边界层是大气最底部的一层空气，平均高度大约为1~2 km，它能够迅速有效地感知下垫面的影响.湍流是边界层中最主要的运动形态，表现为偏离长周期平均运动的小尺度脉动.边界层湍流研究一直是边界层研究的重要内容，多年来，在Monin⁃Obukhov相似理论的指导下，对定常、均匀平坦的下垫面的大气边界层湍流研究取得了丰富的观测资料和十分有意义的科研成果，边界层湍流的理论也已比较成熟；但对非定常、复杂下垫面的边界层研究的成果还较少，尤其是对台风这样的强风天气形势下的边界层湍流特征研究还相对缺乏.
在风工程中，湍流可对建筑物施加额外的应力，同时湍流涡旋，如卡门涡街等可对建筑物造成涡振，对大楼、桥梁等建筑物产生潜在的隐患［1-2］.我国是世界上受台风影响最为严重的国家之一.每年夏秋季节，我国东南沿海地区会受到台风灾害的影响.近年研究表明，气候变化导致过去三十年间强度高、持续时间长的台风发生频次增加［3-4］，台风往往伴随着复杂的天气现象，如大风［5-7］、强风切变［8］、大暴雨、大海潮等，对其影响地区的建筑物和人民生命财产安全产生重大影响.因此台风天气形势下的边界层湍流特征研究不仅对研究地气间物质能量输送具有重要意义［9-11］，而且对准确估计建筑结构上的台风荷载具有重要参考价值［12-13］.
杭州湾是大风多发区域，风荷载是作用于通苏嘉甬高速铁路杭州湾跨海大桥这样的大型结构的主要荷载之一.为了给通苏嘉甬高速铁路杭州湾跨海大桥的防风设计提供基础数据，2019年7月浙江省气候中心在浙江省宁波市慈溪市杭州湾公路桥西南侧的滩涂建立了野外观测场地，目前已经积累了一年的湍流资料.由于跨海大桥所在地理位置的特殊性，其最大风速主要受台风的影响，本文利用利奇马台风经过浙江省期间观测场的湍流观测资料，评估杭州湾跨海大桥四周的湍流特征.
1 观测实验及资料处理
浙江省气候中心于2019年7月下旬在浙江省宁波市慈溪市杭州湾公路桥西南侧的十二塘海堤附近（30.462°N，120.964°E）的滩涂建立了野外观测场地（图1）.那里地势平坦，视野开阔，四周以低矮的杂草为主，观测场里除一座高100 m的测风铁塔外，没有其他影响观测的高大建筑物.分别在塔上30和60 m高度处架设了两台英国Gill公司生产的三维超声风速仪（WindMaster Pro），超声风速仪的采样频率为10 Hz，目前已积累了一年的高频观测资料.
图1
2 利奇马台风的湍流特征分析
2.1 风速、风向和风攻角
图2a为利奇马台风经过慈溪观测站前后30和60 m两个高度上10 min平均风速风向随时间的变化.从图2可见，两层的风速风向变化趋势非常一致：风向由台风在温岭登陆（8月10日01∶45）前的偏东风转为离开浙江移入江苏（8月10日22∶00）以后的西南风，风速由小变大再变小.为便于分析，根据慈溪观测站所测风速风向随时间的变化，将8月9日00∶00时至8月11日04∶00这54 h慈溪站的观测资料分为三个时段进行讨论.在台风前期（8月9日00∶00至15∶40，图2中灰色透明方框所示），风速相对较小且平稳，30 m高度上的平均风速为11.3 m⋅s-1，60 m高度的平均风速为12.0 m⋅s-1（表1），风向为偏东方向.在大风期（8月9日15∶50至10日13∶10，图2红色透明方框所示，这期间台风在温岭登陆，台风对慈溪站的影响最强），风速整体也是比较平稳的，两层风速都大于15 m⋅s-1，其中30 m高度上平均风速为18.4 m⋅s-1，最大风速达到23.0 m⋅s-1，出现时间为8月9日19∶50；60 m高度上平均风速为20.6 m⋅s-1，最大风速为26.4 m⋅s-1，出现在8月10日01∶30，此时台风即将登陆.在台风后期（10日13∶20至11日04∶00，图2绿色透明方框所示），观测点周围的流场发生了急剧的变化，流场逐渐从此前的偏东气流转为西南风，表明此时慈溪站逐渐由位于台风的东北方向转为位于台风的东南方向，即这期间的观测表征了台风东部的流场结构.根据《公路桥梁抗风设计规范》［16］，按照风险区域R1（U10<24.5 m⋅s-1）的规定，观测站的抗风风险都在R1的范围.由于慈溪观测站位于台风移动路径的东侧，因此实验未测到台风眼的风速特征，即高风速段并未出现静风期.
