近海山地臺風(fēng)風(fēng)場特性實測研究

陳伏彬，翁蘭溪，肖 雁，李秋勝

(1.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南，長沙410114；2.中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計院有限公司，福建，福州350000；3.香港城市大學(xué)建筑與土木工程系，香港 999077)

福建沿海地形地貌復(fù)雜，屬丘陵、臺地和平原地帶，沿海平原狹窄，海岸帶半島、島嶼眾多。閩東地區(qū)的地形特點是山地直接入海，沿海幾乎沒有平原；閩東往南，在鷲峰山-戴云山-博平嶺山帶和海岸線之間的有一條狹窄“平原”地帶，從北到南分布著福州平原、莆仙平原、泉州平原和漳廈平原四大平原；在海岸帶的陸域內(nèi)從北到南分布著多個半島與眾多海灣。登陸福建的臺風(fēng)主要有直接登陸(福建沿海為第一登陸地)、登臺入閩(登陸臺灣后再進(jìn)入福建)[1]。因此，開展福建沿海山地地區(qū)的風(fēng)場特性研究，對提高該區(qū)域工程抗風(fēng)安全具有重要的科學(xué)意義與工程應(yīng)用價值。

國內(nèi)外眾多研究者開展了臺風(fēng)實測研究，并取得了豐碩成果。研究表明：臺風(fēng)與常規(guī)的自然風(fēng)不同，特別是平均風(fēng)速剖面和湍流度剖面存在一定差異[2]，在100 m 近地邊界層中滿足對數(shù)率發(fā)展[2?3]。孫富學(xué)等[4]研究了沿海平坦地貌下的臺風(fēng)風(fēng)場特性，指出10 m 高度范圍內(nèi)平均風(fēng)速剖面指數(shù)遠(yuǎn)高于規(guī)范建議值；潘晶晶等[5]開展了東南沿海脈動風(fēng)特性實測研究，分析了不同高度處紊流度與陣風(fēng)因子的特點；李秋勝等[6?10]及其團(tuán)隊在臺風(fēng)現(xiàn)場實測上開展了大量研究工作，深入分析了臺風(fēng)登陸時的風(fēng)速剖面、湍流特性以及陣風(fēng)因子；發(fā)現(xiàn)其風(fēng)速剖面除了滿足對數(shù)率分布外，還滿足指數(shù)律分布，并給出了近海開闊地貌下的風(fēng)速剖面指數(shù)率取為0.142，與Vickery 等[11]的研究相吻合，所提出的風(fēng)場參數(shù)廣泛應(yīng)用于工程實踐中[7,12]?，F(xiàn)有的臺風(fēng)實測研究主要在靠近海邊的平坦區(qū)域，而像海邊丘陵地帶的靠海山地的實測研究鮮有報道；正如Ishizaki[13]研究所提，不同的臺風(fēng)之間的風(fēng)參數(shù)存在一定的差異，每個臺風(fēng)都有其特性。因此，開展山地地貌條件下的臺風(fēng)風(fēng)場特性分析尤顯重要。

本文基于福建近海山區(qū)兩座100 m 測風(fēng)塔測得的10 m、30 m、50 m、70 m、80 m 5個高度處的實測風(fēng)速數(shù)據(jù)，以10 m 高度平均風(fēng)速大于10 m/s為強風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，選取有效風(fēng)速樣本，應(yīng)用Bootstrap統(tǒng)計方法，研究山地地區(qū)臺風(fēng)風(fēng)場的平均風(fēng)剖面、湍流度剖面的變化規(guī)律，研究結(jié)果可為福建近海山地地區(qū)工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計提供參。

1 近地邊界層風(fēng)特性

1.1 平均風(fēng)剖面

Davenport[14]研究指出指數(shù)率函數(shù)可以很好地擬合平均風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律，其表達(dá)式如下：

式中：z為高度；U(z)為z高度處的風(fēng)速；U(zref)為參考高度處的平均風(fēng)速； α為地面粗糙度指數(shù)，也稱風(fēng)切變指數(shù)(風(fēng)剖面指數(shù))。

