胡尚瑜, 聶功恒, 李秋勝, 張 敏

(1. 桂林理工大學(xué) 廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004;2. 香港城市大學(xué) 土木及建筑工程系, 中國 香港 999077)

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近海岸強(qiáng)風(fēng)風(fēng)場特性現(xiàn)場實(shí)測研究

胡尚瑜1,*, 聶功恒1, 李秋勝2, 張 敏1

(1. 桂林理工大學(xué) 廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004;2. 香港城市大學(xué) 土木及建筑工程系, 中國 香港 999077)

基于近海岸100 m測風(fēng)塔獲取的近海面地貌條件5個不同高度風(fēng)速數(shù)據(jù)。以10 m標(biāo)準(zhǔn)高度平均風(fēng)速大于10 m/s為強(qiáng)風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，選取臺風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場強(qiáng)風(fēng)樣本，應(yīng)用Bootstrap統(tǒng)計分析法，對強(qiáng)風(fēng)條件下近地層平均風(fēng)剖面、湍流強(qiáng)度剖面、湍流特征參數(shù)進(jìn)行分析，探討了臺風(fēng)和季風(fēng)條件下這些參數(shù)的差異，并將實(shí)測結(jié)果與風(fēng)荷載規(guī)范規(guī)定值進(jìn)行比較，檢驗(yàn)風(fēng)載荷規(guī)范的適宜性。分析結(jié)果表明 ：近地邊界層的平均風(fēng)剖面符合指數(shù)律或?qū)?shù)律，臺風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)剖面指數(shù)分別約為0.12和0.06；近地平均湍流度剖面符合指數(shù)律，臺風(fēng)風(fēng)場各高度平均湍流度與現(xiàn)行規(guī)范相接近；臺風(fēng)風(fēng)場各高度陣風(fēng)因子均值較風(fēng)荷載規(guī)范推算值要大，但季風(fēng)風(fēng)場陣風(fēng)因子均值與規(guī)范推算值相接近。

風(fēng)荷載；平均風(fēng)剖面；湍流度；陣風(fēng)因子；Bootstrap統(tǒng)計

0 引 言

近年來近海岸建筑和高聳結(jié)構(gòu)及超大跨度橋梁等工程不斷興建，近海岸工程的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計和安全可靠性顯得尤為重要。在強(qiáng)/臺風(fēng)極端條件下，近地風(fēng)場特性和結(jié)構(gòu)極值風(fēng)荷載的現(xiàn)場實(shí)測研究，對近海岸工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計和結(jié)構(gòu)安全評估有著重要的意義。近年來國內(nèi)外學(xué)者[1-10]通過移動測風(fēng)塔和近海岸觀測塔等各種測試平臺，獲取了大量的近地臺風(fēng)風(fēng)場數(shù)據(jù)。基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了近地平均風(fēng)剖面指數(shù)、湍流度、陣風(fēng)因子等物理量。由于受臺風(fēng)自身湍流結(jié)構(gòu)及隨機(jī)性，不同臺風(fēng)區(qū)域和不同強(qiáng)風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)及統(tǒng)計方法等因素影響，近地臺風(fēng)風(fēng)場湍流特性參數(shù)取值存在較大差異。

本文基于近海岸100 m測風(fēng)塔在2009～2011年期間測得的10 m、50 m、65m、80 m、100 m 5個不同高度實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)，以10 m高度平均風(fēng)速大于10 m/s為強(qiáng)風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，選取有效分析風(fēng)速樣本，應(yīng)用Bootstrap統(tǒng)計方法，對近海岸海面來流地貌條件，臺風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場的平均風(fēng)剖面、湍流強(qiáng)度剖面及相關(guān)湍流特征參數(shù)進(jìn)行分析，并探討了臺風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場近地層的平均風(fēng)剖面指數(shù)、湍流度和陣風(fēng)因子等參數(shù)的差異，同時將實(shí)測結(jié)果與風(fēng)荷載規(guī)范規(guī)定值進(jìn)行比較，檢驗(yàn)風(fēng)荷載規(guī)范的適宜性。本文研究結(jié)果可為近海岸工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計風(fēng)剖面參數(shù)取值提供參考。

1 近地邊界層風(fēng)特性

1.1 平均風(fēng)剖面

在強(qiáng)風(fēng)作用下，近地中性穩(wěn)定大氣邊界層的湍流主要由地面粗糙度控制，平均風(fēng)速剖面變化規(guī)律常認(rèn)為符合指數(shù)律或?qū)?shù)律[11-12]。

