cè)塔周邊地形應(yīng)屬A類場(chǎng)地，見圖1 (a)；蘆潮港觀測(cè)塔，東經(jīng)121.9°，北緯31.85°，位于上海市浦東新區(qū)，地處東海與杭州灣交匯處的海堤內(nèi)側(cè)，附近地面為農(nóng)田草地，按照J(rèn)TG/T D60-01—2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》蘆潮港觀測(cè)塔周邊地形應(yīng)屬于A類場(chǎng)地，見圖1(b).采用Nomad系列機(jī)械軸測(cè)式風(fēng)速記錄儀，采樣頻率1 Hz，測(cè)量范圍0.4 ～70 m/s，可在溫度-55～60 ℃下正常工作，保證風(fēng)速記錄儀在長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試過程中，具有良好的穩(wěn)定性、較高的可靠度和極高的準(zhǔn)確度.

圖1 兩觀測(cè)塔位置及周邊地形示意

Fig.1 Locations of two anemometer towers and their neighboring terrain

臺(tái)風(fēng)麥莎于2005年7月31日20時(shí)在菲律賓以東洋面上生成，8月3日02時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，近中心最大風(fēng)速45 m/s，最低氣壓950 hPa，6日03時(shí)40分在浙江玉環(huán)登陸；臺(tái)風(fēng)卡努于同年9月5日上午在西北太平洋洋面上形成，8日加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，近中心最大風(fēng)速50 m/s，最低氣壓945 hPa，11日14時(shí)50分在浙江臺(tái)州市路橋區(qū)金清鎮(zhèn)登陸.

東海塘和蘆潮港兩觀測(cè)塔記錄的臺(tái)風(fēng)麥莎和臺(tái)風(fēng)卡努風(fēng)速樣本狀況見表1和圖2.

表1 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)觀測(cè)記錄狀況

圖2 臺(tái)風(fēng)麥莎、卡努路徑以及東海塘、蘆潮港觀測(cè)塔位置示意

Fig.2 The path of typhoons and locations of anemometer towers in Donghaitang and Luchaogang

由圖2結(jié)合臺(tái)風(fēng)有記錄期間的狀況可知：

1)臺(tái)風(fēng)麥莎和卡努的路徑和強(qiáng)度變化很相似，便于將兩臺(tái)風(fēng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，互相驗(yàn)證.

2)盡管從路徑和強(qiáng)度變化趨勢(shì)上來看，兩臺(tái)風(fēng)看起來很相似，但是兩者之間還是存在區(qū)別的.一方面，根據(jù)氣象臺(tái)的記錄，臺(tái)風(fēng)麥莎的十級(jí)和七級(jí)風(fēng)速圈半徑分別為200 km和600 km左右；而臺(tái)風(fēng)卡努的分別為150 km和400 km左右.可以看到，雖然臺(tái)風(fēng)卡努的最低氣壓(945 hPa)低于臺(tái)風(fēng)麥莎的(950 hPa)，即臺(tái)風(fēng)卡努的強(qiáng)度比臺(tái)風(fēng)麥莎大，但臺(tái)風(fēng)麥莎影響的區(qū)域范圍大于臺(tái)風(fēng)卡努的，也就是說，臺(tái)風(fēng)卡努除臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼區(qū)域外產(chǎn)生的影響未必大于臺(tái)風(fēng)麥莎的.另一方面，在東海塘觀測(cè)塔記錄期間，東海塘觀測(cè)塔始終處于臺(tái)風(fēng)麥莎和卡努的影響范圍內(nèi)；而在蘆潮港觀測(cè)塔記錄期間，蘆潮港觀測(cè)塔始終位于臺(tái)風(fēng)麥莎的影響范圍內(nèi)，對(duì)于臺(tái)風(fēng)卡努，則是從2005-09-11T09:00開始(此時(shí)臺(tái)風(fēng)中心氣壓保持為945 hPa)，觀測(cè)塔進(jìn)入臺(tái)風(fēng)影響范圍.總的來看，除了蘆潮港觀測(cè)塔記錄臺(tái)風(fēng)卡努的前9 h之外，兩觀測(cè)塔始終基本位于臺(tái)風(fēng)影響范圍內(nèi).

