台风风场简化理论模型的对比研究∗

台风风场模型的研究对于台风风场极值风速、巨浪的精确预报以及与之相关的灾害评估研究是极具现实意义的。系统介绍了Kepert提出的台风风场线性解析模型和Foster提出的基于相似理论求解的半解析模型。在Kepert解析模型的基础上进行改进,引入沿高度变化湍流扩散系数模型和受速度影响的拖曳系数模型,用半解析的方法对风场进行求解。借助Dropsonde现场观测台风风速剖面数据对本文提出改进模型的准确性进行验证。利用三种理论模型对实测海上台风表面风场进行模拟,与H*wind风场数据进行比较,验证不同模型之间的差别,并定量分析不同模型对台风表面风场特性的模拟能力。     

基于YanMeng台风风场的输电线路极值风速推算方法

极值风速作为输电线路抗风设计的重要参数,对结构的强度和年限标准意义重大。为克服采用观测资料直接推算极值风速的缺陷,给出了一种沿海地区输电线路极值风速推算的数值方法,即以台风风场物理方程为基础,利用历史台风进行反演,验证风场模型的适应性,随后结合台风年鉴,采用模拟圆和Monte Carlo抽样模拟进行研究点最大风速序列计算,并根据极值III型Weibull分布进行极值风速的推算。最后以海口市为例,对该极值风速推算方法进行详细阐述,推算了海口市近100a内重现期的极值风速,并与观测统计值进行对比,研究发现本文模拟效果较好,可以作为沿海地区输电线路抗风设计的理论参照。     

Shapiro台风风场模型及其数值模拟

我国东南沿海是世界上台风最集中的地区之一,也是我国经济最发达和财富最集中的地区,台风引起的灾害损失巨大.数值模拟方法是目前进行台风危险性分析和估算极值风速普遍采用的方法,已有较多风场模型应用于台风区的极值风速估算,Shapiro风场模型是其中之一.首先介绍了Shapiro台风风场模型,然后采用有限差分法求解描述该风场模型的非线性偏微分方程组,利用两个实测台风的风速记录对该模型进行了验证,对该风场模型在我国东南沿海地区的应用做了初步尝试.     

考虑地形和土地覆盖影响的参数化台风风场模拟

现有参数化台风风场模型通常采用单一地表粗糙度假设,忽略地形和土地覆盖的影响,使得参数化台风风场模型不能真实反映台风风场。本文基于GTOPO30(Global Topographic Data of 30 arc seconds)全球数字高程数据和USGS(U.S.Geological Survey)全球土地覆盖数据,将地形地貌效应等效为地表粗糙长度,建立了受西北太平洋台风影响的东亚地区的地表粗糙长度空间分布;并对比验证了3个典型地貌的地表粗糙长度。然后,对参数化台风风场模型进行了适当修正,使其能耦合地形起伏对风场产生的抬升和沉降作用。以WRF(Weather Research and Forecasting)模式的模拟结果为基准,采用3个历史台风案例,考察了地形地貌对参数化台风风场模拟的影响。对比结果表明,考虑地形地貌效应可以显著提升参数化台风风场模型对台风空间结构的模拟能力。考虑地形地貌影响的参数化台风风场模型的模拟结果与实测结果吻合较好。     

台风“海鸥”的风场实测与输电塔风振响应分析

为研究强风作用下输电塔风振动力响应的规律,选择代表性地貌下的典型输电塔进行监测,得到了台风"海鸥"经过时,多点边界层风特性的实测结果以及风致输电塔振动的真实动力响应。基于风速数据,着重分析了空间风场特性的各项参数,包括平均风速和风向、风剖面参数、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和脉动风谱。采集了输电塔横担和塔头塔身连接处振动加速度响应。分析了杆件薄弱部位的风振动应变响应,对杆塔在台风作用下的安全性进行了评估。为输电塔抗台风设计改进提供重要的实测数据支持。     

