李利孝，肖儀清，周超英，宋麗莉

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東　深圳　518055； 2.公共氣象服務(wù)中心中國氣象局，北京　100081)

第一作者李利孝男，博士，1984年生

基于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)條件的臺(tái)風(fēng)邊界層脈動(dòng)風(fēng)速譜建模方法研究

李利孝1，肖儀清1，周超英1，宋麗莉2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳518055； 2.公共氣象服務(wù)中心中國氣象局，北京100081)

摘要：利用在博賀峙仔島觀測(cè)站實(shí)測(cè)的臺(tái)風(fēng)黑格比數(shù)據(jù)，在莫寧-奧布霍夫相似理論框架內(nèi)提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)條件的臺(tái)風(fēng)邊界層脈動(dòng)風(fēng)速譜建模方法。首先基于均勻各向同性湍流能譜需滿足的基本模型準(zhǔn)則，將六參數(shù)脈動(dòng)風(fēng)速譜統(tǒng)一模型簡(jiǎn)化為四參數(shù)譜模型；之后基于高頻區(qū)和低頻區(qū)脈動(dòng)風(fēng)速譜特征建立了四個(gè)譜參數(shù)的理論表達(dá)式，并利用實(shí)測(cè)的臺(tái)風(fēng)黑格比數(shù)據(jù)將譜參數(shù)理論表達(dá)式進(jìn)行參數(shù)化處理，進(jìn)而提出基于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)條件的脈動(dòng)風(fēng)速譜建模方法；最后利用臺(tái)風(fēng)黑格比過程中任意選取的四個(gè)1h時(shí)長樣本對(duì)上述脈動(dòng)風(fēng)速譜建模方法進(jìn)行了驗(yàn)證，表明其與實(shí)測(cè)樣本的風(fēng)速譜具有較好的一致性。

關(guān)鍵詞：臺(tái)風(fēng)；湍流；脈動(dòng)風(fēng)速譜；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)條件；結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51308168和51278161);中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2013M531045)

收稿日期：2014-01-08修改稿收到日期：2014-05-30

通信作者肖儀清男，博士，教授，1973年生

中圖分類號(hào):TU973+.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.11.003

Abstract:A data-driven model was proposed to model wind velocity spectrum of typhoon boundary layer considering conditions of design reference. This model was established based on Moning-Obukhov similarity theory (MOST) and the field measured data of typhoon Hagupit on Zhizai Island, Bohe. Firstly, the six-parameter general model was simplified into a four-parameter spectral model by matching the model criteria of energy spectrum in homogeneous turbulent flow. Secondly, the theoretical expressions of the four spectral parameters were determined based on the features of wind velocity spectrum in lower and higher frequency ranges. Then the data-driven model considering conditions of design reference was established through parameterizing the four spectral parameters with the field measured data of typhoon Hagupit. Finally, the validation of the data-driven model was examined with arbitrarily selected four 1-hour length data sets in the process of typhoon Hagupit. It was shown that the wind velocity spectrum modeled using the proposed method agrees well with that obtained using the actual measured samples.

Modeling method for fluctuating wind velocity spectrum in typhoon boundary layer based on conditions of design reference

LILi-xiao1,XIAOYi-qing1,ZHOUChao-ying1,SONGLi-li2(1. Shenzhen Graduate School, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China;2. Public Meteorological Service Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China)

Key words:typhoon; turbulence; wind velocity spectrum; conditions of design reference; wind-resistance design

大量超高層建筑和超大跨度橋梁結(jié)構(gòu)在我國東南沿海地區(qū)興建，每年遭受若干次臺(tái)風(fēng)的襲擊，使得抵抗臺(tái)風(fēng)作用成為這類結(jié)構(gòu)在服役期安全性和舒適性的巨大挑戰(zhàn)。準(zhǔn)確刻畫臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征和湍流特性是估計(jì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)荷載和抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)的首要保證。風(fēng)速剖面刻畫了平均風(fēng)速隨高度的變化規(guī)律，是估算平均風(fēng)荷載的重要參數(shù)，而風(fēng)速譜則表征了湍動(dòng)能在不同頻率區(qū)段上的分布特征，是刻畫脈動(dòng)風(fēng)荷載的關(guān)鍵參數(shù)[1-2]。

