两次台风过程近地层湍流度和阵风因子分析

利用2005年台风"麦莎"和"卡努"期间青岛海岸实测三维风观测资料,挑选6个10 m in平均风速≥8 m/s的强风时段,使用矢量分析方法研究台风影响华东地区时近地层的平均风速风向变化、湍流度和阵风因子变化等湍流特性,结果表明台风影响期间,近地层湍流脉动风速不稳定,水平方向、垂直方向风速风向快速变化;虽然台风"麦莎"、"卡努"入海地点不同,不同强风时段近地层湍流度差异也较大,但湍流强度都表现为Iu(横向)>Iv(纵向)>Iw(垂直向)。两次台风影响过程不同强风时段近地层阵风因子的变化与湍流度的变化是一致的,在风速增大风向转变的时段,湍流度和阵风因子明显增大。

考虑结构尺寸效应的台风场阵风因子特性分析

为了克服现行固定时距阵风因子在进行结构抗风设计时潜在的不足,提出一种基于性能设计的阵风因子确定方法。首先,在极值理论所建立的阵风因子基础上,通过引入滑动平均滤波器与气动导纳函数等效的方法建立了考虑结构尺寸效应和平均风速的阵风时距确定方法;之后对常见的5种气动导纳函数进行分析得到了等效阵风时距计算公式;最后利用2006年到2008年间影响中国的三次台风过程实测数据,分别建立了A,B两类场地不同时距阵风因子曲线。研究结果表明:由Vickery通过实验测得气动导纳函数确定的等效阵风时距最大,由Newberry等实测得到的脉动风压相干函数经验式确定的等效阵风时距最小;综合五种气动导纳函数的计算结果,等效阵风时距可取为1.33倍的结构宽度与平均风速比值;随着场地粗糙度增加,阵风因子显著增大;实测台风场阵风因子大于规范给出相应场地类别推荐值。

考虑非高斯特性影响的台风场阵风因子研究

为了刻画脉动风非高斯特性对阵风因子的影响,在高斯过程阵风因子计算模型的基础上推导非高斯过程的阵风因子理论计算模型,并对台风风场的阵风因子特性进行系统分析。首先,在高斯过程阵风因子理论基础上通过引入修正Hermite模型对非高斯过程进行修正,提出综合高斯过程和非高斯过程(包含硬化高斯过程和软化高斯过程)的阵风因子理论计算模型;之后利用实测的台风珍珠(0601)、鹦鹉(0812)和黑格比(0814)数据对台风场实测脉动风速的非高斯特性进行研究;最后基于上述三次台风过程的实测数据,研究了考虑非高斯特性影响的台风场阵风因子特性。研究结果表明:台风场脉动风具有较强的非高斯特性,使得台风场阵风因子偏离了基于高斯过程假定的规范建议值;考虑非高斯修正的阵风因子理论公式能够较准确地估计实测台风场的阵风因子。

台风登陆过程中南海近海阵风因子特征

阵风预报对于输电铁塔线路设计、风力发电、建筑和桥梁设计以及航空气象安全等至关重要。目前,基于不同观测资料和计算方法,学者们给出了不同的阵风或阵风因子参数化公式,没有公认的一致结果。利用中国气象局南海(博贺)海洋气象科学试验基地离岸4.5 km和6.5 km的两个海洋气象观测塔在2008—2018年七个台风期间观测的10 Hz高频湍流脉动数据,分析了观测高度、平均时间、下垫面特征和大气稳定度对阵风因子计算结果的影响,研究了近海海上台风过程中阵风因子与平均风速和湍流特征参数的关系。不同于以往研究给出阵风因子是常数,给出了阵风因子随10 m风速变化的计算公式,为阵风预报及相关防灾减灾提供参考依据。

华南沿海热带气旋阵风因子的研究

根据广东省，海南岛及香港特区１４个气象站多年的热带气旋过程实测极大风速与最大风速资料，分析热带气旋影响时阵风因子与下垫面的关系，统计沿海阵风因子的分布与变化概况，对工程设计上的阵风因子取值提出建设性意见。

