臺(tái)風(fēng)三維風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理方法研究

摘 要：合理地處理脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是獲取準(zhǔn)確脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)參數(shù)的基礎(chǔ)。為了提升三維脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性，本文基于超聲風(fēng)速儀無效風(fēng)速數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別提出了一種基于多倍截?cái)喾讲罘ǖ拿}動(dòng)風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法，開展了基于實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)特征分析的數(shù)據(jù)修正工作，并利用臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)速數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。該方法可以為風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)數(shù)據(jù)處理以及風(fēng)障等構(gòu)造研發(fā)中風(fēng)場(chǎng)精細(xì)化模擬提供參考。

關(guān)鍵詞：臺(tái)風(fēng)；數(shù)據(jù)處理；脈動(dòng)風(fēng)速；插值法

中圖分類號(hào)：P 44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

臺(tái)風(fēng)是風(fēng)災(zāi)害的主要形式之一，屬于極端風(fēng)氣候，其造成的受災(zāi)范圍廣，發(fā)生頻率高。隨著我國柔性橋梁結(jié)構(gòu)的建設(shè)日益增多，例如在本公司承接的濱海西大道提升改造工程中，后田人行天橋采用雙肢外斜變寬鋼斜塔斜拉橋，海滄鰲冠大道工程采用雙層橋梁，上層為現(xiàn)澆連續(xù)箱梁、下層為懸掛式鋼箱梁漂浮體系結(jié)構(gòu)。為了保障極端風(fēng)氣候下橋面行車及人行安全，亟需加強(qiáng)橋梁風(fēng)障等構(gòu)造阻風(fēng)性能研究[1]，而獲取準(zhǔn)確臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)障等構(gòu)造風(fēng)場(chǎng)精細(xì)化模擬的基礎(chǔ)性工作。作為獲取復(fù)雜天氣三維脈動(dòng)風(fēng)速的有效手段，風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于風(fēng)工程研究中[2-3]。由于實(shí)測(cè)三維風(fēng)速是隨時(shí)間而變化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，時(shí)序數(shù)據(jù)往往受儀器設(shè)計(jì)缺陷、暴雨、雷擊、風(fēng)致飛射物沖擊、電壓不穩(wěn)定以及大氣湍流隨機(jī)性等影響，存在數(shù)據(jù)壞點(diǎn)或不合理點(diǎn)，從而影響實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此對(duì)觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判定觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性是準(zhǔn)確描述臺(tái)風(fēng)場(chǎng)特性的重要基礎(chǔ)。本文基于超聲風(fēng)速儀無效風(fēng)速數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別，探討了臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，開展了基于實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)特征分析的數(shù)據(jù)修正工作，并利用實(shí)測(cè)的臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)速數(shù)據(jù)驗(yàn)證了此方法的有效性。該方法可為風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)數(shù)據(jù)處理以及風(fēng)障等構(gòu)造風(fēng)場(chǎng)精細(xì)化模擬提供參考。

1 實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)來源

1.1 觀測(cè)站

觀測(cè)站位于福建省平潭縣嶼頭島，觀測(cè)站主要包括觀測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。觀測(cè)系統(tǒng)主要采用英國Gill公司生產(chǎn)的高性能三維超聲風(fēng)速儀Windmaster Pro作為風(fēng)數(shù)據(jù)采樣儀器，分別布置 10m、80m、100 m三個(gè)觀測(cè)層，該風(fēng)速儀風(fēng)速量程為0m/s～65m/s，分辨率為0.01m/s；風(fēng)向量程為0°～359°，分辨率為0.1°；支持32Hz高頻采樣，然而，過高的采樣頻率并不一定能有較好的還原度，反而會(huì)使接近電壓頻率的信號(hào)折疊引入數(shù)據(jù)低頻端，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過大，存在一定的誤差，因而現(xiàn)場(chǎng)選用的樣本輸出頻率為10Hz，即每0.1s記錄一組u（x）、u（y）、u（z）三維瞬時(shí)風(fēng)速。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用CR3000作為數(shù)據(jù)采集器，該設(shè)備性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到歐盟CE、EMC要求，能有效防止過壓下強(qiáng)電流對(duì)儀器的損傷，CR3000具有CSI/O和RS-232接口，支持SDM外圍設(shè)備，可以直接與計(jì)算機(jī)或PDA連接，也能夠利用Internet、無線電等通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)無線傳輸，以實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)期間連續(xù)性觀測(cè)及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1.2 實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)

2018年第8號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”于7月11日05：00位于福建霞浦東偏南方大約120km的海面上，北緯26.3°、東經(jīng)121.0°，中心附近最大風(fēng)力有十五級(jí)（48m/s），中心最低氣壓為94500Pa，七級(jí)風(fēng)圈半徑280km～400km，十級(jí)風(fēng)圈半徑150km～200km，十二級(jí)風(fēng)圈半徑40km～50km。并于7月11日09時(shí)10分在福建兩江黃岐半島登陸，登陸時(shí)附近最大風(fēng)力十四級(jí)（42m/s），中心最低氣壓96000Pa。臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”的登陸路徑與觀測(cè)站最短距離為18.1km。

