（大气物理学与大气环境专业论文）不同下垫面登陆台风的风特性研究.pdf

摘要 不同下垫面登陆台风的风特性研究 专业：大气物理学与大气环境 硕士生：陈雯超 指导老师：宋丽莉范绍佳 摘要 利用设置于广东沿海、海岸和海上的梯度风观测系统、超声测风仪和廓线雷 达观测资料，在进行严格的数据质量控制和台风特征代表性判别基础上，选取测 风站获取的强台风“黑格比”、台风“鹦鹉 和“莫拉菲 过程观测资料以及近 1 年的常态风数据，依据实测资料计算给出的观测点周边各方位下挚面粗糙度长 度参数，将下垫面进行分类，依此对比分析登陆台风在粗糙长度不同的下挚面条 件下近地层风的湍流特性，包括：湍流强度、阵风系数、积分尺度、脉动风能量 谱和近地层1 0 0 0 米以下的风速垂直廓线特性等。对实测资料的分析研究发现： ( 1 ) 利用近地层梯度风观测资料，采用对数风廓线计算方法给出的下挚面粗 糙长度参数，能够细致地刻画观测塔周边各方位下垫面特征，并与相应方位的阵 风系数、湍流强度等脉动风参数有很好的一致性； ( 2 ) 下垫面的动力作用对阵风系数有显著的影响。下垫面粗糙长度越大，阵 风系数越大；同一塔站各方位下垫面的粗糙长度差异越大，导致该站不同方位的 阵风系数差异也越大；阵风系数随高度而减小，其垂直变化可以用l o m 阵风系数 与高度的函数来表示；阵风系数随平均风速时距的增大和阵风持续时间的减小而 增大； ( 3 ) 粗糙度越大的下垫面，湍流强度越强、积分空间尺度越大、时间长度越 长。台风状况下三维方向的湍流强度呈i u i v i 啊, 的规律，与现行规范相比，横 向和竖向湍强相对于纵向湍强的比值都略小。台风湍涡的平均空间积分尺度也高 于规范的推荐值。 v 摘要 ( 4 ) 在台风眼壁强风区，无论下垫面粗糙程度如何，湍流能谱在惯性子区内 均不满足- 5 1 3 律与各向同性的假设，而在在外围风区则均可以满足- 5 1 3 律与各 向同性的假设；下垫面越粗糙，湍流谱能值越大； ( 5 ) 粗糙下垫面的梯度风高度要高于平坦下挚面的梯度风高度。台风强j x l 期 的梯度风高度高于规范取值，并且各类下垫面梯度风高度差异较规范推荐值大。 可见现行规范的梯度风高度取值可能并不适用于台风强风条件；在梯度风高度以 下，下垫面的粗糙长度越大，风速随高度增加也越快。 关键词：登陆台风、下垫面粗糙度、湍流参数、风特性 v i a b s t t a c t a n a l y s i so n w i n dc h a r a c t e r i s t i c so f l a n d i n g t y p h o o no v e rd i f f e r e n tu n d e r l y i n gs u r f a c e s m a jo r ：a t m o s p h e r i cp h y s i c sa n da t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t n a m e ：c h e nw e n c h a o d i r e c t e db yp r o f e s s o rs o n gl i l ia n df a ns h a o j i a a b s t r a c t o b s e r v a t i o nd a t aa r eo b t a i n e db yt h e c u pa n e m o m e t e r sa n du l t r a s o n i c a n e m o m e t e r sw h i c ha r ei n s t a l l e do nt h eg r a d i e n tw i n do b s e r v a t o r yt o w e rl o c a t e da t c o a s t a la n di n s h o r ea r e ao fg u a n g d o n g s t r i c tq u a l i t yc o n t r o lo fd a t aa r ed o n ea n d t y p h o o nc h a r a c t e r i s t i cr e p r e s e n t a t i v ej u d g m e n t sa r em a d eb e f o r ec h o o s i n gt h ed a t ao f s t r o n gt y p h o o nh a g u p i t ，t y p h o o nm o l a v e , t y p h o o nn u r ia n dt h en o r m a lw i n dd a t ai n n e a r l yo n ey e a r r o u g h n e s sl e n g t h so ft h eu n d e r l y i n gs u r f a c eo fe a c ho r i e n t a t i o na r c c a l c u l a t e d t h eu n d e r l y i n gs u r f a c e sd i v i s i o na