強(qiáng)臺風(fēng)納沙（1117）登陸過程的湍流特性分析

蔣承霖 黃浩輝 陳雯超 張光宇

（廣東省氣象防災(zāi)技術(shù)服務(wù)中心，廣州 510080）

0 引言

臺風(fēng)的破壞力極大，是世界上最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。臺風(fēng)挾帶狂風(fēng)、暴雨，導(dǎo)致大批房屋、建筑被毀，城鎮(zhèn)、農(nóng)田受淹，電力、交通、通訊中斷，并造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。我國是世界上受臺風(fēng)危害最甚的國家之一，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近海和沿海大型工程結(jié)構(gòu)朝著超長、高聳、大跨和柔性的方向發(fā)展，這些建筑在設(shè)計、施工及營運(yùn)各階段均對抗風(fēng)有著非常高的要求。因此，摸清臺風(fēng)在近地層的湍流特性對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計及預(yù)防臺風(fēng)災(zāi)害等方面具有至關(guān)重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者對臺風(fēng)進(jìn)行了各方面的研究，取得了大量的成果。胡尚瑜等[1]研究了不同時矩下近地臺風(fēng)的實(shí)測風(fēng)特性；譚曉偉等[2]對超強(qiáng)臺風(fēng)桑美（2006）登陸前后低層風(fēng)廓線進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；肖儀清等[3]基于4個臺風(fēng)過程中的長時間序列風(fēng)速、風(fēng)向觀測數(shù)據(jù)，分析研究了近地臺風(fēng)的湍流積分尺度和脈動風(fēng)速譜等脈動特性；宋麗莉等[4]研究了“鸚鵡”臺風(fēng)經(jīng)過澳門友誼大橋的湍流特性；史文海等[5]基于2008年影響溫州的臺風(fēng)海鷗、鳳凰和薔薇的實(shí)測風(fēng)場資料，分析了不同平均時距下近地臺風(fēng)的湍流特性；王蓉等[6]利用廣東省沿海海洋站及近海浮標(biāo)的實(shí)測資料，對1208號臺風(fēng)韋森特的特性進(jìn)行了分析和探討；許孌等[7]利用 1011 號臺風(fēng)凡亞比高分辨率數(shù)值模擬資料及合力散度方程，診斷分析了臺風(fēng)凡亞比的合力散度水平分布及演變過程；王旭等[8]研究了臺風(fēng)梅花的近地層脈動風(fēng)速功率譜及相干性；錢燕珍等[9]利用雷達(dá)資料對強(qiáng)臺風(fēng)?？顷懬昂髲?qiáng)度變化進(jìn)行了分析。

由于臺風(fēng)路徑的不確定性，要探測到臺風(fēng)中心附近的強(qiáng)風(fēng)數(shù)據(jù)并不容易，華南地區(qū)用三維超聲測風(fēng)儀觀測到的完整臺風(fēng)樣本仍然較少，本文基于捕捉到的1117號強(qiáng)臺風(fēng)納沙登陸過程的三維超聲測風(fēng)數(shù)據(jù)，從三維方向探討強(qiáng)臺風(fēng)登陸過程的近地層湍流脈動特性，觀測塔距離臺風(fēng)中心最近時僅有18 km，取得了臺風(fēng)登陸過程較為完整的記錄，觀測數(shù)據(jù)對臺風(fēng)特有的強(qiáng)風(fēng)代表性較好，有利于摸清華南沿海登陸臺風(fēng)的風(fēng)環(huán)境和風(fēng)特性參數(shù)，從而保障沿海的工程安全，為工程抗風(fēng)設(shè)計、施工及營運(yùn)各階段所需的關(guān)鍵參數(shù)提供依據(jù)。

1 觀測設(shè)置和臺風(fēng)過程

1.1 觀測位置和儀器

觀測塔設(shè)置在廣東省湛江市徐聞縣南山鎮(zhèn)三塘村，塔基海拔4 m，塔高112 m，90 m高度安裝了英國Gill公司生產(chǎn)的WindmasterPro三維超聲測風(fēng)儀。

