台风“娜基莉”影响下浦东地区近地风特性

夏波文

（同济大学土木工程防灾国家重点实验室，中国 上海200092）

0 引言

文献[1]表明我国东南沿海地区每年多次遭遇台风登陆，产生了巨大的经济损失和人口死亡。发达国家关于台风的研究[2]开展比较早，并且已经取得了一定的成果。我国对强风的研究也已经展开，如湖南大学的研究人员在海南等地建立了关于台风的实测基地[3]，史文海等[4]在福建省几个沿海城市也展开了对台风的观测研究。

本课题组根据对东南沿海地区遭受风灾的调查研究，在上海浦东国际机场附近建立了同济大学实测基地，开展起对上海地区遭受台风的研究，该实测系统主要包括一栋可变坡度低矮足尺实测房和大小两座测风。利用测风塔，获得了一定台风实测数据的累积。本文主要根据40m测风塔上10m高度处获得的2014年台风“娜基莉”实测风数据，分析了台风“娜基莉”影响下浦东地区的近地层风特性，研究成果将为日后东南沿海地区的结构抗风设计提供参考。

1 现场实测概况

1.1 台风“娜基莉”介绍

2014年第12号台风“娜基莉”于7月17日上午在马绍尔群岛西部海面上生成，8月1日上午2时加强成为热带风暴，并出现双中心互旋，并于8月3日上午5时减弱为热带低压。“娜基莉”的详细路径如图1。

图1 台风“娜基莉”路径Fig.1 Track of typhoon Neoguri

1.2 试验仪器及设备

测风塔位于北纬 31°11′46.36″；东经 121°47′8.29″，紧邻临海泵站入海口，实物布置如图2。根据试验的要求，将R M Young 81000型螺旋桨式风速仪安装在测风塔10m高度处，用以采集来流风速数据。风速仪向正南安装，风向角定义为北方为0°，按俯视顺时针增大。

图2 测风塔实物图Fig.2 The physical mapsof the tower used to measure wind data

2 平均风速和风向

本文采用“矢量分解法”[5]对实测数据进行处理，得到了台风“娜基莉”影响下10m高度处风速仪采集数据的平均风速、平均风向。

图3 10min平均风速和平均风向随时间的变化Fig.3 10-minute meanwind speed and mean wind angle

图3给出了台风“娜基莉”擦过上海时10m高度处10min平均风速、平均风向角随时间的变化（限于篇幅，本文只给出了8月1日14时32分开始往后的42个小时的数据）。从图中，可以看出8月1日14时32分开始到8月2日凌晨4点左右，风速处于下降段，风速的峰值为10.5m/s左右。此后风速开始又开始上升，在8月2日7点左右出现明显的峰值，为9.5m/s。此后台风影响逐渐减弱，风速逐渐减小。

10min平均风向角的变化阶段和平均风速基本一致。在8月1日14时32分到8月2日凌晨4点间风向角从50°逐渐减小到0°；从8月2日凌晨4点开始到8月2日19点，风向角基本稳定在340°左右；此后台风远离，风速急剧减小，风向角稳定在280°左右。

3 近地风脉动特性

3.1 阵风因子

阵风因子定义为短时距平均风速的峰值随较长参考时间平均风速的比值，公式如下：

图4反映了阵风持续时间为3s时，台风“娜基莉”影响下10m高度各向阵风因子随10min平均风速的关系。可以发现，纵向的阵风因子明显大于横向和竖向的阵风因子；横向的阵风因子稍大于竖向阵风因子；纵向、横向和竖向阵风因子随10min平均风速的增大呈减小的趋势；10m高度的纵向阵风因子均值为2.5，横向阵风因子的均值0.4，竖向阵风因子的均值为0.2。

图4 10m高度各向阵风因子随平均风速的变化Fig.4 Anisotropy gust factor at 10 meters height versusmean wind speed

3.2 湍流度

湍流强度是衡量湍流强弱的重要指标，也是确定结构风荷载的重要参数之一，定义为10min内脉动风速的标准方差和相应时距内纵向平均风速的比值，表达式为：

式中，σi为脉动风速的的标准差；u,v,w分别表示为纵向、横向、竖向脉动风速分量。

图5给出了台风“娜基莉”影响下10m高度处各向湍流度随10min平均风速的变化。可以发现，纵向、横向和竖向的湍流度随平均风速的增大呈现减小的趋势；纵向湍流度大于横向湍流度，而横向湍流度大于竖向湍流度；纵向湍流度为0.25，横向为0.19，竖向为0.13。

3.3 湍流积分尺度

湍流在物理结构上可以被认为是由各种不同尺度的旋涡叠合而成的流动。风工程中经常采用以湍流积分尺度的形式表征各种湍流旋涡，表达式为：

基于实际获取的数据难以在空间内满足要求，目前湍流积分尺度的研究多采用简化的方法。本文采用自相关函数法，将空间多点转化为时间单点自相关，同时积分上限取到自相关系数降到0.05的点[6]，式（3）被转化推广到三个方向上：

式中，Li表示纵向、横向和竖向的湍流积分尺度；Ri(τ)表示各向脉动风速自相关函数。

图7给出了台风“娜基莉”影响下10m高度各向湍流积分尺度随平均风速的变化。从图中可以看出，纵向、横向和竖向的湍急积分尺度随平均风速的增大而减小；10m高度处，这与王旭等对台风“海葵”的研究一致；湍流积分尺度的比值与黄鹏等对台风“梅花”的研究[7]一致，为 1：0.6：0.09。

图5 10m高度各向湍流度随平均风速的变化Fig.5 Anisotropy turbulence intensity at 10 meters height versusmean wind speed

4 结论

本文根据浦东实测基地测得的2014年第12号台风 “娜基莉”影响下的浦东地区近地风速，研究了10米高度处近地风特性，并得到如下结论：

（1）纵向的阵风因子明显大于横向和竖向的阵风因子；横向的阵风因子稍大于竖向阵风因子；纵向、横向和竖向阵风因子随10min平均风速的增大呈减小的趋势。

（2）纵向、横向和竖向的湍流度随平均风速的增大呈现减小的趋势；纵向湍流度大于横向湍流度，而横向湍流度大于竖向湍流度。

（3）10m高度处，纵向、横向和竖向的湍急积分尺度随平均风速的增大而减小，湍流积分尺度的比值为 1：0.6：0.09。

［1］黄鹏,陶玲,全涌,顾明.浙江省沿海地区农村房屋抗风情况调研[J].灾害学,2010,25(4)：90-95.

［2］Durst C S.Wind speeds over short periods of time[J].The Meteorological Magazine,1960,89：181.

［3］胡尚瑜,李秋胜.低矮房屋风荷载实测研究(Ⅰ)：登陆台风近地边界层风特性[J].土木工程学报,2012,45(2)：77-84.

［4］史文海,李正农,张传雄.温州地区近地强风特性实测研究[J].建筑结构学报,2010,31(10)：34-40.

［5］项海帆.现代桥梁抗风理论与实践[M].北京：人民交通出版社,2005,5.

［6］Xiao Yiqing,Sun Jianchao,Li Qiusheng.Turbulence integral scale and fluctuation wind speed spectrum of typhon：an analysis based on field measurements[J].Jouranal of Natural Disasters,2006,15(5)：45.

［7］王旭,黄鹏,顾明.基于台风“梅花”的近地层湍流积分尺度现场实测分析[J].同济大学学报：自然科学版,2012,40(10)：1491-1497.