港口風速儀區(qū)域使用情況分析

張建國

（天津港歐亞國際集裝箱碼頭有限公司，天津 300461）

0 引言

近年來，隨著我國沿海城市開放程度的加大，對港口的開發(fā)力度也越來越大。因為港口是我國出口貿(mào)易的主要通道，但是同時由于大風導(dǎo)致許多港口的樓房、設(shè)備以及相關(guān)設(shè)施經(jīng)常發(fā)生意外事故，這樣不僅給當?shù)氐慕?jīng)濟帶來了較大損失，嚴重時甚至帶來人身安全問題，所以對于港口不同位置的風速進行提前測定并找到其規(guī)律已經(jīng)成為相關(guān)部門考慮的重點問題[1]。同時，國家也在這方面出臺了相關(guān)的港口防風規(guī)定，對于港口的具體風速安全等級作出了詳細報告分析[2]。

1 風速儀的應(yīng)用與原理

風速儀可以應(yīng)用在很多領(lǐng)域，廣泛用于港口、高樓以及容易出現(xiàn)臺風的海邊，為當?shù)仄髽I(yè)帶來一定的經(jīng)濟收入，同時隨著風速儀的發(fā)展，現(xiàn)在的風速儀不只是能對風速進行測定，而且還能對風溫以及風向進行及時的測定[3]。在每一個季節(jié)以及當測量的具體位置發(fā)生變化時，均會導(dǎo)致風速和風向的變化，所以在不的位置倆研究風力的大小，更有利于人們提前去做好相關(guān)措施。當前市場中，風速儀的形狀是多種多樣的，但是基本上是箭的形狀，這樣在進行風速測定的時候，風速儀轉(zhuǎn)向標會隨著入大風而轉(zhuǎn)動[4]。風速儀主要由傳感器和測量儀兩部分組成，傳感器大部分是熱球傳感器，測量風速全靠傳感器上部的一個玻璃球，因為在玻璃球的內(nèi)部有鎳鉻絲線圈以及兩個相互串連的熱電偶，同時存在磷銅質(zhì)，將它與熱電偶的冷端進行相互連接[5]。最后在將此直接與空氣進行互通，如果有電流存在于熱線圈中的時候，玻璃球的溫度會產(chǎn)生一定變化，而溫度的變化與空氣的流速有關(guān)，流速大的時候溫度則更低[6]。

根據(jù)熱平衡原理，風速儀也可以分為恒溫風速儀與恒流風速儀兩大類。恒溫風速儀具有很小的熱滯后反應(yīng)，反應(yīng)非?？?，因為它的頻率響應(yīng)非常寬，所以能夠進行大范圍的測定[7]。目前，恒溫風速儀在現(xiàn)在市場中已經(jīng)占據(jù)了重要地位，其應(yīng)用范圍比恒流風速儀更廣。

2 平均風速、瞬時風速、風力等級和風壓的概念及對應(yīng)關(guān)系

一般來說，平均風速是在幾分鐘內(nèi)對一個位置的風速進行多次測定然后最后取的平均值，一般規(guī)定是10 min。而瞬時風速是指在幾秒內(nèi)的風速測定值。最大風速則是表示與測量平均值相差最大的風速值，同時還有極大風速，它表示瞬時風速最大值。

為了更好的區(qū)分風的大小，國家將風按等級進行分類，不同等級的風大小不同[8]。

風壓是表示風吹打在某個物體上時，在上面形成的壓強大小，它直接體現(xiàn)了風對物體造成的傷害大小。風壓P 與風速v 的函數(shù)關(guān)系可以表示為[9]：

式中 P——具體的風壓，N/m2

v——具體的風速，m/s

3 風速情況統(tǒng)計

隨著目前對風速數(shù)據(jù)準確性的相關(guān)要求，對風速區(qū)域性情況進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計：歐亞、五洲和煤碼頭風速監(jiān)測位置3 個點位間隔為2.5 km 左右，這3 個監(jiān)測點覆蓋區(qū)域5 km；數(shù)據(jù)選取近1～3 個月的業(yè)務(wù)樓頂風速進行對比。

3.1 歐亞風速數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對風速儀的數(shù)據(jù)進行了近3 個月的數(shù)據(jù)采集，業(yè)務(wù)樓頂風速最大26.68 m/s。對岸橋每天的最大風速和業(yè)務(wù)樓頂?shù)淖畲箫L速進行比對，樓頂每天最大風力與岸橋最大風力平均差值為1.04 m/s（表1）。

表1 歐亞岸橋和業(yè)務(wù)樓頂每天的最大風速

由表1 可以發(fā)現(xiàn)，樓頂最大風力與岸橋最大風力平均差值發(fā)生在6 月2 日，在大多數(shù)情況下歐亞岸橋的風速都是要大于歐亞樓頂?shù)娘L速，且兩處的風速基本都在20 m/s 以下。

繪制了兩處的風速曲線，并進行了對比。從圖1 可以看出，總體風速趨勢基本相同，但是對于最大風速，岸橋上面的風速總是大于樓頂?shù)娘L速的。而且，相對于樓頂?shù)淖畲箫L速，岸橋的最大風速總是有一定的延遲，這時因為兩地所處的位置不一樣，風速先經(jīng)過歐亞樓頂以后才經(jīng)過岸橋，所以岸橋的風速更大。另外，通過谷歌地圖對兩地的距離進行測量，兩地相距約1.27 km（圖2）。