r em a d eb a s i so nt h er o u g h n e s sl e n g t h s t h et u r b u l e n c ec h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n gt u r b u l e n c ei n t e n s i t y , g u s tf a c t o r , i n t e g r a l s c a l e ，t u r b u l e n te n e r g ys p e c t r u ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f 、) i ，i n dp r o f i l eo v e rt h e s u r f a c el0 0 0 mb e l o wa r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w ： ( 1 ) r o u g h n e s sl e n g t h sw h i c ha l ec a l c u l a t e du s i n gl o g a r i t h m i cw i n dp r o f i l e f i t t i n gc a l lr e p r e s e n tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eu n d e r l y i n gs u r f a c ea c c u r a t e l y t h e t u r b u l e n c ep a r a m e t e r ss u c ha sg u s tf a c t o r , t u r b u l e n c ei n t e n s i t y , e t c a r ca l s oc o n s i s t e n t 、析t l lt h er o u g h n e s sl e n g t h ( 2 ) t h eu n d e r l y i n gs u r f a c eh a sp r o n o u n c e dd y n a m i ce f f e c to nt h eg u s tf a c t o r t h eg u s tf a c t o ri n c r e a s ew i t ht h er o u g h n e s sl e n g t h t h el a g e rd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e u n d e r l y i n gs u r f a c e so f d i f f e r e n to r i e n t a t i o n sr e s u l t si nl a r g e rd i s c r e p a n c yi ng u s tf a c t o r o fd i f f e r e n to r i e n t a t i o n s t h ev a r i a t i o no ft h ed e c r e a s i n gg u s tf a c t o rw i t hh e i g h tc a nb e c a l c u l a t e db yt h ef u n c t i o no fg u s tf a c t o ra tlo ma n dh e i g h t t h eg u s tf a c t o ri si n c r e a s e v a b s t r a c t w i t ht h ea v e r a g i n gp e r i o do fm e a nw i n ds p e e da n dd e c r e a s ew i t ht h e a v e r a g i n gp e r i o d w i t hg u s ts p e e d ( 3 ) t h et u r b u l e n c ei n t e n s i t yi ss t r o n g e r , t h es p a c ei n t e g r a ls c a l ei sl a r g e ra n dt i m e p e r i o di sl o n g e ro v e rt h er o u g h e ru n d e r l y i n gs u r f a c e d u r i n gt h et y p h o o np e r i o d ，t h e 3 dt u r b u l e n c ei n t e n s i t yd i s p l a yl u i v 1 w r a t i o so fl a t e r a la n dv e r t i c a lc o m p o n e n t s t ol o n g i t u d i n a lc o m p o n e n ta r es m a l l e rt h a nt h