极端风下的阵风表现及对应应对措施

极端风包括风速的极值或短期内（如10s），平均风速的极值。用传统的方式，极端风速可以按传统的方式处理成静态10min条件下风速过程的极值。图3-14给出一个包含极限阵风的风速记录例子。

1.极值分析

极限风常常按在预先规定的重现周期要出现的10min平均风速的形式给出，如50年风速。50年风速是每50年平均出现要超过一次的10min平均风速。50年风速的确定要求对已有风速数据进行极值分析。已经证明，通过对由风速数据导出的摩擦速度压力进行极值分析比直接用风速数据自身进行极值分析更为有用。所以，观察风速值u通过下面的式子转换成摩擦速度u^*：

式中 κ——κ=0.4，冯·卡门常数；

z——高度；

z₀——粗糙度参数。

图3-13 风速、风向同时变化

图3-14 极端阵风的例子

在文献“WAsP cleaning”中，有一些把u转换成u^*的更复杂的公式。通过这些公式，可以考虑不同地形粗糙度在不同方向的影响。

当摩擦速度u^*通过上面对照当地粗糙度z₀对原始数据的转换导出，通常最好是将与参考粗糙度z₀=0.05m有关的数据转换成摩擦速度，此时的粗糙度和当地真实的粗糙度有所不同。这种情况可通过地球自转风来解决，即利用对每一个粗糙度z₀自转风速为常数并等于如下式子的事实：

这里科里奥利（Coriolis）参数f=2×地球自转速度rad/s×sin（纬度）≈1.2×10^-4 rad/s，在纬度为55.5°时，系数A和B取值A=1.8和B=4.5。具体计算过程如下：如果给定真实的粗糙度z₀和相对应的摩擦速度u^*，自转风速G可通过上面给定的公式计算。有了G值后，通过同样的公式可以得到一个与期望参考粗糙度z₀相对应的新u^*值。

一旦当摩擦速度u^*按照上面所述方法通过风速数据确定以后，相对应的速度压力q可通过如下式子计算：

式中 ρ——空气密度。

原始风速数据u现在被转换成了一系列速度压力q的数据。q数据按特定的时间段组成n个子记录（如一年），抽出n个子记录中每一个子记录的最大值q。当一个子记录的持续时间为一年时，这n个q的最大值就构成了年最大速度压力的经验分布。预计这个年速度压力最大值遵循Ⅰ型极值分布，即冈贝尔（Gumbel）分布，即

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它有两个分布参数a和b，a和b的值通过拟合n个年最大速度压力观察值来确定。轮换参数b是分布模式，可理解成一年重现周期的q值。重现周期为T年的q值可用如下式子计算：

此处T₀=1年。特别是可以用它来求得对于T=50年的速度压力。

重现周期为T、高度为z、地形粗糙度为z₀相对应的10min平均风速可用如下式子得到：

式中 κ——κ=0.4，冯·卡门常数；

ρ₀——ρ₀=1.225kg/m³，空气密度。

上面的极值分析方法关注的是一个特定时期（如一年）的风速最大值，这对估计一个特定重现周期的风速是很有用的。然而，注意还有其他的极值分析方法也被证明是很有用的，其中最重要的是临界峰值（peak-over-threshold）法。

当给定50年重现周期的风速U_10，50-yr时，重现周期为T年的风速可通过如下式子计算：

式中 p——p=exp（-nT），T年无超过数的概率；

n——每年中超过数的数量。

当T=50年时，n=0.02。请参考DS410相关内容。

2.飓风

可根据风速、强风暴的后果以及有关的损害结果来确定赛费尔-辛普森（Saffir-Simpson）飓风尺度，表3-3按照赛费尔-辛普森飓风尺度对飓风进行了分组和排列。

表3-3 赛费尔-辛普森飓风尺度

①一分钟平均最大值。

地球上其他一些地区还有不同于此处考虑的其他天气现象，其中一种天气现象就是龙卷风。由于龙卷风是一种完全不同于上述处理的风暴天气现象，所以不能通过风暴来推断结果。