沿高度解析的台风气压场和风场实测及模式化研究

发布时间：2020-03-31 02:51

【摘要】：台风是一种破坏力极强的自然灾害。我国东南沿海位于台风频发地带,台风每年都会给该地区造成重大的经济损失和人员伤亡。另一方面,随着建筑科技和施工技术的进步,国内外特别是在我国东南沿海地带建造了大批结构体系新颖的高层建筑。这些现代大型复杂结构具有高耸化、轻柔化特点,因而对风荷载非常敏感。风荷载往往是此类结构设计的主要控制荷载,而强/台风作用下结构的安全性和使用舒适性是建筑设计和维护环节需要解决的关键问题之一。合理确定台风风场特征是诸多抗风实践活动的基础。然而风工程界当前大部分相关研究尚局限于近地面范围;而涵盖更深厚台风范围的研究非常有限。这限制了人们从全局范围解析台风风场特征,进而影响了部分既有研究成果的适用性。至今可用于高层建筑特别是超高层建筑抗台风设计的实测资料依然缺乏;而在台风理论研究方面,现有气压场及风场模型基本为仅能反映近地面特征的模型。可见,风工程界有关台风风场方面的研究已严重滞后于超高层建筑的实践发展。基于上述情况,本论文在更深厚的高度范围内对台风的气压场和风场进行了实测和模式化研究。实测研究基于香港地区近20年不间断录得的探空气球观测资料。该资料包含近30次对研究区域有明显影响的台风个例。数据垂直高度从近地面延至约3万米高空,从而有效涵盖台风整个垂直结构范围(约2万米)。实测研究采用个例分析及汇总统计分析相结合的方法,对典型台风的风场、温度场、湿度场及气压场等热力学和动力学结构特征进行了系统研究,重点揭示其沿高度和径向变化的分布特征。此外,为准确确定台风结构特征,本论文首先对背景大气特征进行了分析。相关结果还揭示了气候变化对大气对流层顶各典型气象特征的影响,这为合理评估气候变化对台风活动及台风极值风气候的影响提供了重要参考。气压梯度力是驱动台风运动的原动力。因此台风气压场模型对建立台风风场模型具有重要意义。尽管由台风结构可知台风中心气压差随高度升高而减小,当达到流出层时中心气压则高于外围气压;然而在风工程领域,当前绝大部分相关研究没有考虑上述台风气压场沿高度变化的实际情况,而采用中心气压差随高度(至少在边界层内)不变的气压场模型。基于实测资料,本文提出了一种沿高度解析的台风气压场经验模型以及一种基于热力学分析的理论模型。所提模型适用于台风流出层以下的高度范围,因此能有效满足面向未来超高层建筑抗风设计高度方面的需要。基于所提台风气压场模型,本文对现有台风风场模型进行了改进,从而发展出一种沿高度解析的台风风场模型。通过对比发现,考虑气压场沿高度变化与否会对台风风场位于边界层中高层的部分产生明显的影响。此外,改进的风场模型能更为有效的反映台风低空急流的风剖线特征,而该特征尚未在我国及其他国家风荷载规范中体现。本硕士论文研究内容及相关研究成果对深化台风全局化结构特征及发展沿高度解析的台风风场模型进而为面向未来的超高层建筑抗风设计具有重要意义。
【图文】：

的热带气旋称为台风，而北将其称为飓风。热带气旋每年均会给世界各地造成重大的经济损失和人员伤 年的飓风波拉是有记录以来最致命的热带气旋；此次飓风造成近 50 万人丧生。风安德鲁（图 1-1b）致 27 人死亡，30 万人无家可归，两万五千多座房屋和几农作物毁坏。2005 年飓风卡特里娜（图 1-1c）造成 1350 亿美元的经济损失。月超强台风威马逊（图 1-1d）导致 742.3 万人及 468.5 千公顷农作物受灾，直失达 265.5 亿元。(a) 台风俯视图 (b) 安德鲁飓风（1992）

随着建筑科技和施工技术的进步,国内外特别是在我国东南沿海地带建造了大批结构体系新颖的超高层建筑，如深圳地王大厦以及上海金茂大厦等。目前全球已建成的逾 300m 的超高层建筑有 79 座，其中 25 座位于中国，包括 1997 年落成的广州中信广场（391m）、1999 年完工的上海金茂大厦（420m）（图 1-2a），2008 年建成的上海环球金融中心（492m），2009 年投入使用的广州塔（600m）（图 1-2b），2014 年完工的上海中心（632m）（图 1-2c），2017 年竣工的深圳平安金融中心（599m）（图 1-2d等。在建的超 300m 的超高层建筑有 125 座，其中 78 座位于中国，占比达 62.4%。中国已成为全世界拥有超高层建筑最多的国家。这些现代大型复杂结构具有高耸化、轻柔化的特点，，因而对风荷载非常敏感。风荷载往往是此类结构设计的主要控制荷载，而台风作用下这些高耸建筑的安全性、舒适性及适用性是这些建筑设计及维护环节需重点考虑和解决的一大问题。台风风场特征信息是建筑抗台风设计及其它相关实践活动的基础和前提。因此深化对台风风场的研究并以此为基础合理确定我国沿海地带建筑设计风速具有十分重要的社会经济价值。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU312.1

【参考文献】

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本文编号：2608449