ec r i t e r i o n t h es p a c ei n t e g r a ls c a l ei s l a r g e rt h a nt h er e f e r e n c ev a l u eg i v e nb yc r i t e r i o n ( 4 ) t h et u r b u l e n te n e r g ys p e c t r u m so ft h ei n s h o r ea n do f f s h o r e 、 ，i n da tt h e i n s h o r ea r e ad o n ts a t i s f yt h e 一5 3l a wa n dt h ea s s u m p t i o no fi s o t r o p yr e a l t h ee y e w a l lr e g i o no ft y p h o o nr i om a t t e rh o w r o u g l li st h eu n d e r l y i n gs u r f a c e ，b u ti tf i t sw e l l i nt h e p e r i p h e r yo ft y p h o o n t h et u r b u l e n te n e r g yi sl a r g e ro v e rt h er o u g h e r u n d e r l y i n gs u r f a c e ( 5 ) t h eg r a d i e n tl e v e li sh i g h e ro v e rt h er o u g h e ru n d e r l y i n gs u r f a c e b o t ho ft h e s t r o n gw i n d sg r a d i e n tl e v e ld u r i n gt y p h o o np e r i o da n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e u n d e r l y i n gs u r f a c e sa r el a r g e rt h a nt h er e f e r e n c ev a l u eo ft h ec r i t e r i o n i ti ss u g g e s t e d t h a tp r o b a b l yt h ec r i t e r i o ni su n s u i t a b l eu n d e rt y p h o o nc o n d i t i o n , t h ew i n ds p e e d i n c r e a s e sw i t hh e i g h tm o r er a p i d l yo v e rt h er o u g h e ru n d e r l y i n gs u r f a c eb e l o wt h e g r a d i e n tl e v e l k e yw o r d ：l a n d i n gt y p h o o n ，r o u g h n e s sl e n g t ho fu n d e r l y i n gs u r f a c e ，t u r b u l e n c e p a r a m e t e r , w i n dc h a r a c t e r i s t i c v 1 1 1 论文原创性声明 本入郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明弓l 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：伍囊跫 日期：c 2 4 7 口年6 月i o 日 i i 第一章引言 第一章引言 1 1 研究目的和意义 台风是我国沿海地区城市规划建设、重大工程结构设计以及沿海和海上风电 场抗风的控制性因子，强风对建筑物或构筑物的作用( 风荷载) 可分为平均风产 生的静力作用和脉动风产生的动力作用，其中脉动风的随机荷载所导致的结构振 动往往是台风破坏作用的关键因子，随着现代建筑和结构向高耸、大跨和柔性的 方向发展，结构抗风设计需要全面、详细地了解台风这种强烈的复杂的大气运动 现象在近地层的风况特性，从而为工程设计提供精细、科学、合理的依据，同时 也为我国沿海地区台风预报服务和相关部门防台减灾提供重要参考。 我国现行的抗风规范和台风预报服务产品一般只给出单一的平均风和最大 风速值，极少描述和刻画不同下垫面条件下登陆台风的平均和脉动风况，实际观 测资料显示，台风强风来自不同性质下挚面，其风特性会产生显著变化，尤其对 台风的湍流特性有十分显著的影响，这种影响将对工程安全和工程投资产生重大 改变，因此本论文将利用设置于广东沿海测风塔梯度风观测系统、超声测风仪和 廓线雷达观测资料，计算分析各塔周边下挚面特征参数、不同下垫面条件下登陆 台风的湍流强度、阵风系数、积分尺度、脉动风能量谱和近地层1 0 0 0 米以下的 风速垂直廓线特性等，力求定量刻画各种风特性因子。 