实测下击暴流风场特性分析

陈超豪 王子茹 霍林生 黄国庆

摘 要：目前下擊暴流风场特性的研究大多是围绕风速模型和部分风场特性展开，较少涉及风场特性与平均风速之间的关系、不同风场特性之间的相关性以及与大地边界层近地风特性的比较研究。基于下击暴流实测风速数据，运用滑移平均法提取下击暴流的时变平均风速，进而获得脉动风速。在此基础上，研究下击暴流的紊流度、紊流积分尺度和阵风因子的特性，并分析3种特性与平均风速的关系以及3种特性之间的相关性。结果表明：下击暴流的紊流度、紊流积分尺度以及阵风因子均大于相应场地类别下相同高度处大气边界层近地风的对应风场;下击暴流的紊流度与平均风速之间、紊流积分尺度和紊流度之间均存在负相关性，而紊流积分尺度与平均风速之间、阵风因子与紊流度之间则都表现为正相关;低矮建筑的抗风设计应重点考虑下击暴流脉动成分的影响，而高层建筑和高耸结构的抗风设计应重点关注下击暴流气流涡旋的威胁;相比大气边界层近地风，下击暴流容易产生更大的瞬时极值风速，对工程结构威胁更大。

关键词：下击暴流;紊流度;紊流积分尺度;阵风因子;风场特性;相关性分析

中图分类号：TU312;TU14   文献标志码：A   文章编号：2096-6717（2022）01-0126-08

收稿日期：2020-07-13

基金项目：国家重点研发计划（2016YFC0701103）

作者简介：陈超豪（1989- ），男，博士生，主要从事结构抗风与风振控制研究，E-mail：17chchen@mail.dlut.edu.cn。

霍林生（通信作者），男，教授，博士生导师，E-mail：lshuo@dlut.edu.cn。

Abstract： At present， most of the studies on the wind field characteristics of downburst mainly focus on the wind speed model and partial wind field characteristics. Few studies on the relationship between wind field characteristics and mean wind speed，the correlation between different wind field characteristics or the comparison with the boundary layer surface wind characteristics are carried out.Based on the measured wind speed data of downburst， the time-varying mean wind speed of downburst is extracted by utilizing the moving average method， and then the fluctuating wind speed is obtained. On this basis， the characteristics of turbulence intensity， turbulence integral scale and gust factor of downburst are studied. The relationships between the above three characteristics and mean wind speed， as well as the correlations among the above three characteristics are analyzed. The results show that： 1） the turbulence intensity， turbulence integral scale and gust factor of downburst are greater than the corresponding wind field characteristic of atmospheric boundary layer surface wind at the same height under the corresponding site category; 2） there is a negative correlation between the turbulence intensity of downburst and the average wind speed， as well as between the turbulence integral scale and the turbulence intensity while there is a positive correlation between the turbulence integral scale and the average wind speed， as well as between gust factor and turbulence intensity; 3） the wind resistance design for low-rise buildings should focus on the influence of fluctuating components of downburst， while the threat of airflow vortexes of downburst should be paid more attention for high-rise buildings and high-rise structures; 4） compared with the atmospheric boundary layer surface wind， downburst is prone to produce larger instantaneous extreme wind speed， which could pose greater threats to engineering structures.

Keywords：downburst; turbulence intensity; turbulence integral scale; gust factor; wind field characteristic; correlation analysis

作为自然灾害的重要类型之一，风灾因其发生频率高、波及范围广、直接灾害和次生灾害严重，早已引起了风工程界的广泛关注。对于高层建筑、大跨结构以及高耸结构等风敏感性结构而言，风荷载往往是影响其安全性的关键因素，因而也是结构设计中必须充分考虑的。分析已有风灾事故可知，风荷载轻则引起工程结构的局部破坏，重则导致工程结构的整体倒塌，不仅会造成重大的经济损失，还往往伴随着人员伤亡。

