復(fù)雜地形下的復(fù)雜山地臺風(fēng)特征分析

復(fù)雜地形下的復(fù)雜山地臺風(fēng)特征分析

1各類抗風(fēng)材料的風(fēng)特性研究近層風(fēng)的特點是設(shè)計抗風(fēng)、通風(fēng)性能和污染物的擴(kuò)散。它也是形成、發(fā)展和結(jié)束氣候變化的重要動力，同時也是水分、熱量和動能傳遞的重要載體。由于強(qiáng)風(fēng)條件下的大氣邊界層結(jié)構(gòu)及特性和小風(fēng)狀況的特性具有明顯差別,因而不同領(lǐng)域、不同用途所關(guān)注的風(fēng)特性的關(guān)鍵因子也不盡相同。為了防災(zāi)抗風(fēng)的需要,氣象和工程領(lǐng)域的專家學(xué)者越來越重視強(qiáng)風(fēng)邊界層的研究,并取得了多項很有意義的研究成果(Losslein,1988;Maeda,etal,1988;李倩等,2004;Shiau,etal,2000;劉小紅等,1995;龐加斌等,2002),中國的相關(guān)規(guī)范也對工程抗風(fēng)所涉及的參數(shù)計算提出了具體方法(中華人民共和國建設(shè)部,2006),但由于實測資料的限制,多數(shù)研究成果和現(xiàn)行規(guī)范給出的參考公式和方法多適于均勻地形,對于復(fù)雜的山地風(fēng)狀況研究較少。本文在復(fù)雜山地設(shè)置了現(xiàn)場風(fēng)狀況觀測的基礎(chǔ)上,重點分析該種地形條件下,工程抗風(fēng)所關(guān)注的近地層強(qiáng)風(fēng)特性。2來自和解釋2.1觀測配置和環(huán)境描述(1)結(jié)構(gòu)風(fēng)觀測儀器為貴州西南部山區(qū)某跨峽谷大橋建設(shè)需要,在峽谷兩端擬選橋位處,設(shè)置了兩座(10m和60m高度)測風(fēng)塔,其中10m塔(B塔)設(shè)置了一套機(jī)械(杯)式測風(fēng)儀器,60m塔(A塔)按照梯度觀測方式(觀測層次為10、20、30、40、60m),設(shè)置了機(jī)械(杯)式測風(fēng)儀器進(jìn)行平均風(fēng)場的梯度觀測,數(shù)據(jù)采樣頻率為1Hz;在30m高度層(大約與橋面高度相當(dāng))設(shè)置了一臺英國Gill公司生產(chǎn)的R3-50型超聲風(fēng)速儀,該儀器被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的風(fēng)狀況測量,儀器在輸出數(shù)據(jù)的同時,能自動給出判別碼,以識別觀測數(shù)據(jù)的有效性。該儀器使用環(huán)境溫度-40°—60℃,水平方向風(fēng)速量程為±45m/s,測量精度<±1%,其最大動態(tài)響應(yīng)頻率50Hz,本觀測以10Hz采樣頻率進(jìn)行三維瞬時風(fēng)速數(shù)據(jù)采集。(2)南北方海拔高度60m梯度測風(fēng)塔(A塔)位于橋位北側(cè)海拔876m的小山包上(圖1),其西北到東南側(cè)為深達(dá)300多米的峽谷,峽谷呈西北—東南走向,觀測塔東北至東側(cè)有海拔超過900m的山體,其北側(cè)的山體略低于觀測塔所在位置的海拔高度。測風(fēng)塔周圍為幾十厘米高的低矮稀疏灌木;10m塔(B塔)位于橋位南側(cè)海拔864m的小山上,測風(fēng)塔周圍也為低矮稀疏灌木。2.2資料來源及資料要求與工程位置臨近的長期氣象站是晴隆縣氣象站,該站距工程位置約12km,觀測場海拔高度1552m,風(fēng)觀測資料始于1961年,并具備與工程現(xiàn)場觀測同期進(jìn)行的逐時測風(fēng)資料。2.3考慮風(fēng)壓變化的樣本選取氣象專業(yè)對風(fēng)速的分級有明確的規(guī)定,即10min平均風(fēng)速≥17m/s的風(fēng)稱為“大風(fēng)”,但在日常生活、風(fēng)力發(fā)電和工程抗風(fēng)等其他領(lǐng)域“大風(fēng)”的概念量度隨影響對象而有所不同,通常泛指相對風(fēng)速較大的狀況,為了敘述的方便,在此將滿足本文篩選條件的風(fēng)通稱為“強(qiáng)風(fēng)”。