目前國內(nèi)外大部分風(fēng)荷載規(guī)范所采用的經(jīng)驗(yàn)風(fēng)速譜模型[3-5]是利用非氣旋風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基于均勻各向同性湍流的能譜特征推導(dǎo)所得，然而在臺(tái)風(fēng)場(chǎng)中，對(duì)流湍流和下沉作用將風(fēng)場(chǎng)上部形成的大尺度渦漩向下輸運(yùn)并影響近地面層的流場(chǎng)特性，使得臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)與常態(tài)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)在結(jié)構(gòu)特征和湍流特性均存在一定的差異[6-9]。針對(duì)臺(tái)風(fēng)場(chǎng)脈動(dòng)風(fēng)速譜特征，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的實(shí)測(cè)研究，部分學(xué)者的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)場(chǎng)脈動(dòng)風(fēng)速譜包含較多的低頻區(qū)能量，含能區(qū)特征尺度大于常態(tài)大風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的特征尺度[10-11]；而另一部分學(xué)者則獲得與之相反的結(jié)論[12-13]。鑒于此，部分學(xué)者采用最小二乘法對(duì)實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合以獲得適用于臺(tái)風(fēng)影響區(qū)的脈動(dòng)風(fēng)速譜模型[14-15]。然而，采用這種擬合方法所建立的譜模型的參數(shù)變異性較大，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)依賴性較高；同時(shí)所建立的譜模型不能直觀反映風(fēng)場(chǎng)環(huán)境、粗糙度類別、高度以及風(fēng)速等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本條件的影響，也不能反映大氣層結(jié)穩(wěn)定度等氣象學(xué)要素對(duì)譜特性的影響[16]。

因此，本文將基于在博賀峙仔島觀測(cè)站實(shí)測(cè)的臺(tái)風(fēng)黑格比數(shù)據(jù)，提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的基于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)條件的臺(tái)風(fēng)邊界層脈動(dòng)風(fēng)速譜建模方法，并利用臺(tái)風(fēng)黑格比過程中任意選取的四個(gè)1h時(shí)長的樣本對(duì)上述建模方法的準(zhǔn)確度進(jìn)行驗(yàn)證，從而為臺(tái)風(fēng)影響區(qū)建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供借鑒和指導(dǎo)。

1脈動(dòng)風(fēng)速譜理論模型建立

均勻各向同性湍流的湍能譜可劃分如下三個(gè)區(qū)域：含能區(qū)、慣性子區(qū)和能量耗散區(qū)(見圖1)。含能區(qū)主要通過大尺度漩渦的脈動(dòng)從平均流中獲取能量，其包含了流場(chǎng)絕大部分的湍動(dòng)能；能量耗散區(qū)則主要是通過小尺度漩渦的相互摩擦碰撞作用進(jìn)行能量的耗散；而在慣性子區(qū)，假定漩渦主要進(jìn)行能量的傳遞作用，既不從平均流中獲取能量，也不進(jìn)行能量的耗散[17]。所以在慣性子區(qū)，歸一化的脈動(dòng)風(fēng)速譜服從各向同性湍流的-2/3次律變化規(guī)律[18]，

(1)

式中：Su(n)為脈動(dòng)風(fēng)速譜譜；u*為摩擦速度；φε為無量綱化風(fēng)切力的莫寧奧布霍夫系數(shù)函數(shù)；Au為常數(shù)，取為0.27；n為自然頻率(Hz)；f為無量綱化折算頻率，f=nΛ/U，其中Λ可為離地高度，積分尺度或一固定值。

基于慣性子區(qū)的脈動(dòng)風(fēng)速譜一般形式(式(1))，大量大氣中性層結(jié)下的經(jīng)驗(yàn)風(fēng)速譜模型在此基礎(chǔ)被提出并廣泛應(yīng)用于不同國家的抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范中，這些經(jīng)驗(yàn)譜模型可統(tǒng)一表達(dá)為六參數(shù)脈動(dòng)風(fēng)速譜廣義模型，即