3)東海塘觀測(cè)塔記錄的臺(tái)風(fēng)卡努實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為1 430 min，其余3次記錄均為2 870 min.雖然東海塘觀測(cè)塔記錄的臺(tái)風(fēng)卡努風(fēng)速樣本僅1 d時(shí)間，幾乎為其余3次樣本記錄時(shí)間的一半，但是同時(shí)，該樣本記錄期間也是臺(tái)風(fēng)卡努對(duì)東海塘觀測(cè)塔所在場(chǎng)地的影響區(qū)間，故4個(gè)數(shù)據(jù)樣本均有效記錄了臺(tái)風(fēng)登陸全過程期間受影響的工程場(chǎng)地風(fēng)速狀況.

4)從相對(duì)位置來看，東海塘觀測(cè)塔距臺(tái)風(fēng)麥莎和卡努中心的最近距離分別在38和10 km左右，結(jié)合圖2可知，在兩臺(tái)風(fēng)登陸地點(diǎn)附近，觀測(cè)塔恰巧穿過了兩臺(tái)風(fēng)中心，也就是說，東海塘觀測(cè)塔位于兩臺(tái)風(fēng)近端.而蘆潮港觀測(cè)塔距臺(tái)風(fēng)麥莎和卡努中心的最近距離分別為287和208 km,在登陸點(diǎn)處甚至達(dá)到了400 km，可見，蘆潮港觀測(cè)塔始終位于臺(tái)風(fēng)的遠(yuǎn)端.

3 臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

世界氣象組織在2008年發(fā)布的技術(shù)指引[9]中定義風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)是在確定的觀測(cè)周期(簡(jiǎn)稱平均風(fēng)速時(shí)距)的平均風(fēng)速與該周期內(nèi)陣風(fēng)風(fēng)速時(shí)距為τ的最大風(fēng)速之間的理論上的轉(zhuǎn)換關(guān)系，其計(jì)算公式為

式中:Gτ,T為時(shí)距τ的平均風(fēng)速和時(shí)距T的平均風(fēng)速之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，vτ,T為時(shí)距T內(nèi)時(shí)距τ的平均風(fēng)速最大值，vT為時(shí)距T的平均風(fēng)速值,T=10 min.

基于GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[12]中提供的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為地面或水平以上10 m高度處，100 a重現(xiàn)期的10 min平均年最大風(fēng)速(m/s)，以東海塘觀測(cè)塔和蘆潮港觀測(cè)塔10 m高度處的臺(tái)風(fēng)風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)速不同時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)研究，得到的實(shí)測(cè)資料見圖3、4.

從圖3、4中可看到：由時(shí)距越短、平均風(fēng)速變化越劇烈可知，時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)V3 s/V10 min因V3 s的脈動(dòng)而變化劇烈，而V30 min/V10 min和V1 h/V10 min的時(shí)程因V30 min和V1 h變化緩慢而平滑.4次記錄除偶爾的強(qiáng)烈波動(dòng)外，基本保持平穩(wěn)波動(dòng).

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)JTG/T D60-01—2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]、GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[12]、ANSI/ASCE Standard 7-95[13]、NBC2010[14]以及AS/NZS 1170.2:2011[15]，對(duì)于近地風(fēng)速的概率分布，各國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范都是在極值Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型中選擇采用.本文亦統(tǒng)一采用廣義極值分布函數(shù)(GEV)和極大似然參數(shù)估計(jì)法來研究臺(tái)風(fēng)不同時(shí)距的風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù).廣義極值分布(GEV)函數(shù)為

式中：μ為位置參數(shù)，σ為尺度參數(shù)，ε為形狀參數(shù).

其概率密度函數(shù)為

本文基于各觀測(cè)塔實(shí)測(cè)得到的10 m高度處的臺(tái)風(fēng)風(fēng)速資料，結(jié)合廣義極值分布函數(shù)和極大似然參數(shù)估計(jì)法，分別獲得東海塘、蘆潮港兩觀測(cè)塔10 m高度處臺(tái)風(fēng)麥莎和臺(tái)風(fēng)卡努不同時(shí)距風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布情況，結(jié)果見表2和圖5(圖中僅以東海塘麥莎為例，給出臺(tái)風(fēng)氣候條件下不同時(shí)距的風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率密度及其擬合結(jié)果).