图2
图2
“利奇马”台风经过慈溪观测站前后(a)风速风向和(b)风攻角随时间的变化
(a)中的灰色实线为台风在温岭登陆时刻8月10日01∶45
Fig.2
Time series of wind speed and wind direction (a),and attack angle (b)
表1 台风过境不同时期的湍流特征对比
Table 1
| 台风前期 | 大风期 | 台风后期 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 30 m | 60 m | 30 m | 60 m | 30 m | 60 m | |
| 平均风速（m⋅s-1） | 11.3 | 12.0 | 18.4 | 20.6 | 8.4 | 11.4 |
| 风攻角（°） | 0.05 | 1.29 | 0.92 | 0.12 | 6.55 | -3.36 |
| 顺风方向的湍流强度Iu | 0.14 | 0.11 | 0.15 | 0.12 | 0.19 | 0.22 |
| 侧向湍流强度Iv | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.09 | 0.14 | 0.22 |
| 垂直方向湍流强度Iw | 0.07 | 0.06 | 0.07 | 0.07 | 0.11 | 0.13 |
| Iv/Iu | 0.71 | 0.91 | 0.67 | 0.75 | 0.74 | 1.00 |
| Iw/Iu | 0.50 | 0.55 | 0.47 | 0.58 | 0.58 | 0.59 |
| 阵风因子G | 1.30 | 1.25 | 1.31 | 1.26 | 1.46 | 1.69 |
| 顺风方向积分尺度ISu（m） | 266.5 | 344.1 | 163.3 | 198.0 | 121.6 | 112.9 |
| 侧向积分尺度ISv（m） | 213.0 | 273.9 | 275.4 | 347.0 | 122.7 | 126.6 |
| 垂直方向积分尺度ISw（m） | 15.7 | 49.6 | 38.4 | 50.0 | 88.3 | 88.7 |
风攻角指风的来流方向与水平面的夹角，其计算公式为
2.2 湍流强度和阵风因子
湍流强度是湍流风速标准差与平均风速之比：
图3
图3
(a)30 m和(b)60 m两高度层的湍流强度以及(c)阵风因子随时间的变化
Fig.3
Time series of turbulence intensity at 30 m (a) and 60 m (b)，and gust factor (c)
阵风因子也是用来表征风脉动强度的物理量.其定义为持效期3 s内风速的最大值与10 min平均风速之比：
由湍流强度和阵风因子的定义可知，湍流强度和阵风因子与风速存在一定的关系，我们的拟合结果表明：湍流强度和阵风因子与风速存在反函数的关系（见图4），在低风速段，三个方向的湍流强度和阵风因子均会随着风速的增高而下降；当风速大于15 m⋅s-1时，湍流强度和阵风因子都不再随风速变化.
图4
图4
30 m高度上三个方向的湍流强度：(a) Iu,(b) Iv,(c)Iw和阵风因子（d）与风速的关系（所用数据与图2一致）
Fig.4
Variation of turbulence intensity:(a) Iu,(b) Iv,(c)Iw，and gust factor (d) with wind speed
2.3 湍流积分尺度
湍流积分尺度是用来表示湍流尺度的物理量，其值越大代表湍流的空间尺度越大，是湍涡结构的重要参数.图5为利奇马台风期间两个高度层上湍流积分尺度随时间的变化.由图5可见，由于8月10日17∶00至11日00∶00的水平湍流积分尺度显著低于其他时候，使得台风后期水平方向的平均积分尺度明显小于台风前期和大风期（表1）.事实上，去除这几个时次的影响，三个方向上的湍流积分尺度整体上都随着风速的增加而增大（图6），这与“梅花”［20］和“海葵”［21］台风的研究一致.除此之外，在台风前期，也与“梅花”和“海葵”的结论一致，存在顺风方向湍流积分尺度最大，侧向次之，垂直方向最小的规律；但在大风期和台风后期，则是侧向湍流积分尺度最大（表1）.台风后期湍流积分尺度明显小于其他时候，表明台风东部湍流空间尺度较小.但由于台风内部流场非常复杂，不同区域会出现很多中小尺度天气系统，因此湍流积分尺度变化很大，离散度也很大.
