我国东南沿海城市和近海海域的台风极值风速预测

台风灾害严重影响我国东南沿海地区,通过开展台风数值模拟和极值风速预测,可精细化评估我国东南沿海城市和近海海域的台风危险性。采用基于随机森林模型的全路径台风模拟方法,对西北太平洋台风开展数值模拟,利用历史台风观测数据验证了该方法的可靠性与适用性。结合三维空间参数化台风风场模型,估算9个我国东南沿海城市不同重现期下的台风极值风速,发现广义极值分布(Ⅲ型)能更好地描述台风极值风速统计特征。将各城市的台风设计风速估算结果与GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中的推荐值及已有研究进行了比较,验证了台风模拟结果的可靠性,并发现低纬度城市的台风设计风速尚未超过规范中的推荐值,而高纬度城市的台风设计风速则略高于规范中的推荐值。基于台风全路径模拟和极值风速估算结果完成了我国东南沿海地区台风设计风速的区划图绘制,直观地反映了我国台湾岛及台湾东部海域的台风危险性最大,浙江东部、福建南部至广东一带以及海南岛南部等地区也面临较大的台风风险。     

结合台风全路径模拟的宁波地区台风极值风速估计

运用台风全路径模拟技术和极值理论统计方法对宁波地区台风极值风速进行精确估计.首先,基于CMA-STI热带气旋最佳路径数据集并采用Vickery经验回归模型进行了西北太平洋海域台风全路径模拟,生成了600年台风路径及强度数据,采用Yan Meng风场模型确定了影响宁波地区的台风风速序列.然后,使用weibull分布函数描述了台风各风向下的极值风速边缘分布,并利用t-Copula函数构造各风向极值风速的联合分布模型,得到了台风考虑风向相关性的多风向极值风速估计值.最后,与台风不考虑风向相关性的极值风速以及规范设计风速对比,结果表明,宁波地区台风极值风速估计应考虑风向相关性,不考虑风向相关性的极值风速及规范设计风速都给出了偏风险的极值风速估计值.     

我国东南沿海台风极值风速预测与区划图构建

中国沿海是全球受台风灾害最严重的区域之一,获取台风极值风速对指导沿海土木工程结构抗风设计、防灾减灾和风险评估至关重要,中国现有抗风设计体系未单独设定台风极值风荷载。文章提出基于地理加权回归的台风模拟方法,主要包括台风路径、强度和风场参数递推模型,基于日本气象局1951～2015年历史台风最佳路径数据,开了西北太平洋地区台风局部路径和全路径随机模拟,结合台风边界层三维风场模型,预测不同工程场地的极值风速,率先完整创建我国沿海区域台风极值风速区划图并讨论台风风灾空间分布特点;面向不同建筑结构设计需求,形成台风风灾曲线和极值风速剖面数据库,为沿海建筑结构抗台风设计提供极值风荷载输入条件,推进我国结构抗风理论体系从传统良态风向台风的跨越。     

气候变化背景下外源集雨型绿地径流控制效能研究——以迁安市滨湖东路片区为例

在气候变化的背景下，降雨条件的改变会带来径流产流、汇流过程的变化，进而影响集雨型绿地的径流控制效能。通过气候倾向率法和MK检验，分析迁安地区过去及未来的降雨趋势，以迁安市滨湖东路片区为研究对象，利用MIKE URBAN软件，对外源集雨型绿地建成前后在不同重现期降雨条件下的区域雨水管网的溢流负荷情况进行模拟，并计算未来重现期降雨量，分析气候变化背景下外源集雨型绿地的径流控制效能。结论：1）迁安地区自1989年来降雨量呈上升趋势，且在未来情景模拟下该趋势将持续；2）集雨型绿地建成后，有效缓解1年、2年、3年、5年一遇区域雨水管网溢流负荷现象；3）外源集雨型绿地应对未来降雨雨水径流的控制效能将减弱。最后提出在海绵城市规划建设过程中应将气候变化的条件纳入其中，考虑低影响开发系统的气候适应性。     

