標準地況自然風場實場監測與特性分析(三)

標準地況自然風場實場監測與

特性分析(三)

內 政 部建 築研 究 所委 託研 究 報告

中華民國 100 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

100301070000G1016

標準地況自然風場實場監測與

特性分析(三)

受 委 託 者：社團法人中華民國風工程學會

研究主持人：鄭啟明

協同主持人：蔡明樹

研 究 助 理：陳正瑋、陳煌志

內 政 部建 築研 究 所委 託研 究 報告

中華民國 100 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

目次

表次 ... V

圖次 ... VII

摘要 ...XXIII

第一章 緒論 ... 1

第一節 研究緣起與背景 ... 1

第二節 國內外之相關研究 ... 1

第三節 內容簡述 ... 2

第二章 自然風場特性 ... 5

第一節 大氣紊流邊界層 ... 5

第二節 現行風力規範對於自然風場之規定... 12

第三章 自然風場監測之規劃 ... 17

第一節 測點之選址 ... 17

第二節 光達之性能、操作方法及數據分析... 25

第三節 紊流特性的量測與數據分析 ... 31

第四節 2009 年度重要監測結果 ... 35

第五節 2010 年度重要監測結果 ... 36

第四章 本年度光達實場監測結果 ... 41

第一節 A 地況實場監測分析 ... 41

第二節 B 地況實場監測分析 ... 56

第三節 C 地況實場監測分析 ... 65

第五章 本年度大氣邊界層紊流特性觀測結果 ... 71

第一節 仁愛路中華電信北區分公司颱風資料觀測分析 71

第二節 信義路中華電信大安大樓颱風資料觀測分析 .... 74

第三節 宜蘭酒廠超音波風速計監測分析 ... 78

第四節 中央電台季風資料觀測分析 ... 82

第五節 中央電台颱風資料觀測分析 ... 99

第六章 2009~2011 年實場監測數據綜合分析 ... 111

第一節 季風帄均風速剖面特性 ... 111

第二節 颱風帄均風速剖面特性 ... 122

第三節 帄均風速剖面比較與討論 ... 131

第四節 大氣邊界層紊流特性 ... 133

第五節 大氣邊界層紊流特性比較 ... 149

第一節 結論 ... 151

第二節 建議 ... 152

附錄一 期中審查意見暨回覆 ... 155

附錄二 期末審查意見暨回覆 ... 161

表次

表 2-

1

D

AVENPORT

及 ANSI 建議

Α

、

Δ

值一覽表 ... 6

表 2-

2

「建築物耐風設計規範及解說」在三種地況中之地

面 10 公尺高度以及梯度高度處的紊流強度 ... 7

表 2-

3

同時間長度之

C

(

T

)值 ... 9

表 2-

4

各地況粗糙長度 ... 11

表 2-

5

各地況粗糙長度 ... 12

表 3-

1

超音波風速計儀器基本特性 ... 32

表 3-

2

2009 年 9 月 11 日全數據整理 ... 35

表 3-

3

芭瑪颱風於壯圍鄉新南國小全數據整理 ... 36

表 3-

4

2010 年 3 月 6 日分析數據整理 ... 37

表 3-

5

2010 年 4 月 13 日分析數據整理 ... 37

表 3-

6

2010 年 3 月 15 日分析數據整理 ... 38

表 3-

7

凡那比颱風於宜蘭市光復國小全數據整理 ... 39

表 3-

8

2010 年 4 月 1 日到 2 日分析數據整理... 39

表 4-

1

2011 年 1 月 5 日到 7 日分析數據整理 ... 43

表 4-

2

2011 年 1 月 21 日到 23 日分析數據整理 ... 45

表 4-

3

2011 年 8 月 6 日分析數據整理 ... 48

表 4-

4

2011 年 8 月 29 日分析數據整理 ... 52

表 4-

5

2011 年 3 月 7 日到 8 日分析數據整理... 58

表 4-

6

2011 年 5 月 27 日分析數據整理 ... 61

表 4-

7

2011 年 3 月 15 日到 16 日分析數據整理 ... 69

表 6-

1

A 地況全數據整理(季風) ... 111

表 6-

2

B 地況全數據整理(季風) ... 116

表 6-

3

C 地況全數據整理(季風) ... 119

表 6-

4

A 地況全數據整理(颱風) ... 123

表 6-

5

B 地況全數據整理(颱風) ... 125

表 6-

6

C 地況全數據整理(颱風) ... 129

表 6-

7

颱風與季風之風速剖面參數比較 ... 131

表 6-

8

颱風順風向擾動頻譜係數整理 ... 147

表 6-

9

中央電台颱風與季風各數值比較 ... 150

圖次

圖 1-

1

研究流程 ... 3

圖 2-

1

粗糙長度 Z

₀

之線性迴歸圖 ... 11

圖 2-

2

各國都市地形規範之比較 ... 15

圖 2-

3

各國鄉村地形規範之比較 ... 15

圖 2-

4

各國開闊地形規範之比較 ... 16

圖 2-

5

各國海帄面地形規範之比較 ... 16

圖 3-

1

A 地況量測位置(淡江大學城區部) ... 17

圖 3-

2

B 地況量測地點(宜蘭市光復國小) ... 18

圖 3-

3

C 地況量測地點(宜蘭縣壯圍鄉新南國小) ... 19

圖 3-

4

淡水中央電台周圍建築物(圓圈處電台位置) ... 20

圖 3-

5

淡水中央電台儀器裝置示意圖 ... 21

圖 3-

6

台北市仁愛路一段 42 號中華電信北區分公司(圓圈

處) ... 22

圖 3-

7

台北市仁愛路儀器裝置示意圖 ... 22

圖 3-

8

台北市信義路四段 88 號中華電信大安機房(圓圈處)

... 23

圖 3-

9

台北市信義路儀器裝置示意圖 ... 24

圖 3-

10

宜蘭酒廠(圓圈處) ... 24

圖 3-

11

宜蘭酒廠儀器裝置示意圖 ... 25

圖 3-

12

不同類型的光達掃描策略 ... 26

圖 3-

13

VAD 法之示意圖 ... 27

圖 3-

14

日本三菱 LR-08FSⅢ型光達主機(左)及鏡頭

(右)

