臺風“娜基莉”影響下浦東地區近地風特性

夏波文

（同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，中國 上海200092）

0 引言

文獻[1]表明我國東南沿海地區每年多次遭遇臺風登陸，產生了巨大的經濟損失和人口死亡。發達國家關于臺風的研究[2]開展比較早，并且已經取得了一定的成果。我國對強風的研究也已經展開，如湖南大學的研究人員在海南等地建立了關于臺風的實測基地[3]，史文海等[4]在福建省幾個沿海城市也展開了對臺風的觀測研究。

本課題組根據對東南沿海地區遭受風災的調查研究，在上海浦東國際機場附近建立了同濟大學實測基地，開展起對上海地區遭受臺風的研究，該實測系統主要包括一棟可變坡度低矮足尺實測房和大小兩座測風。利用測風塔，獲得了一定臺風實測數據的累積。本文主要根據40m測風塔上10m高度處獲得的2014年臺風“娜基莉”實測風數據，分析了臺風“娜基莉”影響下浦東地區的近地層風特性，研究成果將為日后東南沿海地區的結構抗風設計提供參考。

1 現場實測概況

1.1 臺風“娜基莉”介紹

2014年第12號臺風“娜基莉”于7月17日上午在馬紹爾群島西部海面上生成，8月1日上午2時加強成為熱帶風暴，并出現雙中心互旋，并于8月3日上午5時減弱為熱帶低壓。“娜基莉”的詳細路徑如圖1。

圖1 臺風“娜基莉”路徑Fig.1 Track of typhoon Neoguri

1.2 試驗儀器及設備

測風塔位于北緯 31°11′46.36″；東經 121°47′8.29″，緊鄰臨海泵站入海口，實物布置如圖2。根據試驗的要求，將R M Young 81000型螺旋槳式風速儀安裝在測風塔10m高度處，用以采集來流風速數據。風速儀向正南安裝，風向角定義為北方為0°，按俯視順時針增大。

圖2 測風塔實物圖Fig.2 The physical mapsof the tower used to measure wind data

2 平均風速和風向

本文采用“矢量分解法”[5]對實測數據進行處理，得到了臺風“娜基莉”影響下10m高度處風速儀采集數據的平均風速、平均風向。

圖3 10min平均風速和平均風向隨時間的變化Fig.3 10-minute meanwind speed and mean wind angle

圖3給出了臺風“娜基莉”擦過上海時10m高度處10min平均風速、平均風向角隨時間的變化（限于篇幅，本文只給出了8月1日14時32分開始往后的42個小時的數據）。從圖中，可以看出8月1日14時32分開始到8月2日凌晨4點左右，風速處于下降段，風速的峰值為10.5m/s左右。此后風速開始又開始上升，在8月2日7點左右出現明顯的峰值，為9.5m/s。此后臺風影響逐漸減弱，風速逐漸減小。

10min平均風向角的變化階段和平均風速基本一致。在8月1日14時32分到8月2日凌晨4點間風向角從50°逐漸減小到0°；從8月2日凌晨4點開始到8月2日19點，風向角基本穩定在340°左右；此后臺風遠離，風速急劇減小，風向角穩定在280°左右。

3 近地風脈動特性

3.1 陣風因子

陣風因子定義為短時距平均風速的峰值隨較長參考時間平均風速的比值，公式如下：

圖4反映了陣風持續時間為3s時，臺風“娜基莉”影響下10m高度各向陣風因子隨10min平均風速的關系。可以發現，縱向的陣風因子明顯大于橫向和豎向的陣風因子；橫向的陣風因子稍大于豎向陣風因子；縱向、橫向和豎向陣風因子隨10min平均風速的增大呈減小的趨勢；10m高度的縱向陣風因子均值為2.5，橫向陣風因子的均值0.4，豎向陣風因子的均值為0.2。