對公式進(jìn)行變換，可以通過實測得到的不同高度處的平均風(fēng)速確定α：

風(fēng)切變指數(shù)受地表覆被、地形以及障礙物的影響較大，要得到相對準(zhǔn)確的風(fēng)切變指數(shù)，需要采用兩個高度的高度比至少為1.5的風(fēng)速樣本，并且兩個高度風(fēng)速記錄的時間以及風(fēng)速儀安裝的橫梁水平長度應(yīng)相同。

1.2 湍流強度

湍流強度是衡量湍流強弱的相對指標(biāo)，定義為平均時距內(nèi)脈動風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差與相應(yīng)時距內(nèi)縱向平均風(fēng)速大小的比值[14]：

式中，I10為10 m 高度名義湍流度，對于B類地貌，規(guī)范給定的α 和I10的值分別為0.15和0.14。

1.3 陣風(fēng)因子

陣風(fēng)因子可以表示風(fēng)的脈動強度的大小，其定義為陣風(fēng)持續(xù)期的平均風(fēng)速的最大值與平均時距內(nèi)平均風(fēng)速的比值[14]：

由湍流強度剖面可以建立陣風(fēng)因子剖面，如下：

其中，中國建筑荷載規(guī)范中建議陣風(fēng)峰值因子的取值為2.5。

2 Boostrap法

3 現(xiàn)場實測及數(shù)據(jù)選取

3.1 臺風(fēng)“納沙”和臺風(fēng)“海棠”

2017年7月30日6時，臺風(fēng)“納沙”在福清沿海登陸，中心附近最大風(fēng)力達(dá)到12 級(33 m/s)，19 h 后(約2017年7月31日3時)，臺風(fēng)“海棠”也在福清沿海再次登陸；形成罕見的雙臺風(fēng)效應(yīng)。

3.2 實測系統(tǒng)及場地條件

在臺風(fēng)“納沙”及“海棠”期間，距離臺風(fēng)路徑較為接近的風(fēng)電場主要有閩清上蓮、尤溪湯川、沙縣鄭湖、德化美湖鄉(xiāng)、古田泮洋、古田長坑、屏南黛溪、大田廣平。本文選取數(shù)據(jù)相對完整的古田長坑(經(jīng)度：26°51'，緯度：119°9')和古田泮洋(經(jīng)度：26°30'，緯度：118°55')兩個測風(fēng)塔的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，兩個測風(fēng)塔相距3.6 km，周邊地貌如圖1所示，古田長坑測風(fēng)塔在離地面10 m、30、50 m、70 m、80 m 高度處布設(shè)安裝了美國NRG 品牌的三杯式風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速觀測，古田泮洋站點在離地面10 m、30 m、50 m、70 m 高度布置風(fēng)速風(fēng)向儀，風(fēng)速計風(fēng)速范圍為0 m/s～70 m/s，風(fēng)向的測量采用NRG#200P的風(fēng)向標(biāo)，采樣頻率為1 Hz，臺風(fēng)影響期間兩個測風(fēng)塔進(jìn)行不間斷測量，總觀測時長144 h，在后續(xù)分析中選擇風(fēng)速較大的時間段進(jìn)行分析。

圖1 測風(fēng)塔及周邊500 m 地貌圖Fig.1 Wind tower and its surrounding 500 m landform map

4 結(jié)果分析

在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，設(shè)計人員通常需要預(yù)先掌握工程場址的各項基本特性，才能準(zhǔn)確把握建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載。風(fēng)場的基本特性主要包含平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、湍流強度、陣風(fēng)因子、風(fēng)剖面等。為分析雙臺風(fēng)登陸過程中的脈動風(fēng)特性，本文選取10 m 高度處平均風(fēng)速≥10 m/s的樣本進(jìn)行湍流強度、陣風(fēng)因子、風(fēng)剖面的分析，經(jīng)過篩選，得到古田泮洋站點的120個有效樣本和古田長坑站點的150個樣本。