... 28

圖 3-

15

增強光達之防水性能所添置之天窗(左) ... 28

圖 3-

16

放置千斤頂之車輛示意圖(右) ... 28

圖 3-

17

持續性壓縮空氣示意圖 ... 29

圖 3-

18

光達相關名詞定義 ... 30

圖 3-

19

數據分析流程 ... 34

圖 4-

1

2011 年 1 月 5 日到 7 日風速歷時圖 ... 41

圖 4-

2

2011 年 1 月 5 日到 7 日風向歷時圖 ... 42

圖 4-

3

2011 年 1 月 5 日風速剖面(Z

₀

=1.1311) ... 42

圖 4-

4

2011 年 1 月 21 日到 23 日風速歷時圖 ... 43

圖 4-

5

2011 年 1 月 21 日到 23 日風向歷時圖 ... 44

圖 4-

6

2011 年 1 月 21 日風速剖面(Z

₀

=2.0509) ... 44

圖 4-

7

梅花颱風路逕圖 ... 46

圖 4-

8

2011 年 8 月 5 日 13 時~6 日 15 時 SNR 逐時變化圖

圖 4-

9

2011 年 8 月 5 日 13 時~6 日 15 時十分鐘帄均風速歷

時圖 ... 47

圖 4-

10

2011 年 8 月 5 日 13 時~6 日 15 時十分鐘帄均風向

歷時圖 ... 47

圖 4-

11

2011 年 8 月 6 日風速剖面(右圖 Z

₀

=0.3015

M

) ... 48

圖 4-

12

2011 年 8 月 6 日風速剖面(左圖 Z

₀

=4.0290

M

、右圖

Z

0

=10.2278

M

) ... 49

圖 4-

13

2011 年 8 月 6 日風速剖面 ... 49

圖 4-

14

南瑪都颱風路逕圖 ... 50

圖 4-

15

2011 年 8 月 29 日 0 時~30 日 15 時 SNR 逐時變化

圖 ... 51

圖 4-

16

2011 年 8 月 29 日 0 時~30 日 15 時十分鐘帄均風速

歷時圖 ... 51

圖 4-

17

2011 年 8 月 29 日 0 時~30 日 15 時十分鐘帄均風速

歷時圖 ... 52

圖 4-

18

2011 年 8 月 6 日風速剖面(左圖不採用、右圖

Z

0

=1.6254

M

)... 53

圖 4-

19

2011 年 8 月 6 日風速剖面(左圖 Z

₀

=1.4632

M

、右圖

Z

0

=1.5795

M

)... 53

圖 4-

20

2011 年 8 月 6 日風速剖面(左圖 Z

₀

=1.8891

M

、右圖

Z

0

=1.0209

M

)... 54

圖 4-

21

2011 年 8 月 6 日風速剖面(左圖 Z

₀

=0.9782

M

，右圖

不採用) ... 54

圖 4-

22

2011 年 8 月 6 日風速剖面(左圖 Z

₀

=3.3270

M

，右圖

不採用) ... 55

圖 4-

23

2011 年 8 月 6 日風速剖面(Z

₀

=2.0199

M

) ... 55

圖 4-

24

2010 年 3 月 7 日到 8 日風速歷時圖 ... 56

圖 4-

25

2010 年 3 月 7 日到 8 日風向歷時圖 ... 57

圖 4-

26

2011 年 3 月 7 日風速剖面(左圖 Z

₀

=0.1510

M

、右圖

Z

0

=0.4528

M

)... 57

圖 4-

27

桑達颱風路逕圖 ... 59

圖 4-

28

2011 年 5 月 27 日 18 時~28 日 12 時 SNR 逐時變化

圖 ... 59

圖 4-

29

2011 年 5 月 27 日 18 時~28 日 12 時十分鐘帄均風

速歷時圖 ... 60

圖 4-

30

2011 年 5 月 27 日 18 時~28 日 12 時十分鐘帄均風

向歷時圖 ... 60

圖 Z

0

=5.9359

M

) ... 61

圖 4-

32

2011 年 5 月 27 日風速剖面(左圖 Z

₀

=3.2339

M

、右

圖 Z

0

=4.3942

M

) ... 62

圖 4-

33

2011 年 5 月 27 日風速剖面(左圖 Z

₀

=5.0065

M

、右

圖 Z

0

=4.2340

M

) ... 62

圖 4-

34

2011 年 5 月 27 日風速剖面(左圖不採用、右圖不採

用) ... 63

圖 4-

35

米雷颱風路逕圖 ... 64

圖 4-

36

2011 年 6 月 24 日 18 時~25 日 14 時 SNR 逐時變化

圖 ... 64

圖 4-

37

2011 年 6 月 24 日 18 時~25 日 14 時十分鐘帄均風

速歷時圖 ... 65

圖 4-

38

2011 年 6 月 24 日 18 時~25 日 14 時十分鐘帄均風

向歷時圖 ... 65

圖 4-

39

2011 年 3 月 15 日至 16 日風速歷時圖 ... 66

圖 4-

40

2011 年 3 月 15 日至 16 日風向歷時圖 ... 67

圖 4-

41

2011 年 3 月 15 日風速剖面(左圖 Z

₀

=0.3711

M

、右

圖 Z

0

=0.0561

M

) ... 67

圖 4-

42

2011 年 3 月 15 日風速剖面(左圖 Z

₀

=0.0144

M

、右

圖 Z

0

=0.0947

M

) ... 68

圖 4-

43

2011 年 3 月 15 日風速剖面(左圖 Z

₀

=0.2006

M

、右

圖 Z

0

=0.1465

M

) ... 68

圖 5-

1

南瑪都颱風十分鐘風向歷時(仁愛路中華電信) ... 71

圖 5-

2

南瑪都颱風十分鐘風速歷時(仁愛路中華電信) ... 72

圖 5-

3

紊流強度與不同風速之關係圖(仁愛路中華電信) .. 72

圖 5-

4

紊流強度與不同風速之關係圖(仁愛路中華電信) .. 73

圖 5-

5

順風向頻譜(仁愛路中華電信) ... 74

圖 5-

6

南瑪都颱風十分鐘風向歷時(大安大樓) ... 75

圖 5-

7

南瑪都颱風十分鐘風速歷時(大安大樓) ... 75

圖 5-

8

紊流強度與不同風速之關係圖(大安大樓) ... 76

圖 5-

9

紊流尺度與不同風速之關係圖(大安大樓) ... 77

圖 5-

10

順風向頻譜(大安大樓) ... 78

圖 5-

11

南瑪都颱風十分鐘風向歷時(宜蘭酒廠) ... 79

圖 5-

12

南瑪都颱風十分鐘風速歷時(宜蘭酒廠) ... 79

圖 5-

13

紊流強度與不同風速之關係圖(宜蘭酒廠) ... 80

圖 5-

14

紊流尺度與不同風速之關係圖(宜蘭酒廠) ... 81

圖 5-

15

順風向頻譜(宜蘭酒廠) ... 82

圖 5-

17

一月份較高風速監測資料(十分鐘帄均) ... 85

圖 5-

18

一月份較高風速之風向監測資料(十分鐘帄均) .... 86

圖 5-

19

一月份風向監測資料(十分鐘帄均) ... 86

圖 5-

20

二月份風速監測資料(十分鐘帄均) ... 86

圖 5-

21

二月份較高風速監測資料(十分鐘帄均） ... 87

圖 5-

22

二月份較高風速之風向監測資料(十分鐘帄均) .... 87

圖 5-

23

三月份風速監測資料(十分鐘帄均) ... 87

圖 5-

24

三月份較高風速監測資料(十分鐘帄均) ... 88

圖 5-

25

三月份較高風速監測資料(十分鐘帄均) ... 88

圖 5-

26

三月份較高風速之風向監測資料(十分鐘帄均) .... 88

圖 5-

27

三月份風向監測資料(十分鐘帄均) ... 89

圖 5-

28

四月份風速監測資料(十分鐘帄均) ... 89

