摘 要：合理地處理脈動風(fēng)場風(fēng)速實測數(shù)據(jù)是獲取準(zhǔn)確脈動風(fēng)場參數(shù)的基礎(chǔ)。為了提升三維脈動風(fēng)場實測數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性，本文基于超聲風(fēng)速儀無效風(fēng)速數(shù)據(jù)自動識別提出了一種基于多倍截斷方差法的脈動風(fēng)速實測數(shù)據(jù)處理方法，開展了基于實測風(fēng)場特征分析的數(shù)據(jù)修正工作，并利用臺風(fēng)“瑪莉亞”實測脈動風(fēng)速數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性。該方法可以為風(fēng)場實測脈動風(fēng)數(shù)據(jù)處理以及風(fēng)障等構(gòu)造研發(fā)中風(fēng)場精細(xì)化模擬提供參考。

關(guān)鍵詞：臺風(fēng)；數(shù)據(jù)處理；脈動風(fēng)速；插值法

中圖分類號：P 44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

臺風(fēng)是風(fēng)災(zāi)害的主要形式之一，屬于極端風(fēng)氣候，其造成的受災(zāi)范圍廣，發(fā)生頻率高。隨著我國柔性橋梁結(jié)構(gòu)的建設(shè)日益增多，例如在本公司承接的濱海西大道提升改造工程中，后田人行天橋采用雙肢外斜變寬鋼斜塔斜拉橋，海滄鰲冠大道工程采用雙層橋梁，上層為現(xiàn)澆連續(xù)箱梁、下層為懸掛式鋼箱梁漂浮體系結(jié)構(gòu)。為了保障極端風(fēng)氣候下橋面行車及人行安全，亟需加強橋梁風(fēng)障等構(gòu)造阻風(fēng)性能研究[1]，而獲取準(zhǔn)確臺風(fēng)風(fēng)場參數(shù)是實現(xiàn)風(fēng)障等構(gòu)造風(fēng)場精細(xì)化模擬的基礎(chǔ)性工作。作為獲取復(fù)雜天氣三維脈動風(fēng)速的有效手段，風(fēng)場實測被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于風(fēng)工程研究中[2-3]。由于實測三維風(fēng)速是隨時間而變化的動態(tài)數(shù)據(jù)，時序數(shù)據(jù)往往受儀器設(shè)計缺陷、暴雨、雷擊、風(fēng)致飛射物沖擊、電壓不穩(wěn)定以及大氣湍流隨機性等影響，存在數(shù)據(jù)壞點或不合理點，從而影響實測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此對觀測風(fēng)場數(shù)據(jù)進行處理、判定觀測數(shù)據(jù)的可靠性是準(zhǔn)確描述臺風(fēng)場特性的重要基礎(chǔ)。本文基于超聲風(fēng)速儀無效風(fēng)速數(shù)據(jù)自動識別，探討了臺風(fēng)風(fēng)場數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，開展了基于實測風(fēng)場特征分析的數(shù)據(jù)修正工作，并利用實測的臺風(fēng)“瑪莉亞”實測脈動風(fēng)速數(shù)據(jù)驗證了此方法的有效性。該方法可為風(fēng)場實測脈動風(fēng)數(shù)據(jù)處理以及風(fēng)障等構(gòu)造風(fēng)場精細(xì)化模擬提供參考。