4.1 平均風(fēng)速和平均風(fēng)向

古田長坑和古田泮洋兩個站點在最高處的風(fēng)速風(fēng)向儀實測得到的風(fēng)速和風(fēng)向如圖2所示。由圖2(a)可知，古田泮洋站點70 m 高度處的10 min平均風(fēng)速的最大值為21.4 m/s，而且受臺風(fēng)“納沙”和臺風(fēng)“海棠”的影響風(fēng)速時程分布規(guī)律出現(xiàn)明顯的雙“M”型四峰，第一個“雙峰”之間的最小風(fēng)速為9 m/s；第二個“雙峰”之間的最小風(fēng)速為5 m/s；平均風(fēng)向在第一個“雙峰”之間變化范圍為0°～ 140°，在第二個“雙峰”之間變化范圍為140°～ 270°，在雙臺風(fēng)登陸過程中平均風(fēng)向出現(xiàn)將近270°的變化。由圖2(b)可知，位于古田長坑站點80 m 處的平均風(fēng)速的最大值為22.7 m/s，該站點實測得到平均風(fēng)速時程雖然也有幾個明顯的峰值，但沒有呈現(xiàn)明顯的雙“M”型；受雙臺風(fēng)的影響，該站點的平均風(fēng)向從20°變化200°。根據(jù)宋麗莉等[18]提出的臺風(fēng)強風(fēng)數(shù)據(jù)的代表性判斷指標(biāo)：臺風(fēng)過程中風(fēng)速大小在8級以上、風(fēng)速時程呈現(xiàn)M型“雙峰”型且“雙峰”之間的風(fēng)速出現(xiàn)小于11 m/s情況，風(fēng)向連續(xù)變化120°以上，則可判斷為臺風(fēng)眼區(qū)。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，可以得出臺風(fēng)“納沙”的臺風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過古田泮洋站點，臺風(fēng)“海棠”的臺風(fēng)眼區(qū)并未經(jīng)過該站點。

圖2 平均風(fēng)速和平均風(fēng)向Fig.2 Mean wind speed and mean wind direction

4.2 湍流強度和地面粗糙度指數(shù)

圖3給出了古田泮洋站點70 m 高度處和古田長坑站點80 m 高度處不同平均風(fēng)向下湍流強度的分布規(guī)律。

由圖3可以看出，兩個站點的湍流強度基本都在0～0.3波動，不同風(fēng)向下的湍流強度存在差異：對于古田泮洋站點，在風(fēng)向角30°附近，湍流強度在0.12～0.16波動，而在風(fēng)向角300°附近，湍流強度在0.23～0.32波動；對于古田長坑站點，在風(fēng)向角60°附近，湍流強度在0.14～0.24波動，而在風(fēng)向角180°附近，湍流強度在0.17～0.24波動；這主要和地貌類型和臺風(fēng)強度有關(guān)，而在中性大氣層中湍流強度主要取決于地面粗糙度[19]，因此，在古田泮洋站點和古田長坑站點的不同風(fēng)向下的湍流強度差異主要由地面粗糙度的不同引起的。為了定性地分析湍流強度和地面粗糙度的關(guān)系，下文將進(jìn)行重點分析。IEC 61400?1提出順風(fēng)向湍流強度與平均風(fēng)速有關(guān)[20?21]，并建立了兩者的計算模型：

圖3 平均風(fēng)向和湍流強度Fig.3 Mean wind direction and turbulence intensity

式中，a和b為擬合參數(shù)。

為了分析雙臺風(fēng)風(fēng)場下湍流強度和地貌類型以及平均風(fēng)速的關(guān)系，圖4給出古田泮洋站點10 m高度處湍流強度隨地面粗糙度指數(shù)和平均風(fēng)速的變化規(guī)律，從圖4(a)中可以看出，古田泮洋站點10 m 高度處實測的湍流強度平均值為0.22，最大值為0.34，最小值為0.15，湍流強度隨著地面粗糙度指數(shù)的增大有增大的趨勢；由圖4(b)可以看出，湍流度有隨著風(fēng)速增大而略有降低的趨勢，且低風(fēng)速段湍流度離散性較大，采用式(9)經(jīng)過最小二乘法擬合得到a=0.23，b在0.13和0.25之間變化，說明在風(fēng)速10 m/s～14 m/s湍流強度受風(fēng)速大小的影響，湍流強度隨著風(fēng)速的增大有減小的趨勢。