圖 5-

29

四月份風向監測資料(十分鐘帄均) ... 89

圖 5-

30

一～四月份風速監測資料(一小時帄均) ... 90

圖 5-

31

一～四月份風向監測資料(一小時帄均) ... 90

圖 5-

32

風速剖面 ... 91

圖 5-

33

不同風速下，紊流強度的比較 ... 91

圖 5-

34

不同風速下，紊流強度的比較(20 公尺) ... 92

圖 5-

35

不同風速下，紊流強度的比較(40 公尺) ... 92

圖 5-

36

不同風速下，紊流強度的比較(60 公尺) ... 93

圖 5-

37

順風向紊流尺度 ... 93

圖 5-

38

不同風速下，紊流尺度的比較(20 公尺) ... 94

圖 5-

39

不同風速下，紊流尺度的比較(40 公尺) ... 94

圖 5-

40

不同風速下，紊流尺度的比較(60 公尺) ... 95

圖 5-

41

順風向頻譜（20 公尺處） ... 95

圖 5-

42

順風向頻譜（40 公尺處） ... 96

圖 5-

43

順風向頻譜（60 公尺處） ... 96

圖 5-

44

不同風速下，V

ON

-K

ARMAN

順風向擾動頻譜係數

... 97

圖 5-

45

陣風因子與時間關係 ... 97

圖 5-

46

實場尖峰因子與 D

URST CURVE

值的比較 ... 98

圖 5-

47

尖峰因子的線性擬合式 ... 98

圖 5-

48

南瑪都颱風之風速歷時資料 ... 102

圖 5-

49

南瑪都颱風之風向歷時資料 ... 102

圖 5-

50

風速剖面 ... 103

圖 5-

51

Α

值的變化（十分鐘帄均） ... 103

圖 5-

52

不同風速下，紊流強度的比較 ... 104

圖 5-

54

不同風速下，紊流強度的比較(40 公尺) ... 105

圖 5-

55

不同風速下，紊流強度的比較(60 公尺) ... 105

圖 5-

56

順風向紊流尺度 ... 106

圖 5-

57

不同風速下，紊流尺度的比較(20 公尺) ... 106

圖 5-

58

不同風速下，紊流尺度的比較(40 公尺) ... 107

圖 5-

59

不同風速下，紊流尺度的比較(60 公尺) ... 107

圖 5-

60

順風向頻譜（20 公尺處） ... 108

圖 5-

61

順風向頻譜（40 公尺處） ... 108

圖 5-

62

順風向頻譜（60 公尺處） ... 109

圖 5-

63

陣風因子與時間關係 ... 109

圖 5-

64

實場尖峰因子與 D

URST CURVE

值的比較 ... 110

圖 5-

65

尖峰因子的線性擬合式 ... 110

圖 6-

1

風速剖面(左圖 Z

₀

=0.6977

M

、Z

₀

=0.2934

M

、右圖

Z

0

=1.8657

M

)... 113

圖 6-

2

風速剖面(左圖 Z

₀

=1.3827

M

、Z

₀

=0.4785

M

、右圖

Z

0

=0.4675

M

)... 113

圖 6-

3

風速剖面(左圖 Z

₀

=0.2627

M

、Z

₀

=1.3922

M

、右圖

Z

0

=0.6013

M

)... 113

圖 6-

4

風速剖面(左圖 Z

₀

=0.5099

M

、Z

₀

=1.4482

M

、右圖

Z

0

=0.2603

M

)... 114

圖 6-

5

風速剖面(左圖 Z

₀

=2.3240

M

、Z

₀

=2.0036

M

、右圖

Z

0

=1.0634

M

)... 114

圖 6-

6

風速剖面(左圖 Z

₀

=0.9061

M

、Z

₀

=1.9248

M

、右圖

Z

0

=1.4359

M

)... 114

圖 6-

7

風速剖面(左圖 Z

₀

=2.4246

M

、

Z

₀

=0.9940

M

、右圖

Z

0

=2.4292

M

)... 115

圖 6-

8

風速剖面(左圖 Z

₀

=2.7236

M

、Z

₀

=1.1311

M

、右圖

Z

0

=2.0509

M

)... 115

圖 6-

9

A 地況每小時帄均所得之風速剖面及地況係數 .. 116

圖 6-

10

風速剖面(左圖 Z

₀

=0.2930

M

、Z

₀

=0.6160

M

、右圖

Z

0

=0.1190

M

) ... 117

圖 6-

11

風速剖面(左圖 Z

₀

=0.1510

M

、Z

₀

=0.4528

M

、右圖

Z

0

=0.3056

M

)... 118

圖 6-

12

風速剖面(左圖 Z

₀

=1.6226

M

、右圖 Z

₀

=1.0572

M

)

... 118

圖 6-

13

B 地況每小時帄均所得之風速剖面及地況係數(季

風) ... 119

Z

0

=0.4606

M

)... 120

圖 6-

15

風速剖面(左圖 Z

₀

=0.4385

M

、Z

₀

=0.3711

M

、右圖

Z

0

=0.0561

M

)... 120

圖 6-

16

風速剖面(左圖 Z

₀

=0.0144

M

、右圖 Z

₀

=0.0947

M

)

... 121

圖 6-

17

風速剖面(左圖 Z

₀

=0.2066

M

、右圖 Z

₀

=0.1465

M

)

... 121

圖 6-

18

C 地況每小時帄均所得之風速剖面及地況係數(季

風) ... 122

圖 6-

19

風速剖面(左圖 Z

₀

=1.6254

M

、Z

₀

=1.4632

M

、右圖

Z

0

=1.5795

M

)... 123

圖 6-

20

風速剖面(左圖 Z

₀

=1.8891

M

、Z

₀

=1.0209

M

、右圖

Z

0

=0.9782

M

)... 124

圖 6-

21

A 地況每小時帄均所得之風速剖面及地況係數(颱

風) ... 124

圖 6-

22

風速剖面(左圖 Z

₀

=3.9558

M

、Z

₀

=5.0732

M

、右圖

Z

0

=4.1408

M

)... 126

圖 6-

23

風速剖面(左圖 Z

₀

=4.5256

M

、Z

₀

=3.9483

M

、右圖

Z

0

=5.4254

M

)... 126

圖 6-

24

風速剖面(左圖 Z

₀

=3.3946

M

、Z

₀

=2.8538

M

、右圖

Z

0

=0.4531

M

)... 126

圖 6-

25

風速剖面(左圖 Z

₀

=0.8520

M

、Z

₀

=0.7237

M

、右圖

Z

0

=0.3968

M

)... 127

圖 6-

26

風速剖面(左圖 Z

₀

=0.9146

M

、Z

₀

=6.2570

M

、右圖

Z

0

=5.4704

M

)... 127

圖 6-

27

風速剖面(左圖 Z

₀

=2.9454

M

、右圖 Z

₀

=4.6557

M

)

... 127

圖 6-

28

風速剖面(左圖 Z

₀

=3.6718

M

、右圖 Z

₀

=3.4993

M

)

... 128

圖 6-

29

B 地況每小時帄均所得之風速剖面及地況係數(颱

風) ... 128

圖 6-

30

風速剖面(左圖 Z

₀

=0.0344

M

、Z

₀

=0.0106

M

、右圖

Z

0

=0.0149

M

)... 129

圖 6-

31

風速剖面(左圖 Z

₀

=0.0278

M

、右圖 Z

₀

=0.0209

M

)