指數(shù)律模型：

式中：zR為參考高度；α為冪指數(shù)，其值與地貌狀況相關(guān)。

對數(shù)律模型：

式中：k為卡曼常數(shù)，取0.4；u*為摩擦速度；z0為地面粗糙度長度。

1.1.1 指數(shù)律模型擬合

依據(jù)指數(shù)律模型式可得：

各高度擬合計算風(fēng)速與實(shí)測風(fēng)速離差平方和計算式如下：

式中:U(z)為實(shí)測值，U(zi)為擬合計算風(fēng)速。

各高度擬合計算風(fēng)速與實(shí)測風(fēng)速離差平方和均方根誤差計算式如下：

擬合風(fēng)剖面的相對誤差大小定義為離差平方和均方根誤差與參考風(fēng)速大小的比值如下：

1.1.2 對數(shù)律模型擬合

依據(jù)對數(shù)律模型計算式可得：

應(yīng)用最小二乘法對各高度實(shí)測平均風(fēng)速進(jìn)行線性擬合，當(dāng)擬合計算風(fēng)速與實(shí)測風(fēng)速離差平方和趨于零，可得地面粗糙度z0的計算公式[13]如下：

摩擦速度定義為：

式中:τ0為地表的剪切應(yīng)力，ρ為空氣密度。本文摩擦速度依據(jù)地面粗糙度z0擬合值和不同高度的風(fēng)速代入公式(2)，運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，可得其對應(yīng)的摩擦速度u*擬合值。

1.2 湍流強(qiáng)度

湍流度反映了風(fēng)的脈動強(qiáng)度，是確定脈動風(fēng)荷載的關(guān)鍵參數(shù)之一。湍流度定義為平均時距的脈動風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差與水平方向平均風(fēng)速的比值：

式中σu為1s采樣頻率脈動風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差，文中的湍流度主要反映大尺度湍流脈動的特征。依據(jù)文獻(xiàn)[14]比較超聲測風(fēng)儀和NRG杯式測風(fēng)儀實(shí)測湍流強(qiáng)度分析，認(rèn)為兩個風(fēng)速儀獲得的湍流強(qiáng)度具有相同趨勢，超聲風(fēng)速儀的湍流強(qiáng)度略大于NRG杯式測風(fēng)儀，因而本文對NRG杯式測風(fēng)儀實(shí)測各高度的湍流強(qiáng)度乘以1.1進(jìn)行了相應(yīng)的修訂。

GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[15]給出了各高度平均湍流強(qiáng)度剖面計算式：

式中α為風(fēng)剖面指數(shù)，其值與地貌狀況相關(guān)。對應(yīng)于A類地貌，規(guī)范給定值為0.12。I10為10m高度名義湍流度，對應(yīng)A類地貌取值為0.12。

1.3 陣風(fēng)因子

風(fēng)的脈動強(qiáng)度也可用陣風(fēng)因子來表示。陣風(fēng)因子定義為陣風(fēng)持續(xù)期的平均風(fēng)速最大值與平均時距內(nèi)平均風(fēng)速的比值：

本文取陣風(fēng)持續(xù)期tg=3 s，平均時距T=10 min。

陣風(fēng)峰值因子定義為：

式中：Umax,tg為陣風(fēng)時距內(nèi)最大平均風(fēng)速。

陣風(fēng)因子和湍流度在物理上都表示風(fēng)速的脈動強(qiáng)度，相互關(guān)系可表示為：

依據(jù)式湍流強(qiáng)度剖面計算式(12)和式(15)可得各高度的陣風(fēng)因子剖面計算式：

1.4 Boostrap法分析思路

以選取梯度風(fēng)各高度范圍內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速樣本，采用指數(shù)律模型擬合得到各樣本的風(fēng)剖面指數(shù)計算序列(αs1,αs2，…，αsn)為例。運(yùn)用Bootstrap方法，統(tǒng)計分析風(fēng)剖面指數(shù)置信區(qū)間的分析思路如下：

4) 按步驟3)連續(xù)重復(fù)B次，即得到B個Bootstrap再生樣本，用矩陣表示為：

計算再生樣本的統(tǒng)計量：

其中：y″i=y″i1,y″i2,…,y″iB，i=1,2。

5) 根據(jù)再生樣本y″i，可以得到μ和σ2的估計:

