強臺風納沙（1117）登陸過程的湍流特性分析

蔣承霖 黃浩輝 陳雯超 張光宇

（廣東省氣象防災技術服務中心，廣州 510080）

0 引言

臺風的破壞力極大，是世界上最嚴重的自然災害之一。臺風挾帶狂風、暴雨，導致大批房屋、建筑被毀，城鎮、農田受淹，電力、交通、通訊中斷，并造成大量的人員傷亡和財產損失。我國是世界上受臺風危害最甚的國家之一，隨著經濟的快速發展，近海和沿海大型工程結構朝著超長、高聳、大跨和柔性的方向發展，這些建筑在設計、施工及營運各階段均對抗風有著非常高的要求。因此，摸清臺風在近地層的湍流特性對建筑結構的設計及預防臺風災害等方面具有至關重要的意義。

國內外學者對臺風進行了各方面的研究，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的實測風特性；譚曉偉等[2]對超強臺風桑美（2006）登陸前后低層風廓線進行了數值模擬分析；肖儀清等[3]基于4個臺風過程中的長時間序列風速、風向觀測數據，分析研究了近地臺風的湍流積分尺度和脈動風速譜等脈動特性；宋麗莉等[4]研究了“鸚鵡”臺風經過澳門友誼大橋的湍流特性；史文海等[5]基于2008年影響溫州的臺風海鷗、鳳凰和薔薇的實測風場資料，分析了不同平均時距下近地臺風的湍流特性；王蓉等[6]利用廣東省沿海海洋站及近海浮標的實測資料，對1208號臺風韋森特的特性進行了分析和探討；許孌等[7]利用 1011 號臺風凡亞比高分辨率數值模擬資料及合力散度方程，診斷分析了臺風凡亞比的合力散度水平分布及演變過程；王旭等[8]研究了臺風梅花的近地層脈動風速功率譜及相干性；錢燕珍等[9]利用雷達資料對強臺風海葵登陸前后強度變化進行了分析。

由于臺風路徑的不確定性，要探測到臺風中心附近的強風數據并不容易，華南地區用三維超聲測風儀觀測到的完整臺風樣本仍然較少，本文基于捕捉到的1117號強臺風納沙登陸過程的三維超聲測風數據，從三維方向探討強臺風登陸過程的近地層湍流脈動特性，觀測塔距離臺風中心最近時僅有18 km，取得了臺風登陸過程較為完整的記錄，觀測數據對臺風特有的強風代表性較好，有利于摸清華南沿海登陸臺風的風環境和風特性參數，從而保障沿海的工程安全，為工程抗風設計、施工及營運各階段所需的關鍵參數提供依據。

1 觀測設置和臺風過程

1.1 觀測位置和儀器

觀測塔設置在廣東省湛江市徐聞縣南山鎮三塘村，塔基海拔4 m，塔高112 m，90 m高度安裝了英國Gill公司生產的WindmasterPro三維超聲測風儀。

WindMasterPro超聲測風儀最大風速量程為65 m/s，最大采樣頻率為32 Hz，本觀測以10 Hz采樣頻率進行三維瞬時風速數據記錄。

1.2 臺風過程概況

1117號強臺風納沙于2011年9月25日05時（北京時，下同）加強為強熱帶風暴級，于25日夜間加強為臺風級，并于27日07時在菲律賓呂宋島沿海地區登陸，登陸時中心附近最大風力為14級（45.0 m/s），隨后臺風繼續向西北偏西方向移動，于27日下午進入南海東部海面，于29日早晨加強為強臺風級，并于29日14時30分在海南文昌翁田鎮沿海地區登陸，登陸時中心附近最大風力達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中心的最近距離約18 km，實測到的最大10 min平均風速為25.2 m/s，0.1 s極大風速為36.2 m/s。

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

根據該臺風過程持續時間，在此篩選臺風納沙過程的分析數據樣本開始于2011年9月29日06時10分—30日06時，共24 h的記錄數據，重點分析8級及以上大風（10 min平均風速≥17.2 m/s）時段出現在2011年9月29日10時30分—30日02時10分。

