强风及其特征外文翻译资料

 2022-04-12 08:04

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第1章
强风及其特征

曹曙阳

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摘要：在气流中的结构经历一段时间所受的气动力直接关系到风的性质。 了解强风特性对于安全和可用的设计非常重要。 本章重点介绍强风及其特征。 简要描述可能带来强风的风气候，例如季风，热带气旋，雷暴等，并与基本流体动力学一起进行简要描述。 包括湍流强度和尺度，阵风因子，峰值因子，相干函数的衰减因子，概率分布函数，功率谱及其随风速的变化，大气边界层内风速随地面高度和地面湍流结构的变化等进行详细讨论。 此外，台风美美被称为强风事件的例子，以展示强风的风力特征。

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关键词：流体动力学 平均速度 强风 湍流特征 台风美美

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1.1简介
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风基本上是由于地球表面可变太阳能加热引起的大气温度梯度造成的。窗体顶端

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风基本上是由于地球表面可变太阳能加热引起的大气温度梯度造成的。 从更直接的意义上讲，它是由等高程点之间的密度差或压力梯度引起的。机械效应（速度剪切效应）和温度效应（浮力效应）是大气流动产生湍流的来源。太阳能加热随时间的变化使得大气边界层处于不同的计量学条件，即稳定，不稳定或神经条件，其可以通过梯度理查森数或Richardson数以可变形式定义。一般来说，负的理查德森数对应于机械效应和对流效应共存的不稳定条件，而正理查德森数表示仅具有机械效应的稳定条件。 温度反演，即温度随地面附近高度的增加，可能导致诸如烟雾被困在接近地面的污染。强风的产生与全球大气环流密切相关，并且与较小的温差有关。 但是，在强风的情况下，浮力效应通常弱于机械效应，可以忽略不计。 因此，在结构风工程领域，通常假设一个中性条件。

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S.Cao
同济大学，四平路1239号，上海200092，中国
电子邮箱：shuyang@tongji.edu.cn
Y. Tamura和A. Kareem（编），先进的结构风力工程，
DOI 10.1007 / 978-4-431-54337-4_1，copy;Springer Japan 2013

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1.2强风和流体动力学

1.2.1强风气候

有许多风的气候可能会导致强风，如季风，锋面洼地，热带气旋（飓风，台风和旋风），雷暴（下暴雨和大雨），龙卷风，飓风，重力风（下吹风），黎波等等。

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季风是季节性的风，可能被认为是大规模的海风，这是由于季节性加热以及由此产生的陆地大陆热量低。 季风效应在亚洲发展最为强劲。受季风影响的区域可能较大，其持续时间可能比台风长。 它们的特征是温暖多雨的夏季季风和寒冷干燥的冬季季风。

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前缘凹陷是分离两种不同密度空气的边界，并且是强风的主要原因。冷锋可能具有雷暴和严重气象现象的窄带，并且在其之前会出现含有强降水，冰雹，频繁的飑线 闪电，强烈的直线风，可能还有龙卷风和水龙卷。

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热带气旋是发生在热带海洋上的强烈气旋性风暴，主要发生在夏季和初秋。它被称为远东的台风，澳大利亚和印度洋地区的飓风，以及美国的飓风，定义不同。例如，台风是热带气旋，其中心附近的最大平均风速大于17米/秒。热带气旋的直径在100到2000公里之间，通常在几百公里的范围内。涉及的大气深度大约10-12公里。从直径与厚度的比例来看，可以理解的是，热带气旋的整个旋转体就像一个“光盘”。风暴中心形成一个大致圆形的“眼睛”或“热塔”。眼睛内部的空气相对干燥且轻盈，并且在眼睛周围附近缓慢上升。在眼壁外，有一个涡旋，高温对流的暖空气形成高对流云。旋涡外侧常常会注意到螺旋雨带云。