WindMasterPro超聲測風(fēng)儀最大風(fēng)速量程為65 m/s，最大采樣頻率為32 Hz，本觀測以10 Hz采樣頻率進(jìn)行三維瞬時風(fēng)速數(shù)據(jù)記錄。

1.2 臺風(fēng)過程概況

1117號強(qiáng)臺風(fēng)納沙于2011年9月25日05時（北京時，下同）加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級，于25日夜間加強(qiáng)為臺風(fēng)級，并于27日07時在菲律賓呂宋島沿海地區(qū)登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力為14級（45.0 m/s），隨后臺風(fēng)繼續(xù)向西北偏西方向移動，于27日下午進(jìn)入南海東部海面，于29日早晨加強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng)級，并于29日14時30分在海南文昌翁田鎮(zhèn)沿海地區(qū)登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力達(dá)14級（42.0 m/s）、中心最低氣壓為960 hPa（圖1）。徐聞觀測塔距離臺風(fēng)中心的最近距離約18 km，實(shí)測到的最大10 min平均風(fēng)速為25.2 m/s，0.1 s極大風(fēng)速為36.2 m/s。

圖1 臺風(fēng)納沙過程路徑示意圖 Fig. 1 The track of Typhoon Nesat

根據(jù)該臺風(fēng)過程持續(xù)時間，在此篩選臺風(fēng)納沙過程的分析數(shù)據(jù)樣本開始于2011年9月29日06時10分—30日06時，共24 h的記錄數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析8級及以上大風(fēng)（10 min平均風(fēng)速≥17.2 m/s）時段出現(xiàn)在2011年9月29日10時30分—30日02時10分。

2 數(shù)據(jù)處理和分析方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

1）子樣劃分：將超聲風(fēng)速儀記錄的所有原始數(shù)據(jù)按10 min時距分割成多個子樣本，每個子樣本均有10 Hz×600 s＝6000組三維風(fēng)速風(fēng)向記錄。

2）剔除無效和異常數(shù)據(jù)。

3）有效數(shù)據(jù)完整率達(dá)95%的樣本作為一個子樣本。

2.2 平均風(fēng)速和風(fēng)向

如果實(shí)測三維風(fēng)速ux(t), uy(t)和uz(t)是定義在超聲風(fēng)速儀坐標(biāo)下的三個實(shí)數(shù)序列，以10 min為基本時距分析，則水平平均風(fēng)速U和風(fēng)向角Φ分別為

垂直風(fēng)速方向與風(fēng)速儀坐標(biāo)z軸相同，因此垂直平均風(fēng)速W為

在10 min時距內(nèi)，縱向脈動風(fēng)速分量u(t)、橫向脈動風(fēng)速分量v(t)和垂直脈動風(fēng)速w(t)可根據(jù)以下公式計算，結(jié)果作為脈動風(fēng)速統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

2.3 風(fēng)攻角

風(fēng)攻角指風(fēng)的來流方向與水平面的夾角。風(fēng)攻角對建筑結(jié)構(gòu)物特別是柔性結(jié)構(gòu)物的影響比較突出，其長時間作用會加速或加重結(jié)構(gòu)的疲勞損壞。強(qiáng)風(fēng)時，風(fēng)攻角的改變可能對結(jié)構(gòu)造成突然損傷甚至破壞。

2.4 湍流強(qiáng)度

湍流度反映了風(fēng)的脈動強(qiáng)度，是確定結(jié)構(gòu)脈動風(fēng)荷載的關(guān)鍵參數(shù)，定義湍流度為10 min時距的脈動風(fēng)速均方根與水平平均風(fēng)速的比值

式中，σi分別表示對應(yīng)于脈動風(fēng)速u(t)、v(t)和w(t)的均方根，相當(dāng)于湍流脈動風(fēng)速在i方向上的動能。

2.5 湍流積分尺度

湍流積分尺度的定義和計算根據(jù)Taylor冷凍假設(shè)[10]