圖4 10 m 高度處湍流強度變化規(guī)律Fig.4 Variation of turbulenceintensity at height of 10 m

4.3 陣風(fēng)因子

為研究臺風(fēng)條件下近地邊界層陣風(fēng)因子的分布特性，圖5、圖6、圖7和圖8分別給出了古田長坑站點和古田泮洋站點陣風(fēng)因子隨平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、湍流強度和地面粗糙度指數(shù)的變化規(guī)律。由圖5可知，在雙臺風(fēng)的氣候條件下，古田長坑站點和古田泮洋站點實測得到陣風(fēng)因子隨著平均風(fēng)速增大有減小的趨勢，且古田長坑站點的這種趨勢更為明顯，說明隨著距離臺風(fēng)眼距離越近，陣風(fēng)因子隨著平均風(fēng)速增大而減小的趨勢更為明顯。由圖6可知，在雙臺風(fēng)的氣候條件下，古田長坑站點和古田泮洋站點實測得到陣風(fēng)因子在不同風(fēng)向下存在一定的差異，古田泮洋站點的陣風(fēng)因子的最大值出現(xiàn)在250°附近，最小值出現(xiàn)在30°附近；古田長坑站點的陣風(fēng)因子的最大值出現(xiàn)在110°附近，最小值出現(xiàn)在90°附近，且古田長坑站點的陣風(fēng)因子整體大于古田泮洋站點的結(jié)果，可以看出陣風(fēng)因子受不同來流風(fēng)向的影響較大。由圖7可以看出兩個站點實測得到的陣風(fēng)因子隨著湍流強度的增加都有明顯增長的趨勢，為了準(zhǔn)確定義這種趨勢，Ishizaki[13]提出以下經(jīng)驗表達(dá)式：

圖5 10 m 高度處陣風(fēng)因子隨平均風(fēng)速變化規(guī)律Fig.5 Variation of gust factor with mean wind speed at height of 10 m

圖6 平均風(fēng)向和陣風(fēng)因子Fig.6 Average wind direction and gust factor

圖7 10 m 高度處陣風(fēng)因子隨湍流強度的變化Fig.7 Variation of gust factor with turbulence intensity at height of 10 m

圖8 10 m 高度處陣風(fēng)因子隨地面粗糙度指數(shù)的變化Fig.8 Variation of the gust factor with theground roughness exponentsat 10 m height

由圖8可知，在雙臺風(fēng)的氣候條件下，10 m高度處陣風(fēng)因子隨地面粗糙度指數(shù)的增大有增大的趨勢，說明在山區(qū)地形中，陣風(fēng)因子受地面粗糙度的影響較大，在越粗糙的地形條件下，陣風(fēng)因子的數(shù)值越大。

4.4 平均風(fēng)剖面和湍流度剖面

為了便于對比分析，本文同時分析了季風(fēng)條件和臺風(fēng)條件下的風(fēng)場特性。由于10 m 高度的湍流強度受地面干擾較大，在進(jìn)行湍流剖面擬合時會出現(xiàn)較大的誤差，為此不建議直接采用實測值進(jìn)行湍流剖面的擬合，本文根據(jù)實測得到的風(fēng)剖面的地面粗糙度指數(shù)對10 m 高度的湍流強度進(jìn)行最小二乘法進(jìn)行擬合，得到對應(yīng)的湍流度，然后結(jié)合其他高度的實測湍流強度擬合得到湍流剖面。

4.4.1季風(fēng)風(fēng)場

圖9為季風(fēng)風(fēng)場中平均風(fēng)速剖面和湍流剖面。從圖9中可以看出，在90%置信區(qū)間為[0.104,0.117]中，平均風(fēng)速大于等于10 m/s風(fēng)速樣本的風(fēng)剖面指數(shù)α 均值為0.11，與現(xiàn)行荷載規(guī)范GB 50009?2012[15]中A 類地貌條件風(fēng)剖面指數(shù)α 規(guī)定值0.12相近；湍流強度擬合的風(fēng)剖面指數(shù)為0.16，大于規(guī)范GB 50009?2012[15]中A 類地貌計算值。主要原因可能是：相對平均風(fēng)速，近地面的湍流參數(shù)容易受近地植被擾動作用的影響。

