西藏高原风场实测及非平稳风特性研究.pdf

第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.西藏高原风场实测及非平稳风特性研究楼文娟 周为政刘 炯 梁 明 蔡 康 黄铭枫(浙江大学结构工程研究所 杭州)(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司 成都)摘要:为研究高原风特性于海拔 的西藏南部浪卡子县离地 高度处进行了 年 季昼夜的风速风向实时连续采样实测筛选出 个有效大风样本.采用平稳模型、非平稳模型及最优时变均值非平稳模型处理实测非平稳风速样本分析了 种风速模型的平均风速、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和脉动风谱等风场特性参数并与低海拔地区多种类别风场实测结果进行对比.结果表明:西藏高原冬半年脉动风湍流强度大于夏半年在相似地貌下高原脉动风湍流强度要高于低海拔地区而与一些特殊地貌及特殊风场如峡湾风、台风等的湍流强度接近湍流积分尺度计算结果受风速平稳程度影响很大平稳模型高估了湍流积分尺度西藏高原脉动风拟合风谱与各标准谱均有一定差别且具有较大的高频能量.因此高原建筑结构抗风设计应注意高原脉动风参数与低海拔地区的区别并充分考虑高原风的非平稳性合理选择非平稳模型.关键词:西藏高原风风场实测脉动风特性时变平均风速中图分类号:文献标志码:文章编号:()()(.):.().:收稿日期:.作者简介:楼文娟()女博士教授博士生导师黄铭枫(联系人)男博士教授博士生导师.基金项目:国家自然科学基金资助项目()、中国能源建设集团规划设计有限公司科技资助项目().引用本文:楼文娟周为政刘炯等.西藏高原风场实测及非平稳风特性研究.东南大学学报(自然科学版)():.:./.:/.素有“世界屋脊”之称的青藏高原平均海拔在 以上受西风急流及西南季风影响形成了独特的高原气候.根据荷载规范尽管青藏高原的空气密度较低藏南、藏西大部地区基本风压仍在./以上强风频发.随着西藏基础设施建设逐步完善机场、特高压输电线路、风电场等建、构筑物建设稳步推进为保障工程经济性及结构安全可靠性亟待了解高原风场特性.然而目前风场实测大多关注沿海地区台风 或跨越峡谷的桥梁周边风场 此类实测结果难以对高原风场提供参考而长期的高原脉动风场实测尤为缺乏.一些研究表明高原风场与沿海或平原地区良态风场存在一定差别:随着海拔高度增加日极端风速呈指数型增长高原大风分布具有明显的季节变化特征受西风急流影响冬春多大风而夏秋风速较低.同时在已往高原实测数据分析中大多数研究者选用平稳风模型对实测风速数据进行分析和处理然而研究表明高原强风会表现出很强的非平稳特性此时需要采取恰当的方法确定非平稳风最优时变均值.常用的方法有经验模态分解()、离散小波变化()、变分模态分解()及这 类方法的改进型.然而这些方法更多地取决于使用者的经验而缺乏一定的理论支持.为此 等 提出了最优时变均值应该满足的 个条件并基于 和小波变换给出了最优时变均值的提取方法.本文监测了位于青藏高原某处测风点的长时段风速数据分析日值统计量基本特征并筛选大风样本.基于风速平稳模型、非平稳模型及最优时变均值非平稳模型分析了高原风湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度、风谱等脉动风参数并对比高原风与低海拔地区多种类别风场实测结果分析高原风场的特殊性.实测概况.测点地理环境测风点位于西藏自治区山南市浪卡子县浪卡子镇东().浪卡子县位于西藏南部喜马拉雅山中段北麓雅鲁藏布江南岸平均海拔.地貌总体属藏南山原湖盆谷地地貌区境内山脉连绵雪峰相连湖泊镶嵌其中属半干旱亚寒带高原气候.全年分冬半年和夏半年(春分秋分)年平均大风(瞬时风速大于 级)天数.