2018, Vol. 34
2. 广东科诺勘测工程有限公司，广东 广州 510663;
3. 南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510660
2. Guangdong Kenuo Surveying Engineering Co. LTD., Guangzhou 510663, China;
3. Electric Power Research Institute of China South Power Grid International Co. LTD., Guangzhou 510660, China
风荷载是影响输电铁塔和风力发电机组选型设计的敏感参数，随着输电电压等级升高和风电机组大型化，风荷载更是成为影响工程安全和经济性的关键因素。现阶段工程建设一般参考离地10 m高不同重现期10 min平均风速的计算结果，然后根据下垫面粗糙度推算到各高度计算点[1]。而近年来输电线路设计趋于参考发达国家设计标准，采用不同重现期的3 s阵风风速作为设计输入；风电机组安全性校核一般使用50年一遇的3 s阵风极大风速值[2]。因此要客观准确地确定台风，尤其是强台风期间的垂直切变指数、阵风系数和湍流强度，必需获取足够多的热带气旋强风过程的实测数据。随着观测手段的丰富化和发展，气象学家和结构研究专家对台风风场的近地层结构特征进行了更细致的研究。宋丽莉等[3]研究发现，热带气旋阵风系数的垂直廓线因与台风中心相对距离不同而存在一定差异，台风中心附近波动较大，随高度变化规律不明显，而台风外围风速较稳定。张容焱等[4]对台风“莫拉克”研究认为，一般情况阵风系数随高度增加而减小，复杂地形条件下则无此规律。陈雯超等[5]研究强台风“黑格比”发现，阵风系数不会随风速大小产生明显的趋势变化，下垫面越粗糙阵风系数的波动幅度越大；离岸风的阵风系数及变动幅度均大于离海风，且低层的变幅明显大于高层；下垫面越粗糙其阵风系数的高度变化越大；幂指数更好地拟合光滑下垫面的近地层阵风系数垂向变化，粗糙下垫面的对数律拟合效果略好；粗糙下垫面的离岸风阵风系数比WMO推荐值大，而来自光滑下垫面的离海风阵风系数则小于WMO的推荐值。
应用边界层风廓线雷达对台风“启德”进行观测发现[6]，当台风眼区经过时风廓线幂指数接近最小，甚至出现负值；台风影响期间，风的垂直变化主要发生在200 m以下的低空，风的垂直变化率有波动；台风影响期间风的垂直变化率极大值出现在台风眼壁强风区和台风过境后的外围大风区；在工程抗风设计上需要关注台风眼壁强风区和台风过境后外围大风区的强风垂直变率对结构工程的影响。热带气旋大风风速的垂直切变指数比无热带气旋影响时小[3]。台风大风和冷锋大风的风速随高度的变化都符合幂指数关系，但冷锋的幂指数比热带气旋的大；幂指数随时间的变化幅度也很大，有时甚至出现负值，即发生偏离幂指数规律的状况[7]。台风大风和冷锋大风的近地面层风速都具有很强的湍流脉动特性[7]。张容焱等[4]研究发现台风“莫拉克”登陆点附近，风向、风速和湍流强度均出现突变；远离台风“莫拉克”的地方风向稳定，湍流强度变化较平稳。湍流强度与风速的关系未出现IEC标准曲线那样随风速增大稳定减小。登陆点北侧湍流强度随风速的增加先减小后增大，最终各高度全部超过IEC标准A级曲线。同等风速、相同高度的湍流强度，偏南大风都大于偏北大风。位于“莫拉克”北侧的湍流强度大于南侧，其北侧各高度偏北大风湍流强度之间的差异比其南侧相应风向明显，表明北侧垂直方向扰动更强。
各研究所分析台风观测资料包含了异常复杂多样的组合信息，如台风路径、强度、大风半径、前进速度、地形地貌、观测高度、障碍物等等，只有积累到一定样本数量之后的分析才具有统计意义和参考价值。张秀芝等[2]总结了2003年以来沿海111座测风塔224个热带气旋观测个例，计算得到陆上阵风系数为1.259 9，海上阵风系数为1.196 1；阵风系数有随高度减小的趋势，大于25 m/s风速的阵风系数约为：10 m高为1.31、50 m高为1.25、70 m高为1.25。湍流强度受地形影响强烈，简单下垫面湍流强度明显低于复杂下垫面情况，湍流强度各分量之比为纵向：横向：垂向=1.00：0.86：0.51。位于台风中心移动路径的右侧，风向呈顺时针变化，左侧呈逆时针变化。