1 2 国内外相关研究进展 下垫面表征参数一粗糙长度 地表粗糙长度z 。是表征下垫面空气动力学特征的重要参数，定义为近地层 风速向下递减为零的高度m 。地表粗糙长度越大，其对大气曳力作用越强，使得 湍流增强、梯度风( 定义为水平气压梯度力、水平科氏力和离心力三力平衡下的 水平运动乜1 ) 高度越高。d a v e n p o t d l 在利用多个测站多年的测风数据在幂指数风 廓线的基础上，首先给出了不同类型的地表粗糙度指数。w i e r i n g a h l 在此基础上 做了一些修正，给出了8 大类地表的粗糙长度。：风对结构的作用一风工程导论 啼1 中给出了主要供结构工程计算使用的各类型地形的粗糙长度( 表1 - 1 ) 。一些国 家对测站具体的下垫面情况都进行了记录和分类，例如p o w e l l 等嘲将 第一章引言 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 探测仪应用于热带气旋下海洋边界层的风廓线 测量，并建立了美国受热带气旋影响的2 1 1 个地面自动气象站和3 0 个沿海海洋 自动气象站8 个方位的下垫面情况资料库，包括粗糙长度和零平面位移的数值和 观测站点各方位照片。在我国仍没建立完整详细的测站下垫面资料库，本文将尝 试根据塔站下垫面的粗糙长度对其进行分类分析。 表卜1 各种类型地面的地面粗糙长度z 0 粗糙长度的计算有多种方法，胡张保等盯3 对风温观测确定方法和粗糙元形态 学方法这两类粗糙长度的计算方法进行了介绍，并指出粗糙元形态学方法由于涉 及较多影响因子，应用上存在困难，若与卫星遥感技术结合将有更好的发展前景。 刘小平等睛1 介绍了对数风廓线拟合法、质量守恒法、压力中心法、无因次化风速 法和阻力法，并指出在实际应用计算中使用最多的是对数廓线拟合法，但该方法 只适用于风速服从对数分布时，且对数据质量有较高的要求。张强等徊1 针对城市 下垫面分析了动量粗糙长度的决定因素主要是城市粗糙元的几何特征，并给出了 以建筑物高度和覆盖度为主要因子的确定动量粗糙长度的简化关系式。同样的计 算公式、不同计算方法得到的粗糙长度也有差异。杨明元n 们用同样的对数风廓线 的粗糙长度计算方法，分别对观测数据计算每次数据的粗糙长度再求平均和先求 得风速比值的平均值再计算粗糙长度的方法进行了比较，发现后者计算得到粗糙 长度更为合理。李军等n 利用美国地质调查局的数值高层模型数据和土地利用数 据，结合g i s 技术给出了中国地表粗糙长度的空间分布特征，基本放映了中国地 形和和土地覆盖特征。本文将利用梯度测风塔约1 年的资料运用对数廓线拟合的 方法来计算粗糙长度。 台风边界层湍流参数 由于地表摩擦作用，湍流成为边界层大气的重要运动形式，湍流对地表与大 气间的动量输送、热量输送、水汽交换以及物质的输送都起着主要作用n 副。湍流 2 第一章弓i 富 具有随机性、非线性、扩散性、涡旋性和耗散性。刻画湍流的主要统计参数包括： 1 ) 阵风系数：阵风风速和平均风速之间的转换系数，可以直观地表达风的阵性 特征；2 ) 湍流强度：风速标准差和平均风速的比值来表示，也是衡量风场扰 动程度的指标；3 ) 湍流积分尺度：分为空间积分尺度和时间积分尺度，空间积分 尺度表示湍涡的尺寸大小，时间积分尺度反映湍涡寿命的长短。4 ) 湍流能谱：不 同频率的湍涡所携带的湍流动能密度，用以描述脉动风不同频率下的能量分布， 一般包括低频含能区、中频惯性副区和高频粘性耗散区。湍流的能量是由低频部 分的大湍涡向小湍涡传递，通过小湍涡的分子粘性耗散变为热能。低频部分尺度 较大的湍涡是支撑湍流运动的主体，是能量的提供者。根据k o l m o g r o v e 理论， 当雷诺数很大时，在局地均匀各向同性的区域内，惯性副区的一维时间谱的能能 谱值与频率成- 5 3 次方的关系。 1 9 4 0 年秋，主跨8 5 3 m 的美国塔科马悬索桥在风速不到2 0 m s 的风吹袭下， 桥面扭曲翻腾最终折断的事件，引起了人们对风致结构振动的关注。6 0 年代 a g d a v e n p o r t 提出风振理论以来，风的紊流特性日益受到重视n 羽。在现今建筑 工程逐渐向超高层、大跨度、结构更为复杂的发展趋势下，阵风作用下的结构响 应和应对措施已经成为风工程研究的突出问题n 钔。台风涡旋风场内部还存在众多 尺度不一的涡旋，其湍流结构区别于其他天气系统。要分析台风的致灾机理就必 须对台风的湍流特性展开研究。 。 目前在我国气象和风工程领域，一般以l o m i n 时距内风速的平均值定义为 “平均风速 ( 这也是世界气象组织规定的平均风速标准) ，以3 s 时距内风速的 平均值定义为“阵风风速一。但由于在气象观测上，各国对风速观测的平均时距 不一致，例如，关岛、日本和中国等各地对台风风速的测量采用的时距是不一样 的。对于台风近中心最大风速的平均时距，j t w c ( 美国海军的联合台风预警中心) 采用l m i n 的平均风速；而r s m c ( r 本气象厅的区域气象中心) 采用w m o 所建议的 l o m i n 的平均风速。我国s t i ( 上海台风研究所) 整编的 ：热带气旋年鉴以前的 t c 资料中的台风最大风速通常采用2 m i n 的平均风速，而近年则主要使用l o m i n 平均时距。