基于多场参数相关台风工程模型的上海地区台风设计风环境研究

结合台风在我国沿海登陆过程风场参数实测数据拟合模型,拟合参数包括台风几何尺度场(最大风速半径Rmax)和气压分布场(径向气压系数β)等,提出了适用于我国东南沿海区域的考虑多个场参数之间相关性的台风风场改进数值模型。以上海市崇明岛侯家镇气象站1971—2015年间57次台风全过程连续实测记录为参考依据,通过对比台风最大风速的模拟与实测结果,优化了气象站场地地表粗糙高度z0=0.095 m,并结合台风路径历史观测资料和场参数之间概率相关性的实测拟合关系,利用台风工程模型再现了气象站四次典型较强台风风速发展过程,最大风速的相对误差在12%以内,证明了模型应用于台风最大风速预测的可靠性。采用Monte-Carlo台风随机模拟方法和抽样越界峰值法,计算了台风气候模式侯家镇和以上海为代表中心区域典型工程场地的设计基本风速和平均风剖面,获得侯家镇和上海B类场地(z0=0.05 m)百年一遇10 m高度10 min平均风速分别为31.51 m/s和37.46 m/s,标准差为2.05 m/s和2.66 m/s,同时比较了三种不同风剖面拟合模型,给出了四类典型地貌下台风气候风剖面拟合关系。     

基于天气预报模式和大涡模拟的台风风场多尺度耦合数值模拟

结合2015年第1509号超强台风“灿鸿”期间在杭州九堡大桥的现场实测数据,基于WRF(weather research and forecasting)和LES(大涡模拟)的台风多尺度耦合数值模拟方法,重现了台风“灿鸿”的中小尺度发展演化过程,并对九堡大桥周边台风风场进行多尺度精细化模拟;以多项式插值的方式解决疏网格向密网格的背景风场要素降尺度耦合问题;最后通过大涡模拟获得了九堡大桥周边地区30min瞬态台风风场数据。模拟得到的瞬态风速结果与实测数据在统计意义上较为吻合,表明WRF-LES耦合系统能实现从气象中尺度到建筑小尺度的多尺度数值模拟,有效地获取一次台风过程中目标区域的瞬态台风风场。NSRFG(narrowband synthesis random flow generator)方法生成的入口脉动风速适用于局部台风风场的LES计算,模拟所得风速功率谱与实测结果在低频段基本一致。     

华南沿海地区台风风场数值模拟与危险性分析

利用台风关键参数的概率分布模型,建立了台风年极值风速概率分布模型,对华南沿海地区不同重现期内的台风极值风速做出推断,为该地区建筑设计及城市防灾减灾提供了风荷载信息,以确保建筑结构在台风侵袭下的安全性。     

基于气候变化的混凝土碳化边界环境模型研究

由于温室效应全球气候正在发生着显著变化,长期作用下会对钢筋混凝土设施服役环境产生严重影响,对于城市建筑而言其对碳化环境的影响最为明显,由此导致混凝土碳化速率加快,钢筋腐蚀发生时间提前。基于IPCC最新报告对21世纪气候变化趋势的预测,结合我国典型区域的实测气候数据,针对4种代表性气候政策中的高排放情景及低排放情景,建立了用于碳化耐久性预测的普适性区域气候模型,并以广州地区为例,结合已有碳化模型预测出不同水灰比混凝土在21世纪100年内的碳化深度发展规律。结果表明,气候变化对混凝土碳化进程有显著影响,在高排放情景下,到本世纪末混凝土碳化深度将会比不考虑气候变化影响时上升75%,严重影响混凝土结构服役寿命。     

考虑地形影响的台风混合气候极值风速分析方法研究

在台风混合风气候地区,不同类型风气候(如台风,良态风)的极值风速概率分布特性各不相同,如果直接采用单一概率分布模型对混合极值风速进行拟合,往往会造成较大的分析误差。目前国内外处理混合气候极值风速的常用方法也存在诸多问题,且均无法考虑复杂地形的影响,仅给出基于气象记录的极值风速统计。文章通过CFD数值计算建立气象站点和目标点之间的的风速比模型,获取目标位置的极值风速序列,再基于混合函数构建混合风气候地区极值风速的概率密度函数,采用加权最小二乘法拟合分布函数和混合权重函数的参数,最后对各参数进行优化并得到更为精确的极值风速结果。     