1.3 臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)初步分析

獲取可靠的、具有代表性的風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)是風(fēng)場(chǎng)研究的重要工作。對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程來說，風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度要求往往比一般的區(qū)域氣象預(yù)報(bào)要高，因此對(duì)一手的實(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析預(yù)處理是科學(xué)開展結(jié)構(gòu)風(fēng)工程抗風(fēng)研究的必要過程，但影響風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)精度因素較多，為了完成針對(duì)性降低誤差的工作，利用臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”期間觀測(cè)站10m、80m高度層風(fēng)場(chǎng)三維風(fēng)速數(shù)據(jù)，對(duì)基于超聲風(fēng)速儀無效風(fēng)速數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，得到“瑪莉亞”期間10m、80m處ux、uy、uz風(fēng)速序列如圖1所示。

由圖1可知，臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”期間，ux、uy、uz部分最大值接近100m/s，這主要是臺(tái)風(fēng)期間受環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)失真，產(chǎn)生較多野點(diǎn)，發(fā)生“毛刺”現(xiàn)象。這將降低實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性，在某種程度上，也會(huì)使臺(tái)風(fēng)期間實(shí)測(cè)平均風(fēng)速數(shù)值出現(xiàn)不真實(shí)的“虛大”情況，如果將不真實(shí)的實(shí)測(cè)結(jié)果應(yīng)用于橋梁等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速等參數(shù)評(píng)估上，勢(shì)必會(huì)影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)取值的合理性和科學(xué)性，為了避免發(fā)生上述情況，有必要在上述超聲風(fēng)速儀無效風(fēng)速數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)特征分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步修正臺(tái)風(fēng)期間實(shí)測(cè)風(fēng)速。

2 數(shù)據(jù)處理方法

為了提升三維脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性，降低實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)“毛刺”現(xiàn)象對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，基于多倍截?cái)喾讲罘▽?duì)上述特征分析中“壞點(diǎn)”數(shù)據(jù)或者不合理數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個(gè)時(shí)間序列的原始數(shù)據(jù)平滑估計(jì)，通過檢測(cè)數(shù)據(jù)突變位置，確定該點(diǎn)是否為平滑估計(jì)范圍內(nèi)的為正常點(diǎn)，其處理過程如公式（1）～公式（5）所示[4-6]。

du（t）=u（t+2）-u（t） （1）

式中：du（t）為構(gòu)建的時(shí)間序列；t為樣本序列號(hào)；u（t）為樣本系列中第t個(gè)樣本風(fēng)速；u（t+2）為樣本系列中第t+2個(gè)樣本風(fēng)速。

（2）

式中：為du（t）時(shí)間序列的平均值；n為時(shí)間序列的樣本數(shù)。

（3）

式中：為du（t）2時(shí)間序列的平均值；n為時(shí)間序列的樣本數(shù)。

σ=-2 （4）

式中：σ為截?cái)喾讲睢?/p>

Δ=c·σ0.5 （5）

式中：Δ為數(shù)據(jù)壞點(diǎn)判斷標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)；c為常系數(shù)。

通過系數(shù)c可以設(shè)置正常數(shù)據(jù)偏離平滑估計(jì)的范圍，這里取c=4，當(dāng)滿足|du（t）|gt;Δ或|du（t+2）|gt;Δ時(shí)，即該樣本點(diǎn)與總體樣本均值的差的絕對(duì)值大于4倍標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，則判斷u（t+2）是不合理的壞點(diǎn)，需對(duì)該壞點(diǎn)進(jìn)行處理。需要對(duì)數(shù)據(jù)壞點(diǎn)進(jìn)行插值替換，創(chuàng)建一個(gè)更平滑的數(shù)據(jù)序列作為參考[7]，

對(duì)壞點(diǎn)u（t+2）的具體處理過程如下。1）u（1）為從樣本點(diǎn)

u（t）至u（t+4）共5個(gè)數(shù)據(jù)的中位數(shù)。2）u（2）為從樣本點(diǎn)u（1）t+1至u（1）t+3共3個(gè)數(shù)據(jù)的中位數(shù)。3）取u（2）t+1、u（2）t+2、

u（2）t+2、u（2）t+3的算術(shù)平均值，即得u（3）。4）u（3）替代壞點(diǎn)u（t+2），完成該樣本壞點(diǎn)數(shù)據(jù)訂正。

當(dāng)完成第一個(gè)矩形窗的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后，以1s為單位進(jìn)行滑移，繼續(xù)計(jì)算下一個(gè)矩形窗內(nèi)的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制參數(shù)，并完成壞點(diǎn)數(shù)據(jù)訂正任務(wù)，并一直不斷重復(fù)上述過程，直到經(jīng)過4倍標(biāo)準(zhǔn)差過濾篩選后，沒有壞點(diǎn)被檢測(cè)出來為止。

采用上述處理方法對(duì)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”期間測(cè)風(fēng)塔10m和80m高度上，超聲風(fēng)速儀在三維方向ux、uy、uz記錄的0.1s時(shí)距風(fēng)速序列進(jìn)行判定、插值，得到處理后的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)如圖2所示。