另外，各国在房屋建筑风荷载设计中所用到的基本风速的时距也不一 致n 引，例如：中国一般采用l o m i n 时距，英国和澳大利亚取3 s 时距；美国采用 l 英里风速时距，加拿大取l h 的平均风速时距。这些不同时距的风速资料无论 第一章引言 在风工程还是气象领域都会造成混乱。不同时距的平均风速具有不同的风速范 围、脉动的特点，所以由不同时距风速所得出的风参数也会存在明显的差异。就 此w m o 的技术报告n 6 1 已经提出针对热带气旋条件下，海上，陆地、离岸和离海几 种不同下垫面的不同时距阵风系数之间的转换。但是由于w m o 计算阵风系数所用 的资料基本来自于美国和澳大利亚，不一定适合中国的情况，因此本文将探索适 用于中国热带气旋条件下不同时距风速转换系数。 在阵风系数研究方面，w m o 口6 1 根据下垫面的状况分别给出内陆、离岸、离海 和海上4 种情况下不同的平均风时距和阵风持续时间的阵风系数的推荐值。而我 国的建筑规范也给出了四种不同类型的下垫面下不同高度的阵风系数参考值。 a n a e s s n 刀等针对陡峭山脊的背风面的建筑经常遭受较大风灾的情况，设置了1 个开阔地面的参考观测站和2 个位于山脊背风面的观测站。而通过对比观测数据 发现山脊背风面测站的阵风系数变幅比开阔下垫面的测站剧烈，且3 个测站的阵 风系数没有明显的依赖于风速而变化趋势。h a r s t v e i t 等n 町将位于山区的气象观 测点的风速观测资料按风向每1 0 。为一组对不同高度层的摩擦速度、湍流强度 以及阵风系数进行分析，结果发现下垫面的不均一使得湍流参数也有很大的差 异。董双林n 钔通过对阵风极值的统计进行拟合给出了2 s 阵风因子与稳定风速的 关系和阵风因子随高度的变化关系。c h o i 啪3 分1 6 个方位来计算各方位的阵风系 数，并发现了雷暴风和季风的阵风系数均发现在树木和居民区的方位，阵风系数 明显较大，雷暴风的阵风系数是非雷暴风的1 5 2 倍。 针对台风强风下的阵风，国内外也进行了较多的研究。s h u y a n gc a o 等心订 对台风“鸣蝉”经过期间的边界层观测资料根据台风前后的不同风向来进行分析， 指出纵向风的阵风系数随阵风的持续时间的增加而减小，阵风系数随风速基本不 变。台风经过前的东风的阵风系数和湍流强度都略大于台风经过后的西风的阵风 系数和湍流强度，至于引起这一现象的是水面波动、粗糙长度还是海浪状念? c a o 没有作进一步的分析。j o h n 等瞳2 3 在台风“班妮期间利用车载风速观测塔进行 风速测量，分析得到阵风系数随粗糙长度增加而增大的线性关系和得出阵风系数 随阵风持续时间的增大而减小的变化曲线。宋丽莉等啪1 利用广东沿海岸边的2 个测风塔在4 个热带气旋中的测风资料分析了大风过程中近地层的阵风特性、演 变规律、垂直切变和空间分布等特征。宋指出近地层阵风系数在无热带气旋影响 4 第一章引言 时随高度的增加而稳定减小，而在台风过程中都观测到阵风系数垂直廓线波动很 大，且都有随高度增大的趋势。l i 等乜铂在台风“莎莉”期间利用分别设置在超 高层建筑香港中环广场3 5 0 m 和深圳地王大厦3 4 7 5 m 处的超声仪器进行风特性观 测。通过分析发现香港观测点的阵风系数要大于深圳观测点的阵风系数，且认为 可能是由于香港中环广场附近存在许多高层建筑与山脉。由此可见地形对风特性 有强烈的影响。 在湍流强度、湍流积分尺度和湍流功率谱的分析方面，庞加斌等让司通过在风 洞中模拟了不同方位来向的湍流风场对湍流积分尺度进行分析，试验证明了 t a y l o r 假设的合理性，并指出直接积分自相关函数和自拟合模型比较适合用于 风洞中单点测量积分尺度。通过对比不同方位湍流风场的模拟结果发现在由于地 形而造成的复杂湍流风谱不符合k a r m a n 谱。胡非等啪1 在北京市通过观测试验分 析城市冠层的湍流特性，发现城市冠层的湍流强度和标准差都要交平坦下垫面边 界层的湍流强度大，城市冠层的阻力系数较大，可达到0 0 6 2 5 。故晓红等1 通 过对比水平湍流风谱v o nk a r m a n 谱、d a v e n p o r t 谱、s i m i u 谱和垂直湍流风谱 p a n o f s k y 谱、l u m l e y p a n o f s k y 谱对台风“派比安实测风资料的拟合度，发现 水平风谱y o nk a r m a n 谱的拟合度最好，而垂直风谱与台风实测j x i i 谱吻合不好。 宋丽莉等啪通过对三个登陆台风的湍流脉动进行实验观测发现在登陆台风的中 心附近，湍流积分尺度、湍能均有明显的增大，且在惯性子区不满足- 5 3 律：。 在台风环流外围，湍谱在惯性子区则基本符合各向同性与一5 3 律。肖仪清等汹1 通过对比几种水平风谱与台风实测风谱，发现v o nk a r m a n 谱拟合效果最优，且 基于v o nk a r m a n 谱为纵向脉动风谱根据各向同性所推导得到的水平横向脉动风 谱与实测谱也比较吻合，证明了各向同性湍流理论的适用性。l i 等瞳门在台风“莎 莉期间利用分别设置在超高层建筑香港中环广场3 5 0 m 和深圳地王大厦3 4 7 5 m 处的超声仪器的观测数据进行谱分析发现y o nk a r m a n 谱能很好地描述两个观测 点的台风风谱。