廣東沿海近地層的近地層大風(fēng)特征分析

廣東沿海近地層的近地層大風(fēng)特征分析

1風(fēng)壓及動(dòng)力響應(yīng)分析附近海域的特點(diǎn)是，它直接影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類活動(dòng)。隨著沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人口密度大幅度增加,城市化進(jìn)程越來越快,工程結(jié)構(gòu)也向高層和大跨度方向發(fā)展,導(dǎo)致現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中,風(fēng)作為重要的影響因子受到了前所未有的重視,國(guó)際上已開發(fā)出用于預(yù)測(cè)實(shí)際工程的流場(chǎng)、結(jié)構(gòu)物表面的風(fēng)壓分布和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)的專用計(jì)算軟件2觀測(cè)數(shù)據(jù)和處理2.1地面常規(guī)測(cè)風(fēng)資料廣東省沿海18個(gè)國(guó)家氣象站(潮陽、澄海、電白、斗門、海豐、惠來、惠陽、陸豐、汕頭、汕尾、深圳、遂溪、臺(tái)山、吳川、徐聞、陽江、湛江、珠海及南澳島和上川島兩個(gè)海島站)建站至2003年地面常規(guī)測(cè)風(fēng)資料;建于廣東沿海海岸的3個(gè)40~65米高測(cè)風(fēng)梯度塔階段測(cè)風(fēng)資料。由于歷史原因,除少數(shù)具有達(dá)因風(fēng)速儀的氣象站(汕頭、汕尾、湛江站)有長(zhǎng)年代陣風(fēng)記錄外,大部分站點(diǎn)的陣風(fēng)儀器實(shí)測(cè)記錄始自1990年代末以后的EN2型測(cè)風(fēng)儀。為客觀起見,本文涉及的陣風(fēng)記錄均取自儀器觀測(cè)值,不考慮目測(cè)記錄。2.2境介紹和材料說明梯度測(cè)風(fēng)塔所使用的測(cè)風(fēng)儀器和測(cè)風(fēng)環(huán)境見表1。表中EN2型風(fēng)速儀為國(guó)家氣象站目前普遍應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)風(fēng)儀。梯度測(cè)風(fēng)塔所在的地理位置下一節(jié)再詳細(xì)介紹。3計(jì)算與分析3.1天氣過程類型本文大風(fēng)樣本的選取:自廣東沿海18個(gè)氣象站歷史測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)中選取日最大風(fēng)速≥17.2m/s(8級(jí))的大風(fēng)個(gè)例252個(gè)(站、日),并統(tǒng)計(jì)分析伴生大風(fēng)的天氣過程類型。根據(jù)歷史觀測(cè)記錄統(tǒng)計(jì)得出,廣東沿海8級(jí)以上大風(fēng)的主要天氣系統(tǒng)類型有:熱帶氣旋、強(qiáng)冷空氣和強(qiáng)對(duì)流天氣。廣東沿海(海島站除外)歷年出現(xiàn)的≥8級(jí)的大風(fēng)個(gè)例中,95%(站、日)是由熱帶氣旋天氣造成,4.6%(站、日)來自強(qiáng)冷空氣,0.4%(站、日)由強(qiáng)對(duì)流天氣造成,而沿海各站出現(xiàn)的歷史極端大風(fēng)記錄全來自熱帶氣旋天氣過程。3.2陣風(fēng)系數(shù)的定義大風(fēng)的陣性特征是結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)和防災(zāi)抗災(zāi)最為關(guān)注的破壞因子之一,通常以陣風(fēng)系數(shù)來討論風(fēng)的陣性特征:一般情況下,將持續(xù)時(shí)距小于3秒的風(fēng)稱為陣風(fēng),平均風(fēng)速可按風(fēng)的持續(xù)時(shí)距定義為分鐘、小時(shí)、日、月、季、年平均風(fēng)速等,目前氣象行業(yè)和國(guó)家建筑設(shè)計(jì)規(guī)范多采用持續(xù)時(shí)距為10分鐘的平均風(fēng)速,并定義最大陣風(fēng)風(fēng)速與最大10分鐘平均風(fēng)速之比為陣風(fēng)系數(shù),即式中G為陣風(fēng)系數(shù),V3.2.1大風(fēng)陣性因天氣系統(tǒng)的關(guān)系根據(jù)歷史資料普查,在具備陣風(fēng)實(shí)測(cè)記錄的106個(gè)(站、日)大風(fēng)樣本中,熱帶氣旋樣本90個(gè),冷空氣樣本16個(gè)(其中15個(gè)樣本來自海島站)。