台风“海鸥”的风场实测与输电塔风振响应分析北大核心CSCD

为研究强风作用下输电塔风振动力响应的规律,选择代表性地貌下的典型输电塔进行监测,得到了台风"海鸥"经过时,多点边界层风特性的实测结果以及风致输电塔振动的真实动力响应。基于风速数据,着重分析了空间风场特性的各项参数,包括平均风速和风向、风剖面参数、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和脉动风谱。采集了输电塔横担和塔头塔身连接处振动加速度响应。分析了杆件薄弱部位的风振动应变响应,对杆塔在台风作用下的安全性进行了评估。为输电塔抗台风设计改进提供重要的实测数据支持。     

温州地区台风和下击暴流风场特征观测研究

利用风廓线声雷达在温州大罗山西北部的茶山地区从2019年4月到2021年9月对台风“利奇马”、“米娜”、“黑格比”以及2个下击暴流风场进行实测,获得了台风、下击暴流影响时的边界层风速剖面演变过程。比较各风场边界层规律：台风风场边界层最高,下击暴流次之,常态风场边界层最低。在台风中心30～129 km范围内,边界层高度沿气旋半径向外呈先增大后减小再增大的趋势。验证了二阶高斯拟合模型对于台风风场风剖面形态的适用性,实测台风近地50～400 m高度层均表现为D形风剖面,根据不同的参数取值,可以很好地拟合台风上部的S形风剖面。总结下击暴流风场演变过程的3个阶段：高层大风,影响时低层强风切变,影响后回归高层大风。验证了三阶高斯拟合实测模型与Oseguera与Bowles模型、Vicro模型、Wood与Kwok模型对于描述下击暴流风剖面形态的差异性。发现了滨海丘陵地形下实测的下击暴流风速均在100～400 m高度层先递减后递增。分析了台风风场与下击暴流的水平垂直方向风速相关性的差异,即台风风场与下击暴流分别在90～200 m、50～400 m高度层水平与垂直方向风速为正相关,均在近地层突变为负相关...     

台风湍流积分尺度与脉动风速谱——基于实测数据的分析

基于4个台风过程中的长时间序列风速、风方向观测数据，分析研究了近地台风的湍流积分尺度和脉动风速谱等脉动特性。介绍了湍流积分尺度的几种常见的计算方法，基于实测台风数据，分析研究了台风过程中湍流积分尺度的变化以及不同计算方法的稳定性。根据实测数据计算了纵向脉动风速谱，并与Von-Karman谱、Davenport谱、Simiu谱和Harris谱等经验谱进行了比较，给出了最适合描述台风纵向脉动风速谱的经验谱。还计算了横向脉动风速功率谱，并与基于各向同性湍流理论推导出的水平横向脉动风速谱进行了对比。     

强台风“尤特”近地风特性实测分析

基于建立在台风登陆较为频繁海岸的近地观测点,对强台风"尤特"登陆过程的风场特性进行了现场实测,获得了其风速、风向及风压的时程数据。通过对观测点周边测风塔的实测数据进行分析,获悉了强台风"尤特"登陆过程10 m高度处的最大瞬时风速为37.05 m/s,10 min时距下最大平均风速为26.31 m/s,并进一步得到了10 min时距下的平均风速与平均风向。分析了脉动风的湍流特性,结合经验公式探讨了阵风因子与湍流强度之间的相关性,并对二者进行了相关性拟合。研究了顺风向脉动风速功率谱,与各经验谱进行比较后得知,Karman谱与实测谱最为吻合。     

尖山地区复杂地形下的风场模拟

为了得到河南省新密市尖山"真型输电线路"实验基地所在复杂地形下的风场特征:平均风与脉动风特性,本文采用计算流体动力学的方法对尖山"真型输电线路"实验基地所在区域的风场进行数值模拟。数值模拟研究结果表明:平均风速剖面并不符合规范设计的对数和指数风剖面,而是近地面局地"速度加大(speed-up)"现象显著体现,同一高度风速会大于设计风剖面;进一步,平均风向、湍流强度、湍流积分尺度以及Reynolds应力剖面都很好地体现了局地地形的影响作用,其中风向是由于"风向影响(twist-effect)"机制影响。最后,通过分析脉动风速谱随风向的变化规律,得到适合尖山地区风速谱特征。     