阵风因子与大气边界层要素的关系及预报试验

利用2008—2016年舟山4个海岛气象站大风资料和欧洲中心的ERA-interim再分析资料,分析了阵风因子随平均风速、风向、小时、月份等分布的气候特征,统计阵风因子与边界层的大气稳定度、250～1000m风速与10m风速的比值、6h变温等要素的相关后,选取最佳预报因子,利用BP人工神经网络方法,根据不同因子组合对阵风进行循环试报。结果表明:①平均风速较小时阵风因子波动范围大;靠近大陆站点的阵风因子及来自陆地方向气流的阵风因子偏大。②白天11:00—16:00受太阳辐射影响大气湍流相对较强,阵风因子偏大。7—9月沿海受台风影响频繁,其阵风因子要大些,而11—12月阵风因子偏大则与来流方向的地表粗糙度较大有关。③阵风因子和边界层不同高度的风速与10m风速比值,及气温具有明显正相关,与边界层大气稳定度参数具有负相关,相关结果印证了阵风主要物理成因与动量的垂直湍流输送有关。④阵风循环试报表明最佳组模型试报的绝对误差及方差均比对比组模型减少约11%～25%,具有较好的预报效果。

基于实测数据的南海阵风因子参数研究

南海台风期间,风荷载也是作用在海上结构物上的主要荷载之一,有时甚至起着决定性作用。风湍流特性参数计算的准确与否,对于这些大型构筑物风荷载计算的精度至关重要。通过使用南海某平台上长期风要素观测资料,对南海阵风因子等参数进行了研究。由实测资料分析结果可知:当台风过程中的风速最大时,其阵风与平均风速的差值较大;当风速较小时,这种差异不太显著;实测资料还表明,南海夏季风场变化较大,但强度不大;冬季风场强大而稳定,相应海况也更为恶劣。这种湍流脉动风的不稳定性说明了台风过程对阵风因子的研究具有重要的意义,其成果可为南海海洋油气工程建设和施工作业提供参考和技术保障。

多国荷载规范中阵风荷载因子的比较研究

将我国的《建筑结构荷载规范》(GB5009-2001)与美国(ASCE7-98)、日本(RLB-AIJ2004)、加拿大(NBC1990)和澳大利亚(AS1170.2)几国规范进行了比较研究.首先总结了各国规范所采用的Davenport提出的经典抗风设计方法——阵风荷载因子法(GLF),然后对包括平均风速剖面、湍流强度、脉动风速谱类型进行了比较.美日加澳都将GLF取为一个恒量,相当于"位移风振系数",中国规范中的风振系数却是随高度变化的量,相当于"惯性力风振系数".

风力发电高塔系统阵风荷载因子法

给出了风力发电高塔系统阵风荷载因子法。与传统的阵风荷载因子法不同的是,因桨叶/塔体相互作用的存在,风力发电高塔系统阵风荷载因子包含两项共振分量。一般地,风力发电高塔系统包含桨叶和塔体两个子结构,每个子结构都可视为单自由度体系,二者耦合在一块构成两自由度体系。因桨叶和塔体自振频率可能相近,系统响应的共振分量包含了桨叶/塔体耦合系统前两阶振型的贡献。为获得风力发电高塔系统阵风荷载因子的准确值,给出了塔顶位移和基底弯矩阵风荷载因子数值解以及塔顶位移阵风荷载因子精确解。同时,针对桨叶不同转速给出了一系列考虑桨叶/塔体耦合的两自由度体系阵风荷载因子,并与不考虑桨叶/塔体耦合的单自由度体系阵风荷载因子比较,两者有一定的区别。

基于阵风响应因子的导线风压不均匀系数计算理论研究

中、日、德等国输电线路规范采用导线风压不均匀系数对较大档距的风荷载进行折减,该方法具体数值的物理意义不明确,难以通过现场实测检验其正确性,也阻碍了通过现场实测对线路走廊实际的风压不均匀系数取值进行修正完善。美国ASCE的输电线路规范采用阵风响应因子将阵风放大系数和档距折减系数综合考虑,物理意义较为明确,理论研究基础完备。从阵风响应因子的基本概念出发,推导了美国规范中导线档距折减系数的原始计算公式,给出了导线档距折减系数与风压不均匀系数之间的转化关系,确定了新的导线风压不均匀系数计算公式。通过导线风压不均匀系数计算值与中国规范取值对比,验证了所得导线风压不均匀系数计算公式的合理性。随后以河北丰宁某输电线路段实测风速数据为样本,展示了山地地貌下导线风压不均匀系数的分析方法。

台风“布拉万”远端风场阵风特性分析

基于安装于西堠门大桥上的风速仪收集到的台风"布拉万"远端风场风速资料,分析了"布拉万"过境时桥址处平均风速、风向和紊流特性的变化,重点探讨了不同计算时距条件下阵风因子的分布概型及其均值、极值的变化规律,研究结果表明:台风"布拉万"远端风场紊流强度和阵风因子随平均风速的增大而减小,高风速下顺风向紊流强度为0.18,大于桥梁抗风规范建议值,且横风向和竖向风速相对脉动强度均比桥梁抗风规范值小;台风"布拉万"远端风场顺风向、横风向和竖向的阵风因子均服从广义极值分布,随着计算时距的增大其分布概型逐渐由极值Ⅲ型转变为极值Ⅱ型,且95%保证率条件下顺风向阵风因子与建筑结构抗风规范取值一致;台风"布拉万"远端风场阵风因子随阵风计算时距的变换规律可以用对数高斯函数加以描述。

