中国东南沿海不同场地特征台风过程近地风场关联实测及模拟研究

The research on typhoon behavior is now highly on the agenda for wind resistance design of wind-sensitive structures in frequent typhoon areas on southeast China coast. The existing researches mainly focus on the independent typhoon observation and analysis for specific areas or buildings, which leads to inadequate understanding of the synchronous wind field rule for various types of site characteristics and of the optimization of wind resistance design parameters. Based on relevance tests and numerical integrated modeling of typhoon near ground boundary layer wind field, the following researches are conducted in this project: (1) the near ground synchronous wind field relevance tests for the same typhoon processes on frequent-typhoon area under various geographic characteristics are conducted, the time-space matched wind field data is scientifically collected, the relevance between wind characteristics and geographic characteristic parameters is investigated, and the distribution pattern on turbulence and average wind parameters for near ground random wind field is explored, which provide regional test data for establishing the platform of typhoon data. (2) based on the geographic information system (GIS) or geographic scanning measure and the computational fluid dynamics (CFD) method, the integrated numerical model of typhoon near ground wind field is established, the sensitive factors of typhoon near ground wind field are analyzed, the experienced equation of ground roughness is fitted and the reliable value of engineering wind parameters is investigated as well. This is one of the fundamental researches on engineering wind-induced disaster investigation in frequent-typhoon area with clear scientific significance and great engineering value.

台风特性研究是我国东南沿海多台风区，风敏感结构抗风设计中必须解决的问题。已有的研究主要集中在针对特定区域或具体建筑进行独立的台风观测与分析，对认识不同类型场地特征的同步风场规律及掌握工程抗风设计参数优化方法还不充分。本项目拟通过风场关联实测及数值复合建模，开展以下研究：(1)在台风登陆频繁区域针对同一台风过程不同地理特征场地的近地边界层风场开展同步关联实测，科学采集具有时空匹配性的风场数据，研究风场特性与地理特征参数的相关性，探索台风近地随机风场湍流和平均风特性参数分布规律，为进一步构建台风数据平台储备地域台风实测数据；(2)结合地理信息系统(GIS)或地理扫描测量方法与计算流体力学方法(CFD)建立台风近地边界层风场复合数值模型，分析台风近地风场敏感因子，拟合地面粗糙度经验取值方程，探索工程风参数的合理取值方法。本研究是多台风地区风工程研究的基础工作之一，具有明确的科学意义和工程价值。

风荷载是结构设计最重要的控制荷载之一，我国东南沿海地区为台风多发地区，因此风荷载的估算是风敏感结构设计的关键之一。传统的方法是借助邻近气象台站的风速资料和经验方法推算工程场地风环境，但是最直接有效的手段无疑是通过现场实测，获得准确的场地风特性参数统计规律，并建立与场地特征匹配的风场模型，满足进一步的风工程研究所需。本研究基于东南沿海地区风场实测数据，采用现场试验、理论计算、数值模拟相结合的方法对其风环境参数进行系统的研究。得到的主要研究进展如下：.1. 基于东南沿海地区历史数据，综合气象数据分析，现场实地踏勘，确定试验选址，根据现场条件拟定动力供应、设备架设、信号传递、数据记录等关联实测的具体执行方案，最终在福建平潭王爷山和屿头岛架设测风设备，开展测风试验，得到季风风场及台风数据；.2. 通过对获得的台风“纳沙”及“海棠”数据，进行数据处理分析，计算了台风及季风平均风和脉动风参数，包括平均风速风向、平均风剖面系数、阵风因子、湍流强度、湍流积分尺度、风速功率谱等；.3. 基于获得的季风场数据分析其风参数，对风速、风向分布规律和参数进行统计和拟合，确定主迎风面的方位，并比对台风风场下的异同点，结合规范推荐值，为规范精细化取值提供理论依据；.4. 基于实际台风过程及工程场地数值模型计算，结合台风发生过程中灾害调研结果，分析台风风场对工程场地的破坏机理、破坏规律等，提出合理的工程场地抗风建议；.5. 采用GIS系统对试验场地理坐标进行采集，记录地面构筑物等地貌情况，采用有限元分析软件，建立台风边界层风场模型，基于不同工况实际模拟结果，拟合不同地貌及来流条件下随机风参数分布规律；.6. 利用所建立的数值模拟模型，采用不同地貌条件为模拟工况，定义不同的地貌粗糙度值，得到不同地貌条件下的分析结果，与实测结果相比较，得到实测场地貌粗糙度精细化取值；.7. 基于实测台风近地风场风数据及其分析结果，在数值模型中模拟实测风场，分析台风风场对不同风参数的敏感性；.通过上述研究，本项目完成了预期的研究计划与目标，试验数据完善了为该地区风场实测数据库，研究成果可为东南沿海地区抗风设计、防灾减灾提供数据