計(jì)算結(jié)果顯示,熱帶氣旋大風(fēng)天氣平均陣風(fēng)系數(shù)為1.61,冷鋒大風(fēng)天氣系統(tǒng)平均陣風(fēng)系數(shù)為1.24,可見,兩類天氣系統(tǒng)所致的大風(fēng)陣性具有明顯差異。以樣本較多的上川島站為例,該地?zé)釒庑箫L(fēng)平均陣風(fēng)系數(shù)為1.72,冷鋒大風(fēng)平均陣風(fēng)系數(shù)為1.24,即在同一站點(diǎn),熱帶氣旋和冷鋒大風(fēng)的陣風(fēng)系數(shù)相差達(dá)0.48。3.2.2城市化發(fā)展導(dǎo)致的大風(fēng)陣風(fēng)系數(shù)變化根據(jù)汕頭、汕尾、湛江站自1960年代至今實(shí)測(cè)的熱帶氣旋大風(fēng)資料,計(jì)算分析了大風(fēng)陣風(fēng)系數(shù)的年際變化,發(fā)現(xiàn)3站的大風(fēng)陣風(fēng)系數(shù)均在1980年代中期以后出現(xiàn)明顯增大,以1985年前后最為明顯。1985年至今,汕頭、汕尾和湛江站的大風(fēng)陣風(fēng)系數(shù)分別比1984年之前增大了0.2、0.09和0.17(表2)。分析認(rèn)為,導(dǎo)致這種變化的原因主要與城市化發(fā)展有關(guān)。由于城市建筑群不斷向高層和水平空間擴(kuò)展,導(dǎo)致市區(qū)下墊面粗糙度增大,從而使大風(fēng)的陣性增強(qiáng)。3.2.3陣風(fēng)系數(shù)的垂直變化由于到目前為止,廣東沿海的測(cè)風(fēng)塔尚未觀測(cè)到完整的冷空氣大風(fēng)過程,故在此只討論在本地占主導(dǎo)地位的熱帶氣旋大風(fēng)。對(duì)炮臺(tái)角和東海島兩座測(cè)風(fēng)塔,較完整記錄的4個(gè)熱帶氣旋過程(黃蜂為東海島塔記錄,其余3個(gè)為炮臺(tái)角塔記錄),選取10分鐘平均風(fēng)速≥17.2m/s的各個(gè)時(shí)次風(fēng)速,計(jì)算各測(cè)風(fēng)高度的陣風(fēng)系數(shù),對(duì)比無熱帶氣旋影響時(shí)平均陣風(fēng)系數(shù)隨高度的變化(圖1),可以發(fā)現(xiàn),無熱帶氣旋影響時(shí)(10分鐘平均風(fēng)速≤15.0m/s),近地層風(fēng)的陣性隨高度的增加而穩(wěn)定減小(圖1中的實(shí)線)。在熱帶氣旋影響時(shí),其陣風(fēng)系數(shù)的垂直廓線產(chǎn)生很大的波動(dòng),4個(gè)熱帶氣旋個(gè)例的陣風(fēng)系數(shù)垂直廓線都存在一個(gè)隨高度增大的層次,其中9713號(hào)臺(tái)風(fēng)和臺(tái)風(fēng)“黃蜂”的陣風(fēng)系數(shù)分別在50~60米和20~30米處增大了0.17和0.25,臺(tái)風(fēng)“榴蓮”、“悟空”的陣風(fēng)系數(shù)在30~40米處分別增大了0.017和0.043。產(chǎn)生這種差異的原因可能與臺(tái)風(fēng)中心相對(duì)測(cè)風(fēng)塔的距離有關(guān),9713號(hào)臺(tái)風(fēng)和臺(tái)風(fēng)“黃蜂”的中心區(qū)域穿過觀測(cè)點(diǎn),測(cè)風(fēng)塔的記錄顯示了臺(tái)風(fēng)中心區(qū)域劇烈的渦旋和亂流運(yùn)動(dòng)特征;而臺(tái)風(fēng)“榴蓮”和“悟空”則離測(cè)風(fēng)塔較遠(yuǎn)(圖2),測(cè)風(fēng)塔記錄它們的外圍風(fēng)陣風(fēng)特性較其中心區(qū)域要“穩(wěn)定”得多。3.3風(fēng)速的垂直廓線近地層中,風(fēng)隨高度的變化主要反映了大氣運(yùn)動(dòng)的基本動(dòng)力特征。在中性大氣層結(jié)下,對(duì)數(shù)和冪指數(shù)方程都可以較好地描述風(fēng)速的垂直廓線,試驗(yàn)證明,在廣東沿海冪指數(shù)公式比對(duì)數(shù)公式可以更精確地?cái)M合垂直風(fēng)廓線式中,u為Z高度處的風(fēng)速,u則得到線性方程y=αx。