浙南濱海丘陵地貌臺風(fēng)近地風(fēng)剖面特性實測研究

朱云輝， 孫富學(xué)， 姜 碩， 史文海,， 張傳雄， 李正農(nóng)， 趙喆斐

(1. 溫州大學(xué) 甌江學(xué)院，浙江 溫州 325035； 2. 溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035；3. RMIT University, Melbourne, Australia 3030； 4. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410082)

目前，我國風(fēng)荷載相關(guān)規(guī)范規(guī)定是基于良態(tài)大風(fēng)特性并借鑒國外規(guī)范制定的。在臺風(fēng)頻發(fā)及沿海地區(qū)，臺風(fēng)荷載是高層建筑及高聳風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)必須要考慮的因素。

近年來，學(xué)者們開展了一些近地面邊界層風(fēng)場特性的實測工作。李秋勝等[1]對沙塵暴天氣下的320 m氣象塔風(fēng)速進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)不同高度的實測湍流度之比與現(xiàn)有公式有一定差別。趙林等[2]針對3次臺風(fēng)距地面5個不同高度處的風(fēng)速實測記錄進行了分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)剖面指數(shù)在臺風(fēng)登陸前變化劇烈，在登陸后變化平穩(wěn)；王旭等[3]基于10 m、20 m、30 m和40 m高度處臺風(fēng)影響下的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，研究了平均風(fēng)速、湍流度和陣風(fēng)因子隨高度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)通過公式計算得到的邊界層高度隨平均風(fēng)速的增大而增大，遠遠大于我國規(guī)范；顧明等[4]對上海環(huán)球金融中心大樓頂部風(fēng)速實測，分析了良態(tài)風(fēng)下高空的風(fēng)場特性；申建紅等[5]對強風(fēng)作用下的超高層建筑風(fēng)場特性的實測研究，表明特殊地形環(huán)境下的風(fēng)速脈動不完全符合典型的風(fēng)速譜；張傳雄等[6]通過溫州市中心某高層建筑頂部風(fēng)場特性實測，研究獲得了城市中心高空臺風(fēng)風(fēng)場的風(fēng)場特性；羅疊峰等[7]通過對海邊三棟相鄰高層建筑頂部臺風(fēng)風(fēng)場實測，研究了多棟高層建筑頂部的風(fēng)場在臺風(fēng)影響下的風(fēng)特性和相關(guān)性；史文海等[8-12]基于多次臺風(fēng)的近地面和超高空風(fēng)場的實測，對比分析了兩者不同時距的湍流特性，發(fā)現(xiàn)兩者不同時距平均風(fēng)速的離散性和平均最大風(fēng)速之間的比例相差較大。王旭等[15]針對臺風(fēng)“?？苯仫L(fēng)脈動特性進行了實測研究。辛亞兵等[16]基于山區(qū)地形實測數(shù)據(jù)，進行了風(fēng)場的非平穩(wěn)特性和非高斯特性分析。

盡管學(xué)者們已經(jīng)開展了一些高空臺風(fēng)風(fēng)場及其風(fēng)剖面特性的實測研究，但由于臺風(fēng)特征具有明顯的地域性。目前，針對浙南濱海丘陵地貌臺風(fēng)風(fēng)剖面特性的實測研究尚未見報道。

本文針對浙南濱海丘陵地貌，基于浙江蒼南濱海的測風(fēng)基地，實測獲得了100 m高度內(nèi)臺風(fēng)歷程中的風(fēng)場數(shù)據(jù)，并通過綜合分析，研究分析其規(guī)律性特征，可為該地區(qū)建筑抗風(fēng)設(shè)計以及結(jié)構(gòu)減災(zāi)參考。

1 臺風(fēng)觀測概況

課題組建立的測風(fēng)塔位于浙江省蒼南縣霞關(guān)鎮(zhèn)，緊鄰海邊，周邊為丘陵地貌。測風(fēng)塔基海拔高度155 m，塔高100 m。測風(fēng)不同高度(10 m、30 m、50 m、70 m和100 m)分別布置風(fēng)速和風(fēng)壓傳感器，以實測不同高度的風(fēng)場特性。風(fēng)速傳感器采用三杯式風(fēng)速傳感器，風(fēng)向傳感器采用單翼式風(fēng)向傳感器。其中，30 m高度處風(fēng)向傳感器本次實測過程中損壞，未獲得該點位實測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率為1 Hz?，F(xiàn)場布置如圖1(a)所示。

