超臺風山竹近地風場特性實測分析

超臺風山竹近地風場特性實測分析

在強大（臺灣）風的作用下，邊界層高度范圍內，風場特征參數(shù)的科學描述（包括平均風速剖面、風速強度剖面、動態(tài)風速頻率譜密度和風速分類剖面）對風敏感結構的風效評估和抗風設計具有重要意義?，F(xiàn)場測量是研究大氣邊界層風場特性的最可靠的方法，其測量結果可用于結構抗風設計規(guī)范取值的合理性驗證，同時也是開展混合數(shù)值模擬分析并核查其結果可靠性的唯一依據。通常情況下，依靠大量地面站獲取低空風實測數(shù)據比較容易，而獲取高空風特性的實測數(shù)據則非常困難，可靠的數(shù)據尤其是能夠反映大氣湍流特性的時變脈動風速數(shù)據極為稀少，后者通常是通過為數(shù)不多的高聳測風塔獲取。如Li等基本風壓取值是規(guī)范（文中如無特殊說明，均指現(xiàn)行《建筑結構荷載規(guī)范》本文基于356m高的深圳氣象觀測梯度塔（SZMGT）在超強臺風山竹發(fā)展期間獲取的實測風速記錄，討論了平均風速、湍流強度、陣風因子、湍流積分尺度和脈動風速功率譜沿高度的分布規(guī)律，對比規(guī)范并嘗試對風場特性剖面進行參數(shù)擬合。臺風作為一種特殊的渦旋結構，其風場特性異于依托北京氣象塔測得的良態(tài)風場1測量的基本過程和方法的總結1.1菲律賓的超臺風超強臺風山竹（編號201822）于北京時間2018年9月7日在西北太平洋洋面生成，9月11日8時升級為超強臺風，9月15日2時以超強臺風在菲律賓呂宋島東北部沿海登陸（登陸時中心附近最大風速為65m?s1.2外平臺設計位于深圳市寶安區(qū)鐵崗水庫的氣象觀測梯度塔，是目前亞洲第一、世界第二高的桅桿結構鐵塔。塔址周邊（近場）覆蓋大片茂密的低矮果樹林（高度大約是4～6m），遠處（東面）有成片的多層和低矮廠房的建筑群。塔身設置13個外平臺用于氣象梯度觀測，其中10、40、160和320m高度同時設置風杯式風速儀和超聲風速儀。為本文提供實測數(shù)據來源的超聲風速儀采樣頻率為10Hz，能滿足精度要求。1.3“2424:24”實測風速序列分析時段為2018年9月15日8:00—2018年9月17日24:00，共計64h時長。參考文獻根據矢量分解法，平均時距內水平方向的平均風速式（1)～(4）中：u2測量數(shù)據分析2.1平均風速、風向角根據平均風向角的變化規(guī)律，將分析時段細化為3個時段：9月15日8:00—9月16日8:00為T1,9月16日8:00—9月17日4:00為T2，其他時段為T3。不考慮風攻角的情況下，分析10min時距劃分的子樣本的平均風速和平均風向角隨時間的變化規(guī)律，其結果見圖2。由圖2a可見，臺風山竹在發(fā)展初期，梯度塔捕獲的風速時程曲線隨時間呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，臺風登陸時刻并非為風速最大時刻，登陸前即16日約15時左右達到了各梯度高度的最大平均風速；平均風速隨著高度的增加而增大。圖2b所顯示的不同高度處測得的平均風向角無明顯差異，同時臺風發(fā)展初期和后期平均風向角隨時間無明顯變化，風向轉變明顯時段正對應風速時程的大風時段。2.2地面粗糙度指數(shù)參考Davenport提出的指數(shù)律表達形式，以10m高度作為參考高度計算出的各子樣本的平均風速剖面的指數(shù)時程見圖3。按照上述的時段劃分考慮指數(shù)時程曲線，地面粗糙度指數(shù)取值在T1和T3時段離散性較大，其均值分別為0.2378和0.2396；在T2對應的大風時段則相對平穩(wěn)，其均值為0.2360；統(tǒng)計所有子樣本的地面粗糙度指數(shù)均值為0.2387。由圖3可見，大風時段風速特性參數(shù)相對穩(wěn)定可靠，故后文的分析重點圍繞大風時段展開。