n i n g 等啪1 将9 种不同几何体型和横纵比的建筑模型放入风洞中 进行测试，对风洞试验得到的风谱分析发现，纵向风的湍流脉动风谱随模型几何 体型和高度变化不明显，当模型宽度较小时，气流倾向于向侧面流去从而减弱了 下沉气流效应，因此纵向湍流脉动谱对高度的变化不敏感。章小方等弘1 1 利用设置 在北京铁塔五个高度层的超声风速仪的资料，分析在不同天气条件下边界层大气 5 第一章引言 的湍流谱特征和其垂直分布特征。分析发现水平风速低频谱在“谱间隙”区的十 几到几十分钟的频率范围内存在几个峰值，且在不同高度峰值频率不同。许丽人 等。挫3 利用戈壁、雪面和城郊三种下垫面的风温等湍流脉动观测数据分析了不同下 垫面近地层湍流的结构特征，发现地表粗糙长度的增加使三维方向的湍强都增 大；三种下鹅面的湍谱在惯性子区都满足“- 2 3 律，戈壁和城郊的湍流尺度比 雪面的大。茅宇豪等对比分析1 1 种下垫面的空气动力学参数，结果表明粗糙 长度与生物量、地表起伏程度成正比；摩擦速度随风速的增加而增大，同样的风 速下，草地的摩擦速度要较沙丘大，因此草地对减小风速防止沙漠化有较大作用。 c a o 和t e m u r a m l 在风洞中模拟风流过的光滑和放有粗糙元的平地和山坡，分析两 种粗糙度情况下的风廓线、湍流廓线与入流风谱发现光滑的地面和粗糙的山坡会 减小风速加速比，即粗糙来流经过光滑山坡的情况下风速加速比最大，粗糙的山 坡会使风速加速率减小；经过光滑和粗糙山坡后在的湍流廓线都会在山峰的位置 出现湍流极大值；从风谱来看，光滑和粗糙山坡的风功率谱在惯性子区都符合 - 2 3 律。h e n r y 5 1 根据w i e r i n g a 的不同地形的粗糙长度参数表给出不同高度的 湍流强度、湍流积分尺度与粗糙长度的变化关系，为风工程的计算提供可靠的大 气近地层湍流参数参考值。 鉴于各国对风参数的时距不统一，越来越多学者对不同时距的风参数的转换 进行研究对比。蔡凝吴等啪3 通过对热带风暴“黄蜂 的观测，比较了不同时距下 登陆台风的风速、风向和强度，指出风速范围随着时距的增加而减小，作者通过 统计方法给出了不同时距风速的转换公式。张树生等m 1 总结了涉外工程要注意的 问题，其中包括不同时距平均风速的转换和不同重现期对风速的转换，并给出高 耸结构设计手册中不同时距平均风速的换算公式( 式1 - 1 ) 和换算系数( 表1 - 2 ) 。 v 0 = r i p ( 卜1 ) 式中v o 为l o m 高处l o m i n 的风速，为换算系数。 表1 - 2 不同时距平均风速换算系数 风速时距l h l o m i n5 m i n2 m i nl m i n3 0 s2 0 sl o s5 s 瞬时 换算系数0 9 4 11 0 71 1 61 21 2 61 2 81 3 51 3 91 5 中国与英国风荷载计算中指出两国在计算中所用的平均风速时距分别是 6 第一章引言 l o m i n 和l h ，刘刚啪1 为了对两国风荷载规范进行比较，也利用了表1 - 2 对不同时 距风速进行转换。杜尧东等侧在计算徐闻气象站的l o m 高度重现期l o m i n 平均最 大风速，利用应用气象手册给出的时距变换公式h 。= o 8 8 v 2 + 0 8 0 将2 m i n 平均的 最大风速记录转换成l o m i n 平均风速进行计算。各种规范中的平均风速转换主要 是基于常态风况下，针对强烈天气系统如台风下的不同时距风参数的转换研究较 少。由于强风天气对结构的重要影响，因此有必要弄清强风天气下的风参数转换 以保证结构设计正确。 台风近地层风廓线 风廓线是指风速随高度的变化。风廓线的特征决定着建筑物、桥梁、风障、 污染物扩散和风力涡轮机的结构。在大气边界层，由于下垫面的作用，风随高度 增加而增大，当风速不再受下垫面的影响时的高度称为梯度风高度呻1 。梯度风高 度是建筑设计尤其是高层建筑风荷载设计中一个重要的设计指标。现有建筑结构 荷载规范“门将地面粗糙度分成四类，并给出了4 类下垫面的梯度风高度( 表1 - 3 ) ， 风速随高度的变化按下式确定： ，一、口 吃= h lz _ ，2 2i ( a 为地面粗糙度指数)( 卜1 ) 表1 - 3 不同类型地表面的a 值与梯度风高度 目前进行风速垂直变化探测手段主要有梯度铁塔、雷达、系留气球( 气艇) 、 低空探测仪、飞机探测等。国内外学者在大气边界层风的垂直变化方面进行了大 量的观测试验：b a il e y 等h 2 1 研究表明：幂指数律主要取决子大气稳定性、风速、 粗糙度和高度间隔。在稳定大气层结条件下，简单的对数律求风速可能会低估风 剖线，而在不稳定大气层结条件下，会轻微高估。j k r d l 等h 3 1 分别用g u m b e l 曲 线和b e s tl i n e a ru n b i a s e de s t i m a t e d ( 线性) 拟合对比风速模拟情况，结果表 7 第一章引言 明，拟合阵风风速小于实际阵风。g u o li a n gl i u 等h 钔用模拟大气边界层来获取 地表粗糙度和摩擦速度，来模拟风廓线，这种方法模拟效果较好。