(2)

式中：A、B、C、α、β和γ為六個(gè)待定參數(shù)；R為湍流比。

圖1　均勻各向同性湍流湍能譜示意圖Fig.1 Schematic of energy spectrum of homogeneous and isotropic turbulence

1.1模型準(zhǔn)則

基于莫寧-奧布霍夫相似理論和均勻各向同性湍流的基本特征，脈動(dòng)風(fēng)速譜統(tǒng)一模型(式2)需滿足以下幾個(gè)基本準(zhǔn)則:

(1)在慣性子區(qū)脈動(dòng)風(fēng)速譜需服從Kolmogorov的-2/3次律能量傳遞理論，即

αβ-γ=2/3

(3)

γ=1;A=4Cβ

(4)

(3)當(dāng)頻率n趨近于0時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)速譜Su(n)的導(dǎo)數(shù)亦趨近于0，由此可得

α≥1

(5)

將式(3)～式(5)代入式(2)，則六參數(shù)脈動(dòng)風(fēng)速譜廣義模型可簡(jiǎn)化為四參數(shù)譜模型，即

(6)

式中:A、B、C和α為四個(gè)待定參數(shù)。

1.2譜參數(shù)理論模型

無量綱化的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速譜nSu(n)/u*2在低頻區(qū)服從折算頻率f的+1次律變化規(guī)律，在慣性子區(qū)則服從折算頻率f的-2/3次律變化規(guī)律。因此無量綱化的脈動(dòng)風(fēng)速譜則可通過如下四個(gè)譜參數(shù)來確定：無量綱化脈動(dòng)風(fēng)速譜在譜能量達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的折算頻率fm和譜能量Gm(Gm=max(nSu(n)/σ2))，無量綱化風(fēng)速譜在慣性子區(qū)系數(shù)Au，歸一化脈動(dòng)風(fēng)速譜的湍流比R。

上述四個(gè)譜參數(shù)則可由四參數(shù)譜模型(式(6))的四個(gè)待定參數(shù)來表達(dá)：

(1)無量綱化脈動(dòng)風(fēng)速譜在譜能量達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的折算頻率fm可通過對(duì)式(6)右邊部分求導(dǎo)得，

(7)

(2)歸一化風(fēng)速譜在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的最大譜密度Gm則可表示為

(8)

(3)在慣性子區(qū)，脈動(dòng)風(fēng)速譜系數(shù)Au可由下式計(jì)算

(9)

(4)由順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速譜所包含的能量等于順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速的方差可得

(10)

式中

s≠0, -1, -2…

(11)

由上述分析可知，當(dāng)描述風(fēng)速譜形的四個(gè)譜參數(shù)確定之后，即可通過聯(lián)解式(7)～式(10)進(jìn)而反算求得四參數(shù)譜模型(式(6))中的四個(gè)待定參數(shù)A、B、C和α，從而可建立一個(gè)相應(yīng)的脈動(dòng)風(fēng)速譜的表達(dá)式。

2脈動(dòng)風(fēng)速譜參數(shù)模型建立

2.1數(shù)據(jù)來源

本文所采用的數(shù)據(jù)為2008年第14號(hào)臺(tái)風(fēng)黑格比在博賀峙仔島觀測(cè)站實(shí)測(cè)得臺(tái)風(fēng)資料。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比是自1996年以來登陸廣東的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，于2008-09-24T06∶45在廣東省西部電白縣陳村附近登陸，登陸時(shí)中心最大風(fēng)力15級(jí)(48m/s)。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比數(shù)據(jù)是由廣東省氣象局在博賀峙仔島100 m觀測(cè)塔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的所得，觀測(cè)站場(chǎng)地條件以及儀器設(shè)置等可見參考文獻(xiàn)[19-20]。