图5
图5
30 m (a)和60 m （b）两个高度层的湍流积分尺度随时间的变化
Fig.5
Time series of turbulence integral scale at 30 m (a) and 60 m (b)
图6
图6
u
所用数据为8月9日00：00时至8月11日04∶00慈溪站的观测数据
Fig.6
Variation of turbulence integral scale of u (a)，v (b) and w (c) with different wind speed
2.4 湍流能谱
本文选取了8月9日00∶00至15∶00、8月9日18∶00至10日09∶00、8月10日14∶00至11日04∶00共三个时间段的超声数据，分别对应利奇马台风经过观测场地前后的台风前期、大风期和台风后期三个阶段，并利用小波变换进行湍流风速能谱计算（图7）.
图7
图7
不同时期近地面风速的能谱分布：30 m上的u (a)，v (c)，w (e)谱和60 m上的u (b)，v (d)，w (f)谱
Fig.7
Comparison of u (a)，v (c)，and w (e) spectra during typhoon Lekima at 30 m andu (b)，v (d)，w (f) spectra at 60 m
3 结论与讨论
本文利用利奇马台风在2019年8月8日至11日过境浙江时，浙江省气候中心在慈溪观测场两层湍流观测资料（30和60 m），讨论了利奇马台风经过观测场前后的边界层湍流特征，得到了以下结论：
在台风前期和大风期，随着台风接近，慈溪观测场附近的风速急剧增大，其中60 m高度上台风前期和大风期平均风速分别为12.0和20.6 m⋅s-1，30 m高度上的平均风速分别为11.3和18.4 m⋅s-1，流场为偏东气流.在台风后期，随着台风远离观测场，风速迅速减小，两层平均风速分别为11.4和8.4 m⋅s-1，风向也逐渐由偏东风转为西南风，表明这期间观测场从台风的东北方向转为台风的东南方向，这期间的观测主要为台风东部的流场情况.
在台风前期和大风期，攻角、湍流强度与阵风因子这三个参数都比较小，这是因为这期间气流较为平稳.而在台风后期，三个参数都明显增大，且波动剧烈，这是因为这期间观测场处于台风东侧，慈溪观测场的流场从偏东气流转为西南气流，气流非常不平稳.此外，湍流强度和阵风因子与风速存在反函数的关系，在低风速段，三个方向的湍流强度和阵风因子均会随着风速的增高而下降，而当风速大于15 m⋅s-1时，湍流强度和阵风因子都不再随风速变化.
湍流积分尺度表现出随着风速的增加而增大的特征.但在台风后期，在风攻角、湍流强度和阵风波动剧烈的时段，湍流积分尺度突然变小，这进一步说明了利奇马台风内部流场非常复杂，不同区域会出现不同的中小尺度结构，表现出不同的湍流特征.
湍流能谱分析表明台风前期和大风期的湍流能谱基本满足-2/3律，而台风后期的湍流能谱与-2/3律偏离比较大，这可能与台风后期湍流资料不平稳有关系.此外，台风内部存在大量的中小尺度系统，因此在大尺度和湍流尺度涡旋之间，顺风方向的湍流能量贡献仍然很大.
参考文献
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Suihua
⁃story high⁃rise building under extreme wind loads
Increasing destructiveness of tropical
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Field measurements of Di Wang tower during typhoon York
Wind turbulence characteristics study at the Stonecutters Bridge site：Part Ⅰ：Mean wind and turbulence intensities
.
Wind turbulence characteristics study at the Stonecutters Bridge site：Part Ⅱ：Wind power spectra，integral length scales and coherences
GPS dropwindsonde and WSR⁃88D observations of tropical cyclone vertical wind profiles and their characteristics
Reduced drag coefficient for high wind speeds in tropical cyclones
Effect of surface waves on
Part Ⅱ：Behavior of drag coefficient under tropical cyclones
Mechanism of drag coefficient saturation at strong wind speeds
Performance⁃based wind engineering：Towards a general
Quality control and flux
A statistical data screening procedure
公路桥梁抗风设计规范
Wind⁃
resistent Design Specification for Highway Bridges
风攻角对斜拉桥抖振的影响
Influence of the wind attack angle on the
cable⁃stayed bridge buffeting
基于近海海面观测的台风黑格比风特性研究
Study on wind characteristics of typhoon Hagupit based on offshore sea surface measurements
建筑结构荷载规范（2006版）
design of building structures
基于台风“梅花”的近地层湍流积分尺度实测分析
Field measurements about integral scales of near⁃ground turbulence during typhoon ‘Muifa'
台风“海葵”近地风脉动特性实测研究
Field measurements for characteristics of near ground fluctuating wind during typhoon 'HAIKUI' blowing
台风“珍珠”登陆期间动量通量的多尺度分析
during its landfall
南京地区一次降水过程湍流特征研究
Journal of Nanjing University
