夏波文

（同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，中國 上海200092）

0 引言

文獻(xiàn)[1]表明我國東南沿海地區(qū)每年多次遭遇臺風(fēng)登陸，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟損失和人口死亡。發(fā)達(dá)國家關(guān)于臺風(fēng)的研究[2]開展比較早，并且已經(jīng)取得了一定的成果。我國對強風(fēng)的研究也已經(jīng)展開，如湖南大學(xué)的研究人員在海南等地建立了關(guān)于臺風(fēng)的實測基地[3]，史文海等[4]在福建省幾個沿海城市也展開了對臺風(fēng)的觀測研究。

本課題組根據(jù)對東南沿海地區(qū)遭受風(fēng)災(zāi)的調(diào)查研究，在上海浦東國際機場附近建立了同濟大學(xué)實測基地，開展起對上海地區(qū)遭受臺風(fēng)的研究，該實測系統(tǒng)主要包括一棟可變坡度低矮足尺實測房和大小兩座測風(fēng)。利用測風(fēng)塔，獲得了一定臺風(fēng)實測數(shù)據(jù)的累積。本文主要根據(jù)40m測風(fēng)塔上10m高度處獲得的2014年臺風(fēng)“娜基莉”實測風(fēng)數(shù)據(jù)，分析了臺風(fēng)“娜基莉”影響下浦東地區(qū)的近地層風(fēng)特性，研究成果將為日后東南沿海地區(qū)的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計提供參考。

1 現(xiàn)場實測概況

1.1 臺風(fēng)“娜基莉”介紹

2014年第12號臺風(fēng)“娜基莉”于7月17日上午在馬紹爾群島西部海面上生成，8月1日上午2時加強成為熱帶風(fēng)暴，并出現(xiàn)雙中心互旋，并于8月3日上午5時減弱為熱帶低壓。“娜基莉”的詳細(xì)路徑如圖1。

圖1 臺風(fēng)“娜基莉”路徑Fig.1 Track of typhoon Neoguri

1.2 試驗儀器及設(shè)備

測風(fēng)塔位于北緯 31°11′46.36″；東經(jīng) 121°47′8.29″，緊鄰臨海泵站入?？?，實物布置如圖2。根據(jù)試驗的要求，將R M Young 81000型螺旋槳式風(fēng)速儀安裝在測風(fēng)塔10m高度處，用以采集來流風(fēng)速數(shù)據(jù)。風(fēng)速儀向正南安裝，風(fēng)向角定義為北方為0°，按俯視順時針增大。

圖2 測風(fēng)塔實物圖Fig.2 The physical mapsof the tower used to measure wind data

2 平均風(fēng)速和風(fēng)向

本文采用“矢量分解法”[5]對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了臺風(fēng)“娜基莉”影響下10m高度處風(fēng)速儀采集數(shù)據(jù)的平均風(fēng)速、平均風(fēng)向。

圖3 10min平均風(fēng)速和平均風(fēng)向隨時間的變化Fig.3 10-minute meanwind speed and mean wind angle

圖3給出了臺風(fēng)“娜基莉”擦過上海時10m高度處10min平均風(fēng)速、平均風(fēng)向角隨時間的變化（限于篇幅，本文只給出了8月1日14時32分開始往后的42個小時的數(shù)據(jù)）。從圖中，可以看出8月1日14時32分開始到8月2日凌晨4點左右，風(fēng)速處于下降段，風(fēng)速的峰值為10.5m/s左右。此后風(fēng)速開始又開始上升，在8月2日7點左右出現(xiàn)明顯的峰值，為9.5m/s。此后臺風(fēng)影響逐漸減弱，風(fēng)速逐漸減小。

10min平均風(fēng)向角的變化階段和平均風(fēng)速基本一致。在8月1日14時32分到8月2日凌晨4點間風(fēng)向角從50°逐漸減小到0°；從8月2日凌晨4點開始到8月2日19點，風(fēng)向角基本穩(wěn)定在340°左右；此后臺風(fēng)遠(yuǎn)離，風(fēng)速急劇減小，風(fēng)向角穩(wěn)定在280°左右。

3 近地風(fēng)脈動特性

3.1 陣風(fēng)因子

陣風(fēng)因子定義為短時距平均風(fēng)速的峰值隨較長參考時間平均風(fēng)速的比值，公式如下：

圖4反映了陣風(fēng)持續(xù)時間為3s時，臺風(fēng)“娜基莉”影響下10m高度各向陣風(fēng)因子隨10min平均風(fēng)速的關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，縱向的陣風(fēng)因子明顯大于橫向和豎向的陣風(fēng)因子；橫向的陣風(fēng)因子稍大于豎向陣風(fēng)因子；縱向、橫向和豎向陣風(fēng)因子隨10min平均風(fēng)速的增大呈減小的趨勢；10m高度的縱向陣風(fēng)因子均值為2.5，橫向陣風(fēng)因子的均值0.4，豎向陣風(fēng)因子的均值為0.2。

