臺風非平穩(wěn)湍流特性研究進展與思考

陶天友，王 浩，*

(1.東南大學 混凝土及預應力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，南京 211189；2.東南大學 土木工程學院，南京 211189)

0 引 言

臺風是發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上的低壓渦旋，具有影響范圍廣、破壞力強等特點[1-3]。在大西洋和東太平洋地區(qū)，臺風也稱為颶風。每次臺風登陸后，均造成了大量工程結(jié)構(gòu)破壞與倒塌，給人類生命與財產(chǎn)安全造成了嚴重威脅。隨著全球氣候的變化，臺風在世界范圍的發(fā)生頻次具有逐步升高的趨勢，引起了世界各地對該災害的密切關注[4]。我國是受臺風災害影響最為嚴重的國家之一，每年遭受約7～10次臺風的正面侵襲，造成的直接經(jīng)濟損失巨大[5]。為提升工程結(jié)構(gòu)的抗臺風性能，有必要深入研究臺風風場特性，對其進行有效表征與刻畫，從而服務于結(jié)構(gòu)抗風分析與設計。

現(xiàn)場實測是準確掌握臺風特性最為直接有效的方法。近年來，風速儀、氣象雷達等測試裝置快速發(fā)展，給臺風現(xiàn)場實測提供了便捷條件[6-7]。風環(huán)境的現(xiàn)場實測方法一般分為兩類。一類是通過專用觀測點對登陸臺風特性進行監(jiān)測，如氣象站、觀測塔等[8-12]，這些觀測點位置長期固定，僅當臺風經(jīng)過觀測點附近時才能獲得有效風場數(shù)據(jù)。針對該問題，國內(nèi)外學者發(fā)明了可移動型測風裝置，如追風車、追風房等[13-14]，可根據(jù)臺風預測路徑將測風裝置移動至理想觀測區(qū)域，并通過在試驗車輛或可移動房屋上安裝的傳感器實現(xiàn)臺風特性實測。隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術快速發(fā)展，諸多大跨度橋梁、高層建筑等重要工程結(jié)構(gòu)均安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，其風環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)可為橋址區(qū)風場實測提供便捷條件，從而成為了臺風特性現(xiàn)場實測的另一類有效手段[15-19]。

采用上述兩類測試手段，國內(nèi)外學者已開展了大量的臺風現(xiàn)場實測[12-13,16-23]。由于風速通常被視為平均風速與脈動風速的疊加，臺風特性分析主要考慮平均風特性與脈動風特性（即湍流特性）兩方面[24-26]。針對湍流的不確定性，傳統(tǒng)風特性分析假設風速為平穩(wěn)隨機過程。在此前提下，平均風速在基本時距內(nèi)保持恒定，脈動風速各態(tài)歷經(jīng)[27]。基于平穩(wěn)風速模型，目前已積累了較為豐富的臺風特性參數(shù)。然而，隨著對臺風特性認識的逐步深入，實測臺風因存在明顯的時變均值、時變方差與時變頻率等特征，其難以服從平穩(wěn)隨機過程假設[28-29]。同時，采用平穩(wěn)分析理論無法準確評估臺風作用下的結(jié)構(gòu)風振響應，該現(xiàn)象對于臺風眼壁區(qū)尤為顯著。因此，由平穩(wěn)向非平穩(wěn)過渡成為了臺風特性分析的重要發(fā)展趨勢[30]，傳統(tǒng)的平穩(wěn)風速模型也已逐步發(fā)展為非平穩(wěn)風速模型[31-32]。近年來，國內(nèi)外基于非平穩(wěn)風速模型，開展了較為豐富的臺風湍流特性研究，從湍流強度、湍流積分尺度、演變譜密度、相干函數(shù)等方面實現(xiàn)了臺風非平穩(wěn)特性的有效表征。