近地層風(fēng)的微觀結(jié)構(gòu)(包括垂直變化、陣性和脈動特征等)在很大程度上左右著結(jié)構(gòu)物的安全性設(shè)計和投資成本。大量觀測事實證明,近地層強(qiáng)風(fēng)和小風(fēng)狀況的微觀結(jié)構(gòu)十分不同,由于工程抗風(fēng)主要關(guān)注強(qiáng)風(fēng)狀況,為了避免因為小風(fēng)條件下的近地層風(fēng)狀況特性不同于強(qiáng)風(fēng)而帶來的混淆和誤差,所以為工程抗風(fēng)研究需要,應(yīng)從觀測數(shù)據(jù)中篩選強(qiáng)風(fēng)樣本(或過程)。通常認(rèn)為絕大多數(shù)強(qiáng)風(fēng)過程為中性層結(jié)狀態(tài),現(xiàn)行國家規(guī)范推薦的風(fēng)廓線描述的指數(shù)或?qū)?shù)公式的適用條件也為中性大氣層結(jié),因而在此以中性層結(jié)作為強(qiáng)風(fēng)樣本篩選的基本條件。從Pasquill大氣邊界層的穩(wěn)定性分級標(biāo)準(zhǔn)(表1)中可以看出,大氣穩(wěn)定(E、F類)和不穩(wěn)定(A、B、C類)時,其對應(yīng)的風(fēng)速均較小,而當(dāng)10m高平均風(fēng)速>6m/s時,只有在強(qiáng)太陽輻射出現(xiàn)時,大氣層結(jié)才為C類(弱不穩(wěn)定)狀態(tài),其他情況均為中性層結(jié),以此類推可以認(rèn)為,當(dāng)10m高平均風(fēng)速>6m/s時,近地層通常可以達(dá)到中性大氣層結(jié)要求。綜合考慮貴州本地的強(qiáng)風(fēng)氣候狀況和現(xiàn)場觀測資料特點,并要滿足研究需要的樣本長度,在此選定平均場觀測的A塔60m高平均風(fēng)速≥9m/s作為強(qiáng)風(fēng)分析樣本。該高度層現(xiàn)場觀測年度內(nèi)(12個月)平均風(fēng)速≥9m/s的出現(xiàn)頻率為1.2%;由于脈動場觀測的有效數(shù)據(jù)較少,為了滿足研究需要的樣本長度,在此選取A塔30m高平均風(fēng)速≥7m/s的個例作為本文的分析樣本。該高度在觀測年度內(nèi)出現(xiàn)平均風(fēng)速≥7m/s的頻率為3.4%。3平均風(fēng)場觀測資料依照《地面氣象觀測規(guī)范》(中國氣象局,2003)對平均風(fēng)場觀測資料進(jìn)行處理。對脈動風(fēng)場觀測采用的三維超聲測風(fēng)儀取得的數(shù)據(jù)需要做無效和野點數(shù)據(jù)處理及脈動風(fēng)樣本數(shù)據(jù)提取。3.1自動判別無效數(shù)據(jù)的計算為了判別和剔除由于降雨和其他原因(如因電源不穩(wěn)定和其他不明原因)造成的可疑數(shù)據(jù),本項目觀測采用的超聲風(fēng)速儀具有自動判別由于降水影響而產(chǎn)生的無效數(shù)據(jù)的功能,在選取計算樣本時,首先根據(jù)超聲風(fēng)速儀的數(shù)據(jù)判別碼,剔除無效數(shù)據(jù),然后采用文獻(xiàn)(卞林根等,2001;陳紅巖等,2000)中的方法判別數(shù)據(jù)中的其他野點,按照風(fēng)工程分析的樣本長度規(guī)定,選取連續(xù)10min觀測數(shù)據(jù)為一個樣本,并要求有效數(shù)據(jù)大于98%,然后采用線性插值法對剔除的個別數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。3.2垂直平均風(fēng)速實測三維風(fēng)速u(t),v(t)和w(t)是超聲風(fēng)速儀坐標(biāo)下x、y、z方向的3個實數(shù)序列(其中儀器的x方向指東,z方向垂直于地面),為了進(jìn)行統(tǒng)計分析,在某一時間間隔(10min)內(nèi)求取平均(時間平均),并進(jìn)行必要的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。合成的水平平均風(fēng)速U和風(fēng)向角Φ(正北為0°)由下列各式計算(Xu,etal,2001;張宏升等,1998;Philippe,etal,2003)U=√ˉu(t)2+ˉv(t)2(1)α=tg-1(ˉv(t)/ˉu(t))(2)U=u(t)ˉˉˉˉˉˉ2+v(t)ˉˉˉˉˉˉ2??????????