臺風風特性現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬研究綜述

曾加東, 宋子函, 張志田

(海南大學土木建筑工程學院, ?？?570228)

中國沿海地區(qū)屬于臺風頻發(fā)地區(qū),每年平均有7.2次臺風登陸中國,屬于受臺風影響較為嚴重的國家,影響范圍達中國國土面積的12.5%,受影響人口占總?cè)丝诘?8.9%[1],極端頻發(fā)強風對建筑物的結(jié)構(gòu)安全帶來了極大威脅。如超強臺風“威馬遜”在中國和菲律賓肆意破壞,登陸造成嚴重破壞,總計導致兩百多人死亡,損失可達500億元;1909號強臺風“利奇馬”直接造成1 402.4萬人受災(zāi),1.6萬間房屋倒塌,13.4萬間建筑物受到不同程度的損壞,造成的經(jīng)濟損失可達530余億元;可見臺風的破壞性極強,所造成的巨大損失也是駭人聽聞的。

臺風所帶來的損失十分巨大,為減少強臺風對建筑物的損害、消除其對人們的威脅,有關(guān)于臺風風場的問題亟待解決,特別是復雜地形的風環(huán)境,對臺風風場特性的研究一直以來各國學者都在不斷探索,了解風場的特性,為建筑結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計提供參考。準確掌握臺風特性是作為研究超高層減災(zāi)、大跨度橋梁等風敏感結(jié)構(gòu)抗風減災(zāi)設(shè)計、城市規(guī)劃及風資源利用的基礎(chǔ)[2]?，F(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[3]和主要研究方式是針對平穩(wěn)良態(tài)風場,且并未給出明確的臺風設(shè)計風參數(shù)選值,理論分析和實際難免出現(xiàn)較大偏差。在目前已有的復雜城市地形風場特性研究多是針對良態(tài)風場下的評估,但是對極端惡劣風場如臺風作用下的城市地形風場研究卻很少,對諸多臺風多發(fā)城市地區(qū)建筑物的結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。

研究臺風風場特性具有重要意義,對臺風風場特性實測研究與數(shù)值模擬分析,了解復雜風場的特性,建立合適的臺風參數(shù)模型,對建筑結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計具有重要的指導意義,在工程應(yīng)用方面也有重大的應(yīng)用價值。鑒于此,對近年來臺風風特性實測和數(shù)值模擬研究發(fā)展進行歸納總結(jié),在此基礎(chǔ)上提出存在的不足之處和對未來研究的方向進行展望并提出相應(yīng)建議。

1 中外研究現(xiàn)狀

1.1 風場實測研究

現(xiàn)場實測是研究結(jié)構(gòu)風效應(yīng)最直接、最可靠的方式,日益成為結(jié)構(gòu)抗風領(lǐng)域十分重要的基礎(chǔ)性和長期性的方向[1]。外國很早便開始對臺風風場展開實測研究,發(fā)展相對成熟并積累了大量的實測數(shù)據(jù)資料,其中許多研究成果已經(jīng)作為參考并應(yīng)用于指導工程實際[4]。對風場實測的研究一般可有超高層建筑風場實測、近地風場實測、大跨徑橋梁實測分析等。

