基于现场实测的渤海风速特性研究

张延涛，吕柏呈，武文华，孙刘璐

(1. 中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300459; 2. 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

风荷载是影响海洋结构物运动行为的主要环境因素。风速特征参数是海洋结构物设计和失效分析的重要依据。对于在役海洋平台监测，风荷载是评估平台服役状态的主要参数[1-2]。在我国渤海海域，有大量的软刚臂系泊系统服役。软刚臂系泊系统良好的风向标效应，使系泊系统对风荷载更加敏感。

对风荷载的研究，现阶段主要有风洞实验，数值模拟和现场实测。由于理论简化和缩比效应的影响，风洞实验和数值模拟仍无法真实还原结构在真实海况下受到的海洋环境荷载。基于现场实测信息，对渤海海域的风速特性进行分析，能够有效地还原现场信息，为海洋平台的服役安全和设计提供参考。

由于海洋环境的复杂性，以及各海域的独特性，海洋工程结构的抗风性能成为国内外海洋开发公司和科研机构的重视。樊哲良[3]分析了风荷载导致的FPSO尾甩现象给软刚臂系泊系统带来的安全隐患。欧进萍等[4]利用环渤海12个气象台站的数据对渤海海域风特性进行了统计分析，得到了渤海辽东湾疲劳风速的概率分布和分布参数。杜宇等[5-6]利用海洋平台监测系统对南海台风期间的强风场特性进行分析，为南海海域抗风研究提供了重要参考。齐义泉等[7]利用GEOSAT卫星高低计数据，计算了南海海区风速的季平均时空分布，分析了风速统计特征。王佳莹等[8]基于法国卫星中心(Aviso)的Ssalto/Duacs多任务高度计资料,利用EOF方法对我国南海风场进行了年际变化特征进行了分析。Schroeder和Smith[9]通过实测数据，对风场经验功率谱和强风环境能量分布的估计进行了误差分析。

下文利用软刚臂系泊系统现场原型监测系统，实现渤海海域的风速场的长期实测，积累了大量的现场风速数据。利用Davenport风剖面，计算了结构在10 m高度的风速时程。利用极值Ⅰ型分布获得了渤海海域多年一遇的风速值。基于监测时程，计算了年最大风速时程的脉动风分量，验证了脉动分量的高斯性。计算湍流强度和阵风因子，对比湍流强度和阵风因子的关系。考虑高频分量在计算风速空间积分尺度的影响，利用小波变换对高阶近似分量和细节分量进行计算，获得脉动风速的纵向及横向空间积分尺度。对比经验脉动风谱与实测脉动风谱，证明Davenport风速谱能够较好地拟合渤海现场风速场。

1 现场监测系统

自2012年，中海石油有限公司天津分公司与大连理工大学合作，在我国渤海海域多艘FPSO上建立了软刚臂系泊系统现场监测系统(图1)。由于软刚臂系泊系统的风向标效应，及对风速测量的精度要求，将风速风向仪置于无遮挡的系泊支架顶部中央位置，垂向距FPSO甲板23 m。

图1 现场监测系统Fig. 1 Field monitoring system

利用监测系统的GPS和INS对平台位置和船艏向进行测量(式(1))，实时计算在役结构的相对风速风向和绝对风速风向。

(1)

其中，vr为传感器测量的相对风速值，θ为FPSO艏向角，vt为真实风速值。风速风向仪位于距海平面高度为39 m，利用Davenport风剖面指数律(式(2))将风速转换为标准高度10 m的风速时程。

(2)

2 风特征参数

风特征参数是风压计算，风荷载模拟和海洋平台抗风性能研究的重要参考指标。从实测记录可以看出，风速由长周期部分(平均风)和短周期部分(脉动风)组成。对基本风速，我国规范采用10 m为标准高度，规定平均风时距为10 min。本节对平均风进行标准时距和标准高度换算后，计算了不同重现期下的风速极值。对于脉动风，选择监测到年最大风速自然日的数据，分析了脉动分量的概率密度、湍流强度、阵风因子、空间积分尺度和功率谱密度。

2.1 多年一遇风速极值

多年一遇风速值是海洋平台设计考虑的重要环境指标。基于3年的海洋平台现场监测数据，对标准时距的风速极值进行分析，极值风速的概率密度函数如图3。分别采用极值Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型概率分布进行拟合。形状参数及尺度参数利用极大似然估计进行拟合。

图3 极值风速概率函数Fig. 3 Extreme wind speed probability density

图4 多年一遇风速值Fig. 4 Return period of extreme wind speed

采用极值Ⅰ型概率分布，式(3)，时距选取为24小时。

(3)

其中，x为位置参数，μ为尺度参数。计算得到渤海海域多年一遇风速值，如图4所示。表1为重现期为5 a、10 a、30 a、50 a多年一遇极值风速。

表1 渤海多年一遇极值风速Tab. 1 Return periods of extreme wind speed of Bohai Bay

2.2 平均风速风向

某时刻的来流风速由平均风速和脉动风速组成：

(4)