√(1)α=tg?1(v(t)ˉˉˉˉˉˉ/u(t)ˉˉˉˉˉˉ)(2)Φ=270°-α,當(dāng)ˉu(t)＞0?ˉv(t)＞0時,西南風(fēng)向Φ=90°-α,當(dāng)ˉu(t)＜0?ˉv(t)＜0時,東北風(fēng)向Φ=α+270°,當(dāng)ˉu(t)＞0?ˉv(t)＜0時,西北風(fēng)向Φ=α+90°,當(dāng)ˉu(t)＜0?ˉv(t)＞0時,東南風(fēng)向垂直方向與儀器坐標(biāo)z軸相同,因此垂直平均風(fēng)速W為W=ˉw(t)(3)將儀器坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)Φ角,使儀器所測u與主風(fēng)向一致。所得坐標(biāo)x、y、z軸分別代表主風(fēng)u(t)、側(cè)風(fēng)v(t)和垂直風(fēng)向w(t)(與儀器坐標(biāo)相同),則u(t)、v(t)在x、y軸的投影u′(t)即為縱向(主風(fēng)向)脈動風(fēng)速、v′(t)為橫向(側(cè)風(fēng)向)脈動風(fēng)速:垂直脈動風(fēng)速w′(t)由式(6)給出w′(t)=w(t)-W(6)u′(t)、v′(t)、w′(t)即為本文脈動風(fēng)分析的樣本數(shù)據(jù)。4太陽輻射非均一性導(dǎo)致的風(fēng)速差異山地地形對風(fēng)場的影響機(jī)制比較復(fù)雜,一方面因接受的太陽輻射不均勻而導(dǎo)致的氣流的局地上升和下沉,另一方面由于地形的起伏而改變了低層氣流的方向和速度,對于工程抗風(fēng)來說,主要關(guān)注較強(qiáng)風(fēng)速時的風(fēng)場特性變化。4.1地形對徑向流的影響(1)a塔6m高風(fēng)向晴隆氣象站海拔高度1552m,可以較好地代表當(dāng)?shù)剌^大區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng)狀況。從該站的累年各風(fēng)向頻率(表2和圖2a)可以看出,當(dāng)?shù)囟局鲗?dǎo)風(fēng)向為北到東北風(fēng),春、夏、秋季均以南風(fēng)為主;從各月主導(dǎo)風(fēng)向分布(表3)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)匾荒曛杏?0個月(3—12月)的主導(dǎo)風(fēng)向都為南風(fēng)。而橋位觀測點B塔以及A塔(具備風(fēng)向觀測的10m、30m、60m)觀測年度的主導(dǎo)風(fēng)向均為東南(SE)向,并且隨著觀測高度增高,主導(dǎo)風(fēng)向(SE)更為穩(wěn)定。從A塔60m風(fēng)向玫瑰圖(圖2b)可以較形象地看出,其風(fēng)向分布特征明顯不同于當(dāng)?shù)亻L期氣象站的風(fēng)向特征:A塔60m高風(fēng)向資料統(tǒng)計結(jié)果顯示,一年中各個月的最多風(fēng)向均為東南(SE)向(表3),而晴隆氣象站除1、2月主導(dǎo)風(fēng)向為東北向外,其他10個月均為南風(fēng);統(tǒng)計結(jié)果還顯示,A塔60m高風(fēng)向分布在ESE-SSE扇面的風(fēng)向頻率為47%,在WNW-NNW扇面的風(fēng)向頻率為27%,即沿峽谷走向的風(fēng)向頻率達(dá)到74%(圖2b)?？梢?由于受東南—西北走向的峽谷地形影響,導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐哪巷L(fēng)在橋位測站多轉(zhuǎn)為東南風(fēng),東北風(fēng)多轉(zhuǎn)成了西北風(fēng)。(2)氣象站和工程參數(shù)估計圖3給出了當(dāng)?shù)亻L期氣象站和工程位置最大風(fēng)速風(fēng)向分布特征,可以看出,長期氣象站歷年最大風(fēng)速的風(fēng)向主要分布在S-SW方向(圖3a),而A塔60m工程位置一年觀測期間強(qiáng)風(fēng)(10min平均風(fēng)速≥9m/s)的風(fēng)向更集中在SE方向,頻率達(dá)84%(圖3b)?？梢?