將實(shí)測(cè)的資料序列代入式(4),得到序列y3.3.1波谷之差設(shè)標(biāo)差實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示,風(fēng)速垂直切變指數(shù)α有明顯的日變化(圖3)。平均而言,α值的日變化曲線為正弦波形,峰值出現(xiàn)在凌晨至07時(shí)之間,谷值出現(xiàn)在午后,15時(shí)左右降至最低。對(duì)比典型晴陰天狀況發(fā)現(xiàn),晴天α值的日較差(波峰、波谷之差)高達(dá)一個(gè)量級(jí),且分別在02點(diǎn)和20點(diǎn)出現(xiàn)2個(gè)峰值,最小值出現(xiàn)在16點(diǎn);陰雨天α值的日較差較小,且峰值出現(xiàn)時(shí)間有所推遲,這與陰雨天大氣層結(jié)變化特征相符。3.2.2不同天氣系統(tǒng)α值的變化根據(jù)炮臺(tái)角、東海島和甲東3個(gè)測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)到的5個(gè)(強(qiáng)熱帶風(fēng)暴:9713號(hào)、黃蜂;臺(tái)風(fēng):尤特、悟空、榴蓮)熱帶氣旋大風(fēng)過程記錄,計(jì)算其影響(取10分鐘平均風(fēng)速≥17.2m/s的各個(gè)時(shí)次數(shù)據(jù))時(shí)該地的α值,與該地?zé)o臺(tái)風(fēng)影響時(shí)的平均狀況比較(表3),可以發(fā)現(xiàn),熱帶氣旋大風(fēng)的α值在0.1~0.14之間,3個(gè)觀測(cè)塔比平均狀況分別偏小31.3%、26.3%和15.4%。這與臺(tái)風(fēng)天氣系統(tǒng)本身劇烈的渦旋運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)烈的垂直混合運(yùn)動(dòng)特征有關(guān)。4結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的陣風(fēng)系數(shù)和風(fēng)速垂直切變指數(shù)的值變化(1)在廣東沿海,95%的8級(jí)以上大風(fēng)天氣是由熱帶氣旋天氣造成,而歷史極大風(fēng)速更是100%來自熱帶氣旋天氣,所以,在該地區(qū)的結(jié)構(gòu)工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮熱帶氣旋天氣的影響。(2)觀測(cè)分析顯示,熱帶氣旋和冷鋒天氣系統(tǒng)相比,因其各自的動(dòng)力結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)性質(zhì)等的不同,而導(dǎo)致兩類天氣系統(tǒng)大風(fēng)的陣性特征存在明顯差異,如:熱帶氣旋大風(fēng)的陣風(fēng)系數(shù)較冷鋒大風(fēng)偏大0.37~0.48。(3)陣風(fēng)系數(shù)是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中常用的風(fēng)特征參數(shù),按照目前國(guó)家規(guī)范取值為1.5。本文對(duì)廣東沿海臺(tái)風(fēng)大風(fēng)過程的觀測(cè)研究顯示,歷史臺(tái)風(fēng)大風(fēng)的陣風(fēng)系數(shù)平均為1.61,1985年以來,廣東沿海城市臺(tái)風(fēng)大風(fēng)的陣風(fēng)系數(shù)明顯增大,汕頭、湛江分別達(dá)1.73和1.83。由于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要關(guān)注極端大風(fēng)狀況,故建議在以臺(tái)風(fēng)大風(fēng)為主的地區(qū),陣風(fēng)系數(shù)取值應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際氣象記錄,充分考慮臺(tái)風(fēng)大風(fēng)的陣性特征。(4)近地層風(fēng)速垂直切變指數(shù)α值是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要的參數(shù),特別對(duì)高聳構(gòu)筑物的抗風(fēng)安全和工程造價(jià)都十分關(guān)鍵,按照目前國(guó)家規(guī)范取值在1/7左右,本文的觀測(cè)研究結(jié)果顯示,