衣海林

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 臺(tái)風(fēng)路徑及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

“美莎克”于2020年8月28日15時(shí)發(fā)源于在菲律賓呂宋島以東，在原地回旋后，轉(zhuǎn)向偏北轉(zhuǎn)北偏西方向的東海東南部海面移動(dòng)，9月1日5時(shí)定義為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。此后“美莎克”逐漸轉(zhuǎn)向北偏東方向移動(dòng)，強(qiáng)度轉(zhuǎn)趨減弱，于9月3日1時(shí)韓國(guó)慶尚南道沿海登陸，后繼續(xù)北上，并于9月3日13時(shí)移入中國(guó)吉林省，隨后停止編號(hào)。

帽兒山風(fēng)環(huán)境觀測(cè)塔坐落在中國(guó)黑龍江帽兒山國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(北緯45°24′，東經(jīng)127°40′)附近。該區(qū)域位于我國(guó)東北部，但是今年受到太平洋信風(fēng)影響，臺(tái)風(fēng)登陸影響東北地區(qū)的次數(shù)較往年相比較多。觀測(cè)站設(shè)置有50 m高的觀測(cè)塔，分別設(shè)置有5個(gè)來自英國(guó)GILL的三維超聲波風(fēng)速傳感器WindMaster來分析研究復(fù)雜地形林區(qū)的季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)特性。風(fēng)速觀測(cè)層距地面距離分別為5 m、10 m、20 m、35 m和50 m，傳感器的采樣頻率設(shè)置為10 Hz，本次研究由于篇幅有限，只使用50 m高度的風(fēng)速數(shù)據(jù)來分析處理。

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，將數(shù)據(jù)劃分為10 min時(shí)間間隔處理分析。使用超聲波風(fēng)速計(jì)可以獲得三個(gè)方向的風(fēng)速矢量數(shù)據(jù)，即Ux，Uy和Uz。統(tǒng)計(jì)時(shí)距內(nèi)的平均風(fēng)速U和對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)向角β分別根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算

(1)

(2)

順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎向的脈動(dòng)風(fēng)速分別為u、v和w,可以通過以下公式計(jì)算

u=Uxcosβ+Uysinβ-U

(3)

v=Uycosβ+Uxsinβ

(4)

w=Uz-W

(5)

2.2 湍流強(qiáng)度

湍流強(qiáng)度可以表征實(shí)測(cè)脈 動(dòng)風(fēng)速的強(qiáng)烈程度，作為描述大氣湍流強(qiáng)弱的重要統(tǒng)計(jì)參數(shù)，計(jì)算公式可表示為

(6)

2.3 陣風(fēng)因子

陣風(fēng)因子定義是在陣風(fēng)持續(xù)周期內(nèi)最大平均風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速之比，表達(dá)式為

(7)

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(9)

式中：tg是陣風(fēng)持續(xù)周期，u(tg)、v(tg)和w(tg)是陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間內(nèi)各個(gè)方向的脈動(dòng)風(fēng)速的大小。

3 數(shù)據(jù)處理分析

通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理得到2020年9月3日20時(shí)到9月4日20時(shí)時(shí)間段內(nèi)，總共24 h的平均風(fēng)速和風(fēng)向圖，可以看出平均風(fēng)向開始時(shí)60°～180°，隨后發(fā)生變化，并在隨后的時(shí)間段內(nèi)穩(wěn)定在180°～240°之間。在整個(gè)影響過程中，平均風(fēng)速大小隨時(shí)間不斷變化，說明由于受到臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)端風(fēng)場(chǎng)的影響且觀測(cè)地離臺(tái)風(fēng)中心距離的不斷改變，導(dǎo)致風(fēng)速?gòu)?qiáng)度隨時(shí)間影響不斷發(fā)生變化。

3.1 湍流強(qiáng)度

以規(guī)范要求的10 min統(tǒng)計(jì)時(shí)間計(jì)算得到的湍流強(qiáng)度來研究臺(tái)風(fēng)“美莎克”的脈動(dòng)風(fēng)特性。圖1分別給出了橫風(fēng)向、順風(fēng)向和豎風(fēng)向湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速大小的變化圖，圖中可以看出三個(gè)方向的湍流強(qiáng)度大小整體為Iu>Iv>Iw，而且隨著平均風(fēng)速的增加，各個(gè)方向的湍流強(qiáng)度也會(huì)隨之減小，其中，順風(fēng)向湍流強(qiáng)度減小幅度最大。