1 實測風(fēng)場數(shù)據(jù)來源

1.1 觀測站

觀測站位于福建省平潭縣嶼頭島，觀測站主要包括觀測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。觀測系統(tǒng)主要采用英國Gill公司生產(chǎn)的高性能三維超聲風(fēng)速儀Windmaster Pro作為風(fēng)數(shù)據(jù)采樣儀器，分別布置 10m、80m、100 m三個觀測層，該風(fēng)速儀風(fēng)速量程為0m/s～65m/s，分辨率為0.01m/s；風(fēng)向量程為0°～359°，分辨率為0.1°；支持32Hz高頻采樣，然而，過高的采樣頻率并不一定能有較好的還原度，反而會使接近電壓頻率的信號折疊引入數(shù)據(jù)低頻端，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過大，存在一定的誤差，因而現(xiàn)場選用的樣本輸出頻率為10Hz，即每0.1s記錄一組u（x）、u（y）、u（z）三維瞬時風(fēng)速。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用CR3000作為數(shù)據(jù)采集器，該設(shè)備性能可靠，運行穩(wěn)定，達(dá)到歐盟CE、EMC要求，能有效防止過壓下強電流對儀器的損傷，CR3000具有CSI/O和RS-232接口，支持SDM外圍設(shè)備，可以直接與計算機或PDA連接，也能夠利用Internet、無線電等通信方式進行數(shù)據(jù)無線傳輸，以實現(xiàn)臺風(fēng)期間連續(xù)性觀測及數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1.2 實測臺風(fēng)

2018年第8號臺風(fēng)“瑪莉亞”于7月11日05：00位于福建霞浦東偏南方大約120km的海面上，北緯26.3°、東經(jīng)121.0°，中心附近最大風(fēng)力有十五級（48m/s），中心最低氣壓為94500Pa，七級風(fēng)圈半徑280km～400km，十級風(fēng)圈半徑150km～200km，十二級風(fēng)圈半徑40km～50km。并于7月11日09時10分在福建兩江黃岐半島登陸，登陸時附近最大風(fēng)力十四級（42m/s），中心最低氣壓96000Pa。臺風(fēng)“瑪莉亞”的登陸路徑與觀測站最短距離為18.1km。

1.3 臺風(fēng)數(shù)據(jù)初步分析

獲取可靠的、具有代表性的風(fēng)觀測數(shù)據(jù)是風(fēng)場研究的重要工作。對結(jié)構(gòu)風(fēng)工程來說，風(fēng)觀測數(shù)據(jù)的精度要求往往比一般的區(qū)域氣象預(yù)報要高，因此對一手的實測風(fēng)數(shù)據(jù)進行初步分析預(yù)處理是科學(xué)開展結(jié)構(gòu)風(fēng)工程抗風(fēng)研究的必要過程，但影響風(fēng)場數(shù)據(jù)精度因素較多，為了完成針對性降低誤差的工作，利用臺風(fēng)“瑪莉亞”期間觀測站10m、80m高度層風(fēng)場三維風(fēng)速數(shù)據(jù)，對基于超聲風(fēng)速儀無效風(fēng)速數(shù)據(jù)自動識別的數(shù)據(jù)進行初步處理，得到“瑪莉亞”期間10m、80m處ux、uy、uz風(fēng)速序列如圖1所示。

由圖1可知，臺風(fēng)“瑪莉亞”期間，ux、uy、uz部分最大值接近100m/s，這主要是臺風(fēng)期間受環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)失真，產(chǎn)生較多野點，發(fā)生“毛刺”現(xiàn)象。這將降低實測數(shù)據(jù)的有效性，在某種程度上，也會使臺風(fēng)期間實測平均風(fēng)速數(shù)值出現(xiàn)不真實的“虛大”情況，如果將不真實的實測結(jié)果應(yīng)用于橋梁等結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速等參數(shù)評估上，勢必會影響結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)取值的合理性和科學(xué)性，為了避免發(fā)生上述情況，有必要在上述超聲風(fēng)速儀無效風(fēng)速數(shù)據(jù)自動識別數(shù)據(jù)特征分析的基礎(chǔ)上，進一步修正臺風(fēng)期間實測風(fēng)速。