考慮臺風湍流特性對工程結(jié)構(gòu)抗風分析與設計的重要意義，本文系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外關于臺風非平穩(wěn)湍流特性的研究進展，從風速模型、湍流特征參數(shù)等方面歸納總結(jié)了已取得的研究成果，并分析了當前有待進一步深入研究的關鍵問題，以期為臺風非平穩(wěn)湍流特性的深化研究及應用提供借鑒與參考。

1 風速模型

1.1 平穩(wěn)風速模型

在給定基本時距內(nèi)，風速可表示為順風向、橫風向及豎向風速的矢量疊加。根據(jù)矢量分解，平均風速矢量對應的方向為順風向，而與之垂直的兩個方向即為橫風向與豎向[24-26]。根據(jù)平穩(wěn)隨機過程假設，順風向、橫風向及豎向風速可表示為：

式中，U(t)、V(t)、W(t)分別為順風向、橫風向、豎向風速；為順風向平均風速；u(t)、v(t)、w(t)分別為順風向、橫風向、豎向零均值脈動風速。

若將任意時刻的脈動風速視為隨機變量，則在平穩(wěn)風速模型中，該變量于不同時刻的概率分布均相同。因此，脈動風速的統(tǒng)計特性隨時間保持不變，即均值、方差、相關函數(shù)的數(shù)學期望不隨時間變化。根據(jù)平穩(wěn)隨機過程的各態(tài)歷經(jīng)特性，變量在任意時刻的統(tǒng)計均值與其關于時間的均值相等、任意時刻的統(tǒng)計相關函數(shù)與關于時間的相關函數(shù)相等，因而可采用關于時間的統(tǒng)計參數(shù)描述風場特性。考慮相關函數(shù)與功率譜密度、相干函數(shù)的關系，各方向脈動風速的功率譜密度及相干函數(shù)亦隨時間保持不變。

1.2 非平穩(wěn)風速模型

針對臺風、下?lián)舯┝鞯忍禺愶L場，非平穩(wěn)風速模型可有效描述其風速的時變趨勢。基于非平穩(wěn)風速模型，笛卡爾坐標系下給定基本時距內(nèi)縱向、橫向、豎向風速可表示為

若采用式（2）描述臺風風速，最關鍵的問題即確定各方向的時變平均風速。目前，確定時變平均風速的主要方法包括滑動平均法、小波變換法、經(jīng)驗模式分解法等[29,32-36]。上述方法提取的結(jié)果一定程度上依賴于模型參數(shù)的選取。為此，Su等研究了不同窗寬條件下核回歸、小波變換、經(jīng)驗模式分解等方法的提取結(jié)果，針對各方法提出了窗寬的建議取值[37]。Tao等將信號平穩(wěn)性評估與小波變換、經(jīng)驗模式分解相結(jié)合，建立了風速時變趨勢的自適應提取方法[35]。Tubino與Solari分析了不同權(quán)函數(shù)對核回歸法提取結(jié)果的影響，并給出了針對性的建議[38]。雖然各種方法均能有效提取時變平均風速，但不同方法的提取結(jié)果存在一定的差異且參數(shù)的選取受主觀因素影響，有必要進一步研究時變平均風速提取的標準化準則，以減小不同方法間的差異性。此外，風速的非平穩(wěn)性與基本時距相關，總體表現(xiàn)出隨基本時距增加而增加的規(guī)律，因而時變平均風速提取的標準化準則研究需考慮基本時距的影響。

以某臺風縱向?qū)崪y風速樣本為例，圖1對比了平穩(wěn)與非平穩(wěn)風速模型下的平均風速。由圖可知，采用非平穩(wěn)風速模型可以有效描述臺風風速的時變趨勢，且該趨勢在基于平穩(wěn)風速模型獲取的常量平均風速兩側(cè)波動。從統(tǒng)計角度來看，各方向時變平均風速關于時間的均值與平穩(wěn)風速模型的常量均值相等[35]，因而各方向非平穩(wěn)脈動風速關于時間的均值亦為0。