圖2所示為峙仔島觀測(cè)站60 m高度的超聲風(fēng)速儀實(shí)測(cè)的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比的風(fēng)速風(fēng)向時(shí)程，由圖可見強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比風(fēng)眼經(jīng)過了觀測(cè)站，在中心經(jīng)過前后的風(fēng)向轉(zhuǎn)角約為191°，臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過前的最大10min平均風(fēng)速為45.88 m/s，臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過后的最大10min平均風(fēng)速為40.11 m/s。實(shí)測(cè)的臺(tái)風(fēng)黑格比144個(gè)樣本經(jīng)過了數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和樣本選取準(zhǔn)則處理后[20]，最終有47個(gè)滿足平穩(wěn)性要求的樣本用于本文的分析。

圖2　臺(tái)風(fēng)黑格比10分鐘平均風(fēng)速風(fēng)向時(shí)程Fig.2 Time history of 10 min mean wind speeds and directions in typhoon Hagupit

2.2譜參數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/p>

由1.2節(jié)的分析可知，只要確立了四個(gè)譜參數(shù)，即可通過式(7)～式(10)來確定參數(shù)A、B、C和α，本節(jié)將基于上節(jié)所選取的47個(gè)數(shù)據(jù)樣本，采用最小二乘法擬合建立各譜參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。由于大氣穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)速譜在低頻區(qū)的能量分布較大程度的影響，在本節(jié)的分析中將同時(shí)考慮大氣層結(jié)穩(wěn)定度對(duì)譜參數(shù)的影響。

在莫寧-奧布霍夫相似理論框架內(nèi)，大氣層結(jié)穩(wěn)定度可通過無量綱化的大氣穩(wěn)定度系數(shù)來表達(dá)，即

(12)

在式(12)中，當(dāng)z/L>0時(shí)為穩(wěn)定層結(jié)，z/L<0時(shí)為不穩(wěn)定層結(jié)，z/L=0時(shí)為中性層結(jié)。由于z/L=0的樣本基本上沒有，所以在本文中假定-0.1

基于莫寧-奧布霍夫相似理論分析時(shí)認(rèn)為湍流比R在近面地層不隨高度發(fā)生變化，但隨著場(chǎng)地粗糙度的改變而改變，同時(shí)其還受到大氣層結(jié)穩(wěn)定度的影響。在本文的分析中，先選取中性層結(jié)樣本研究湍流比隨粗糙度長度的變化規(guī)律，之后再分析湍流比隨大氣層結(jié)穩(wěn)定的變化關(guān)系。

圖3(a)為實(shí)測(cè)的中性層結(jié)樣本中湍流比隨粗糙度長度的變化規(guī)律，為了比較臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)眼經(jīng)過前后區(qū)域的湍流比差異，將所選樣本又劃分為中心經(jīng)過前和中心經(jīng)過后兩個(gè)類別，分別采用最小二乘擬合得湍流比隨粗糙度長度的關(guān)系如下兩式所示

TR(z0)=2.74-0.17ln(z0)

(13)

TR(z0)=0.65-0.28ln(z0)

(14)

圖3(b)為大氣穩(wěn)定度參數(shù)對(duì)湍流比的影響，在分析大氣穩(wěn)定度對(duì)湍流比的影響時(shí)，先利用式(13)扣除粗糙度長度對(duì)湍流比的貢獻(xiàn)，之所以選擇式(13)是因?yàn)樵谂_(tái)風(fēng)中心經(jīng)過后所選取到的近中性層結(jié)樣本基本上均位于外環(huán)流區(qū)域，不能代表臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性。疊加粗糙度長度對(duì)湍流比的影響和大氣穩(wěn)定度對(duì)湍流比的影響之后，湍流比可表達(dá)為

R(z0,z/L)=2.74-0.17ln(z0)+0.93(z/L)1/3

(15)

圖3　湍流比TR隨粗糙度長度z0和大氣穩(wěn)定度參數(shù)z/L的變化關(guān)系Fig.3 Variation of turbulence ratio with roughness length z0and atmospheric stability z/L

類似于湍流比，折算頻率fm也采用了相應(yīng)的分析方法進(jìn)行分析，圖4(a)所示為譜密度峰值Gm對(duì)應(yīng)的自然頻率nm隨平均風(fēng)速U的變化關(guān)系。在分析二者之間的關(guān)系時(shí)，只選用了近中性層結(jié)的樣本，利用最小二乘回歸得二者之間的關(guān)系為

nm=0.024 4exp(0.006 6U)