1.1.1 超高層建筑風場實測

風場實測一直以來都是結(jié)構(gòu)抗風實測領(lǐng)域的十分最重要的基礎(chǔ)性研究工作,中國在21世紀初期便有許多有關(guān)超高層建筑的實測研究。Li等[5]、Fu等[6]對中國東南沿海地區(qū)多棟超高層建筑進行觀測研究,獲得大量的實測數(shù)據(jù),豐富了超高層建筑的臺風風場特性、結(jié)構(gòu)的阻尼比特性和風致響應(yīng)特征等成果。史文海等[7]對廈門沿海某超高層建筑的風場和建筑表面風壓進行同步監(jiān)測,系統(tǒng)分析在臺風“鲇魚”作用過程中的平均風速、紊流度、陣風因子和脈動風功率譜隨時間的變化歷程。Quan等[8]對上海環(huán)球金融中心頂樓風速和風致響應(yīng)的現(xiàn)場測量,基于Hilbert-Huang變換方法和隨機減量方法確定建筑物的基本固有頻率和結(jié)構(gòu)阻尼比。胡佳星等[9]對某高層塔樓在2014—2017年在臺風影響下的樓頂風場和動力響應(yīng)進行同步監(jiān)測,獲得大量臺風作用下實測數(shù)據(jù),為臺風多發(fā)地區(qū)的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供寶貴參考數(shù)據(jù)。隨著超高層建筑的興建,特別是在沿海臺風多發(fā)地區(qū),結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計的必要性逐漸凸顯,結(jié)構(gòu)檢測手段的進步積累了大量原型建筑的實測數(shù)據(jù)。Zhang等[10]對某超高層建筑現(xiàn)場實測,了解臺風對超高層建筑產(chǎn)生的風壓,并對建筑模型進行同壓力測量的風洞試驗,為超高層建筑抗風設(shè)計提供參考。段靜等[11]對在超強臺風“山竹”影響下珠三角地區(qū)數(shù)棟超高層建筑的風致響應(yīng)實測結(jié)果進行分析和總結(jié),并進行風洞試驗對觀測數(shù)據(jù)修正,對不同超高層建筑風振響應(yīng)進行對比分析,驗證風洞試驗的可靠性,結(jié)果表明,良好的氣動外形以及合理的建筑朝向是超高層建筑抗風性能的關(guān)鍵因素。越來越多超高層建筑隨著經(jīng)濟的發(fā)展建成,結(jié)構(gòu)設(shè)計高度的提高同時伴隨著高強度材料的使用,高樓低阻尼、高柔性的特點導致風振響應(yīng)愈發(fā)強烈,強風作用下的結(jié)構(gòu)風荷載成為超高層建筑的設(shè)計必不可少的因素[12]。

綜上可知,目前已有大量對于超高層建筑的觀測數(shù)據(jù),對于超高層建筑結(jié)構(gòu)抗風的研究通常采用風場實測的方式,實地觀測風場結(jié)構(gòu)風效應(yīng)最準確直接可靠的方式,此方式也適用于大多數(shù)的風場特性研究。有時還需要由同壓力測量的風洞實驗來驗證結(jié)合實測結(jié)果對觀測結(jié)果進行修正,對比分析驗證風洞試驗的可靠性。但風場實測研究也有局限性:需要大量時間準備安裝測量設(shè)備,也難以在更大的區(qū)域進行準確的實測研究。