影響本工程項目的局地近地層風(fēng)場的主要地形特征是西北—東南走向的深切峽谷,它的存在完全改變局地低層風(fēng)場,使之主導(dǎo)風(fēng)向和最大風(fēng)速的方向均發(fā)生了改變。由于工程氣象觀測多為短期觀測,很難測到本地歷史極端大風(fēng),計算設(shè)計最大風(fēng)速(概率風(fēng)速)需要參考當(dāng)?shù)貧庀笳鹃L期觀測資料,長期氣象站一般可以代表當(dāng)?shù)貐^(qū)域內(nèi)的平均狀況,但如果工程所在地點的地形復(fù)雜,那么對工程而言,當(dāng)?shù)亻L期氣象站觀測的風(fēng)向甚至最大風(fēng)速的方向均不具備代表性,而應(yīng)考慮通過工程位置的現(xiàn)場觀測進(jìn)行修正。對橋梁等長跨結(jié)構(gòu)物來說,一般當(dāng)?shù)貧v史最大風(fēng)速出現(xiàn)的方向?qū)⒊蔀樵摴こ痰淖畈焕L(fēng)向之一,垂直于橋梁中軸的風(fēng)向為該工程另一個最不利風(fēng)向,而本工程很可能遇到了將兩種最不利風(fēng)向因素合為一體。4.2風(fēng)速剖面位置的變化根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50009-2001)(中華人民共和國建設(shè)部,2006)的推薦,近地層風(fēng)速(剖面)垂直分布采用冪指數(shù)計算公式式中u為z高度處的風(fēng)速,u1為z1高度處的風(fēng)速,α為風(fēng)速高度變化冪指數(shù)。該公式在大多數(shù)平緩地形的中性大氣層結(jié)(強(qiáng)風(fēng))條件下是適用的,但在復(fù)雜山地,由于地形的強(qiáng)迫作用,近地層風(fēng)速剖面變得十分復(fù)雜。圖4是位于峽谷山地上的60m高測風(fēng)塔(A塔)的測風(fēng)實況,圖中標(biāo)出了在一年的觀測期內(nèi),(強(qiáng)風(fēng)天氣)不同風(fēng)向下,風(fēng)速隨高度的變化狀況,可以看出,由于峽谷地形影響,無論處于何種風(fēng)向,風(fēng)速垂直廓線均不符合指數(shù)分布形式。在出現(xiàn)SE、WSW、ENE方向的強(qiáng)風(fēng)時,最大風(fēng)速竟出現(xiàn)在10m處,60m高風(fēng)速反而最小;在出現(xiàn)NW、WNW、E、SSE和SE方向的強(qiáng)風(fēng)時,40m(橋面高度附近)則成為較小風(fēng)區(qū)。將一年觀測期內(nèi)的所有強(qiáng)風(fēng)個例平均后得到的垂直廓線仍不符合指數(shù)分布形式。4.3不均勻地形情況風(fēng)攻角指風(fēng)的來流方向與水平面的夾角。風(fēng)攻角對建筑結(jié)構(gòu)物特別是柔性結(jié)構(gòu)物的影響比較突出,其長期作用會加速或加重結(jié)構(gòu)的疲勞損壞,強(qiáng)風(fēng)時,風(fēng)攻角的改變可能對結(jié)構(gòu)造成突然損傷甚至破壞。項海帆等(1996)認(rèn)為,風(fēng)攻角主要由不均勻地形致使氣流強(qiáng)迫抬升或下沉而產(chǎn)生。實際上,不同的天氣系統(tǒng),尤其是渦旋結(jié)構(gòu)的(如熱帶氣旋、龍卷風(fēng)等)強(qiáng)烈天氣系統(tǒng)也可以導(dǎo)致風(fēng)攻角的變化(宋麗莉,2006)。項海帆等(1996)提出,在橋梁動力抗風(fēng)設(shè)計中,應(yīng)考慮高風(fēng)速時風(fēng)的平均攻角,一般采用±3°,平靜海面和開闊平坦地形大約為0°,并且給出了攻角在1°—5°時主梁升力系數(shù)的參考值。本工程項目位于復(fù)雜山地中,實際觀測到的風(fēng)攻角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5°,并且在不同風(fēng)向強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)時,攻角的變化幅度很大。圖5顯示東北偏東風(fēng)時攻角接近-10°,而西北偏北風(fēng)時攻角超過了+10°,兩者相差了20°。5現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)山地地形對風(fēng)場的強(qiáng)迫作用還表現(xiàn)在致使其脈動風(fēng)特性的改變。