下击暴流是多种强风灾害中的一类特殊气候现象，其发生区域涉及全球多个国家和地区，在亚洲、澳洲以及北美等地更是频繁发生。统计资料显示，仅澳大利亚、美国以及南非等地，“风气候”这一罪魁祸首引发的大量输电线塔破坏事故中，就有约80%是由下击暴流或龙卷风等极端风气候所致[1]。下击暴流大多产生于雷暴天气环境中，1978年，Fujita[2]首先给出了下击暴流的定义，即一种生成于地面或近地面附近并且极具突发性和破坏性的强下沉气流。2009年5月，美国达拉斯牛仔训练场馆因遭受下击暴流袭击而倒塌[3]。同年6月，下击暴流突袭江苏，镇江市的“5291江晋线”输电线塔突然倒伏，现场实测获得的下击暴流瞬时极值风速达到了33 m/s[4]。2016年9月，南澳大利亚遭遇连续下击暴流袭击，直接导致了23座输电线塔的倒塌破坏[5]。

可见，有效应对下击暴流灾害对工程结构的破坏，提出相应的抗风措施势在必行。为此，首先需要了解其风场特性。尽管下击暴流实测风速数据较难获得，但目前也有部分学者开展了针对下击暴流风场特性的相关研究。Chen等[6]提出了一种新的非平稳风速分析框架，并将该框架应用于两组下击暴流风速时间序列，重点分析了下击暴流的平均风速垂直廓线、紊流度垂直廓线、功率谱密度以及相关函数。Chen等[7]利用两组全尺度实测下击暴流时间序列，分析了下击暴流的横向尺度相关性。Orwig等[8]研究了下击暴流部分风场特性的时程变化及其随高度的变化关系。Lombardo等[9]基于实测风速数据，对近地面下击暴流的风场特性进行了识别与分析，并推荐了可用于下击暴流参数计算的风速时距取值。Shu等[10]基于香港6个气象站的6年风场资料，针对热带气旋、季风和下击暴流的阵风因子特性进行了研究。Su等[11]以两组全尺度下击暴流风速记录为例，对3种不同时间窗尺度的下击暴流风速时变均值的计算方法进行了比较，并提出了合理的计算方法和时间窗大小。以上关于下击暴流风场特性的研究工作大多是围绕风速模型以及部分风场特性展开，甚少涉及针对风场特性与平均风速的关系、各类风场特性之间的相关性分析，以及与大气边界层近地风（以下简称常态风）的风场特性的比较研究。

笔者基于实测风速数据，针对下击暴流的风场特性进行研究，对比分析了下击暴流与常态风的紊流度、紊流积分尺度和阵风因子3个风场特性参数。另外，考虑到相关性对工程结构风压分布的影响，详细分析了下击暴流不同风场特性之间的相关性，以期为下击暴流多发地区的工程结构抗风设计提供参考。

1 下击暴流风速数据采集

选取的下击暴流风速数据由美国德州理工大学（Texas Tech University， TTU）风工程实验室于2008年6月19日实测采集得到，采集地点位于距离卢博克市（Lubbock）以西15 km的里斯技术中心（Reese Technology Center， RTC），采集现场为开阔地带。

数据采集现场布设了一座高200 m的塔架，如图1所示，在塔架0.9、2.4、4、10、116、158、200 m高度处分别安装了风速计，用于采集不同高度处的下击暴流风速数据[12]。风速计采用RM Young Gill 27005T U-V-W三向风速传感器，可用于测量3个正交方向的风速，数据采样频率为30 Hz。

4 下击暴流风场特性分析

由于下击暴流具有强烈的非平稳性，且下击暴流的持续时间通常较短，一般不超过600 s，因此，Holmes等[18]指出，传统的基于10 min或1 h时变平均的处理方法并不适用于下击暴流風场特性相关参数的计算。文献[9]指出，下击暴流相关参数计算的基本时距可以取60～240 s。结合所取下击暴流风速样本的时程情况，选取60 s作为下击暴流相关参数计算的基本时距。此外，在得到下击暴流的风场特性后，将其与常态风的风场特性参考值进行了比较。

4.1 紊流度

图5给出了两个下击暴流风速样本的紊流度时程，可以看出，样本A和样本B的紊流度在约0～1 500 s时段较为稳定，而在约1 500～3 000 s时段波动较大，这是由于两个风速样本在该时段的平均风速波动较大所致。

