曾加东, 宋子函, 张志田

(海南大学土木建筑工程学院, 海口 570228)

中国沿海地区属于台风频发地区,每年平均有7.2次台风登陆中国,属于受台风影响较为严重的国家,影响范围达中国国土面积的12.5%,受影响人口占总人口的38.9%[1],极端频发强风对建筑物的结构安全带来了极大威胁。如超强台风“威马逊”在中国和菲律宾肆意破坏,登陆造成严重破坏,总计导致两百多人死亡,损失可达500亿元;1909号强台风“利奇马”直接造成1 402.4万人受灾,1.6万间房屋倒塌,13.4万间建筑物受到不同程度的损坏,造成的经济损失可达530余亿元;可见台风的破坏性极强,所造成的巨大损失也是骇人听闻的。

台风所带来的损失十分巨大,为减少强台风对建筑物的损害、消除其对人们的威胁,有关于台风风场的问题亟待解决,特别是复杂地形的风环境,对台风风场特性的研究一直以来各国学者都在不断探索,了解风场的特性,为建筑结构抗风设计提供参考。准确掌握台风特性是作为研究超高层减灾、大跨度桥梁等风敏感结构抗风减灾设计、城市规划及风资源利用的基础[2]。现行《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[3]和主要研究方式是针对平稳良态风场,且并未给出明确的台风设计风参数选值,理论分析和实际难免出现较大偏差。在目前已有的复杂城市地形风场特性研究多是针对良态风场下的评估,但是对极端恶劣风场如台风作用下的城市地形风场研究却很少,对诸多台风多发城市地区建筑物的结构抗风设计带来挑战。

研究台风风场特性具有重要意义,对台风风场特性实测研究与数值模拟分析,了解复杂风场的特性,建立合适的台风参数模型,对建筑结构抗风设计具有重要的指导意义,在工程应用方面也有重大的应用价值。鉴于此,对近年来台风风特性实测和数值模拟研究发展进行归纳总结,在此基础上提出存在的不足之处和对未来研究的方向进行展望并提出相应建议。

1 中外研究现状

1.1 风场实测研究

现场实测是研究结构风效应最直接、最可靠的方式,日益成为结构抗风领域十分重要的基础性和长期性的方向[1]。外国很早便开始对台风风场展开实测研究,发展相对成熟并积累了大量的实测数据资料,其中许多研究成果已经作为参考并应用于指导工程实际[4]。对风场实测的研究一般可有超高层建筑风场实测、近地风场实测、大跨径桥梁实测分析等。

1.1.1 超高层建筑风场实测

风场实测一直以来都是结构抗风实测领域的十分最重要的基础性研究工作,中国在21世纪初期便有许多有关超高层建筑的实测研究。Li等[5]、Fu等[6]对中国东南沿海地区多栋超高层建筑进行观测研究,获得大量的实测数据,丰富了超高层建筑的台风风场特性、结构的阻尼比特性和风致响应特征等成果。史文海等[7]对厦门沿海某超高层建筑的风场和建筑表面风压进行同步监测,系统分析在台风“鲇鱼”作用过程中的平均风速、紊流度、阵风因子和脉动风功率谱随时间的变化历程。Quan等[8]对上海环球金融中心顶楼风速和风致响应的现场测量,基于Hilbert-Huang变换方法和随机减量方法确定建筑物的基本固有频率和结构阻尼比。胡佳星等[9]对某高层塔楼在2014—2017年在台风影响下的楼顶风场和动力响应进行同步监测,获得大量台风作用下实测数据,为台风多发地区的高层建筑结构设计提供宝贵参考数据。随着超高层建筑的兴建,特别是在沿海台风多发地区,结构抗风设计的必要性逐渐凸显,结构检测手段的进步积累了大量原型建筑的实测数据。Zhang等[10]对某超高层建筑现场实测,了解台风对超高层建筑产生的风压,并对建筑模型进行同压力测量的风洞试验,为超高层建筑抗风设计提供参考。段静等[11]对在超强台风“山竹”影响下珠三角地区数栋超高层建筑的风致响应实测结果进行分析和总结,并进行风洞试验对观测数据修正,对不同超高层建筑风振响应进行对比分析,验证风洞试验的可靠性,结果表明,良好的气动外形以及合理的建筑朝向是超高层建筑抗风性能的关键因素。越来越多超高层建筑随着经济的发展建成,结构设计高度的提高同时伴随着高强度材料的使用,高楼低阻尼、高柔性的特点导致风振响应愈发强烈,强风作用下的结构风荷载成为超高层建筑的设计必不可少的因素[12]。