1.1.2 近地風場實測

科學描述強風(臺風)下邊界層高度范圍內(nèi)的風場特征(包括平均風速剖面、湍流強度剖面、脈動風速功率譜密度和湍流積分尺度剖面等),對評估風效應(yīng)和風敏感結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計具有重要意義[13]。近地臺風實測可依靠地面大量工作站獲取低空臺風數(shù)據(jù),較超高層建筑實測更容易獲取數(shù)據(jù)且更加可靠,更能準確反應(yīng)邊界湍流風場特性。近地臺風對高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)影響也更為明顯,臺風風速快、湍流度大,其非對稱性結(jié)構(gòu)較良態(tài)風場有較大區(qū)別且所造成的破壞也更大。Shiau等[14]采用超聲波風速計對臺灣島東北近海岸的風湍流特性和風速譜進行固定觀測,觀測結(jié)果表明,縮放縱向風速譜與Von Karman譜近似吻合,驗證橫向和垂向風速譜結(jié)果近似與對各同向湍流譜方程的預(yù)測。近地風場更加貼近地面,對低矮房屋抗風結(jié)構(gòu)設(shè)計更具有挑戰(zhàn),許多研究積累了大量寶貴實測數(shù)據(jù)[15-17]。李秋勝等[18]通過建立在強臺風“黑格比”登陸地點的低矮房屋原型實測房,對強臺風“黑格比”登陸進行全過程的數(shù)值監(jiān)測,并測得大量近地風場房屋表面風壓的實際數(shù)值,對實測平均和最大風速、湍流度、陣風因子等進行比較分析,為低矮樓房的抗風性架構(gòu)提供設(shè)計參考。胡尚瑜等[19]在此基礎(chǔ)上研制可移動平坡屋面實驗房風壓及臺風風場現(xiàn)場實測系統(tǒng)研究低矮房屋風荷載的分布規(guī)律。李波等[20]在臺風“蘇力”的近地脈動風場數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對臺風的湍流強度、陣風因子、湍流積分尺度和功率譜等進行分析,結(jié)果表明,臺風風場的湍流積分尺度有較大的離散性且與平均風速、湍流強度無強相關(guān)性。王旭等[21]、Wang等[22]在對臺風近地風場的研究中也有類似的結(jié)果。胡尚瑜等[23]對近海岸的近海面地貌5個不同高度的風速數(shù)據(jù)實測,采用Bootstrap統(tǒng)計分析近地層風剖面、湍流強度剖面、湍流參數(shù)等特征,研究表明近地邊界層的平均風剖面符合指數(shù)律或?qū)?shù)律,近地平均湍流度剖面符合指數(shù)律,臺風場相比季風場陣風因子較規(guī)范推算值要更大。姚博等[24]用多普勒激光測風雷達觀測臺風數(shù)據(jù),指出臺風結(jié)構(gòu)中不同位置風場特性存在明顯差異,給出陣風因子和湍流度的擬合關(guān)系式且與實測結(jié)果接近。基于觀測塔在臺風期間所獲得的實測風速記錄,謝壯寧等[13]討論了脈動風速功率譜沿高度的分布規(guī)律并對比規(guī)范嘗試對風場特性剖面進行參數(shù)擬合。Fang等[25]根據(jù)多次臺風的實測風速數(shù)據(jù),對臺風邊界層近地面的陣風特性進行定量化分析,如湍流強度、陣風因子等,對于建筑結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計具有重要意義。李東亮等[26]對不同高度輸電桿處臺風實測數(shù)據(jù)進行比較分析,探究粗糙度、摩擦速度與平均速度和高度之間的關(guān)系,其結(jié)果再次驗證平均速度隨高度變化的指數(shù)率和對數(shù)率模型較吻合,最后還擬合出三向湍流剖面表達式和陣風因子的經(jīng)驗表達式。

綜上所述,近地臺風風速快、湍流度也更大相比良態(tài)風場其復雜度更高,破壞性也更強。通過測風儀器或建立實測房屋監(jiān)測近地風場的風速實測數(shù)據(jù),分析平均風速剖面、湍流強度剖面、脈動風速功率譜密度和湍流積分尺度剖面等風特性。相比于對超高層建筑開展風場實測近地風場實測研究在獲取測風數(shù)據(jù)方面更為容易并且數(shù)據(jù)結(jié)果更為可靠。但近地實測方式還是難以全方位把控全流場的風場特性。

1.1.3 大跨徑橋梁實測分析

橋梁作為聯(lián)系兩岸、跨越江河山谷的重要交通線,特別是如今大跨橋梁的興建,對人們生活起著愈發(fā)重要的作用。大跨度橋梁受強風影響更明顯,觀測橋址處的風的特性以及風致橋梁振動的特征和主要參數(shù),對橋梁設(shè)計和評估具有重要意義。為解決山區(qū)橋梁建設(shè)的難題,張玥等[27]在禹門口黃河斜拉橋設(shè)立了觀測站,并開發(fā)了橋梁風場特性分析系統(tǒng),對橋址脈動風場進行分析。龐加斌等[28]著重分析了橋址風環(huán)境的湍流特征。朱樂東等[29]利用相控陣聲雷達風廓線儀對壩陵河大橋橋址處深切峽谷中風剖面進行觀測,發(fā)現(xiàn)深峽谷風場湍流的隨機分布特征,豎向剖面不滿足對數(shù)或指數(shù)分布。黃國慶等[30]利用自主研發(fā)的無線傳輸高頻風速儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對普立特大橋橋址風場進行測量,分析橋址風場的特征,并討論了順風脈動風的非平穩(wěn)、非高斯特性。何旭輝等[31]根據(jù)風速風向監(jiān)測子系統(tǒng)對南廣鐵路肇慶西江大橋的風速監(jiān)測數(shù)據(jù),討論了臺風作用下橋址的平均風速、風向和脈動參數(shù)。風速測量設(shè)備和檢測設(shè)備的升級對更準確地了解橋址的風場特征有很大的幫助。王浩等[32]基于蘇通大橋在臺風期間實測風數(shù)據(jù),重點研究非定常風場特性,詳細分析了橋址處的風特性,以及該區(qū)域大跨度柔性橋梁等風敏感結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計。王旭等[33]以廣東某大跨度橋梁工程為背景,通過橋上的超聲波風速儀記錄臺風登陸過程的風速時程數(shù)據(jù),分析研究臺風的平均風速、風向角、湍流強度、陣風因子、峰值因子等風特性參數(shù),補充臺風數(shù)據(jù)庫,為橋梁結(jié)構(gòu)抗風提供參考。