越来越多的研究侧重于应用三维超声风速仪和螺旋桨式强风型风速仪对台风极值风速及细部结构进行观测研究。宋丽莉等[8]分析表明，在热带气旋中心附近水平湍流积分尺度明显增大，越靠近中心位置增大越明显，而垂直方向的变化不明显。徐安等[9]发现在台风眼经过前后风攻角变化剧烈，建议风洞试验中进行关注，并选择适宜的台风谱模型。胡尚瑜等[10]研究发现，A类地貌条件下，湍流取值0.15~0.18、阵风因子取值1.34~1.49、风切变指数取值0.10；B类地貌条件下，上述参数取值依次为0.26、1.64、0.14；C类地貌条件下取值依次为0.32、1.85、0.22。风切变指数值随平均风速增大而减小；各方向湍流度随平均风速增大而减小；阵风因子与湍流度呈线性关系。刘东海等[11]对比发现，IEC61400-1规范中风电机组设计应用的极端风况特征参数略大于台风“黑格比”的实测值。林雯等[12]研究发现，下垫面或者粗糙度对阵风因子随平均风速、观测高度以及阵风时距的变化有显著影响；但对不同阵风时距最大平均风速之间的转换系数影响较小。因此在工程实践中，为了合理考虑阵风因子的影响，有必要首先对粗糙度有较客观的了解。随平均风速的增加，对于离海风，阵风因子有增大趋势；对于离岸风，较低风速下的阵风因子有减小趋势。指数律可以较好拟合阵风因子随高度的变化规律；相对于离岸风，离海风的拟合结果较为理想。
气象学家和结构学家利用多种观测手段对不同环境下的数十个台风个例的阵风特性、湍流强度、风速及阵风系数的垂向切变、风攻角等进行了研究，但其中登陆强台风个例较少、超强台风个例更少。1409号超强台风“威马逊”是建国以来登陆台风强度最大的热带气旋之一，同时“威马逊”路径也极具代表性，为强台风登陆粤西的主要路径之一。因此本文所利用的勇士风电场90 m高测风塔数据位于台风中心路径右侧眼壁区，对超强台风危险半圆风速特性分析极具代表性，以期为工程抗风设计提供参考依据。
2 超强台风“威马逊”概况 2.1 概况2014年7月12日，一个低压在西北太平洋上加强为热带风暴，11—14日向西快速移动，于15日以强台风登陆菲律宾，随后在南海加强为超强台风，18日15:30登陆海南文昌翁田镇，19:30同样以超强台风级别登陆广东省徐闻县龙塘镇，成为有纪录以来登陆广东省的最强台风。1409号超强台风“威马逊”登陆路径是7—9月热带气旋穿过巴士海峡-菲律宾后西行登陆广东-海南、越南的代表性路径之一。
当“威马逊”的眼壁掠过七洲列岛北仕岛时，海平面气压由18日13时的917.4 hPa降至13:21的最低值899.2 hPa，20 min内气压下降27.6 hPa，且眼壁附近气压梯度非常大，说明“威马逊”核心区域风力巨大。“威马逊”在徐闻没有记录到登陆时的气压，只有20:30横穿徐闻国家站时记录的935.4 hPa修正的海平面气压。
海南七洲列岛北仕岛(海拔174.5 m)10 min平均风速最大值为58.7 m/s(18日12:54)，瞬时阵风极大值为72.4 m/s(12:51)，此时对应海平面气压约为950 hPa，随后测风塔毁；此时尚未进入眼壁区。北仕岛东南向约45 km处文昌浮标站风速计之一整体被风吹走，其二传感器轴承发生严重变形，测得10 min平均风速最大值55 m/s，瞬时阵风极大值74.1 m/s(12:39)，海平面气压约为928 hPa；站点位于“威马逊”的南半圆，因此东北向危险半圆的眼壁风速很有可能更大。
2.2 登陆徐闻前后实测风速“威马逊”经过海南岛东北角后，虽是擦边而过，但风速也受到一定影响。表 1是2014年7月18日徐闻县角尾、盐井、勇士、洋前、和安和东里风电场“威马逊”期间最大风速和极大风速资料。瞬时风速极大值为68.1 m/s于18日20:10出现在台风路径左侧角尾风电场12号风机，此时台风刚刚登陆龙塘镇，测得10 min平均最大风速达到51 m/s，该点距离台风中心约33 km。