選址于B類地貌的梯度塔在大風時段其地面粗糙度指數(shù)取值更偏于C類地貌；因而在以往的結構抗風設計中，將工程所在地上游的較高密集綠植或茂密綠化帶地形當作B類地貌處理是偏于保守的。2.3臺風與臺風的自然狀況比較湍流強度I定義為10min時距內脈動風速均方差σ和平均風速樣本的湍流強度統(tǒng)計分析結果如表1所示。不同時段湍流強度的差異主要表現(xiàn)在：(1)湍流強度有隨臺風的發(fā)展呈現(xiàn)減小趨勢；同時隨高度的增加也呈現(xiàn)減小趨勢；但縱向湍流強度在大風時段的實測值相對偏高，10m高度測點不滿足該規(guī)律。(2)臺風登陸前的T1時段其三向湍流強度比值比公路橋梁規(guī)范取縱向湍流強度均值結果比較其剖面變化規(guī)律，結果見圖5。由圖5可知，大風時段的縱向湍流強度剖面為所有時段最大，大于日本規(guī)范2.4湍流強度的對比分析陣風因子G定義為一定持續(xù)期t考慮陣風因子和湍流強度之間的關系，將不同高度的各向陣風因子和對應的湍流強度進行對比分析，結果見圖7。根據陣風因子的定義，圖7中對于順風向、橫風向和豎向的陣風因子和湍流強度的關系分別按照G中國規(guī)范給出的順風向圍護結構的陣風系數(shù)是描述速壓的變化，其計算形式為β2.5積分尺度在不同時段的實測結果本文采用基于Taylor假設的自相關函數(shù)直接積分法計算湍流積分尺度，各向湍流積分尺度的計算公式參考文獻取以上湍流積分尺度的均值列于表3進行對比。由表3可知，同高度的湍流積分尺度在不同時段的實測值有較為明顯的偏差，大風時段的實測結果相對偏大。考慮三向湍流積分尺度的相互關系，通常在各項同性湍流領域，縱向湍流規(guī)模是橫向和垂直方向的2倍，在靠近地面的點伴隨著速度切變，縱向湍流規(guī)模是垂直方向的3倍；本文通過對實測湍流積分尺度的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，高空測點縱向湍流積分尺度約為橫向湍流積分尺度的2倍左右，約為豎向湍流積分尺度的3～4倍。但10m高度測點不符合該規(guī)律，其橫向湍流尺度相對偏大，豎向湍流尺度相對偏小。日本規(guī)范AIJ2004和美國規(guī)范ASCE7—2010式（5)～(7）中：z2.6時長1h的湍流積分尺度脈動風功率譜能夠清晰展示脈動風能量在頻域的分布，是風場的重要參數(shù)。大量的實測結果認為VonKarman譜描述臺風湍流能量的分布比較合適。進行功率譜分析時樣本取大風時段附近時長1h的樣本（9月16日13:00—14:00）。脈動風速功率譜橫坐標采用莫寧坐標形式，湍流積分尺度的計算沿用公式（8）?？v向脈動風速VonKarman譜為式中：S限于篇幅，本文僅對各高度處縱向脈動風速功率譜進行分析，其結果見圖10。由圖10可知，計算得到的大風時刻風速序列的實測功率譜密度曲線和VonKarman譜趨勢較為一致。對于縱向脈動風速功率譜，兩者在低頻段吻合良好，特別是高空位置，實測譜和VonKarman譜的一致性相對更好。VonKarman譜描述臺風湍流能量分布規(guī)律特別是高空臺風較為合適的。3大風時段的縱向湍流強度根據本文研究可得以下結論：(1）梯度塔所處的深圳市郊，平均風速剖面在大風時段取值相對穩(wěn)定，風剖面指數(shù)均值為0.238。結合梯度塔大風風向的上游地形情況，對于工程所在地為開闊但存在密集較高植被的地貌，其地面粗糙度可按C類地貌處理。(2）大風時段的縱向湍流強度最大，其剖面接近中國規(guī)范D類地貌的建議值。大風時段的湍流強度三向比值小于橋梁規(guī)范的建議值。臺風登陸前高空橫向湍流作用加強，湍流強度甚至超過縱向湍流強度。(3）陣風因子和湍流強度存在線性關系；基于線性關系擬合的峰值因子取值和中國規(guī)范的建議值2.5接近。(4）大風時段三