圖3 東海塘、蘆潮港兩觀測(cè)塔臺(tái)風(fēng)麥莎10 m高度處不同時(shí)距風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)

圖4 東海塘、蘆潮港兩觀測(cè)塔臺(tái)風(fēng)卡努10 m高度處不同時(shí)距風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)

觀測(cè)塔轉(zhuǎn)換系數(shù)麥莎(Matsa0509)分布類型概率分布參數(shù)μσε卡努(Khanun0515)分布類型概率分布參數(shù)μσε東海塘V3s/V10min極值Ⅱ型1.3980.0830.080極值Ⅱ型1.4000.0870.174 V30min/V10min極值Ⅲ型0.9420.035-0.610極值Ⅲ型0.9450.041-0.769V1h/V10min極值Ⅲ型0.8990.046-0.670極值Ⅲ型0.9010.059-0.747蘆潮港V3s/V10min極值Ⅱ型1.3580.1110.127極值Ⅱ型1.3000.0820.363 V30min/V10min極值Ⅲ型0.9630.026-0.733極值Ⅲ型0.9690.023-0.746V1h/V10min極值Ⅲ型0.9380.034-0.552極值Ⅲ型0.9480.027-0.748

圖5 東海塘觀測(cè)塔10 m高度臺(tái)風(fēng)麥莎不同時(shí)距風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)概率密度曲線

Fig.5 The probability distribution of conversion factors over different time intervals at the height of 10 m during typhoon Matsa recorded by anemometer towers located in Donghaitang

結(jié)合表2和圖5可看到，時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布服從廣義極值分布，其中V3 s/V10 min服從極值Ⅱ型分布(Frechet分布)，V30 min/V10 min以及V1 h/V10 min均服從極值Ⅲ型分布(Weibull分布)；除V3 s/V10 min的形狀參數(shù)ε相差比較大之外，其余分布的參數(shù)基本處于一個(gè)數(shù)量級(jí).

4.1 風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布

4.1.1 同一觀測(cè)塔經(jīng)歷不同臺(tái)風(fēng)

計(jì)算同一觀測(cè)塔經(jīng)歷不同臺(tái)風(fēng)時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布參數(shù)的相差比，見表3.

表3 同一觀測(cè)塔經(jīng)歷不同臺(tái)風(fēng)時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布參數(shù)的相差比

Tab.3 Percent difference for probability distribution parameters of conversion factors at a certain site between different typhoons

觀測(cè)塔項(xiàng)目相差比/%μM-μK/mean(μM,μK)σM-σK/mean(σM,σK)εM-εK/mean(εM,εK)東海塘V3s/V10min0.094.4774.43 V30min/V10min0.3516.12-23.02V1h/V10min0.2424.55-11.00蘆潮港V3s/V10min4.3730.4796.11 V30min/V10min0.6311.96-1.74V1h/V10min1.0321.93-30.22

注：M表示臺(tái)風(fēng)麥莎Matsa,K表示臺(tái)風(fēng)卡努Khanun.

通過上表可以看到，路徑相似、強(qiáng)度及其變化也相似的不同臺(tái)風(fēng)麥莎和卡努，雖然影響范圍大小不一致，但是在同一地點(diǎn)的時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布依然是非常接近的，其中位置參數(shù)μ尤為接近，相差比不超過5%，且基本在2%以下，尺度參數(shù)σ的差異也較小，保持在31%以內(nèi)，V3 s/V10 min的形狀參數(shù)ε較其他轉(zhuǎn)換系數(shù)差異明顯.同時(shí)，距離臺(tái)風(fēng)路徑較近的東海塘的記錄差異較遠(yuǎn)端的蘆潮港更小，但這種差異較小.很明顯，對(duì)于路徑相似、臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度大小及其變化趨勢(shì)相似的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，在某確定場(chǎng)地的風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布也是相似的，其中，V3 s/V10 min服從極值Ⅱ型分布，V30 min/V10 min以及V1 h/V10 min服從極值Ⅲ型分布.

4.1.2 不同觀測(cè)塔經(jīng)歷同一臺(tái)風(fēng)

計(jì)算同一臺(tái)風(fēng)在不同觀測(cè)塔記錄得到的時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布參數(shù)的相差比，得到表4.