本文實測研究針對臺風(fēng)“莫拉克”進行?！澳恕庇?009年8月9日16點左右在福建省霞浦縣沿海登陸，移動路徑如圖1(b)所示。登陸時中心附近最大風(fēng)力有12級，9日20時減弱為強熱帶風(fēng)暴。在臺風(fēng)逐漸登陸過程中，臺風(fēng)路徑離觀測點最近為80 km左右。

圖1 100高測風(fēng)塔及臺風(fēng)“莫拉克”路徑圖

根據(jù)臺風(fēng)影響程度，本文選取2009年8月8日15時至8月9日20時時段臺風(fēng)“莫拉克”登錄前后的實測數(shù)據(jù)進行分析。

2 風(fēng)剖面特性分析

2.1 實測瞬時風(fēng)場分析

臺風(fēng)“莫拉克”于8月9日16時20分在福建省霞浦縣北壁鄉(xiāng)登錄，離觀測點90 km左右，實測風(fēng)速在臺風(fēng)登錄前9小時(8月9日7時)左右達到最大。其中10 m、30 m、50 m、70 m和100 m五個高度處的瞬時風(fēng)速最大值分別為35.1 m/s、40.4 m/s、40.9 m/s、39.3 m/s、42.1 m/s。風(fēng)速達到最大后，風(fēng)速迅速衰減，然后再增大、衰減，但強度遠遠小于臺風(fēng)強度最大時刻。

2.2 平均風(fēng)速、風(fēng)向角

基于實測數(shù)據(jù)，按照時距10 min將數(shù)據(jù)進行分割處理。圖2給出了“莫拉克”的10 min平均風(fēng)速、風(fēng)向角剖面時程?？梢钥闯?，隨著高度的增加，風(fēng)速逐漸增大，不同高度處的10 min平均風(fēng)速和風(fēng)向角的變化非常同步。因10 m和50 m的風(fēng)向角變化一致，所以30 m風(fēng)向角參考10 m和50 m高度風(fēng)向取值。實測平均風(fēng)速在8月9日7時左右達到最大，100 m高處10 min平均風(fēng)速最大值為30.28 m/s。分析時間段內(nèi)，從10 m到100 m高度，10 min平均風(fēng)速的總體均值分別為15.03 m/s、18.92 m/s、19.95 m/s、20.82 m/s、21.92 m/s。

圖2 10 min平均風(fēng)速、風(fēng)向角時程

風(fēng)剖面指數(shù)a是風(fēng)剖面中反應(yīng)地面粗糙度的一個重要指標(biāo)。圖3為依據(jù)10 m、30 m、50 m、70 m和100 m高度處實測平均風(fēng)速計算得到的風(fēng)剖面指數(shù)值?？梢钥闯觯S著風(fēng)速的增大，指數(shù)a離散度呈減小趨勢。除個別點外，大部分a值都在0.15以下，因此將該場地定為B類粗糙度場地是合適的,與規(guī)范[14]場地分類結(jié)果基本吻合。

圖3 風(fēng)剖面指數(shù)

圖4為五個高度處10 min平均風(fēng)速的總體均值剖面和10 min平均風(fēng)速最大值剖面，以及相應(yīng)規(guī)范風(fēng)速剖面圖。可以看出兩者隨著高度的變化基本一致，并與規(guī)范風(fēng)剖面具有較好的吻合度，用指數(shù)律能較好的反映風(fēng)速沿高度的分布規(guī)律。

圖4 10 min平均風(fēng)速的總體均值剖面和最大值剖面

2.3 湍流度剖面

圖5為各高度處順風(fēng)向湍流度均值及規(guī)范湍流度曲線。在10 m、30 m、50 m、70 m和100 m高度處，順風(fēng)向湍流度均值分別為0.193 1、0.146 6、0.134 1、0.113 8、0.099 7，橫風(fēng)向湍流度均值分別為0.190 8、0.121 5、0.138 2、0.099 0、0.096 4。順風(fēng)向湍流度、橫風(fēng)向湍流度在同高度處較為接近，順風(fēng)向湍流度略大于橫風(fēng)向的湍流度，且其變化趨勢基本一致?？梢钥闯?，隨著高度的增加，湍流度呈逐漸減小的趨勢。同時，圖中還給出了國家規(guī)范在類似場地條件下的湍流度隨高度變化的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯我桓叨忍幍膶崪y湍流度均小于規(guī)范取值，隨著高度增加，偏離值增大。表明對應(yīng)規(guī)范取值偏于保守，可以根據(jù)不同地域?qū)崪y資料，在確保安全性的同時，進行取值優(yōu)化。