基于CMIP6的多情景上海雨洪风险 时空格局评价及规划响应对策

气候变化带来的雨洪灾害是城市发展的巨大挑战之 一,评估城市未来的雨洪风险并开展有效的规划应对是目前城 市发展的重大需求。未来气候情景下上海极端降水的时空格局 还未得到充分研究。利用第六次耦合模式比较计划(CMIP6) 中12个全球模式气候数据耦合上海市10个气象站点历史数 据,选用Delta降尺度方法预测上海市SSP245、SSP585 情景下的2025—2055和2070—2100年重现期为5、10、 20、50、100年的降水。使用SCS-CN模型模拟得到了多情 景下上海市径流深度,结果表明21世纪末期比21世纪中期最 大径流深度最高增加100%。结合各区域排水能力,划分了上 海市多情景下的雨洪风险等级。结果表明,上海市中心城区排 涝标准较高,雨洪风险较低,而中心城区以外区域风险相对较 高。针对不同风险等级区域,从流域视角统筹城市雨洪设施建 设,合理布局,提出防洪、除涝、雨水排水相互协调的规划响 应对策。     

基于泊松-耿贝尔法的最大风速估算

由于每年发生台风的次数、移动路径及强度都是随机的,构成了某种离散性分布,常规采用的极值Ⅰ型分布的耿贝尔法是收集每年的最大风速,这种方法无法收集到每一次台风影响的最大风速.文中采用泊松-耿贝尔联合极值风速计算方法,计算了重现期为5、10、20、50年的最大风速与基本风压.结果表明泊松-耿贝尔联合极值风速计算方法偏差比极值...     

气候变化条件下中国典型城市未来天气参数与建筑能源需求预测

20世纪以来,全球气候变暖趋势已得到证实,对生态系统和人居环境造成的影响备受瞩目,气候变化无疑将对建筑能源需求产生重大影响。基于IPCC最新预测结果,选择我国3个典型气候区代表城市——北京、上海和广州,采用统计降尺度方法 -Mor-phing,在现有典型气象年的基础上,结合地球气候模式(GCM)在气候变化中间稳定路径(RCP4.5)和高端路径(RCP8.5)下的大尺度预测结果,进行未来天气参数预测。针对每个城市、每个气候变化路径各生成5个未来时间段(2000年～2017年、2018年～2035年、2036年～2053年、2054年～2071年和2072年～2089年)的TMY逐时天气参数文件,用于典型建筑模型进行全年能耗模拟,预估典型城市建筑能源需求在未来100年里的变化趋势。     

耦合台风天气预报模式和实测数据的神经网络风速预测

基于准定常假定,风荷载与风速平方成正比.为了实现对结构的台风动力效应进行分析预测,建立了耦合数值天气预报(weather research and forecast,WRF)模式和现场实测数据的风速预测神经网络模型,开展台风短期风速的高精度预测.利用该模型对2017年"泰利"和2018年"康妮"的台风风场进行模拟和预测...     

基于Monte Carlo方法的极值风速估计误差分析及其应用

采用有限实测风速样本估计重现期极值风速存在较大不确定性。为此，针对目前应用最为广泛的极大似然法估计广义极值分布，提出了基于Monte Carlo方法的极值风速估计误差分析算法，建立了依赖概型参数、样本容量和重现期的极值风速标准差广义数学表达式。结果表明：标准差随形状参数、尺度参数和重现期的增大而增大；随样本容量的增大而减小。结合我国4个气象站点(北京、喀什、福州、上海)实测风速数据，在进行数据地形修正、台风数据剔除的基础上，分析计算了各站点的重现期极值风速及其标准差，并与既有规范对比，当考虑抽样误差对极值风速预测的影响时，建议以一倍标准差作为量化标准更为合理。     