式中，Li、ri分別表示u, v和w分量的積分長度和自相關(guān)系數(shù)，τ0.05表示自相關(guān)系數(shù)從1單調(diào)減小至0.05時對應(yīng)的延遲時間。

2.6 湍流功率譜密度

湍流功率譜密度函數(shù)的工程模型有很多表達(dá)形式，我國橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范[11]采用了用摩阻速度歸一化的Simiu譜和Panofsky譜，根據(jù)Simiu譜和能量歸一化原理應(yīng)當(dāng)存在從大氣邊界層理論分析，摩阻速度只有在接近地面有限高度（約30 m）內(nèi)基本為常數(shù)，而且前提條件是“純機(jī)械湍流”，即浮力的作用可以忽略[12]。橋梁結(jié)構(gòu)高度一般超過30 m，因此不宜用摩阻速度無量綱化湍流功率譜密度函數(shù)模型。從表達(dá)“脈動能量”的角度出發(fā)，功率譜密度函數(shù)在全頻段的積分等于脈動風(fēng)速能量的總合，用脈動風(fēng)速的方差對湍流功率譜密度歸一化更合適，Simiu譜和Panofsky譜的脈動速度方差無量綱化形式[13]，其公式如下

式中，Su、Sv、Sw分別為三個脈動分量的功率譜密度函數(shù)；f為莫寧坐標(biāo)，定義為f=nZ/U；σu和σw分別表示脈動風(fēng)速u(t)和w(t)對應(yīng)于U的均方根；n為頻率；Z為高度。

3 臺風(fēng)的湍流特性實(shí)測分析

3.1 臺風(fēng)測風(fēng)數(shù)據(jù)的代表性判別

研究臺風(fēng)邊界層脈動風(fēng)場對大型結(jié)構(gòu)建筑的影響主要是研究臺風(fēng)過程的強(qiáng)風(fēng)時段的脈動風(fēng)場特性。根據(jù)熱帶氣旋等級劃分標(biāo)準(zhǔn)和臺風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，判斷臺風(fēng)核心強(qiáng)風(fēng)區(qū)域是否經(jīng)過觀測點(diǎn)的條件為同時滿足以下兩點(diǎn)：1）臺風(fēng)過程8級及以上大風(fēng)（10 min平均風(fēng)速≥17.2 m/s）的風(fēng)向角連續(xù)偏轉(zhuǎn)大于120°；2）臺風(fēng)過程出現(xiàn)8級及以上大風(fēng)（10 min平均風(fēng)速≥17.2 m/s）的風(fēng)速時程曲線呈“M”型雙峰分布，雙峰之間的底部出現(xiàn)小于11 m/s（5級）的風(fēng)速（近地層），為臺風(fēng)眼區(qū)[14]。

在徐聞測風(fēng)塔觀測的強(qiáng)臺風(fēng)納沙8級（17.2 m/s）以上的大風(fēng)時段出現(xiàn)在2011年9月29日10時30分—9月30日02時10分，臺風(fēng)8級以上大風(fēng)的風(fēng)向按順時針連續(xù)偏轉(zhuǎn)了219°，臺風(fēng)風(fēng)速時程曲線呈明顯“M”型雙峰分布，雙峰之間的底部風(fēng)速小于11 m/s；由此可以判斷臺風(fēng)核心強(qiáng)風(fēng)區(qū)域經(jīng)過徐聞測風(fēng)塔觀測點(diǎn)，其觀數(shù)據(jù)對臺風(fēng)特有的強(qiáng)風(fēng)特性代表性較好。

3.2 平均風(fēng)速、風(fēng)向

徐聞測風(fēng)塔記錄的強(qiáng)臺風(fēng)納沙過程在臺風(fēng)過境前的10 min最大風(fēng)速為25.2 m/s，臺風(fēng)過境后的最大風(fēng)速為22.3 m/s，臺風(fēng)中心小風(fēng)期（風(fēng)速小于11 m/s）持續(xù)時間達(dá)90 min，最小風(fēng)速為4.9 m/s，0.1 s極大風(fēng)速為35.2 m/s，出現(xiàn)在臺風(fēng)過境前（2011年9月29日11時50分）（圖2）。