4.2 紊流积分尺度

图6给出了下击暴流的紊流积分尺度时程。可以看出，样本B的紊流积分尺度明显大于样本A的紊流积分尺度，这是由下击暴流竖向风剖面的性质所决定的。翟伟廉等[19]指出，与常态风风速沿高度单调增加不同的是，下击暴流的风速随高度的增加先增大后减小，且在约80 m高度附近取得最大值。测点1所处位置低，风速较小，下击暴流的紊流积分尺度较小。而测点5所在高度风速更大，由此产生的涡旋尺寸更大。同样地，从表1可知，样本A和样本B的紊流积分尺度最大值分别达到了118.45、450.6 m，均显著大于测点1和测点5所在高度处常态风的紊流积分尺度参考值17.321、196.638 m。如前面所述，紊流积分尺度表征了气流中涡旋平均尺度的大小，这意味着，与常态风相比，下击暴流会产生尺度更大的涡旋，这些涡旋更容易将结构包围，脉动风在结构各个部位所引起的动荷载更容易接近同步，从而威胁到结构的安全。尤其是测点5所在高度116 m处，紊流积分尺度很大，而这一高度是高层建筑和高耸结构经常触及到的，因此，在这类结构的抗风设计中，有必要针对下击暴流的威胁提出有效的应对措施。

4.3 阵风因子

在常态风和台风的风场特性分析中，阵风因子的计算时距一般取tg=3 s。针对下击暴流的瞬时特性，根据文献[8]中对计算时距的分析，取tg=1 s，即采用时距更短的1 s阵风因子。计算得到样本A和样本B的阵风因子时程，如图7所示。同样，由于样本A和样本B的平均风速在约1 500～3 000 s时段波动较大，导致该时段內的阵风因子也呈现较大的波动性，而在0～1 500 s时段则变化较小。

表1的对比结果同样说明，相比常态风，下击暴流的阵风因子更大，尤其是样本B的最大阵风因子达到了1.743，远大于对应高度处常态风的阵风因子1.243。这表明，相对常态风而言，下击暴流容易产生更大的瞬时极值风速，这对高层建筑以及高耸结构的安全非常不利。此外，可以看到，样本B的最大阵风因子大于样本A的最大阵风因子，如前面所述，这也是由下击暴流竖向风剖面的性质所决定的，相比于测点1，测点5所在高度处容易产生更大的瞬时极值风速。

4.4 相关性分析

图8、图9分别为下击暴流的紊流度、紊流积分尺度与平均风速的关系。可以看出，两个风速样本的紊流度与平均风速之间都表现出了负相关性，平均风速的增大会促使紊流度减小;而紊流积分尺度与平均风速之间则呈现正相关性，平均风速的增大会使得紊流积分尺度也随之增大。

图10为下击暴流的紊流积分尺度与紊流度的关系。可以看出，紊流积分尺度和紊流度之间存在负相关性，即当紊流度增大时，紊流积分尺度减小，这与二者和平均风速的相关性分析结果吻合。

综合以上相关性分析结果可知，对低矮建筑而言，由于所处高度下击暴流风速较小，气流涡旋的尺度较小，但脉动成分却较多，因此，在该类结构的抗风设计中应重点关注脉动成分的影响。而对高层建筑和高耸结构而言，由于所处高度下击暴流风速较大，气流涡旋的尺度往往很大，因此，在该类结构的抗风设计中需要侧重考虑气流涡旋的威胁。最后，针对下击暴流极值风速可能造成的结构破坏，在各类结构的抗风设计中都必须严格考虑。

5 结论

基于下击暴流实测风速数据，分析了下击暴流的风场特性，并与常态风的风场特性进行了对比，得到以下结论：

1）下击暴流的紊流度、紊流积分尺度以及阵风因子均大于相应场地类别下相同高度处常态风的对应风场特性。

2）下击暴流的紊流度与平均风速之间存在负相关性，平均风速的增大会促使紊流度减小;而紊流积分尺度与平均风速之间则呈现正相关性，平均风速的增大会使得紊流积分尺度也随之增大。

3）下击暴流的紊流积分尺度和紊流度之间表现为负相关，阵风因子与紊流度之间则呈现出与台风风场特性类似的非线性正相关关系。

4）下击暴流风场中，对于低矮建筑，应重点关注脉动成分的影响;而对于高层建筑和高耸结构，则应侧重考虑气流涡旋的威胁。

5）相比常态风，下击暴流能够产生更大的瞬时极值风速，会对结构构成更大的威胁，需要引起工程设计人员的充分重视。参考文献：

[1] SAVORY E， PARKE G A R， ZEINODDINI M， et al. Modelling of tornado and microburst-induced wind loading and failure of a lattice transmission tower [J]. Engineering Structures， 2001， 23（4）： 365-375.