2 數據處理和分析方法

2.1 基礎數據處理

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

2）剔除無效和異常數據。

3）有效數據完整率達95%的樣本作為一個子樣本。

2.2 平均風速和風向

如果實測三維風速ux(t), uy(t)和uz(t)是定義在超聲風速儀坐標下的三個實數序列，以10 min為基本時距分析，則水平平均風速U和風向角Φ分別為

垂直風速方向與風速儀坐標z軸相同，因此垂直平均風速W為

在10 min時距內，縱向脈動風速分量u(t)、橫向脈動風速分量v(t)和垂直脈動風速w(t)可根據以下公式計算，結果作為脈動風速統計分析的數據基礎

2.3 風攻角

風攻角指風的來流方向與水平面的夾角。風攻角對建筑結構物特別是柔性結構物的影響比較突出，其長時間作用會加速或加重結構的疲勞損壞。強風時，風攻角的改變可能對結構造成突然損傷甚至破壞。

2.4 湍流強度

湍流度反映了風的脈動強度，是確定結構脈動風荷載的關鍵參數，定義湍流度為10 min時距的脈動風速均方根與水平平均風速的比值

式中，σi分別表示對應于脈動風速u(t)、v(t)和w(t)的均方根，相當于湍流脈動風速在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Taylor冷凍假設[10]

式中，Li、ri分別表示u, v和w分量的積分長度和自相關系數，τ0.05表示自相關系數從1單調減小至0.05時對應的延遲時間。

2.6 湍流功率譜密度

湍流功率譜密度函數的工程模型有很多表達形式，我國橋梁抗風設計規范[11]采用了用摩阻速度歸一化的Simiu譜和Panofsky譜，根據Simiu譜和能量歸一化原理應當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）內基本為常數，而且前提條件是“純機械湍流”，即浮力的作用可以忽略[12]。橋梁結構高度一般超過30 m，因此不宜用摩阻速度無量綱化湍流功率譜密度函數模型。從表達“脈動能量”的角度出發，功率譜密度函數在全頻段的積分等于脈動風速能量的總合，用脈動風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；f為莫寧坐標，定義為f=nZ/U；σu和σw分別表示脈動風速u(t)和w(t)對應于U的均方根；n為頻率；Z為高度。

3 臺風的湍流特性實測分析

3.1 臺風測風數據的代表性判別

研究臺風邊界層脈動風場對大型結構建筑的影響主要是研究臺風過程的強風時段的脈動風場特性。根據熱帶氣旋等級劃分標準和臺風系統的風場結構特點，判斷臺風核心強風區域是否經過觀測點的條件為同時滿足以下兩點：1）臺風過程8級及以上大風（10 min平均風速≥17.2 m/s）的風向角連續偏轉大于120°；2）臺風過程出現8級及以上大風（10 min平均風速≥17.2 m/s）的風速時程曲線呈“M”型雙峰分布，雙峰之間的底部出現小于11 m/s（5級）的風速（近地層），為臺風眼區[14]。

在徐聞測風塔觀測的強臺風納沙8級（17.2 m/s）以上的大風時段出現在2011年9月29日10時30分—9月30日02時10分，臺風8級以上大風的風向按順時針連續偏轉了219°，臺風風速時程曲線呈明顯“M”型雙峰分布，雙峰之間的底部風速小于11 m/s；由此可以判斷臺風核心強風區域經過徐聞測風塔觀測點，其觀數據對臺風特有的強風特性代表性較好。

3.2 平均風速、風向

徐聞測風塔記錄的強臺風納沙過程在臺風過境前的10 min最大風速為25.2 m/s，臺風過境后的最大風速為22.3 m/s，臺風中心小風期（風速小于11 m/s）持續時間達90 min，最小風速為4.9 m/s，0.1 s極大風速為35.2 m/s，出現在臺風過境前（2011年9月29日11時50分）（圖2）。