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与热带低压和热带气旋相比，雷暴是水平范围内的小扰动，但它们能够产生强风。 雷暴是由温暖湿润的空气迅速向上移动造成的。 随着空气向上移动，其冷却，凝结并形成积雨云。 雷暴造成许多恶劣天气现象的发生和形成：下暴雨，大冰雹，洪水，龙卷风和水龙卷。 在下风时，强烈的下沉气流到达地面，并在短时间内产生强风 - 大概5-10分钟。

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龙卷风在雷云中被观察为漏斗形涡流。 这是风暴最具破坏性的。 龙卷风的直径通常约为300米，相对于地面以大约15公里长的距离以30-100公里/小时的速度移动，然后消散，产生了一条狭长的破坏路径。

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重力风是在重力作用下向下流动的风。 它们主要发生在山区或冰川地区。 当斜坡特别陡峭时，冷空气可以收集巨大的动能，给予强风。 黎波是大气的驻波。 最常见的形式是山波。

1.2.2强风流体动力学

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地球表面对移动的空气施加水平摩擦力以阻滞流动，通过湍流混合的作用形成具有垂直速度分布的大气边界层。这是大气边界层内的风土体系，对土木工程结构的设计者有着直接的兴趣。根据风的强度，地形的粗糙程度和纬度（Simiu and Scanlan 1986），大气边界的深度通常在中性分层流从几百米到几公里的范围内变化。在天气边界层内，风速随着高程而增加;其在边界层顶部的大小通常被称为梯度速度。在边界层之外，风沿着等压线大致以梯度速度流动。作用于大气边界层内空气的力包括摩擦力，压力梯度力，科里奥利力和离心力。

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摩擦力起到防止空气移动的作用。 它与运动方向相反，并垂直于科里奥利力。

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压力梯度力是由高压区域到低压区域的压差引起的。 它通常负责加速一小块空气，导致风。 实际上它不是一个“力”，而是由于压力差（每单位质量的力）造成的空气加速。

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科里奥利力是一种在独立旋转系统中作用于运动物体的“力”。 科里奥利效应是由地球自转引起的。 在北半球，科里奥利部队位于面向水流方向的观察员右侧。这导致围绕低压中心的风向逆时针旋转。

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离心力是远离旋转中心的向外“力”。它表达了与旋转相关的惯性效应。

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上述力共同作用并控制气流的运动，然而根据风的气候和海拔的不同，它们的贡献也不同。

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1.2.2.1地转风和梯度风

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对于可以假定无摩擦风力（FFW）的地球表面以上的气流，压力梯度力，科里奥利力和离心力是主导力。 地转风是一种理论风，它指向与完全平直的等压线平行，换言之，地转风是科里奥利力和压力梯度力之间精确平衡的结果。 因此，地转风速U G由下一个方程定义:

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其中，是空气密度，是科里奥利参数，表示为，Omega;是地球的转速，phi;是纬度。 在北半球，科里奥利力量作用于运动方向的右侧。 因此，高压总是在观察者随着流动而移动的右侧。 它在南半球相反。

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一旦气流产生曲率（例如在热带气旋中心附近），就会产生离心力，这些离心力从曲率中心引导并等于，其中r是曲率半径 等压线。 在低压中心（旋风分离器）周围，离心力的作用方向与科里奥利力相同（与压力梯度力相反）。 这导致北半球低压中心周围风的逆时针旋转。 在这种情况下，梯度风速U g由下式定义：

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当空气绕低压中心逆时针弯曲时，梯度风速U g小于地转风速U G，否则当空气绕高压中心顺时针弯曲时，风速大于地转风速。

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在等压线的曲率半径较小的龙卷风或台风眼内，风速较高且压力梯度力较大，科里奥利力与离心力相比较小，可以忽略不计。 因此，风在压力梯度力和离心力之间平衡，并围绕低压中心旋转。 这种风被称为环流风，其速度由以下等式定义:

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1.2.2.2大气边界层

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在地面附近，由地面引起的摩擦力变得显着，并且不能假定FFW。 摩擦力垂直于科里奥利力，这两个力应与压力梯度力平衡。 这意味着风向不可能平行于等压线，并且会转向北半球的左侧。 摩擦力的影响在较低的高度变得更加显着，并且来自等压线的风向的倾斜角在地面附近变得更大。 随着地面附近风速的降低，风向趋向于逆时针方向运动，速度矢量的尖端跟踪称为Ekman螺旋的螺旋。