3.2 五洲風速數(shù)據(jù)統(tǒng)計

五洲業(yè)務(wù)樓頂?shù)慕粋€月風速如圖3 所示：風速最大為31.1 m/s，發(fā)生在9 月初的前幾天；最小風速為4 m/s，且在8 月份的風速相對比較平穩(wěn)，變化不大，最大風速僅僅為20 m/s；而在9 月，風速的變化相差比較大，毫無規(guī)律可言。

3.3 煤碼頭風速數(shù)據(jù)統(tǒng)計

煤碼頭業(yè)務(wù)樓頂近3 個月風速如圖4 所示：樓頂風速最大17.4 m/s，發(fā)生在6 月初；最小風速為4.6 m/s，發(fā)生在8 月的最后幾天，且煤碼頭的總體風速變化非常大；在6～9 月，風速大小錯綜復(fù)雜，不過最大風速基本上發(fā)生在月初。

圖1 歐亞岸橋和業(yè)務(wù)樓頂?shù)娘L速曲線

圖2 歐亞岸橋和業(yè)務(wù)樓頂?shù)木嚯x

圖3 五洲業(yè)務(wù)樓頂近一個月的風速曲線

圖4 煤碼頭業(yè)務(wù)樓頂近3 個月的風速曲線

3.4 3 個公司的風速數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

對3 個公司所處位置3 個月以來的風速大小進行對比可以發(fā)現(xiàn)，盡管它們的最大風速情況不一樣，在前一個多月，歐亞岸橋的風速基本是最大的，而在后一個多月五洲樓頂?shù)娘L速最大值卻遠遠的大于其他3 處的風速，但是對于同一天4個地方的風速大小來看，它們出現(xiàn)風速峰值的大小趨勢基本一致（圖5）。

圖5 3 個公司的風速曲線匯總

對圖5 中風速變化大的區(qū)域做進一步分析，6 月5—13 日的風速變化較小。所以，專門繪制了針對此變化區(qū)域的風速和風向圖（圖6）。

通過上圖的對比可看出，歐亞樓頂?shù)娘L速基本上大于煤碼頭樓頂?shù)?，且煤碼頭樓頂?shù)娘L速變化范圍差在2 m/s 以內(nèi)。但是歐亞樓頂與煤碼頭兩處的風向是混亂的，未能找到明顯的風速。在8 月29 日—9 月16 日這段時間內(nèi)，風速值區(qū)別較大，因此對這段時間的風向、風速進行了對比（圖7）。

通過圖7 可以看出，五洲樓頂在這半個月內(nèi)風速出現(xiàn)過3次大于30 m/s，且歐亞樓頂?shù)娘L速與煤碼頭樓頂?shù)娘L速大小基本一致，保持在約10 m/s。對比3 個位置的風向可以看出明顯的規(guī)律，同一天出現(xiàn)的風向是相同的。

圖6 6 月5—13 日的風速和風向

圖7 8 月29 日—9 月16 日的風速和風向

為觀察港區(qū)內(nèi)的風速的區(qū)域特性，通過持續(xù)一段時間的跟進，選取兩個相鄰的碼頭（歐亞和聯(lián)盟）自2019 年10 月—2020年4 月對每日瞬時最大風速數(shù)據(jù)進行了對比（圖8）。

通過圖8 可以知道，10 月份到11 月份兩個月之間，歐亞樓頂和聯(lián)盟樓頂每天的最大瞬時風速數(shù)據(jù)是一樣的，它們的曲線基本重合，且最大瞬時風速發(fā)生在11 月份，數(shù)值為25 m/s。

圖9 為2020 年1—4 月的歐亞和聯(lián)盟的數(shù)據(jù)對比情況。通過圖9 可以看出，1—4 月的最大瞬時風速與10—11 月的情況基本一致。最大瞬時風速發(fā)生在3 月（最大值為30 m/s），兩個碼頭的瞬時大風整體趨勢基本相同。

圖8 2019 年10—11 月每日瞬時最大風速數(shù)據(jù)

圖9 2020 年1—4 月歐亞和聯(lián)盟的每日瞬時最大風速數(shù)據(jù)

總體來說，每個地方的風速與風速儀所處的大方有關(guān)，也與季節(jié)有很大關(guān)系，通過相關(guān)衛(wèi)星圖片可知3 個碼頭的總距離為4.96 km：煤碼頭和五洲直線距離2.64 km，五洲和歐亞距離2.32 km（圖10）。

圖10 3 個碼頭的位置與距離

4 總結(jié)

隨著港口的高樓以及施工設(shè)備與日俱增，如果不對港口周圍的環(huán)境進行風速以及風向的預(yù)測，就很容易造成較大的損失。針對這種情況，本文使用風速儀對某港口的3 個不同位置的風速與風向情況進行了分析。根據(jù)風速數(shù)據(jù)的對比可以看出，同一天出現(xiàn)的風速峰值在3 個地方基本是一致的，但是部分大風情況下五洲的風速值會高于歐亞和煤碼頭，因為五洲碼頭處于歐亞與煤碼頭中間，相近的碼頭的瞬時最大風速基本一致。同時通過歐亞樓頂與岸橋的分析，發(fā)現(xiàn)建筑物的本身高度也對風速有一定的影響，陣風發(fā)生的區(qū)域性、高度等綜合因素對于風速數(shù)據(jù)有不同程度的影響。本文對類似港口的風速分析具有一定參考性。