是山南市大风最多的县.测风点周边地势地貌如图 所示测风点海拔 .测风点 内地势较为平坦 外往西为海拔 以上的连绵山脊往北地势平坦往北 为空母错往东地势平坦往东 为沉错往南有海拔 矮山.测风点西南 处有最高海拔 小山.根据荷载规范该测点处取为 类地貌.图 浪卡子测风点周边地势地貌.测点设备及数据情况现场实测采用 超声波风速风向仪如图()所示.风速 测量范围为 /分辨率为./风向 测量范围为 分辨率为.测风仪风向角 对应正北方向离地高度 风速风向采样频率为 .()超声测风仪()风速分解示意图图 超声测风仪及风速分解图数据采集时间为 共计一年.对数据进行初步处理检测丢失数据去除少部分僵直数据.日值统计量图 给出了夏半年和冬半年典型的一日风速风向变化时程可见 时至 时风速较小而风向东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.多变 时至次日 时风速较大且波动较为剧烈为大风多发时段.()风速()风向图 夏半年和冬半年典型的一日风速和风向变化统计初步处理后的数据获得日平均风速、日最大风速(见图)和日平均风向角(见图)个日值统计量.浪卡子冬半年日平均风速大于夏半年最大日平均风速和日最大风速分别出现在 月和月(由副热带西风急流冷高压控制).月至次年 月为全年风能资源较高的时段而 月至 月(雨季由副热带西风急流热低压控制)无显著大风日.图 日平均风速和日最大风速图 日均风向角由图 可见浪卡子冬半年以西南风为主夏半年以南风为主全年风向集中在.()()之间.非平稳风速提取及大风样本获取.风速矢量分解实测数据以 为时距划分相邻样本起始时刻间隔 (即相邻两个样本有 数据重叠)以更大限度捕获风速特征总计获得样本约.个.风速仪记录得到的风速与风向角实时变化以正北方向为 轴以正东方向为 轴通过矢量分解法分解实测风速 与实测风向角 并求合速度 及主风向角(即为顺风向).沿主风向角分解分解示意图如图()所示得到顺风向风速 与垂直主风向角的横风向风速:()()()()().非平稳最优时均风速提取方法第 种非平稳风速模型采用 方法(称模型)该方法具有快速、自适应的优点可以将实测风速样本按振荡剧烈程度分解为若干个本征模态函数()直至残差单调递减.本文采用该方法时取最后一个 分量与余量之和作为时变平均风速时程能够得到较为准确的时变平均风速估计.但 可能存在模态混叠、噪声敏感和端点效应等缺点如何将各 信号组合得到时变平均风速尚无定论.第 种非平稳风速模型采用基于小波变换的最优时变均值提取方法(称模型).非平稳实测风速()通过 小波分解可表示为()()()()式中()为在分解层数 下的细节分量 为分解层数()为近似分量.一系列待定的时变均值()可以表示为近似分量与 个细节分量之和即()()()()()对应的脉动风速()可以表示为()()()对于 风速样本而言其最优时变均值第 期楼文娟等:西藏高原风场实测及非平稳风特性研究:/.为式()得到的极大值点数不超过 的项 即离散小波变换采用的分解层数应逐步增大直至满足时变平均风速的极大值点数小于.图 给出了其中一个样本分别运用 种非平稳风速模型得到的时变平均风速提取结果.由图可见:实测风速非平稳性较强其平均风速随时间起伏较大平稳模型无法正确反映该样本风速特征模型 得到的时变平均风速相较于模型 更能捕捉风速样本的变化趋势.图 时变平均风速提取结果.样本筛查以 顺风向平均风速大于蒲福风级 级(./)为标准筛选大风样本并排除异常数据样本有效样本见表 总计获得有效 风速样本 个其中 月、月由于冬季恶劣天气有部分数据缺失.表 大风有效样本数时间样本数时间样本数时间样本数总计 风场特性分析.平均风速特性图 给出了各月份各风速范围样本概况数据标签对应左轴最大 平均风速为./出现在:是唯一大于 /的风速样本./风速样本共计 个占总有效样本数的.