圖1 時變平均風速與常量平均風速對比Fig.1 A comparison of time-varying and constant mean wind speeds

在式（2）的基礎上，基本時距內(nèi)的時變平均風速、時變方位角、時變攻角可表示為：

由式（3）～（5）可知，時變平均風速的方位角及攻角隨時間而變化，因而難以采用類似平穩(wěn)風速模型的方法確定順風向、橫風向和豎向的脈動風速。Zhang等提出根據(jù)任意時刻的時變平均方位角和平均風攻角對該時刻的風速進行分解，從而將不同時刻分解后風速連成序列，形成順風向、橫風向及豎向的脈動風速[39]。該方法已應用于下?lián)舯┝鞯娘L場描述，但隱含了不同時刻同一維度的脈動風速存在方向差異的前提。針對臺風風場，基于非平穩(wěn)風速模型的時變平均方位角、時變平均攻角在對應基于平穩(wěn)風速模型的平均方位角、平均攻角左右波動，且存在的差異相對較小。因此，非平穩(wěn)風速模型的順風向、橫風向及豎向一般可與平穩(wěn)風速模型確定的維度保持一致。

2 臺風湍流特性

湍流具有極強的不確定性，其特性描述主要從統(tǒng)計意義開展，具體參數(shù)包括湍流強度、湍流積分尺度、湍流功率譜密度、湍流空間相干函數(shù)等[24-26]。早期的臺風湍流特性分析以平穩(wěn)風速模型為基礎，大量的現(xiàn)場實測形成了豐富的風特性參數(shù)數(shù)據(jù)庫。隨著非平穩(wěn)風速模型的引入，臺風湍流特性分析逐步由平穩(wěn)向非平穩(wěn)過渡。

2.1 湍流強度

湍流風速描述自然風中脈動風速的相對強度，是開展結(jié)構(gòu)風振分析、風洞試驗的重要參數(shù)。在平穩(wěn)模型中，湍流強度被定義為脈動風速均方差與平均風速的比值[24-25]。非平穩(wěn)湍流強度與平穩(wěn)湍流強度具有相同的物理意義，其定義為[29]：

式（6）對時變平均風速取平均，使其物理意義與平穩(wěn)湍流強度一致。Wang與Kareem考慮不同時刻的時變平均風速，根據(jù)均方差與時變平均風速比值的數(shù)學期望定義非平穩(wěn)湍流強度[36]。經(jīng)實測數(shù)據(jù)分析，基于數(shù)學期望的分析結(jié)果與式（6）基本吻合[35]。考慮式（6）與平穩(wěn)湍流強度的相似性，一般采用式（6）計算非平穩(wěn)湍流強度。

基于非平穩(wěn)湍流強度模型，Xu與Chen基于青馬大橋監(jiān)測系統(tǒng)開展了“勝利”臺風的湍流強度分析[29]；Wang等分析了蘇通橋址區(qū)“達維”臺風的湍流強度，并與平穩(wěn)湍流強度進行了對比[40]；Huang等研究了三次典型臺風的非平穩(wěn)湍流強度，分析了臺風經(jīng)過測點全過程的湍流強度差異[17]；孫海等分析了臺風與季風非平穩(wěn)湍流強度的差異[41]。以上分析結(jié)果均表明：對于同一風速樣本，采用非平穩(wěn)模型計算的湍流強度小于平穩(wěn)計算值。以某風速樣本為例，平穩(wěn)與非平穩(wěn)湍流強度對比如圖2所示。由圖可知，對于大部分樣本，非平穩(wěn)湍流強度明顯小于平穩(wěn)湍流強度，而部分樣本中二者幾乎一致。該現(xiàn)象主要取決于風速樣本的非平穩(wěn)性差異[42-44]。對于非平穩(wěn)性較弱的樣本，其可滿足平穩(wěn)隨機過程假設，故平穩(wěn)與非平穩(wěn)模型的計算結(jié)果差異較小。隨著風速樣本非平穩(wěn)性的增加，平穩(wěn)與非平穩(wěn)湍流強度的差異則越趨明顯[35]。

