上海陆家嘴地区高空台风“温比亚”风特性实测
上海陆家嘴地区高空台风“温比亚”风特性实测
傅国强，
全涌†，顾明，黄子逢（同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092）
摘要：基于上海环球金融中心顶部超声风速仪记录的台风“温比亚”风速样本数据，对平均风特性和湍流强度、阵风因子、峰值因子、湍流积分尺度和功率谱密度等脉动风风特性参数进行了详细分析.结果表明：1小时内在3s 、10min 和1h 3个时距的平均风速变化趋势一致.湍流强度呈现出随平均风速增加先下降后稳定的趋势，
纵向和横向湍流强度均值分别为0.135和0.132；阵风因子均随湍流度的增大而增大，两者呈现线性增加的趋势；湍流积分尺度随平均风速增加而没有明显的变化趋势；Von-Karman 谱能够较好地拟合本次台风实测纵向和横向风速谱.
关键词：台风；超高层建筑；现场实测；湍流强度；风特性中图分类号：TU311.3
文献标志码：A
Field Measurement of Wind Characteristics of Typhoon
Rumbia in upper Air of Lujiazui District at Shanghai
FU Guoqiang ，QUAN Yong †，GU Ming ，HUANG Zifeng
（State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering ，Tongji University ，Shanghai 200092，China ）
Abstract ：Based on the wind speed samples collected by the ultrasonic anemometers atop Shanghai World Fi -
nancial Center during Typhoon Rumbia,the fluctuating wind characteristics parameters,such as the mean wind char -acteristics,turbulence intensity,gust factor,peak factor,turbulence integral scale,and power spectral density are ana -lyzed in detail.It is found that the variation trends of the mean wind speed in 3seconds,10minutes and 1hour within an hour are consistent with each other.Turbulence intensity decreases first and then stabilizes with the augment of mean wind speed.The mean values of longitudinal and lateral turbulence intensity are 0.135and 0.132,respectively.The gust factor increases linearly with the increase of turbulence intensity.The turbulence integral scale shows no ob -
vious variable trend with the increase of the mean wind speed.The measured wind speed spectra agree well with the Von -Karman spectra.
Key words ：typhoons ；super high-rise building ；field measurement ；turbulence intensity ；wind characteristics
收稿日期：2019-09-10
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51778493），National Natural Science Foundation of China （51778493）；土木工程防灾国家重点实验室自主课题（SLDRCE19-A-05，SLDRCE19-B-13），The Key Project of State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering （SL -DRCE19-A-05，SLDRCE19-B-13）
作者简介：傅国强（1995—），男，广东韶关人，同济大学博士研究生†通信联系人，E-mail ：******************* *
第48卷第1期
2021年1月
湖南大学学报（自然科学版）
Journal of Hunan University （Natural Sciences ）
Vol.48，No.1Jan.2021
DOI ：10.16339/jki.hdxbzkb.2021.01.011
文章编号：1674—2974（2021）01—0100—08
傅国强等：上海陆家嘴地区高空台风“温比亚”风特性实测
近年来，随着全球气候变暖，各种极端气候事件
频发.2018年第21号超强台风“飞燕”登陆日本，最
大瞬时风速达57.4m/s，造成了重大人员伤亡和财产
损失，被日本称为25年来最强大的台风.我国东南
沿海地区也是世界上受台风影响最严重的地区之
一，仅2018年7月、8月两个月，就有5次台风先后
登陆福建、上海和浙江.上海更是成为我国有气象记
录以来首个30d内有3个台风正面登陆的城市.
