1）现场实测

现场实测研究一般首先通过区域内已有的气象站台或临时架设的观测点获得一定观测期内的风特性，然后根据某些相关关系或守恒特性建立区域内其他位置与已有风速资料观测点之间的联系，从而推算得到其他位置处的局部风特性。

关于风特性的现场实测开展得较早，在很多国家的建筑标准中所采用的Davenport谱[15-16]就是Davenport在世界上不同地点、不同高度处进行风特性的观测，通过对90多次观测强风记录进行统计分析而得到的。Davenport还提出了风剖面指数率模型和地面粗糙度等概念，描述了3种不同的地形类别，从而为风特性的研究奠定了基础。Duchene-Marullaz P.[17]在Nantes地区进行了一系列风观测，在3个相互独立桅杆的不同高度处放置了风速仪，统计了两次强风实测数据，得出阵风因子、紊流积分尺度、风速谱等参数，并得到了湍流强度随高度增加而减小的规律，所得的风速谱和Davenport谱的形式是相同的。为了弥补各国规范中不同地表类别抗风参数不明确的问题，加拿大、英国、挪威、美国、日本[18-22]等国家都开展了长期的风观测工作，按照风速、风向、地表类别等进行分类，建立了各自的基础资料数据库。对山区复杂地形的风环境观测，相关的学者也开展了大量的研究，如Raupach和Finnigan[23]、Miller和Davenport[24]、Carpenter Paul和Locke Nicholas[25]分别针对山顶区的风速加速效应、山体背风区的脉动风特性以及多重山脉的风场等进行了研究，给出了相应地区的实测风特性。Dickerson和Mascon[26]、Sherman[27]、Ludwig[28]、Cheng和Shang[29]、Finardi和Tinarelli[30]基于质量守恒原理，根据已获得的观测资料，以地形特点和地表粗糙度为变量建立了复杂地形区内空气流动关系，得到研究区域内不同水平位置、不同高度处平均风的分布特点。其中，Finardi和Tinarelli的分析结果与实测数据符合较好。

陈伏彬、李秋胜等[31-33]以广州国际会展中心为工程背景，测试了2008年台风“鹦鹉”登陆时风特性及风致振动响应，获得了有实际工程意义的大跨结构风效应的实测数据。采用功率谱峰值拾取法、频域分解法和随机减量法拾取其振动模态，将实测结果与有限元数值计算结果进行对比，评估了数值计算的有效性；同时，基于近海岸100 m高测风塔的现场实测数据，获得了台风登陆时平均风速剖面与湍流度剖面。在大气边界层风洞中，重现此台风风场与规范类风场条件，分别对某一体育场刚性模型开展了测压试验工作，详细分析与对比了两类风场条件下大跨屋面风荷载分布规律特征，评估了台风风场条件下风荷载取值。李秋胜、胡尚瑜等[34-36]基于近海岸台风观测系统，获取了登陆台风10 m高度处三维风速数据，对在近海岸地貌强风条件下，10 m高度处的风特性和湍流特性进行了统计。对湍流强度的均值、阵风因子和湍流强度等风特性进行了分析，分析表明紊流积分尺度随湍流强度增加而相应减少。同时，基于双坡屋面试验房及台风观测系统，获取了近地台风风速实测数据，对近地边界层台风风特性进行了研究。近地边界层高度范围内的平均风速剖面符合对数律和指数律分布，平均湍流强度剖面符合指数律分布。与良态季风条件下相比，台风风剖面参数如摩擦速度值、地面粗糙度长度、风剖面幂指数值等相对变大，台风天气条件实测的平均湍流度相对季风实测值增大20%。Y.L.Xu等[37]与我国香港特别行政区香港路政署合作，在青马大桥上建立了完善的风和结构健康监测系统，通过该系统对台风作用下桥梁的响应进行了实测，并将实测响应值与斜风作用的理论分析结果进行了对比。史文海[38]对台风作用下低矮房屋及大跨度结构的风荷载进行了大量的现场实测，分析了台风荷载作用下建筑物所受风荷载的分布情况。王桂玲和蒋维楣[39]、余琦和刘原中[40]应用不同的插值方式由观测数据得到了所关注位置的风特性。

