近海岸強風風場特性現(xiàn)場實測研究

胡尚瑜, 聶功恒, 李秋勝, 張 敏

(1. 桂林理工大學(xué) 廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室, 廣西 桂林 541004;2. 香港城市大學(xué) 土木及建筑工程系, 中國 香港 999077)

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近海岸強風風場特性現(xiàn)場實測研究

胡尚瑜1,*, 聶功恒1, 李秋勝2, 張 敏1

(1. 桂林理工大學(xué) 廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室, 廣西 桂林 541004;2. 香港城市大學(xué) 土木及建筑工程系, 中國 香港 999077)

基于近海岸100 m測風塔獲取的近海面地貌條件5個不同高度風速數(shù)據(jù)。以10 m標準高度平均風速大于10 m/s為強風標準，選取臺風和季風風場強風樣本，應(yīng)用Bootstrap統(tǒng)計分析法，對強風條件下近地層平均風剖面、湍流強度剖面、湍流特征參數(shù)進行分析，探討了臺風和季風條件下這些參數(shù)的差異，并將實測結(jié)果與風荷載規(guī)范規(guī)定值進行比較，檢驗風載荷規(guī)范的適宜性。分析結(jié)果表明 ：近地邊界層的平均風剖面符合指數(shù)律或?qū)?shù)律，臺風和季風風剖面指數(shù)分別約為0.12和0.06；近地平均湍流度剖面符合指數(shù)律，臺風風場各高度平均湍流度與現(xiàn)行規(guī)范相接近；臺風風場各高度陣風因子均值較風荷載規(guī)范推算值要大，但季風風場陣風因子均值與規(guī)范推算值相接近。

風荷載；平均風剖面；湍流度；陣風因子；Bootstrap統(tǒng)計

0 引 言

近年來近海岸建筑和高聳結(jié)構(gòu)及超大跨度橋梁等工程不斷興建，近海岸工程的結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計和安全可靠性顯得尤為重要。在強/臺風極端條件下，近地風場特性和結(jié)構(gòu)極值風荷載的現(xiàn)場實測研究，對近海岸工程結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計和結(jié)構(gòu)安全評估有著重要的意義。近年來國內(nèi)外學(xué)者[1-10]通過移動測風塔和近海岸觀測塔等各種測試平臺，獲取了大量的近地臺風風場數(shù)據(jù)?；诂F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了近地平均風剖面指數(shù)、湍流度、陣風因子等物理量。由于受臺風自身湍流結(jié)構(gòu)及隨機性，不同臺風區(qū)域和不同強風標準及統(tǒng)計方法等因素影響，近地臺風風場湍流特性參數(shù)取值存在較大差異。

本文基于近海岸100 m測風塔在2009～2011年期間測得的10 m、50 m、65m、80 m、100 m 5個不同高度實測風速數(shù)據(jù)，以10 m高度平均風速大于10 m/s為強風標準，選取有效分析風速樣本，應(yīng)用Bootstrap統(tǒng)計方法，對近海岸海面來流地貌條件，臺風和季風風場的平均風剖面、湍流強度剖面及相關(guān)湍流特征參數(shù)進行分析，并探討了臺風和季風風場近地層的平均風剖面指數(shù)、湍流度和陣風因子等參數(shù)的差異，同時將實測結(jié)果與風荷載規(guī)范規(guī)定值進行比較，檢驗風荷載規(guī)范的適宜性。本文研究結(jié)果可為近海岸工程結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計風剖面參數(shù)取值提供參考。

1 近地邊界層風特性

1.1 平均風剖面

在強風作用下，近地中性穩(wěn)定大氣邊界層的湍流主要由地面粗糙度控制，平均風速剖面變化規(guī)律常認為符合指數(shù)律或?qū)?shù)律[11-12]。