(16)

圖4(b)所示為大氣層結(jié)穩(wěn)定度對(duì)頻率nm的影響。類似于分析大氣穩(wěn)定度對(duì)湍流比的影響，在這里亦先利用式(16)扣除了平均風(fēng)速對(duì)頻率nm的影響，綜合平均風(fēng)速以及大氣穩(wěn)定度對(duì)頻率nm的影響，可得如下表達(dá)式，

nm=0.024 4exp(0.006 6U)+

(17)

與之相對(duì)應(yīng)的折算頻率fm則可表示為

fm=U-1z(0.024 4exp(0.006 6U)+0.020 8z/L)

(18)

式中：U為平均風(fēng)速，0≤z/L≤0.4。

圖4　頻率nm隨平均風(fēng)速U和大氣穩(wěn)定度參數(shù)z/L的變化關(guān)系Fig.4 Variation of natural frequency nmwith mean wind speed U and atmospheric stability z/L

實(shí)測(cè)的歸一化風(fēng)速譜的譜密度最大值Gm沒有表現(xiàn)出明顯的隨粗糙度長度或大氣穩(wěn)定度的變化規(guī)律，所以在這里只分析了Gm隨平均風(fēng)速U的變化關(guān)系，見圖5。利用最小二乘法擬合得Gm與平均風(fēng)速U的變化關(guān)系如下式所示

Gm=0.748 5/U0.233 4

(19)

圖5　譜密度最大值Gm隨平均風(fēng)速U的變化關(guān)系Fig.5 Variation of the maximum of normalized wind velocity spectra, Gm, with mean wind speed U

圖6為慣性子區(qū)脈動(dòng)風(fēng)速譜參數(shù)Au隨平均風(fēng)速U的變化關(guān)系。由圖6可見，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)順風(fēng)向風(fēng)速譜譜參數(shù)的實(shí)測(cè)值較為離散且大于理論推導(dǎo)的值0.26。譜參數(shù)的實(shí)測(cè)值是基于式(1)利用最小二乘法擬合慣性子區(qū)的實(shí)測(cè)風(fēng)速譜而得到的，譜參數(shù)的實(shí)測(cè)值與平均風(fēng)速的關(guān)系可用下式表示

Au=0.011 3U1.177 0+0.177 8,U≥17.2 m/s

(20)

圖6　慣性子區(qū)譜參數(shù)Au隨平均風(fēng)速U的變化關(guān)系Fig.6 Variation of Auin inertial subrange with mean speed U

利用上述各譜參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?式(15)、式(18)、式(19)和式(20))，基于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)條件(設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速、場(chǎng)地類別和大氣穩(wěn)定度條件)可確定各譜參數(shù)的具體取值，進(jìn)而利用1.2節(jié)所建立的理論模型(式(7)～式(10))反算得四參數(shù)風(fēng)速譜模型(式(6))的四個(gè)待定參數(shù)，最后可確定唯一的風(fēng)速譜表達(dá)式。

3模型有效性驗(yàn)證

3.1數(shù)據(jù)選取

本文2.2節(jié)的譜參數(shù)模型是建立在平穩(wěn)樣本的基礎(chǔ)上，為了使上述脈動(dòng)風(fēng)速譜建模方法不失一般性，在這里任意選取了強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比風(fēng)場(chǎng)不同部位(前外環(huán)流區(qū)FOV、前眼壁區(qū)FEW、后眼壁區(qū)BEW和后外環(huán)流區(qū)BOV)的四個(gè)時(shí)長為1h的樣本進(jìn)行分析，所選的四個(gè)1h樣本的詳細(xì)湍流統(tǒng)計(jì)特性列于表1中。