综上可知,目前已有大量对于超高层建筑的观测数据,对于超高层建筑结构抗风的研究通常采用风场实测的方式,实地观测风场结构风效应最准确直接可靠的方式,此方式也适用于大多数的风场特性研究。有时还需要由同压力测量的风洞实验来验证结合实测结果对观测结果进行修正,对比分析验证风洞试验的可靠性。但风场实测研究也有局限性:需要大量时间准备安装测量设备,也难以在更大的区域进行准确的实测研究。

1.1.2 近地风场实测

科学描述强风(台风)下边界层高度范围内的风场特征(包括平均风速剖面、湍流强度剖面、脉动风速功率谱密度和湍流积分尺度剖面等),对评估风效应和风敏感结构抗风设计具有重要意义[13]。近地台风实测可依靠地面大量工作站获取低空台风数据,较超高层建筑实测更容易获取数据且更加可靠,更能准确反应边界湍流风场特性。近地台风对高层建筑、大跨度结构影响也更为明显,台风风速快、湍流度大,其非对称性结构较良态风场有较大区别且所造成的破坏也更大。Shiau等[14]采用超声波风速计对台湾岛东北近海岸的风湍流特性和风速谱进行固定观测,观测结果表明,缩放纵向风速谱与Von Karman谱近似吻合,验证横向和垂向风速谱结果近似与对各同向湍流谱方程的预测。近地风场更加贴近地面,对低矮房屋抗风结构设计更具有挑战,许多研究积累了大量宝贵实测数据[15-17]。李秋胜等[18]通过建立在强台风“黑格比”登陆地点的低矮房屋原型实测房,对强台风“黑格比”登陆进行全过程的数值监测,并测得大量近地风场房屋表面风压的实际数值,对实测平均和最大风速、湍流度、阵风因子等进行比较分析,为低矮楼房的抗风性架构提供设计参考。胡尚瑜等[19]在此基础上研制可移动平坡屋面实验房风压及台风风场现场实测系统研究低矮房屋风荷载的分布规律。李波等[20]在台风“苏力”的近地脉动风场数据的基础上对台风的湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱等进行分析,结果表明,台风风场的湍流积分尺度有较大的离散性且与平均风速、湍流强度无强相关性。王旭等[21]、Wang等[22]在对台风近地风场的研究中也有类似的结果。胡尚瑜等[23]对近海岸的近海面地貌5个不同高度的风速数据实测,采用Bootstrap统计分析近地层风剖面、湍流强度剖面、湍流参数等特征,研究表明近地边界层的平均风剖面符合指数律或对数律,近地平均湍流度剖面符合指数律,台风场相比季风场阵风因子较规范推算值要更大。姚博等[24]用多普勒激光测风雷达观测台风数据,指出台风结构中不同位置风场特性存在明显差异,给出阵风因子和湍流度的拟合关系式且与实测结果接近。基于观测塔在台风期间所获得的实测风速记录,谢壮宁等[13]讨论了脉动风速功率谱沿高度的分布规律并对比规范尝试对风场特性剖面进行参数拟合。Fang等[25]根据多次台风的实测风速数据,对台风边界层近地面的阵风特性进行定量化分析,如湍流强度、阵风因子等,对于建筑结构的抗风设计具有重要意义。李东亮等[26]对不同高度输电杆处台风实测数据进行比较分析,探究粗糙度、摩擦速度与平均速度和高度之间的关系,其结果再次验证平均速度随高度变化的指数率和对数率模型较吻合,最后还拟合出三向湍流剖面表达式和阵风因子的经验表达式。

综上所述,近地台风风速快、湍流度也更大相比良态风场其复杂度更高,破坏性也更强。通过测风仪器或建立实测房屋监测近地风场的风速实测数据,分析平均风速剖面、湍流强度剖面、脉动风速功率谱密度和湍流积分尺度剖面等风特性。相比于对超高层建筑开展风场实测近地风场实测研究在获取测风数据方面更为容易并且数据结果更为可靠。但近地实测方式还是难以全方位把控全流场的风场特性。