台风风场与常规风场有很大差异，在风洞试验
中很难进行模拟，因此现场实测是现阶段最直接和
最有效的研究手段，也是风工程研究中非常重要的
基础性和长期性的研究方向[1].风工程研究发达的国家基于长期的现场实测数据建立起本地区的风特性
数据库，如挪威[2]、英国[3]、加拿大[4]等都建有近海观测数据库.美国圣母大学[5-6]对芝加哥4栋高层建筑进行了长期的现场实测研究.近年来国内学者也开展了大量的实测研究，取得了一些进展.文献[7-12]在深圳平安金融中心、广州西塔、台北101等数十栋超高层建筑开展了多次现场实测研究，详细地分析了这些超高层建筑在台风作用下顶部的平均风速、风向、湍流度、阵风因子、峰值因子、湍流积分尺度和脉动风功率谱密度等风场特性和动力特性.Xu等[13]在深圳地王大厦对强风的平均和脉动特性，以及结构在强风下的响应进行了研究，并给出了相关的经验拟合公式；Guo等[14]通过在广州塔所布置的结构健康监测系统对3次台风作用下的平均风速、风向、湍流度等风特性和结构响应进行研究，与风洞试验对比并评估了舒适度.史文海等[15]对厦门某超高层建筑在某次台风作用下的风场和建筑表
面风压进行了同步实测，对湍流度、阵风因子、脉动风功率谱以及平均风压系数和脉动风压系数进行了系统的研究.梁枢果等[16]对武汉某超高层建筑在良态风作用下的顶部风速与表面风压进行现场实测.何宏明等[17]利用台风“海马”登陆中心的观测塔的风速仪设备对不同高度处的风场特征参数进行了分析.张志田等[18]对江底河大桥桥址处深切峡谷的风场特性进行研究，详细分析了深切峡谷地形特征对风速风向及湍流特性的影响.沈炼等[19]对某山区峡谷桥址处风场进行了现场实测和数值模拟研究，得到了峡谷桥址处风场的详细分布特性.尽管许多学者在台风风特性实测方面做了大量的工作，并且在我国华南地区取得了丰硕成果，但是由于现场实测费用大、周期长、难度大，目前人们对台风风特性的认识还远不清楚.
上海地区纬度相对较高，直接登陆的台风很少，因此在上海进行台风风特性现场实测对我国华东地区台风风特性的研究和扩充上海地区高空风速数据库具有非常重要的意义.本文利用上海环球金融中心顶部（497m）超声波风速仪采集到的台风“温比亚”风速数据，对平均风速、湍流强度、阵风因子、峰值因子、湍流积分尺度和脉动风功率谱进行了详细地分析.研究成果可为相近地区的超高层建筑抗风设计提供参考.
1台风“温比亚”及现场实测概况
2018年第18号台风“温比亚”（英文名：Typhoon Rumbia）于8月15日14时在东海东南部生成.8月16日
21时加强为强热带风暴.8月17日4时在上海市浦东新区南部沿海登陆.登陆时由强热带风暴级减弱为热带风暴级，中心附近最大风力为9级，中心最低气压98.5kPa.台风“温比亚”登陆后向西偏北方向移动，强度逐渐减弱，在黄海北部海面变性为温带气旋，并于8月21日2时停止编号.在台风“温比亚”经过上海过程中，其先从东南方向逐渐靠近观测地点；8月17日5时其路径中心距离观测地点最近，距离达到18km；随后其逐渐向西并远离观测地点.
上海环球金融中心（图1）位于上海市陆家嘴金融核心区，结构高度为492m，地上共有101层.金茂大厦（420.5m）和上海中心（632m）分别位于环球金融中心的西北部和西南部，除此之外其周围还密集分布有大量高层与超高层建筑，这使得环球金融中心的近地风特性极其复杂.
上海中心
上海环球金融中心
金茂大厦
正北方向
X Y
琢
O
（a）周边环境图（b）顶部俯瞰图
图1上海环球金融中心周边环境和顶部俯瞰图Fig.1Surroundings and top view of the Shanghai World
Financial Center
风速监测系统的观测点设置在上海环球金融中心101层东北端和西南端，两侧均安装有一台英国Gill公司生产Windmaster Pro超声风速仪（图1和图2），离地高度约494m，两端仪器间距约72m.超声风速仪的3个分量U，V，W分别对应正北、正西和竖
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直向上，风向角按俯视逆时针方向递增，以南风为
0°，东风为90°，如图2所示.超声波风速仪风速量程
为0.01~65m/s ，采样频率为10Hz ，采样得到的数据通过Campbell 公司生产的CR3000数据采集系统实时存储.为避免来流风受到环球金融中心顶部女儿墙、擦窗机、建筑本身等绕流影响，经过计算流体力
学（Computational Fluid Dynamics ，CFD ）计算得知，
当来流方向在以东北角和西南角连线为平分线22.5°范围内可忽略绕流影响，即东北端有效风向角为112.5°~157.5°，西南端有效风向角为292.5°~337.5°.