圖2 臺風納沙過程的風速和風向 Fig. 2 Wind speed and direction of Typhoon Nesat process

臺風8級以上大風過程的風向由登陸前的307°，沿順時針方向偏轉，最大時轉為登陸后的166°，風向最大轉換幅度達219°。

3.3 風攻角

從圖3可見，強臺風納沙過境前后風攻角差異較大，其中表1給出了臺風8級強風樣本的平均風攻角，整個臺風過程8級以上強風的平均風攻角為0.9°。臺風過境前8級以上強風樣本的風攻角均為負值，在-2.5°～-0.11°范圍內變化，平均值為-1.4°，最大風攻角為-2.5°，對應的風速為18.3 m/s，風向為311°；臺風過境后8級以上強風樣本的風攻角均為正值，風攻角在3.5°～8.2°范圍內變化，平均值為4.9°，最大風攻角為8.2°，對應的風速為20.4 m/s，對應的風向為149°。

圖3 臺風納沙過程的風速和風攻角 Fig. 3 Wind speed and wind attack angle of Typhoon Nesat process

3.4 湍流強度

圖4給出強臺風納沙在縱向、橫向和垂直向三維方向的湍流強度變化過程，湍流強度時程變化與風速時程變化有一定的相似性，在臺風中心最小，在臺風眼壁強風區附近出現最大值。8級大風樣本的湍流強度縱向為0.14、橫向為0.12、垂直向為0.07，三維方向的湍流強度之比為Iu∶Iv∶Iw = 1∶0.86∶0.5。

表1 納沙8級強風樣本的平均風攻角 Table 1 Average wind attack angle with the velocity greater Than 17.2 m/s of Typhoon Nesat

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

3.5 湍流積分尺度

強臺風納沙三維湍流積分尺度在臺風期間的時程變化呈“風期型雙峰分布，與風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速變化，最低值出現在臺風中心過后2 h（圖5）。

圖5 臺風“納沙”過程的風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

強臺風納沙過程8級以上大風的湍流積分空間尺度平均值及比值見表2。8級以上強風的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。在臺風過程中，橫向的湍流積分尺度最大，數值也很不穩定，縱向和垂直向的湍流積分尺度較小，數值相對穩定。

表2 臺風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

根據強臺風納沙三維超聲風速資料，分別選取臺風過境前、臺風過境時以及臺風過境后的大風樣本，計算各向脈動風功率譜（圖6）。

根據強臺風納沙的大風湍流譜樣本，擬合區間1～4 Hz頻率范圍內，分析慣性子區（圖中擬合區域）的湍流譜特征，可以發現，臺風過境前大風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，而臺風過境后的大風樣本與臺風中心的小風樣本的湍流譜樣本均不滿足-5/3律和各向同性假設。

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

4結論

徐聞測風塔觀測到的強臺風納沙過程的超聲脈動數據，臺風核心強風區域經過了觀測點，具有非常好的代表性，對沿海的建筑抗風設計有非常好的指導作用，經分析研究后得到如下結論：

1）臺風風速時程曲線呈明顯“M”型雙峰分布，臺風過境前的10 min最大風速為25.2 m/s，臺風過境后的最大風速為22.3 m/s，在沿海登陸的臺風中并不算強，但風向最大轉換幅度達219°，轉向幅度大，對建筑結構有很強的破壞力。

2）臺風過程8級以上強風的風攻角平均為0.9°，臺風過境前8級以上強風的風攻角平均值為-1.4°，臺風過境后8級以上強風的風攻角平均值為4.9°，沿海建筑抗風設計時應考慮風攻角的正負轉換。

3）8級大風樣本的湍流強度縱向為0.14、橫向為0.12、垂直向為0.07，三維方向的湍流強度之比為Iu∶Iv∶Iw＝1∶0.86∶0.5，與胡尚瑜等[1]觀測的0601號臺風“珍珠”的湍流強度基本一致[1]。

4）8級以上強風的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值很不穩定，相對于肖儀清等計算的四個臺風[3]，臺風納沙過程的橫向湍流積分尺度偏小。

5）臺風過境前大風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，而臺風過境后的大風樣本與臺風中心的小風樣本的湍流譜樣本均不滿足-5/3律和各向同性假設。