【摘 要】
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城市化进程的加快使得典型城市地区的复杂下垫面结构取代了原有的开阔平坦下垫面,从而显著影响了城市大气边界层湍流场的运动规律,使其形成了特殊的分层结构。而城市边界层分层结构又会对城市风场特性产生诸多未知影响,为风敏感结构的抗风设计带来新的安全性、经济性挑战。本文从大气湍流运动的基本理论和分析方法出发,利用北京气象塔的长期实测风速数据,确定了城市边界层复杂的湍流分层结构,并在此基础上,对城市边界层的空气
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（51878041）；
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城市化进程的加快使得典型城市地区的复杂下垫面结构取代了原有的开阔平坦下垫面,从而显著影响了城市大气边界层湍流场的运动规律,使其形成了特殊的分层结构。而城市边界层分层结构又会对城市风场特性产生诸多未知影响,为风敏感结构的抗风设计带来新的安全性、经济性挑战。本文从大气湍流运动的基本理论和分析方法出发,利用北京气象塔的长期实测风速数据,确定了城市边界层复杂的湍流分层结构,并在此基础上,对城市边界层的空气动力学参数及强风脉动特性进行分析,建立了分层结构下的城市边界层实测风场的统计模型,完成的主要工作如下:（1）对北京中心城区2013-2017年长期风速数据的平均风速风向特性进行了统计分析,描述了该地区的气候特征和风速样本的整体分布特征;对不同季节的温度时空剖面变化和总体大气稳定度分布进行分析,以此为依据划分了北京地区具体的城市边界层分层结构范围,指出8m、16m属于城市冠层部分;80m以下属于粗糙子层,140m高度位于惯性子层;而200m及280m处于混合层。（2）基于Monin-Obukhov相似理论,挑选近中性强风数据,采用四种算法对不同结构子层组合的风速剖面进行拟合,估算了粗糙长度z0和零平面位移zd的值,结果表明,城市边界层分层结构对于确定参数值有显著影响,应同时考虑粗糙子层、惯性子层和混合层的风场剖面规律。（3）分别采用直接拟合法和Lw法讨论了风速和风向对分析结果的影响,结果表明,参数值随地形起伏有明显变化,随风速的增加有所下降,但计算结果范围较为一致。继而将地貌参数值代入不同风速剖面模型对实测剖面进行拟合,结果表明指数律模型最为适用,其剖面指数接近D类地貌。（4）基于城市边界层分层结构,讨论了近中性强风风场在不同子层的脉动湍流特性,包含湍流强度、阵风因子、脉动风速功率谱密度函数及积分尺度的变化规律,将统计分析结果与结构风荷载规范值进行对比,详细描述了分层结构对风场脉动特性的影响机制。
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