超高桥塔的气弹模型风洞试验及其等效静力风荷载

为研究超高桥塔的气弹模型风洞试验方法及其等效静力风荷载,根据某实际工程中的超高桥塔建立了有限元模型,进行了动力特性计算,进而设计了相应的气弹模型,并开展了风洞试验。在此基础上,开展了超高桥塔风致振动的非线性时程计算,并基于阵风荷载因子法,对比了以位移、内力和应力为单一目标的超高桥塔的等效静力风荷载。结果表明:斜风作用下的桥塔风致振动比较显著,其影响随着风速的增大而愈加明显;当风向角为75°~90°时,超高桥塔将在风速为35~50 m·s^(-1)的区间发生顺桥向的侧弯涡振,但幅值较小;基于应力的阵风荷载因子比基于位移或内力的阵风荷载因子更加稳定,这使得基于应力的等效静力风荷载要优于基于位移或内力的等效静力风荷载,比较适合于超高桥塔。

输电杆塔阵风响应实测与准静态设计研究

为分析输电塔的动力特性和阵风响应因子的变化规律,在现场风荷载条件下,对作用于新建输电塔的脉动风速及其各部位加速度和基底动应变响应进行了同步实测。采用模态识别法和有限元法对输电塔的动力特性进行了对比分析;采用实测数据直接分析法和不同的准静态法分别计算了基于塔顶位移和基底弯矩的阵风响应因子。结果表明,实测数据的模态识别法与有限元法得到的输电塔动力特性相吻合,有限元数值分析正确有效;实测数据分析法与准静态法得到的阵风响应因子的变化规律相同,且与脉动风速的均值和湍流强度相关;基于弯矩的阵风响应因子吻合较好,各种方法的计算值相差在5%以内;基于实测位移的阵风响应因子与准静态法差异较大,其原因有待于进一步试验研究的检验与识别。

中国的阵风极值及其统计研究

文中给出了中国地面到 30 0 m高空阵风极值及阵风因子的统计研究。给出了阵风因子随稳定风速、平均时间、距地面高度、地面粗糙度和稳定风速三阶矩变化的经验公式。所得结果已应用于国家军用标准的制定。

浙江海岛台风和冬季大风阵风特征的对比分析

为了提高阵风预报准确率,利用2006—2016年浙江7个海岛气象站资料和ERA-interim资料,分析了台风和冬季大风的阵风因子与10 m稳定风速、风向、Brunt-Vaisala频率、总体理查逊数、边界层250～1 000 m风速及其与10 m稳定风速比值等的关系,对比两种大风系统阵风的主要成因差异,最后对冬季大风的阵风因子进行拟合。(1)从总体上,台风阵风因子比冬季大风要大0.1～0.2,波动幅度也一般比冬季大风偏大0.3～0.5。有些站点在稳定风速较大时,阵风因子随稳定风速变化不明显,而有的站点变化幅度较大。(2)站点不同方位的地表特征差异明显,导致台风和冬季大风的阵风因子在某个风向上有较统一的最大值和最小值,两者差值一般为0.2～0.3。(3)大气边界层台风样本主要表现为气流辐合上升及正涡度,而冬季大风样本主要表现为辐散下沉及负涡度,台风垂直速度、涡度和散度的强度均明显大于冬季大风样本;从Brunt-Vaisala频率来看,边界层750 m处冬季大风样本总体为静力不稳定,而台风样本总体为静力稳定;从总体理查逊数来看,台风样本和冬季大风样本两者边界层250 m处动力不稳定程度接近。(4)台风和冬季大风的阵风主要形成机制不同,冬季阵风与边界层上层气流向下动量传输引发的辐合辐散有关,而台风阵风可能更多与边界层气流的水平动量输送引发的辐合辐散有关。(5)基于风向、边界层1 000 m处风速和10 m稳定风速的冬季大风阵风因子的拟合模型,比仅考虑10m稳定风速的拟合模型的绝对误差减少了20%～50%,误差方差也减少了10%～30%。