在对比城区和 郊区的风垂直分布中，发现城区早上风垂直分布变化比郊区小，午后出现弱急流； 不同郊区风向不同，风廓线也不同，说明风廓线也受建筑物的影响；在3 0 0 m 以 上风向一致，下层变化较多。在国内赵德山等h 副利用8 0 m 铁塔的观测资料分析非 均匀地面下的风廓线，发现地面粗糙度突变对各种层结下的风廓线都有明显的影 响，会使风廓线出现一个“拐点 。拐点的高度与两种地面粗糙度突变线到观测 点的水平距离有关。卞林根等n 6 1 利用系留气艇分别在北京的城区与郊区4 个观测 点进行对比风温观测。结果发现郊区风速大于城区，午后的热岛效应对城区的风 速有加大的作用，在1 0 0 2 0 0 m 以下城区和郊区的风廓线都出现拐点，3 0 0 m 以上 风向基本趋于一致。李明华等h 7 1 在分别代表城市群上风向的清远、代表城市群的 广州番禺和代表珠江口的新垦进行探空观测，分析了秋季珠江三角洲的大气边界 层温度和风廓线特征。发现由于受多种局地环流的影响，大气边界层风廓线比较 复杂。晚上三地风向差异明显。当系统风较小时，城市群观测点出现热岛环流， 珠江口观测点出现海风环流。王志春等h 町利用徐闻铁塔的测风资料计算不同风速 下幂指数律的风速指数，发现风速指数q 值和风速指数的标准偏差都随风速的增 大而减小，并指出在风能评估过程中应结合观测资料求得风速指数均值，减小计 算误差。宋丽莉等1 利用广东沿海岸边的2 个测风塔在4 个热带气旋中的测风资 料也分析幂指数律的风速指数a 值的变化。发现q 值具有明显的日变化，峰值出 现在凌晨到0 7 时之间，谷值在午后出现。晴天q 值比典型阴天的a 值高一个量 级，热带气旋大风的q 值比该地无台风影响时的平均状况小。赵鸣等h 们利用北京 3 2 5 m 气象塔的观测资料，分析了近中性塔风廓线的基本特征，发现在5 0 m 以下 风速较好地符合对数律，越往上，偏差越大，实测风速要大于对数律计算的风速。 辛跳儿等嘲利用风廓线仪获取的上海世博园上空的测风资料分析了三维风场的 变化特征，发现了城市“热岛效应和海陆风效应的存在。通过对比代表城市下 垫面风场的世博园风廓线和代表郊区平坦地形的浦东机场的风廓线进行对比，发 现城市风速要小于郊区，低层的风速由于受下垫面影响较大，风速较大时，在 1 4 0 m 高度处两个测点的相关系数仅为一1 1 ，随着高度增加，风速的大小受下垫 面的影响减小，在3 3 0 m 处两点的风速相关系数高达8 7 。张光智等睛用风廓线 8 第一章引言 仪对强热带风暴“黄蜂”过程进行观测，通过分析台风登陆前后风廓线小时平均 相对于日平均的的脉动风场发现台风登陆前扰动风速加大，达l o m s 以上，从而 造成风雨灾害。 9 第= 章资料概况与处理 第二章资料概况与处理 2 1 基础赞料选取 为了研究登陆台风在不同f 垫面下的m 况特征，本文选取了能够比较鲜明地 代表不同下垫面特征的5 个观测点观测的，具有台风典型风场特征的实测资料进 行分析。观测环境见图2 1 和表2 1 。 幽2 一l a 峙仔岛l o o m 观测塔位置图2 一l b 吴阳金海湾7 0 n 观测塔位置 圈2 一l c 覃口, 8 0 m 观* i 塔位置田2 一l d 东莞沙e b 6 0 m 观测塔位置 图2 一l e 珠海观测点位置 第二章资科概况- i 处理 西北侧离海岸约4 4 k m 的无人轴式风速仪： 址在由 小岛，该小岛露出海面的部分长约 i o m 、2 0 m 、4 0m 、6 0 m 、8 0 m 、i o o m ，2 恶1 。2 6 2 0 n e 9 o r e , 魁逐j 渐4 蒜撇淼? 善搿黼删“6 弧 ：豳羞l ：l 象塔位于小岛最高点，塔基离海平超声风速仪： 一7 面1 0 1 ，周围的地面长有稀疏的杂设置在6 0 m 进行三维瞬时风速记录 草。 吴阳气象塔位于海岸边，海岸线为轴式风速仪： 2 l 。1 9 5 9 7 n 东北一西南走向，塔基离海平面l o m 、3 0 m 、5 0m 、7 0 m 设置风速观 1 1 0 。4 1 5 1 4 8 e1 0 m ，下垫面平坦，周围植被低矮。 测；1 0 m 、7 0 m 设置风向观测 ( 图2 - 1 b ) 覃巴 2 1 。2 3 1 9 3 2 一n 1 1 0 。4 9 5 6 7 e ( 图2 - i c ) 气象塔位于海岸边，附近海岸 线为东一西走向，塔基离海平面 1 9 m ，下垫面比较平坦，周围植被 低矮，有居民区稀疏分布其附近 沙田位于珠江口入口处，气象塔设 2 2 。5 l 1 5 i n 置在江边，西面临江，观测塔下垫 1 1 3 。3 4 4 8 5 e 面地势平坦，以耕地为主。塔基离 ( 图2 - 1 d ) 海平面5 m ，其周围的地面长有稀疏 的杂草和低矮的树木。 珠海 2 2 。1 4 4 7 7 一n 1 1 3 。3 5 3 5 5 e ( 图2 - 1 e ) 位于海边，附近为较密集的居 民区，其南面和西面临海，西北面 离测站1 2 k m 和9 k m 处分别有海拔 l o o m 和4 0 0 m 的山丘。 