圖2 平穩(wěn)與非平穩(wěn)湍流強度對比Fig.2 A comparison of stationary and non-stationary turbulence intensities

《公路橋梁抗風設計規(guī)范》建議順風向、橫風向、豎向湍流強度的比值按1 : 0.88 : 0.5考慮[45]，該比值源于平穩(wěn)良態(tài)風的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)。基于非平穩(wěn)模型，典型臺風在三個方向的湍流強度比值為：1 : 0.94 : 0.56（臺風凡亞比，35 m）[17]、1 : 0.93 : 0.54（臺風鯰魚，55 m）[17]、1 : 0.94 : 0.39（臺風杜鵑，30 m）[46]、1 : 1.16 : 0.48（臺風杜鵑，50 m）[46]、1 : 0.73 : -（臺風達維，76 m）[40]。對比上述比值可知，橫風向、豎向非平穩(wěn)湍流強度與順風向湍流強度的比值具有較大的波動性，該比值一方面受觀測高度、測點距臺風中心位置影響，另一方面受地面粗糙度影響[17,47]。受觀測條件所限，現(xiàn)有臺風實測數(shù)據(jù)大多從固定位置及高度獲得。由于臺風路徑存在不確定性，已積累的非平穩(wěn)湍流強度數(shù)據(jù)難以全面覆蓋臺風主體結(jié)構(gòu)的脈動風速特征。因此，仍需進一步加強臺風現(xiàn)場實測研究，以分析距臺風中心不同位置、不同高度處的非平穩(wěn)湍流強度，建立合理有效的臺風三維非平穩(wěn)湍流強度模型。

2.2 湍流積分尺度

湍流可視作不同尺寸的渦旋疊加而成，湍流積分尺度用以描述風場中渦旋的平均尺寸。基于泰勒假設，湍流積分尺度常采用自相關函數(shù)積分法進行計算[24-26]。在平穩(wěn)模型的基礎上進行拓展，非平穩(wěn)湍流積分尺度的定義為：

非平穩(wěn)湍流積分尺度模型與平穩(wěn)模型的差異主要體現(xiàn)在脈動風速的均方差及相關函數(shù)。He等采用兩種模型分別計算了“蘇迪羅”臺風53 m高度處的積分尺度，發(fā)現(xiàn)平穩(wěn)積分尺度Lu=206.8m 且Lu:Lv=1:0.79，而 非 平 穩(wěn) 積 分 尺 度=49.4m 且:=1:0.90[47]；在文獻[17]中，“鯰魚”臺風于35 m高度處Lu=247m 且Lu:Lv:Lw=1:0.68:0.065、=100m且::=1:0.80:0.15；于95 m高度處Lu=290m且Lu:Lv:Lw=1:0.62:0.15、=119m 且::=1:0.73:0.33。可見，當風速非平穩(wěn)性較強時，非平穩(wěn)湍流積分尺度總體小于平穩(wěn)湍流積分尺度。

作為典型案例，圖3對比了某臺風樣本的平穩(wěn)與非平穩(wěn)湍流積分尺度。由于時變趨勢項的剝離，湍流中的大尺度渦旋占比下降，從而導致平均渦旋尺寸顯著降低。此外，提取時變平均風速后，橫風向、豎向積分尺度與順風向積分尺度的比值相比平穩(wěn)計算值有所增加，表明各方向湍流積分尺度的差異在考慮非平穩(wěn)性后顯著減小。然而，與湍流強度表現(xiàn)類似，非平穩(wěn)湍流積分尺度在不同臺風的實測中存在較大區(qū)別，仍需進一步積累臺風非平穩(wěn)湍流積分尺度數(shù)據(jù)庫，以從三維空間位置、臺風演化狀態(tài)等方面對其進行精細表征。

