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广东沿海地区分布着数量众多、类型各异的电力工程及设施(核电厂、火电厂、陆上风电场、海上风电场、变电站与架空输电线路等)。登陆台风对上述电力工程及设施的影响不容忽视。根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)、《核电厂工程气象技术规范》(GB/T 50674—2013)、《电力工程期限勘测技术规程》(DL/T 5158—2012)等相关规程规范，电力工程的设计风速为离地10 m高10 min平均风速，核电厂还需进一步计算3 s风速。但目前国内外各气象机构所发布的台风风速时距并不统一，如美国联合台风预警中心(JTWC)采用的是1 min平均风速，中国气象局(CMA)采用的是2 min平均风速，日本气象厅(JMA)和香港天文台(HKO)则采用10 min平均风速。因此，建立台风风速的不同时距换算关系，正确评价与复核设计风速取值，对电力行业勘察设计、工程建设以及防灾减灾均具有现实意义。
不同时距风速的换算关系主要通过阵风系数实现。就研究历程而言，早在1960年，Durst对不同时距的风速换算因子开展研究[1]，所形成的成果配合美国建筑荷载规范ASCE 7一直应用至今。Krayer和Marshall根据地面自动气象站和浮标观测资料，对4次飓风过程的阵风系数进行统计，成果显示台风影响下的阵风系数更高[2]。上世纪80～90年代，美国、日本、澳大利亚等国的学者利用机场、海岛、石油钻井平台、海上浮标等多种观测资料，对大西洋飓风、西北太平洋台风以及南太平洋热带风暴等不同个例的阵风系数开展了相关研究[3,4,5,6,7,8,9]。进入本世纪后，世界气象组织(WMO)在其关于台风不同时距风速换算导则中[10]对上述研究成果进行汇总，提出了In-Land(陆上平坦开阔环境)、Off-Land(海陆交界受离岸风影响区域)、Off-Sea(海陆交界受向岸风影响区域)、At-Sea(离海岸线20 km以外的海面环境)等4种不同环境的阵风系数推荐值。
国内的相关研究工作起步于本世纪初，依托于沿海港口、桥梁、核电、高层建筑等工程的前期环境调查，以及专项的台风观测研究，开展了江苏、福建、广东、海南等地的阵风系数研究[11,12,13,14,15,16]，但研究成果往往仅反映单次或若干次登陆台风个例，代表性有限。为了获取更具普遍意义的阵风系数，本文将利用珠江三角洲沿海地区的海岛气象站长年代的登陆台风资料，提出台风条件下的风速换算关系，并对WMO推荐值在该地区的适用性给出评价。
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气象站资料来自HKO下属的横澜岛气象站。横澜岛位于香港蒲台群岛最东端，距离香港本岛约5 km，周边环境稳定少变，测风环境优异(如图1所示)。横澜岛气象站建于1952年，自建成后从未迁站；测风点位于全岛最高处，地面海拔56 m。该站持续利用自记仪器测风，积累了历史上多次台风过程中的实测风速记录，是整个珠三角近海台风特性研究不可或缺的重要参考站。本文选用该站1991～2009年的风速(3 s、10 min、1 h平均)与风向观测记录进行分析。
图 1 横澜岛气象站的测风环境
Figure 1. Observation environment of Waglan Island meteorological stations
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台风路径资料来自中国气象局上海台风研究所整编的西北太平洋热带气旋最佳路径数据集[17](CMA-BST)。现行版本的CMA-BST数据集提供1949年以来西北太平洋(含南海，赤道以北，东经180°以西)海域热带气旋每6 h的中心位置和强度；其中，位置由地理纬度和地理经度表示，精度均为0.1°，所选用的资料年限与气象站资料相同。
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用于分析的台风个例样本按如下条件进行筛选：(1)台风中心距离横澜岛100 km以内；(2)气象站实测10 min风速超过8级(17.2 m/s)，台风影响期间的最大风速超过10级(24.5 m/s)；(3)气象站实测风向变幅超过150°。在与横澜岛气象站资料同期的时段内，共筛选出14个台风个例，如表1所示。在满足上述条件的台风个例影响期间，横澜岛站的风速可以被认为受到台风中心附近环流控制，具有台风期间的强风代表性。需要注意的是，上述个例的风速记录全部订正至离地10 m高度。
表 1 台风样本个例说明
Table 1.