指數(shù)律模型：

式中：zR為參考高度；α為冪指數(shù)，其值與地貌狀況相關(guān)。

對數(shù)律模型：

式中：k為卡曼常數(shù)，取0.4；u*為摩擦速度；z0為地面粗糙度長度。

1.1.1 指數(shù)律模型擬合

依據(jù)指數(shù)律模型式可得：

各高度擬合計算風速與實測風速離差平方和計算式如下：

式中:U(z)為實測值，U(zi)為擬合計算風速。

各高度擬合計算風速與實測風速離差平方和均方根誤差計算式如下：

擬合風剖面的相對誤差大小定義為離差平方和均方根誤差與參考風速大小的比值如下：

1.1.2 對數(shù)律模型擬合

依據(jù)對數(shù)律模型計算式可得：

應(yīng)用最小二乘法對各高度實測平均風速進行線性擬合，當擬合計算風速與實測風速離差平方和趨于零，可得地面粗糙度z0的計算公式[13]如下：

摩擦速度定義為：

式中:τ0為地表的剪切應(yīng)力，ρ為空氣密度。本文摩擦速度依據(jù)地面粗糙度z0擬合值和不同高度的風速代入公式(2)，運用最小二乘法進行線性擬合，可得其對應(yīng)的摩擦速度u*擬合值。

1.2 湍流強度

湍流度反映了風的脈動強度，是確定脈動風荷載的關(guān)鍵參數(shù)之一。湍流度定義為平均時距的脈動風速標準差與水平方向平均風速的比值：

式中σu為1s采樣頻率脈動風速的標準差，文中的湍流度主要反映大尺度湍流脈動的特征。依據(jù)文獻[14]比較超聲測風儀和NRG杯式測風儀實測湍流強度分析，認為兩個風速儀獲得的湍流強度具有相同趨勢，超聲風速儀的湍流強度略大于NRG杯式測風儀，因而本文對NRG杯式測風儀實測各高度的湍流強度乘以1.1進行了相應(yīng)的修訂。

GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[15]給出了各高度平均湍流強度剖面計算式：

式中α為風剖面指數(shù)，其值與地貌狀況相關(guān)。對應(yīng)于A類地貌，規(guī)范給定值為0.12。I10為10m高度名義湍流度，對應(yīng)A類地貌取值為0.12。

1.3 陣風因子

風的脈動強度也可用陣風因子來表示。陣風因子定義為陣風持續(xù)期的平均風速最大值與平均時距內(nèi)平均風速的比值：

本文取陣風持續(xù)期tg=3 s，平均時距T=10 min。

陣風峰值因子定義為：

式中：Umax,tg為陣風時距內(nèi)最大平均風速。

陣風因子和湍流度在物理上都表示風速的脈動強度，相互關(guān)系可表示為：

依據(jù)式湍流強度剖面計算式(12)和式(15)可得各高度的陣風因子剖面計算式：

1.4 Boostrap法分析思路

以選取梯度風各高度范圍內(nèi)的強風風速樣本，采用指數(shù)律模型擬合得到各樣本的風剖面指數(shù)計算序列(αs1,αs2，…，αsn)為例。運用Bootstrap方法，統(tǒng)計分析風剖面指數(shù)置信區(qū)間的分析思路如下：

4) 按步驟3)連續(xù)重復(fù)B次，即得到B個Bootstrap再生樣本，用矩陣表示為：

計算再生樣本的統(tǒng)計量：

其中：y″i=y″i1,y″i2,…,y″iB，i=1,2。

5) 根據(jù)再生樣本y″i，可以得到μ和σ2的估計:

2 現(xiàn)場實測及數(shù)據(jù)選取

2.1 實測系統(tǒng)及場地條件

測風塔位于海南文昌木蘭頭，東經(jīng)110°44′，北緯20°09′，在離地面10 m、50 m、65 m、80 m、100 m高度處布設(shè)安裝了NRG-Symphonie型杯式風速儀進行風速觀測，同時在50 m、65 m、100 m高度處安裝了風向儀進行風向角的觀測。測試系統(tǒng)采樣頻率為1 Hz，每10 min輸出1組平均風速風向、極大風速風向和風速、風向標準差等。觀測塔觀測地貌狀況：東北方位來流地貌條件為海面，距離海岸線約為50 m；西南方位為平坦開闊場地，下墊面為近地有2～3 m高的馬尾松防護林。