轴式风速仪： 1 2 m 、3 0 m 、5 0 m 、7 0 m 、8 0 m 设置风 速观测，l o m 、7 5 m 设置风向观测 轴式风速仪： l o m 、2 0 m 、4 0 珥、6 0 m 、8 0 n l 设置风 速、风向观测 超声风速仪： 设置在7 5 m 进行三维瞬时风速记录 风廓线雷达： 探测高度为5 0 - 3 4 5 0 m ，记录水平风 速、风向、垂直风速、大气湍流结 构常数、信噪比 2 2 仪器性能和数据采集方式 选取的5 个观测点仪器设置包括梯度风系统和超声风速仪、廓线雷达( 见表 2 一1 ) ，各类仪器的性能和数据采集方式可以满足台风强风边界层观测要求。 w i n d m a s t e rp r o 型三维超声风速风向仪 观测使用的超声风速仪为英国g i l l 公司生产的w i n d m a s t e rp r o 型三维超声 风速风向仪( 图2 - 2 ) ，该仪器使用环境温度一4 0 - - 7 0 。c ，最大风速量程为6 5 m s ， 仪器内部采样频率为3 2 h z ，传感器外壳采用的是海洋研究级别的3 1 6 不锈钢材 料。一流的设计提高了传感器的垂直分辨率、s o s 精度，同时减少了风载扭曲， 第二章资料概m q 址日 期”_ 、z jj i f 二 l ，一 弋c 幽23n r g - - s y m p h o n i e 型风速风向测风仪 a i r d a 3 0 0 0 q 型边界层风廓线雷达 本文的风廓线数据是由装有边界层风廓线雷达的气象应急车进行外场观测 得到的( 图2 4 ) 。边界层风廓线雷达是一部小型化、固态化和智能化的多普勒 雷达。工作原理是：雷达发射五个波束，一个垂直指向波束，四个倾斜 指向波束，倾斜波束与垂直方向的夹角约为1 5 。雷达逐个波束分 别扫描大约1 0 s ，一个周期接近l m i n 。风廓线雷达的软件是由“雷达程序”、 “罗盘程序”和“大气廓线程序”组成的。“雷达程序”的功能是控制风廓线雷 达的运行和测量获取多普勒风速数据：“罗盘程序”的功能是测量获取天线姿态 第= 章资料概况处理 数据并对姿态数据进行处理；“大气廓线程序”的功能是根据风廓线雷达取得的 原始数据，通过修改风廓线的几个主要的工作参数，包括：平均时间、更新间隔、 窗口宽度、误差门限等，输出对应的水平风速、风向、垂直风速、谱宽、信噪比 和大气湍流结构常数。井可输出多普勒高度谱廓线、风廓线、大气湍流结构常数 和信噪比高度分布廓线，水平风向风速廓线圈和垂直气流直方图。本文研究的廓 线雷达资料选取的平均时间和更新问隔均为1 0 r a i n 。 图2 - 4 气象鹰急车 2 3 台风观测过程描述 本文选取的5 个观测点共获取了“黑格比”、“莫拉菲”和“鹦鹉”3 个台风 完整的过程风况资料，各台风个例的主要过程特征如下： 2 3 1 台风“黑格比” 强台风“黑格比”于2 0 0 8 年9 月2 4 闩6 时4 5 分( 北京时) 在广东省茂名 市电白县陈村镇沿海地区登陆，国家气象观测网在其登陆中心豹海岸气象站( 电 白博贺镇) 录得最大阵风为5 8 a s ，中心附近最大平均风速4 8 w s ( 1 5 级) 。离登 陆中心约1 5 0 k m 的上川岛气象站测到最大阵风5 2 m s ，海上气象观测平台记录的 最低气压为9 5 6 h p a 。 “黑格比”中心从峙仔岛东南侧约86 k m 处经过( 围25 ) ，峙仔岛气象塔 1 0 0 m 高度上观测到1 0 r a i n 平均最大风速4 8 5 m s ，极大风速( 3 s ) 5 98 m s ，在 6 0 m 高度上的超声风速仪测到极大风速( ol s ) 为6 1 9 m s 。 “黑格比”中心在吴阳北面约1 83 k r 处经过( 图2 - 6 ) ，吴阳气象塔70 】l l 高 度上观测到1 0 分钟平均最大风速3 13 m s ，极大风速( 3 s ) 4 4 s 。 “黑格比”中心在覃巴北面约1 2 k m 处经过( 图2 - 6 ) ，覃巴的气象塔7 0 m 高 第= 章硗料概况n 度上观测到l o 分钟平均最大风速3 3 9 m s ，极大风速( 3 s ) 4 3 6 m s 幽2 - 5 “黑格比”路径与峙仔岛塔相对“黑格比”台风中心的位置 幽26 台风“黑格比”路径与吴件1 塔、覃巴塔相对“黑格比”台风中心的位置 23 2 台风“莫拉菲” 台风“莫拉菲”于2 0 0 9 年7 月1 9 日零时5 0 分( 北京时) 在深圳市大鹏半 岛( 南澳镇) 沿海地区登陆，登陆时中心最低气压9 6 5 h p a ，中心附近最大风力1 3 级，达到3 8 m s 的风速。“莫拉菲”中心从东莞沙田西南面约1 35 k m 处经过( 图 2 7 ) ，沙田气象塔在6 0 m 高度上观测到的l o m i n 平均最大风速2 4 m s ，极大风速 ( 3 s ) 为3 0 5 m s ，在6 0 m 上的超声风速仪测到的极大风速( 0 1 s ) 为3 3 m s 。 第二章资料概况与处理 圈2 7 台风“莫拉菲“路径与沙田塔相对“莫拉菲”台风中心的位置 2 3 3 台风“鹦鹉” 台风“鹦鹉”于2 0 0 8 年8 月2 2 日1 6 时5 5 分在香港西贡沿海登陆( 图2 8 ) ， 登陆时中心附近最大风力有1 2 级( 3 2 7 s ) 。登陆后