在桥址区风特性现场实测方面，宋丽莉、秦鹏、黄林宏等[41-45]通过桥址区风速观测点的观测资料对考虑地形影响的桥址区风特性进行了分析，同时也对复杂山地近地层强风特性、广东沿海近地层大风特性以及新疆哈密地区的风特性进行了现场实测。庞加斌、林志兴、宋锦忠、李杏平等[4，46-47]对上海市周边地区、苏通长江大桥桥址区和四渡河大桥桥址区风特性进行较长期的现场观测，分析了沿海和山区的强风特性，对峡谷区桥梁抗风设计风速的确定方法进行了讨论。朱乐东等[48-50]对坝陵河大桥桥址区风特性进行了现场实测，分析了桥址区脉动风特性、风剖面形式以及设计基准风速等。武占科等[51]对上海环球金融中心工程场地良态风环境特性进行了观测分析。胡峰强、陈艾荣等[52]对四渡河大桥桥址区风特性进行了现场实测。刘健新、胡兆同、胡玥等[53-58]对禹门口黄河大桥的风特性进行了现场实测，对桥址区的谱特性进行了分析。陈政清、张志田、金磊等[59-61]采用悬索吊挂式系统对矮寨大桥的风特性进行了现场实测，分析了桥址区的风特性，确定了桥址区的设计基准风速。陈政清、柳成荫、倪一清[62]通过岳阳洞庭湖大桥上安装的超声风速仪，对桥位处的风特性进行了长时间实测，实测结果表明桥位处的湍流强度比规范值要低很多，这种较低的湍流度导致了洞庭湖大桥容易发生风雨振动。刘峰、许德德等[63]在北盘江大桥建立了风观测塔，对风速及风剖面短期风速测点与邻近气象站台进行同步观测，根据短期观测资料建立桥址区与气象站台间的相关关系，基于气象台站长期观测统计资料推算桥址区的设计风速，但其风速沿高度变化及脉动风特性分析中仍采用平坦开阔地区风特性规律，这种规律应用于复杂地形地貌桥址地区具有一定的局限性。大连理工大学欧进萍、胡俊等[64-65]在东海某大跨度悬索桥上安装了风监测系统，对桥址区的风特性进行了长时间的实测分析。廖海黎、刘明等[66]先后对苏通长江大桥和西堠门大桥风特性进行了现场实测，考察了桥址区的脉动风特性。李永乐等[67]针对风速观测记录的特点，证明了利用不同高度处月最大风速记录推算地表粗糙度系数的可行性，并对通过最小二乘拟合得到的地表粗糙度系数进行了统计分析，并根据原始风速观测记录和基本风压分布图推算了实桥的设计基准风速。李永乐等[6]基于深切峡谷桥址区现场实测风速记录，分析了其与周边气象台站观测记录的相关性，指出风速相关分析中采用比值法的合理性，并针对深切峡谷区大跨度桥梁的特点提出了“复合风速标准”的概念，该桥风特性现场实测研究仍在进行中。黄国庆、彭留留、苏延文等[68-69]开发了一套基于远程无线高效传输的风观测系统，该系统能在较恶劣的气候条件下工作，为山区峡谷地形中风参数的实测提供了便利。此外，气象部门也针对桥址区风特性开展了部分现场实测研究，如刘聪[70]、陈正洪等[71]。相关桥梁现场实测如图1.1所示。

图1.1　现场实测照片

2）风洞试验

地形模型风洞试验中，在模拟大气边界层的基础上，以实际地形为参照，按照一定缩尺比制作反映实际地形特点的地形模型，通过合理布置测点或流迹显示方式，获取特定位置的风特性和整个复杂地形区域内的风场分布。

Cheung等[72]对缩尺比分别为1∶200，1∶1 500的高334 m香港青衣山尾流区的风速、脉动特性及雷诺剪应力进行风洞试验测量。Rasouli等[73]（2001）应用粒子显示技术，对香港地区5.0 km×5.0 km范围（缩尺比1∶3 000）空气流动的水平及垂向速度分布进行了试验。

Yamaguchi和Ishihara等[74]对日本Shakotan Peninsula带悬崖地形特征的直径8.0 km地区（缩尺比1∶2 000）进行了地形模型风洞试验，对不同风向作用下不同位置的风特性进行了测量，指出在复杂地形下，风剖面不再以指数规律随高度变化。Gong和Ibbetson[75]采用风洞试验的研究手段，对风场流经单个山体时的紊流特性进行了研究，给出了不同位置处的脉动风特性。Finnigan和Raupach[76]以两个连续起伏的简单山体为研究对象，在风洞试验室中实测了两个山体不同位置，不同高度处的风场变化规律，其研究结果对复杂地形区的风特性研究有指导意义。Ferreira等[77]同样以两个连续起伏的简单山体为研究对象，给出了不同位置处的风场分布规律。Hyun Goo Kim和Choung Mook Lee等[78]通过风洞试验和数值模拟相结合的研究手段，研究了两个理想山体的紊流度、风剖面等分布规律，并且对两种研究手段的研究结果进行了对比分析。