圖5 湍流度剖面

圖6給出了順風(fēng)向、橫風(fēng)向湍流度剖面與平均風(fēng)速之間的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著風(fēng)速的增大，順風(fēng)向、橫風(fēng)向湍流度總體上呈現(xiàn)遞減的趨勢。隨著高度的增加，湍流度的離散度逐漸變小，橫風(fēng)向湍流度相對較為明顯，30 m以上離散性顯著降低。表明地表臺風(fēng)橫風(fēng)向湍流特性的研究在30 m以下表現(xiàn)較為明顯。

圖6 湍流度與平均風(fēng)速的關(guān)系

2.4 陣風(fēng)因子剖面

圖7為實測陣風(fēng)因子剖面。在10 m、30 m、50 m、70 m和100 m高度處，順風(fēng)向陣風(fēng)因子均值分別為1.471、1.336、1.301、1.256、1.223，橫風(fēng)向陣風(fēng)因子均值分別為0.371 8、0.247 3、0.274 0、0.242 9、0.210 3?？梢钥闯?，100 m內(nèi)順風(fēng)向、橫風(fēng)向陣風(fēng)因子隨著高度的增加呈逐漸減小的趨勢，且橫風(fēng)向陣風(fēng)因子較小。

圖7 陣風(fēng)因子剖面

圖8給出了五個高度處順風(fēng)向、橫風(fēng)向陣風(fēng)因子與湍流度的關(guān)系。可以看出，湍流度與陣風(fēng)因子之間基本為線性關(guān)系，順風(fēng)向的線性關(guān)系更為顯著；且隨著高度增加，線性關(guān)系的離散度逐漸變小；隨著湍流度的增大，陣風(fēng)因子相應(yīng)增大。

圖8 湍流度與陣風(fēng)因子之間的關(guān)系

2.5 湍流積分尺度

湍流積分尺度是脈動風(fēng)中湍流渦旋平均尺寸的量度，湍流積分尺度也是反映風(fēng)場特性的一項重要指標(biāo)。本文采用對實測Von Karman譜進行擬合的方法。Von Karman譜反應(yīng)順風(fēng)向脈動風(fēng)速、橫風(fēng)向脈動風(fēng)速特征的相應(yīng)表達式如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

圖9給出了順風(fēng)向與橫風(fēng)向湍流積分尺度與10 min平均風(fēng)速之間的關(guān)系?？梢钥闯觯S平均風(fēng)速的增大，順風(fēng)向與橫風(fēng)向湍流積分尺度有增大趨勢，但不明顯。在10 m、30 m、50 m、70 m和100 m高度處，順風(fēng)向湍流積分尺度均值分別為58.78、137.55、147.56、214.48、234.79，橫風(fēng)向湍流積分尺度均值分別為5.41、7.00、10.08、10.24、37.73；順風(fēng)向和橫風(fēng)向湍流積分尺度均值的比值分別為1∶0.09、1∶0.05、1∶0.07、1∶0.05、1∶0.158，順風(fēng)向的湍流積分尺度遠大于橫風(fēng)向的湍流積分尺度。隨著高度的增加，湍流積分尺度的離散度變大，如圖10箱線圖所示；隨著高度的增加，湍流積分尺度正常值的分布由集中轉(zhuǎn)向分散，異常值在較大值一側(cè)增多，呈現(xiàn)右偏態(tài)。

用中位數(shù)比較穩(wěn)定，因為中位數(shù)不太會受到極值的影響，而平均值則受極值的影響很大。圖11給出了順風(fēng)向與橫風(fēng)向湍流積分尺度整體均值隨著高度變化的剖面圖形，同時給出了湍流積分尺度中位數(shù)以及日本規(guī)范[13]推薦的剖面圖形。可以看出，隨著高度的增加，橫風(fēng)向及順風(fēng)向湍流積分尺度平均值與中位數(shù)剖面均呈逐漸增加的趨勢。其中，順風(fēng)向湍流積分尺度的中位數(shù)剖面與日本規(guī)范較為接近，可為工程所借鑒。