圖3 平穩(wěn)與非平穩(wěn)湍流積分尺度對比Fig.3 A comparison of stationary and non-stationary turbulence integral scales

2.3 湍流功率譜密度

湍流功率譜密度描述湍流能量在頻率上的分布密度，即湍流中不同尺度渦旋對湍流動能的貢獻。由于頻率與渦旋尺寸成反比，故功率譜密度的低頻部分對應大尺度渦旋，高頻部分對應小尺度渦旋[49]。在結(jié)構(gòu)風振響應分析中，湍流功率譜密度是直接影響風振分析準確性的關鍵參數(shù)之一[24-26]。基于平穩(wěn)風速模型，國內(nèi)外學者通過大量強風現(xiàn)場實測，建立了多個脈動風譜模型，如Kaimal譜、Von Karman譜、Davenport譜、Panofsky 譜等[26]。其中，Kaimal譜[50]、Panofsky譜[51]被我國《公路橋梁抗風設計規(guī)范》所采用，分別作為順風向和豎向脈動風譜模型[45]。由于臺風湍流特性與良態(tài)風存在差異，Kaimal譜、Panofsky譜等難以較好地描述臺風湍流功率譜密度。為此，諸多文獻對臺風的實測功率譜密度進行了深入研究，并建立了相應的湍流功率譜模型[52-60]。這些風譜模型的參數(shù)存在一定差異，但其表達形式符合Kolmogrov假設[26,61]，即湍流功率譜密度可表示為：

式中，Si(n)為湍流功率譜密度；n為脈動風的頻率；表示Monin坐標；z為觀測點高度；考慮湍流積分尺度隨高度的變化，Monin坐標中的z亦可采用湍流積分尺度予以代替；u*表示摩阻速度，可根據(jù)近似計算；A、B、C、α、 β 為待擬合參數(shù)且滿足αβ=5/3。

式（8）描述的風譜模型可以有效表征慣性子區(qū)及低于該子區(qū)頻率范圍的臺風風譜。然而，由于臺風過程常伴隨著降雨，空氣中雨滴蒸發(fā)與相對運動會產(chǎn)生額外的小尺度湍流，從而使得臺風風譜存在超越慣性子區(qū)的高頻子區(qū)[62]。該現(xiàn)象在“海葵”、“蘇迪羅”等臺風實測中均曾發(fā)生[16,63-64]。據(jù)此，Li等提出了考慮全子區(qū)分布的臺風風譜概念模型[62]。此外，順風向、橫風向及豎向湍流功率譜密度常根據(jù)式（8）單獨擬合，不考慮任意兩者之間的聯(lián)系。然而，三個方向的湍流同源，其是笛卡爾坐標系下的三個不同分量，因而各方向湍流風譜間存在隱含聯(lián)系。根據(jù)各向同性假設，順風向、橫風向及豎向湍流功率譜間的關系見式（9）[65]。

然而，實際臺風湍流難以滿足各向同性假設。因此，Tao等對式（9）進行了修正，從而有效考慮了各方向湍流功率譜之間的聯(lián)系[66]。

上述模型均將湍流視為平穩(wěn)隨機過程，未考慮湍流能量隨時間的演變規(guī)律。已有研究表明，忽略湍流風譜的時變特征將一定程度低估結(jié)構(gòu)的風振響應[67-68]。為此，基于Priestley演化譜理論[69]，臺風湍流頻譜分析逐步由功率譜密度過渡為演變譜密度。圖4為某臺風樣本的順風向標準化演變譜密度。由圖4可知，臺風湍流能量隨時間而變化，且不同頻率范圍的變化規(guī)律表現(xiàn)不一。因此，建立有效刻畫實測臺風湍流演變譜密度的數(shù)學模型成為了臺風非平穩(wěn)特性分析的關鍵問題。

