台风灿鸿与良态风作用下上海上海市浦东新区建筑粗糙度长度对比研究

台风灿鸿与良态风作用下上海上海市浦东新区建筑粗糙度长度对比研究

风场特性问题根据统计数据，中国的台风强度和台风影响往往逐年增加。我国《建筑结构荷载规范》根据下垫面特征将风场分为A、B、C、D4类，并主要基于良态大风特性除了针对台风风场的研究，研究人员也分析了不同天气系统下的风场特性。姚日升等此外，上海、北京等超大型城市的下垫面异常复杂，现有规范的四类风场并不能完全描述这些地区的风场特性，王旭等然而，目前国内研究成果主要以沿海平坦区域风场和城市地貌区域高空风场为研究对象，对城市地貌区域低空风场特征的研究还相对缺乏。另外，城市地貌复杂多变，不同来流方向的气流所流经的地表类型不同，必然会导致来流风特性的差异，而基于气象观测法的风场特性分析没有区分来流风向导致的差异，必然会对分析结果产生误差。本文利用上海徐家汇地区的地理信息分析粗糙度长度的分布规律，并基于该区域80m高度的风速实测数据，对台风和良态风作用下的平均风速、湍流强度、阵风因子等参数与粗糙度长度之间的关系进行分析对比，为具有复杂下垫面的大型城市防灾建设提供参考。1测量总结1.1观测塔参数及数据来源风速观测点设置在位于上海徐家汇地区的一幢55m高大楼楼顶的观测塔塔顶。观测塔总高25m，为三角形横截面的格构式塔架结构，如图1所示。超声风速仪（CampbellScientificIRGASON）安装于观测塔顶部东南向伸出的横杆上，尽量避免塔体对测量结果的影响。风速仪距离地面80m，采样频率为10Hz。风向角定义北风为0°，顺时针方向为正。该观测点周围建筑分布密集且高低不一，是典型的具有非均一下垫面特征的城市地貌。本文以观测点为原点、半径为500m的圆形区域作为粗糙度长度的计算区域（图2），其地理信息来源于上海市测绘院，并通过现场调研对数据进行了修正以保证其可靠性。该区域的建筑分布相关参数见文献1.2台风风特性分析台风风速样本采用2015年第9号超强台风“灿鸿”影响上海期间的实测数据。“灿鸿”于2015年6月30日20:00在西北太平洋洋面上生成，7月11日16:40在浙江省舟山朱家尖登陆，随后在上海以东海域向北偏东方向移动（图3）。“灿鸿”影响期间，台风中心与观测点的最近距离约为150km。本文选取2015年7月10日18:30至2015年7月12日15:30的风速时程作为台风风特性的分析样本。良态风风速样本采用2015年7月8日00:00至2015年7月9日23:59、2015年7月13日00:00至2015年7月15日23:59两个时间段的实测数据。该时间段内，上海不受台风影响，因此实测数据可以用于良态风风特性的分析。2德尔菲长期分析2.1粗糙度长度计算粗糙度长度z式中，λ基于该区域的地理信息，采用式（1)～(2）可以计算任意来流方向的粗糙度长度。形态学方法不受大气稳定度和风速大小的影响，仅依赖于地表粗糙元几何形态以及数据采集区域形状，因此在没有风场实测数据的条件下，亦可以合理、方便地评估城市地貌地区的粗糙度长度分布特性。2.2粗糙度长度的季节变化计算区域内地表粗糙元以建筑物为主，植被覆盖率极低，因此可忽略季节变化对粗糙度长度的影响。为分析z结果显示，1°、30°、180°计算扇区对应的z从图4可以看出，不同风向角对应的计算扇区内建筑物高度、分布密度的差别导致了z3风属性分析3.1纵向脉动风速的特征规定x轴正方向为正南，y轴正方向为正西，z轴正方向为竖直朝下（参见图2）。超声风速仪测得的x、y、z轴风速分量时程分别记为u纵向脉动风速u(t）、横向（水平方向内垂直于来流方向）脉动风速v(t）和竖向（竖直方向内垂直于来流方向）脉动风速w(t）分别为：湍流强度I是描述空气湍流运动的特征量，在结构抗风领域中通常定义为10min时距内脉动风速的标准差与纵向平均风速U的比值：阵风因子G反映了瞬时风的强度，通常定义为阵风风速与平均风速之比。阵风风速是阵风持续时间t式中，3.2平均风速和粗糙度长度图5是台风“灿鸿”和良态风实测数据的10min平均风速、平均风向角和z从图5b中可以看出，台风“灿鸿”和良态风作用下z3.3平均风速、粗糙度长度对湍流强度的影响在台风“灿鸿”和良态风作用下，以10min为时距的纵向湍流强度I图6a～c结果显示，台风“灿鸿”作用下纵向、横向、竖向湍流强度均随着平均风速的增加呈明显的减小趋势，与黄子逢等图7a～c中，良态风作用下，纵向、横向、竖向湍流强度不随平均风速变化，I总而言之，本文将湍流强度与平均风速、粗糙度长度的关系进行分别讨论，可以清晰地给出湍流强度随影响因素的变化规律。但不可否认的是，城市地貌以及台风天气系统的复杂性可能会导致本文研究成果不具有普适性，尚需要更多数据样本进行检验。3.4流强度的确定图8给出台风“灿鸿”和良态风作用下，阵风因子与湍流强度之间的关系。显然，纵向、横向、竖向阵风因子均随湍流强度的增加而增大。台风“灿鸿”作用下的G为方便应用，本文采用了Ishizaki采用安毅等4阵风因子与湍流强度关系(1）不同风向角对应的计算扇区内建筑物高度、分布密度的差别导致了z(2）台风“灿鸿”作用下的平均风速最大值大于良态风，两者对应的粗糙度长度变化范围差别甚微，但是台风作用下的粗糙度长度中位数较小且分布相对集中。(3）台风“灿鸿”作用下纵向、横向、竖向湍流强度均随着平均风速的增加呈明显的减小趋势，但不随粗糙度长度变化，采用经验表达式I=B/lnU拟合得到参数B分别为0.750、0.591、0.471。(4）良态风作用下，纵向、横向、竖向湍流强度不随平均风速变化，而随着粗糙度长度的增加而增加，其线性拟合结果分别为I(5）台风“灿鸿”和良态风作用下，纵向、横向、竖向阵风因子均随湍流强度的增加而增大，对比而言台风“灿鸿”作用下的阵风因子略大于良态风，采用非线性经验公式对阵风因子和湍流强度的关系进行了拟合。(6）本文