史文海，李正農(nóng)，吳建佳

（1.溫州大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，浙江 溫州 325035；2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

0 引 言

風(fēng)荷載是作用于工程結(jié)構(gòu)上的主要載荷之一，只有比較準(zhǔn)確地了解強(qiáng)風(fēng)的特性及其變化規(guī)律，在估算風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用和進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬時(shí)才可能有較高的精度。近年來(lái)，我國(guó)許多學(xué)者在上海、廣東和浙江等省開展了大量的近地邊界層風(fēng)場(chǎng)特性的實(shí)測(cè)研究，取得了較為豐碩的研究成果［1－15］。

在對(duì)風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，我國(guó)普遍采用10min時(shí)距［7－8］，且眾多的研究者在進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)特性分析時(shí)都采用10min離散平均的方式計(jì)算出相應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)特性。然而，目前對(duì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理方法的研究還較少，基于10min離散平均的統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的利用遠(yuǎn)不充分，其結(jié)果不能很好的反映出風(fēng)場(chǎng)的脈動(dòng)性和變化規(guī)律，尤其是在實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)較少的時(shí)候缺陷尤為明顯。

文中基于兩次臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以3s、10s、1min和10min為間隔，進(jìn)行了強(qiáng)風(fēng)特性的10min滑動(dòng)平均統(tǒng)計(jì)特性對(duì)比分析，以期獲得對(duì)近地面強(qiáng)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性及其數(shù)據(jù)處理方法的新認(rèn)識(shí)。

1 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)介紹

本文以2008年7月實(shí)測(cè)獲得的臺(tái)風(fēng)“海鷗”和“鳳凰”的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中臺(tái)風(fēng)“海鷗”于18日18時(shí)在福建長(zhǎng)春鎮(zhèn)登錄，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為10級(jí)（25m／s）；臺(tái)風(fēng)“鳳凰”于28日22時(shí)在福建東瀚鎮(zhèn)登錄，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為12級(jí)（33m／s）。兩次臺(tái)風(fēng)過程的部分觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)說明見表1。

表1 觀測(cè)數(shù)據(jù)說明Table 1 Field measurement specifications

近地風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在溫州大學(xué)建工樓頂部，屬于城市市郊地形。在建工樓5層樓頂同一高度設(shè)置了兩臺(tái)WJ－3型風(fēng)速風(fēng)向儀，將其分別固定在9m高的直桿上（避免風(fēng)速儀處風(fēng)場(chǎng)受建工樓干擾）。兩風(fēng)速儀離地總高度約為30m，水平相距約17m。采用DH－5937數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為20Hz。

2 不同間隔滑動(dòng)平均法

2.1 滑動(dòng)平均法

在動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)中，對(duì)確定性成分和不確定成分進(jìn)行分離時(shí)，如若只要消除動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)中的隨機(jī)起伏，而無(wú)需用某種函數(shù)或某些函數(shù)之和的形式來(lái)表示其變化規(guī)律，可采用平滑與濾波的數(shù)據(jù)處理方法，即滑動(dòng)平均法來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法雖然是一種古典的數(shù)據(jù)處理方法，但在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中經(jīng)常被采用。

假定動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)y（t）由確定性成分f（t）和隨機(jī)性成分e（t）組成，且前者為所需的測(cè)量結(jié)果或有效信號(hào)，后者為隨機(jī)起伏的測(cè)試誤差或噪聲。經(jīng)離散化采樣后，可相應(yīng)地將動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)寫成

為了精確地表示測(cè)量結(jié)果，抑制隨機(jī)誤差e（i）的影響，常對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)y（i）作平滑和濾波處理。如對(duì)非平穩(wěn)的數(shù)據(jù)y（i），在適當(dāng)?shù)男^(qū)間上近似為平穩(wěn)的，而作某種局部平均，以減小e（i）所造成的隨機(jī)起伏。這樣對(duì)沿全長(zhǎng)N個(gè)數(shù)據(jù)以某一擬定的滑動(dòng)間隔在逐一小區(qū)間上進(jìn)行不斷的局部平均，即可得出較平滑的測(cè)量結(jié)果f（i），而濾掉頻繁起伏的隨機(jī)誤差［16］。其中，滑動(dòng)間隔的大小對(duì)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果有較大的影響。

2.2 基于滑動(dòng)平均法的風(fēng)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特征分析

