台风近地层风场特性实测网络以及风场特性研究

In this project, firstly, a three dimensional typhoon wind field observation net will be built to conduct the observations of the fine structural characteristics and turbulence statistical characteristics in typhoon wind field. Secondly, the criteria of selecting the representative samples in wind speed time history and the method of pre-analyzing the spikes in selected samples will be proposed. Thirdly, typhoon wind characteristics in the surface layer will be comparatively studied in temporal and spatial, especially the wind characteristics, the occurrence mechanisms and the structural design influence of the non-stationary and/or non-Gaussian samples will be comprehensively studied. Forthly, the turbulence mechanisms of surface layer typhoon wind fields will be investigated and a power spectral density model will be proposed to instruct the structural design of civil infrastructures in typhoon prone regions.

本项目将建立三维立体的台风风场观测网络，观测台风风场的精细化结构特性以及湍流统计特性；建立台风风场代表性样本选取准则以及数据预处理方法；研究全方位的登陆台风近地风特性参数，并研究台风过程中非平稳和/或非高斯样本风特性、产生机理以及对结构抗风设计的影响；研究台风风场边界层湍流机理，并建立台风脉动风速谱模型，用以指导土木工程结构抗台风设计。

本项目搭建了一个由8个2.5m高测风塔和1个5m高测风塔组成的移动式近地台风观测网络，对影响广东省沿海地区的若干次台风进行了全方位现场实测。分析台风不同结构部位（外风场，前后眼壁强风区，风眼区以及螺旋雨带）风特性及相互之间的差异，建立合理的台风代表性风速样本判别以及选取标准；同时建立合适的风速样本坏点数据判别准则以及坏点数据处理方法。基于质量控制过的数据，研究台风不同结构部位、不同下垫面粗糙度类别风场的湍流特征，包括：湍流强度、湍流比，湍流特征涡旋尺度、摩擦速度、莫宁—奥布霍夫长度、以及空间相关性特性；建立标准化的台风风特性转换程序，将不同粗糙度类别、不同高度和不同时间尺度的风特性转换到相同的粗糙度长度、相同高度以及相同时间尺度进行比较，从而给出具有工程结构设计可依赖的风场特性参数；采用小波分析和经验模态分析的方法，研究台风中具有大湍流比、大积分尺度和大阵风因子样本的时频特性，分析其湍流机理以及对结构风荷载的影响。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，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。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，建立了Ａ、Ｂ两类场地不同时距阵风因子曲线。基于莫宁—奥布霍夫相似理论以及各项同性湍流的基本框架，并借助湍流快速畸变理论（RDT），研究台风不同部位的台风风速样本在近地层以及涡旋边界层的湍流机理以及风速谱特征；基于实测数据研究风速谱关键参数与平均风速、粗糙度长度，大气稳定度的关系，从而建立数据驱动的风速谱模型以确定不同场地类别，不同粗糙度长度，不同高度的台风风速谱用以指导土木工程结构抗台风设计。