表4 不同觀測(cè)塔經(jīng)歷同一臺(tái)風(fēng)時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布參數(shù)的相差比

Tab.4 Percent difference for probability distribution parameters of conversion factors at different sites during a certain typhoon

臺(tái)風(fēng)項(xiàng)目相差比/%μD-μL/mean(μD,μL)σD-σL/mean(σD,σL)εD-εL/mean(εD,εL)麥莎V3s/V10min2.9528.8145.95 V30min/V10min2.1630.08-18.30V1h/V10min4.3130.50-19.31卡努V3s/V10min7.416.1670.21 V30min/V10min2.4456.83-3.04V1h/V10min5.0973.78-0.08

注：D表示東海塘觀測(cè)塔,L表示蘆潮港觀測(cè)塔.

比較表3、4，相對(duì)同一觀測(cè)塔經(jīng)歷不同臺(tái)風(fēng)而言，不同觀測(cè)塔經(jīng)歷同一臺(tái)風(fēng)的時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布參數(shù)取值差異稍大一些，但這種差異依然較小.其中，位置參數(shù)μ的相差比不超過7.5%，尺度參數(shù)σ和V3 s/V10 min的形狀參數(shù)ε差異明顯.同時(shí)注意到，登陸過程中，東海塘觀測(cè)塔距兩臺(tái)風(fēng)較近，甚至曾穿過臺(tái)風(fēng)眼區(qū)，而蘆潮港觀測(cè)塔始終處于臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)端，僅記錄了臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)外圍的風(fēng)速信息，可見，在臺(tái)風(fēng)由強(qiáng)減弱的整個(gè)過程中，不管場(chǎng)地是經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)眼區(qū)，還是始終停留在臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)外圍區(qū)，時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布差異都不大.因此，作為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的風(fēng)特性參考值，臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)可采用基于概率統(tǒng)計(jì)的具有一定保證率的取值.

4.2 風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)的影響因素

根據(jù)《熱帶氣旋年鑒》[1]，觀測(cè)塔記錄風(fēng)速期間，臺(tái)風(fēng)麥莎和卡努強(qiáng)度變化見圖6.

圖6 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

由圖6可知：

1)在東海塘、蘆潮港兩處觀測(cè)塔記錄期間，麥莎、卡努兩臺(tái)風(fēng)均經(jīng)歷了強(qiáng)度從保持不變到逐漸減小的逐步衰減過程.

2)結(jié)合第3節(jié)和第4.1節(jié)的分析，雖然臺(tái)風(fēng)卡努的強(qiáng)度比臺(tái)風(fēng)麥莎大，但臺(tái)風(fēng)卡努對(duì)兩觀測(cè)塔所在工程場(chǎng)地的影響未必大于臺(tái)風(fēng)麥莎產(chǎn)生的.

3)結(jié)合臺(tái)風(fēng)路徑可知，強(qiáng)風(fēng)強(qiáng)度衰減過程中，臺(tái)風(fēng)中心距觀測(cè)塔的距離變化為先減小后增大，這點(diǎn)對(duì)處于臺(tái)風(fēng)近端的東海塘觀測(cè)塔較明顯，而對(duì)遠(yuǎn)端的蘆潮港觀測(cè)塔影響較小.