圖4 10m高度各向陣風因子隨平均風速的變化Fig.4 Anisotropy gust factor at 10 meters height versusmean wind speed

3.2 湍流度

湍流強度是衡量湍流強弱的重要指標，也是確定結構風荷載的重要參數之一，定義為10min內脈動風速的標準方差和相應時距內縱向平均風速的比值，表達式為：

式中，σi為脈動風速的的標準差；u,v,w分別表示為縱向、橫向、豎向脈動風速分量。

圖5給出了臺風“娜基莉”影響下10m高度處各向湍流度隨10min平均風速的變化。可以發現，縱向、橫向和豎向的湍流度隨平均風速的增大呈現減小的趨勢；縱向湍流度大于橫向湍流度，而橫向湍流度大于豎向湍流度；縱向湍流度為0.25，橫向為0.19，豎向為0.13。

3.3 湍流積分尺度

湍流在物理結構上可以被認為是由各種不同尺度的旋渦疊合而成的流動。風工程中經常采用以湍流積分尺度的形式表征各種湍流旋渦，表達式為：

基于實際獲取的數據難以在空間內滿足要求，目前湍流積分尺度的研究多采用簡化的方法。本文采用自相關函數法，將空間多點轉化為時間單點自相關，同時積分上限取到自相關系數降到0.05的點[6]，式（3）被轉化推廣到三個方向上：

式中，Li表示縱向、橫向和豎向的湍流積分尺度；Ri(τ)表示各向脈動風速自相關函數。

圖7給出了臺風“娜基莉”影響下10m高度各向湍流積分尺度隨平均風速的變化。從圖中可以看出，縱向、橫向和豎向的湍急積分尺度隨平均風速的增大而減小；10m高度處，這與王旭等對臺風“海葵”的研究一致；湍流積分尺度的比值與黃鵬等對臺風“梅花”的研究[7]一致，為 1：0.6：0.09。

圖5 10m高度各向湍流度隨平均風速的變化Fig.5 Anisotropy turbulence intensity at 10 meters height versusmean wind speed

4 結論

本文根據浦東實測基地測得的2014年第12號臺風 “娜基莉”影響下的浦東地區近地風速，研究了10米高度處近地風特性，并得到如下結論：

（1）縱向的陣風因子明顯大于橫向和豎向的陣風因子；橫向的陣風因子稍大于豎向陣風因子；縱向、橫向和豎向陣風因子隨10min平均風速的增大呈減小的趨勢。

（2）縱向、橫向和豎向的湍流度隨平均風速的增大呈現減小的趨勢；縱向湍流度大于橫向湍流度，而橫向湍流度大于豎向湍流度。

（3）10m高度處，縱向、橫向和豎向的湍急積分尺度隨平均風速的增大而減小，湍流積分尺度的比值為 1：0.6：0.09。

［1］黃鵬,陶玲,全涌,顧明.浙江省沿海地區農村房屋抗風情況調研[J].災害學,2010,25(4)：90-95.

［2］Durst C S.Wind speeds over short periods of time[J].The Meteorological Magazine,1960,89：181.

［3］胡尚瑜,李秋勝.低矮房屋風荷載實測研究(Ⅰ)：登陸臺風近地邊界層風特性[J].土木工程學報,2012,45(2)：77-84.

［4］史文海,李正農,張傳雄.溫州地區近地強風特性實測研究[J].建筑結構學報,2010,31(10)：34-40.

［5］項海帆.現代橋梁抗風理論與實踐[M].北京：人民交通出版社,2005,5.

［6］Xiao Yiqing,Sun Jianchao,Li Qiusheng.Turbulence integral scale and fluctuation wind speed spectrum of typhon：an analysis based on field measurements[J].Jouranal of Natural Disasters,2006,15(5)：45.

［7］王旭,黃鵬,顧明.基于臺風“梅花”的近地層湍流積分尺度現場實測分析[J].同濟大學學報：自然科學版,2012,40(10)：1491-1497.