目前對大跨徑橋梁實測研究在國內(nèi)外有許多實測資料,但在沿海臺風多發(fā)地區(qū),對橋址風環(huán)境的研究還不夠,仍需補充大量臺風實測數(shù)據(jù)。

結(jié)合近二十年來中外研究可知,已有大量學者通過現(xiàn)場實測針對不同地區(qū)的臺風特性進行研究取得許多有價值的研究成果,由于現(xiàn)場實測周期較長、實測條件的限制,只能設(shè)置較少點位獲得臺風數(shù)據(jù),難以根據(jù)有限點位實測數(shù)據(jù)進行深入研究。當前對于臺風風場實測的研究還處于探索累積的階段,從已有的研究成果可以看出,仍有許多地方有待完善,如在對于臺風風場特征參數(shù)、風場的平穩(wěn)性及非平穩(wěn)性、空間關(guān)聯(lián)性等問題上仍需要大量的數(shù)據(jù)支持,特別是在臺風多發(fā)地區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)、典型的城市地形風場更需要補充臺風數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)值模擬研究

當前有不少學者通常采用現(xiàn)場實測或者風洞試驗等方法來研究復雜風場風特性,但由于其復雜性和技術(shù)限制,這兩種方式在實際應(yīng)用中仍然存在不少問題。因此,越來越多的學者采用基于計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)的數(shù)值模擬方法,數(shù)值模擬的方式具有方便快捷、全方位精確模擬流域風場的優(yōu)點;隨著計算機的飛速發(fā)展,CFD的數(shù)值模擬正逐步成為研究計算風荷載和復雜風場風環(huán)境的主要方法之一。

1.2.1 CFD數(shù)值模擬

CFD的數(shù)值模擬方法有三類,分別為直接數(shù)值模擬(direct numerical simulation, DNS)、雷諾平均(Reynolds averaged Navier-Stokes, RANS)和大渦模擬(large eddy simulation, LES)?；谕牧髦懈鞒叨葴u的計算精度和控制方程采用不同的處理方式。直接數(shù)值模擬是直接模擬流動的控制方程,而不需建立湍流模型,但由于湍流的多尺度性和不規(guī)則性,需要較高時-空分辨率,導致計算量和耗時巨大,且對計算機性能要求較高,因此被廣泛用于計算簡單的湍流運動。與直接模擬方法相比,雷諾平均方法和大渦模擬方法是計算風工程的兩種主要解決方法。大渦模擬方法是NS(Navier-Stokes)方程的一種濾波,小于濾波尺度的湍流由模型描述。雷諾平均法是對NS方程進行(時間)平均,將非定常湍流問題轉(zhuǎn)化為定常湍流問題。Holgate等[34]針對模擬湍流可能涉及的高雷諾數(shù)和幾何復雜性從而導致高昂的計算成本,開發(fā)出一種混合RANS-LES方法以平衡計算成本和準確性之間的關(guān)系。Zhang等[35]為研究大型風電場垂直交錯的影響,采用大渦模擬的方式對規(guī)則常規(guī)布置的大型風電廠進行數(shù)值模擬分析。其中大渦模擬是一種直接模擬大于網(wǎng)格尺度的湍流脈動的非定常模擬方法,而小于網(wǎng)格尺度的湍流脈動則由亞網(wǎng)格模型描述。LES是一種綜合方法,大渦模擬是一種兼顧求解精度和效率的統(tǒng)籌兼顧的方法[36]。