眾多的研究者在進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)特性分析時(shí)都采用10min離散平均的方式計(jì)算出相應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)特性，即將風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)間序列按10min一段分成若干段（各段數(shù)據(jù)無(wú)重合），然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以減小或消除測(cè)試誤差、噪聲以及短時(shí)距脈動(dòng)的影響，得到風(fēng)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)特征。但分析表明10min離散平均的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果不能很好的反映出強(qiáng)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的脈動(dòng)性和變化規(guī)律，尤其是在實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)較少的時(shí)候缺陷尤為明顯，如繪制出來(lái)的結(jié)果圖形數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，不能連續(xù)地反映出風(fēng)場(chǎng)的變化情況和脈動(dòng)規(guī)律等。

因滑動(dòng)平均法可有效地消除動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)中的隨機(jī)起伏得到較為平滑的測(cè)量結(jié)果，是一種簡(jiǎn)便而常用的數(shù)據(jù)處理方法。在此，為了解決10min離散平均進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)特性統(tǒng)計(jì)分析的不足，本文提出采用滑動(dòng)平均法對(duì)近地強(qiáng)風(fēng)特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。如以10min為基本時(shí)距，將實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)間序列以某一時(shí)距為間隔進(jìn)行滑動(dòng)平均。如以1min間隔進(jìn)行10min時(shí)距滑動(dòng)平均時(shí)，截取的第一段數(shù)據(jù)即為0到10min之間的時(shí)間序列，第二段數(shù)據(jù)即為1min到11min之間的時(shí)間序列，依此類推。為了研究不同滑動(dòng)間隔的影響，本文將以3s、10s、1min和10min為間隔進(jìn)行滑動(dòng)平均對(duì)比分析，其中以10min為間隔進(jìn)行滑動(dòng)平均實(shí)際上與10min離散平均方法相同。

3 近地面強(qiáng)風(fēng)滑動(dòng)平均統(tǒng)計(jì)特性對(duì)比分析

以下對(duì)實(shí)測(cè)獲得的臺(tái)風(fēng)“海鷗”和“鳳凰”的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，以3s、10s、1min和10min為間隔，進(jìn)行近地面強(qiáng)風(fēng)特性的10min滑動(dòng)平均的對(duì)比分析，其中風(fēng)場(chǎng)參數(shù)（如平均風(fēng)速和風(fēng)向角、湍流度、陣風(fēng)因子和湍流積分尺度）的相關(guān)定義及計(jì)算公式詳見文獻(xiàn)［6－7］。限于篇幅，文中只給出了部分對(duì)比分析圖形和結(jié)果分析。

3.1 平均風(fēng)速和風(fēng)向角

圖1～圖3給出了臺(tái)風(fēng)“海鷗”和“鳳凰”以3s、10s、1min和10min為滑動(dòng)間隔的部分10min平均風(fēng)速和風(fēng)向角時(shí)程。結(jié)果表明，以3s、10s和1min為間隔的滑動(dòng)平均對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)利用更加充分，如計(jì)算出的10min平均統(tǒng)計(jì)值更多，圖像連續(xù)性非常好，能較好地反映出平均速度、風(fēng)向角隨時(shí)間的連續(xù)變化趨勢(shì)和短時(shí)段內(nèi)的脈動(dòng)規(guī)律，從而更加充分地揭示出近地強(qiáng)風(fēng)平均風(fēng)速和風(fēng)向角的統(tǒng)計(jì)特性和脈動(dòng)規(guī)律。相對(duì)而言，從10min滑動(dòng)平均圖形很難獲得相應(yīng)的規(guī)律。

圖1 臺(tái)風(fēng)“海鷗”的平均風(fēng)速時(shí)程Fig.1 Mean wind speed time series of typhoon Kalmaegi

圖2 臺(tái)風(fēng)“海鷗”的平均風(fēng)向角時(shí)程Fig.2 Mean wind direction time series of typhoon Kalmaegi

圖3 臺(tái)風(fēng)“鳳凰”的平均風(fēng)速時(shí)程Fig.3 Mean wind speed time series of typhoon Fung－wong

另外，從圖1～圖3中可以看出，3s、10s滑動(dòng)平均與1min滑動(dòng)平均的連續(xù)性基本一致，都能很好的反映出10min平均風(fēng)速、風(fēng)向角隨時(shí)間的變化規(guī)律。因1min滑動(dòng)平均的計(jì)算量要比3s、10s滑動(dòng)平均的計(jì)算量小許多，所以在進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特性分析時(shí)采用1min滑動(dòng)平均方法更加簡(jiǎn)潔。