基于短期观测记录的重现期风速预测

在偏僻地区或山区建设重要建筑物、构筑物或桥梁时,通常在附近安装风速观测仪器,获得至少1年的短期风速记录。提出了根据短期风速记录预测指定重现期风速极值及风压方法,为结构抗风设计提供了科学依据。提出独立风暴法提取短期风速记录的最大值,建立极值I型概率分布模型,采用最好线性无偏估计方法确定概率分布参数。依据短期风速最大值概率与年风速最大值概率的变换关系,建立年发生最大值的概率分布及重现期风速、风压的表达式。算例结果表明,重现期风速预测值的离散性与风速阈值有关,在预测值离散系数较小的情况下可确定重现期风速及其置信区间。     

台风阵风特性对配电线路电杆破坏受力分析

台风具有较强的非平稳性,在短时间内平均风速可能发生急速的增加或者减小,这种阵风特性在风速加速时近似于短时阶跃加载,极有可能造成较多的配电线路电杆损毁。结合福建沿海配电线路电杆损毁形态,对台风阵风作用下输电线路电杆破坏情况进行了受力分析。分析时,采用福建台风重现期风速及对应的风剖面系数考虑沿电杆高度分布的静力荷载;基于谐波合成法生成了考虑台风强湍流影响下的脉动风时程;最后以阶跃荷载方式对电杆施加台风极值风速作用下的动静力时程荷载,并分析电杆各高度截面处的荷载峰值弯矩与抗弯弯矩。结果表明,在考虑台风阶跃荷载作用后,电杆也有可能在基底以上1~2 m处发生截面抗弯能力失效破坏。     

基于短期数据推算宣城市的设计风速

我国沃壤千里,地形、地貌差异大,对于复杂的地区气象站数据资料还不能较准确地反映其风速、风向特征,有些地方甚至缺少观测数据和多年连续观测资料。因此,文章基于临时观测站的短期实测风速数据,利用区组模型和超阈值模型对设计风速进行了推算,两种模型算得的设计风速和在不同重现期下的风速均有一定差异。     

基于水力排水模型的宁波海绵试点区内涝风险评估

随着城市化进程的不断加快,城市内涝灾害频发,利用水力排水系统模型对城市内涝风险进行评估已被广泛应用。针对平原河网城市内涝频发的现象,以宁波海绵城市试点区为例,基于InfoWorks ICM模型构建排水系统模型,模拟短历时不同重现期设计降雨(5、10、20、50 a)和长历时不同重现期设计降雨(10、50 a)下试点区内涝风险情况。结果表明,随着降雨强度的增加,风险区面积呈递增趋势,短历时设计降雨模拟显示中风险区的平均增长率约为21%,低、高风险区面积平均增长率约10%; 50年一遇长历时设计降雨模拟显示试点区内涝风险等级分布以中、高风险为主,总占比约为91%,高风险区占比约51%。     

低矮房屋风荷载实测研究(Ⅱ)——双坡屋面风压特征分析

基于可移动的双坡屋面实验房获取的近地面台风风速和房屋表面风压同步实测数据,研究了台风作用下低矮房屋屋面风荷载。研究结果表明:在斜向风作用下,迎风屋面屋脊角部区域、屋面角部区域易形成较高的局部峰值负压并具有较大的脉动风压,风压系数概率分布为非高斯分布。在低频范围内,屋脊角部区域脉动风压预测谱与实测压力谱吻合相对较好;在高频范围内,脉动风压预测谱都低估实测谱。相对良态气候条件,在台风天气条件下,来流气流与建筑物相互作用产生的特征湍流对高频范围脉动风压功率谱影响显著,未考虑竖向风攻角和竖向脉动风速变化相对显著,在屋面角部区域现行规范计算方法相对低估其脉动风荷载。     

基于SWMM的LID设施对排水管网性能影响研究

以河北省迁安市海绵城市试验区为研究区域,根据实地监测资料,建立当地的暴雨雨水管理模型,在1年重现期降雨条件下,模拟不同规模(研究区总面积的10%,20%,30%,40%,50%)低影响开发(LID)设施和不同规模(0. 5,1,3,5年设计重现期)排水管网组合对城市内涝总量和排水管网内流速的影响。结果显示,1年重现期降雨条件下,每增加10%规模的LID设施,内涝削减率平均提升8. 61%,管网内流速平均降低7. 73%。