2.3 阵风特性

气象上一般用阵风因子（阵风系数）来描述阵风特性。阵风因子一般定义为阵风持续周期（一般3s）内的平均风速最大值与10min时距的水平平均风速之比，而IEC标准中定义的阵风周期是10.5s（1年一遇）和14s（50年一遇）。一般湍流强度越大，阵风系数也越大；阵风持续时间越长，阵风系数越小。

根据一些台风资料数据的统计，其阵风因子甚至有达到2.0或更大的，如1322号台风“圣帕”的平均阵风因子就达2.01，但根据IEC标准中极大运行阵风计算公式计算得到的阵风因子一般在1.8以下。

2.3.1 下垫面对阵风系数的影响

现行的GB50009—2012给出了4类粗糙度条件下离地面5～300m各高度的阵风系数。但近几年对登陆热带气旋实测资料的研究显示，现行规范推荐的关于表征阵风特性的参数并不能完全适用于热带气旋影响的情况，这主要由于热带气旋特有的涡旋结构导致它的湍流运动比常态风况更强，当叠加了不同的下垫面效应之后，其风场特别是湍流运动会产生显著改变。

国内外学者从多个热带气旋个例的实际观测研究中发现，其阵风特性随下垫面粗糙长度的变化而显著改变，甚至台风中心经过前和经过后不同方向来风的阵风系数会因为其经过的下垫面的不同而明显不同。Powell等人在较全面的热带气旋影响下的海洋边界层风廓线测量基础上，建立了美国受热带气旋影响的气象站各方位粗糙度、零平面位移和实况照片等特征资料库，为热带气旋风况的准确判别提供了详细依据；鉴于热带气旋特有的近地层涡旋型风场特点，WMO（国际气象组织）组织专家根据各国获取的热带气旋实测个例（但其中没有涉及中国的观测个例），研究制定热带气旋影响的不同下垫面条件下各种时距风速的转换，该技术文件主要推荐了海上、陆地、离岸和离海等4种下垫面条件下各时距风速之间的转换系数，并特别声明该技术文件还需在取得更多实测数据基础上予以修订和完善。

2011年，宋丽莉和陈雯超等利用强台风“黑格比”过境时3个观测塔实测数据以及1个年度的梯度风实测资料，在分类计算观测塔不同方位的下垫面粗糙长度参数基础上，研究热带气旋强风在不同下垫面的阵风系数变化特征。研究有以下方面发现：

（1）离岸风的阵风系数变动幅度均大于离海风况，并且低层的变幅明显大于高层；强风阵风系数不会随风速大小产生明显的趋势变化，但仍会在某一幅度内波动，下垫面越粗糙，阵风系数波动幅度越大；台风强风在粗糙下垫面产生的阵风系数的较大变幅，显示了粗糙下垫面对台风这种涡旋式气流的动力作用被显著放大，工程设计选取阵风系数时，不宜只对实际观测的强风阵风系数进行简单的数学平均，而应根据工程结构的特点和需要进行更细致的评估和参数选择。

（2）越远离海岸线，离岸与离海两种情况下阵风系数差异越小。即使同一个塔，由于其各方位下垫面的差异将导致其阵风系数产生显著变化，因此对工程应用来说，观测评估出工程所在地最危险的强风方位上的阵风系数是十分必要的，并且下垫面越粗糙，其阵风系数的高度变化也越大。

（3）来自粗糙下垫面的离岸风阵风系数比国际气象组织（World Meteorological Or-ganization, 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。

（4）幂指数律方法对光滑下垫面阵风系数廓线拟合效果很好。

阵风系数随平均风速的增加有减小趋势，当平均风速增大到某一阈值后，阵风系数的趋势变化消失并只在一定的变幅内波动；风速继续增大至某一阈值后阵风系数就会基本保持不变。多个台风观测个例研究发现，下垫面粗糙度和台风强度等因素影响这一阈值的大小。以2011年的某台风为例，如图2-7所示，其中，海岛测风塔80m高阵风系数介于1.069～1.335之间，均值为1.161，中数为1.156，累积频率95%值为1.243，累积频率90%值为1.219。10min平均最大风速31.8m/s对应的阵风系数为1.138；最大阵风系数1.335对应的10min平均最大风速为18.8m/s。10min平均风速超过30m/s时，阵风系数介于1.15～1.2之间；10min平均风速超过20m/s时，阵风系数介于1.10～1.30之间；整个系列的标准偏差为0.044。

由于台风本身的复杂性和下垫面的多样性，上述结论是依据少量台风实测数据进行的分析计算，得出的观测事实和变化规律虽具有一定的代表性，但仍需要更多的有效实测个例进行检验和完善，以更清楚地分析并总结不同强度级别台风、台风结构中不同位置、不同粗糙度长度环境等条件下的阵风特性，以期获取具有统计意义的规律和参数。图2-8所示为2012年1211号强台风“海葵”登陆浙江，正面登陆点测得的风速和阵风系数变化过程，登陆前阵风系数高达2.2，而登陆后10min平均风速最大，与一般规律相悖，需收集测风站位置、登陆路径、风速系列等更为详细数据进行分析。

