福建滨海区台风过程风特性实测及分析

林 立， 陈政清， 华旭刚， 陈 锴， 夏丹丹， 卓卫东

(1. 湖南大学土木工程学院, 湖南 长沙 410012; 2. 厦门理工学院海西风工程研究中心， 福建 厦门 361024;3. 福州大学土木工程学院， 福建 福州 350108)

0 引言

福建滨海地区遭受经常性台风灾害侵袭， 使抗风安全成为大跨、 高耸等风敏感工程风险控制的关键因素. 由于工程结构所处地域、 风环境不同， 导致实际风特性参数具有鲜明的区域特征， 因此， 需要在更精确的地区风场参数基础上进行临海工程的抗风设计. 根据福建省近30年的地区台风气象数据及灾害记录， 在福建省临海开阔场地进行实地调研， 综合现场大风试测结果， 在福建省平潭县流水镇王爷山山顶区架设风场实时监测系统. 该系统于2016年11月安装完成， 2017年7月份观测并记录了双台风“纳沙”和“海棠”中心风眼区经过前后的完整登陆过程. 根据实测风速资料， 对近地边界层台风风特性进行研究和分析.

1 观测台站及台风数据来源

1.1 平潭王爷山观测站

王爷山测风塔塔高约50 m， 地理位置为东经119°52′23″E， 北纬25°33′24″N， 塔基海拔高度182.8 m， 周边地势开阔， 植被低矮. 该塔坐落于我国极大风区之一的福建省平潭海坛岛东部， 东临台湾海峡， 西侧为平坦的海边地貌， 海面开阔， 测风塔地理位置和周边地貌如图1所示. 测风仪器安装铁塔原为信号塔， 经改装实现风观测数据功能， 沿竖向梯度分别在塔身10、 26、 32 m处布设测风仪器， 测风站塔身如图2所示.

图1 王爷山测风塔站周围地形图Fig.1 Topographic map of the Mount Wangye wind measurement tower and surrounding area

图2 王爷山测风塔Fig.2 Mount Wangye wind measurement tower

此次实测中使用的风数据采样仪器采用英国Gill公司生产的高性能三维超声风速仪Wind Master Pro， 仪器主要参数如下： 风速量程0～65 m·s-1， 分辨率0.01 m·s-1； 现场选用10 Hz样本输出频率， 同时自动生成判别码， 作为数据质量控制参考.

1.2 台风纳沙和台风海棠

台风“纳沙”和台风“海棠”先后到达同一登陆地点， 时间间隔不超过24 h. 2017年第9号台风“纳沙”于7月30日6时在福建省福清市登陆， 登陆时中心最大风力达到12级， 最低气压为97.5 kPa. 与王爷山测风塔最短直线距离为24.5 km， 实测10 min平均风速最大值为37.8 m·s-1， 台风登陆时风速时程曲线呈现明显的M型双峰式变化， 风向转角变化约170°. 2017年第10台风“海棠”于2017年7月31日02时50分登陆， 登陆时中心附近最大风力为8级， 最低气压为99.0 kPa， 在福建境内与“纳沙”残余环流合并北上， 使得“海棠”在登陆后能量得到加强， 持续影响时间更长. 台风“纳沙”及台风“海棠”的经过前后风速时程曲线如图3所示.

图3 台风“纳沙”和“海棠”登陆前后平均风速/风向时程图Fig.3 Average wind speed/wind time history before and after landing of typhoon “Nesat” and “Haitang”

1.3 数据样本选取

因为仪器自身或是外部环境影响， 导致风特性观测的时序数据存在数据坏点或不合理点. 本研究对数据坏点进行五点三次插值替换[1]， 并利用3 Hz低通滤波对数据进行过滤， 以减少采样频率带来的误差. 选取10 min平均风速大于17.2 m·s-1以上的采样数据为分析样本， 同时平均风向角选取双台风风眼区经过前后的主导风向NNE(11.25°～33.75°)和S(168.75°～191.25°)转角范围进行分析.

2 平均风特性

风剖面作为土木工程抗风设计的重要因素， 是准确估计结构风荷载的关键参数. 平均风速剖面变化规律常认为符合指数律[2]或对数律[3]. 台风登陆期间风眼区经过前后的风速剖面采用最小二乘法进行拟合， 如图4所示. 由图4可知， 指数律和对数律均符合近地层实测风剖面的变化趋势, 风眼区经过前指数率和对数率风剖面经验方程的地面粗糙度拟合参数分别为α=0.169，z0=0.045 5， 均大于风眼区经过后的相对应的地面粗糙度拟合参数值(α=0.122，z0=0.004 7).

图4 台风风剖面拟合Fig.4 Fitting of wind profile of typhoon

3 脉动风特性

3.1 湍流强度

湍流强度反应了风的脉动强度， 是确定脉动风荷载的关键参数[2-3]， 表达式如下：

(1)

式中：σi为脉动风速u(t),v(t),w(t)的均方根.