結(jié)合風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)的時(shí)程變化曲線和概率分布，可以看到，無論是時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)變化的范圍還是劇烈程度，彼此之間并不存在明顯的差異.具體地說，臺(tái)風(fēng)麥莎和卡努在兩觀測(cè)塔記錄風(fēng)速期間，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度保持不變時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心和觀測(cè)塔之間的距離逐步減小(這一點(diǎn)對(duì)于處于臺(tái)風(fēng)近端的東海塘觀測(cè)塔而言尤為明顯)，而在時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的時(shí)程曲線上，并沒有看到時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)有明顯的增大或減小的趨勢(shì)；同時(shí)，臺(tái)風(fēng)登陸前后臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心與東海塘觀測(cè)塔的距離逐漸增大，與蘆潮港觀測(cè)塔的距離變化較小，而兩觀測(cè)塔記錄所得時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)也沒有因此發(fā)生明顯的波動(dòng)趨勢(shì).可見，對(duì)于無量綱的時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)而言，由于撇去了基本風(fēng)速的影響，基本沒有受到臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化、臺(tái)風(fēng)中心與觀測(cè)塔之間距離(即觀測(cè)點(diǎn)位于臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的相對(duì)位置)、臺(tái)風(fēng)登陸與否以及觀測(cè)塔距離臺(tái)風(fēng)路徑遠(yuǎn)近的影響.這些在風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布上也有明顯體現(xiàn).故知，時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布也較穩(wěn)定，基本不受臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、臺(tái)風(fēng)登陸與否以及場(chǎng)地在臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)中位置等因素的影響，故利用觀測(cè)站實(shí)測(cè)得到臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)獲得臺(tái)風(fēng)不同時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)具有實(shí)用價(jià)值，研究其變化規(guī)律及概率分布對(duì)臺(tái)風(fēng)氣候條件下的風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)研究具有指導(dǎo)意義，在臺(tái)風(fēng)氣候條件下的土木工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，采用基于概率統(tǒng)計(jì)的具有一定保證率的風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)取值是可靠的.

5 結(jié) 論

1)中國(guó)沿海臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)臺(tái)風(fēng)氣候條件下近地面風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布服從廣義極值分布，其中，V3 s/V10 min服從極值Ⅱ型分布，V30 min/V10 min以及V1 h/V10 min服從極值Ⅲ型分布.

2)分別處于臺(tái)風(fēng)路徑遠(yuǎn)端和近端的兩處觀測(cè)塔的實(shí)測(cè)記錄表明，A類場(chǎng)地下，臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的取值情況基本比較穩(wěn)定，即，某一工程場(chǎng)地、某一臺(tái)風(fēng)氣候條件下的風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)基本不受臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化、觀測(cè)點(diǎn)在臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)中的相對(duì)位置以及臺(tái)風(fēng)登陸與否的影響.

3)A類場(chǎng)地下，在臺(tái)風(fēng)影響范圍內(nèi)，工程場(chǎng)地所在處的臺(tái)風(fēng)氣候條件下風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)的概率分布較為穩(wěn)定，采用基于概率統(tǒng)計(jì)的具有一定保證率的風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換系數(shù)取值，能夠?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能設(shè)計(jì)提供可靠保證.

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(編輯 趙麗瑩)

Analysis of wind speed conversion factors of different time intervals during the passage of strong typhoons

PAN Jingjing1, ZHAO Lin1,LIANG Xudong2, ZHU Ledong1, GE Yaojun1

(1.State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering(Tongji University),Shanghai 200092, China;2.Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China)

To obtain the variation of wind speed near ground at the southeastern coastal area of China and its influence factors during the landfall process of typhoons, wind speed samples at 10 m during the landing of two strong typhoons(Typhoon Matsa 0509 and Typhoon Khanun 0515)were recorded by anemometer towers located at the regions of Donghaitang in Zhejiang Province and Luchaogang in Shanghai. Wind speed conversion factors of different time intervals and their probability distribution were calculated based on the sampling wind speeds. It is illustrated that wind speed conversion factors of different time intervals follow generalized extreme value distribution.V3 s/V10 minfollows Frechet Distribution, whileV30 min/V10 minandV1 h/V10 minfollow Weibull Distribution. There are 2 anemometer towers, one is adjacent to the paths of typhoons, while the other one is far away from them. It shows that in typhoons’ condition for terrain A, values of wind speed conversion factor keep steady and the probability distribution functions of conversion factors hold similar distribution characteristics during the landing process of strong typhoons regardless of the paths of typhoons, variation of typhoon intensity, the distance between the anemometer tower and the typhoon center and the landfall state of the typhoon. Values for wind speed conversion factors for terrain A in the condition of typhoons based on the analysis of probability statistics provide the assurance of reliability for wind resistant design of structures.

strong typhoons;conversion factors; different time intervals; generalized extreme value distribution; influence factors

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.12.023

2015-12-04

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2013CB036300)；國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(51323013)

潘晶晶(1991—)，女，碩士研究生； 趙 林(1974—)，男，教授，博士生導(dǎo)師； 朱樂東(1965—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師； 葛耀君(1958—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

趙 林，zhaolin@#edu.cn

TU375.4

A

0367-6234(2016)12-0158-07