2 現(xiàn)場實(shí)測及數(shù)據(jù)選取

2.1 實(shí)測系統(tǒng)及場地條件

測風(fēng)塔位于海南文昌木蘭頭，東經(jīng)110°44′，北緯20°09′，在離地面10 m、50 m、65 m、80 m、100 m高度處布設(shè)安裝了NRG-Symphonie型杯式風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速觀測，同時在50 m、65 m、100 m高度處安裝了風(fēng)向儀進(jìn)行風(fēng)向角的觀測。測試系統(tǒng)采樣頻率為1 Hz，每10 min輸出1組平均風(fēng)速風(fēng)向、極大風(fēng)速風(fēng)向和風(fēng)速、風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差等。觀測塔觀測地貌狀況：東北方位來流地貌條件為海面，距離海岸線約為50 m；西南方位為平坦開闊場地，下墊面為近地有2～3 m高的馬尾松防護(hù)林。

2.2 強(qiáng)風(fēng)樣本選取

2009年7月至2011年7月兩年期間，近海岸梯度風(fēng)觀測塔獲取的近地臺風(fēng)風(fēng)場及季風(fēng)風(fēng)場有效觀測樣本的極值風(fēng)速統(tǒng)計如表1所示，臺風(fēng)“彩虹” 實(shí)測3 s最大平均風(fēng)速為26.2 m/s，10 min最大平均風(fēng)速為20.4 m/s。臺風(fēng)“凱薩娜” 實(shí)測3 s最大平均風(fēng)速為26.2 m/s， 10 min最大平均風(fēng)速為20.3 m/s。臺風(fēng)“芭瑪”實(shí)測3 s最大平均風(fēng)速為20.1 m/s，10 min最大平均風(fēng)速為14.7 m/s。

表1 觀測樣本資料 Table 1 Observation of wind records used in study

本文以測風(fēng)塔10 m高度處10 min平均風(fēng)速大于10 m/s為強(qiáng)風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，選取臺風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場的強(qiáng)風(fēng)樣本數(shù)據(jù)，對近地邊界層風(fēng)特性進(jìn)行分析。10 m高度處臺風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)向角樣本分布如圖1(a、b)所示：臺風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場強(qiáng)風(fēng)樣本主要分布在30°～60°范圍內(nèi)，因而本文選取風(fēng)向角分布在30°～60°范圍內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)樣本，該方位來流地貌為近海面，考慮來流經(jīng)歷由海面地貌到近海岸地貌條件，存在內(nèi)部邊界層高度需確定問題。參考文獻(xiàn)[17]給出的內(nèi)部邊界高度計算公式，根據(jù)測風(fēng)塔距其海岸線大約為50 m，假設(shè)海面地貌粗糙度長度由0.002 m過渡到0.02 m地貌條件時，其內(nèi)部邊界層高度值約為7.1 m。因而本文實(shí)測各高度風(fēng)速實(shí)測大小反映來流為海面地貌條件下的邊界層風(fēng)速，旨在分析近海岸海面地貌狀況下臺風(fēng)風(fēng)場和季風(fēng)風(fēng)場特性。各觀測層的高度應(yīng)從海平面開始，根據(jù)實(shí)際量測測風(fēng)塔相對海面高度差約為4 m。同時考慮到強(qiáng)風(fēng)條件下受海浪的影響，測風(fēng)塔平面位置相對海面高度差近似取為3 m，即各觀測層的高度分別為13 m、53 m、68 m、83 m、103 m。