3.2 湍流度

湍流度反映了風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度，為確定結(jié)構(gòu)所受脈動(dòng)風(fēng)荷載的關(guān)鍵參數(shù)。圖4～圖6給出了兩次臺(tái)風(fēng)以10s、1min和10min為滑動(dòng)間隔的部分10min時(shí)距的順風(fēng)向和橫風(fēng)向湍流度時(shí)程。由前述平均風(fēng)速和風(fēng)向角的對(duì)比分析可知，以3s滑動(dòng)間隔計(jì)算得到的結(jié)果非常密集，此處及下文不再給出。圖4～圖6結(jié)果表明，10min滑動(dòng)平均圖形中湍流度結(jié)果連續(xù)性差，很難反映出湍流度短時(shí)段內(nèi)的變化趨勢(shì)及其脈動(dòng)規(guī)律；以10s和1min滑動(dòng)平均的湍流度脈動(dòng)非常連續(xù)，且具有一定的周期性，較好地反映出了湍流度在不同時(shí)刻的變化趨勢(shì)和脈動(dòng)規(guī)律，從而使研究人員獲得對(duì)風(fēng)場(chǎng)湍流特性更加清晰的認(rèn)識(shí)。

圖7給出了臺(tái)風(fēng)“海鷗”以10s、1min和10min為滑動(dòng)間隔的10min時(shí)距的順風(fēng)向湍流度與平均風(fēng)速的關(guān)系。圖7結(jié)果表明，10min滑動(dòng)平均圖形中湍流度結(jié)果的數(shù)據(jù)點(diǎn)少、分布范圍小，其反映出的湍流度隨平均風(fēng)速的變化趨勢(shì)和分布特征沒有10s和1min滑動(dòng)平均結(jié)果好。尤其是在平均風(fēng)速較大時(shí)因數(shù)據(jù)點(diǎn)太少，10min滑動(dòng)平均結(jié)果基本不能反映出湍流度隨平均風(fēng)速的變化規(guī)律。因強(qiáng)風(fēng)的持續(xù)時(shí)間往往較短，而短時(shí)距滑動(dòng)平均對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)利用更加充分，計(jì)算出的數(shù)據(jù)點(diǎn)多而密集，且其結(jié)果具有較好的連續(xù)性，從而能較好的揭示出風(fēng)速較大時(shí)湍流度隨平均風(fēng)速的變化規(guī)律。風(fēng)速越大對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用也越大，所以風(fēng)速較大時(shí)湍流度隨平均風(fēng)速的變化規(guī)律往往對(duì)工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)非常重要。

圖4 臺(tái)風(fēng)“海鷗”的順風(fēng)向湍流度時(shí)程Fig.4 Longitudinal turbulence intensity series of typhoon Kalmaegi

圖5 臺(tái)風(fēng)“海鷗”的橫風(fēng)向湍強(qiáng)度時(shí)程Fig.5 Lateral turbulence intensity series of typhoon Kalmaegi

圖6 臺(tái)風(fēng)“鳳凰”的順風(fēng)向湍流度時(shí)程Fig.6 Longitudinal turbulence intensity series of typhoon Fung－wong

圖7 臺(tái)風(fēng)“海鷗”的順風(fēng)向湍流度與10min平均風(fēng)速的關(guān)系Fig.7 Relationship between longitudinal turbulence intensity and 10min mean wind speed during typhoon Kalmaegi

另外，圖4～圖7結(jié)果也表明，10s滑動(dòng)平均與1min滑動(dòng)平均的連續(xù)性基本一致，因1min滑動(dòng)平均的計(jì)算量要比10s滑動(dòng)平均小，所以在進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)湍流度統(tǒng)計(jì)特性分析時(shí)1min滑動(dòng)平均方法更加簡(jiǎn)潔。

3.3 陣風(fēng)因子

風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度也可用陣風(fēng)因子來(lái)表示。圖8給出了臺(tái)風(fēng)“海鷗”以10s、1min和10min為滑動(dòng)間隔的10min時(shí)距的順風(fēng)向陣風(fēng)因子時(shí)程。總體看來(lái)，三種不同滑動(dòng)平均的陣風(fēng)因子的均值基本相同，但是三種不同滑動(dòng)平均的最大值卻有較大差別。如臺(tái)風(fēng)“海鷗”最大順風(fēng)向陣風(fēng)因子的10min滑動(dòng)平均值分別比10s和1min滑動(dòng)平均值小了18.4%和14.5%。另外，對(duì)比10s、1min和10min滑動(dòng)平均的結(jié)果，也可以獲得與湍流度的不同間隔滑動(dòng)平均統(tǒng)計(jì)特性對(duì)比中相似的結(jié)果。橫風(fēng)向陣風(fēng)因子的不同間隔滑動(dòng)平均統(tǒng)計(jì)特性對(duì)比分析也能獲得相似的結(jié)果。