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表 1 2014年7月18日“威马逊”期间徐闻部分风电场最大风速和极大风速统计 |
10 min平均风速最大值为51.8 m/s于19:03由和安风电场12号风机测得，19:02测得瞬时极大风速为60.5 m/s，此时距离台风中心约48 km。盐井风电场测得瞬时极大风速为62.71 m/s，此时台风中心刚离开海南岛东北角，距离台风中心约22 km。勇士风电场于20:20测得瞬时极大风速为63.2 m/s(测风塔90 m高)，30号风机测得10 min平均最大风速为51.44 m/s，此时距离台风中心约24 km。东里风电场和洋前风电场在18:10前后测得10 min平均风速最大值分别为42.34 m/s和48.51 m/s，相距台风中心分别约65 km和50 km，并非距离台风中心最近的时刻。
除洋前和东里外，其他风电场测得瞬时风速极大值与10 min平均风速最大值出现时刻基本相近。盐井、洋前、东里、和安风电场均位于台风路径右侧、距离海岸线较近，最大风速(极大风速)均出现在台风登陆前，风电场位于台风中心东北方位的时刻，相距22~65 km之间。勇士风电场虽然距离和安风电场仅10 km左右，但勇士风电场最大风速和极大风速出现时刻均为台风登陆后，风电场依然位于台风中心的右前即东北方位。
2.3 数据来源与分析方法徐闻勇士风电场在“威马逊”过境期间遭遇严重损失，本文收集了勇士风电场测风塔实测风速、风向数据进行分析。该场测风塔海拔高度为187 m，与台风中心路径最近距离约为20 km。在测风塔30/50/70/80/90/100 m高度处安装6层风速传感器，30/70 m高度处安装风向传感器。使用美国产NRG风能观测设备，采样间隔为1 s，每10 min记录一次统计结果，包括均值、方差、最大值和最小值。
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图 1 “威马逊”登陆徐闻路径及各风速观测点相对位置示意图 1代表角尾风电场，2代表盐井风电场，3代表勇士风电场，4代表洋前风电场，5代表和安风电场，6代表东里风电场，★为徐闻气象站。a~f分别表示1~6各风电场测得10 min平均风速的最大值时刻的台风中心位置，对应时刻分别为20:10、18:25、20:20、18:10、19:03、18:00。 |
选择样本的阈值为90 m高10 min平均风速>25 m/s，所选取的分析样本对应时间为7月18日14:50—19日02:40。在本次观测过程中，50 m高风速传感器于18日22:50之后损坏，此时台风中心已移至雷州半岛西侧即将进入北部湾。本次计算分析的讨论过程不做插补，仅在制图过程用上下相邻层的线性插值方法进行插补。30 m高风向数据在22:00出现损坏，因此仅利用70 m高风向数据进行分析。
参考《风电场风能资源评估方法》GB/T 18710-2002对“威马逊”台风期间各特征参数进行计算分析。
3 超强台风“威马逊”实测数据分析 3.1 风切变指数统计年平均风速情况下的切变指数，勇士测风塔为0.257；统计徐闻县风电场测风数据，离海岸线5 km以上的约为0.210~0.239，沿海测风塔约为0.087~0.100。在“威马逊”影响期间，勇士测风塔90 m高风速>25 m/s时对应风切变指数为0.138，90 m高风速>32.6 m/s时对应风切变指数为0.133。
23:00“威马逊”整体西移至北部湾流沙港内，测风塔位于台风中心右后方约29 km处，此时90 m高10 min平均风速已降至40.4 m/s，瞬时风速降至48.7 m/s。该时刻之前风速垂向切变与幂指数函数吻合良好，拟合优度确定系数均超过0.92；该时刻至风速小于25 m/s期间，即台风中心过后风向回南之后，幂指数函数拟合较差。宋丽莉等[3]对登陆徐闻的几个台风研究也发现偏离幂指数规律的状况。