(a) 臺風(fēng)樣本

(b) 季風(fēng)樣本

3 風(fēng)特性分析

3.1 平均風(fēng)特性

選取來流為近海面地貌條件下，實(shí)測臺風(fēng)“彩虹”、“凱薩娜”、“芭瑪”及季風(fēng)風(fēng)場各觀測高度的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)，應(yīng)用對數(shù)律模型和指數(shù)律模型對風(fēng)剖面進(jìn)行最小二乘線性擬合?？紤]當(dāng)10 m高度風(fēng)速達(dá)到17.2 m/s時,風(fēng)力等級將達(dá)到八級大風(fēng)級。因而以風(fēng)速17.2 m/s為分界線對臺風(fēng)“凱薩娜”風(fēng)速劃分區(qū)間,區(qū)間[10,17.2)為“凱薩娜”(I),區(qū)間[17.2,20.3)為“凱薩娜”(II)。指數(shù)律、對數(shù)律風(fēng)剖面參數(shù)擬合值如表2所示：臺風(fēng)“彩虹”風(fēng)剖面指數(shù)α均值為0.122，應(yīng)用Boostrap法計算得到的風(fēng)剖面指數(shù)α均值在95%置信度條件下的置信區(qū)間為[0.115,0.130]；臺風(fēng) “凱薩娜”(I) 平均風(fēng)速小于17.2 m/s樣本的風(fēng)剖面指數(shù)α均值為0.128；臺風(fēng) “凱薩娜”(II) 平均風(fēng)速大于等于17.2 m/s大風(fēng)樣本的風(fēng)剖面指數(shù)α均值為0.119；“芭瑪”風(fēng)場風(fēng)剖面α指數(shù)均值范圍為0.118，各臺風(fēng)風(fēng)場與規(guī)范GB50009-2012中 A類地貌條件風(fēng)剖面指數(shù)α規(guī)定值0.120相近。季風(fēng)風(fēng)場風(fēng)剖面指數(shù)α均值為0.062，其95%置信區(qū)間為[0.060，0.063]。季風(fēng)風(fēng)場風(fēng)剖面指數(shù)α均值小于規(guī)范值和臺風(fēng)風(fēng)場值。臺風(fēng)風(fēng)場地面粗糙度長度和摩擦速度與平均風(fēng)速大小相關(guān)，與季風(fēng)風(fēng)場相比，地面粗糙度長度和摩擦速度相對增大。近地100 m 高度范圍內(nèi)的指數(shù)律和對數(shù)律剖面以及相關(guān)擬合曲線如圖2所示。由圖2(a)可知：“彩虹”臺風(fēng)近地層平均風(fēng)剖面各高度平均風(fēng)速變化規(guī)律符合指數(shù)律和對數(shù)律模型。同理由圖2(b-e)可知，指數(shù)律和對數(shù)律模型對臺風(fēng)“凱薩娜(I)、(II)”和 “芭瑪”及季風(fēng)風(fēng)場近地層平均風(fēng)剖面各高度風(fēng)速擬合基本較好，各臺風(fēng)指數(shù)律風(fēng)剖面擬合相對誤差值與參考風(fēng)速變化關(guān)系如圖2(f)所示，整體上相對誤差約為2%左右，表明強(qiáng)風(fēng)條件下指數(shù)律和對數(shù)律模型都能較好的反映近地100 m高度范圍內(nèi)的平均風(fēng)速變化規(guī)律。值得說明的是，在50～70 m 高度范圍，近地層存在一段風(fēng)速變化大小變化不明顯區(qū)間，這與文獻(xiàn)[18]在近海平坦地貌條件，海面來風(fēng)時，在50～70 m高度范圍，風(fēng)速大小變化不明顯，具有相似的現(xiàn)象，在高度60 m附近范圍存在強(qiáng)風(fēng)區(qū)段。其主要原因仍需要通過采用超聲風(fēng)速儀等資料分析其區(qū)間梯度風(fēng)變化規(guī)律及差異產(chǎn)生的原因。

表2 平均風(fēng)剖面參數(shù)Table 2 Parameters of mean wind speed

(a) 臺風(fēng)“彩虹”

(b) 臺風(fēng)“凱薩娜”(I)

(c) 臺風(fēng)“凱薩娜”(II)

(d) 臺風(fēng)“芭瑪”

(e) 季風(fēng)風(fēng)場

(f) 相對誤差

3.2 湍流特性

3.2.1 湍流強(qiáng)度及剖面

選取來流為近海面地貌條件下，實(shí)測臺風(fēng)“彩虹”、“凱薩娜”、“芭瑪”及季風(fēng)風(fēng)場各觀測高度的平均風(fēng)速及風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差的強(qiáng)風(fēng)樣本，統(tǒng)計分析了近海岸地貌下，臺風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場近地邊界層湍流度分布規(guī)律。如表3所示：“彩虹”、“凱薩娜”樣本(I)、(II)和“芭瑪”臺風(fēng)風(fēng)場13 m高度湍流強(qiáng)度均值分別為0.119、0.135、0.123和0.125，均值范圍為0.119～0.135，略大于現(xiàn)行規(guī)范A類地貌規(guī)范計算值0.116。季風(fēng)風(fēng)場13 m高度湍流強(qiáng)度均值為0.104，略小于現(xiàn)行規(guī)范A類地貌規(guī)范計算值。