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在大气边界层内部，由于离心力通常较小，所以流量在压力梯度力，科里奥利力和摩擦力之间平衡，

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其中和是雷诺应力。 考虑地转风速可表示为:

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可以得到以下等式：

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与雷诺应力的假设，（ε：动能涡粘度），其将雷诺应力与平均速度分布相关联，平均速度可近似计算。

1.3风速的统计描述

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随时间变化的风速可以统计地假定为平均分量和波动分量的总和。 换句话说，风速U（t）由x轴方向上的平均分量U和三个正交方向（x，y，z）上的波动分量（u，v，w）组成。 平均风速U定义为平均时间T内的平均风速U（t）。日本的平均风速为10分钟，ISO4354为平均风速，英国为1小时。 美国国家飓风中心用1分钟的平均时间报告相对持续的风，称为“持续风”。 脉动风速结构可以用湍流强度和尺度，阵风因子/峰值因子，功率谱，空间/时间相关性等统计量来描述。 大气湍流的这些特征在各种风力工程应用中是有意义的。

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在本章中，2003年9月11日通过日本冲绳县宫古岛的台风Maemi被称为强风事件的例子，以展示强风的风力特征。 Cao等人提供了台风和测量的细节。（2009年）。

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分析风的一个关键假设是平均风实际上是稳定的。如果情况并非如此，则需要更复杂的处理来消除信号的湍流部分，否则平均风的趋势可能会使样本平均值偏离真实平均值。例如，在通过风暴快速移动的尖锐的眼壁风速测量过程中测量的10分钟平均值可能会降低真正的平均风速最大值（WMO 2010）。在实践中，选择平均时间作为最小化抽样误差，减少非平稳性导致的误差之间的折中。图1.1是一个通过经验模式分解（EMD）从非平稳速度重新编码中提取时间相关平均速度的例子，任何复杂数据集都可以被分解为有限但通常为少数的固有模态函数（IMF）。这种分解是自适应的，适用于非线性和非平稳过程，因为它基于数据的局部特征时间尺度（Xu and Chen 2004）。

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一般而言，平均风速估计总是非常重要，应基于可视为平稳的最长实际时间间隔。 实际上，10分钟的平均值通常满足这个要求。 世界气象组织（WMO）估算平均风的标准是10分钟平均值。

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1.3.1平均风速

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1.3.1.1一般大气边界层的平均风速

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如前所述，摩擦力形成ABL。摩擦力或速度剪切产生旋涡，导致地面附近产生大的风波。 粗略地说，ABL包含界面层，表面层和外层。 ABL的高度定义为梯度高度Z g，无摩擦梯度风速U g可以假定为Z g以上。 雷诺兹强调在这个靠近地面的动量传递过程中发挥重要作用。

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图1.1通过经验模式分解（EMD）从非平稳速度重新编码中提取时间相关平均速度的示例。 （a）10分钟非平稳速度记录;（b）EMD分量

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强风条件通常与结构风工程领域空气充分混合导致的热中性条件有关。 在表面层，雷诺应力大致恒定，并取在tau;0 =rho;a u * 2，其中u *是摩擦速度。 描述强风条件下风速廓线的一个很好的数学模型是对数律。 在实际的风荷载规范和标准中，用对数法，幂律和Deaves＆Harris模型来描述风速剖面。

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根据对数法则，平均风速剖面定义为：

表1.1平均风速剖面参数：

地形

粗糙度

长度z 0（m）

幂律

指数alpha;

零平面

位移d（m）

海，泥滩，积雪覆盖的平地等

0.000-0.003

0.1-0.13

0

打开平坦的农村，农作物的田野，栅栏和几棵树等等。（气象标准状况）

0.003-0.2

0.14-0.2

0.1

密集的林地，家庭住房，郊区

0.2-1

0.2-0.25

5

市

1-2

0.25-0.3

10

大城市中心

2-4

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