1.1.3 大跨径桥梁实测分析

桥梁作为联系两岸、跨越江河山谷的重要交通线,特别是如今大跨桥梁的兴建,对人们生活起着愈发重要的作用。大跨度桥梁受强风影响更明显,观测桥址处的风的特性以及风致桥梁振动的特征和主要参数,对桥梁设计和评估具有重要意义。为解决山区桥梁建设的难题,张玥等[27]在禹门口黄河斜拉桥设立了观测站,并开发了桥梁风场特性分析系统,对桥址脉动风场进行分析。庞加斌等[28]着重分析了桥址风环境的湍流特征。朱乐东等[29]利用相控阵声雷达风廓线仪对坝陵河大桥桥址处深切峡谷中风剖面进行观测,发现深峡谷风场湍流的随机分布特征,竖向剖面不满足对数或指数分布。黄国庆等[30]利用自主研发的无线传输高频风速仪数据采集系统对普立特大桥桥址风场进行测量,分析桥址风场的特征,并讨论了顺风脉动风的非平稳、非高斯特性。何旭辉等[31]根据风速风向监测子系统对南广铁路肇庆西江大桥的风速监测数据,讨论了台风作用下桥址的平均风速、风向和脉动参数。风速测量设备和检测设备的升级对更准确地了解桥址的风场特征有很大的帮助。王浩等[32]基于苏通大桥在台风期间实测风数据,重点研究非定常风场特性,详细分析了桥址处的风特性,以及该区域大跨度柔性桥梁等风敏感结构的抗风设计。王旭等[33]以广东某大跨度桥梁工程为背景,通过桥上的超声波风速仪记录台风登陆过程的风速时程数据,分析研究台风的平均风速、风向角、湍流强度、阵风因子、峰值因子等风特性参数,补充台风数据库,为桥梁结构抗风提供参考。

目前对大跨径桥梁实测研究在国内外有许多实测资料,但在沿海台风多发地区,对桥址风环境的研究还不够,仍需补充大量台风实测数据。

结合近二十年来中外研究可知,已有大量学者通过现场实测针对不同地区的台风特性进行研究取得许多有价值的研究成果,由于现场实测周期较长、实测条件的限制,只能设置较少点位获得台风数据,难以根据有限点位实测数据进行深入研究。当前对于台风风场实测的研究还处于探索累积的阶段,从已有的研究成果可以看出,仍有许多地方有待完善,如在对于台风风场特征参数、风场的平稳性及非平稳性、空间关联性等问题上仍需要大量的数据支持,特别是在台风多发地区建筑物结构、典型的城市地形风场更需要补充台风数据。

1.2 数值模拟研究

当前有不少学者通常采用现场实测或者风洞试验等方法来研究复杂风场风特性,但由于其复杂性和技术限制,这两种方式在实际应用中仍然存在不少问题。因此,越来越多的学者采用基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的数值模拟方法,数值模拟的方式具有方便快捷、全方位精确模拟流域风场的优点;随着计算机的飞速发展,CFD的数值模拟正逐步成为研究计算风荷载和复杂风场风环境的主要方法之一。

1.2.1 CFD数值模拟

CFD的数值模拟方法有三类,分别为直接数值模拟(direct numerical simulation, DNS)、雷诺平均(Reynolds averaged Navier-Stokes, RANS)和大涡模拟(large eddy simulation, LES)。基于湍流中各尺度涡的计算精度和控制方程采用不同的处理方式。直接数值模拟是直接模拟流动的控制方程,而不需建立湍流模型,但由于湍流的多尺度性和不规则性,需要较高时-空分辨率,导致计算量和耗时巨大,且对计算机性能要求较高,因此被广泛用于计算简单的湍流运动。与直接模拟方法相比,雷诺平均方法和大涡模拟方法是计算风工程的两种主要解决方法。大涡模拟方法是NS(Navier-Stokes)方程的一种滤波,小于滤波尺度的湍流由模型描述。雷诺平均法是对NS方程进行(时间)平均,将非定常湍流问题转化为定常湍流问题。Holgate等[34]针对模拟湍流可能涉及的高雷诺数和几何复杂性从而导致高昂的计算成本,开发出一种混合RANS-LES方法以平衡计算成本和准确性之间的关系。Zhang等[35]为研究大型风电场垂直交错的影响,采用大涡模拟的方式对规则常规布置的大型风电厂进行数值模拟分析。其中大涡模拟是一种直接模拟大于网格尺度的湍流脉动的非定常模拟方法,而小于网格尺度的湍流脉动则由亚网格模型描述。LES是一种综合方法,大涡模拟是一种兼顾求解精度和效率的统筹兼顾的方法[36]。