2.2 強風樣本選取

2009年7月至2011年7月兩年期間，近海岸梯度風觀測塔獲取的近地臺風風場及季風風場有效觀測樣本的極值風速統(tǒng)計如表1所示，臺風“彩虹” 實測3 s最大平均風速為26.2 m/s，10 min最大平均風速為20.4 m/s。臺風“凱薩娜” 實測3 s最大平均風速為26.2 m/s， 10 min最大平均風速為20.3 m/s。臺風“芭瑪”實測3 s最大平均風速為20.1 m/s，10 min最大平均風速為14.7 m/s。

表1 觀測樣本資料 Table 1 Observation of wind records used in study

本文以測風塔10 m高度處10 min平均風速大于10 m/s為強風標準，選取臺風和季風風場的強風樣本數(shù)據(jù)，對近地邊界層風特性進行分析。10 m高度處臺風和季風風場強風風速、風向角樣本分布如圖1(a、b)所示：臺風和季風風場強風樣本主要分布在30°～60°范圍內(nèi)，因而本文選取風向角分布在30°～60°范圍內(nèi)的強風樣本，該方位來流地貌為近海面，考慮來流經(jīng)歷由海面地貌到近海岸地貌條件，存在內(nèi)部邊界層高度需確定問題。參考文獻[17]給出的內(nèi)部邊界高度計算公式，根據(jù)測風塔距其海岸線大約為50 m，假設(shè)海面地貌粗糙度長度由0.002 m過渡到0.02 m地貌條件時，其內(nèi)部邊界層高度值約為7.1 m。因而本文實測各高度風速實測大小反映來流為海面地貌條件下的邊界層風速，旨在分析近海岸海面地貌狀況下臺風風場和季風風場特性。各觀測層的高度應(yīng)從海平面開始，根據(jù)實際量測測風塔相對海面高度差約為4 m。同時考慮到強風條件下受海浪的影響，測風塔平面位置相對海面高度差近似取為3 m，即各觀測層的高度分別為13 m、53 m、68 m、83 m、103 m。

(a) 臺風樣本

(b) 季風樣本

3 風特性分析

3.1 平均風特性

選取來流為近海面地貌條件下，實測臺風“彩虹”、“凱薩娜”、“芭瑪”及季風風場各觀測高度的平均風速數(shù)據(jù)，應(yīng)用對數(shù)律模型和指數(shù)律模型對風剖面進行最小二乘線性擬合。考慮當10 m高度風速達到17.2 m/s時,風力等級將達到八級大風級。因而以風速17.2 m/s為分界線對臺風“凱薩娜”風速劃分區(qū)間,區(qū)間[10,17.2)為“凱薩娜”(I),區(qū)間[17.2,20.3)為“凱薩娜”(II)。指數(shù)律、對數(shù)律風剖面參數(shù)擬合值如表2所示：臺風“彩虹”風剖面指數(shù)α均值為0.122，應(yīng)用Boostrap法計算得到的風剖面指數(shù)α均值在95%置信度條件下的置信區(qū)間為[0.115,0.130]；臺風 “凱薩娜”(I) 平均風速小于17.2 m/s樣本的風剖面指數(shù)α均值為0.128；臺風 “凱薩娜”(II) 平均風速大于等于17.2 m/s大風樣本的風剖面指數(shù)α均值為0.119；“芭瑪”風場風剖面α指數(shù)均值范圍為0.118，各臺風風場與規(guī)范GB50009-2012中 A類地貌條件風剖面指數(shù)α規(guī)定值0.120相近。季風風場風剖面指數(shù)α均值為0.062，其95%置信區(qū)間為[0.060，0.063]。季風風場風剖面指數(shù)α均值小于規(guī)范值和臺風風場值。臺風風場地面粗糙度長度和摩擦速度與平均風速大小相關(guān)，與季風風場相比，地面粗糙度長度和摩擦速度相對增大。近地100 m 高度范圍內(nèi)的指數(shù)律和對數(shù)律剖面以及相關(guān)擬合曲線如圖2所示。由圖2(a)可知：“彩虹”臺風近地層平均風剖面各高度平均風速變化規(guī)律符合指數(shù)律和對數(shù)律模型。同理由圖2(b-e)可知，指數(shù)律和對數(shù)律模型對臺風“凱薩娜(I)、(II)”和 “芭瑪”及季風風場近地層平均風剖面各高度風速擬合基本較好，各臺風指數(shù)律風剖面擬合相對誤差值與參考風速變化關(guān)系如圖2(f)所示，整體上相對誤差約為2%左右，表明強風條件下指數(shù)律和對數(shù)律模型都能較好的反映近地100 m高度范圍內(nèi)的平均風速變化規(guī)律。值得說明的是，在50～70 m 高度范圍，近地層存在一段風速變化大小變化不明顯區(qū)間，這與文獻[18]在近海平坦地貌條件，海面來風時，在50～70 m高度范圍，風速大小變化不明顯，具有相似的現(xiàn)象，在高度60 m附近范圍存在強風區(qū)段。其主要原因仍需要通過采用超聲風速儀等資料分析其區(qū)間梯度風變化規(guī)律及差異產(chǎn)生的原因。