如圖3所示，臺風(fēng)風(fēng)場平均湍流度沿高度變化規(guī)律符合指數(shù)律分布，各臺風(fēng)湍流強(qiáng)度平均剖面與現(xiàn)行規(guī)范給定值相接近。應(yīng)用公式(12)和實(shí)測風(fēng)剖面指數(shù)z0擬合值，采用最小二乘法線性擬合，可得“彩虹”、“凱薩娜”樣本(I)、(II)和 “芭瑪”臺風(fēng)風(fēng)場13m高度湍流度擬合值。同時考慮到13m高度的湍流實(shí)測值可能受到近地面干擾影響，在湍流特性參數(shù)擬合計算時未采用13m高度湍流實(shí)測值。擬合所得各臺風(fēng)13m高度湍流度擬合值分別為0.116、0.114、0.108和0.109，與規(guī)范給定計算值0.116較為接近，小于實(shí)測值。各高度的規(guī)范推薦值能較好反映實(shí)測各臺風(fēng)風(fēng)場平均湍流度剖面均值分布特性。從圖3(e)可以看出，季風(fēng)實(shí)測各高度湍流度明顯小于規(guī)范推薦值。同理對季風(fēng)風(fēng)場湍流剖面進(jìn)行擬合，可得季風(fēng)風(fēng)場13 m高度湍流度擬合值為0.078，小于13 m高度實(shí)測湍流度均值0.104和規(guī)范計算值0.116。近地13 m高度的湍流度的擬合值與實(shí)測值差別的主要原因是：通常湍流參數(shù)的內(nèi)邊界層高度是平均風(fēng)速的2倍，相對近地13 m高以下大氣湍流的更易受近地植被擾動作用影響。

表3 各高度的湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子統(tǒng)計Table 3 Parameter of wind turbulence intensity and gust factors statistics

(a) 臺風(fēng)“彩虹”

(c) 臺風(fēng)“凱薩娜”(II)

(b) 臺風(fēng)“凱薩娜”(I)

(d) 臺風(fēng)“芭瑪”

(e) 季風(fēng)風(fēng)場

3.2.2 陣風(fēng)因子及剖面

基于13 m、53 m、68 m、83 m、103 m 5個不同高度處相對應(yīng)的平均風(fēng)速及3 s最大陣風(fēng)風(fēng)速，統(tǒng)計分析臺風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場近地邊界層陣風(fēng)因子及剖面。如表3所示：臺風(fēng) “彩虹”、“凱薩娜(I)”、“凱薩娜(II)”和 “芭瑪”在13 m高度處的陣風(fēng)因子均值分別為1.33、1.38、1.36、1.37，略大于現(xiàn)行規(guī)范A類地貌規(guī)范計算值1.29。季風(fēng)風(fēng)場13 m高度陣風(fēng)因子均值為1.30，與現(xiàn)行規(guī)范A類地貌規(guī)范計算值接近。如圖4所示，實(shí)測臺風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場陣風(fēng)因子沿高度變化規(guī)律同樣符合指數(shù)律分布，臺風(fēng)風(fēng)場陣風(fēng)因子剖面大于現(xiàn)行規(guī)范給定值，季風(fēng)陣風(fēng)因子與規(guī)范推算值相接近。依據(jù)陣風(fēng)因子計算式(16)，采用實(shí)測風(fēng)剖面指數(shù)α擬合值和各臺風(fēng)風(fēng)場湍流強(qiáng)度剖面擬合13 m高度湍流度擬合值即I13取0.116、0.114、0.108和0.109，對各臺風(fēng)風(fēng)場陣風(fēng)因子剖面進(jìn)行最小二乘線性擬合。擬合“彩虹”、“凱薩娜”(I)、(II)和 “芭瑪”臺風(fēng)風(fēng)場的峰值因子g值分別為2.74、2.68、2.73和2.84，略大于規(guī)范給定值2.5。同理對季風(fēng)風(fēng)場陣風(fēng)因子剖面進(jìn)行擬合得季風(fēng)峰值因子g值為3.07，大于規(guī)范給定值。相對而言，近地13m高度的陣風(fēng)因子的擬合值與實(shí)測值差別的主要原因是受近地面干擾作用影響產(chǎn)生一定大尺度陣風(fēng)湍流。

