地表風場特性

地表附近空氣的移動受到地面之起伏、建築物、林木作物分佈等的磨擦 作用的影響，使得平均風速隨高度而變，形成一垂直分佈剖面，越接近地表 風速越慢(參見圖 2-1)；換言之此「風速剖面」直接受到地表粗糙狀況之影響。

而影響所及的範圍就稱之為「大氣邊界層」。在邊界層頂部之風速通常稱之 為梯度風速(gradient wind)。

一般風工程之應用所涉及的問題大都發生在較強的風勢情況下，近地表 上數百公尺高度的大氣邊界層範圍之內。在強風的情況下，大氣紊流作用遠 超過熱對流作用。由於紊流之強制混合趨向於形成中性層差。所以本節對大 氣邊界層之討論僅限於中性層差之大氣邊界層。

大氣邊界層之厚度，在中性層差的情況下，視風之強度、地表之粗糙程 度及所在之緯度而定，通常在數百公尺至數公里之間。本案之風洞模擬實驗，

很重要之一項工作即是要模擬邊界層高度內紊流流場的各項重要性質，其中 包括有平均風速特性及紊流特性。

一、平均風速剖面

一般常用於規範邊界層風速剖面的有兩定律，一為指數律(power law)，

另一則為對數律(logarithmic law)。

（1）指數律(power law)

邊界層流中水平方向均佈之地形上的平均風速剖面，以指數律表示：



 ^_^



Z U( )

(2-1)

其中，U 為縱向之平均風速；Z 為地表上之高度；U^δ為梯度風速；δ為 大氣邊界層厚度；α為指數。在現行工程應用中之假設為：○1 一個α為定值 之指數律可是用至梯度高度δ。○2 邊界層厚度δ僅只為指數α之函數。

（2）對數律(logarithmic law)

越接近地表的地方，其風速的擾動性越高，解析描述也就越加困難。在

其中，k(≅0.4)為 Von Karman 常數；Z₀為地表粗糙長度(roughness length)。

公式(2-3)即為通常所稱之對數律。實場量測結果指出，在強風之情況下，對 數律之適用範圍可達數百公尺之高度。有關在不同地表情況下，上述討論之 大氣邊界層各參數的建議值詳見表 2-1。

二、紊流特性

紊流強度是紊流擾動流速大小的表達方式。將擾動風速之均方根值(root mean square)除以平均風速值，以百分比之方式表達出來，邊界層中某特定高 度 Z 之紊流強度，其定義如下：

其中，β值通常假定與高度無關，在一般工程應用上可取為 0.6。在非 常粗糙的地況下，其值最低可達 0.4。

大氣邊界層中的紊流性質除了前述的紊流強度之外，紊流長度尺度 (turbulence length scale )以及紊流頻譜密度函數(turbulence power spectrum density function)和交相關頻譜(cross-spectrum density function)都是進行風洞 模擬時不可忽略的重要特性。

圖 2-1 不同地況下平均風速隨高度之變化示意圖 資料來源：【11】

表 2-1 大氣邊界層之α、δ及Z 建議值 ₀

參考文獻 Coastal Area Open Terrain Suburban Terrain Centers of Large City α¹ δ² Z0³ α δ Z0 α δ Z0 α δ Z0

Davenport – – – 0.16 275 – 0.28 400 – 0.40 520 – ANSI 0.1 215 – 0.14 275 – 0.22 370 – 0.33 460 –

Cook, N. J – –

0.003

∣ 0.01

– – 0.03

∣ 0.1

– – 0.3 – – 0.8

ESDU – – – – – 0.02

∣ 0.1

0.26 –

0.2

∣ 0.6

0.35 – 0.7

∣ 1.2 耐風設計

規範 － － – 0.15 300 – 0.25 400 – 0.36 資料來源：【本研究整理】

1α：邊界層風速剖面冪數律指數

2δ：邊界層厚度，單位：公尺

3 Z0：粗糙長度，單位：公尺