基于风观测塔的闽东北大风特性研究

林 雯，吴 力，孙朝锋，黄川容，孙蔡亮

（1.莆田市气象局，福建 莆田 351100；2.福建省气象服务中心，福建 福州 350008）

近地层的风速脉动对建筑和结构的影响较大，阵风因子是表征阵风风速和平均风速之间的转换系数，一般定义阵风因子为：

式中：T——平均风速的时距，s；t——阵风时距，s；V——时距T内的平均风速，m/s；Vmax——时距T内阵风时距为t的最大阵风风速，m/s；z——观测高度，m。

福建省闽东北地区包括宁德、福州、莆田受台风大风的影响最重，其次为冷空气大风和强对流大风。目前国内风荷载的规范主要是针对常态风的特性，对于湍流度强、风速很大的台风风场特性会存在差异，在风剖面表现上也有一定反映。国外已有建立阵风因子理论转换模型和风剖面特征规范，世界气象组织（WMO）的规范指引不一定适合我国沿海复杂地形的大风特性，闽东北地区的大风特性研究对福建沿海地区的防灾减灾和工程抗风设计有很好的参考依据。

目前国内在风特性方面已进行了不少的相关研究，台风条件下的大风特征分析也逐渐增多[1-3]。 董双林[4]统计分别得出阵风因子与平均风速、高度及地面粗糙度等的经验公式；宋丽莉等[5]分析了不同天气系统造成的大风阵性特征差异；陈雯超等[6]指出同一个观测塔也会因为不同方位下垫面的差异导致阵风因子等风特性参数有显著变化；周福等[7]利用自动气象站资料分析了近地面冷空气、热带气旋和强对流大风的阵风系数差异；胡波等[8-10]通过对浙江沿海台风和冬季大风的形成机制入手，比较阵风因子不同，并建立阵风因子与大气边界层要素关系的阵风循环预报模式，预报效果较好；刘军等[11]提出我国风剖面的改进公式，但缺少多地貌的平均风速沿高度变化的实测数据；李利孝等[12]和王旭等[13]均研究了指数律、对数律和D-H模型在描述台风风剖面上的适用性。本文以宁德市、福州市、莆田市11 座观测铁塔为研究对象，分别代表海岛、海边、山地的地理特征，根据各个铁塔地理位置将测风铁塔周围来向风划分为海面来风、陆地来风及混合地形来风。分析铁塔不同高度不同地貌来向风的风特性参数如阵风因子及转换系数差异，重点采用10 m/s 以上的高风速样本，并计算出表征下垫面地貌特征的地表或海表面粗糙度数值。最后根据铁塔最低层10 m 的参数结果，与WMO 的相似地貌的推荐值进行比较，分析WMO 的推荐值对我国福建沿海的风力计算及转换可否具备适用性。

1 资料与方法

1.1 资料来源

风观测资料来源于宁德市5座、福州市3座和莆田市3座共11 座观测铁塔，其中宁德5 座铁塔有3 座建在霞浦县的海边，1座建在嵛山海岛上，1座建在福鼎的山地上；福州2座分别建在长乐和福清的海边，1座建在平潭岛上；莆田在秀屿海边、南日岛上、仙游的山地各建1 座。数据为2010 年—2012年风向和风速数据，经过处理，计算出10 min 平均风速和风向数据，利用滑动平均整理得到10 min 内的2 min 最大风速及10 min 内的3 s 极大风速。11 个铁塔设置的测风高度均为在下垫面之上的10 m、30 m、50 m、70 m 高度，但宁德嵛山海岛和莆田南日岛的2个观测铁塔增加了100米的风观测，有5层数据。

1.2 转换系数计算方法

本文观测得到10 min 内2 min 和3 s 的最大阵风风速，其中10 min 为平均风速时距，2 min 和3 s 为滑动平均的最大阵风风速时距，后两者分别也称为极大风速和最大风速，分析极大风速和最大风速的转换关系对我国东南沿海的风特性研究有一定的意义。美国联合台风预警中心（JTWC）、日本气象厅（JMA）和中国气象局（CMA）分别采用1 min、10 min、2 min的最大阵风时距作为台风强度估计方法，所以台风强度估计的年际变化趋势存在差异[14]。定义10 min 平均时距内阵风时 距 为3 s、2 min 的 最 大 阵 风 风 速 分 别 为Vmax（3,600）和Vmax（120,600），两者之间的转换系数如式（2），其中阵风时距t1为2 min（120 s），t2为3 s：