Introduction to tropical cyclone samples 编号 名字 登陆强度 登陆时间 登陆地 9108 BRENDAN 台风 1991.7.24 珠海 9206 FAYE 热带风暴 1992.7.18 珠海 9316 BECKY 台风 1993.9.17 台山-斗门 9505 HELEN 强热带风暴 1995.8.12 惠阳 9710 VICTOR 强热带风暴 1997.8.2 香港 9908 SAM 强热带风暴 1999.8.22 深圳 9910 YORK 强热带风暴 1999.9.16 香港 0104 尤特 强热带风暴 2001.7.6 海丰-惠东 0313 杜鹃 台风 2003.9.2 惠东 0409 圆规 热带风暴 2004.7.16 香港 0707 帕布 热带风暴 2007.8.10 香港 0806 风神 热带风暴 2008.6.25 深圳 0812 鹦鹉 强热带风暴 2008.8.22 香港 0906 莫拉菲 台风 2009.7.19 深圳 -
根据WMO的定义，阵风系数(gust factor，G)是考虑在一个较长的时距T0内，持续时间达到τ的阵风风速与整个T0的平均风速的比值，其表达式为：
式中：G(τ，T0)表示时距在τ与T0之间的阵风系数；Vτ与VT0分别为阵风风速与平均风速；gτ，T0为峰度因子；I为湍流强度。
在本文的计算中，根据横澜岛站的风速资料时距分类(3 s、600 s、1 h平均)，以小时平均风速V1 h为基底，统计G(3 s，1 h)和G(600 s，1 h)；G(3 s，600 s)可进一步表示为：
另外，已有研究显示，对于海面或吹向岸风的地带，G(τ，T0)与log(τ)之间通常具有线性关系，因此G(120 s，1 h)可进一步表示为：
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图2显示了所有台风个例中G(3 s，1 h)和G(600 s，1 h)与小时平均风速V1 h之间的对应关系。由图可知，随着V1 h增大，G(3 s，1 h)和G(600 s，1 h)均呈现出减小趋势，散点分布趋向于集中；并且随着V1 h进一步增大，G(3 s，1 h)和G(600 s，1 h)的变化趋势消失，只在一定区间内波动。值得注意的是，湍流强度I随平均风速的变化也有类似现象。根据阵风系数的表达式，G(τ，T0)与I在物理机制上联系紧密，说明上述现象实质反映出阵风脉动特性随平均风速的普遍变化规律。
图 2 阵风系数与小时平均风速关系散点图
Figure 2. Scatter plot for gust factor versus one hour averaged wind speed
而根据表2的统计结果，在8级风速以上，G(600 s，1 h)的各项统计指标基本趋于稳定；在10级风速以上，G(3 s，1 h)的各统计指标基本趋于稳定。
表 2 阵风系数随平均风速的变化说明
Table 2.