2 數(shù)據(jù)處理方法

為了提升三維脈動風(fēng)場實測數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性，降低實測數(shù)據(jù)“毛刺”現(xiàn)象對結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，基于多倍截斷方差法對上述特征分析中“壞點”數(shù)據(jù)或者不合理數(shù)據(jù)進行逐個時間序列的原始數(shù)據(jù)平滑估計，通過檢測數(shù)據(jù)突變位置，確定該點是否為平滑估計范圍內(nèi)的為正常點，其處理過程如公式（1）～公式（5）所示[4-6]。

du（t）=u（t+2）-u（t） （1）

式中：du（t）為構(gòu)建的時間序列；t為樣本序列號；u（t）為樣本系列中第t個樣本風(fēng)速；u（t+2）為樣本系列中第t+2個樣本風(fēng)速。

（2）

式中：為du（t）時間序列的平均值；n為時間序列的樣本數(shù)。

（3）

式中：為du（t）2時間序列的平均值；n為時間序列的樣本數(shù)。

σ=-2 （4）

式中：σ為截斷方差。

Δ=c·σ0.5 （5）

式中：Δ為數(shù)據(jù)壞點判斷標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)；c為常系數(shù)。

通過系數(shù)c可以設(shè)置正常數(shù)據(jù)偏離平滑估計的范圍，這里取c=4，當(dāng)滿足|du（t）|gt;Δ或|du（t+2）|gt;Δ時，即該樣本點與總體樣本均值的差的絕對值大于4倍標(biāo)準(zhǔn)差時，則判斷u（t+2）是不合理的壞點，需對該壞點進行處理。需要對數(shù)據(jù)壞點進行插值替換，創(chuàng)建一個更平滑的數(shù)據(jù)序列作為參考[7]，

對壞點u（t+2）的具體處理過程如下。1）u（1）為從樣本點

u（t）至u（t+4）共5個數(shù)據(jù)的中位數(shù)。2）u（2）為從樣本點u（1）t+1至u（1）t+3共3個數(shù)據(jù)的中位數(shù)。3）取u（2）t+1、u（2）t+2、

u（2）t+2、u（2）t+3的算術(shù)平均值，即得u（3）。4）u（3）替代壞點u（t+2），完成該樣本壞點數(shù)據(jù)訂正。

當(dāng)完成第一個矩形窗的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后，以1s為單位進行滑移，繼續(xù)計算下一個矩形窗內(nèi)的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制參數(shù)，并完成壞點數(shù)據(jù)訂正任務(wù)，并一直不斷重復(fù)上述過程，直到經(jīng)過4倍標(biāo)準(zhǔn)差過濾篩選后，沒有壞點被檢測出來為止。

采用上述處理方法對臺風(fēng)“瑪莉亞”期間測風(fēng)塔10m和80m高度上，超聲風(fēng)速儀在三維方向ux、uy、uz記錄的0.1s時距風(fēng)速序列進行判定、插值，得到處理后的風(fēng)場數(shù)據(jù)如圖2所示。

由圖2可知，經(jīng)過質(zhì)量控制后，大量不合理的壞點被剔除，在圖上反映為大量失真的數(shù)據(jù)“毛刺”消失，大量不合理的數(shù)據(jù)被剔除，例如10m高度處z方向未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)風(fēng)速達(dá)到100m/s，顯然為不合理數(shù)據(jù)，經(jīng)過上述數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理后，風(fēng)速區(qū)間位于10m/s之內(nèi)，提高了數(shù)據(jù)的合理性和可靠性。

4 數(shù)據(jù)對比分析

為了直觀分析數(shù)據(jù)修正前后風(fēng)速序列對平均風(fēng)速產(chǎn)生影響，對基礎(chǔ)風(fēng)速樣本進行處理。由于Windmaster Pro三維超聲風(fēng)速儀同步輸出的是3個正交方向上的風(fēng)速分量ux、uy、uz，分別對應(yīng)正北向（x軸）、正西向（y軸）和豎直方向（z軸），儀器探頭夾角、儀器自身坐標(biāo)系以及地理坐標(biāo)系之間均存在轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此有必要通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進行基礎(chǔ)風(fēng)速樣本的處理。對10min水平平均風(fēng)速U、水平風(fēng)向角?和豎向平均風(fēng)速W（豎直方向與儀器坐標(biāo)一致）[8-9]進行計算，如公式（6）～公式（8）所示。