圖2 臺風(fēng)納沙過程的風(fēng)速和風(fēng)向 Fig. 2 Wind speed and direction of Typhoon Nesat process

臺風(fēng)8級以上大風(fēng)過程的風(fēng)向由登陸前的307°，沿順時針方向偏轉(zhuǎn)，最大時轉(zhuǎn)為登陸后的166°，風(fēng)向最大轉(zhuǎn)換幅度達(dá)219°。

3.3 風(fēng)攻角

從圖3可見，強(qiáng)臺風(fēng)納沙過境前后風(fēng)攻角差異較大，其中表1給出了臺風(fēng)8級強(qiáng)風(fēng)樣本的平均風(fēng)攻角，整個臺風(fēng)過程8級以上強(qiáng)風(fēng)的平均風(fēng)攻角為0.9°。臺風(fēng)過境前8級以上強(qiáng)風(fēng)樣本的風(fēng)攻角均為負(fù)值，在-2.5°～-0.11°范圍內(nèi)變化，平均值為-1.4°，最大風(fēng)攻角為-2.5°，對應(yīng)的風(fēng)速為18.3 m/s，風(fēng)向?yàn)?11°；臺風(fēng)過境后8級以上強(qiáng)風(fēng)樣本的風(fēng)攻角均為正值，風(fēng)攻角在3.5°～8.2°范圍內(nèi)變化，平均值為4.9°，最大風(fēng)攻角為8.2°，對應(yīng)的風(fēng)速為20.4 m/s，對應(yīng)的風(fēng)向?yàn)?49°。

圖3 臺風(fēng)納沙過程的風(fēng)速和風(fēng)攻角 Fig. 3 Wind speed and wind attack angle of Typhoon Nesat process

3.4 湍流強(qiáng)度

圖4給出強(qiáng)臺風(fēng)納沙在縱向、橫向和垂直向三維方向的湍流強(qiáng)度變化過程，湍流強(qiáng)度時程變化與風(fēng)速時程變化有一定的相似性，在臺風(fēng)中心最小，在臺風(fēng)眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)附近出現(xiàn)最大值。8級大風(fēng)樣本的湍流強(qiáng)度縱向?yàn)?.14、橫向?yàn)?.12、垂直向?yàn)?.07，三維方向的湍流強(qiáng)度之比為Iu∶Iv∶Iw = 1∶0.86∶0.5。

表1 納沙8級強(qiáng)風(fēng)樣本的平均風(fēng)攻角 Table 1 Average wind attack angle with the velocity greater Than 17.2 m/s of Typhoon Nesat

圖4 臺風(fēng)“納沙”過程的風(fēng)速和三維方向湍流強(qiáng)度 Fig. 4 Wind speed and three-dimensional turbulence intensity of Typhoon Nesat process

3.5 湍流積分尺度

強(qiáng)臺風(fēng)納沙三維湍流積分尺度在臺風(fēng)期間的時程變化呈“風(fēng)期型雙峰分布，與風(fēng)速時程變化較為相似，但湍流積分尺度的變化要稍微滯后于風(fēng)速變化，最低值出現(xiàn)在臺風(fēng)中心過后2 h（圖5）。

圖5 臺風(fēng)“納沙”過程的風(fēng)速和三維方向湍流積分尺度 Fig. 5 Wind speed and three-dimensional turbulence integral scale of Typhoon Nesat process

強(qiáng)臺風(fēng)納沙過程8級以上大風(fēng)的湍流積分空間尺度平均值及比值見表2。8級以上強(qiáng)風(fēng)的u、v、w三維湍流積分空間尺度平均值分別為132、51、28 m，比值為1∶0.38∶0.21。在臺風(fēng)過程中，橫向的湍流積分尺度最大，數(shù)值也很不穩(wěn)定，縱向和垂直向的湍流積分尺度較小，數(shù)值相對穩(wěn)定。