Function of one hour averaged wind speed to gust factor 小时平均风速/(m·s-1) G(3 s，1 h) G(600 s，1 h) 样本数目 平均值 标准差 变化范围 样本数目 平均值 标准差 变化范围 <5 49 1.88 0.59 1.16～4.20 49 1.28 0.19 1.02～1.85 5～10 147 1.61 0.42 1.21～3.67 153 1.15 0.12 1.01～1.80 10～15 155 1.53 0.23 1.13～2.57 162 1.13 0.10 1.01～1.61 15～20 122 1.46 0.17 1.19～2.04 124 1.10 0.05 1.02～1.25 20～25 95 1.46 0.19 1.22～2.65 96 1.08 0.05 1.01～1.27 25～30 28 1.41 0.15 1.22～1.92 29 1.08 0.06 1.02～1.32 30～35 6 1.46 0.18 1.25～1.72 6 1.05 0.02 1.03～1.10 35～40 4 1.45 0.16 1.35～1.69 4 1.10 0.06 1.05～1.19 ALL 607 1.54 0.33 1.14～4.20 624 1.13 0.11 1.01～1.85 由表所示，对于G(600 s，1 h)而言，相应的均值分别为1.09和1.08，较全风速段均值下降4%；标准差为0.05，较全风速段标准差下降超50%。对于G(3 s，1 h)而言，8级风速与10级风速以上的均值分别为1.45和1.42，较全风速段均值下降6%～8%；标准差分别为0.18和0.15，较全风速段标准差下近一半。说明G(3 s，1 h)比G(600 s，1 h)对V1 h变化的响应更显著，G(3 s，1 h)在整体上大于G(600 s，1 h)。
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图3进一步显示了所有台风个例8级风速以上时段内，G(3 s，1 h)和G(600 s，1 h)与平均风向的对应关系。由图可知，G(3 s，1 h)中的较大值基本落于330～360°风向扇区内，出现比例远高于其他扇区；330～360°扇区内的均值达到1.61，比全风向均值高11%。G(600 s，1 h)也有类似现象，但相应的风向扇区为300～330°，均值达到1.14，比全风向均值高5%。
图 3 阵风系数与平均风向关系散点图
Figure 3. Scatter plot for gust factor versus mean wind direction
上述情况实际反映了地表粗糙度对阵风系数的影响。结合图1可知，香港本岛位于横澜岛的西北侧，地表类型为山地，而其他方位均为零星岛屿或海面。则对于横澜岛而言，300～360°方位内的地表粗糙度显著大于其他方位，因此当气流途经上述区域到达横澜岛时，由于气流扰动加剧，湍流强度I升高，导致阵风系数的增大。而其他方位内的来流由于受到海面影响，气流扰动较小，湍流强度I较低，阵风系数则保持稳定。
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为了考察台风路径对阵风系数统计结果的影响，在表1所示的台风个例中进一步挑选9108号、9316号和9910号形成“西登”(在珠江口以西登陆)集合，9908号、0313号和0906号形成“东登”(在珠江口以东登陆)集合，分别记为G1和G2。对于G1，随着台风中心持续移动，横澜岛的风向转变历程可大致归纳为N→E→S、SW。而对于G2，横澜岛的风向转变历程可大致归纳为NNW→W→S、SE。
图4显示了G1和G2的阵风系数统计特征值的对比。由图可知，无论G(3 s，1 h)还是G(600 s，1 h)，在G1和G2中的下四分位数、中位数、上四分位数均非常接近，最小值和最大值的差异也不明显。可以说阵风系数对“东登”或“西登”的台风路径变化不敏感。
图 4 阵风系数与台风路径关系
Figure 4. Comparison of gust factor under different typhoon track
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结合3.1节至3.3节的分析，台风个例中的阵风系数对平均风速、风向的变化较为敏感，而对台风路径的变化不敏感。上述敏感因素通过湍流强度和峰度因子等阵风脉动特性参量对阵风系数产生影响。对于台风强风影响期间(8级风速以上)，本文的统计结果显示，G(3 s，1 h)和G(600 s，1 h)统计值为1.45和1.09，进一步利用2.2节中的线性关系式推算得到G(600 s，1 h)统计值为1.20，G(3 s，600 s)和G(120 s，600 s)也可通过上述取值构建比例关系推算而得，分别为1.33和1.11。
表3列出了本文所取得的成果与已有研究成果的对比。由表可知，在WMO所定义的4种环境中，本文与针对Off-Sea(海陆交界受向岸风影响区域)的研究成果更为接近。而3.2小节的分析也显示，横澜岛气象站在大部分风向扇区的气流性质更接近于向岸风。另一方面，实际工作中通常需要将气象局发布的台风风速(2 min平均)，特别是台风中心登陆时的最大风速(2 min平均)换算成10 min平均风速，用于评估工程的抗风能力以及设计风速取值的保守性。对比来看，Off-Sea对于上述情形的描述更为合适。综合来看，本文归纳的阵风系数取值运用在台风条件下的不同时距风速换算具有合理性。
表 3 阵风系数成果对比表
Table 3.