圖8 臺(tái)風(fēng)“海鷗”的順風(fēng)向陣風(fēng)因子時(shí)程Fig.8 Longitudinal gust factor series of typhoon Kalmaegi

3.4 湍流積分尺度

湍流積分尺度是脈動(dòng)風(fēng)中湍流渦旋平均尺寸的量度，湍流積分尺度也是反映風(fēng)場(chǎng)特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)?？紤]到進(jìn)行3s和10s滑動(dòng)平均求解湍流積分尺度的計(jì)算量較大，圖9和圖10僅給出了臺(tái)風(fēng)“海鷗”的1min和10min滑動(dòng)平均的順風(fēng)向與橫風(fēng)向湍流積分尺度時(shí)程及其與平均風(fēng)速之間的關(guān)系，其中湍流積分尺度根據(jù)Von Karman譜擬合實(shí)測(cè)風(fēng)速譜得到［6］。圖9結(jié)果表明，相比10min滑動(dòng)平均結(jié)果，1min滑動(dòng)平均求得的湍流積分尺度的分布范圍更廣，圖像連續(xù)性較好，能較好地反映出湍流積分尺度隨時(shí)間的連續(xù)變化趨勢(shì)和短時(shí)段內(nèi)的脈動(dòng)規(guī)律。圖10結(jié)果表明，1min滑動(dòng)平均求得的結(jié)果較密集，能較好地揭示出風(fēng)速較大時(shí)湍流積分尺度與平均風(fēng)速的關(guān)系及其變化規(guī)律。

圖9 臺(tái)風(fēng)“海鷗”的湍流積分尺度時(shí)程Fig.9 Turbulence integral length scale series of typhoon Kalmaegi

3.5 湍流功率譜密度函數(shù)

脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度函數(shù)可以用來(lái)描述脈動(dòng)風(fēng)的特性，其在頻域上的分布可以描述湍流動(dòng)能在不同尺度水平上的能量分布比例?；谇笆鲲L(fēng)場(chǎng)特性的對(duì)比分析可知，基于不同時(shí)間間隔的滑動(dòng)平均法對(duì)脈動(dòng)風(fēng)速功率譜進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，也將獲得脈動(dòng)風(fēng)速功率譜沿著風(fēng)場(chǎng)時(shí)程的連續(xù)變化規(guī)律以及在不同湍流度和風(fēng)速情況下的特征，從而獲得對(duì)其新的認(rèn)識(shí)。但基于不同時(shí)間間隔的滑動(dòng)平均法對(duì)脈動(dòng)風(fēng)速功率譜進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，需要非常多的結(jié)果圖形才能完成，所以文中沒有給出相關(guān)結(jié)果圖形的對(duì)比和分析。

4 結(jié) 論

基于2008年影響溫州地區(qū)的臺(tái)風(fēng)“海鷗”和“鳳凰”的實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)資料，以3s、10s、1min和10min為間隔，進(jìn)行了近地面強(qiáng)風(fēng)10min滑動(dòng)平均統(tǒng)計(jì)特性的對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，相對(duì)于以10min為間隔的滑動(dòng)平均，以3s、10s和1min為間隔的滑動(dòng)平均對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)利用更加充分，其結(jié)果具有更好的連續(xù)性，能較好地反映出平均速度、風(fēng)向角、湍流度、陣風(fēng)因子、湍流積分尺度和脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度函數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)和短時(shí)段內(nèi)的脈動(dòng)規(guī)律，能較好的揭示出風(fēng)速較大時(shí)湍流度、陣風(fēng)因子、湍流積分尺度和脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度函數(shù)隨平均風(fēng)速的變化規(guī)律，從而更加充分的揭示出近地強(qiáng)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特性。3s、10s滑動(dòng)平均與1min滑動(dòng)平均的連續(xù)性基本一致，因1min滑動(dòng)平均的計(jì)算量小，在進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特性分析時(shí)1min滑動(dòng)平均方法更加簡(jiǎn)潔。

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［15］陳凱，余永生，賈叢賢.傍山地區(qū)的強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)特性實(shí)測(cè)研究［J］.流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量，2003，17（3）：18－22.

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