第二章 自然風場特性
第一節 自然風場的重要特性
風工程所謂的自然風場特性係指近地表的大氣邊界層流，大氣邊界層之厚 度，視地表之粗糙程度而定，通常在數百公尺之間。在地表附近空氣的流動受到 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，形成垂直分佈剖面，越接近地表風速越慢；此風速剖面梯度直接受到地表 粗糙狀況影響。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)。對於結構相關的風工程問題而言，諸如 建築結構或是橋樑結構之耐風設計等，除了與大氣邊界層高度內的平均風速剖面 息息相關之外，大氣邊界層的各項紊流特性，如：紊流強度(turbulence intensity)、
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)、陣風因 子（gust factor）等，都是處理風工程問題時不可忽略的特性。以下針對自然風 場之重要特性分項說明。
壹、 平均風速剖面
大氣邊界層中風速隨高度的變化形成風速剖面，常用的大氣邊界層風速剖面 模式有指數律(power law)及對數律(logarithmic law) 兩種，工程實務與各國風力 規範則以指數律為主：
( )
α ≤δ=U z z z z
z
U( ) ( ref) ref , (1)
式中的U(z)為某高度z的風速；U(zref)代表參考高度zref之平均風速；α 值 取決於地表粗糙度及大氣穩定度，δ 為大氣邊界層高度。亦可將α、δ 視為地表 粗糙度之函數，一般而言，α 值隨地表粗糙尺度及大氣穩定度之增加而變大，δ
亦是如此。而 Davenport 及 ANSI 分別建議δ 、α 之值可依地形之不同，採用表 2- 1 之值。
表 2- 1 Davenport 及 ANSI 建議α、δ值一覽表 Davenport ANSI
地形分類 α δ(m) α δ(m)
海岸地區 ― ― 1/10 215
開闊地區 0.16 275 1/7 275 鄉鎮郊區 0.28 400 1/4.5 400 都市地區 0.40 520 1/3 460
資料來源：Davenport(1965), ANSI
我國「建築物耐風設計規範及解說」根據美國規範 ASCE7 的規定略與修訂 後，將地況分成以下三類：
一、地況 A：大城市市中心區，α= 0.32，δ = 500m。
二、地況 B：大城市市郊、小市鎮，α = 0.25，δ = 400m。
三、地況 C：平坦開闊之地面或草原或海岸或湖岸地區，α = 0.15，δ = 300m。
日本風力規範(AIJ Recommendations for Loads on Buildings)將地況分為五 類：
一、地況 I：開闊地形或者沒有障礙物以及水平面，α = 0.10，δ = 250m。
二、地況 II：開闊地形，α = 0.15，δ = 350m。
三、地況 III：郊區住宅、工業區及林地，α= 0.20，δ = 450m。
四、地況 IV：中度發展城市，α= 0.27，δ = 550m。
五、地況 V：具有集中高層建物之大城市，例如：東京或大阪，α= 0.35，δ = 650m。
貳、紊流強度
空間相關性很差，所形成的擾動風力強度也較小。順風向紊流在 x 向的長度尺度 速頻譜模式為 von Karman - Harris Spectrum：
u 方向：
伍、風速交頻譜
陣風因子為在監測時間內（T≒24 小時），Ut(z)最大值與U3600(z)最大值之 成，大體上可以透過條狀定理(strip theorem)以及準穩定定理(quasi-steady theorem) 得到合理的評估。建築設計上重要的橫風向擾動風力主要來自流體通過建築物 時，發生的流體分離(separation)與渦散現象(vortex shedding)所造成的週期性作用 力。當建築物的高寬比與柔度都很大時，有可能在設計風速之內發生結構共振現