表2 臺風(fēng)納沙過程的三維方向湍流積分尺度 Table 2 Three-dimensional turbulence integral scale of Typhoon Nesat process

3.6 功率譜密度

根據(jù)強(qiáng)臺風(fēng)納沙三維超聲風(fēng)速資料，分別選取臺風(fēng)過境前、臺風(fēng)過境時以及臺風(fēng)過境后的大風(fēng)樣本，計算各向脈動風(fēng)功率譜（圖6）。

根據(jù)強(qiáng)臺風(fēng)納沙的大風(fēng)湍流譜樣本，擬合區(qū)間1～4 Hz頻率范圍內(nèi)，分析慣性子區(qū)（圖中擬合區(qū)域）的湍流譜特征，可以發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)過境前大風(fēng)樣本的橫向和縱向的湍流譜接近于-5/3律，不滿足各向同性假設(shè)，而臺風(fēng)過境后的大風(fēng)樣本與臺風(fēng)中心的小風(fēng)樣本的湍流譜樣本均不滿足-5/3律和各向同性假設(shè)。

圖6 臺風(fēng)納沙過境前（a）、過境時（b）與過境后（c）的大風(fēng)湍流功率譜 Fig. 6 The turbulence spectrum of the strong wind of Typhoon Nasat before (a),during (b), and after crossing (c)

4結(jié)論

徐聞測風(fēng)塔觀測到的強(qiáng)臺風(fēng)納沙過程的超聲脈動數(shù)據(jù)，臺風(fēng)核心強(qiáng)風(fēng)區(qū)域經(jīng)過了觀測點(diǎn)，具有非常好的代表性，對沿海的建筑抗風(fēng)設(shè)計有非常好的指導(dǎo)作用，經(jīng)分析研究后得到如下結(jié)論：

1）臺風(fēng)風(fēng)速時程曲線呈明顯“M”型雙峰分布，臺風(fēng)過境前的10 min最大風(fēng)速為25.2 m/s，臺風(fēng)過境后的最大風(fēng)速為22.3 m/s，在沿海登陸的臺風(fēng)中并不算強(qiáng)，但風(fēng)向最大轉(zhuǎn)換幅度達(dá)219°，轉(zhuǎn)向幅度大，對建筑結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的破壞力。

2）臺風(fēng)過程8級以上強(qiáng)風(fēng)的風(fēng)攻角平均為0.9°，臺風(fēng)過境前8級以上強(qiáng)風(fēng)的風(fēng)攻角平均值為-1.4°，臺風(fēng)過境后8級以上強(qiáng)風(fēng)的風(fēng)攻角平均值為4.9°，沿海建筑抗風(fēng)設(shè)計時應(yīng)考慮風(fēng)攻角的正負(fù)轉(zhuǎn)換。

3）8級大風(fēng)樣本的湍流強(qiáng)度縱向?yàn)?.14、橫向?yàn)?.12、垂直向?yàn)?.07，三維方向的湍流強(qiáng)度之比為Iu∶Iv∶Iw＝1∶0.86∶0.5，與胡尚瑜等[1]觀測的0601號臺風(fēng)“珍珠”的湍流強(qiáng)度基本一致[1]。

4）8級以上強(qiáng)風(fēng)的u、v、w三維湍流積分空間尺度平均值分別為132、51、28 m。橫向的湍流積分尺度數(shù)值很不穩(wěn)定，相對于肖儀清等計算的四個臺風(fēng)[3]，臺風(fēng)納沙過程的橫向湍流積分尺度偏小。

5）臺風(fēng)過境前大風(fēng)樣本的橫向和縱向的湍流譜接近于-5/3律，不滿足各向同性假設(shè)，而臺風(fēng)過境后的大風(fēng)樣本與臺風(fēng)中心的小風(fēng)樣本的湍流譜樣本均不滿足-5/3律和各向同性假設(shè)。