[2]  FUJITA T T. Manual of downburst identification for project NIMROD[R]. SMRP Research Paper 156， University of Chicago， 104 [NTIS PB-286048]， 1978.

[3]  TRAUTNER C， OJDROVIC R， SCHAFER B W， et al. An investigation of the collapse of the Dallas cowboys practice facility [J]. Bridges， 2013， 10： 1268-1277.

[4]  王唯. 基于有限质点法的下击暴流作用下输电塔线体系倒塌模拟[D]. 武汉： 华中科技大学， 2018.

WANG W.Collapse simulation of transmission tower-line system under downburst based on finite particle method [D]. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2018.（in Chinese）

[5]  ELAWADY A， ABOSHOSHA H， EL DAMATTY A， et al. Aero-elastic testing of multi-spanned transmission line subjected to downbursts [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2017， 169： 194-216.

[6]  CHEN L， LETCHFORD C W. Proper orthogonal decomposition of two vertical profiles of full-scale nonstationary downburst wind speeds[lzcl] [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2005， 93（3）： 187-216.

[7]  CHEN L， LETCHFORD C W. Multi-scale correlation analyses of two lateral profiles of full-scale downburst wind speeds [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2006， 94（9）： 675-696.

[8]  ORWIG K D， SCHROEDER J L. Near-surface wind characteristics of extreme thunderstorm outflows [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2007， 95（7）： 565-584.

[9]  LOMBARDO F T， SMITH D A， SCHROEDER J L， et al. Thunderstorm characteristics of importance to wind engineering [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2014， 125： 121-132.

[10]  SHU Z R， LI Q S， HE Y C， et al. Gust factors for tropical cyclone， monsoon and thunderstorm winds [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2015， 142： 1-14.

[11]  SU Y W， HUANG G Q， XU Y L. Derivation of time-varying mean for non-stationary downburst winds [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2015， 141： 39-48.

[12]  LOMBARDO F T. Analysis and interpretation of thunderstorm wind flow and its effects on a bluff body[D]. Texas： Texas Tech University， 2009.

[13]  CHAY M T， ALBERMANI F， WILSON R. Numerical and analytical simulation of downburst wind loads [J]. Engineering Structures， 2006， 28（2）： 240-254.

[14]  SOLARI G， BURLANDO M， DE GAETANO P， et al. Characteristics of thunderstorms relevant to the wind loading of structures[J]. Wind and Structures， 2015， 20（6）： 763-791.

[15]  XU Y L， CHEN J. Characterizing nonstationary wind speed using empirical mode decomposition [J]. Journal of Structural Engineering， 2004， 130（6）： 912-920.

[16]  武岳， 孫瑛， 郑朝荣. 风工程与结构抗风设计[M]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社， 2014.

WU Y， SUN Y， ZHENG CR.Wind engineering and structural wind resistant design[M].Harbin： Harbin Institute of Technology Press， 2014.（in Chinese）

[17]  郅伦海， 李秋胜， 胡非. 城市地区近地强风特性实测研究[J]. 湖南大学学报（自然科学版）， 2009， 36（2）： 8-12.

ZHI L H， LI Q S， HU F. Field measurements of strong wind characteristics near ground in urban area [J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences）， 2009， 36（2）： 8-12.（in Chinese）

[18]  HOLMES J D， HANGAN H M， SCHROEDER J L， et al. A forensic study of the Lubbock-Reese downdraft of 2002 [J]. Wind and Structures， 2008， 11（2）： 137-152.

[19]  瞿伟廉， 王锦文. 下击暴流风荷载的数值模拟[J]. 武汉理工大学学报， 2008， 30（2）： 70-74.

QU W L， WANG J W. Numerical simulation of downburst wind loads [J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2008， 30（2）： 70-74.（in Chinese）

[20]  ISHIZAKI H. Wind profiles， turbulence intensities and gust factors for design in typhoon-prone regions [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1983， 13（1/2/3）： 55-66.

[21]  CAO S Y， TAMURA Y， KIKUCHI N， et al. Wind characteristics of a strong typhoon [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2009， 97（1）： 11-21.

（编辑 胡玲）