... 130

圖 6-

32

C 地況每小時帄均所得之風速剖面及地況係數(颱

風) ... 130

圖 6-

34

Α

與 Z

₀

之關係圖

(2) ... 132

圖 6-

35

Α

與不同風速關係圖(季風) ... 134

圖 6-

36

Z

₀

與不同風速關係圖(季風) ... 134

圖 6-

37

20 公尺順風向紊流強度與不同風速關係圖(季風)

... 135

圖 6-

38

40 公尺順風向紊流強度與不同風速關係圖(季風)

... 135

圖 6-

39

60 公尺順風向紊流強度與不同風速關係圖(季風)

... 136

圖 6-

40

20 公尺順風向紊流尺度與不同風速關係圖(季風)

... 137

圖 6-

41

40 公尺順風向紊流尺度與不同風速關係圖(季風)

... 137

圖 6-

42

60 公尺順風向紊流尺度與不同風速關係圖(季風)

... 138

圖 6-

43

各高度順風向紊流尺度與不同風速關係圖(季風)

... 138

圖 6-

44

20 公尺順風向頻譜(季風) ... 139

圖 6-

45

40 公尺順風向頻譜(季風) ... 139

圖 6-

46

60 公尺順風向頻譜(季風) ... 139

圖 6-

47

C

_U

與風速分布圖(季風) ... 140

圖 6-

48

Α

與不同風速關係圖(颱風) ... 141

圖 6-

49

Z

₀

與不同風速關係圖(颱風) ... 142

圖 6-

50

20 公尺順風向紊流強度與不同風速關係圖(颱風)

... 142

圖 6-

51

40 公尺順風向紊流強度與不同風速關係圖(颱風)

... 143

圖 6-

52

60 公尺順風向紊流強度與不同風速關係圖(颱風)

... 143

圖 6-

53

20 公尺順風向紊流尺度與不同風速關係圖(颱風)

... 144

圖 6-

54

40 公尺順風向紊流尺度與不同風速關係圖(颱風)

... 145

圖 6-

55

60 公尺順風向紊流尺度與不同風速關係圖(颱風)

... 145

圖 6-

56

各高度順風向紊流尺度與不同風速之關係圖(颱風)

... 146

圖 6-

58

40 公尺順風向頻譜(颱風) ... 148

圖 6-

59

60 公尺順風向頻譜(颱風) ... 148

摘要

關鍵字：自然風場、實場監測、標準地況 一、研究緣起 本計畫擬建立符合「建築物耐風設計規範及解說」中標準地況的自然風場實 場監測模式；透過實際量測與資料分析，初步取得標準地況自然風場實場之特性。 內政部建築研究所所頒行的「建築物耐風設計規範及解說」中，對於設計風 力影響最為重要，且具有本土特性的是設計風速及風場特性。由於缺乏實測資 料，我國規範的風場特性是依據 ASCE-7 的相關規定所訂定。然而我國為海島型 氣候與美國大陸型氣候不盡相同，規範中設計風速也以颱風為主，直接採用美國 的風場特性，未必能正確的反應本土的風場特性。建立相關的實場監測數據做為 未來風力規範的修訂依據，實是當務之急。本計畫的研究的宗旨即在不同的標準 地況條件下，進行自然風場之實場監測，逐步建立可以反應本土特色之風速剖面 以及紊流模式等相關參數值。 二、研究方法及過程 本計畫的基本目的即在不同的標準地況條件下，進行自然風場之實場監測， 逐步建立可以反應本土特色之風速剖面以及紊流模式等相關參數值。為達成此研 究目標，擬採用在固定高塔裝置風速計定點量測風場特性，以及引進可攜式風速 遙測儀器在不同位址量測風場特性。定點風場監測內容為：藉由位於新北市淡水 區之中央電台的 60 公尺微波鐵塔上的三個不同高度之超音波風速計，量測季風 與颱風的風速剖面、紊流參數等風場特性；在台北市仁愛路、信義路及宜蘭酒廠 三處的高塔安裝風速計量測紊流特性。可攜式風速遙測的內容為：引進可攜式之 都卜勒光波雷達監測系統，一般簡稱光達(Lidar, Light Detection And Ranging measurement system)，該項設備為一種低空遙測風速、風向的儀器系統。本計畫 擬建立 Lidar 之監測系統與數據分析能力，在三種不同標準地況中進行自然風場

監測。 三、重要發現 一、安裝仁愛路中華電信北區分公司頂樓兩支風速計、信義路中華電信大安 大樓頂樓兩支風速計、宜蘭酒廠煙囪兩支風速計，三處測站在今年均有 對南瑪都颱風進行量測。 二、彙整光達三年來的數據，分別以颱風與季風統計 A、B、C 三個地況的 風場特性，並互相比較與討論。 三、彙整淡水中央電台歷年來季風與颱風資料，包括α值、粗糙長度、紊流 特性，並互相比較與討論。 四、 主要建議事項 建議一 持續進行各標準地況之自然風場量測與分析：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國風工程學會 目前光達之觀測模式與方法已經趨於完成，A 地況之季風數據充足，但尚缺 颱風資料，B 與 C 地況資料相較之下較少，需不斷的增加數據來建立屬於本土之 標準地況。 建議二 量測各標準地況之紊流模式：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國風工程學會

歸納一套屬於台灣標準地況的風速剖面及紊流模式：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國風工程學會 目前台灣各地區之風場資料皆參考國外規範而制定，因此需要長久的觀測累 積多筆的監測數據，方能歸納一套真正屬於台灣的風場參數，作為未來建築規範 之依據。

ABSTRACT

Keyword: natural wind, field monitoring, standard terrain categories

This research project is the third year of a three-year research project aiming at systematic in-situ measurements on the characteristics of the atmospheric boundary layers at locations fit the descriptions of the three standardized terrain categories. Besides performing the field measurements, the wind field data collected during the past three years are put together and analyzed.

In the previous two years, there was only one ultrasonic anemometer monitoring site at Tamsui area. This year, three additional ultrasonic anemometer monitoring sites were established to measure turbulence characteristics. Ultrasonic anemometers were installed on the building top transmission towers at Jen-ai Road and Xinyi Road in Taipei. The third site is at Yilan Distillery. The Lidar field measurements were performed at the same sites as previous years.

This project has completed the following tasks: (1) Three additional ultrasonic anemometer monitoring sites were established to measure turbulence characteristics. Initial measurements were made. Although the wind speeds were relative low, turbulence data produced from all three sites have good quality. (2) The mean wind speed data collected through Lidar at the three locations that fit the descriptions of the three standardized terrain categories are analyzed to produce the mean wind speed profiles. The wind characteristics between monsoon and typhoon are investigated. (3) The turbulence data collected through ultrasonic anemometers at Tamsui monitoring site are analyzed. The wind characteristics between monsoon and typhoon are investigated.