顶部视图
V
U
正北
（a ）超声风速仪
（b ）方向定义
图2超声波风速仪
Fig.2Windmaster pro ultrasonic anemometer
2台风“温比亚”
风特性分析2.1平均风特性
选取东北端超声风速仪从2018年8月15日20：00至8月17日16：00采集得到的共44h 的风速时程数据作为平均风特性分析样本.本文利用矢量分解法[20]对采集得到的风速数据进行处理，得到平均水平风速U 和平均水平风向角椎.由于风速的竖向分量对高层建筑影响较小，所以这里不考虑竖向
平均及脉动风速.根据中国《建筑结构荷载规范》[21]
，本文以10min 作为分析时距，可得到264个连续的10min 风速时程样本.图3和图4分别为东北端纵向10min 平均风速和10min 平均风向角变化情况.
从图3中可以看到，10min 平均风速随着时间呈现出先升高后降低的趋势.2018年8月16日10时至8月17日2时，10min 平均风速从11.33m/s 逐渐增大，最大风速达到22.52m/s ，随后逐渐减小到3m/s 左右.从图4中可以看到，10min 平均风向角先在120°至180°左右波动，随着台风“温比亚”登陆和远离上海，平均风向角瞬间增大至270°，之后逐渐稳定在190°左右.
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20:0001:0006:0011:0016:0021:0002:0007:0012:0016:00
时刻/h
图310min 平均风速Fig.310min mean wind speed
360300
24018012060
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时刻/h
图410min 平均风向角Fig.410min mean wind directon
结构抗风设计中，不同时距平均风速的相互关系具有重要工程价值和理论意义.张相庭[22]根据国内外学者对不同时距平均风速的研究比较，统计得到近似比值关系，如表1所示.
表1不同时距平均风速近似比值关系Tab.1The approximate ratio of the mean wind speed with different time interval
风速时距
1h
10min 1min 30s 20s 10s 3s 瞬时统计比值0.94
1.00
1.20
1.26
1.28
1.35
1.42
1.50
图5为1h 内时距分别为3s 、10min 和1h 的平均风速变化情况.可以看到，3s 、10min 、1h 3个时
距的平均风速变化趋势一致.随着时距减小，
最大平均风速逐渐增大，其中1h 内3s 最大平均风速为29.10m/s ，发生在2018年8月17日5时.
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3s
10min 1h
时刻/h
图51h 内不同时距最大平均风速Fig.5Maximum mean wind speeds in 1h
with different time interval
图6和图7分别为3s 最大平均风速随10min
平均风速变化关系和10min 最大平均风速随1h 平均风速变化关系.从图中可以看出，3s 最大平均风速与10min 平均风速和10min 最大平均风速与1h 平均风速均呈现出很好的线性关系.本文实测结果
与张相庭[22]的统计近似比值存在一定的差距，
这应该是观测高度差异所导致的.本研究观测高度离地近500m ，风速的湍流强度应该低于离地高度较小的区域，这导致短观测时矩和长观测时矩的最大风速之比减小.
10
12
14
16
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20
22
24
30282624222018161412
本文实测y =1.32x
10min 平均风速/（m ·s -1）
图63s 最大平均风速随10min 平均风速变化关系
Fig.6Maximum 3s mean wind speed versus上海台风什么时候来
10min mean wind speed
2.2脉动风特性
本文选取2018年8月16日13：30至8月17日03：00东北端采集得到的有效风向角范围内的数据进行分析.下文中如无特殊说明，分析时距均为10min.
9
11
13
15
17
19
21
2422201816141210本文实测y =1.14x
1h 平均风速/（m ·s -1）
图710min 最大平均风速随1h 平均风速变化关系
Fig.7Maximum 10min mean wind speed versus 1h mean wind speed
2.2.1湍流强度
湍流强度描述了风速随时间变化的程度，反映了脉动风的相对强度，是描述脉动风特性的重要参数.湍流强度通常定义为10min 时距内脉动风速标准差与水平平均风速U 的比值.
I i =σi U
（i =u ，v ）（1）
式中：I i （i =u ，v ）分别为纵向和横向湍流强度；σi （i =u ，v ）分别表示脉动风速u （t ）和v （t ）在10min 时距内的标准差.图8为纵向和横向湍流强度随10min 平均风速变化的关系.从图中可以看出，当10min 平均风速小于16m/s 时，纵向和横向湍流强度均随着10min 平均风速增加而下降，但当10min 平均风速大于16m/s 后两者却没有明显的变化趋势.