1.2.2 LES大涡模拟

大涡模拟在数值计算结构抗风中成为主要选择[37-38]。王婷婷等[39]对不同地貌的大气边界层进行LES数值模拟分析,验证其数值模拟在风场特性实验研究中的可行性,并为后续进行结构绕流的大涡模拟提供可行的来流生成方法。Luo等[40]开发了一种用于生成LES流入数据的多尺度合成涡流方法,其在壁边界流动的研究中显示出巨大的前景。Ren等[41]通过数值模拟全尺度复杂地形下的风场特征,建立丰富的风场数据库并提出空间风场预测模型。靖洪淼等[42]为解决雷诺数与实际差距大的问题,提出了改进的山区峡谷风场特性数值模拟方法,有效提高了模拟精度。针对大风灾害,周晓鸥等[43]采用三维大涡模式OpenFOAM分析复杂微环境地形条件下风场的变化规律且有不错的结果。郑德乾等[44]基于空间平均的大涡模拟方法,对不同坡度对山丘地形风场特性的影响进行了非定常绕流数值模拟研究,对比试验结果验证了模拟方式的有效性。在基于大涡模拟对某山区桥址脉动风环境的研究中,Xing等[45]研究证明,LES方法比雷诺平均方法更准确,且具有足够的网格数和足够短的时间步长。李威霖等[46]采用大涡模拟实现评估强风对大跨径桥梁的作用,应用一种新的规则化波矢量随机流生成方法PRFG3(prescribed-wave-vec-tor random flow generator 3)来提高其准确性。

总之,LES在数值模拟研究中的可行性得到了验证,相比于雷诺平均法更为准确。随着计算机的迭代发展以及数值模拟技术的进步,大涡模拟越来越多地被应用于结构计算风工程领域的研究。

1.2.3 WRF模式

相比于中小尺度的大涡模拟,基于WRF(weather research and forecast)天气预报模式的中尺度数值模拟,成为近些年的热点。WRF是目前比较先进的中尺度天气研究与预报系统。20世纪90年代后半期,美国环境预测中心、美国国家大气研究中心等美国的科研机构为中心联合高等院校开始开发的一种统一气象模式,于2000年正式推出。该模型的开源代码可以为天气预报、区域天气模拟、理想天气研究等提供一个通用的模型框架[47-48]。王晓君等[49]总结WRF模式10多年来在中国应用和发展,阐明WRF模式在中尺度模拟中的普适性和优越性,WRF模式在未来有很大的前景。Tse等[50]通过WFR模式再现台风风神2008年登陆香港特别行政区的过程,基于模拟数据与风洞试验结果进行对比,指出相对粗糙的地形模型会导致近地面风场模拟的不准确。基于中尺度数值预报模式WRF,钟茜等[51]采用7种参数化方案演变风场变化过程,表明WRF模拟受地形影响大,相比于参数风场粗糙度更大,风速等值线基本吻合,次年再次深入研究引入最大风速半径的非对称特性[52],定义了非对称系数来描述最大风速半径的非对称性。王义凡[53]基于WRF模式下不同网格精度和微物理方案,模拟西太平洋上次历史上三次超强台风登陆过程,并对比实测数据给出了最精确的模拟结果。WRF模式逐渐成为研究台风风场数值模拟的一种有效方法,李心雨等[54]基于中尺度WRF模式及两种经验模型重构超强台风“山竹”登陆过程中气压和矢量场,对比3处实测数据,验证了3种方案的可行性,明确表示优化参数还可以提高WRF模式的精确度,WRF模式在未来有着巨大的前景。

综上,WRF模式成为近些年来研究的热点,相比于大涡模拟WRF模式更适用于中尺度的数值模拟,其方式的普适性和优越性得到不少学者的认可,并且通过参数优化其精确性还能提高,有着很大的应用前景。

1.2.4 多尺度耦合数值模拟

多尺度耦合数值模拟同样也是近年来的研究热点,特别是在复杂地形风场的研究领域。张少济等[55]构建6层嵌套的WRF-LES模型对某电厂区域进行多尺度耦合数值模拟,对比分析平均风速、温度、压强等参数,结果表明,小尺度LES模拟更能对地形精细化模拟。孙学金等[56]对某湖岸近地风场做数值模拟研究验证了WRF-LES模式相比于单一中尺度气象模式更能描述脉动风场的特性,多尺度耦合数值模式更具高准确性。黄铭枫等[57]基于WRF-LES模式重现台风“灿鸿”的中小尺度发展演化过程,以多项式插值方式解决疏网格向密网格背景风场要素降尺度耦合问题以达到精细化处理,在重现过程中得到很好的效果。董浩天等[58]以多尺度耦合的方式对沿海复杂地形精细化研究,再现台风启德路经过程,主要研究了台风路径、近地风速时程和风剖面等,所得结果与实测数据比较吻合。