湍流强度顺风向、横风向湍流强度、定义为()式中、分别为顺风向、横风向脉动风速均方根 为顺风向风速 的 平均风速.()月()月()月()月图 各月份 平均风速范围样本概况图 展示了 种风速模型顺风向、横风向湍流强度与 的变化关系.由图可见:夏半年湍流强度值小于冬半年应注意冬季大风天气的影响横风向湍流强度值略小于顺风向但横风向湍流强度显示出更大的离散度当风速小于 /时湍流强度值随平均风速的增大而减小当风速大于 /时湍流强度基本维持不变.()平稳模型()非平稳模型()非平稳模型 图 湍流强度随平均风速变化将 种风速模型的统计结果与现有研究 中不同海拔高度、地点、地貌类型 高度湍流强度统计结果进行对比见表.从本文处理结果来东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.看平稳模型湍流强度结果最大顺风向湍流强度年均值达.模型 相较于平稳模型湍流强度值有所减小顺风向湍流强度年均值达.模型 相较于平稳模型湍流强度值减小了约.相差近 也表明西藏高海拔地区风速非平稳性较强平稳模型的湍流强度估计结果偏于保守模型 与模型 的结果有差距表明时变平均风速分量对湍流强度估计有影响.从湍流能量的角度时变非平稳模型中的时变均值部分仍然包含一定的低频脉动能量从而导致非平稳模型相应脉动分量的能量下降在湍流强度计算中(平均风速保持不变)就体现出非平稳模型的湍流强度结果小于平稳模型而且模型 时变平均风(具有 个局部极大值点)的低频脉动能量显然强于模型 的时变平均风(见图)这样模型 脉动风速分量对应的湍流强度值会进一步小于模型 给出的湍流强度.表 不同风场湍流强度结果对比(高度)数据来源海拔/风场类别风速模型数据时段平均风速范围/()地点地貌类型西藏高原风 良态风夏半年.西藏高原平稳模型冬半年.西藏高原全年.西藏高原夏半年.西藏高原模型 冬半年.西藏高原全年.西藏高原夏半年.西藏高原模型 冬半年.西藏高原全年.西藏高原文献 良态风平稳模型 月.四川山区文献 良态风平稳模型 .宁夏沙漠文献良态风平稳模型 .北京郊区文献良态风平稳模型.挪威峡湾文献良态风平稳模型.福建海岛文献良态风平稳模型半年.浙江海岛文献良态风平稳模型 年.华东农田文献良态风平稳模型 .上海海岸文献台风平稳模型 .广东海岸模型 .广东海岸 总体而言高原风湍流强度要远大于低海拔地区类似地貌(如海岛、沙漠)下的湍流强度也高于更高地貌粗糙度(如低海拔山区、郊区)下的湍流强度与一些特殊地貌、特殊风场(如峡湾风、台风)下的湍流强度相类似.相似的特征也体现在下文所描述的阵风因子及湍流积分尺度参数中.同时表 中也列出了一些湍流强度较高的风场实测时距 但这 处湍流强度较高可能是因为平均风速的取值范围较小.本文模型 的 均值为 .与 给出的比 .相近平稳模型则过高估计了横风向湍流.为更好地表达湍流强度与平均风速的关系根据文献可采用如下简化公式:()式中参数、为常数可通过实测数据的最小二乘拟合得到.模型 相应的拟合结果为.拟合曲线见图.阵风因子以 时距平均风速为阵风风速按下式计算顺风向、横风向阵风因子、:()()式中、分别表示顺风向、横风向时距为 时平稳脉动风速的最大平均风速.图 展示了 种模型的顺风向、横风向阵风因子随 平均风速的变化关系.由图可见:阵风因子随平均风速的变化关系与湍流强度相似当风速小于 /时阵风因子随平均风速的增大而减小当风速大于 /时阵风因子基本维持稳定夏半年阵风因子、均小于冬半年.由平稳模型得到的结果最大顺风向阵风因子年均值为.高原风冬半年阵风因子显著大第 期楼文娟等:西藏高原风场实测及非平稳风特性研究:/.()平稳模型()非平稳模型()非平稳模型 图 种模型阵风因子随平均风速的变化于其他地区良态风阵风因子与台风风场阵风因子相当故高海拔地区需注意冬季突发阵风造成的破坏由于低频信号引起的慢速波动被充分提取使得高频信号围绕均值的波动相应减小故非平稳模型 得到的结果最小年均值为.