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24I u
I v
0.400.350.300.250.200.150.100.05010min 平均风速/（m ·s -1）
图8湍流强度与10min 平均风速的关系
Fig.8Turbulence intensities versus 10min mean wind speed
纵向和横向湍流强度均值分别为I u =0.135，I v =
傅国强等：上海陆家嘴地区高空台风“温比亚”风特性实测
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0.132，两者比值为I u∶I v=1∶0.98.An等[23]、Quan等[24]和黄子逢等[25]分别分析了在台风“梅花”作用
下，良态强风作用下和台风“灿鸿”作用下环球金融中心顶部湍流强度随10min平均风速变化情况，表2为4次现场实测结果对比.从表2可知，本文实测的湍流强度与An等实测结果接近，与Quan等、黄子逢等实测结果存在差异.这是因为Quan等只对良态强风进行了分析；黄子逢等则忽略了平均风速较低的数据，只分析了10min平均风速大于16m/s的样本.4次实测结果都呈现了湍流强度随平均风速增加而减小的规律.日本建筑荷载规范[26]中地貌相似（V类）、高度相同处（494m）的纵向湍流强度约为0.11，中国建筑结构荷载规范中相同地貌（D类）、相同高度（494 m）的纵向湍流强度为0.12，本文实测结果比两者略大.
表2实测湍流强度对比
Tab.2Comparison of turbulence intensities
研究方法风场类型I u I v I u∶I v An等[23]台风“梅花”0.140.131∶0.93 Quan等[24]良态强风0.0850.0751∶0.88黄子逢等[25]台风“灿鸿”0.1070.0661∶0.62
本文方法台风“温比亚”0.1350.1321∶0.98 2.2.2阵风因子
风速的极值特性是风特性分析中十分重要的部分.阵风因子反映了阵风风速与平均风速之比，定义为阵风持续时间t g（本文取3s）内最大平均风速与分析时距（10min）的水平平均风速U之比，即
G u（t g）=1+max（u（t g））
U（2）
G v（t g）=max（v（t g））
U（3）式中：G i（t g）（i=u，v）分别为纵向和横向阵风因子；max（u（t g））和max（v（t g））分别表示纵向和横向脉动风在分析时距（10min）内阵风持续时间t g的最大平均风速.图9为纵向和横向阵风因子G u、G v随10 min平均风速变化情况.从图中可以看出，G u随平均风速增加没有明显的变化趋势，G v则先随着平均风速的增加而逐渐减小，当10min平均风速大于16m/ s后逐渐趋于稳定.G u、G v平均值分别为1.26、0.37，两者比值为G u∶G v=1∶0.29.An等，Quan等和黄子逢等也对阵风因子进行了分析，见表3.从表中可以看出，本文实测结果与An等实测结果接近，G u和G v
与Quan等实测结果相差比较大，G v与黄子逢等实测结果存在差异，原因与上文中湍流强度存在差异的原因相同.
1012141618202224
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
G u
G v
10min平均风速/（m·s-1）
图9阵风因子与10min平均风速关系
Fig.9Gust factors versus10min mean wind speed
表3实测阵风因子对比
Tab.3Comparison of gust factors
研究方法风场类型G u G v G u∶G v
An等[23]台风“梅花”  1.280.311∶0.24 Quan等[24]良态强风  1.150.171∶0.15
黄子逢等[25]台风“灿鸿”  1.230.181∶0.15
本文方法台风“温比亚”  1.260.371∶0.29
阵风因子和湍流度之间的关系是风特性分析中重要的脉动参数关系.图10为纵向和横向阵风因子与湍流强度之间的关系，从图10可知，纵向和横向的阵风因子均随着湍流强度增加而增加.Cao等[27]和Li等[28]利用实测数据对阵风因子和湍流强度的经验关系式进行了线性和非线性拟合，表达式可统一为：
G u=1+aI b u ln（T/t g）（4）式中：a和b均为待拟合参数；T为分析时距，取10 min；t g为阵风持续时间，本文取3s.本文分别对纵向和横向阵风因子与湍流强度的关系进行线性和非线性拟合.线性拟合结
果为G u=1.21I u+1.09，G v= 2.61I u+0.02；非线性拟合结果为G u=1+0.19I u0.67ln （600/3），G v=0.60I v1.09ln（600/3）.从图10可知，G u与线性和非线性拟合结果接近，G v在低湍流强度时吻合得很好，随着湍流强度增加阵风因子略呈发散趋势.总体上G u和G v随着湍流强度的增加而呈现线
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