历史气象观测资料表明，重庆市的强对流天气的高发期集中在5—9 月，因此风速测量起止时间选择了2014 年5 月1 日—2015 年4 月30 日，历时一年，研究人员按月对数据进行采集，每月采集整理一次。 采集到的数据分析流程如图2.7 所示。 文中应用矢量分解法对采集到的风速数据进行处理，其原理如图2.8 所示。 在对测量结果进行处理之前，首先需要对原始数据进行预处理。 根据风速仪数据的校验位检验各点数据的有效性，对于受降雨、环境或者数据采集系统稳定性影响的无效数据必须删除，同时计算数据的有效率，只有有效数据超过90%的才参与计算。 湍流特性分析基于10 min 时距，根据日期、时间顺序划分10 min子样本，重新计算子样本的有效率，有效率超过95%的子样本才被用作湍流特性分析的数据，而且在进行积分尺度和频谱分析时，被删除的无效数据点在对应时间位置插值补充完整，保证时间信息完整性和样本长度一致性。

图2.7　数据分析流程图

图2.8　矢量分解法原理图

1）风速与风向

图2.9 中给出了风速风向测量系统不同高度处在观测期间每个月的最大风速和每个月的极大风速曲线。

图2.9　观测期每月最大风速和每月极大风速

从图2.9 中可知：

①风速风向观测系统在10 m 高度处的风杯风速仪测量得到的月最大风速和月极大风速与三维超声风速仪的测量数据基本接近，表明这两套风速仪都处于正常工作状态，得到的数据可信度高。

②月最大风速和月极大风速的变化趋势均为随着高度的增加而增大，月最大风速比月极大风速变化趋势更加规律、更加明显。 10 m 高度处月最大风速和月极大风速分别为19.3 m／s和25.2 m／s，100 m 高度处月最大风速和月极大风速分别为27.7 m／s 和33.3 m／s。

③在4 月、7 月、8 月、9 月和10 月这5 个月份中月最大风速均超过了10.0 m／s，其余月份风速相对较小。 重庆市累年平均风速较小，为1.12 m／s，而桥址处一年的平均风速为3.8 m／s，最大风速和极大风速约为累年平均风速的17.23 倍和22.86 倍，证明桥址处的局域性小气候特征明显。 形成局域性小气候的原因可能为局地强对流，空气受热不均，因压力差而形成动力，也可能是风在通过时受到两岸坡地的阻挡，速度加快，形成了局部大风。

④出现月最大风速大于10.0 m／s 的时间主要集中在4—10 月，将本次数据记录和重庆市历史天气资料相比，发现大风与雷雨天气同时出现概率较大。

通过对一年的风向实测数据进行统计分析，得到了寸滩长江大桥桥址处的风玫瑰图。10 m 高度和50 m 高度处的风玫瑰图如图2.10 所示。

图2.10　不同高度处风玫瑰图

由图2.10（a）可知，10 m 处的风玫瑰图风向以北为主，频率值为0.254，其次为正南方向（S）风速，频率值为0.112。 由图2.10（b）可知，50 m 处的风玫瑰图风向以北风偏西北为主，频率值为0.205，其次为东南偏南方向（SSE）风速，频率值为0.101。 风玫瑰图随高度的变化而变化，随着高度的增加，主风向朝着西北方向发生了偏移。 10 m 高度处主风向为北风（N），50 m 高度处主风向为北风偏西北风（NNW）。

在计算寸滩长江大桥桥址处的基本风速时，如果直接根据观测期间实测数据来计算该桥桥址处100 年重现期下的基本风速，其结果可靠性较低。 为此，采用了仅需要较小样本数量的跨阈值方法（越界峰值法）来进行推算，这样在降低最大风速权重的同时，有可能保留一年中较多的次最大风速，使在较短风速序列的基础上估计基本风速成为可能。 与跨阈值方法关联的概率分布模型一般采用GPD 模型：

式中　x——风速变量；

vs——风速阈值；

b，c——尺度和形状参数，且满足：

跨阈值方法关键在于确定适当的阈值。 对于取自风速母体的子样｛v1，v2，v3，…，vn｝，选取足够高的风速阈值vs，使｛vi，i＝1，2，…，m≤n，vi＞vs｝，满足独立性要求，即风速超越阈值成为泊松事件。 当n→∞时，跨阈值风速分布渐近于GPD。 确定阈值的原则就是在满足跨越阈值次数服从泊松分布的前提下保留尽可能多的独立子样个体，在本次计算中风速阈值vs ＝12.0 m／s。

对于给定阈值vs 的合理范围，GPD 具有跨阈分布的稳定性，可确定GPD 的分布参数，也可由变量y ＝x－vs 的矩特征得出GPD 分布的其他待估参数。

其尺度和形状参数b，c 的表达式分别为：

式中　Y——跨阈值风速样本序列；

E，σ——风速样本的期望值和方差。

若要计算重现期T 年内的最大风速vmax，首先确定最大风速分布的分位点概率值：

式中　λ（vs）——风速年均跨越阈值率。

一般情况下，λ（vs）可表达为：

式中　μ0——超过某一给定风速值的年均发生率（强风发生概率）；(www.daowen.com)

n（vs）——风速超越阈值vs 的极值风速平均发生次数；

N——超过某一给定风速值的年平均次数。

以6.0 m／s 为给定风速值，根据实测到的291 组数据，μ0 ＝0.175，N＝51，n（vs）＝5。

将式（2.26）、式（2.27）代入式（2.22），可得：

由此可计算重现期T 年（本次计算中取T ＝100）内的最大风速，即桥址处的设计风速为：

在实测数据中经过筛选，共有291 组有效数据值，数据的期望值E（Y）＝3.8 m／s，σ（Y）＝1.51。 通过式（2.29），可以得到该桥桥址处100 年重现期下的基本风速为28.1 m／s。