由圖2可知，經(jīng)過質(zhì)量控制后，大量不合理的壞點(diǎn)被剔除，在圖上反映為大量失真的數(shù)據(jù)“毛刺”消失，大量不合理的數(shù)據(jù)被剔除，例如10m高度處z方向未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)風(fēng)速達(dá)到100m/s，顯然為不合理數(shù)據(jù)，經(jīng)過上述數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理后，風(fēng)速區(qū)間位于10m/s之內(nèi)，提高了數(shù)據(jù)的合理性和可靠性。

4 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為了直觀分析數(shù)據(jù)修正前后風(fēng)速序列對(duì)平均風(fēng)速產(chǎn)生影響，對(duì)基礎(chǔ)風(fēng)速樣本進(jìn)行處理。由于Windmaster Pro三維超聲風(fēng)速儀同步輸出的是3個(gè)正交方向上的風(fēng)速分量ux、uy、uz，分別對(duì)應(yīng)正北向（x軸）、正西向（y軸）和豎直方向（z軸），儀器探頭夾角、儀器自身坐標(biāo)系以及地理坐標(biāo)系之間均存在轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此有必要通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行基礎(chǔ)風(fēng)速樣本的處理。對(duì)10min水平平均風(fēng)速U、水平風(fēng)向角?和豎向平均風(fēng)速W（豎直方向與儀器坐標(biāo)一致）[8-9]進(jìn)行計(jì)算，如公式（6）～公式（8）所示。

（6）

式中：U為平均風(fēng)速；、分別為風(fēng)速儀在x、y方向上分量的10min平均值。

（7）

式中：?為風(fēng)向角。

W= （8）

式中：W為豎向平均風(fēng)速；為風(fēng)速儀在z方向上分量的10min平均值。

三維平均風(fēng)速如公式（9）所示。

（9）

式中：N為樣本數(shù)，N=6000。

將儀器坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)?角，得到自然坐標(biāo)，x、y、z軸分別代表主風(fēng)、側(cè)風(fēng)和垂直風(fēng)向，則u（t）在x軸上的投影u'（t）為縱風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速，v（t）在y軸上的投影v'（t）為橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速，w'（t）豎向脈動(dòng)風(fēng)速方向與儀器坐標(biāo)相同，如公式（10）～公式（12）所示。

u'（t）=u（t）cos?+v（t）sin?-U （10）

v'（t）=-u（t）sin?+v（t）cos? （11）

w'（t）=w（t）-W （12）

式中：u'（t）、v'（t）、w'（t）分別為3個(gè)方向脈動(dòng)風(fēng)速分量；u（t）、v（t）、w（t）分別為3個(gè)方向?qū)崪y(cè)脈動(dòng)風(fēng)速分量。

完成上述計(jì)算即可得到3個(gè)方向上的脈動(dòng)風(fēng)速，為脈動(dòng)風(fēng)特性的數(shù)據(jù)誤差分析奠定基礎(chǔ)。以臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”期間觀測(cè)站10m高度層數(shù)據(jù)處理為例，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理比較，10m、80m高度處質(zhì)量控制前后平均風(fēng)速對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在10m及80m高度處，均在第70～80個(gè)樣本質(zhì)量控制前后誤差較大。其主要原因?yàn)?0～80樣本時(shí)間為臺(tái)風(fēng)登陸期間，期間風(fēng)速較大，氣候較復(fù)雜，引起的數(shù)據(jù)誤差較大，失真數(shù)據(jù)較多，從而導(dǎo)致質(zhì)量控制前后誤差較大。經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理，有效地對(duì)不合理點(diǎn)進(jìn)行剔除和插補(bǔ)，能夠有效減少復(fù)雜環(huán)境帶來的誤差，為后續(xù)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)特性的分析以及實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)氣候下風(fēng)障等構(gòu)造風(fēng)場(chǎng)有限元精細(xì)化模擬奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)通常在極端氣候下進(jìn)行，因此極容易受到復(fù)雜環(huán)境（例如雨水、儀器振動(dòng)等條件）的影響，同時(shí)三維風(fēng)速儀采樣頻率的選取也影響風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文基于超聲風(fēng)速儀無效風(fēng)速數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別提出了一種基于多倍截?cái)喾讲罘ǖ拿}動(dòng)風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，并利用臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)速數(shù)據(jù)驗(yàn)證了此方法的有效性。結(jié)果表明，經(jīng)儀器自動(dòng)判別生成的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用四倍截?cái)喾軌蛴行У淖R(shí)別數(shù)據(jù)中壞點(diǎn)，從而采取插值法進(jìn)行補(bǔ)充，得到完整可靠的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。通過對(duì)比質(zhì)量控制前后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、平均風(fēng)數(shù)據(jù)及脈動(dòng)風(fēng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了方法的有效性，可以為后續(xù)風(fēng)場(chǎng)參數(shù)分析，特別是海邊柔性橋梁結(jié)構(gòu)以及風(fēng)障等構(gòu)造研發(fā)中風(fēng)場(chǎng)精細(xì)化模擬提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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