复杂地形条件下实测风速数据的标准化

In-situ measurements of wind fields form the basis of research and practical application in the field of Wind Engineering and many other related subjects. The wind-resistance design of civil structures, site selection of wind farms and corresponding assessment of the energy capacity, assessments of dispersion of atmospheric pollutants and air ventilation in cities and towns, forecasts and mitigations of typhoons and related secondary disasters are all closely related to them. But, field measurements of wind flows are usually influenced by the terrain setups and/or topographic features around the observation site and the measurement system, and direct usage of raw wind data without modification of such interference effects may result in remarkable errors. Thus, standardization of raw wind datasets through removing these influences from the field measurements is of great importance. But current standardization schemes are mainly applicable for flat terrains, which may become inappropriate under complex terrain conditions. This study aims to present a data-driven standardization scheme which can be applied under different terrain conditions. The proposed standardization scheme will be easy and economical for applications. The effectiveness of the proposed scheme will be validated through wind tunnel tests. As the application part, this scheme will be adopted to standardize the raw wind datasets collected at over 40 meteorological stations at Hong Kong. Directional correction factors for the standardization of mean speeds and peak gusts at these stations will be provided.

风场实测数据是风工程及众多相关领域研究和实践应用的基础。建筑物的抗风设计、风力发电厂选址及发电量评估、城镇污染物扩散及空气流通性评估、台风及次生灾害预测等均与之密切相关。然而，风场实测数据通常会受到观测点地貌特征及测量系统的影响，直接使用这些数据而不加相应修正会给计算、评估结果带来很大误差。因此，对风场实测数据进行修正并使其标准化，意义重大。当前，现有的修正方法一般只适用于来流空旷平坦的地貌情况；对于复杂的地形情况，如山地地形情况，这些方法将不再适用。本研究将建立一套能适用于不同地貌条件下修正风场实测数据的方法。该方法以气象站现有的观测数据为基础，简单、经济、适用。所提方法的有效性将通过风洞实验加以验证。作为该方法的应用，本研究将对位于香港境内的40多个气象站点观测得到的平均及脉动风速进行修正，并给出不同来流方向角对应的修正因子。

风场实测数据是研究风场特征、确定风气候资料的基础，也是建筑抗风及风能利用等风工程实践活动的重要参考资料。然而，近地表面风速数据往往受到地形的影响，监测系统对实测数据也存在滤波影响，因而直接使用这些数据而不加相应修正会给计算、评估结果带来很大误差。此外，不同气象站点或不同历史时刻监测系统采用的实测数据的记录格式可能有所不同，这限制了实测数据使用的便利性和通用性。本项目通过大量实测数据系统考察了地貌/地形及监测系统对近地表面实测风速产生的影响；提出了一套对近地表面风速实测数据进行标准化的方法，用以将包括平坦来流地貌、海面地貌、山地等复杂地貌下的近地表面风速数据转化为标准状况下的风速值，即来流平坦空旷地貌（粗糙度长度z0=0.03米）10米高度处10分钟平均风速。对于来流平坦地貌的情况，可借助混合高度理论或梯度风不变假定，通过确定当前地貌粗糙度数值实现对风速的标准化。对于复杂地貌的情况，本项目提出了一种基于风剖线实测数据对周围近地站点风速数据标准化的方法，并通过开展风洞试验及数值模拟计算验证了上述方法的有效性。本项目还对海面孤岛近地表面风速数据的标准化进行了研究，考察了地形影响及海-气交互作用下（即海面粗糙度随来流风速变化）风速数据标准化的情况。此外，本项目还以香港国际机场为例对不同来流地貌下的粗糙度进行了评估；综合采用了不同粗糙度评估技术，对各技术的评估精度、灵敏性、不确定性进行了系统研究；发现了当前国际气象组织所采用的风向均方根值确定地表粗糙度计算公式中存在的错误。本项目的研究意义在于强化了有关地形/地貌对近地表面实测风速数据影响的认识，给出了一套可用于工程实验的地表风速数据标准化的方法并验证了其有效性。我们认为采用本项目所提方法可提高相应数据使用的通用性及后续分析的准确性。