List of different gust factor research results 来源 G(3 s，1 h) G(600 s，1 h) G(120 s，1 h) G(3 s，600 s) G(120 s，600 s) Durst[1] 1.52 1.07 — 1.42 — K&M[2] — — — 1.55 — Black[8]* — — — 1.33 — M&B[4]* 1.45 — — — — M&T[5]* — — — 1.39 — Powell[3]* 1.47 — — 1.40 — V&S[9]* 1.39/1.59 — — — — WMO[10]** 1.45/1.60 1.05/1.06 1.11/1.15 1.38/1.44 1.05/1.09 林雯等[15] 1.43/1.67 1.10/1.13 1.20/1.30 1.34/1.47 1.11/1.15 本研究 1.45 1.09 1.20 1.33 1.11 值得注意的是，就本文结果与WMO推荐成果相比而言，按照以下推算过程：将台风预报或监测报告中的2 min平均风速换算成10 min平均风速，作为平均风速推算成果；再根据需要将10 min平均风速换算成3 s风速，作为阵风风速推算成果。利用WMO推荐值所得到的推算风速更具保守性，对设计风速校核、风险研判、安全性评估与灾后复建等更加有利。
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本文利用香港横澜岛气象站1991～2009年间共计14次登陆热带气旋影响期间的3 s、10 min、1 h平均风速资料，统计了3 s与1 h平均风速，以及10 min平均与1 h平均风速之间的阵风系数取值，并分析了上述阵风系数随平均风速、风向以及台风路径的变化情况，在此基础上确定了不同时距风速的换算关系。结论如下：
1)阵风系数随平均风速增大而出现减小趋势，散点分布趋于集中；并且当平均风速进一步增大时，阵风系数的变化趋势消失，只在一定区间内波动。3 s与1 h平均风速之间的阵风系数比10 min平均与1 h平均风速之间的阵风系数对平均风速变化的响应更显著。
2)地表粗糙度对阵风系数有显著影响。气流途经山地等高地表粗糙度区域后，阵风系数有所增大，并在整体上高于海面气流的阵风系数。
3)阵风系数对台风路径的变化不敏感。“西登”台风个例与“东登”台风个例中的阵风系数在其统计分布的下四分位数、中位数、上四分位数均非常接近，而最小值和最大值的差异也不明显。
4)本文的阵风系数研究成果与MWO针对Off-Sea环境的阵风系数推荐值差异不大。本文认为WMO推荐值在珠三角沿海地区具有适用性。建议在台风风速换算中使用1.38(3 s与10 min平均)以及1.05(2 min与10 min平均)的阵风系数取值。
Conversion Relationship of Different Time Interval Averaged Wind Speed for Tropical Cyclone in Pearl River Delta Coastal Area
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摘要:
[目的] 为全面了解台风条件下的不同时距风速换算关系，并为珠江三角洲沿海地区各类电力工程的设计风速评价复核提供依据。 [方法] 利用海岛气象站1991—2009年间共计14次登陆热带气旋影响期间的3 s、10 min、1 h平均风速资料，统计了3 s与1 h平均风速，以及10 min平均与1 h平均风速之间的阵风系数，并分析了上述阵风系数随平均风速、风向以及台风路径的变化情况，在此基础上确定了不同时距风速的换算关系。 [结果] 结果表明：阵风系数与平均风速和地表粗糙度关系密切，对台风路径不敏感。阵风系数随平均风速的增大而逐步减小并稳定在一定范围内；离岸风倾向于比向岸风出现更大的阵风系数。 [结论] 研究成果验证了世界气象站组织推荐的阵风系数取值在珠三角沿海地区具备适用性。 Abstract:[Introduction] The paper aims to investigate the conversion relationships of different time interval averaged wind speeds in tropical cyclone and evaluate extreme wind speed of electric projects. [Method] Wind speed records from an island meteorological station in Pearl River Delta during 14 samples from 1991 to 2009 were employed to calculate gust factor between 3 s, 10 min, 1 h wind speed and effects of wind speed, terrain roughness, and typhoon track were analyzed. [Result] Results show that gust factor gradually decreases and approaches to a certain range when corresponding mean wind speed increasing while statistical distribution of gust factor is relatively insensitive to typhoon track. Offshore wind appears higher gust factor than onshore wind with different roughness. [Conclusion] This work supports the availability of recommended values from World Meteorological Organization in Pearl River Delta coastal area. -
Key words:
- tropical cyclone /
- wind speed /
- gust factor
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图 1 横澜岛气象站的测风环境
Fig. 1 Observation environment of Waglan Island meteorological stations
图 2 阵风系数与小时平均风速关系散点图
Fig. 2 Scatter plot for gust factor versus one hour averaged wind speed
表 1 台风样本个例说明
Tab. 1.