当台风经过测风塔时，风切变指数随风速增加而逐渐降低，然后随台风中心远离风速下降而逐级升高(图 2、表 2)。在“威马逊”台风中心逼近时，风速低于13级，风切变指数一般大于0.165，某些时刻超过0.2；而当台风中心经过时，风速达到14~15级，即最强风速段的切变指数迅速降低，围绕0.12波动，且较平稳、变幅较小；当台风中心经过后风速降为13级时，风切变指数逐渐增加。风速小于37 m/s时段不做分析(图 3中23:00时刻之后)。分风速区间统计所对应切变指数也存在同样规律(表 2)。
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图 2 10 min平均风速及风切变指数随时间变化 点画线为风切变指数。 |
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表 2 “威马逊”不同风速等级对风速切变指数统计表风速等级 |
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图 3 阵风系数及相应垂向切变指数随风速等级(时间)变化(a，风速下降至13级风后幂函数拟合较差，故图中未体现)和切变指数随风速等级变化(b，尾部红色区间段表示幂函数拟合较差) |
各高度阵风系数均值为1.265(90 m)、1.283(80 m)、1.276(70 m)、1.314(50 m)、1.353(30 m)，均小于1.4，且随高度增加而减小，幂指数曲线拟合对应的切变指数为-0.06(图 3a、图 4)，与林雯等[12]的研究结果基本一致。由对台风“莫拉克”和“黑格比”的研究[4-5]也发现，阵风系数随高度增加而减小，但不同下垫面情况下的变化规律不同。
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图 4 各高度阵风系数随时间变化 点画线为90 m高的风速。 |
各高度阵风系数以及不同高度之间的差值随台风中心逼近、风速增加而趋于减小，随台风中心远离、风速下降而缓慢增大(表 3、图 3a、图 4)。11~13级风最大阵风系数为1.44(30 m高、11级风)、最小阵风系数为1.247(90 m高、13级风)，对应切变指数在-0.06~-0.113之间；14~15级风阵风系数最小值为1.233(90 m高、15级风)、最大值为1.337(30 m高、回南后14级风)，对应切变指数在-0.046~-0.058之间(图 3)。
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表 3 “威马逊”不同风速等级对应阵风系数统计风速等级 |
分别统计不同风速等级对应的各高度阵风系数，并利用幂函数拟合(图 3a)，结果显示台风中心移至北部湾流沙港(18日22:00)前，各风速等级的阵风系数随高度变化很好地吻合幂函数，拟合优度确定系数超过0.95；22:00(风速降为13级)之后，幂函数拟合效果较差(图 3a)。
3.3 湍流强度各高度湍流强度均值为0.098(90 m)、0.103(80 m)、0.101(70 m)、0.113(50 m)、0.126(30 m)，湍流强度呈现随高度增加而减小的趋势；另外，湍流强度随风速增加而减小，台风中心经过后风速减小而逐渐增大的趋势(表 4、图 5、图 6)。
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表 4 “威马逊”不同风速等级对应湍流强度统计表风速等级 |
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图 5 各高度湍流强度随时间变化 点画线为90 m高风速。 |
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图 6 各高度湍流强度随风速等级(时间)变化 |