综上可知,多尺度耦合数值模拟相较于单一中尺度或小尺度模拟,在复杂精细化地形精细化模拟方面有更好的表现,在某些台风过境地域风场有更好的描述,可为建筑结构设计、建筑结构选址等提供很好的参考。

1.2.5 复杂(城市)地形数值模拟

数值模拟已经在对城市污染物扩散、城市小气候、风能评估、行人风环境以及城市地形复杂风场特性的相关研究上得到了应用[59-62]。日本早在十多年前便已经开始对城市风环境的数值模拟研究,并制定相关的城市风环境CFD数值模拟规范,对其计算域、地形简化、网格划分及算法等做出明确规定[62]。

Liu等[63]通过评估3种湍流模型SRANS(steady Reynolds averaged Navier-Stokes)、LES和DDES(delayed detached-eddy simulation)在模拟孤立高层建筑周围的室外风流模式时的计算时间要求和性能,分析上述方法在城市地形风场研究的适用范围。针对不同城市地形,方平治等[64]对城市群体建筑风环境做了相关研究。符兴源等[65]对城市高层建筑植被做了相关风环境优化设计。Wen等[66]对城区的污染扩散和自然风场展开了数值模拟研究,并引入半经验分析模型,表明合理的城市布局有助于风场优化和空气质量提升。卢春玲等[67]采用大涡模拟的数值模拟方法对建筑群及地面人行风环境进行评估。任兰红等[68]通过对研究区的风环境进行数值模拟得到风速指数,通过分析得到基于城市空间形态的平均风速比模型,分析整个研究区及主要街道的风环境分布特征及影响因素,提出了高密度区域风环境的改善策略。Zhang等[69]首次将WRF-UCM模型应用于台风时的城市风场预测,得到了与实测接近的风速数值预测结果,对中间比例模型得到的风速场进行统计分析处理,得到不同时间段的风速剖面结果,通过LES法的入口风速驱动CFD模型进行计算,提高数值计算的精度。数值模拟的研究很早就已经开始,跟随硬件设施的快速发展,数值模拟研究方法方式也在更迭,研究方向也慢慢偏向于复杂风场。

尽管CFD数值模拟技术在其应用上显现出了诸多优势,但复杂风场的数值模拟的精准性和科学可靠性还需要以大量的实测台风数据来作为支撑。Bechmann等[70]、Berg等[71]和Diebold等[72]通过实测设备记录了在2007—2008年中3个月的风场实测数据,并在此基础上系统性地对比验证了RANS和LES模拟,得到LES模型在加速比误差上比RANS模型偏大的结果。Xing等[45]在对山区脉动风环境的大涡模拟实验时验证了LES模拟脉动风的可行性并发现与雷诺平均法相比,LES方法对脉动风的模拟效果更好,而且雷诺平均法和大涡模拟法均能较好地模拟平均风场特性。陈晛等[73]基于当地气候统计资料,通过数值模拟和统计从静风、主导风与海陆风3个方面研究城市风场的时空分布基本规律,初步了解城市海域风场基本特性。综上,城市地形风场的数值模拟仍需要基于实测数据来指导模型建立,并验证模型的可行性,进一步提高计算模型的精准度。

1.2.6 台风参数模型

台风气压场是影响风场数值模拟精度的重要因素。台风气压风场的数学模型主要分为理论模型、经验模型和半理论半经验模型。理论模型的代表有高桥浩一郎[74]、Fujita[75]、Myers[76]、Jelesnianski[77],均属于圆对称气压模型,便于计算但局限性较大,难以准确描述复杂台风气压场。通过系数调整气压剖面函数形式,Holland[78]建立的模型,属于经验模型,相比于简单的理论模型该经验模型能较好的对台风风场进行客观描述,但其经验系数难以确定。盛立芳等[79]的椭圆气压模型属于半理论半经验模型,基于台风气压场的不对称性,提出一种新的台风风场模型来模拟不同强度和半径的海面风场。张余得等[80]将Jelesnianski圆对称台风风场模型与实测风场进行比较,但发现两者仍存在较大偏差;在此模型的基础上,考虑台风中心静风区半径,采用3种不同的衰减系数进行修正,结果与实测结果吻合较好。张亮等[81]通过对比分析经典藤田风场、内部藤田风场和外部高桥风场、修正外部藤田风场、Jelesnianski风场和Holland风场沿径向的气压、气压梯度力和风速分布剖面,发现5种模型的最大气压梯度力和最大风速并不出现在同一位置。张泽方等[82]基于Ueno台风风场模型和改进的藤田公式总结南海风的特征,并引入修正系数和台风后数据。陈橙等[83]将Myers的圆对称风场模型与Miyazaki的移动风场相结合,建立了符合北半球风场特征的风场模型。通过对比实际案例及大量观测数据,刘小璐等[84]对参数化台风模型的模拟结果与实际相差不大,能很好模拟出台风登陆过程中风速时程变化。Wei等[85]针对参数化风场建模的关键参数最大风速半径(Rmax)和气压剖面参数(B),总结不同海域的Rmax和B模型,并引入台风三维风场模型对中国沿海城市开展台风随机模拟,其结果在预测台风极值风速更为合理,搭配特定风场模型和路径集可达到更高精度的预测。

