台风边界层平均风剖线海陆转换影响因素的模拟研究

Due to the lack of direct observations, the mean wind profile observed under non-typhoon conditions are predominantly used to predict the typhoon wind loads acting on the high/super-high structures erected in the typhoon-prone region. The recent studies showed, however, that the super-gradient feature and the complexity of sea-land transitions of the typhoon boundary layer have made the conventional power-law/log-law profile unreliable in terms of describing the vertical variation of mean wind speeds in the inland typhoon boundary layer. In the proposed project, the water tank test, computational fluid dynamic simulation and meso-scale meteorology simulation have been employed to analyze the influence of (a) the contrast of sea-land roughness, (b)the contrast of sea-land surface temperature and (c) large-scale meteorological features of a typhoon on the sea-land transition of the typhoon boundary layer mean wind profile.

由于缺乏直接的观测资料，现阶段我国在进行高层和超高层建筑结构设计时，台风风荷载的计算均依照非台风情况下观测得到的平均风剖线进行。最近的研究表明，台风边界层平均风剖线存在着“超梯度风”现象。该现象使得常规的，单调增长的平均风剖线不适用于形容台风边界层风场。另外，由于台风边界层风场海陆转换的复杂性，现有的转换模型还不足以给出准确、可靠的陆上台风边界层平均风剖线。因此，本项目计划使用工程水池模拟，计算流体力学模拟以及中尺度天气系统模拟的方法研究台风边界层平均风剖线的海陆转换问题。具体来说，本项目试图厘清以下三个因素的影响：（1）海面与陆地粗糙度差异；（2）海面与陆地表面温度差异和（3）大尺度台风气象特征。通过分析上述三个因素产生影响的机理，本项目试图得到一个对陆上台风边界层平均风剖线进行预测的计算方法。

由于直接观测资料的缺乏，各国在进行高层或者超高层建筑结构设计时，建筑承受的风荷载计算所依赖的平均风剖线模型主要从非台风风速观测资料中取得。现阶段的工程解决方案依靠一定的安全系数来抵消平均风剖线模型不准确的影响。这样的处理方式是较为粗糙的，没有根据台风海陆转换的具体特征确定当地高层和超高层建筑的风荷载。针对现今对台风边界层风场的海陆转换及其影响因素缺乏科学了解的现状，本项目试图使用实验室缩尺比实验，半经验-半理论模型研究以及基于常规下垫面粗糙度变化的工程模型的台风边界层风场海陆转换模型研究等手段针对海陆下垫面的状态不同以及台风整体气象系统的特征对台风边界层风场海陆转换的影响进行较为系统的的研究。.本项目预设了三个主要研究内容，包括海面和陆面粗糙度和温度变化对台风边界层平均风剖线的影响以及台风大尺度气象特征对台风边界层风场的海陆转换的影响。本项目主要通过对业界广泛接受的Kepert台风边界层风场模型进行改进，容纳更为复杂的下垫面粗糙度和温度模型，根据该半经验-半理论的模型考虑大尺度台风气象特征的初始和终了平衡边界层风剖线模型，研究了台风边界层平均风剖线海陆转换的项目预设因素的影响。同时，本项目利用风洞试验和现场观测的一部分数据对所研发的模型以及针对上述因素影响的研究进行了初步的验证。从验证效果上看，本项目所研发的半经验-半理论模型基本能够达到预设的进行台风边界层平均风剖线海陆转换工程预测的目的，所以本项目按照设定计划完成了主要研究内容，达到了预设目的。

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