3.2模型有效性驗(yàn)證

基于表1所列的各樣本的平均風(fēng)速及其湍流統(tǒng)計(jì)參數(shù)，分別采用式(15)、式(18)、式(19)和式(20)計(jì)算了各樣本的湍流比TR、折算頻率fm、歸一化風(fēng)速譜譜密度最大值Gm和慣性子區(qū)譜參數(shù)Au(見表2)。

表1　四個(gè)1h時(shí)長樣本的湍流統(tǒng)計(jì)特性

表2　四個(gè)1h時(shí)長樣本的譜參數(shù)

基于表2所計(jì)算得譜參數(shù)，采用“1.2”節(jié)所建議的理論譜模型建立了強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比不同部位的脈動(dòng)風(fēng)速譜表達(dá)式，如下各式所示：

(21)

(22)

(23)

(24)

圖7 ((a)、(b)、(c)和(d))分別給出了強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比四個(gè)區(qū)域的實(shí)測(cè)風(fēng)速譜、理論風(fēng)速譜(式(21)～式(24))、von Karman譜和Kaimal譜進(jìn)行對(duì)比。由圖7可見，采用本文建立的方法確定的風(fēng)速譜(圖例中稱作理論風(fēng)速譜)與實(shí)測(cè)風(fēng)速譜吻合的非常好，尤其是在眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)(FEW和BEW)。在外環(huán)流區(qū)域(FOV和BOV)，理論風(fēng)速譜與實(shí)測(cè)風(fēng)速譜有一定的差異，這可歸結(jié)為如下三個(gè)原因：第一個(gè)是由于樣本的非平穩(wěn)性導(dǎo)致的，四個(gè)1h時(shí)長樣本是任意選取的，有些樣本不滿足平穩(wěn)性要求；第二個(gè)可歸結(jié)為大氣穩(wěn)定度的影響，本文在確定風(fēng)速譜模型時(shí)選用了1h總樣本的穩(wěn)定度參數(shù)，但是在1h內(nèi)的6個(gè)10min時(shí)長的子樣本則有的是穩(wěn)定層結(jié)，有的是不穩(wěn)定層結(jié)；第三個(gè)原因可歸結(jié)為建立譜參數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)據(jù)量相對(duì)較少，準(zhǔn)確性需進(jìn)一步提高。

圖7　實(shí)測(cè)風(fēng)速譜與理論譜以及經(jīng)驗(yàn)風(fēng)速譜對(duì)比Fig.7 Comparison of field measured spectra, theoretical model spectra and empirical spectra

4結(jié)論

通過對(duì)大氣邊界層順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速譜統(tǒng)一表達(dá)式的分析，在莫寧-奧布霍夫相似理論的框架內(nèi)和局部均勻各向同性湍流理論的基礎(chǔ)上提出了一種基于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)條件的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)邊界層風(fēng)速譜建模方法，并驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性，得出如下主要結(jié)論：

(1)通過對(duì)順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速譜需滿足的基本條件分析，從理論上將六參數(shù)風(fēng)速譜模型簡(jiǎn)化為四參數(shù)風(fēng)速譜模型，并提出了基于四個(gè)譜參數(shù)的建模方法；

(2)利用實(shí)測(cè)的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比的數(shù)據(jù)，建立了譜參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，將其參數(shù)化為平均風(fēng)速、粗糙度長度、大氣穩(wěn)定度參數(shù)的函數(shù);

(3)利用任意選取的四個(gè)一小時(shí)時(shí)長的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該建模方法所確立的脈動(dòng)風(fēng)速譜模型的準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)該理論模型與實(shí)測(cè)風(fēng)速譜吻合較好，優(yōu)于各經(jīng)驗(yàn)風(fēng)速譜模型與實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速譜的一致性。

本文所提出臺(tái)風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)速譜建模方法是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，對(duì)譜參數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性依賴度較高，所以有必要繼續(xù)擴(kuò)大數(shù)據(jù)量以更為準(zhǔn)確的模擬各譜參數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，更為精確的確立不同設(shè)計(jì)基準(zhǔn)條件的風(fēng)速譜模型。另外本文所建立的風(fēng)速譜建模理論亦適用于豎向脈動(dòng)風(fēng)速譜的建模分析和非氣旋風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速譜建模。

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