传统的台风数值模拟WRF模式,计算量大,数值模拟周期长;而半理论半经验的风场模型和参数化台风风场模型计算相比于前者有更高的精度,而且计算也方便许多,相关半理论半经验模型还有Yang Meng风场、Shapiro风场、CE风场、Batts风场等。孔莉莎等[86-87]利用YM风场模型模拟中国近海岸台风风场和重建西太平洋历史风场。刘涛等[88]对比多种台风气压分布模型并通过误差对比得到适配模型针对不同风场有更好的效果。因此,建立适配台风数学分析模型能减少大量计算工作、提高计算的精确度和效率。

由于现场实测的不可控性,实际运用难免会有很多问题,近些年来许多学者也开始用数值模拟来对风场特性研究。随着计算机的更迭和技术的不断更新产生多种模拟方式或多种模拟方法相结合的形式针对不同的风场特性的研究。目前从中外的相关研究上来看,大部分针对复杂城市风场特性的相关研究多集中在基于城市平稳风场做假设,但实际对复杂风场如对台风作用下的城市地形风场特性及数值模拟的研究仍旧缺乏。已有参数模型难以把握台风作用下复杂多变的风环境,需结合现场实测和数值模拟,总结风场特性,针对复杂地形风场建立适配的台风数学分析模型,得到合适的结构设计风参数选值方法。

2 存在的不足

综上所述,中外在风场实测和数值模拟研究方面均有很多进展。然而在针对沿海等台风多发地区、针对非平稳风场如复杂的城市地形风场的研究仍存在如下不足之处。

(1)相关现场实测的研究有限,在对于台风风场特征参数、风场的平稳性及非平稳性、空间关联性等问题上仍需要大量的数据支持,尤其台风多发的地区建筑物结构、典型的城市地形风场更需要补充台风数据。

(2)现场实测周期较长、实测条件的限制,只能设置较少点位获得台风数据,难以开展大范围实测研究、难以根据有限点位实测数据进行深入研究。

(3)在数值模拟方面已有模型难以对复杂多变的台风风环境分析,针对不同地理环境风场还需要补充或修正不同的参数模型,由于台风非平稳性和地域性差异复杂城市地形更需要适配的台风数学分析模型。

3 结论与展望

现场实测和数值模拟作为研究风场特性的重要方法,经过长时间的实践与应用,其可靠性和实用性得到验证。针对目前研究的问题采用现场实测、数值模拟和理论分析相结合的方式,对沿海台风多发地区及复杂城市地形风场风特性、结构抗风措施、系统的研究具有重要理论和工程意义。

(1)针对台风多发的地区建筑物结构、典型的城市地形风场补充台风数据,填补台风风场特征参数、风场的平稳性及非平稳性、空间关联性等问题上研究。

(2)针对现场实测研究的种种局限性,以及保证数值模拟分析的严谨准确性,通过运用现场实测及CFD数值模拟两种方式的并行,发展能有效研究台风作用下城市地形典型复杂风场的数值模拟技术,探究台风作用和城市地形共同影响下的风场特性,并且建立典型的数学分析模型和适配的场地设计风参数选值方法,为受灾严重地区建筑结构物抗风减灾设计提供参考。

(3)其次在复杂风场研究背景下,由于种种技术或实际的限制,现场实测难以在复杂风环境准确实现,数值模拟的风场全尺度、全流域模拟的优势尽显;能在获得大量台风数据的基础上,分析复杂风场特性,建立适配台风数学分析模型,找到合适的设计风参数值方法则成为未来结构抗风设计发展的关键。