浙南濱海丘陵地貌臺風近地風剖面特性實測研究

朱云輝， 孫富學， 姜 碩， 史文海,， 張傳雄， 李正農， 趙喆斐

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

目前，我國風荷載相關規范規定是基于良態大風特性并借鑒國外規范制定的。在臺風頻發及沿海地區，臺風荷載是高層建筑及高聳風敏感結構必須要考慮的因素。

近年來，學者們開展了一些近地面邊界層風場特性的實測工作。李秋勝等[1]對沙塵暴天氣下的320 m氣象塔風速進行了統計分析，發現不同高度的實測湍流度之比與現有公式有一定差別。趙林等[2]針對3次臺風距地面5個不同高度處的風速實測記錄進行了分析，發現風剖面指數在臺風登陸前變化劇烈，在登陸后變化平穩；王旭等[3]基于10 m、20 m、30 m和40 m高度處臺風影響下的現場實測數據，研究了平均風速、湍流度和陣風因子隨高度的變化規律，發現通過公式計算得到的邊界層高度隨平均風速的增大而增大，遠遠大于我國規范；顧明等[4]對上海環球金融中心大樓頂部風速實測，分析了良態風下高空的風場特性；申建紅等[5]對強風作用下的超高層建筑風場特性的實測研究，表明特殊地形環境下的風速脈動不完全符合典型的風速譜；張傳雄等[6]通過溫州市中心某高層建筑頂部風場特性實測，研究獲得了城市中心高空臺風風場的風場特性；羅疊峰等[7]通過對海邊三棟相鄰高層建筑頂部臺風風場實測，研究了多棟高層建筑頂部的風場在臺風影響下的風特性和相關性；史文海等[8-12]基于多次臺風的近地面和超高空風場的實測，對比分析了兩者不同時距的湍流特性，發現兩者不同時距平均風速的離散性和平均最大風速之間的比例相差較大。王旭等[15]針對臺風“海葵”近地風脈動特性進行了實測研究。辛亞兵等[16]基于山區地形實測數據，進行了風場的非平穩特性和非高斯特性分析。

盡管學者們已經開展了一些高空臺風風場及其風剖面特性的實測研究，但由于臺風特征具有明顯的地域性。目前，針對浙南濱海丘陵地貌臺風風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基地，實測獲得了100 m高度內臺風歷程中的風場數據，并通過綜合分析，研究分析其規律性特征，可為該地區建筑抗風設計以及結構減災參考。

1 臺風觀測概況

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

本文實測研究針對臺風“莫拉克”進行。“莫拉克”于2009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力有12級，9日20時減弱為強熱帶風暴。在臺風逐漸登陸過程中，臺風路徑離觀測點最近為80 km左右。

圖1 100高測風塔及臺風“莫拉克”路徑圖

根據臺風影響程度，本文選取2009年8月8日15時至8月9日20時時段臺風“莫拉克”登錄前后的實測數據進行分析。

2 風剖面特性分析

2.1 實測瞬時風場分析

臺風“莫拉克”于8月9日16時20分在福建省霞浦縣北壁鄉登錄，離觀測點90 km左右，實測風速在臺風登錄前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。風速達到最大后，風速迅速衰減，然后再增大、衰減，但強度遠遠小于臺風強度最大時刻。

2.2 平均風速、風向角

基于實測數據，按照時距10 min將數據進行分割處理。圖2給出了“莫拉克”的10 min平均風速、風向角剖面時程。可以看出，隨著高度的增加，風速逐漸增大，不同高度處的10 min平均風速和風向角的變化非常同步。因10 m和50 m的風向角變化一致，所以30 m風向角參考10 m和50 m高度風向取值。實測平均風速在8月9日7時左右達到最大，100 m高處10 min平均風速最大值為30.28 m/s。分析時間段內，從10 m到100 m高度，10 min平均風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平均風速、風向角時程

風剖面指數a是風剖面中反應地面粗糙度的一個重要指標。圖3為依據10 m、30 m、50 m、70 m和100 m高度處實測平均風速計算得到的風剖面指數值。可以看出，隨著風速的增大，指數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,與規范[14]場地分類結果基本吻合。

圖3 風剖面指數

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

圖4 10 min平均風速的總體均值剖面和最大值剖面

2.3 湍流度剖面

圖5為各高度處順風向湍流度均值及規范湍流度曲線。在10 m、30 m、50 m、70 m和100 m高度處，順風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。順風向湍流度、橫風向湍流度在同高度處較為接近，順風向湍流度略大于橫風向的湍流度，且其變化趨勢基本一致。可以看出，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范在類似場地條件下的湍流度隨高度變化的關系曲線。可以看出，任一高度處的實測湍流度均小于規范取值，隨著高度增加，偏離值增大。表明對應規范取值偏于保守，可以根據不同地域實測資料，在確保安全性的同時，進行取值優化。

圖5 湍流度剖面

圖6給出了順風向、橫風向湍流度剖面與平均風速之間的關系。可以看出，隨著風速的增大，順風向、橫風向湍流度總體上呈現遞減的趨勢。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。表明地表臺風橫風向湍流特性的研究在30 m以下表現較為明顯。

圖6 湍流度與平均風速的關系

2.4 陣風因子剖面

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

圖7 陣風因子剖面

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

圖8 湍流度與陣風因子之間的關系

2.5 湍流積分尺度

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

(1)

(2)

圖9給出了順風向與橫風向湍流積分尺度與10 min平均風速之間的關系。可以看出，隨平均風速的增大，順風向與橫風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，順風向湍流積分尺度均值分別為58.78、137.55、147.56、214.48、234.79，橫風向湍流積分尺度均值分別為5.41、7.00、10.08、10.24、37.73；順風向和橫風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，順風向的湍流積分尺度遠大于橫風向的湍流積分尺度。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向分散，異常值在較大值一側增多，呈現右偏態。

用中位數比較穩定，因為中位數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給出了順風向與橫風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以及日本規范[13]推薦的剖面圖形。可以看出，隨著高度的增加，橫風向及順風向湍流積分尺度平均值與中位數剖面均呈逐漸增加的趨勢。其中，順風向湍流積分尺度的中位數剖面與日本規范較為接近，可為工程所借鑒。

圖9 湍流積分尺度與平均風速的關系

圖10 湍流積分尺度箱線圖

圖11 湍流積分尺度剖面

2.6 脈動風速功率譜

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

圖12 湍流功率譜密度

2.7 相關系數及相干系數

選取最大風速子樣本分析不同高度處風速的相關性。相關系數如表1。隨著風速儀間距的增加，相關性迅速變弱；同等間距時，高處要比低處的相關性好，尤其是100 m與70 m處，表現為顯著相關。

表1 相關系數

相干函數反映了兩高度處脈動風速在各頻率上分量間的線性相關程度，分析不同高度處的順風向風速，得到的相干系數如圖13。可以看出，頻率接近于0時，隨著間距增大，豎向衰減系數明顯增大，100 m與70 m的相干系數接近0.75，這與時域對應的結果相似，相同間距下，高空較近地處衰減速率慢，實測衰減系數結果與Davenport建議的衰減系數有明顯差別。

圖13 相干系數與頻率關系圖

3 結 論

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

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

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

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

(4) 100 m與70 m的相干系數接近0.75，相關性較強，這與時域對應的結果相似；相同間距下，高空較近地處衰減速率慢，實測衰減系數結果與Davenport建議的衰減系數有明顯差別。