表2 平均風剖面參數(shù)Table 2 Parameters of mean wind speed

(a) 臺風“彩虹”

(b) 臺風“凱薩娜”(I)

(c) 臺風“凱薩娜”(II)

(d) 臺風“芭瑪”

(e) 季風風場

(f) 相對誤差

3.2 湍流特性

3.2.1 湍流強度及剖面

選取來流為近海面地貌條件下，實測臺風“彩虹”、“凱薩娜”、“芭瑪”及季風風場各觀測高度的平均風速及風速標準差的強風樣本，統(tǒng)計分析了近海岸地貌下，臺風和季風風場近地邊界層湍流度分布規(guī)律。如表3所示：“彩虹”、“凱薩娜”樣本(I)、(II)和“芭瑪”臺風風場13 m高度湍流強度均值分別為0.119、0.135、0.123和0.125，均值范圍為0.119～0.135，略大于現(xiàn)行規(guī)范A類地貌規(guī)范計算值0.116。季風風場13 m高度湍流強度均值為0.104，略小于現(xiàn)行規(guī)范A類地貌規(guī)范計算值。

如圖3所示，臺風風場平均湍流度沿高度變化規(guī)律符合指數(shù)律分布，各臺風湍流強度平均剖面與現(xiàn)行規(guī)范給定值相接近。應(yīng)用公式(12)和實測風剖面指數(shù)z0擬合值，采用最小二乘法線性擬合，可得“彩虹”、“凱薩娜”樣本(I)、(II)和 “芭瑪”臺風風場13m高度湍流度擬合值。同時考慮到13m高度的湍流實測值可能受到近地面干擾影響，在湍流特性參數(shù)擬合計算時未采用13m高度湍流實測值。擬合所得各臺風13m高度湍流度擬合值分別為0.116、0.114、0.108和0.109，與規(guī)范給定計算值0.116較為接近，小于實測值。各高度的規(guī)范推薦值能較好反映實測各臺風風場平均湍流度剖面均值分布特性。從圖3(e)可以看出，季風實測各高度湍流度明顯小于規(guī)范推薦值。同理對季風風場湍流剖面進行擬合，可得季風風場13 m高度湍流度擬合值為0.078，小于13 m高度實測湍流度均值0.104和規(guī)范計算值0.116。近地13 m高度的湍流度的擬合值與實測值差別的主要原因是：通常湍流參數(shù)的內(nèi)邊界層高度是平均風速的2倍，相對近地13 m高以下大氣湍流的更易受近地植被擾動作用影響。

表3 各高度的湍流強度與陣風因子統(tǒng)計Table 3 Parameter of wind turbulence intensity and gust factors statistics

(a) 臺風“彩虹”

(c) 臺風“凱薩娜”(II)

(b) 臺風“凱薩娜”(I)

(d) 臺風“芭瑪”