1.3 对数律、指数律拟合方法

中性边界层的风速对数律为：

式中：κ——卡尔曼常数；u——摩擦速度，m/s，z——高度m；zo——粗糙度，m。

利用各层10 min 平均风速通过对数律高度拟合计算粗糙度和摩擦速度的具体过程如下：以横轴x表示lnz，纵轴y表示U的单对数图上，则式（3）变为一直线形式，根据实测四层或五层数据在坐标系上拟合成一对数剖面（该剖面为直线），直线的斜率和直线与纵轴的截距可得，分别为k和b，摩擦速度和粗糙度即可求，如式（4）、式（5）：

对数律拟合的前提应剔除不合理的样本，利用指数律进行风剖面拟合筛选合理的风剖面：①以第一层高度Z1和风速U1为参考值，保留幂指数0≤α≤0.5、确定系数R-square≥0.8 的样本，保证风速沿高度合理增加，如式（6）；②以观测数据为基准，选取对数律风廓线得到的预测数据与观测数据的四层或五层残差平方和平均值<0.1 且拟合相关系数R≥0.8 的样本，因为中性层结下要保证对数律风廓线不过分偏离观测数据。

2 观测场地下垫面来向风分类

11 座观测铁塔按不同方位的来向风所经过的下垫面分别分为海面来风、陆地来风及混合地形来风，具体见表1。

3 结果与分析

3.1 风特性参数

3.1.1 不同下垫面来向风、不同高度的阵风因子和转换系数差异

表2各层的阵风因子和转换系数的统计是基于10 min平均风速大于10 m/s 的较高风速样本。从表2 看出，10 m 高度上海面来风的阵风因子均小于陆地来风，混合地形下为有限风区，风先后经过海洋和陆面地表的复合型摩擦，阵风因子大小介于海面来风和陆地来风的数值之间，混合地形下10 m高度下由于受近地层地表摩擦作用较大，所以较为接近陆地来风大小；三种下垫面阵风因子G（3 s，10 min）差异表现明显，阵风因子G（3 s，10 min）均随观测高度增加呈现递减的趋势，G（2 min，10 min）无论是下垫面的不同还是高度的变化，变化都不大；转换系数Cf（2 min，3 s）表现为海面来风>混合地形>陆地来风，并随观测高度增加呈现递增的趋势。

表2 10~100 m海面来风、陆地来风及混合地形来风条件下的阵风因子及转换系数Tab.2 Gust factor and conversion coefficient under 10~100 m surface wind,land wind and mixed terrain wind conditions

3.1.2 阵风因子与风速的关系

取3 种下垫面的70 m 高度分析阵风因子与平均风速的关系，从图1 可以看出，随着平均风速的增大，陆地来风的阵风因子G（3 s，10 min）先增大，在16 m/s 以上的风速阵风因子有较明显减小；海面来风的阵风因子在风速20 m/s 以下的数值变化很小，风速超过22 m/s，阵风因子随风速增大有较明显增大；混合地形下的阵风因子随风速呈现波动，没有一定规律性，体现了不同下垫面的来向风对阵风因子大小的影响趋势存在差异；同时，陆地来风超过23 m/s 的高风速样本很少，无法在更高风速样本上与海面来风比较。

图1 70 m高度上阵风因子G（3 s,10 min）随10 min平均风速的变化Fig.1 Change of gust factor G(3 s,10 min)with 10 min average wind speed at 70 m altitude

3.2 不同来向风的下垫面地貌特征

本文通过观测数据的对数律拟合方法计算地表粗糙度或海面粗糙度Zo，为表征地表面或海表面空气动力学特征的重要参数之一，广泛应用于大气边界层的湍流属性参数化方案中，其在一定程度上反映了近地表气流与下垫面之间的物质和能量交换。