1.2.2 LES大渦模擬

大渦模擬在數(shù)值計算結(jié)構(gòu)抗風中成為主要選擇[37-38]。王婷婷等[39]對不同地貌的大氣邊界層進行LES數(shù)值模擬分析,驗證其數(shù)值模擬在風場特性實驗研究中的可行性,并為后續(xù)進行結(jié)構(gòu)繞流的大渦模擬提供可行的來流生成方法。Luo等[40]開發(fā)了一種用于生成LES流入數(shù)據(jù)的多尺度合成渦流方法,其在壁邊界流動的研究中顯示出巨大的前景。Ren等[41]通過數(shù)值模擬全尺度復雜地形下的風場特征,建立豐富的風場數(shù)據(jù)庫并提出空間風場預(yù)測模型。靖洪淼等[42]為解決雷諾數(shù)與實際差距大的問題,提出了改進的山區(qū)峽谷風場特性數(shù)值模擬方法,有效提高了模擬精度。針對大風災(zāi)害,周曉鷗等[43]采用三維大渦模式OpenFOAM分析復雜微環(huán)境地形條件下風場的變化規(guī)律且有不錯的結(jié)果。鄭德乾等[44]基于空間平均的大渦模擬方法,對不同坡度對山丘地形風場特性的影響進行了非定常繞流數(shù)值模擬研究,對比試驗結(jié)果驗證了模擬方式的有效性。在基于大渦模擬對某山區(qū)橋址脈動風環(huán)境的研究中,Xing等[45]研究證明,LES方法比雷諾平均方法更準確,且具有足夠的網(wǎng)格數(shù)和足夠短的時間步長。李威霖等[46]采用大渦模擬實現(xiàn)評估強風對大跨徑橋梁的作用,應(yīng)用一種新的規(guī)則化波矢量隨機流生成方法PRFG3(prescribed-wave-vec-tor random flow generator 3)來提高其準確性。

總之,LES在數(shù)值模擬研究中的可行性得到了驗證,相比于雷諾平均法更為準確。隨著計算機的迭代發(fā)展以及數(shù)值模擬技術(shù)的進步,大渦模擬越來越多地被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)計算風工程領(lǐng)域的研究。

1.2.3 WRF模式

相比于中小尺度的大渦模擬,基于WRF(weather research and forecast)天氣預(yù)報模式的中尺度數(shù)值模擬,成為近些年的熱點。WRF是目前比較先進的中尺度天氣研究與預(yù)報系統(tǒng)。20世紀90年代后半期,美國環(huán)境預(yù)測中心、美國國家大氣研究中心等美國的科研機構(gòu)為中心聯(lián)合高等院校開始開發(fā)的一種統(tǒng)一氣象模式,于2000年正式推出。該模型的開源代碼可以為天氣預(yù)報、區(qū)域天氣模擬、理想天氣研究等提供一個通用的模型框架[47-48]。王曉君等[49]總結(jié)WRF模式10多年來在中國應(yīng)用和發(fā)展,闡明WRF模式在中尺度模擬中的普適性和優(yōu)越性,WRF模式在未來有很大的前景。Tse等[50]通過WFR模式再現(xiàn)臺風風神2008年登陸香港特別行政區(qū)的過程,基于模擬數(shù)據(jù)與風洞試驗結(jié)果進行對比,指出相對粗糙的地形模型會導致近地面風場模擬的不準確?；谥谐叨葦?shù)值預(yù)報模式WRF,鐘茜等[51]采用7種參數(shù)化方案演變風場變化過程,表明WRF模擬受地形影響大,相比于參數(shù)風場粗糙度更大,風速等值線基本吻合,次年再次深入研究引入最大風速半徑的非對稱特性[52],定義了非對稱系數(shù)來描述最大風速半徑的非對稱性。王義凡[53]基于WRF模式下不同網(wǎng)格精度和微物理方案,模擬西太平洋上次歷史上三次超強臺風登陸過程,并對比實測數(shù)據(jù)給出了最精確的模擬結(jié)果。WRF模式逐漸成為研究臺風風場數(shù)值模擬的一種有效方法,李心雨等[54]基于中尺度WRF模式及兩種經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭貥?gòu)超強臺風“山竹”登陸過程中氣壓和矢量場,對比3處實測數(shù)據(jù),驗證了3種方案的可行性,明確表示優(yōu)化參數(shù)還可以提高WRF模式的精確度,WRF模式在未來有著巨大的前景。