图 展示了 种模型的顺风向、横风向阵风因子随湍流强度的变化关系.阵风因子与湍流强度呈正比根据、提出的模型良态风阵风因子与湍流强度之间的关系可用下式拟合:()()式中、为拟合参数.()平稳模型()非平稳模型()非平稳模型 图 种模型阵风因子随湍流强度的变化 种模型阵风因子计算结果及现有各地 阵风因子计算结果如表 所示.的统计结果显示平稳模型得到的统计结果最小与北京郊区风场实测结果基本相似非平稳模型 得到的统计结果最大与挪威峡湾风场实测结果基本相似.表 不同风场阵风因子结果对比(高度)数据来源风场类别风速模型数据时段地点地貌类型西藏高原风良态风夏半年.西藏高原平稳模型冬半年.西藏高原全年.西藏高原夏半年.西藏高原模型 冬半年.西藏高原全年.西藏高原夏半年.西藏高原模型 冬半年.西藏高原全年.西藏高原文献平稳模型.北京郊区文献平稳模型.挪威峡湾文献平稳模型.上海海岸文献台风平稳模型.广东海岸模型 .广东海岸.湍流积分尺度由于本次实测仅记录单点数据采用 假设计算湍流积分尺度、以衡量风涡旋尺度对结构的影响范围将空间相关转化为时间相东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.关该假设已被证明能够较为准确地衡量单点实测脉动的湍流积分尺度.同时参考 等的研究结果取积分上限 满足().().则有()()()式中()、()为顺风向、横风向脉动量自协方差函数 为时间差.图 给出了 种模型湍流积分尺度随平均风速 的变化关系.表 给出了西藏高原风、台风及各国规范 高度良态风顺风向湍流积分尺度统计结果.由表可见采用不同风速模型得到的湍流积分尺度结果相差较大平稳模型得到的顺风向湍流积分尺度均值为 远大于由非平稳模型 得到的湍流积分尺度均值 .其原因为湍流积分尺度理论上表征风所运输的理想涡旋平均尺度在某一点的速度脉动中低频分量表征大涡高频分量表征小涡由于时变平均风速提取了原风速脉动中的低频部分故湍流积分尺度有所下降表明湍流积分尺度计算结果受风速信号平稳程度影响较大.()平稳模型()非平稳模型()非平稳模型 图 种模型湍流积分尺度随平均风速的变化由表 还可看出西藏高原湍流积分尺度大于台风湍流积分尺度较大的湍流积分尺度在细长柔表 顺风向湍流积分尺度统计结果数据来源风速模型/平稳模型西藏高原风模型 模型 台风平稳模型模型 性结构上可能引起动荷载的叠加.采用不同风速模型得到的湍流积分尺度进行结构设计可能会对结构抗风造成一定影响由平稳模型得到的湍流积分尺度偏大其结果往往大于各国规范推荐值.脉动风谱脉动风湍流动能分布通过功率谱体现.为更好地体现高原大风谱本文在已有 个 平均风速大于 /的样本中筛选出共计 个 平均风速大于 /的样本用以分析实测顺风向脉动风速功率谱.为便于与荷载规范比较采用 谱的莫宁坐标形式依照 理论根据最小二乘法对实测风谱进行拟合由平稳模型获得的西藏拟合风谱为()/()()由模型 获得的西藏拟合风谱结果为()/()/()由模型 获得的西藏拟合风谱结果为()/()/()式中 为莫宁坐标 为频率为 高度平均风速取 个样本平均风速 为谱值.将以上拟合风谱与以下各经典谱进行对比.谱为()(.)/()谱为()()/()谱为()()/()谱为().(.)/()式中为摩擦速度 为参数取.第 期楼文娟等:西藏高原风场实测及非平稳风特性研究:/.图 展示了各归一化顺风向脉动风谱结果依据采样定理频率上限为 其中灰色线为 个风速样本的实测风谱.在大于 频段实测风谱能量下滑速度较快在小于 频段各样本实测风谱差异性较大总体能量大于各国规范用谱.