图5 平均风速Fig. 5 Average wind speed

图6 平均风向Fig. 6 Average wind direction

图7 脉动分量概率密度Fig. 7 Turbulent wind speed probability density

2.3 脉动分量概率分布

脉动风速符合正态分布，利用监测数据计算得到脉动风速时程，对脉动风速概率密度进行正态分布拟合，结果如图7所示。

对比发现脉动风分布基本符合高斯性分布，但是脉动分量的期望为正值。文献[5]对我国南海海域定点监测数据的强风场特性研究发现，南海海域的脉动风概率统计的期望均为正值。由于脉动分量的计算仅与标准时距取值有关，可以得到以下推论，脉动分量的高斯性能计算与平均风速计算所选取的时距有关，而标准时距下的脉动风高斯性不能得到最优。

2.4 湍流强度与阵风因子

湍流强度反映了脉动风的湍流特性，是描述大气湍流的最直接参数。某高度z的顺风向湍流强度为：

(5)

阵风因子是阵风风速与平均风速的比值：

(6)

其中，tg选取为3 s。阵风因子反映了时距内脉动阵风对海洋结构物的影响。阵风风速与阵风的持续时间有关，也与湍流强度有关。如图9所示，阵风因子随湍流强度增大。通过一次函数对两者关系进行拟合，拟合结果为A=2.223 5，B=-0.003 6。

图8 湍流强度Fig. 8 Turbulence intensity

图9 阵风因子与湍流强度Fig. 9 Gustiness factor versus turbulence intensity

2.5 湍流积分尺度

湍流积分尺度是表征气流中湍流漩涡平均尺度的度量。湍流积分尺度为：

(7)

其中，Ru1u2为不同位置测点脉动风速的互协方差函数。在实际测量中，考虑风速测量的空间局限，可以通过单点风速仪测量得到风场的湍流积分尺度。根据Taylor假设，将式(7)转化为单点风速场测量。

(8)

其中，Ru(τ)为脉动风速的自相关函数。

脉动风中含有不同空间尺度的漩涡，高频分量的漩涡会导致积分尺度的计算误差，为消除在湍流积分尺度的计算中高频分量的影响，采用小波变换的方法对脉动风速进行小波变换，得到不同阶数的小波近似分量(cA)和细节分量(cD)。小波分析方法在时域中有良好的局部化特征,它能够快速准确地提取样本的局部谱密度特征[10]。当近似分量自相关函数单调递减时，选取为小波变换最高阶数，代表相关性随时间逐渐降低，高频分量被消除[11]。利用变换得到的最高阶近似分量和前几阶细节分量(图10，图11)的自相关系数进行计算。

(9)

其中小波分量的能量权重为：

(10)

图10 近似分量Fig. 10 Approximate component

图11 细节分量Fig. 11 Detailed component

对24小时的纵向(顺风向)和横向湍流积分尺度计算如图12和图13所示。

图12 纵向积分尺度Fig. 12 Longitudinal integral length

图13 横向积分尺度Fig. 13 Transverse integral length

计算发现，顺风向湍流积分尺度大于横风向湍流积分尺度，年风速最大值的纵向积分尺度为433.880 8 m，横向积分尺度为73.040 8 m。

2.6 实测风谱拟合

脉动风速谱是考虑工程结构顺风向风振问题的重要参量。利用现场测量数据对渤海脉动风速进行功率谱分析，将功率谱进行无量纲化处理：

(11)

其中，Sv为脉动风速功率谱，n为脉动风频率，u*为纵向摩擦速度，k为地面粗糙度选取为0.003。常用的经验风速谱有Davenport, Simiu, Kaimal, Harris, Karman风速谱[12-13]。其中我国抗风规范中采用Davenport风速谱。利用常用经验谱与监测风速谱进行拟合，如图14所示，Davenport风谱能够较好的反映渤海海域脉动风速。

图14 脉动风速谱Fig. 14 Turbulent wind speed spectrum

3 结 语

1) 基于现场监测系统，采用极值Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型概率分布对风速极值概率密度进行拟合。利用极值Ⅰ型分布，计算了重现周期为5 a、10 a、30 a、50 a的渤海风速最大值，能够为未来在渤海海域的海洋平台设计提供参考。

2) 验证了脉动风速的高斯性，发现脉动分量的高斯性能计算与平均风速计算所选取的时距有关。计算得到了脉动风速的湍流强度和阵风因子，利用线性拟合，验证了湍流强度和阵风因子的相关性。

3) 考虑高频漩涡给空间积分尺度计算的影响，利用小波变换，得到风速时程的近似分量和细节分量。通过能量权重计算得到了阵风顺风向和横风向空间积分尺度，计算发现纵向积分尺度大于横向积分尺度。利用实测脉动风速功率谱与常用经验谱进行对比，发现Davenport风谱能够较好的反映渤海海域脉动风速。