圖9 季風(fēng)風(fēng)場Fig.9 Wind field during monsoon

4.4.2臺風(fēng)風(fēng)場

由于季風(fēng)的強風(fēng)風(fēng)速樣本基本都在10 m/s～12 m/s變化，為研究雙臺風(fēng)條件下近地風(fēng)場的特征并與季風(fēng)分析結(jié)果進(jìn)行比較，本文取10 m 高度處平均風(fēng)速大于等于10 m/s數(shù)據(jù)樣本且以12 m/s為分界線，對古田泮洋站點和古田長坑站點的臺風(fēng)實測風(fēng)場結(jié)果進(jìn)行擬合分析，結(jié)果分別如圖10和圖11所示。

圖10 古田泮洋站點不同風(fēng)速下平均風(fēng)剖面、湍流度剖面和陣風(fēng)因子剖面Fig.10 Mean wind profile, turbulence profile,and gust factor profileunder different wind velocitiesat Gutian Panyang site

圖11 古田長坑站點不同風(fēng)速下平均風(fēng)剖面和湍流度剖面Fig.11 Mean wind profile and turbulence profileunder different wind speed in Gutian Changkeng site

圖10給出了雙臺風(fēng)影響下古田泮洋站點實測得到的風(fēng)場的風(fēng)剖面和湍流剖面參數(shù)擬合值，從圖10中可以看出臺風(fēng)風(fēng)場平均湍流度，平均風(fēng)速和陣風(fēng)因子沿高度變化規(guī)律都符合指數(shù)律分布，不同風(fēng)速下平均剖面與GB 50009?2012規(guī)范給定值相接近，不同的風(fēng)速區(qū)間對風(fēng)剖面指數(shù)α 的影響不大，其值分別為0.15 和0.16，接近規(guī)范規(guī)定的0.14的值。臺風(fēng)風(fēng)場中各高度處實測的湍流度明顯大于規(guī)范推薦值，擬合得到的I10在風(fēng)速區(qū)間[10,12)和[12,15)分別為0.17和0.16。

圖11給出了雙臺風(fēng)影響下古田長坑站點實測得到的風(fēng)場的風(fēng)剖面和湍流剖面參數(shù)擬合結(jié)果，從圖11中可以看出：平均風(fēng)速大于12 m/s的風(fēng)剖面指數(shù)α 為0.14，90%的置信區(qū)間為[0.127, 0.146]，和GB 50009?2012規(guī)定的B類地貌較為接近；湍流度的實測結(jié)果要大于規(guī)范給定值，且在不同高度處湍流強度有較大范圍的波動，且這種波動隨著高度的增加略有減小，這主要是由于越高位置的湍流受地面的影響越小。通過最小二乘法擬合得到的I10在風(fēng)速區(qū)間[10,12) 和[12,15)都是0.17，明顯大于規(guī)范結(jié)果。

5 結(jié)論

本文基于福建兩個測風(fēng)塔實測得到臺風(fēng)數(shù)據(jù)，研究了臺風(fēng)“納沙”及臺風(fēng)“海棠”影響下平均風(fēng)速、湍流度、陣風(fēng)因子和地面粗糙度指數(shù)的變化規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

(1)受臺風(fēng)“納沙”及臺風(fēng)“海棠”的影響，實測得到的風(fēng)速時程具有明顯的雙“M”型四峰，平均風(fēng)向在雙臺風(fēng)登陸前后發(fā)生了將近260°的變化。

(2)在平均風(fēng)速10 m/s～14 m/s，雙臺風(fēng)影響下10 m 高度處的湍流強度最大值為0.34，湍流強度隨著風(fēng)速的增大有減小的趨勢，但隨著地面粗糙度指數(shù)的增大略有增大，陣風(fēng)因子隨著湍流強度和地面粗糙度指數(shù)的增加有明顯增長的趨勢。

(3)指數(shù)率模型可以較好地描述臺風(fēng)“納沙”及臺風(fēng)“海棠”共同影響下福建沿海地區(qū)100 m以內(nèi)近地層平均風(fēng)速和湍流強度隨高度的變化規(guī)律。

(4)季風(fēng)風(fēng)場的風(fēng)剖面指數(shù)α 均值為0.11，接近規(guī)范GB 50009?2012 中A 類地貌；臺風(fēng)風(fēng)場的風(fēng)剖面指數(shù)α 均值為0.15～0.16，與規(guī)范GB 50009?2012中B類地貌相近，但臺風(fēng)風(fēng)場中的湍流強度明顯高于常規(guī)B類風(fēng)場。