圖1 湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速變化

規(guī)范給出的湍流強(qiáng)度比為1∶0.88∶0.50，表1是“美莎克”的各個(gè)方向的湍流強(qiáng)度比值。顯然跟規(guī)范值有很大的差距，但是Iv/Iu接近規(guī)范值0.88。

表1 臺(tái)風(fēng)“美莎克”的湍流強(qiáng)度比

3.2 陣風(fēng)因子

為研究使用不同的陣風(fēng)持續(xù)周期tg對(duì)計(jì)算得到的陣風(fēng)因子大小的影響。

圖2給出此次臺(tái)風(fēng)過程中，不同陣風(fēng)持續(xù)周期(1 s、3 s和60 s)下的橫風(fēng)向、順風(fēng)向和豎向陣風(fēng)因子隨平均風(fēng)速變化圖?？梢詮膱D中看出：隨著持續(xù)周期和平均風(fēng)速的增加，三個(gè)方向的陣風(fēng)因子均有不同程度的下降。并且，1 s和3 s的短持續(xù)周期下的陣風(fēng)因子比60 s的陣風(fēng)因子隨風(fēng)速大小變化更加明顯。陣風(fēng)持續(xù)周期為1 s和3 s下陣風(fēng)因子與60 s陣風(fēng)因子相比，離散程度更高。這意味著在短持續(xù)周期條件下，陣風(fēng)效應(yīng)更明顯，但更具有離散性。而且低風(fēng)速下陣風(fēng)因子的離散性要比高風(fēng)速下更高。

圖2 不同方向陣風(fēng)因子隨風(fēng)速變化

3.3 湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子的關(guān)系

陣風(fēng)因子、湍流強(qiáng)度以及陣風(fēng)持續(xù)周期的關(guān)系是風(fēng)的脈動(dòng)特性分析中十分重要的參數(shù)。目前很多學(xué)者根據(jù)實(shí)測(cè)風(fēng)速樣本擬合得到了了三者之間的關(guān)系。其中Ishizaki給出了以下公式

(10)

式中:取基本時(shí)距T為10 min，tg取3 s。順風(fēng)向的陣風(fēng)因子與湍流強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示?；谏鲜龉绞褂米钚《朔〝M合結(jié)果為a=0.49，b=0.88，即湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子有很強(qiáng)的正相關(guān)性。并且由于不同地區(qū)的風(fēng)特性下，湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子的擬合參數(shù)通常有很大的差別，并沒有統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因此需要大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來揭示兩者的關(guān)系，為當(dāng)?shù)乜癸L(fēng)設(shè)計(jì)給與參考。

圖3 湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子的關(guān)系

4 結(jié) 論

利用超聲波風(fēng)速傳感器對(duì)受到遠(yuǎn)端臺(tái)風(fēng)“美莎克”影響下的帽兒山附近復(fù)雜地形林區(qū)的風(fēng)速特征進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，主要得到以下結(jié)論：

(1)受臺(tái)風(fēng)“美莎克”遠(yuǎn)端風(fēng)場(chǎng)的影響下，觀測(cè)地的平均風(fēng)向角隨時(shí)間先增加，然后主要在分布在180°～240°之間，平均風(fēng)速?gòu)?qiáng)度隨時(shí)間不斷變化。

(2)臺(tái)風(fēng)“美莎克”遠(yuǎn)端風(fēng)場(chǎng)，各個(gè)方向的湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速的增加而減小，湍流強(qiáng)度比與規(guī)范相差較大，但是，Iv/Iu接近規(guī)范值0.88。

(3)臺(tái)風(fēng)“美莎克”遠(yuǎn)端風(fēng)場(chǎng)影響下，各個(gè)方向的陣風(fēng)因子會(huì)隨著陣風(fēng)持續(xù)周期和平均風(fēng)速的增加而有所下降。