（6）

式中：U為平均風(fēng)速；、分別為風(fēng)速儀在x、y方向上分量的10min平均值。

（7）

式中：?為風(fēng)向角。

W= （8）

式中：W為豎向平均風(fēng)速；為風(fēng)速儀在z方向上分量的10min平均值。

三維平均風(fēng)速如公式（9）所示。

（9）

式中：N為樣本數(shù)，N=6000。

將儀器坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)?角，得到自然坐標(biāo)，x、y、z軸分別代表主風(fēng)、側(cè)風(fēng)和垂直風(fēng)向，則u（t）在x軸上的投影u'（t）為縱風(fēng)向脈動風(fēng)速，v（t）在y軸上的投影v'（t）為橫風(fēng)向脈動風(fēng)速，w'（t）豎向脈動風(fēng)速方向與儀器坐標(biāo)相同，如公式（10）～公式（12）所示。

u'（t）=u（t）cos?+v（t）sin?-U （10）

v'（t）=-u（t）sin?+v（t）cos? （11）

w'（t）=w（t）-W （12）

式中：u'（t）、v'（t）、w'（t）分別為3個方向脈動風(fēng)速分量；u（t）、v（t）、w（t）分別為3個方向?qū)崪y脈動風(fēng)速分量。

完成上述計算即可得到3個方向上的脈動風(fēng)速，為脈動風(fēng)特性的數(shù)據(jù)誤差分析奠定基礎(chǔ)。以臺風(fēng)“瑪莉亞”期間觀測站10m高度層數(shù)據(jù)處理為例，對現(xiàn)場實測的風(fēng)場數(shù)據(jù)進行處理比較，10m、80m高度處質(zhì)量控制前后平均風(fēng)速對比結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在10m及80m高度處，均在第70～80個樣本質(zhì)量控制前后誤差較大。其主要原因為70～80樣本時間為臺風(fēng)登陸期間，期間風(fēng)速較大，氣候較復(fù)雜，引起的數(shù)據(jù)誤差較大，失真數(shù)據(jù)較多，從而導(dǎo)致質(zhì)量控制前后誤差較大。經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理，有效地對不合理點進行剔除和插補，能夠有效減少復(fù)雜環(huán)境帶來的誤差，為后續(xù)脈動風(fēng)場特性的分析以及實現(xiàn)臺風(fēng)氣候下風(fēng)障等構(gòu)造風(fēng)場有限元精細(xì)化模擬奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

臺風(fēng)風(fēng)場觀測通常在極端氣候下進行，因此極容易受到復(fù)雜環(huán)境（例如雨水、儀器振動等條件）的影響，同時三維風(fēng)速儀采樣頻率的選取也影響風(fēng)場數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文基于超聲風(fēng)速儀無效風(fēng)速數(shù)據(jù)自動識別提出了一種基于多倍截斷方差法的脈動風(fēng)速實測數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，并利用臺風(fēng)“瑪莉亞”實測脈動風(fēng)速數(shù)據(jù)驗證了此方法的有效性。結(jié)果表明，經(jīng)儀器自動判別生成的風(fēng)場數(shù)據(jù)，采用四倍截斷法能夠有效的識別數(shù)據(jù)中壞點，從而采取插值法進行補充，得到完整可靠的風(fēng)場數(shù)據(jù)。通過對比質(zhì)量控制前后的實測數(shù)據(jù)、平均風(fēng)數(shù)據(jù)及脈動風(fēng)數(shù)據(jù)，驗證了方法的有效性，可以為后續(xù)風(fēng)場參數(shù)分析，特別是海邊柔性橋梁結(jié)構(gòu)以及風(fēng)障等構(gòu)造研發(fā)中風(fēng)場精細(xì)化模擬提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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