()平稳模型()非平稳模型()非平稳模型()种模型拟合风谱比较图 各归一化顺风向脉动风谱结果图 中黑色点划线为西藏实测拟合风谱结果拟合风谱与各标准谱都有一定的差距相较于 谱高、低频段拟合风谱值较大拟合风谱峰值频率大于 谱但峰值小于 谱在结构设计时需引起注意相较于 及 谱在高频段拟合风谱值较大在低频段拟合风谱值较小.种模型所得的拟合风谱在高频段基本一致在低频段模型 谱值显著小于模型 和平稳模型说明模型 对低频分量的提取较为彻底模型 的谱峰值频率略大于模型 和平稳模型.同时采用 估计方法 分析了图 所示时程的演化谱结果见图.可见平稳模型演化谱随时间有明显波动而模型 演化谱随时间波动较小再次体现了高原风的非平稳性.()平稳模型()非平稳模型()非平稳模型 图 种模型演化谱 结论)实测点所处高原地区冬半年多西南风下半年多南风.冬半年为大风多发时段日大风时段东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.多发于 时至次日 时.)西藏高原风具有较大的非平稳性冬半年脉动风参数大于夏半年.应用平稳模型与最优时均非平稳模型计算得到的脉动风参数结果差异较大由平稳模型得到的湍流强度和湍流积分尺度参数计算结果偏于保守可能会对结构设计产生较大影响.)高原风的湍流强度、阵风因子及湍流积分尺度等脉动风参数大于低海拔地区类似地貌(如海岛、沙漠)下的脉动风参数也高于具有更高地貌粗糙度(如低海拔山区、郊区)下的脉动风参数但与一些特殊地貌、特殊风场(如峡湾风、台风)下的脉动风参数相类似.)本文给出了平稳模型及 种非平稳模型得到的高原脉动风谱拟合公式.由于时变平均风速分量本身包含一定的低频段能量应用不同风速模型得到的拟合风谱会在低频段有较大差异.与各标准谱相比高原脉动风谱具有较大的高频能量.本文研究结果可为高原地区结构抗风设计提供一定的参考.参考文献()中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范:.北京:中国建筑工业出版社.李爱群王浩谢以顺.基于 的润扬悬索桥桥址区强风特性.东南大学学报(自然科学版)():.:./.:.()():.:./.:.().():.:./().王浩邹仲钦陶天友等.苏通大桥实测典型台风特性对比分析.东南大学学报(自然科学版)():.:./.()():.:./.()邹云峰康星辉周帅等.高海拔深切峡谷桥址风场特性实测研究.工程力学():.():.().():.:./.():.:./.次仁曲宗落桑曲加顿玉多吉.西藏山南地区近 年来大风天气特征分析.西藏大学学报(自然科学版)():.:././.():.:././.().:():.:./.徐智伟王劲松饶惠明等.台风“白鹿”影响下泉州湾近地脉动风速功率谱及其拟合参数分析.振动与冲击():.:./.“”.():.:./.()史康何旭辉邹云峰等.西江大桥桥位处实测良态风非平稳特性.中南大学学报(自然科学版)():.:./.()():.:./.().第 期楼文娟等:西藏高原风场实测及非平稳风特性研究:/.:.:./.():.:./.:.():.:./.():.():.:./().:.:./.:.:./.李正农吴卫祥王志峰.北京郊外近地面风场特性实测研究.建筑结构学报():.:./.():.:./.().(/):.:./().():.:./.姜硕.浙南近海山区地貌近地()风场特性实测研究.温州:温州大学.:.()阎启谢强李杰.风场长期观测与数据分析.建筑科学与工程学报():.:./.:.():.:./.:.()王旭黄鹏戴银桃等.上海地区近地台风与季风湍流特性对比研究.建筑结构学报():.:./.():.:./.().:.(/):.:./().:.:.庞加斌葛耀君陆烨.大气边界层湍流积分尺度的分析方法.同济大学学报(自然科学版)():.:./.:.()():.:./.:.()./.:.:()():.:./.:.:./.东南大学学报(自然科学版)第 卷