圖4 考慮高頻子區(qū)的臺風順風向標準化演變譜模型Fig.4 Normalized longitudinal evolutionary spectrum of a typhoon wind field considering the high-frequency subrange

文獻[70]提出了一種描述地震波演變譜密度的分析模型，Huang等將其拓展應用于臺風湍流演變譜密度表征[71]。該模型假設臺風湍流為若干均勻調(diào)制非平穩(wěn)隨機過程的疊加，從而湍流演變譜密度可表示為：

式中，Si(n,t)表示湍流演變譜密度；gk(t)為時間調(diào)制函數(shù)；Sk(n)為平穩(wěn)功率譜密度；p表示均勻調(diào)制平穩(wěn)隨機過程的數(shù)量；t表示時間。

式（10）的擬合效果依賴于gk(t)與Sk(n)的函數(shù)形式。同時，若p的數(shù)值較大，式（10）的待擬合參數(shù)顯著增加，從而使得擬合過程變得十分復雜。Hu等考慮擬合參數(shù)的時變特性，將平穩(wěn)功率譜密度模型進行拓展，建立了式（11）所示的湍流演變譜密度模型[72]。該模型在各時刻與平穩(wěn)風譜模型形式相同，因而易于開展參數(shù)擬合。Tao與Wang在該模型的基礎上考慮超越慣性子區(qū)的高頻子區(qū)，從而進一步完善了臺風湍流演變譜模型[73]。雖然式（10）可以有效描述實測臺風的湍流演變譜密度，但參數(shù)A(t)、B(t)、C(t)的擬合結(jié)果與時變平均風速、湍流強度等參數(shù)的規(guī)律往往不明，難以對擬合參數(shù)進行深入刻畫，從而使得模型的應用存在一定的局限性。因此，仍有必要進一步研究實測臺風演變譜密度，逐步建立考慮觀測位置、融入三維關聯(lián)、參數(shù)易表征的臺風演變譜模型。

2.4 空間相干函數(shù)

空間相干函數(shù)用以描述不同位置湍流的相關性，是結(jié)構(gòu)風振分析重點關注的參數(shù)之一[24-26]。在平穩(wěn)隨機過程的框架下，湍流相干函數(shù)主要刻畫任意兩個湍流樣本在各頻率上的線性相關程度，其定義見式（12）。傳統(tǒng)風特性分析有時會忽略相位或虛部對相干函數(shù)的貢獻，其對結(jié)構(gòu)風振響應分析存在一定影響。湍流相干函數(shù)隨著頻率、距離的增加而遞減，常采用Davenport函數(shù)予以定量描述[27]。Davenport函數(shù)假設湍流相干函數(shù)服從指數(shù)遞減律，不同方向的相干函數(shù)可通過改變衰減系數(shù)進行表達。臺風湍流相干函數(shù)也常采用Davenport模型，其通過現(xiàn)場實測確定衰減系數(shù)的取值[74-77]。然而，Davenport相干函數(shù)隱含湍流在頻率為0時完全相關、與距離無關的假定，但大尺度渦旋的相關性隨著距離的增加而減小。因此，Krenk等從各向同性湍流物理描述入手，建立了湍流相干函數(shù)的修正模型[78-79]。

式中，γjk(n)為第j、k點處湍流間的相干函數(shù)；Sjk(n)為第j、k點處湍流間的互功率譜密度；Sjj(n)、Skk(n)分別表示第j、k點處湍流的自功率譜密度。