Introduction to tropical cyclone samples 编号 名字 登陆强度 登陆时间 登陆地 9108 BRENDAN 台风 1991.7.24 珠海 9206 FAYE 热带风暴 1992.7.18 珠海 9316 BECKY 台风 1993.9.17 台山-斗门 9505 HELEN 强热带风暴 1995.8.12 惠阳 9710 VICTOR 强热带风暴 1997.8.2 香港 9908 SAM 强热带风暴 1999.8.22 深圳 9910 YORK 强热带风暴 1999.9.16 香港 0104 尤特 强热带风暴 2001.7.6 海丰-惠东 0313 杜鹃 台风 2003.9.2 惠东 0409 圆规 热带风暴 2004.7.16 香港 0707 帕布 热带风暴 2007.8.10 香港 0806 风神 热带风暴 2008.6.25 深圳 0812 鹦鹉 强热带风暴 2008.8.22 香港 0906 莫拉菲 台风 2009.7.19 深圳 
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表 2 阵风系数随平均风速的变化说明
Tab. 2.
Function of one hour averaged wind speed to gust factor 小时平均风速/(m·s-1) G(3 s，1 h) G(600 s，1 h) 样本数目 平均值 标准差 变化范围 样本数目 平均值 标准差 变化范围 <5 49 1.88 0.59 1.16～4.20 49 1.28 0.19 1.02～1.85 5～10 147 1.61 0.42 1.21～3.67 153 1.15 0.12 1.01～1.80 10～15 155 1.53 0.23 1.13～2.57 162 1.13 0.10 1.01～1.61 15～20 122 1.46 0.17 1.19～2.04 124 1.10 0.05 1.02～1.25 20～25 95 1.46 0.19 1.22～2.65 96 1.08 0.05 1.01～1.27 25～30 28 1.41 0.15 1.22～1.92 29 1.08 0.06 1.02～1.32 30～35 6 1.46 0.18 1.25～1.72 6 1.05 0.02 1.03～1.10 35～40 4 1.45 0.16 1.35～1.69 4 1.10 0.06 1.05～1.19 ALL 607 1.54 0.33 1.14～4.20 624 1.13 0.11 1.01～1.85
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表 3 阵风系数成果对比表
Tab. 3.
List of different gust factor research results 来源 G(3 s，1 h) G(600 s，1 h) G(120 s，1 h) G(3 s，600 s) G(120 s，600 s) Durst[1] 1.52 1.07 — 1.42 — K&M[2] — — — 1.55 — Black[8]* — — — 1.33 — M&B[4]* 1.45 — — — — M&T[5]* — — — 1.39 — Powell[3]* 1.47 — — 1.40 — V&S[9]* 1.39/1.59 — — — — WMO[10]** 1.45/1.60 1.05/1.06 1.11/1.15 1.38/1.44 1.05/1.09 林雯等[15] 1.43/1.67 1.10/1.13 1.20/1.30 1.34/1.47 1.11/1.15 本研究 1.45 1.09 1.20 1.33 1.11 注：*引自参考文献[10]中附录C，**引自参考文献[10]中表1.1。“/”之前的数据为Off-Sea下垫面，之后的数据为Off-Land下垫面。
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图(4) / 表 (3)
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