台风“玛莉亚”作用下风场结构特征现场实测研究

研究台风下不同环境风场结构特征变化规律对分析建筑结构的风效应和防灾减灾具有重要的指导意义。本文基于2018年8号台风"玛莉亚"过境时温州实测点A多普勒声雷达及实验楼B屋顶风速仪的风速实测数据,依据对数、指数和D-H模型理论,运用统计学的积差法及假设检验方法进行相关性分析,并对实测点A水平及竖向风剖面曲线进行变化规律探索,分析总结得到如下结论:不同地貌类型下高度相同两个相距6. 21km实测点的水平平均风速及风向线性变化具有高度相关性,风速越大、时段越短,则相关性越强;水平方向风剖面拟合曲线在影响期与指数律模型相当接近,在稳定期则趋于D-H模型,风剖面拟合粗糙度指数a随水平平均风速的增加而减小;由风廓线样本计算获得的边界层高度平均值为1 421 m,较荷载规范取值及良态风计算值分别增大3. 06倍、1. 78倍;相对水平方向,竖直方向平均速度变化激烈,竖向风廓线指数律拟合指数随竖向平均速度的增加而增大。     

基于数值模拟的台风危险性分析综述(Ⅰ)——台风风场模型

台风风场是基于数值模拟的台风危险性分析的重要组成部分。基于现有文献资料,以台风风场内空气微团的运动平衡方程为出发点,对现有的基于平衡运动方程的参数化风场模型进行了评述,并建议选用CE风场;回顾了对风场预测结果有重要影响的两个输入参数的信息获得途径,重点就国内台风区城市应该如何处理这两个参数提出了建议;然后从台风边界层的物理意义出发,评述了现有的边界层模型,建议采用Thompson和Cardone所提的具有物理意义的边界层模型;最后对今后工程风场的发展方向提出了一些看法。尽管从气象学角度来看,三维风场是精度很高的模型,但是其工程实用性还有待考证;在满足工程精度的前提下,简单易行的模型是目前进行台风危险性分析的风场数值模拟的较好选择。     

中信广场风场特性及风致结构振动的同步监测

通过对广州中信广场在台风“达维”作用下其风场与风致结构振动的现场同步监测，获得了台风风场和结构动力特性，及风致结构振动响应等相关结果。通过对现场测试数据的分析，验证了湍流强度随平均风速增大而减小和阵风因子随湍流强度增大而增大等规律，实测的脉动风速谱与von Karman谱亦很吻合。同时通过对中信广场加速度响应与平均风速关系分析得出，该高层建筑物的顶部风速即使处于低中风速范围时，其横风向响应已接近于顺风向响应。根据实测风振加速度数据，对结构动力特性（频率及阻尼比）进行了识别，采用随机减量方法求得了结构在两个主轴方向第一振型阻尼比与振幅的非线性关系。     

超高层建筑风致振动的现场实测与数值模拟

通过采用现场实测和数值模拟方法,对某超高层建筑的风致振动特性进行研究。在建筑物顶部布置结构振动监测系统,对常态风和台风作用下的结构振动响应进行测量,分析加速度、位移幅值和结构的自振特性。以实测动力特性为基础,建立超高层建筑的等效气动弹性模型,采用平均风剖面入口,联合ANSYS和CFX对风场与建筑物的流固耦合振动进行数值模拟,得到不同顶部风速下,建筑物不同高度处的位移时程、气动力系数时程及频谱分析、尾流旋涡脱落模式。将数值模拟结果与现有的实测结果进行对比分析,表明该方法模拟流固耦合振动是可行的,并可为实际超高层建筑的抗风设计和舒适性计算提供技术依据。     