2）风剖面指数

当风速风向观测系统的位置离主桥位置较远时，较低高度的测量数据不能够准确地反映桥址处风廓线特征。 本次测量塔布置在桥墩的塔吊上，因此，观测数据能够比较合理地反映桥址处的风速剖面特征。

风剖面模型有指数律分布和对数律分布两种。 测量塔位于长江水域边缘，江面要比陆地更快到达摩擦层上部的大气层，贴地层比陆地上的要薄，因此风速剖面用指数律分布模型形式更合适。

为了得到大风风速剖面特性，首先选择实测到的10 m 高度处平均风速大于10.0 m／s的风速数据进行分析。 在观测期内共记录了16 次满足条件的大风数据，应用Origin 中的自定义函数非线性拟合功能（Nolinear Curve Fitting 选项），自定义函数为x ＝（y／10）α×28.1，对10～100 m高度处的风速数据点进行拟合，得到的风剖面指数见表2.7，部分拟合曲线在图2.11中给出。 其中，风剖面指数的最大值为0.239，最小值为0.143，平均值为0.170，标准差为0.023，其值高于规范值0.160，证明桥址处风剖面模型与《规范》差别较大。

表2.7　16 次强风记录风速及风剖面指数

图2.11　风剖面拟合曲线

为了更合理地描述桥址处风速剖面特性，需要增加风速实测值的数量，因此，将平均风速阈值降低至6.0 m／s。 此时满足条件的风速样本数据记录共有51 次，通过不同高度处的风速进行拟合，得到其风剖面指数见表2.8。 风剖面指数的最大值为0.239，最小值为0.103，平均值为0.168。 风剖面指数的统计描述可为今后进一步开展桥梁抗风概率设计研究奠定基础。 考虑到目前公路桥梁抗风设计规范采用确定性设计方法，故建议本桥抗风分析时桥位风剖面指数取为0.170。

表2.8　51 次风剖面拟合指数αw值

3）风攻角

据重庆市气象资料记载，1985 年5 月2 日，最大风速达到36.8 m／s（十二级），风向为北风。 1991 年6 月24—25 日，连续两天以上出现大风天气，极大风速分别是：24.3 m／s（九级）和17.4 m／s（八级），风向都是东北风。 2014 年8 月26 日2：25—2：35 时段记录到一次强风，风速时程曲线如图2.12 所示，瞬时极大风速达到了25.2 m／s（十级）。 本次记录到的强风在重庆市较为罕见。

图2.12　2014 年8 月26 日2：25—2：35 时段风攻角及风速变化曲线

选择观测期间的51 次风速在6.0 m／s 以上的风速记录对风攻角进行分析，给出了2014年8 月26 日2：25—2：35 时段风攻角及风速变化曲线，此段为一个基本时距记录值，共计1 200个数据点，如图2.12 所示。

在2014 年8 月26 日2：25—2：35 时段内，10 m 高度处10 min 平均风速最大值为19.3 m／s，对应的10 min 平均风攻角为－2.56°，该时段风攻角范围为－16.3°～15.4°。 从图2.12（b）可知，在2014 年8 月26 日2：25—2：35 时段内，50 m 高度处10 min 平均风速最大值为25.1 m／s，对应的10 min 平均风攻角为0.1°，该时段风攻角范围为－20.4°～18.7°。本次测量获得的风速样本较多，为了便于分析，在数据处理中，先根据原始数据计算不同高度观测设备在10 min 时距内平均风速及风攻角，然后再通过加权平均得到一天的平均风速及风攻角，最后得到不同高度处的平均风速及风攻角的变化规律。 图2.13 给出了2014 年8 月26日10 m 和50 m 处平均风速及风攻角的变化情况，此段记录中包含144 个基本时距，共计172 800 个数据点。

图2.13　2014 年8 月26 日平均风速及风攻角

由图2.13 可知，观测期间强风时段（10 m 高度处平均风速＞10.0 m／s）10 m 高度处，风攻角范围为－18.3°～17.8°，50 m 高度处风攻角范围为－22.4°～20.1°。 观测期间大风时段（10 m高度处平均风速＞6.0 m／s）10 m 高度处风攻角范围为－20.4°～19.1°，80 m高度处风攻角范围为－23.0°～21.3°。 10 min 平均风速超过6.0 m／s 的大风样本中风攻角的变化范围非常大，则平均值为－3.9°，但是数值极其不稳定。

寸滩长江大桥桥址处的平均风特性如下：

①大风主要集中在7、8、9 三个月份，大风的极值风速远大于平均风速。

②风向主要为北风，风向随着高度的增加而变化，主导风向朝着西北方向偏移。

③桥址处100 年重现期下的基本风速为28.10 m／s。

④10.0 m／s 以上大风的风剖面指数的最大值为0.239，最小值为0.143，平均值为0.170，标准差为0.023。 6.0 m／s 以上大风的风剖面指数的最大值为0.239，最小值为0.103，平均值为0.168。 两个值都高于规范值0.160，证明桥址处风剖面模型与规范差别较大。

⑤风攻角变化范围较大，且数值极其不稳定。