超台风山竹近地风场特性实测分析.docx

超台风山竹近地风场特性实测分析 在强大（台湾）风的作用下，边界层高度范围内，风场特征参数的科学描述（包括平均风速剖面、风速强度剖面、动态风速频率谱密度和风速分类剖面）对风敏感结构的风效评估和抗风设计具有重要意义。现场测量是研究大气边界层风场特性的最可靠的方法，其测量结果可用于结构抗风设计规范取值的合理性验证，同时也是开展混合数值模拟分析并核查其结果可靠性的唯一依据。 通常情况下，依靠大量地面站获取低空风实测数据比较容易，而获取高空风特性的实测数据则非常困难，可靠的数据尤其是能够反映大气湍流特性的时变脉动风速数据极为稀少，后者通常是通过为数不多的高耸测风塔获取。如Li等 基本风压取值是规范（文中如无特殊说明，均指现行《建筑结构荷载规范》 本文基于356 m高的深圳气象观测梯度塔（SZMGT）在超强台风山竹发展期间获取的实测风速记录，讨论了平均风速、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和脉动风速功率谱沿高度的分布规律，对比规范并尝试对风场特性剖面进行参数拟合。台风作为一种特殊的涡旋结构，其风场特性异于依托北京气象塔测得的良态风场 1 测量的基本过程和方法的总结 1.1 菲律宾的超台风 超强台风山竹（编号201822）于北京时间2018年9月7日在西北太平洋洋面生成，9月11日8时升级为超强台风，9月15日2时以超强台风在菲律宾吕宋岛东北部沿海登陆（登陆时中心附近最大风速为65 m?s 1.2 外平台设计 位于深圳市宝安区铁岗水库的气象观测梯度塔，是目前亚洲第一、世界第二高的桅杆结构铁塔。塔址周边（近场）覆盖大片茂密的低矮果树林（高度大约是4～6 m），远处（东面）有成片的多层和低矮厂房的建筑群。塔身设置13个外平台用于气象梯度观测，其中10、40、160和320 m高度同时设置风杯式风速仪和超声风速仪。为本文提供实测数据来源的超声风速仪采样频率为10 Hz，能满足精度要求。 1.3 “2424:24” 实测风速序列分析时段为2018年9月15日8:00—2018年9月17日24:00，共计64 h时长。参考文献 根据矢量分解法，平均时距内水平方向的平均风速 式（1)～(4）中：u 2 测量数据分析 2.1 平均风速、风向角 根据平均风向角的变化规律，将分析时段细化为3个时段：9月15日8:00—9月16日8:00为T1,9月16日8:00—9月17日4:00为T2，其他时段为T3。不考虑风攻角的情况下，分析10 min时距划分的子样本的平均风速和平均风向角随时间的变化规律，其结果见图2。 由图2a可见，台风山竹在发展初期，梯度塔捕获的风速时程曲线随时间呈现先增大后减小的趋势，台风登陆时刻并非为风速最大时刻，登陆前即16日约15时左右达到了各梯度高度的最大平均风速；平均风速随着高度的增加而增大。 图2b所显示的不同高度处测得的平均风向角无明显差异，同时台风发展初期和后期平均风向角随时间无明显变化，风向转变明显时段正对应风速时程的大风时段。 2.2 地面粗糙度指数 参考Davenport提出的指数律表达形式，以10m高度作为参考高度计算出的各子样本的平均风速剖面的指数时程见图3。按照上述的时段划分考虑指数时程曲线，地面粗糙度指数取值在T1和T3时段离散性较大，其均值分别为0.237 8和0.239 6；在T2对应的大风时段则相对平稳，其均值为0.236 0；统计所有子样本的地面粗糙度指数均值为0.238 7。由图3可见，大风时段风速特性参数相对稳定可靠，故后文的分析重点围绕大风时段展开。 选址于B类地貌的梯度塔在大风时段其地面粗糙度指数取值更偏于C类地貌；因而在以往的结构抗风设计中，将工程所在地上游的较高密集绿植或茂密绿化带地形当作B类地貌处理是偏于保守的。 2.3 台风与台风的自然状况比较 湍流强度I定义为10 min时距内脉动风速均方差σ和平均风速 样本的湍流强度统计分析结果如表1所示。不同时段湍流强度的差异主要表现在：(1)湍流强度有随台风的发展呈现减小趋势；同时随高度的增加也呈现减小趋势；但纵向湍流强度在大风时段的实测值相对偏高，10 m高度测点不满足该规律。(2)台风登陆前的T1时段其三向湍流强度比值比公路桥梁规范 取纵向湍流强度均值结果比较其剖面变化规律，结果见图5。由图5可知，大风时段的纵向湍流强度剖面为所有时段最大，大于日本规范 2.4 湍流强度的对比分析 阵风因子G定义为一定持续期t 考虑阵风因子和湍流强度之间的关系，将不同高度的各向阵风因子和对应的湍流强度进行对比分析，结果见图7。根据阵风因子的定义，图7中对于顺风向、横风向和竖向的阵风因子和湍流强度的关系分别按照G 中国规范给出的顺风向围护结构的阵风系数是描述速压的变化，其计算形式为β 2.5 积分尺度在不同时段的实测结果 本文采用基于Taylor假设的自相关函数直