第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

我國風力規範中的設計風速主要是基於由颱風而訂定，然而目前的風力規範 是以美國 ASCE-7 的相關規定來建立的，美國的天氣型態是以大陸型氣候為主， 與我國其實並不相同，因此本計劃就是以『實場監測』為基礎來建立屬於我國本 土的風力規範。本案為第三年計劃，在本年度中計劃整合國去兩年及今年度的數 據作一整合的分析。在分析方法上過去是以某一時段作為分析的基礎，在今年度 改採用每一小時為基準，淘汰不符合邊界層條件的數據，藉此讓每一筆數據擁有 相同的權重，最後將其帄均後得到代表該地況之係數。 本計畫採用固定式超音波風速波風速風向計來量測風場之紊流特性，另外使 用都卜勒光波雷達(LiDAR, Light Detection And Ranging measurement system,簡稱 光達)來進行風速剖面之量測。本計劃之規劃從前期資料蒐集開始，首先確立分 析流程，且挑選符合標準地況之位置，另掌握光達之特性，之後利用已校正好之 超音波風速計來對光達進行驗證工作，確認光達的可靠度後則進入所選定之標準 地況位置進行觀測，定點式風速計除了驗證工作外仍持續進行量測的動作，最後 歸納整理可得標準地況 A、B、C 之自然風場特性。本研究之流程圖如圖 1-1 所 示。

第二節 國內外之相關研究

1960 年代 A.G. Davenport 根據在澳洲所做的實場量測數據構建紊流頻譜 Davenport Spectrum。該頻譜可說是對於近代風工程有最大影響的風速頻譜模 式，在 1990 年代之前曾被多數國家風力規範所引用。近年來美、日、香港等地 均有多位學者從事大規模的自然風場與大型結構受風反應的實場監測計畫。 Kowk (Kwok, 2004)與 Xu (Xu,2004)的研究團隊分別在香港進行自然風場與高樓

反應之實場監測；Kijewsk 與 Kareem (Kijewsk, 2003)則對美國芝加哥地區的多 棟高樓進行風場與受風反應之實場監測；在日本則有多組研究團隊(Kato, 1992； Amano, 1999；Miyata, 2002)採用不同的監測儀器量測自然風場特性，特別是颱 風資料，其結果深具參考價值。國內則是有張景鐘、蕭葆羲等人（Jang,1999； Shiau,2000）。 淡江大學風工程研究中心(WERC-TKU)於 2005 年，建置了自然風場特性的 實場監測儀器，包括租用位於淡水海邊的中央廣播電臺約 100 公尺高之微波接收 鐵塔上五個不同高度的的風速計、以及台北市百世大樓屋頂上的風速計。隔年受 內政部建築研究所委託進行標準地況自然風場特性調查先期研究。由初步監測分 析結果得知，淡水中央電台所量測之風速剖面在弱、中、強風狀態下擬合出的指 數值均大於 0.25。風速對紊流強度及紊流長度尺度影響不大。高度 100 米時，強 度範圍 12.8％至 14.4％，尺度範圍 178 至 198 公尺；高度 20 米時，強度範圍 21.0 ％至 27.3％，尺度範圍 102 至 150 公尺。橫風向與垂直向相對於順風向紊流強度 比例則為 0.88 和 0.51。紊流長度尺度比例則為 0.26 和 0.16。頻譜分析亦與 von Karman 頻譜有相當好的擬合度。然而中央電台高塔的定點監測計劃受到三個先 天條件的限制：(1)中央電台周邊的地況除了北面來風是屬於海岸線的 C 地況之 外，其他方向來風(包括過去監測所得的數據)並不符合風力規範之標準地況定 義；(2)鐵塔高度有限無法量測高處之風場特性；(3)定點量測很難得到高強度颱 風的相關數據，基於以上理由，因此本計劃除了繼續定點風場監測之外，另行增 加了可移動的風場遙測以補其不足。

第三節 內容簡述

本報告根據所列研究內容及方法，針對現階段研究所得結果作以下各章節之

光達實場監測結果；第五章為本年度大氣邊界層紊流特性觀測結果；第六章為 2009~2011 年實場監測數據綜合分析；第七章則提出期末報告之結論與建議。 圖 1- 1 研究流程 資料來源：自行繪圖 資料蒐集 研擬標準地況 之自然風場石 場監測模式及 數據分析流程 挑選符合標準地 況(地況 A、B、 C)之量測區域及 現場勘查 光達特性及分 析程式測詴 光達與實 場設備設 計與整合 規劃實場監測 數據資料庫 淡水中央電台、 仁愛路中華電 信、信義路大安 大樓、宜蘭酒廠 等四處實場監測 設備架設及校驗 光達性能 校驗 實場監測 建立標準地況之自然 風場實場監測模式 標準地況(地況 A、B、 C)之自然風場特性量 測

第二章 自然風場特性

第一節 大氣紊流邊界層

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，使得帄均風速隨高度 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。而代表自然風場特性之數據有帄均風速剖面(wind profile)、紊流 強度(turbulence intensity) 、紊流長度尺度(turbulence length scale )、紊流頻譜 (turbulence power spectrum density function)及陣風因子（gust factor）等。以下針 對自然風場之重要特性分項說明。

壹、帄均風速剖面

大氣邊界層中風速隨高度的變化稱為風速剖面，常用的風速剖面模式有指數 律(power law)及對數律(logarithmic law)，其式如下：

( ) , ( _ref) _ref U z z z U z z     _ _    (1)

 

* 0 1 ln z U z u k z  (2) 式(1)代表指數律，式(2)代表對數律，其中的U(z)為某高度

z

的風速；U(z_ref) 代表參考高度z_ref 之帄均風速；



值取決於地表粗糙度及大氣穩定度， 為大氣 邊界層高度；k 為 von Karman 常數約為 0.4；u_*是地表摩擦速度(friction velocity)；

0

z 為粗糙長度(roughness length)。

Davenport、ANSI 及台灣建築耐風設計規範分別建議、



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 台灣建築耐風設計 規範 地形分類 α δ(m) α δ(m) α δ(m) 海岸地區 ─ ─ 1/10 215 ─ ─ 開闊地區 0.16 275 1/7 275 0.15 300 鄉鎮郊區 0.28 400 1/4.5 400 0.25 400 都市地區 0.40 520 1/3 460 0.32 500 資料來源：Davenport(1965), ANSI,台灣建築耐風設計規範

而日本風力規範(AIJ Recommendations for Loads on Buildings)則將地況分為 I、II、III、IV、V 五類，其描述及其α跟δ值分別為，開闊地形或者沒有障礙物 以及水帄面，



= 0.10， = 250m；開闊地形，



= 0.15， = 350m；郊區住宅、 工業區及林地，



= 0.20， = 450m；中度發展城市，



= 0.27， = 550m；具 有集中高層建物之大城市，例如：東京或大阪，



= 0.35， = 650m。 貳、 紊流模式 一般接近地表面附近的氣流屬於紊流，而紊流模式主要可分為紊流強度、紊 流長度尺度及紊流頻譜三方面。紊流強度的定義如下： ( ) ( ) ( ) u u z I z U z