同济大学胡峰强、陈艾荣和王达磊[52]进行了桥址区半径2.4 km范围（缩尺比1∶1 000）的地形模型风洞试验。同济大学庞加斌、宋锦忠和林志兴[4]建立了气象站台基本风速与海拔的拟合关系式，同时通过直径10 km范围（缩尺比1∶1 500）地形模型风洞试验对设计风速进行地形修正。湖南大学陈政清、张志田和李春光等[59，79]通过桥址区直径2 km范围（缩尺比1∶500）的地形模型风洞试验，确定了桥梁的设计风速标准及脉动风特性。长安大学刘健新、胡兆同、张玥、张高良等[54-58，80]对新疆、黄河等峡谷地区的风特性进行了风洞试验，并将试验结果和现场实测数据进行对比分析，研究了山区风特性参数风速剖面、湍流度、紊流积分尺度、风速功率谱等。重庆大学李正良、李鑫等[81]通过风洞试验和数值模拟相结合的手段，分别系统地研究了简单山地地形（单个山体）和复杂山地地形（多个连续山体）的近地风特性，通过刚性山体模型风洞试验，对典型的单个三维山体风场进行分析，系统地探讨了不同的山体坡度、山体高度以及来流风速等对山体表面平均风速特性和脉动风速均方根值特性的影响。浙江大学项贻强、叶征伟等[82]通过风洞试验和现场实测对山区高墩大跨连续刚构桥风环境及风荷载进行了研究。西南交通大学徐洪涛、王凯、廖海黎等[83-85]先后对具有复杂地形地貌的坝陵河大桥进行了桥址区地形模型风洞试验的专题研究，研究表明坝陵河特大桥在横桥向来流作用下，跨中桥面高度处风速受到“峡管效应”的增速作用。峡谷内平均风剖面的分布具有明显的不均匀性，桥面高度处平均攻角范围高于规范要求值。桥面高度处的水平和竖向脉动风速功率谱与规范谱在高频区吻合较好，在低频区有较大差别。胡朋、李永乐等[86-88]针对山区峡谷桥址区地形模型边界过渡段的合理形式，通过理想流体圆柱绕流推导出一种曲线过渡段，并与斜坡过渡段及不同长度的曲线过渡段的流动特性进行对比分析，提出了一种用于风洞地形模型试验的过渡段曲线形式，并将该过渡段应用到实际地形模型风洞试验中，取得了较好的效果。(www.daowen.com)

上述地形模型风洞试验多数是面向工程应用的，在风场结构时空分布特性及空气流动机理等方面的基础性研究仍有较大的研究空间。桥址区地形对桥梁抗风性能的影响日益引起业界的重视，部分全桥气弹模型试验中已初步考虑了地形的影响，如日本多多罗大桥[89]除进行大比尺（1/70）全桥模型风洞试验外，还进行了考虑周边地形的小比尺（1/200）全桥模型试验，但由于桥址区海拔高差不大，风洞试验中缩尺后的局部地形范围也较为有限。Maysville Bridge[90]的1/150气弹模型在RWDI 4.9 m×2.4 m风洞中进行试验，试验中考虑了地形的影响，但其两岸地形均为理想化的模型。Skarnsund Bridge[91]施工阶段气弹模型风洞试验中考虑了西北部山体的影响，但其地形相对单一，此外风洞阻塞度超过了5%。西南交通大学郑史雄、李永乐、廖海黎[92]在长沙浏阳河大桥气弹模型风洞试验中考虑了附近旧桥及周边地形的影响，分析了大桥在旧桥影响下的风荷载分布情况。需要指出的是，目前在气弹模型风洞试验中采用的地形模型多为抽象化的模型或相对简单的模型，考虑地形影响的气弹模型风洞试验研究尚处于探索阶段。国内几个大桥的地形模型风洞试验如图1.2所示。

3）数值模拟

地形模型数值模拟通常以计算流体动力学（CFD）为基础，计算模拟复杂地形区域上方的空气流动情况，从而得到边界层内不同位置处风特性分布规律。

Nomura[93]在1997年应用有限元方法并考虑地球自转产生的科里奥利力（Coriolis force）对日本8.0 km×8.0 km复杂地形区的风特性进行数值模拟，讨论了计算区域内风场的分布规律。Yamaguchi和Ishihara等[94]在2003年，以日本某海边山区地形为研究对象，在进行风洞试验的同时基于雷诺时均流动方程与标准k-ε湍流模型对该区域的风场进行了线性与非线性的数值模拟，通过数值模拟得到了计算区域中的风速及风向分布情况，通过与试验结果的对比发现，非线性数值模拟结果与试验结果较吻合。Uchida和Ohya[95]在2003年，采用大涡模拟的方法对9.5 km×5.0 km范围内复杂地形区空气流动进行了数值模拟，在数值模拟中使用粗糙方块制造了脉动风场，最后获得了计算区域内平均风速与脉动风速情况，研究了地形因素对风场的影响规律。Y.Q.Xiao等[96]在2007年，针对10.1 km×6.9 km区域内小岛的风速和风向进行了研究，在研究中应用不同的湍流模型进行了区域风场的仿真模拟，并将数值结果与实测结果进行了对比。Mouzakis和Bergeles等[97]以二维山脊为研究对象，采用数值模拟的手段分析了气流通过该二维山脊时的流动规律。Coelho和Pereira[98]以简单地形为研究对象，采用二维和三维非结构化网格，通过数值模拟的方式对气流通过山体的流动规律进行分析。Maurizi A.等[99]采用数值模拟的手段对葡萄牙北部一个山区的风环境进行了研究，给出了山区中风场变化规律。Kim H.G.和Patel V.C.[100]模拟了流体绕过山谷形成的风环境，其数值模拟结果与现场风观测的结果取得了较好的一致性。