根據(jù)設(shè)置于A塔30m高度層(與橋面高度相當(dāng))的三維測風(fēng)儀,分析強(qiáng)風(fēng)(10min風(fēng)速≥7m/s)條件下,地形對脈動風(fēng)場的影響。圖6給出了一個典型的強(qiáng)風(fēng)過程風(fēng)速的實測個例,觀測時間為2006年4月5日,采樣時段長度為20min,過程平均風(fēng)速10.8m/s,過程極大陣風(fēng)(0.1s)風(fēng)速14.3m/s。從圖中可以看出,在山谷復(fù)雜地形條件下,湍流脈動風(fēng)速具有復(fù)雜的時間變化過程,還可看出明顯的強(qiáng)陣性風(fēng)特征。5.1流量強(qiáng)度和流量積的比率湍流強(qiáng)度、湍流積分尺度反映了風(fēng)的脈動特征,是工程抗風(fēng)研究設(shè)計中常用的表征脈動風(fēng)的統(tǒng)計參量。(1)脈動風(fēng)速模型湍流強(qiáng)度為某時距(工程計算取10min數(shù)據(jù)樣本;項海帆等,1996)的脈動風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)方差與平均風(fēng)速的比值。其中σi表示脈動風(fēng)速u′(t)、v′(t)、w′(t)的標(biāo)準(zhǔn)差,σ2i為脈動風(fēng)速在i方向的方差。湍流積分尺度:利用Taylor假設(shè)自相關(guān)函數(shù)積分法(Flay,etal,1984;Pang,etal,2002),計算工程抗風(fēng)關(guān)注的湍流積分長度,即其中Lx為平穩(wěn)隨機(jī)信號x(t)的湍流積分尺度,σ2x為x(t)的方差,Rx(τ)為x(t)的自相關(guān)函數(shù),定義為(2)湍流強(qiáng)度和風(fēng)向分析現(xiàn)場觀測期間,不同方向的強(qiáng)風(fēng)(10min風(fēng)速≥7m/s)產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的差異。表4顯示,在觀測期間出現(xiàn)的5類(不同方向)的強(qiáng)風(fēng)個例中,在順著峽谷方向的NW和SSE風(fēng)向上,其湍流強(qiáng)度在三維(縱、橫和垂直)方向均較小,各向湍流強(qiáng)度均以N風(fēng)向較大,這與測點北部山嶺起伏多變,而沿峽谷方向地形阻擋較小有關(guān)。不同方向強(qiáng)風(fēng)在縱向、橫向和垂直方向的湍流強(qiáng)度比值Iu:Iv:Iw也有較大差異(表4),其中順著峽谷方向的NW、SSE和S風(fēng)向均明顯偏離了項海帆等(1996)給出的1:0.88:0.5,并且所有方向的Iw值均超過了Iu值的50%,其中SSE風(fēng)向高達(dá)81%。表4顯示,該工程區(qū)域的湍流積分空間尺度也較大,縱向積分尺度較項海帆等(1996)給出的值偏大20%—60%,橫向湍流尺度在NW和S方位偏大3倍以上,垂直方向則普遍較平坦地形偏大一個量級左右。5.2縱向沿邊界層分布湍流功率譜密度函數(shù)Si(i=u,v,w)(Roland,1991)能夠更準(zhǔn)確地描述脈動風(fēng)的特性,它們在頻域上的全積分等于脈動對應(yīng)方向上的湍流動能,即∫∞0Si(n)dn=σ2i(i=u,v,w;n為頻率),Si在頻域上的分布可以描述湍流動能在不同尺度水平上的比例。本文采用快速傅立葉變換的方法計算功率譜,并重點分析計算對大跨(懸吊)橋梁等結(jié)構(gòu)較為敏感的(0.1—0.5Hz)頻域上,各風(fēng)向下的湍流譜密度特征。表5顯示,該工程觀測位置在NW、S風(fēng)向的湍流譜密度值明顯大于N、NE、SSE等風(fēng)向,其偏大的特征在縱向和垂直方向同步出現(xiàn)。湍流譜密度值最大的NW風(fēng)向(與峽谷走向一致)與最小的NE風(fēng)向相比,其縱向譜密度值大了7倍,橫向和垂直向均大了5倍。但無論哪個方向的湍流譜密度值均比臺風(fēng)中心小1—2個量級(宋麗莉,2005)。6試驗結(jié)果分析通過對復(fù)雜山地實地測風(fēng)數(shù)據(jù)的計算分析,得出以下初步結(jié)果:(