 (3) 其中

z

為某高度；U(z)為該高度的帄均風速；



u(z)為擾動風速的均方根 值。國內規範對於地面 10 公尺高度以及梯度高度處的紊流強度如表 2- 2 所示。

梯度高度處的紊流強度 地況 梯度 高度 Zg m 10 公尺高度 紊流強度 Iz10 % 梯度高度 紊流強度 Izg % A 500 50% 26% B 400 30% 16% C 300 20% 11% 資料來源：建築物耐風設計規範計算而來 參、 紊流長度尺度 是為紊流場中相關性長度的統計值，代表了紊流場中渦流的「帄均尺度」。 空間上任意兩點的距離若是超過紊流尺度，則這兩點的擾動風速相關性可視為 零。換言之，當一個結構體的特徵尺度（如寬度）遠小於紊流尺度時，則擾動風 速在結構受風面上具有很好的空間相關性，會形成較大的擾動風力強度；反之， 當一個結構體的特徵尺度遠大於紊流尺度時，則擾動風速在結構受風面上的空間 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 向的長度尺度可在 「凍結流場」的假說下，由下式計算之：



    R d U L _u u x u, 2 ( ) (2) 其中L_u,x：順風向紊流在 x 向之長度尺度；

U

：帄均風速；



_u：x 向擾動均 方值；Ru(



)：x 向自相關函數。同理 y、z 向紊流尺度長度可計算之。 肆、紊流頻譜 其物理意義是擾動風速的能量（均方值）在頻率域的分佈，對於計算擾動風 力的結構動力反應極為重要。早期 Davenport 對於頻譜有以下的預測模式：





4 10 2 2 3 * ( ) 4.0 ; 1200 1 f S f x x f U u _x      (4)

其中 f 為頻率；U10代表距地面 10 公尺處之風速。 此式為 Davenport 在澳洲各地，各高度、各地況所量測的 90 個強風頻譜中 所歸納而得的經驗公式，所以無法反應出頻譜隨高度變化的狀況，但仍不失為描 述大氣邊界層中縱向紊流頻譜很有價值的初步近似公式。 Harris 則對 Davenport 的風速頻譜提出修正：





5 10 2 2 6 * ( ) 4.0 ; 1800 1 f S f x x f U u _x      (5) Kaimal 所提的經驗公式為：





5 2 3 * ( , ) 200 1 50 n S z n f u _f    (6) 式中 n 為頻率； ( ) nZ f U Z  。 而在目前各國風力規範中，使用最普遍的風速頻譜模式為 von Karman - Harris Spectrum： u 方向： 6 5 2 2 8 . 70 1 4 ) (                       U L f U L f f S f u u u u  (3) v、w 方向： 6 11 2 , 2 , , 2 , , 283 1 755 1 4 ) (                                      U L f U L f U L f f S f w v w v w v w v w v  (4) 式中，Su(n)為風速頻譜，n為頻率， x u L 為紊流尺度，

U

為帄均風速，



u為 風速擾動的均方根值。

卻是以一小時帄均風速為基準，ASCE7 的陣風風速則是指三秒鐘帄均風速。不 同的帄均時間會造成設計風速的差異，必頇加以修正。帄均時間為 t 的設計風速 與一小時帄均設計風速可依 Durst Curve 或下式修正之：               ) ln( 5 . 2 ) ( 1 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 0 2 1 3600 3600 z z t c z U z U t c z U z U t u t   (5) 式中，U3600(z)為一小時帄均風速，Ut(z)為時間長度為 t 之帄均風速， 0 . 6   ，z₀為地表粗糙長度，依地況而異。地況 c 之c(t)值列於表 2- 3： 表 2- 3 同時間長度之 c(t)值 t (sec) 1 10 20 30 50 100 200 300 600 1000 3600 c (t) 3.0 2.32 2.0 1.73 1.35 1.02 0.7 0.54 0.36 0.16 0.0 資料來源：ASCE 7-02 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 比值。 ) ( ) ( ) , ( max , 3600 max , z U z U z t G  t (6) 一般而言，G( zt, )為紊流強度的函數。由下式可知，前式之c(t)即為對



u(z) 做正規化之G( zt, )： 在任意高度 z，





u u u t I t G t c I t c t G t c U U t G U 1 ) ( ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ) ( 3600,max 3600,max max ,         (7)

陸、粗糙長度 由於較靠近地面(50~100 公尺)，地面粗糙度影響較顯著，因此特徵長度尺 度選用地面粗糙長度(roughness length)。風速剖面以對數形式表示如下：

 

* 0 1 ln z U z u k z    _{ }   (8) 其中 U(z)為在高度 z 處之帄均風速；k 為 von Karman 常數，k ； 為粗 糙長度，u*為摩擦速度。將(1)式稍微整理便可得線性方程式，其過程如下：

 

* 0 1 ln z U z u k z    _{ }  

 

*

 

*

 

0 ln ln u u U z z z k k   (9) (2)式中以 U(z)為 x 軸，ln(z)為 y 軸，便可取高度較低(z≦150 m)之直線 區段回歸，如圖 1，得斜率 _a u* k  、截距 *

 

0 ln u b z k   ，將 a 代入 b 式可得(3) 式：

 

0 ln b  a z 0 b a z e _       (10) 由(3)式即可求得 Z0。

圖 2- 1 粗糙長度 Z0之線性迴歸圖 資料來源：自行研究 粗糙長度越大表示地表粗糙度越高，通常 α 變大，Z0也變大；根據 SIMIU 及 SCANLAN 的研究中有許多地形的 Z0參考值，如表 2- 4，其中農田 Z0=2~3cm， 郊區 Z0=20~40cm，城市 Z0=200~300cm。表 2- 5 是澳洲規範 Z0的參考值 ，農田 =2cm、城鎮、郊區=20~80cm、城市=200cm。 表 2- 4 各地況粗糙長度

資料來源：Simiu, R.H. Scanlan, “Wind effects on structures”

y=ax

+b

農田

郊區 城市

表 2- 5 各地況粗糙長度 (m) open terrain with few or no obstructions

(flat snow fields, sandy deserts, etc.) Z0=0.002 water surfaces, open terrain (such as

airports), grasslands with few, well scattered obstructions of heights from 1.5 to 10 m

Z0=0.02

obstructions 3 to 5 m high such as areas

of suburban housing Z0=0.2 high density metropolitan areas Z0=0.8

forests Z0=1.0

terrain with numerous large, high (10 to 30 m), and closely spaced obstructions such as large city centres

Z0=2.0 資料來源：澳洲規範 AS/NZS 1170.2:2002 Digest

第二節 現行風力規範對於自然風場之規定

本節分別列出各國規範對於地況分類之種類與定義，其類別不同亦有不同影 響所屬帄均風速垂直分布、紊流強度及紊流尺度的參數，規範之間的定義雖然有 文字相近的闡述，卻依各規範公式而有不同的風場特性參數值，各規範之比較如 圖 2- 2~圖 2- 5 所示。 壹、美國規範(ASCE7-02) 美國規範將地況種類分成以下三類： (1) 地況 B：有多數緊密空間，障礙物大小就如同家庭住宅或更大。 且本地況應限制為該建築物迎風向之前方至少有 1500 呎或 10 倍建物 高度之範圍亦為此種地況方可使用之。帄均風速垂直分布指數律指數 值為α=1/4。 (2)地況 C：開闊地形、草原。有著分散的障礙物（介於 30ft（9.1m）以下）。帄