中国东南沿海重点城市台风危险性分析

中国东南沿海地区是中国经济最发达，人口最稠密的地区，同时也是世界上受台风影响最严重的地区之一。本文以上海经9个沿海重点为例，通过对《台风年鉴》数据的分析处理，提取了台风关键参数并进行了统计分析与建模；利用Monte Carlo抽样和成熟台风风场模型模拟，得到了极值风速序列，对年极值风速序列进行极值风速统计分析，得到了不同重现期和地貌的极值风速，结果与实测风速比较吻合。     

山区桥址风场特性研究综述

首先对采用风洞试验、数值模拟、现场实测3种方法研究山区风场特性的研究进展进行了梳理和总结,对比了各种方法的相对优缺点;然后从平均风特性和脉动风特性两方面对比分析了山区风场区别于平原地区风场特性。山区风场特性相对更为复杂,变异性更强,呈现更明显的非高斯和非平稳特性,山区地表粗糙度类别不能简单地分为四类,山区风攻角、风速谱、风速剖面分布规律明显不同于平原地区;在高山峡谷间风场既存在明显加速效应,也存在阻挡效应,使得桥梁抗风设计更为困难。总结了山区桥址处设计风速的几种取值方法,为今后山区桥址抗风设计提供参考。最后对山区桥址风场特性的研究现状进行了总结,对研究前景进行了展望。     

基于数值风场的高层建筑对临近低层建筑群影响分析

针对高层建筑对低层建筑的风压、风速分布的影响问题,选用标准k-ε湍流模型,应用CFD数值方法模拟高层建筑影响下的低层建筑群的风场,侧重模拟分析了高层建筑的位置布局改变对低层建筑群风速及风压场的影响。分析结果表明:高层建筑对临近低层建筑群风场的影响显著,高层建筑的位置对低层建筑群风环境的影响较大。     

基于谱修正方法的非高斯风场模拟

为克服基于H erm ite谱修正方法的缺点,减少该方法中计算H erm ite多项式系数所需耗费的大量机时,提出了一种模拟非高斯风压场的新方法,采用非高斯累积分布函数(CDF)映射技术来代替基于H erm ite的概率密度函数(PDF)修正。选择任意边缘PDF模型作为概率目标模型,采用目标功率谱密度(PSD)作为样本函数,通过迭代修正该样本函数,使其收敛于目标概率密度函数和目标功率谱密度。将该方法应用于实际结构的非高斯风场模拟,模拟结果与目标谱符合良好,表明本文方法模拟非高斯风场具有较高的精确度和计算效率。     

基于实测加速度的高层建筑风荷载反演

在台风"杜鹃"登陆期间,对温州市某高层建筑进行了现场实测,得到了建筑物的风场和加速度响应等数据。进而对实测结构进行了模态参数识别,得到了其固有频率、振型和阻尼比。对结构加速度响应信号进行了去噪处理,经过信号处理后的响应数据满足高斯分布,进而通过积分得到高层建筑的速度和位移响应。同时,运用等效原理建立了该高层建筑结构的5质点简化弯剪模型,使简化结构的动力特性和原结构相似。再应用简化模型反演出结构受到的脉动风荷载时程。将反演得到的脉动风荷载时程叠加上平均风荷载得到各测点风荷载时程,再作用到简化模型上运用Newmark-β法进行风致响应分析,计算得到的加速度响应与实测加速度响应较为吻合。     

基于数值模拟的台风危险性分析综述(Ⅱ)——随机抽样模拟与极值风速预测

台风危险性分析是台风损失估计及防灾减灾的基础。对基于数值模拟的台风危险性分析所采用的随机台风概率模型、随机抽样模拟方法和极值风速预测进行了回顾与评述,包括台风关键参数概率模型及其相关性、台风路径模型、台风登陆衰减和海陆风速转换模型以及台风极值风速概率模型,并针对我国东南沿海地区台风危险性分析数值模拟采用的相关模型给出了相关建议。