2.3.2 阵风系数随高度变化

GB50009—2012中给出了围护结构风荷载计算时，不同下垫面情况下阵风系数随高度的变化情况。A类和B类下垫面情况下60～100m高阵风系数介于1.46～1.54之间。随高度增加，风速受下垫面影响趋小，风速趋于稳定，阵风系数随高度增加而减小。台风天气条件下，海岸和近海环境阵风系数随高度变化规律如下：

收集台风影响期间海上、海岛测风塔大风个例，取大于15m/s风速作为分析样本，合并后绘制阵风系数随高度变化图，如图2-9所示。30m及以下阵风系数1.3～1.43, 40～100m阵风系数在1.18～1.28之间。

收集台风影响期间陆上测风塔大风个例，取大于15m/s风速作为分析样本，合并后绘制阵风系数随高度变化图，如图2-10所示。10m处阵风系数为1.45, 30～40m阵风系数在1.35, 50～100m阵风系数在1.21～1.28之间，与海上存在较大的差别。

需要注意的是，该结果受样本数量和对台风强风区代表性所限，尚不具备台风强风区阵风系数统计意义。

2.3.3 阵风系数讨论

IEC 61400—1极端风速模型中阵风系数取值为1.4，因气象站一般不具备满足重现期频率计算要求的极大风速历史系列，因此一般应用此系数和气象站50年一遇10min平均最大风速推算50年一遇3s阵风极大风速。GB50009—2012中给出阵风系数在轮毂高度附近一般取值1.46～1.54。两者之间存在一定差别，因此简单探讨台风情况下阵风系数取值问题。此处借用香港横澜岛1973—2009年年最大风速和年极大风速数据。

香港横澜岛测风站位于横澜岛，面积0.1km2，测风站地理位置为22°11′N, 114°18′E，最高点海拔58.00m，测风点地面海拔55.8m。该测站建于1975年，观测环境良好，建站至今基本没有变化，风速资料的连续性、一致性较好。香港横澜岛采用R.W.Munro Mk 4型磁感风杯风速表测风，记录方式为逐时（20世纪50年代以前有间断），逐时风速为每小时平均风速，其最大风速由逐时平均风速中挑选出最大值。

香港横澜岛测风站1993年以前的逐时风速值为60min平均风速，需要对其进行归一化处理。根据横澜岛历史台风大风资料，建立不同时距风速回归方程，结果表明彼此之间具有良好的线性关系，相关系数为0.93～0.98, 10min和60min最大风速比值平均为1.06，据此可将60min风速订正为10min风速。

自1946年以来影响珠江口海域的台风当中，只有6103号台风“爱丽斯”及6809号台风“雪丽”的风眼正面吹袭；9910号强热带风暴“约克”风力超过32.7m/s的持续时间长达11h;6216号台风“温黛”风眼经过香港时，中心气压只有953.2hPa（1962年9月1日），维多利亚港记录的60min平均风速达36.9m/s, 3s阵风最高风速为71.9m/s，而大老山的阵风更高达79.2m/s，成为有记录以来影响珠江口海域最强的台风；并且导致吐露港潮水高度竟达海图基准面以上5.4m，风暴潮增水达3.2m。1949年之后横澜岛测得强热带风暴以上级别热带气旋统计表见表2-1。

横澜岛气象站测得的1973—2009年期间所有影响该海域的台风的10min最大风速和3s阵风极大风速，如图2-11所示。统计分析横澜岛阵风系数多年平均（1973—2009年）为1.30，最大值为1.55，最小值为1.15，众数为1.174，中数为1.296，累积频率90%的值为1.39，累积频率95%的值为1.49。历史上测得的10min平均最大风速为48.87m/s，对应3s极大风速为62.76m/s，阵风系数为1.284；测得3s极大风速为65m/s，对应10min平均最大风速为46.94m/s，对应阵风系数为1.385。

对比年最大风速和极大风速系列发现，历史系列中阵风系数大于1.5的两个台风最大风速均小于25m/s；最大风速大于35m/s的4个台风中，阵风系数最大为1.385，最小为1.227；最大风速介于30～35m/s之间的9个台风中，阵风系数最大为1.410，最小为1.174。

由横澜岛气象站阵风系数统计可见，热带气旋的阵风系数变化情况非常复杂。综合比较强台风对应阵风系数、不同阵风系数出现频数、不同等级最大风速对应阵风系数，以及综合考虑工程安全性和经济性因素，以横澜岛为代表的珠江口附近海域选用累积频率90%的阵风系数值为1.4应该是适宜的。阵风系数也是一随机变量，多年系列一般也服从正态分布规律，参考IEC 61400—1第三版湍流强度为90%分位数对应取值，历史系列阵风系数取90%分位数对应结果。香港横澜岛气象站90%分位数阵风系数对应值为1.39，与IEC中极端风速模型给出值1.4基本一致。值得说明的是，不同区域该数值应该进行更多样本分析。