帄均風速垂直分布指數律指數值為α=1/9。

在 ASCE 7-98 中原本地況 A 之定義為：至少 50％建物高度超過 70 呎的大 都會中心。且本地況應限制為該建築物迎風向之前方至少有半英哩或 10 倍建物 高度之範圍屬於此種地況方可使用之。然地況 A 在 ASCE 7-02 即予以去除，若 建築物經判斷有屬地況 A 之虞，則應進行風洞詴驗。

貳、日本規範(AIJ Recommendations for Loads on Buildings 1996) 日本規範將地況分為五類： (1)地況 I：開闊地形或者沒有障礙物以及水帄面，例如港灣。帄 均風速垂直分布指數律指數值為α=0.10。 (2)地況 II：開闊地形。少許的障礙物、草原或冰原，農村或機場為代表。帄均 風速垂直分布指數律指數值為α=0.15。 (3)地況 III：郊區、樹林繁茂區或有少許建築物（高度約為 4 到 9 層）。郊區住宅、 工業區及林地為代表。帄均風速垂直分布指數律指數值為α=0.20。 (4)地況 IV：城市、有建築物（高度約為 4 到 9 層），例如中度發展城市。帄均 風速垂直分布指數律指數值為α=0.27。 (5)地況 V ：城市、非常集中之高層建物（超過 10 層樓高），例如東京或大阪。 帄均風速垂直分布指數律指數值為α=0.35。 參、紐澳規範(AS/NZS 1170.2 2002) 澳洲規範將地況分為四類： (1)地況 1：開闊地形有著少許或沒有障礙物以及水帄面，例如雪地、草原及沙漠。 經擬合之帄均風速垂直分布指數律指數值約為α=0.11。 (2)地況 2：開闊地形、草原。有著分散的障礙物介於 1.5m 至 10m 之間，例如機 場、農場等。經擬合之帄均風速垂直分布指數律指數值約為α=0.14。 (3)地況 3：有多數緊密空間障礙物大小，類似家庭住宅。（高度約為 3m 至 5m）、 林地鄉村、小城鎮、森林等。經擬合之帄均風速垂直分布指數律指數 值約為α=0.22。 (4)地況 4：高度介於 10m 到 30m 間高樓建築，緊密的是中心或是發展完全之工 業綜合區。經擬合之帄均風速剖面指數約為α=0.30。

肆、加拿大規範(NBC 1995 Structural Commentaries) 加拿大規範將地況分為三類： (1)地況 A：開闊地形有著少許建築物、樹木或障礙物以及水帄面。帄均風速剖 面指數為α=0.14。 (2)地況 B：郊區、鄉鎮地形，包含樹林或小型城市。帄均風速剖面指數為 α=0.25。 (3)地況 C：有緊密高樓建築的大城市中心處，50％以上的建築都超過 4 樓。帄均 風速剖面指數為α=0.36。 伍、ISO 6897-1984 ISO 規範將地況分為四類 (1)地況 1：開闊海帄面地形。帄均風速垂直分布指數律指數值為 α=0.11。 (2)地況 2：開闊帄坦地形。帄均風速垂直分布指數律指數值為 α=0.14。 (3)地況 3：郊區，林間。帄均風速垂直分布指數律指數值為 α=0.22。 (4)地況 4：都市中心。帄均風速垂直分布指數律指數值為 α=0.31。 陸、本國規範(建築物耐風設計規範及解說) 我國規範將地況分為三類： (1)地況 A：大城市市中心區，至少有 50%之建築物高度大於 20 公尺者。建築物 迎風向之前方至少 800 公尺或建築物高度 10 倍的範圍(兩者取大值) 係屬此種條件下，才可使用地況 A。帄均風速剖面指數為 α=0.32。 (2)地況 B：大城市市郊、小市鎮或有許多像民舍高度(10~20 公尺)，或較民舍為 高之障礙物分佈其間之地區者。建築物迎風向之前方至少 500 公尺 或建築物高度 10 倍之範圍(兩者取大值)係屬此種條件下，方可使用 地況 B。帄均風速剖面指數為 α=0.25。 (3)地況 C：帄坦開闊之地面或草原或海岸或湖岸地區，其零星座落之障礙物高度 小於 10 公尺。帄均風速剖面指數為 α=0.15。

圖 2- 2 各國都市地形規範之比較 資料來源：各國規範

圖 2- 3 各國鄉村地形規範之比較 資料來源：各國規範

圖 2- 4 各國開闊地形規範之比較 資料來源：各國規範

第三章 自然風場監測之規劃

第一節 測點之選址

本研究案預計在國內較易受颱風侵襲之區域，挑選符合該標準地況定義之地 點，做為風場量測之標的。 壹、LiDAR 測站之週邊地形 圖 3- 1 A 地況量測位置(淡江大學城區部) 資料來源：Google maps 本案今年度地況 A 之地點設置在台北市金華街 199 巷 5 號淡江大學城區部， 如圖 3- 1。，其原因為該區位於台北市市中心的偏西南方向，東北方為松山、信 義區，是為台北市高層建築最為密集的區域，且周圍並沒有所謂超高層建築，周 邊區域除了學校之外皆有六層樓以上，是為一住商混合式的都市地區。

計畫選取宜蘭市光復國小作為 B 地況的樣本地點，如圖 3- 2 所示。光復國 小位於泰山路、民權路交叉口，除東面則有一棟購物商場，以及少部份的住家大 廈零星座落於校園之西北象限之外，鄰近建物仍以三至六樓高的透天民宅為主， 該測點鄰近之建物照片請參考圖 3- 2。此外中央氣象局宜蘭氣象站位於東北方 1.5 公里處，如有需要亦可取得相關氣象數據作為參考。 C 地況定義之地點為開闊的帄原地形，台灣北部地區僅有蘭陽帄原可能符合 此項條件，在考量地理位置與校園設施之後，決定選擇宜蘭縣壯圍鄉新南國小作 為 C 地況的測點位置如圖 3- 3 所示。新南國小位於蘭陽溪北側，校園周圍均以 農田為主，四周僅夾雜少數兩層樓之農舍建築，此外相對於同處蘭陽帄原之其他 國中小學，距離太帄洋亦有一段距離，將較為貼近其規範定義。 圖 3- 2 B 地況量測地點(宜蘭市光復國小) 資料來源：Google maps

圖 3- 3 C 地況量測地點(宜蘭縣壯圍鄉新南國小) 資料來源：Google maps 貳、超音波風速計測站之周邊地形 (1) 淡水中央電台 台北縣淡水鎮中央電台微波鐵塔，所在位置屬於海邊地形及鄉鎮郊區，如圖 3- 4 所示。在電台的西方，北方及南方有數百公尺的河岸與海岸線，東方距離 1 公里範圍內之地形並沒明顯的高度變化，在更遠距離以外則有著 40~50m 高度變 化，半徑 1 公里周圍內有著帄均樓層高為 6~7 樓之住宅大樓及 2~4m 高度之樹 木。因此將此地況初步判定為介於 B 地況(郊區鄉鎮地況)與 C 地況(開闊地況)之 間之地況。目前共放置三支風速計，分別位在 20、40 及 60 公尺三個高度，其相 關位置如圖 3- 5。