基于ERA5再分析资料的余姚地区阵风预报模型探究

利用2007-2017年余姚地区44个气象自动站观测数据和欧洲中心ERA5再分析资料,对余姚地区日极大风分布进行了统计分析,并提出一种本地化的经验阵风预报模型(雷暴日除外)。研究发现:余姚地区日极大风呈正态分布,风力峰值为4~5级,平均每年大风日占比达7.03%,累计大风时次占比3.32%,年平均大风日26 d。风力越小,阵风与平均风之间的线性拟合效果越好。影响阵风预报的因子主要有10 m平均风速、925 hPa风速、地面粗糙度、摩擦速度和3 h变压。6级及以下阵风预报中,业务中的阵风经验系数1.4容易造成余姚本地阵风预报偏低,适用于余姚本地阵风预报经验系数为1.775;6级以上阵风预报经验方程考虑了平均风速、垂直动量下传、水平动量传输、地面摩擦和海拔高度订正,其与925 hPa风速的平方呈正相关,与摩擦速度呈自然指数相关,经验方程相对于经验阵风系数的预报拟合优度提升了59.61%;经验阵风预报方程通过了2018-2019年的数据检验,该方程对1~2级阵风预报偏高,3~5级效果最好,6级阵风的预报偏低;6级以上的阵风等级预报准确率达55.2%。地形摩擦作用在冷空气大风与台风大风过程中尤为重要,这两类过程阵风系数分布类似,但台风带来的动量下传比冷空气更为明显。

台风“谭美”外围近地层脉动风特性分析

为给沿海地区结构抗风设计和后期维护管养提供依据,对台风特性进行研究具有重要的现实意义。基于台风“谭美”过境时福建省宁德地区某测风塔采集的离地15、27、53、67、82 m高度处的实测数据,对台风平均风速与风向,湍流强度、阵风因子、峰值因子及脉动风速功率谱等脉动参数进行了分析。结果表明:各高度处三向湍流强度、阵风因子和纵向峰值因子随平均风速的增加先减小后趋于稳定;15、82 m高度处纵向、横向和竖向湍流强度均值的比值分别为1∶1.18∶0.51和1∶1.20∶0.72;纵向峰值因子和三向湍流强度、阵风因子随时距的增大而减小;基于各国规范,对湍流强度和阵风因子剖面进行了指数型拟合,得到了经验表达式;纵向湍流强度、峰值因子均与阵风因子具有较强的正相关性;对比各类脉动风速经验谱,Von-Karman谱与实测谱最为吻合,其与实测纵向脉动风速功率谱吻合良好,与实测横向和竖向脉动风速功率谱在高频段吻合度一般。

基于实测数据的北京市区雷暴风识别和数据库组建

为了探究北京市区的雷暴风风场特性,采用安装在不同高度的9个超声风速仪采集的大量连续高精度风速实测数据,依据不同风暴脉动及高斯平稳特性,开发分类子程序,采用定量控制和定性判断相结合的方法对强风事件进行分离、识别,建立北京市区雷暴风数据库。结果表明:北京市区主要有大尺度稳态强风、雷暴风和中间事件3种类型强风暴;基于风暴特性开发的分类子程序可实现雷暴风的快速识别,需要进行专家定性判断的记录仅占0.26%;共获得314个雷暴风记录,70个雷暴风事件,增加了现有雷暴风数据。

山区特大跨径桥梁桥址处风特性实测研究

为研究山区桥址处的风场特性,基于西南山区某特大桥结构健康监测系统,对桥址处实测风场特性进行分析,并与规范推荐值比较。结果表明:1)大部分风速时程处于平稳状态,横向脉动风速的非平稳性高于纵向脉动风速;2)实测风速时程平均风速有跳变波动,平均风向保持平稳;3)各向湍流强度、阵风因子在低风速区段随平均风速的增大而减小,在高风速区段随平均风速的增大而趋稳;4)实测纵向阵风因子超过规范推荐值,纵向阵风因子与湍流强度具有较强的相关性,实测拟合曲线较Ishizaki推荐值偏小;5)实测功率谱值在低频区逐渐增大,在高频区逐渐减小,Von Karman经验谱能描述实测数据的脉动特性。该研究结果可为同类桥梁结构抗风设计提供依据。

基于风观测塔的闽东北大风特性研究

利用宁德市、福州市、莆田市11座观测铁塔的多层风数据,将铁塔周围下垫面来向风划分为海面来风、陆地来风及混合地形来风,分析不同高度、不同地貌来向风的阵风因子和转换系数差异。结果表明:同一高度、不同下垫面的阵风因子为陆地来风>混合地形>海面来风;根据WMO推荐,将陆地来风细分为陆地风和离岸风,10 m高度陆地风和离岸风的阵风因子比WMO的推荐值偏小,陆地风、离海风和海面风的转换系数与WMO推荐值几乎一致,WMO的转换系数可适用于我国福建沿海10 m高度不同阵风时距最大风的转换计算。