綜上,WRF模式成為近些年來研究的熱點,相比于大渦模擬WRF模式更適用于中尺度的數(shù)值模擬,其方式的普適性和優(yōu)越性得到不少學者的認可,并且通過參數(shù)優(yōu)化其精確性還能提高,有著很大的應(yīng)用前景。

1.2.4 多尺度耦合數(shù)值模擬

多尺度耦合數(shù)值模擬同樣也是近年來的研究熱點,特別是在復雜地形風場的研究領(lǐng)域。張少濟等[55]構(gòu)建6層嵌套的WRF-LES模型對某電廠區(qū)域進行多尺度耦合數(shù)值模擬,對比分析平均風速、溫度、壓強等參數(shù),結(jié)果表明,小尺度LES模擬更能對地形精細化模擬。孫學金等[56]對某湖岸近地風場做數(shù)值模擬研究驗證了WRF-LES模式相比于單一中尺度氣象模式更能描述脈動風場的特性,多尺度耦合數(shù)值模式更具高準確性。黃銘楓等[57]基于WRF-LES模式重現(xiàn)臺風“燦鴻”的中小尺度發(fā)展演化過程,以多項式插值方式解決疏網(wǎng)格向密網(wǎng)格背景風場要素降尺度耦合問題以達到精細化處理,在重現(xiàn)過程中得到很好的效果。董浩天等[58]以多尺度耦合的方式對沿海復雜地形精細化研究,再現(xiàn)臺風啟德路經(jīng)過程,主要研究了臺風路徑、近地風速時程和風剖面等,所得結(jié)果與實測數(shù)據(jù)比較吻合。

綜上可知,多尺度耦合數(shù)值模擬相較于單一中尺度或小尺度模擬,在復雜精細化地形精細化模擬方面有更好的表現(xiàn),在某些臺風過境地域風場有更好的描述,可為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、建筑結(jié)構(gòu)選址等提供很好的參考。

1.2.5 復雜(城市)地形數(shù)值模擬

數(shù)值模擬已經(jīng)在對城市污染物擴散、城市小氣候、風能評估、行人風環(huán)境以及城市地形復雜風場特性的相關(guān)研究上得到了應(yīng)用[59-62]。日本早在十多年前便已經(jīng)開始對城市風環(huán)境的數(shù)值模擬研究,并制定相關(guān)的城市風環(huán)境CFD數(shù)值模擬規(guī)范,對其計算域、地形簡化、網(wǎng)格劃分及算法等做出明確規(guī)定[62]。

Liu等[63]通過評估3種湍流模型SRANS(steady Reynolds averaged Navier-Stokes)、LES和DDES(delayed detached-eddy simulation)在模擬孤立高層建筑周圍的室外風流模式時的計算時間要求和性能,分析上述方法在城市地形風場研究的適用范圍。針對不同城市地形,方平治等[64]對城市群體建筑風環(huán)境做了相關(guān)研究。符興源等[65]對城市高層建筑植被做了相關(guān)風環(huán)境優(yōu)化設(shè)計。Wen等[66]對城區(qū)的污染擴散和自然風場展開了數(shù)值模擬研究,并引入半經(jīng)驗分析模型,表明合理的城市布局有助于風場優(yōu)化和空氣質(zhì)量提升。盧春玲等[67]采用大渦模擬的數(shù)值模擬方法對建筑群及地面人行風環(huán)境進行評估。任蘭紅等[68]通過對研究區(qū)的風環(huán)境進行數(shù)值模擬得到風速指數(shù),通過分析得到基于城市空間形態(tài)的平均風速比模型,分析整個研究區(qū)及主要街道的風環(huán)境分布特征及影響因素,提出了高密度區(qū)域風環(huán)境的改善策略。Zhang等[69]首次將WRF-UCM模型應(yīng)用于臺風時的城市風場預(yù)測,得到了與實測接近的風速數(shù)值預(yù)測結(jié)果,對中間比例模型得到的風速場進行統(tǒng)計分析處理,得到不同時間段的風速剖面結(jié)果,通過LES法的入口風速驅(qū)動CFD模型進行計算,提高數(shù)值計算的精度。數(shù)值模擬的研究很早就已經(jīng)開始,跟隨硬件設(shè)施的快速發(fā)展,數(shù)值模擬研究方法方式也在更迭,研究方向也慢慢偏向于復雜風場。