在Priestley演化譜理論下，結(jié)構(gòu)非平穩(wěn)風振分析采用時不變相干函數(shù)描述湍流的空間相干特性[31]。然而，現(xiàn)場實測結(jié)果表明：臺風等極端風場的湍流相干函數(shù)存在時變特征，采用時不變相干函數(shù)難以準確預測結(jié)構(gòu)風振響應。Peng等針對下?lián)舯┝鲗崪y風速，建立了其湍流時變相干函數(shù)模型[80]。Huang等采用S變換計算了實測臺風的時變相干函數(shù)，并將Krenk模型由頻域拓展至時頻域[81]。Tao等基于昂船洲大橋的實測數(shù)據(jù)，建立了“天鴿”臺風水平向的時變相干函數(shù)時頻分布模型，并對比分析了時變與時不變相干函數(shù)對橋梁抖振響應的貢獻[82]。基于Krenk模型拓展的時變相干函數(shù)模型可表示為：

式中，γjk(n,t)為第j、k點處湍流間的時變相干函數(shù)；r表示第j、k點之間的間距；d(t)、L(t)、D(t)為待擬合參數(shù)；i表示虛數(shù)，用于描述相干函數(shù)的相位。

圖5描述了某臺風的時變相干函數(shù)模型。由圖5可知，臺風相干函數(shù)的時變特征顯著，在虛部處尤為明顯；虛部在某些頻段內(nèi)的相干函數(shù)值與實部相當，因而結(jié)構(gòu)風振分析需考慮相干函數(shù)虛部的影響。臺風相干函數(shù)的計算依賴于多個風速儀的同步實測數(shù)據(jù)。同時，需結(jié)合湍流積分尺度的大小，在一定范圍內(nèi)布置風速儀。若風速儀間距超出積分尺度范圍，則測點間的相關性較弱，不利于建立時變相干函數(shù)。在實際臺風觀測中，風速儀的測點數(shù)量有時不夠充裕，從而難以建立有效的相干函數(shù)模型。此外，式（13）中待擬合參數(shù)與時變平均風速、湍流強度等參數(shù)的規(guī)律亦不明確，難以采用簡單直觀的表達形式對式（13）進行簡化。因此，仍需深入研究實測湍流時變相干函數(shù)，以期建立更為直觀有效的數(shù)學模型。

圖5 臺風時變相干函數(shù)模型Fig.5 The time-varying coherence model for a typhoon wind-field

3 展 望

臺風是具有突出非平穩(wěn)特性的特異風場，其湍流特性十分復雜。準確掌握臺風湍流特性并進行有效表征，對于開展結(jié)構(gòu)抗風分析與設計具有重要意義。本文在總結(jié)回顧平穩(wěn)與非平穩(wěn)風速模型的基礎上，重點介紹了臺風非平穩(wěn)湍流特性的研究進展，主要包括：時變平均風速、湍流強度、湍流積分尺度、湍流演變譜密度、時變相干函數(shù)等方面。總體而言，國內(nèi)外學者在臺風湍流非平穩(wěn)特性方面已開展了很多研究工作，并取得了一定的研究成果，但相關研究在系統(tǒng)性、完備性方面仍有待進一步深入與突破。

基于當前臺風非平穩(wěn)湍流特性的研究進展，總結(jié)了該領域未來有待進一步深入的發(fā)展方向，主要包括：

1）研究考慮非平穩(wěn)度、基本時距、風向變化等因素的臺風時變趨勢分離方法，建立時變平均風速的標準化提取準則。

2）加強登陸臺風的現(xiàn)場實測，豐富臺風非平穩(wěn)湍流強度、非平穩(wěn)積分尺度的數(shù)據(jù)庫，建立考慮三維空間位置、臺風演化狀態(tài)等因素的湍流強度、積分尺度非平穩(wěn)模型。

3）基于長期實測臺風的三向演變譜密度，研究臺風各向演變譜密度的表征方法，建立考慮觀測位置、三維關聯(lián)的臺風演變譜模型。

4）結(jié)合實測臺風湍流積分尺度，加強面向臺風湍流相干函數(shù)實測的風速儀測點布置研究。

5）研究湍流三維時變相干函數(shù)，建立考慮單點三維關聯(lián)、多點空間衰減及相位差異的臺風時變相干函數(shù)模型。