圖4 10m高度各向陣風(fēng)因子隨平均風(fēng)速的變化Fig.4 Anisotropy gust factor at 10 meters height versusmean wind speed

3.2 湍流度

湍流強度是衡量湍流強弱的重要指標(biāo)，也是確定結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的重要參數(shù)之一，定義為10min內(nèi)脈動風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)方差和相應(yīng)時距內(nèi)縱向平均風(fēng)速的比值，表達(dá)式為：

式中，σi為脈動風(fēng)速的的標(biāo)準(zhǔn)差；u,v,w分別表示為縱向、橫向、豎向脈動風(fēng)速分量。

圖5給出了臺風(fēng)“娜基莉”影響下10m高度處各向湍流度隨10min平均風(fēng)速的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，縱向、橫向和豎向的湍流度隨平均風(fēng)速的增大呈現(xiàn)減小的趨勢；縱向湍流度大于橫向湍流度，而橫向湍流度大于豎向湍流度；縱向湍流度為0.25，橫向為0.19，豎向為0.13。

3.3 湍流積分尺度

湍流在物理結(jié)構(gòu)上可以被認(rèn)為是由各種不同尺度的旋渦疊合而成的流動。風(fēng)工程中經(jīng)常采用以湍流積分尺度的形式表征各種湍流旋渦，表達(dá)式為：

基于實際獲取的數(shù)據(jù)難以在空間內(nèi)滿足要求，目前湍流積分尺度的研究多采用簡化的方法。本文采用自相關(guān)函數(shù)法，將空間多點轉(zhuǎn)化為時間單點自相關(guān)，同時積分上限取到自相關(guān)系數(shù)降到0.05的點[6]，式（3）被轉(zhuǎn)化推廣到三個方向上：

式中，Li表示縱向、橫向和豎向的湍流積分尺度；Ri(τ)表示各向脈動風(fēng)速自相關(guān)函數(shù)。

圖7給出了臺風(fēng)“娜基莉”影響下10m高度各向湍流積分尺度隨平均風(fēng)速的變化。從圖中可以看出，縱向、橫向和豎向的湍急積分尺度隨平均風(fēng)速的增大而減小；10m高度處，這與王旭等對臺風(fēng)“?？钡难芯恳恢?；湍流積分尺度的比值與黃鵬等對臺風(fēng)“梅花”的研究[7]一致，為 1：0.6：0.09。

圖5 10m高度各向湍流度隨平均風(fēng)速的變化Fig.5 Anisotropy turbulence intensity at 10 meters height versusmean wind speed

4 結(jié)論

本文根據(jù)浦東實測基地測得的2014年第12號臺風(fēng) “娜基莉”影響下的浦東地區(qū)近地風(fēng)速，研究了10米高度處近地風(fēng)特性，并得到如下結(jié)論：

（1）縱向的陣風(fēng)因子明顯大于橫向和豎向的陣風(fēng)因子；橫向的陣風(fēng)因子稍大于豎向陣風(fēng)因子；縱向、橫向和豎向陣風(fēng)因子隨10min平均風(fēng)速的增大呈減小的趨勢。

（2）縱向、橫向和豎向的湍流度隨平均風(fēng)速的增大呈現(xiàn)減小的趨勢；縱向湍流度大于橫向湍流度，而橫向湍流度大于豎向湍流度。

（3）10m高度處，縱向、橫向和豎向的湍急積分尺度隨平均風(fēng)速的增大而減小，湍流積分尺度的比值為 1：0.6：0.09。

［1］黃鵬,陶玲,全涌,顧明.浙江省沿海地區(qū)農(nóng)村房屋抗風(fēng)情況調(diào)研[J].災(zāi)害學(xué),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,李秋勝.低矮房屋風(fēng)荷載實測研究(Ⅰ)：登陸臺風(fēng)近地邊界層風(fēng)特性[J].土木工程學(xué)報,2012,45(2)：77-84.

［4］史文海,李正農(nóng),張傳雄.溫州地區(qū)近地強風(fēng)特性實測研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2010,31(10)：34-40.

［5］項海帆.現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)理論與實踐[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,黃鵬,顧明.基于臺風(fēng)“梅花”的近地層湍流積分尺度現(xiàn)場實測分析[J].同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2012,40(10)：1491-1497.