盡管CFD數(shù)值模擬技術(shù)在其應(yīng)用上顯現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢,但復雜風場的數(shù)值模擬的精準性和科學可靠性還需要以大量的實測臺風數(shù)據(jù)來作為支撐。Bechmann等[70]、Berg等[71]和Diebold等[72]通過實測設(shè)備記錄了在2007—2008年中3個月的風場實測數(shù)據(jù),并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)性地對比驗證了RANS和LES模擬,得到LES模型在加速比誤差上比RANS模型偏大的結(jié)果。Xing等[45]在對山區(qū)脈動風環(huán)境的大渦模擬實驗時驗證了LES模擬脈動風的可行性并發(fā)現(xiàn)與雷諾平均法相比,LES方法對脈動風的模擬效果更好,而且雷諾平均法和大渦模擬法均能較好地模擬平均風場特性。陳晛等[73]基于當?shù)貧夂蚪y(tǒng)計資料,通過數(shù)值模擬和統(tǒng)計從靜風、主導風與海陸風3個方面研究城市風場的時空分布基本規(guī)律,初步了解城市海域風場基本特性。綜上,城市地形風場的數(shù)值模擬仍需要基于實測數(shù)據(jù)來指導模型建立,并驗證模型的可行性,進一步提高計算模型的精準度。

1.2.6 臺風參數(shù)模型

臺風氣壓場是影響風場數(shù)值模擬精度的重要因素。臺風氣壓風場的數(shù)學模型主要分為理論模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃桶肜碚摪虢?jīng)驗?zāi)Ｐ?。理論模型的代表有高橋浩一郎[74]、Fujita[75]、Myers[76]、Jelesnianski[77],均屬于圓對稱氣壓模型,便于計算但局限性較大,難以準確描述復雜臺風氣壓場。通過系數(shù)調(diào)整氣壓剖面函數(shù)形式,Holland[78]建立的模型,屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?相比于簡單的理論模型該經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍茌^好的對臺風風場進行客觀描述,但其經(jīng)驗系數(shù)難以確定。盛立芳等[79]的橢圓氣壓模型屬于半理論半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?基于臺風氣壓場的不對稱性,提出一種新的臺風風場模型來模擬不同強度和半徑的海面風場。張余得等[80]將Jelesnianski圓對稱臺風風場模型與實測風場進行比較,但發(fā)現(xiàn)兩者仍存在較大偏差;在此模型的基礎(chǔ)上,考慮臺風中心靜風區(qū)半徑,采用3種不同的衰減系數(shù)進行修正,結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好。張亮等[81]通過對比分析經(jīng)典藤田風場、內(nèi)部藤田風場和外部高橋風場、修正外部藤田風場、Jelesnianski風場和Holland風場沿徑向的氣壓、氣壓梯度力和風速分布剖面,發(fā)現(xiàn)5種模型的最大氣壓梯度力和最大風速并不出現(xiàn)在同一位置。張澤方等[82]基于Ueno臺風風場模型和改進的藤田公式總結(jié)南海風的特征,并引入修正系數(shù)和臺風后數(shù)據(jù)。陳橙等[83]將Myers的圓對稱風場模型與Miyazaki的移動風場相結(jié)合,建立了符合北半球風場特征的風場模型。通過對比實際案例及大量觀測數(shù)據(jù),劉小璐等[84]對參數(shù)化臺風模型的模擬結(jié)果與實際相差不大,能很好模擬出臺風登陸過程中風速時程變化。Wei等[85]針對參數(shù)化風場建模的關(guān)鍵參數(shù)最大風速半徑(Rmax)和氣壓剖面參數(shù)(B),總結(jié)不同海域的Rmax和B模型,并引入臺風三維風場模型對中國沿海城市開展臺風隨機模擬,其結(jié)果在預(yù)測臺風極值風速更為合理,搭配特定風場模型和路徑集可達到更高精度的預(yù)測。