WMO 采用Wieringa 等[15]的方案给出8 种下垫面（海面、平整光滑、开阔、略粗糙开阔、粗糙、高粗糙、封闭型、多种遮挡物混合型）的粗糙度范围。如表3，除了东冲2 铁塔（编号13004）的其他5 个铁塔（编号13003、13005、13006、13007、13008）的海面来风Zo范围0.000 04~0.003 6 m，与WMO 的推荐范围0.000 2~0.005 m 较一致；陆地来风的下垫面（铁塔13001、13006、13011）Zo范围0.007~0.29 m，大部分样本与WMO的推荐下垫面包括开阔、较粗糙开阔型的Zo范围0.03~0.25 m 较一致，铁塔13009 陆地来风对应粗糙地形，铁塔13008 陆地来风对应高粗糙地形；混合地形介于海面和开阔下垫面之间，较接近于WMO 推荐的平整光滑和开阔下垫面Zo范围0.005~0.1 m。

表3 11座观测铁塔不同下垫面对应的粗糙度和摩擦速度Tab.3 The roughness and friction velocity of the different undersides of the observed tower

3.3 与WMO推荐值的对比分析

将10 m 高度的3 种下垫面来向风的阵风因子和转换系数与WMO 相似地貌下的推荐值进行比较，如表4，WMO根据Harper等的研究[16]将统计阵风因子和转换系数的下垫面类型分为4 种，根据其对4 种下垫面的描述将本文的陆地来风再细分为表4 的陆地风和离岸风，其中铁塔13011 为典型的陆地风类型，其他的陆地来风对应的铁塔位置建设在海岸线，为离岸风类型。同时，本文的海面来风对应WMO 的海面风类型，混合地形来风对应WMO的离海风下垫面类型。

从表4 看出，本文陆地风和离岸风的阵风因子比WMO的推荐值要偏小，离海风和海面风与WMO 的推荐值较为一致；与WMO 的转换系数推荐值比较，本文除了离岸风的数值偏大之外其他3 种下垫面的结果与之几乎一致，所以WMO的转换系数可适用于我国福建沿海10 m 高度不同阵风时距最大风的转换计算。

表4 不同下垫面来向风的阵风因子和转换系数与WMO推荐值的比较Tab.4 Comparison of wind gusts and conversion factors at different underlying surfaces with WMO recommended values

4 结论与讨论

（1）以宁德市、福州市、莆田市11 座观测铁塔为研究对象，将各个铁塔的周围下垫面来向风划分为海面来风、陆地来风及混合地形来风，根据WMO 推荐，再将陆地来风细分为陆地风和离岸风，海面来风对应WMO 的海面风，混合地形来风对应WMO的离海风。

（2）统计10 m/s 以上的高风速样本，分析不同高度不同地貌来向风的阵风因子和转换系数差异。阵风因子G（3 s,10 min）在不同下垫面有明显差异，同一高度为陆地来风>混合地形>海面来风，阵风因子G（3 s，10 min）均随观测高度增加呈现递减的趋势，转换系数Cf（2 min，3 s）表现为海面来风>混合地形>陆地来风；平均风速与阵风因子的关系为陆地来风下垫面上先随风速增大而先增大再减小，海面来风的阵风因子在风速20 m/s以下的数值变化很小，风速超过22 m/s，阵风因子随风速增大有较明显增大。

（3）海面来风Zo范围0.000 04~0.003 6 m；3 个铁塔的陆地来风Zo范围0.007~0.29 m，与WMO 的推荐下垫面包括开阔、较粗糙开阔型的地形较一致，另2个铁塔对应粗糙和高粗糙地形；混合地形较接近于WMO 推荐的平整光滑和开阔下垫面。

（4）10 m 高度与WMO推荐值比较，陆地风和离岸风的阵风因子比WMO的推荐值要偏小，离海风和海面风与WMO的推荐值较为一致；除了离岸风的转换系数较WMO 的偏大之外，其他3 种下垫面的结果几乎一致，WMO 的转换系数可适用于我国福建沿海10 m 高度不同阵风时距最大风的转换计算。