(e) 季風風場

3.2.2 陣風因子及剖面

基于13 m、53 m、68 m、83 m、103 m 5個不同高度處相對應(yīng)的平均風速及3 s最大陣風風速，統(tǒng)計分析臺風和季風風場近地邊界層陣風因子及剖面。如表3所示：臺風 “彩虹”、“凱薩娜(I)”、“凱薩娜(II)”和 “芭瑪”在13 m高度處的陣風因子均值分別為1.33、1.38、1.36、1.37，略大于現(xiàn)行規(guī)范A類地貌規(guī)范計算值1.29。季風風場13 m高度陣風因子均值為1.30，與現(xiàn)行規(guī)范A類地貌規(guī)范計算值接近。如圖4所示，實測臺風和季風風場陣風因子沿高度變化規(guī)律同樣符合指數(shù)律分布，臺風風場陣風因子剖面大于現(xiàn)行規(guī)范給定值，季風陣風因子與規(guī)范推算值相接近。依據(jù)陣風因子計算式(16)，采用實測風剖面指數(shù)α擬合值和各臺風風場湍流強度剖面擬合13 m高度湍流度擬合值即I13取0.116、0.114、0.108和0.109，對各臺風風場陣風因子剖面進行最小二乘線性擬合。擬合“彩虹”、“凱薩娜”(I)、(II)和 “芭瑪”臺風風場的峰值因子g值分別為2.74、2.68、2.73和2.84，略大于規(guī)范給定值2.5。同理對季風風場陣風因子剖面進行擬合得季風峰值因子g值為3.07，大于規(guī)范給定值。相對而言，近地13m高度的陣風因子的擬合值與實測值差別的主要原因是受近地面干擾作用影響產(chǎn)生一定大尺度陣風湍流。

(a) 臺風“彩虹”

(b) 臺風“凱薩娜”(I)

(c) 臺風“凱薩娜”(II)

(d) 臺風“芭瑪”

(e) 季風

3.3 風特性參數(shù)與平均風速

選取臺風“凱薩娜”(I)、(II)風場樣本統(tǒng)計的風特性參數(shù)，探討風特性參數(shù)與平均風速的相關(guān)性。臺風風場風剖面指數(shù)與平均風速的關(guān)系如圖5所示：臺風風剖面指數(shù)α隨平均風速增大有減小趨勢。類似對數(shù)律擬合得臺風風場摩擦速度和地面粗糙度長度與平均風速大小相關(guān)，如圖6、圖7所示，臺風風場地面粗糙度長度隨平均風速增大而減少，而摩擦速度隨平均風速增大而增大。

臺風“凱薩娜”(I)、(II)風場樣本的相對海面高度為13 m處的湍流強度與平均風速的關(guān)系如圖8所均風速增大而減少，而在平均風速17.2～22 m/s區(qū)間范圍相對趨于平穩(wěn)。

圖5 風剖面指數(shù)與平均風速的關(guān)系Fig.5 Variation of power law index with mean wind speed

圖6 摩擦速度與平均風速的關(guān)系Fig.6 Variation of friction with mean wind speed

示，在平均風速10～22 m/s范圍內(nèi)，臺風的湍流強度隨平均風速增大而減小，隨平均風速的進一步增大而相對趨于穩(wěn)定。相對海面高度為13 m處的陣風因子與平均風速的關(guān)系如圖9所示，臺風風場在平均風速10～22 m/s范圍內(nèi)，陣風因子隨平均風速的變化相對穩(wěn)定。綜上所述，近海岸地貌強風條件下，臺風風場風剖面指數(shù)、湍流強度和陣風因子大于季風風場實測值。各臺風風場湍流參數(shù)隨著平均風速增大有減小的趨勢，隨著風速的繼續(xù)增大而趨于穩(wěn)定。與文獻[6-7]具有相似的結(jié)論，各臺風風場湍流參數(shù)隨著平均風速增大而減少，而在平均風速17.2～22 m/s區(qū)間范圍相對趨于平穩(wěn)。

圖7 地貌粗糙度與平均風速的關(guān)系Fig.7 Variation of roughness with mean wind speed

圖9 陣風因子與平均風速的關(guān)系Fig.9 Variation of gust factor with mean wind speed

4 結(jié) 論

基于近地層風場風特性的實測強風風速樣本，對近海岸地貌強風條件下臺風和季風風場參數(shù)如風剖面指數(shù)、湍流度和陣風因子等進行了統(tǒng)計分析，得到如下結(jié)論：