傳統(tǒng)的臺風數(shù)值模擬WRF模式,計算量大,數(shù)值模擬周期長;而半理論半經(jīng)驗的風場模型和參數(shù)化臺風風場模型計算相比于前者有更高的精度,而且計算也方便許多,相關(guān)半理論半經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦€有Yang Meng風場、Shapiro風場、CE風場、Batts風場等?？桌蛏萚86-87]利用YM風場模型模擬中國近海岸臺風風場和重建西太平洋歷史風場。劉濤等[88]對比多種臺風氣壓分布模型并通過誤差對比得到適配模型針對不同風場有更好的效果。因此,建立適配臺風數(shù)學分析模型能減少大量計算工作、提高計算的精確度和效率。

由于現(xiàn)場實測的不可控性,實際運用難免會有很多問題,近些年來許多學者也開始用數(shù)值模擬來對風場特性研究。隨著計算機的更迭和技術(shù)的不斷更新產(chǎn)生多種模擬方式或多種模擬方法相結(jié)合的形式針對不同的風場特性的研究。目前從中外的相關(guān)研究上來看,大部分針對復雜城市風場特性的相關(guān)研究多集中在基于城市平穩(wěn)風場做假設(shè),但實際對復雜風場如對臺風作用下的城市地形風場特性及數(shù)值模擬的研究仍舊缺乏。已有參數(shù)模型難以把握臺風作用下復雜多變的風環(huán)境,需結(jié)合現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬,總結(jié)風場特性,針對復雜地形風場建立適配的臺風數(shù)學分析模型,得到合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計風參數(shù)選值方法。

2 存在的不足

綜上所述,中外在風場實測和數(shù)值模擬研究方面均有很多進展。然而在針對沿海等臺風多發(fā)地區(qū)、針對非平穩(wěn)風場如復雜的城市地形風場的研究仍存在如下不足之處。

(1)相關(guān)現(xiàn)場實測的研究有限,在對于臺風風場特征參數(shù)、風場的平穩(wěn)性及非平穩(wěn)性、空間關(guān)聯(lián)性等問題上仍需要大量的數(shù)據(jù)支持,尤其臺風多發(fā)的地區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)、典型的城市地形風場更需要補充臺風數(shù)據(jù)。

(2)現(xiàn)場實測周期較長、實測條件的限制,只能設(shè)置較少點位獲得臺風數(shù)據(jù),難以開展大范圍實測研究、難以根據(jù)有限點位實測數(shù)據(jù)進行深入研究。

(3)在數(shù)值模擬方面已有模型難以對復雜多變的臺風風環(huán)境分析,針對不同地理環(huán)境風場還需要補充或修正不同的參數(shù)模型,由于臺風非平穩(wěn)性和地域性差異復雜城市地形更需要適配的臺風數(shù)學分析模型。

3 結(jié)論與展望

現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬作為研究風場特性的重要方法,經(jīng)過長時間的實踐與應(yīng)用,其可靠性和實用性得到驗證。針對目前研究的問題采用現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方式,對沿海臺風多發(fā)地區(qū)及復雜城市地形風場風特性、結(jié)構(gòu)抗風措施、系統(tǒng)的研究具有重要理論和工程意義。

(1)針對臺風多發(fā)的地區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)、典型的城市地形風場補充臺風數(shù)據(jù),填補臺風風場特征參數(shù)、風場的平穩(wěn)性及非平穩(wěn)性、空間關(guān)聯(lián)性等問題上研究。

(2)針對現(xiàn)場實測研究的種種局限性,以及保證數(shù)值模擬分析的嚴謹準確性,通過運用現(xiàn)場實測及CFD數(shù)值模擬兩種方式的并行,發(fā)展能有效研究臺風作用下城市地形典型復雜風場的數(shù)值模擬技術(shù),探究臺風作用和城市地形共同影響下的風場特性,并且建立典型的數(shù)學分析模型和適配的場地設(shè)計風參數(shù)選值方法,為受災(zāi)嚴重地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)物抗風減災(zāi)設(shè)計提供參考。

(3)其次在復雜風場研究背景下,由于種種技術(shù)或?qū)嶋H的限制,現(xiàn)場實測難以在復雜風環(huán)境準確實現(xiàn),數(shù)值模擬的風場全尺度、全流域模擬的優(yōu)勢盡顯;能在獲得大量臺風數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,分析復雜風場特性,建立適配臺風數(shù)學分析模型,找到合適的設(shè)計風參數(shù)值方法則成為未來結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計發(fā)展的關(guān)鍵。