(a) 臺風(fēng)“彩虹”

(b) 臺風(fēng)“凱薩娜”(I)

(c) 臺風(fēng)“凱薩娜”(II)

(d) 臺風(fēng)“芭瑪”

(e) 季風(fēng)

3.3 風(fēng)特性參數(shù)與平均風(fēng)速

選取臺風(fēng)“凱薩娜”(I)、(II)風(fēng)場樣本統(tǒng)計的風(fēng)特性參數(shù)，探討風(fēng)特性參數(shù)與平均風(fēng)速的相關(guān)性。臺風(fēng)風(fēng)場風(fēng)剖面指數(shù)與平均風(fēng)速的關(guān)系如圖5所示：臺風(fēng)風(fēng)剖面指數(shù)α隨平均風(fēng)速增大有減小趨勢。類似對數(shù)律擬合得臺風(fēng)風(fēng)場摩擦速度和地面粗糙度長度與平均風(fēng)速大小相關(guān)，如圖6、圖7所示，臺風(fēng)風(fēng)場地面粗糙度長度隨平均風(fēng)速增大而減少，而摩擦速度隨平均風(fēng)速增大而增大。

臺風(fēng)“凱薩娜”(I)、(II)風(fēng)場樣本的相對海面高度為13 m處的湍流強(qiáng)度與平均風(fēng)速的關(guān)系如圖8所均風(fēng)速增大而減少，而在平均風(fēng)速17.2～22 m/s區(qū)間范圍相對趨于平穩(wěn)。

圖5 風(fēng)剖面指數(shù)與平均風(fēng)速的關(guān)系Fig.5 Variation of power law index with mean wind speed

圖6 摩擦速度與平均風(fēng)速的關(guān)系Fig.6 Variation of friction with mean wind speed

示，在平均風(fēng)速10～22 m/s范圍內(nèi)，臺風(fēng)的湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速增大而減小，隨平均風(fēng)速的進(jìn)一步增大而相對趨于穩(wěn)定。相對海面高度為13 m處的陣風(fēng)因子與平均風(fēng)速的關(guān)系如圖9所示，臺風(fēng)風(fēng)場在平均風(fēng)速10～22 m/s范圍內(nèi)，陣風(fēng)因子隨平均風(fēng)速的變化相對穩(wěn)定。綜上所述，近海岸地貌強(qiáng)風(fēng)條件下，臺風(fēng)風(fēng)場風(fēng)剖面指數(shù)、湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子大于季風(fēng)風(fēng)場實(shí)測值。各臺風(fēng)風(fēng)場湍流參數(shù)隨著平均風(fēng)速增大有減小的趨勢，隨著風(fēng)速的繼續(xù)增大而趨于穩(wěn)定。與文獻(xiàn)[6-7]具有相似的結(jié)論，各臺風(fēng)風(fēng)場湍流參數(shù)隨著平均風(fēng)速增大而減少，而在平均風(fēng)速17.2～22 m/s區(qū)間范圍相對趨于平穩(wěn)。

圖7 地貌粗糙度與平均風(fēng)速的關(guān)系Fig.7 Variation of roughness with mean wind speed

圖9 陣風(fēng)因子與平均風(fēng)速的關(guān)系Fig.9 Variation of gust factor with mean wind speed

4 結(jié) 論

基于近地層風(fēng)場風(fēng)特性的實(shí)測強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速樣本，對近海岸地貌強(qiáng)風(fēng)條件下臺風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場參數(shù)如風(fēng)剖面指數(shù)、湍流度和陣風(fēng)因子等進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得到如下結(jié)論：

1) 強(qiáng)風(fēng)風(fēng)場近地平均風(fēng)速剖面符合指數(shù)律或?qū)?shù)律，臺風(fēng)風(fēng)場風(fēng)剖面指數(shù)α均值約為0.12，與規(guī)范規(guī)定值接近。季風(fēng)風(fēng)場風(fēng)剖面指數(shù)α均值為0.06，小于規(guī)范值。臺風(fēng)風(fēng)場地面粗糙度長度及摩擦速度較季風(fēng)風(fēng)場值偏大達(dá)70%；