表1 湍流强度实测平均值统计量

不同高度处基于实测数据的湍流强度计算值如表1所示， 可知随实测高度位置的增加， 纵风向湍流强度随之下降， 风眼区经过前计算得到的湍流强度要比风眼区经过后高. 台风风眼区经过前后10 m高度处实测的湍流强度值如图5所示. 台风风眼区经过前后， 10 m高度处湍流强度离散性较小， 各向湍流强度稳定在均值附近.

图5 10 m高度处三维湍流强度实测值Fig.5 Measured 3D turbulence intensity at the height of 10 m

根据拟合风剖面系数， 获得中国(GB50009-2012)[4]、 美国(ASCE7-10)[5]、 日本(AIJ-RLB-2004)[6]规范的纵风向湍流强度剖面曲线， 如图6所示. 可知美、 日规范明显较中国规范中的建议值要大， 同时偏离实测值的程度也相对较大， 实测湍流强度剖面拟合曲线与规范GB50009-2012最为接近.

图6 湍流强度剖面 Fig.6 Turbulence intensity profile

3.2 湍流积分尺度

脉动风湍流积分尺度是与湍流中空间两点脉动风速相关性关联的参数， 积分尺度的大小决定了脉动风对结构的影响范围， 表达方程[7]如下所示：

(2)

表2 湍流积分尺度实测均值统计

测得风塔各高度处的湍流积分尺度如表2所示， 可以发现风眼区经过前， 纵风向湍流积分尺度随高度呈线性增加， 风眼区经过后， 纵风向湍流积分尺度在26 m以上的变化幅度很小. 在10 m高度监测点， 台风风眼区经过前后两种风场下的三维湍流积分尺度如图7所示， 可知纵风向和横风向湍流积分尺度的离散性很大， 而竖向湍流积分尺度则相对较为稳定.

图7 实测10 m高度处三维湍流积分尺度Fig.7 Measured 3D turbulence integral length scale at the height of 10 m

3.3 阵风因子

阵风因子为短时距tg内风速均值的最大值与参考时间T平均风速的比值， 表达方程[8]如下所示：

(3)

式中：Gu(tg,T)为持时tg内的纵风向阵风因子；u(tg)为持时tg的脉动风速.

表3 实测阵风因子均值

不同高度处利用实测数据得到的阵风因子如表3所示， 可知在相同离地高度下， 风眼区经过前的强风风场计算得到的阵风因子均要比经过后的强风风场高. 10 m高度处台风不同来流方向的持时3 s实测三维阵风因子计算值， 如图8所示， 台风风眼区经过前后的三维阵风因子实测值稳定在均值附近， 离散性较小. 基于实测结果， 对纵风向的阵风因子进行曲线拟合， 如图9所示.

图8 实测10 m高度处三维阵风因子Fig.8 measured 3D gust factors at the height of 10 m

图9 阵风因子剖面Fig.9 Gust factor profile

3.4 风速功率谱

根据Kolmogorov湍流理论， 频域内脉动风功率谱可由如下的经验表达式[9-10]来表达：

(4)

在上述脉动风速谱特征以及实测数据的基础上， 国内外学者提出了不同形式的脉动风速谱经验表达式， 并应用于不同国家的规范， 如Von Karman谱[11]， Davenport谱[12]， Panofsky谱[13]， Lumley-Panofsky谱[14].

图10 台风期间实测纵风向功率谱 (z=10 m)Fig.10 Longitudinal wind direction power spectrums during typhoon (z=10 m)

图11 台风期间实测竖向风速谱 (z=32 m)Fig.11 Vertical wind speed spectrum during typhoon (z=32 m)

图12 纵风向风速谱拟合 (z=32 m)Fig.12 Fitting of wind speed spectrum of longitudinal wind direction (z=32 m)

图13 竖向风向风速谱拟合 (z=32 m)Fig.13 Fitting of vertical wind speed spectrum (z=32 m)

4 结语

基于近地风场风特性的实测强风风速样本， 对中国福建东南沿海地貌台风极端气候下的平均风特性和脉动风特性进行统计分析， 得到如下结论：

1) 指数律模型、 对数律模型与实测风剖面的变化规律均较为吻合， 台风眼区经过前的风剖面应用指数率和对数率的拟合参数值(α=0.169，z0=0.045 5 m)大于风眼区经过后的拟合参数值(α=0.122，z0=0.004 7 m).

2) 湍流强度随实测高度位置的增加而减小， 台风风眼区经过前的实测湍流强度值比风眼区经过后要大； 拟合实测湍流强度剖面， 接近指数分布， 美、 中、 日规范中， 中国规范GB 5009-2012推荐湍流强度剖面最接近实测情况.

3) 湍流积分尺度相较于其他脉动风特性参数， 其离散性较大， 其中竖向湍流积分尺度相对于纵风向和横风向则较为稳定； 风眼区经过前， 纵风向湍流积分尺度随高度呈线性增加， 风眼区经过后， 纵风向湍流积分尺度在26 m以上趋于稳定.

4) 阵风因子随高度的增加而减小， 风眼区经过后的阵风因子出现衰减.

5) 实测风速功率谱与传统的经验谱拟合性较弱， 不同区域的实际风场适应不同的经验谱. 因此， 对实测风速谱进行拟合， 得到的当地台风风场风速功率谱及相应谱参数， 可为该地区工程设计提供参考.