圖9 湍流積分尺度與平均風(fēng)速的關(guān)系

圖10 湍流積分尺度箱線圖

圖11 湍流積分尺度剖面

2.6 脈動風(fēng)速功率譜

圖12給出了實測風(fēng)場平均風(fēng)速順風(fēng)向和橫風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜，作為對比在圖中還給出了Von Karman譜?？梢钥闯?，在不同高度上，順風(fēng)向和橫風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜有一定的變化；低頻部分，隨著高度增加，譜值增加，增加趨勢變??；高頻部分，隨著高度增加，譜值減小。脈動風(fēng)速的功率譜密度在順風(fēng)向與Von Karman譜在擬合得較好，尤其是100 m處，在10 m處低頻部分?jǐn)M合較差，這可能與地面粗糙度的影響較大有關(guān)，而在橫風(fēng)向相差較大。

圖12 湍流功率譜密度

2.7 相關(guān)系數(shù)及相干系數(shù)

選取最大風(fēng)速子樣本分析不同高度處風(fēng)速的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)如表1。隨著風(fēng)速儀間距的增加，相關(guān)性迅速變?nèi)酰煌乳g距時，高處要比低處的相關(guān)性好，尤其是100 m與70 m處，表現(xiàn)為顯著相關(guān)。

表1 相關(guān)系數(shù)

相干函數(shù)反映了兩高度處脈動風(fēng)速在各頻率上分量間的線性相關(guān)程度，分析不同高度處的順風(fēng)向風(fēng)速，得到的相干系數(shù)如圖13。可以看出，頻率接近于0時，隨著間距增大，豎向衰減系數(shù)明顯增大，100 m與70 m的相干系數(shù)接近0.75，這與時域?qū)?yīng)的結(jié)果相似，相同間距下，高空較近地處衰減速率慢，實測衰減系數(shù)結(jié)果與Davenport建議的衰減系數(shù)有明顯差別。

圖13 相干系數(shù)與頻率關(guān)系圖

3 結(jié) 論

本文基于浙江濱海丘陵地貌測風(fēng)塔，實測研究了臺風(fēng)“莫拉克”登陸期間風(fēng)剖面特性。主要結(jié)論如下：

(1) 隨著臺風(fēng)逼近實測點，實測點的風(fēng)場變化逐漸呈現(xiàn)遞增的趨勢，有多次快速增大和衰減過程，且呈現(xiàn)出一定的周期性和脈動性。不同高度處10 min平均風(fēng)速的總體均值剖面和10 min平均風(fēng)速最大值剖面，隨著高度的變化基本一致。平均風(fēng)速隨著高度的增加而逐漸增大，用指數(shù)律能較好的反映風(fēng)速沿高度的分布規(guī)律。

(2) 在不同高度處，隨著風(fēng)速的增大，順風(fēng)向、橫風(fēng)向湍流度、陣風(fēng)因子總體上呈現(xiàn)遞減的趨勢。100 m內(nèi)順風(fēng)向、橫風(fēng)向湍流度、陣風(fēng)因子隨著高度的增加呈逐漸減小的趨勢。湍流度與我國規(guī)范差異較大，國家規(guī)范偏于保守。順風(fēng)向湍流度略大于橫風(fēng)向的湍流度，且其變化趨勢基本一致。湍流度與陣風(fēng)因子之間基本為線性關(guān)系；順風(fēng)向的線性關(guān)系更為顯著，且隨著高度增加，線性關(guān)系的離散度逐漸變??；隨著湍流度的增大，陣風(fēng)因子相應(yīng)增大。

(3) 隨著高度的增加，順風(fēng)向湍流積分尺度均值 呈逐漸增加的趨勢。順風(fēng)向湍流積分尺度的中位數(shù)剖面與日本規(guī)范較為接近。脈動風(fēng)速的功率譜密度在順風(fēng)向與Von Karman譜在順風(fēng)向擬合較好，而在橫風(fēng)向相差較大。在不同高度上，順風(fēng)向和橫風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜有一定的變化。

(4) 100 m與70 m的相干系數(shù)接近0.75，相關(guān)性較強，這與時域?qū)?yīng)的結(jié)果相似；相同間距下，高空較近地處衰減速率慢，實測衰減系數(shù)結(jié)果與Davenport建議的衰減系數(shù)有明顯差別。