1) 強風風場近地平均風速剖面符合指數(shù)律或?qū)?shù)律，臺風風場風剖面指數(shù)α均值約為0.12，與規(guī)范規(guī)定值接近。季風風場風剖面指數(shù)α均值為0.06，小于規(guī)范值。臺風風場地面粗糙度長度及摩擦速度較季風風場值偏大達70%；

2) 臺風風場平均湍流度剖面符合指數(shù)律分布，臺風湍流強度平均剖面與規(guī)范A類地貌湍流強度推算值相一致。季風風場各高度實測湍流度明顯小于規(guī)范給定值；

3) 臺風風場陣風因子剖面變化規(guī)律同樣符合相應(yīng)的平均風速剖面α指數(shù)律分布。臺風風場陣風因子剖面大于現(xiàn)行規(guī)范給定值，季風風場陣風因子與規(guī)范給定值接近；

4) 臺風風場平均風剖面α指數(shù)、湍流度和陣風因子大于季風風場實測值。各臺風風場湍流參數(shù)隨著平均風速增大而減少，而在平均風速17.2～22 m/s區(qū)間范圍相對趨于平穩(wěn)。

討論：本文依據(jù)近海岸觀測塔獲取的臺風和季風強風特性的實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出了近海岸海面地貌條件下近地平均風速剖面、湍流度剖面及陣風因子剖面的變化規(guī)律與現(xiàn)行規(guī)范A類地貌條件推薦值具有較好的一致性，但具體量值存在的差異，風速剖面參數(shù)化仍需要更多的有效實測強風樣本確定和驗證。

致謝:感謝中國華能海南文昌風電廠提供的實測風速數(shù)據(jù)。

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Field measurement study on wind characteristics of strong windstorm in coastal terrain

Hu Shangyu1,*, Nie Gongheng1, Li Qiusheng2, Zhang Min1

(1.GuangxiKeyLaboratoryofNewEnergyandBuildingEnergySaving,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China; 2.DepartmentofBuildingandConstruction,CityUniversityofHongKong,HongKong999077)

Mean wind speed and wind turbulence characteristics of strong winds in surface boundary layer were studied by bootstrap method based on strong wind data sample in accordance with 10m height and mean wind speed higher than 10 m/s. The strong wind data were recorded from 100 m meteorological tower at sites near seashore with strong wind conditions and coastal terrain. The major objective of the paper is to further understand differences between near ground typhoon-generated and monsoon wind characteristics. Furthermore, the estimated wind profile and turbulence profiles were compared to those stipulated by wind loads Standard to verify the suitability of the wind load specification.The results reveal that in the near-surface range vertical distribution of mean wind speed can be well described by a logarithmic law and a power law. The mean values of exponent of the power-law profile are 0.12 and 0.06 for the coastal terrain in the typhoons and monsoon wind climates, respectively. The variation of the mean longitudinal turbulence intensity with varing height approximately follows a power law. The mean value of longitudinal turbulence intensity at five heights was fitting the results of the turbulence intensity profile. The profile is which was approximately same as that stipulated in wind loads Standard for coastal terrain exposure. Meanwhile, the measured gust factor of typhoons is larger than that stipulated in wind loads Standard for the coastal terrain exposure, but for the monsoon, it is close to the code value.

wind loads; mean wind speed profile; turbulence intensity; gust factor; bootstrap statistics

0258-1825(2017)02-0242-09

2015-10-21;

2015-12-08

國家自然科學(xué)基金(51308140,51668015); 廣西自然科學(xué)基金(2015GXNSFAA139251);廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室(16-J-21-7);廣西高校科研項目(2013YB103)

胡尚瑜*(1981-)，男，湖南永州人，工學(xué)博士，副教授, 研究方向: 結(jié)構(gòu)風工程. E-mail:hushangyu@glut.edu.cn

胡尚瑜, 聶功恒, 李秋勝. 近海岸強風風場特性現(xiàn)場實測研究[J]. 空氣動力學(xué)學(xué)報, 2017, 35(2): 242-250.

10.7638/kqdlxxb-2015.0009 Hu S Y, Nie G H, Li Q S. Field measurement studyon wind characteristics of strong windstorm in coastal terrain[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2017, 35(2): 242-250.

TU312.1

A doi: 10.7638/kqdlxxb-2015.0009