2) 臺風(fēng)風(fēng)場平均湍流度剖面符合指數(shù)律分布，臺風(fēng)湍流強(qiáng)度平均剖面與規(guī)范A類地貌湍流強(qiáng)度推算值相一致。季風(fēng)風(fēng)場各高度實(shí)測湍流度明顯小于規(guī)范給定值；

3) 臺風(fēng)風(fēng)場陣風(fēng)因子剖面變化規(guī)律同樣符合相應(yīng)的平均風(fēng)速剖面α指數(shù)律分布。臺風(fēng)風(fēng)場陣風(fēng)因子剖面大于現(xiàn)行規(guī)范給定值，季風(fēng)風(fēng)場陣風(fēng)因子與規(guī)范給定值接近；

4) 臺風(fēng)風(fēng)場平均風(fēng)剖面α指數(shù)、湍流度和陣風(fēng)因子大于季風(fēng)風(fēng)場實(shí)測值。各臺風(fēng)風(fēng)場湍流參數(shù)隨著平均風(fēng)速增大而減少，而在平均風(fēng)速17.2～22 m/s區(qū)間范圍相對趨于平穩(wěn)。

討論：本文依據(jù)近海岸觀測塔獲取的臺風(fēng)和季風(fēng)強(qiáng)風(fēng)特性的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出了近海岸海面地貌條件下近地平均風(fēng)速剖面、湍流度剖面及陣風(fēng)因子剖面的變化規(guī)律與現(xiàn)行規(guī)范A類地貌條件推薦值具有較好的一致性，但具體量值存在的差異，風(fēng)速剖面參數(shù)化仍需要更多的有效實(shí)測強(qiáng)風(fēng)樣本確定和驗(yàn)證。

致謝:感謝中國華能海南文昌風(fēng)電廠提供的實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)。

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Field measurement study on wind characteristics of strong windstorm in coastal terrain

Hu Shangyu1,*, Nie Gongheng1, Li Qiusheng2, Zhang Min1

(1.GuangxiKeyLaboratoryofNewEnergyandBuildingEnergySaving,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China; 2.DepartmentofBuildingandConstruction,CityUniversityofHongKong,HongKong999077)

Mean wind speed and wind turbulence characteristics of strong winds in surface boundary layer were studied by bootstrap method based on strong wind data sample in accordance with 10m height and mean wind speed higher than 10 m/s. The strong wind data were recorded from 100 m meteorological tower at sites near seashore with strong wind conditions and coastal terrain. The major objective of the paper is to further understand differences between near ground typhoon-generated and monsoon wind characteristics. Furthermore, the estimated wind profile and turbulence profiles were compared to those stipulated by wind loads Standard to verify the suitability of the wind load specification.The results reveal that in the near-surface range vertical distribution of mean wind speed can be well described by a logarithmic law and a power law. The mean values of exponent of the power-law profile are 0.12 and 0.06 for the coastal terrain in the typhoons and monsoon wind climates, respectively. The variation of the mean longitudinal turbulence intensity with varing height approximately follows a power law. The mean value of longitudinal turbulence intensity at five heights was fitting the results of the turbulence intensity profile. The profile is which was approximately same as that stipulated in wind loads Standard for coastal terrain exposure. Meanwhile, the measured gust factor of typhoons is larger than that stipulated in wind loads Standard for the coastal terrain exposure, but for the monsoon, it is close to the code value.

wind loads; mean wind speed profile; turbulence intensity; gust factor; bootstrap statistics

0258-1825(2017)02-0242-09

2015-10-21;

2015-12-08

國家自然科學(xué)基金(51308140,51668015); 廣西自然科學(xué)基金(2015GXNSFAA139251);廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(16-J-21-7);廣西高校科研項目(2013YB103)

胡尚瑜*(1981-)，男，湖南永州人，工學(xué)博士，副教授, 研究方向: 結(jié)構(gòu)風(fēng)工程. E-mail:hushangyu@glut.edu.cn

胡尚瑜, 聶功恒, 李秋勝. 近海岸強(qiáng)風(fēng)風(fēng)場特性現(xiàn)場實(shí)測研究[J]. 空氣動力學(xué)學(xué)報, 2017, 35(2): 242-250.

10.7638/kqdlxxb-2015.0009 Hu S Y, Nie G H, Li Q S. Field measurement studyon wind characteristics of strong windstorm in coastal terrain[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2017, 35(2): 242-250.

TU312.1

A doi: 10.7638/kqdlxxb-2015.0009