图1.2　地形模型风洞试验

同济大学的胡峰强、陈艾荣等[101]以位于山区的贵州北盘江特大桥与湖北四渡河大桥所在周边地形为研究对象，开展了大型地形模拟风洞试验、桥位风观测和数值分析。采用FLUENT对桥位处的风特性进行了分析，探索了桥址区风场的分布规律，并在此基础上对山区桥梁的设计风速进行了合理推断。湖南大学陈政清、华旭刚等[79，102]开展了矮寨大桥桥址区风特性的研究，并且利用数值模拟的手段对大跨桥梁的耦合颤振问题进行了深入研究，提出了一种在ANSYS中直接分析大跨桥梁三维全模态颤振的有限元模型和频域方法。哈尔滨工业大学肖仪清、李朝[103-105]用不同的湍流模型对某山区地形的三维风场进行了数值模拟，提出了新的三维稳态轴对称静止型下击暴流和壁面冲击射流风场中径向速度的竖向形状函数，并改进了现有径向速度的径向形状函数的可调节性和精度。基于流体力学质量守恒方程，提炼了由径向速度形状函数推导竖向速度的形状函数的通用方法。长安大学刘健新、胡兆同、张玥等[53-57]对峡谷河道变为宽浅河道的喇叭口地形风场进行了数值模拟。基于“数值风洞”模拟技术采用k-ε湍流模型按有实桥结构和无实桥结构两种情况建立数值计算模型，模拟了7种工况下桥位及其周边的风场，得到了桥位处风剖面、风场风速流线、压力流线、湍流等分布规律，并将计算结果和现场风观测数据进行了对比分析。西南交通大学祝兵等[106-107]通过足尺现场的数值模拟和气象学资料建立了高耸建筑结构周围行人高度风环境的数学模型，并将所建立的数值模型应用于香港地区的建筑物周边风环境的评估。李永乐等[5]针对深切峡谷桥址区进行了8.0 km×8.0 km区域地形风场数值模拟分析，对比分析了不同风向情况下桥址区风速沿高度的变化情况，根据不同高度空气流动特点，提出将深切峡谷桥址区风场分为峡谷层、峰峦层和中高空层，根据风速沿主梁方向的变化特点，得出了平均风速和风攻角的联合分布，在一定程度上揭示了深切峡谷桥址区空间风场的分布特征。胡朋、李永乐等[108]针对山区峡谷桥址区地形模型边界过渡段的合理形式，通过数值模拟的研究手段，找到一种较为合理的地形模型风洞试验过渡段曲线，并与斜坡过渡段及不同长度的曲线过渡段的流动特性进行对比分析。

近年来，数值模拟技术在风工程中的应用得到了较快的发展，CFD方法能大大减少人力和资源的投入，且能定量地确定流场结构，有利于对空气流动机理的认识。但由于CFD方法在湍流与分离流模拟中的局限性，数值模拟计算结果的准确性有限，现阶段通常作为现场实测和风洞试验的补充研究手段。因此，在实际工程中应用的深度和广度仍有较大的空间。典型的数值计算网格和流线如图1.3所示。

图1.3　数值计算网格和流线

综上所述，风场时空分布特性的研究手段一般有现场实测、风洞试验和数值模拟3种。3种研究手段中，现场实测是最为直接和有效的，但现场实测往往受到地形和科研经费的限制，现场实测的风观测站数量通常也较为有限。在风洞试验中，可方便地对关心位置处的风特性进行测量，但是地形模型风洞试验的缩尺比通常较小，在如此小的缩尺比下如何保证风洞试验的结果能代表实际地形的流动，这也是风洞试验的关键所在。同时，风洞试验中地形边界的处理也直接影响试验结果的准确度。数值模拟是几种研究手段中最为方便、投入最少的一种，但数值模拟的精度还有待进一步提高。因此，在地表风特性的研究中，通常采用几种研究手段相结合的方式进行。