在台风中心逼近、台风风速不超过13级时，近地面层湍流强度较大且变幅较大，尤其以30 m和50 m高的风速特征更为明显。风速超过14级的强风时段各高度湍流强度减小、并趋于相近且随时间变幅较小，除30 m外，各高度湍流强度基本小于0.10，80 m和90 m高度层湍流强度基本一致。当台风中心远离、风速低于13级时，相比强风时段各高度湍流强度略有增加，30 m高度接近0.15，但80 m高度层绝大部分时刻均小于0.12(图 5)。分别统计不同风速等级的各高度湍流强度，并利用幂函数拟合(图 6)，结果显示台风中心移至北部湾流沙港，风速降至13级(18日22:00)前，各风速等级的阵风系数随高度变化很好地吻合幂函数，拟合优度确定系数超过0.95。30 m与90 m高湍流强度随风速增加而减小的趋势；同时与GL/IEC规范湍流强度模型对比显示，风速超过25 m/s时，低层(30 m)和高层(90 m)湍流强度基本上小于IEC-A类；风速大于40 m/s时，湍流强度均不超IEC-C类。90 m高湍流强度的90%分位数对应值为0.116，95%分位数对应值为0.119，97%分位数对应值为0.128，99%分位数对应值为0.143；风速大于25 m/s时，90 m高湍流强度基本不超IEC-B类(图 7)。
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图 7 30 m和90 m高湍流强度随风速变化及与GL/IEC规范湍流强度模型对比 |
测风塔位于台风路径的右侧，且在台风中心经过期间风速呈倒V字型变化，说明测风塔处于“威马逊”眼壁强风区。在风速由25 m/s升至最大并逐渐减小至25 m/s的过程中，70 m高风向依次由N向转为NE向，继而转为E向，最终转为SSE向，测站风向呈顺时针方向变化，变化幅度为150 °，历时约5小时40分钟(图 8)。
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图 8 90 m高10 min平均风速(蓝线，左纵坐标，单位：m/s)和70 m高风向(绿线，右纵坐标，单位：°)随时间变化 |
1409号超强台风“威马逊”登陆广东徐闻后造成输电线路及勇士风电场严重受损，为了解强台风，尤其是超强台风登陆前后的风场变化特征，本文收集了相距“威马逊”路径直线距离约20 km的勇士风电场测风塔的梯度观测数据，以90 m高10 min平均风速大于25 m/s作为阈值选择强风过程，分析风速、风切变、阵风系数、湍流强度和风向特征。
(1) 相比年平均亦即常态风，“威马逊”风切变指数较小；随台风中心逼近、经过、远离呈现先减小再增大的规律；在台风中心经过前，风切变指数符合幂指数函数规律，台风中心经过1.5 h即风向回南之后，幂指数函数拟合较差。
(2) 阵风系数呈现随高度增加而减小的趋势，该趋势在台风中心经过前较好拟合幂函数，台风中心经过后吻合较差；各高度阵风系数以及不同高度之间的差值随台风中心逼近、风速增加而趋于减小，随台风中心远离、风速下降而缓慢增大。
(3) 湍流强度随高度增加而减小；各高度湍流强度随台风中心逼近、经过、远离先减小后增大；强风时段(风速大于14级)湍流强度较小且相对平稳；轮毂高度处湍流强度基本不超IEC-B类。
(4) 处于台风中心前进路径右侧眼壁区的测站风向呈顺时针旋转。
1409号超强台风“威马逊”是建国以来登陆台风强度最大的热带气旋之一，同时路径也极具代表性，为强台风登陆粤西的主要路径之一。本文利用“威马逊”超强台风期间，广东徐闻勇士风电场测风数据，分析得到台风中心路径右侧眼壁强风区风切变、阵风系数和湍流强度等特征，但仍需大量观测实例进行检验和完善，才能得到更具统计意义的结论。
致谢: 本文得到广东粤电湛江风力发电有限公司提供的台风数据，致以诚挚的感谢！| [1] | 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50009-2012建筑结构荷载规范[S]. 北京: 中华人民共和国住房和城乡建设部, 2012: 1-240. |
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