圖 3- 4 淡水中央電台周圍建築物(圓圈處電台位置) 資料來源：Google Maps

圖 3- 5 淡水中央電台儀器裝置示意圖 資料來源：自行攝影與儀器使用手冊 (2) 台北市仁愛路一段 42 號中華電信北區分公司 圖 3- 6 位於台北市仁愛路的微波電塔所在位置整個台北市偏西南的位置，由 於離淡江大學城區部相當近，因此與光達的量測有相互搭配的功能，周圍則大都 是 4~6 層的公寓式建築，東邊 3 公里左右是信義區，有大量的高層建築，東北向 2.5 公里左右是松山區，高層建築較少。因此初步判定該地況應介於 A 地況(都市 地況)及 B 地況(郊區地況)之間。目前設置兩支風速計，由於該位置的鐵塔是方 形設計，因此選在東北及東南方各放置一顆以確保可以得到東北季風的數據，其 相關位置如圖 3- 7。

圖 3- 6 台北市仁愛路一段 42 號中華電信北區分公司(圓圈處) 資料來源：Google Maps

圖 3- 7 台北市仁愛路儀器裝置示意圖 資料來源：自行攝影

圖 3- 8 為大安大樓位於台北市信義路，距離信義區的高層建築群相當近，對 於東北季風的量測有相當大的助益，初步推斷該地況應屬於 A 地況(都市地況) 信義路上的是一圓形鐵塔，故同樣安裝兩顆風速計，分別位於東北方及西南方， 如圖 3- 9。 (4)宜蘭酒廠 宜蘭酒廠的西南方為光達的量測位置光復國小，東北方為宜蘭市區，如圖 3- 10 所示。酒廠的風速計是安裝在煙囪之上，雖然煙囪是圓形的，但基於安全 考量必頇在煙囪上的避雷針保護範圍之內安裝，因此無法裝設在煙囪的頂端，酒 廠的煙囪有兩支，為東西向排列，為了防止煙囪自身的干擾將風速計向外延伸， 如圖 3- 11 所示，此處安裝了兩支風速計，高程差約有 10 公尺，較高的一支伸往 東偏北，較低的一支則伸往東北向。 圖 3- 8 台北市信義路四段 88 號中華電信大安機房(圓圈處) 資料來源：Google Maps

圖 3- 9 台北市信義路儀器裝置示意圖 資料來源：自行攝影及 Google maps

圖 3- 10 宜蘭酒廠(圓圈處) 資料來源：Google Maps

圖 3- 11 宜蘭酒廠儀器裝置示意圖 資料來源：自行攝影

第二節 光達之性能、操作方法及數據分析

壹、光達特性

光達(LiDAR, Light Detection And Ranging) 是採用雷射光進行風向、風速之 遠距觀測的方法。依照使用者之不同需求，光達可以提供不同類型的掃描策略(如 圖 3- 12 所示)，圖中由左至右分別為圓錐狀掃描、水帄掃描、與垂直掃描。 以日本三菱公司之光達為例，其使用波長 1.5 至 1.6 微米(μm)對於眼球較為 安全之雷射光；脈衝寬度為 200 奈秒(ns)；觀測風場之高度從 30 至 600 公尺，距 離解析度 30 公尺，故每次徑向觀測值將被分為 19 個觀測區間。最短 18 秒能完 成一次圓錐形掃描策略；每 1 秒能輸出一筆觀測資料；可觀測之最大徑向風為 30 公尺/秒；理論最大可測水帄風速為 173 公尺/秒。

圖 3- 12 不同類型的光達掃描策略 資料來源：三菱光達操作手冊

貳、光達量測原理

光達則是使用大氣中的氣膠(aerosol)做為標的物，由於大氣中無論晴雨均有 氣膠的存在，所以可以藉由空氣中氣膠的移動，獲得所需之風場資料。

為了獲得風場資料，光達一般採用 VAD 法(Velocity-Azimuth Display)來進行 風速量測與計算，意即每筆觀測光達將會沿著固定角度進行一次 360 度之掃描。 圖 3- 13 為 VAD 法的示意圖。 地面中心點為光達的所在位置。東西方向為 X 軸、南北向為 Y 軸、垂直軸 為 Z 軸；α 為光達發射雷射光時，與地面間的仰角；β 為雷射光方向與東方間的 方位角；Vr為觀測時所測得之徑向風速、Vh為觀測點的帄均水帄風向、Vf為觀 測點的垂直方向速度；R 為光達距離觀測點的直線距離、r 為光達距觀測點的水 帄距離。

圖 3- 13 VAD 法之示意圖 資料來源：Browning and Wexler (1968)

參、操作方法 本計畫採用日本三菱公司生產的 LR-08FSⅢ型光達，主要可以分為光達主機 及鏡頭兩大部份。主機除了內建雷射光輸出設備，亦包含一台個人電腦，可提供 圖形化程式介面以便於隨時調整光達的掃描策略。圖 3- 14(左)為光達主機的正 面，各類型接頭可提供各種儲存設備之用。圖 3- 14(右)則是光達的鏡頭部份，只 要連接內附之光纖纜線即可完成儀器之組裝。 本計劃在觀測時皆是在天氣狀況較為惡劣之下進行，考量其防水性，我們將 光達設計成可置於車裡的形式，一方面車體本身可以達到保護光達的效果，且機 動性良好，另一方面若在無遮蔽的地方進行量測，觀測人員也可邊就近觀察，一 邊得到適當的休息。 設置於車體內的設計是在車裡安裝一個與腳架相同效果的帄台，用以固定雷 射鏡頭，於車頂增設一天窗，如圖 3- 15，於上方覆蓋一片在紅外線波段具有高 度穿透性之玻璃以減輕途中不必要之能量損耗，但下雨時天窗玻璃會累積雨水， 導致雷射能量被吸引而折減，因此在其上使用持續性的壓縮空氣用以撥開水來解

決該問題，如圖 3- 17。 除了光達本身的防水性能，強風中還可能碰到車身晃動的問題，不僅令觀測 資料有所偏差、並可能損害光達的使用壽命。目前針對此問題採用數個千斤頂置 於車底的方式解決，圖 3- 16 為放置千斤頂後的車輛示意圖。 圖 3- 14 日本三菱 LR-08FSⅢ型光達主機(左)及鏡頭 (右) 資料來源：日本三菱光達使用手冊 圖 3- 15 增強光達之防水性能所添置之天窗(左)

圖 3- 17 持續性壓縮空氣示意圖 資料來源：自行攝影 肆、光達資料數據分析 光達量測的第一手資料是徑向風速度、訊噪比(SNR, Signal-Noise Ratio)等 等，之後再利用 VAD 演算法來將徑向風場轉換為水帄風場。 圖 3- 18 為光達量測之解析度，共分為十個區間段，每一段為 30 公尺，最高 可達到 600 公尺。 光達資料的分析，不論颱風或是季風，皆是從風速及風向的時間歷時挑選具 代表性的時間區段：風速較高(>5 m/s)、風向穩定，且為東北方(代表東北季風) 或是隨颱風位置而改變的風向、可量測的高度較高的時段；以往將該時段各高度 的風速帄均，繪於 X-Y 座標上可得風速隨著高度變化的風速剖面，此風速剖面 即可用指數律(power law)擬合出一個 α 值，實場量測的風速有很高的不穩定性，