The accurate evaluation of wind characteristics and wind-induced structural responses during a typhoon is of significant importance for bridge design and safety assessment. This paper presents an expectation maximization (EM) algorithm-based angular-linear approach for probabilistic modeling of field-measured wind characteristics. The proposed method has been applied to model the wind speed and direction data during typhoons recorded by the structural health monitoring (SHM) system instrumented on the arch Jiubao Bridge located in Hangzhou, China. In the summer of 2015, three typhoons, i.e., Typhoon Chan-hom, Typhoon Soudelor and Typhoon Goni, made landfall in the east of China and then struck the Jiubao Bridge. By analyzing the wind monitoring data such as the wind speed and direction measured by three anemometers during typhoons, the wind characteristics during typhoons are derived, including the average wind speed and direction, turbulence intensity, gust factor, turbulence integral scale, and power spectral density (PSD). An EM algorithm-based angular-linear modeling approach is proposed for modeling the joint distribution of the wind speed and direction. For the marginal distribution of the wind speed, the finite mixture of two-parameter Weibull distribution is employed, and the finite mixture of von Mises distribution is used to represent the wind direction. The parameters of each distribution model are estimated by use of the EM algorithm, and the optimal model is determined by the values of $R^2$ statistic and the Akaike's information criterion (AIC). The results indicate that the stochastic properties of the wind field around the bridge site during typhoons are effectively characterized by the proposed EM algorithm-based angular-linear modeling approach. The formulated joint distribution of the wind speed and direction can serve as a solid foundation for the purpose of accurately evaluating the typhoon-induced fatigue damage of long-span bridges.
This paper presents the wind characteristics of Typhoon Dujuan as measured at a 50 m guyed mast in Hong Kong. The basic wind speed, wind direction and turbulent intensity are studied at two measurement levels of the structure. The power spectral density of the typhoon is compared with the von Karman prediction, and the coherence between wind speeds at the two measurement levels is found to This paper presents the wind characteristics of Typhoon Dujuan as measured at a 50 m guyed mast in Hong Kong. The basic wind speed, wind direction and turbulent intensity are studied at two measurement levels of the structure. The power spectral density of the typhoon is compared with the von Karman prediction, and the coherence between wind speeds at the two measurement levels is found to compare with Davenport's prediction. The effect of typhoon Dujuan on the response of the structure will be discussed in a companion paper (Law, et al. 2006).with Davenport's prediction. The effect of typhoon Dujuan on the response of the structure will be discussed in a companion paper (Law, et al. 2006).
In spite of progress in the numerical simulation of typhoon wind field in atmospheric boundary layer (ABL), using typhoon wind field model in conjunction with Monte Carlo simulation method can only accurately evaluate typhoon wind field over a general terrain. This method is not enough for a reliable evaluation of typhoon wind field over the actual complex terrain with surface roughness and topography variations. To predict typhoon wind field over the actual complex terrain in ABL, a hybrid numerical simulation method combined typhoon simulation used the typhoon wind field model proposed by Meng et al. (1995) and CFD simulation in which the Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations and k-${\varepsilon}$ turbulence model are used. Typhoon wind filed during typhoon Dujuan and Imbudo are simulated using the hybrid numerical simulation method, and compared with the results predicted by the typhoon wind field model and the wind field measurement data collected by Fugro Geotechnical Services (FGS) in Hong Kong at the bridge site from the field monitoring system of wind turbulence parameters (FMS-WTP) to validate the feasibility and accuracy of the hybrid numerical simulation method. The comparison demonstrates that the hybrid numerical simulation method gives more accurate prediction to typhoon wind speed and direction, because the effect of topography is taken into account in the hybrid numerical simulation method.
Data of the typhoon affecting Korean peninsula from 1951 to 2005 are obtained from the RSMC best track and six climatological characteristics of the typhoons are examined. Local wind speeds are obtained by the physical model for wind fields. Typhoons are generated by the Monte Carlo simulation and their wind speeds are distributed using Weibull CDF. Simulated typhoon wind speeds are used to obtain different wind speeds corresponding their mean recurrence intervals.
Probabilistic information regarding directional extreme wind speeds is important for the precise estimation of the design wind loads on structures. A joint probability distribution model of directional extreme typhoon wind speeds is established using Monte Carlo simulation and empirical copula function to fully consider the correlations of extreme typhoon wind speeds among the different directions. With this model, a procedure for estimating directional extreme wind speeds for given return periods, which ensures that the overall risk is distributed uniformly by direction, is established. Taking 5 typhoon-prone cities in China as examples, the directional extreme typhoon wind speeds for given return periods estimated by the present method are compared with those estimated by the method proposed by Cook and Miller (1999). Two types of directional factors are obtained based on Cook and Miller (1999) and the UK standard's drafting committee (Standard B, 1997), and the directional risks for the given overall risks are discussed. The influences of the extreme wind speed correlations in the different directions and the simulated typhoon wind speed sample sizes on the estimated extreme wind speeds for a given return period are also discussed.
This study presents rational methods for probability-based estimates of basic design wind speeds in Korea and proposes a risk-based nation-wide map of design wind speeds. The paper examines the fittings of the extreme Type I mode to largest yearly non-typhoon wind data from long-term records, and to largest monthly non-typhoon wind data from short-term records. For the estimation of the extreme typhoon wins speed distribution, an indirect analytical method based on a Monte-Carlo simulation is applied to typhoon-prone regions. The basic desig wind speeds for typhoon and non-typhoon winds at the sites of concern are made to be obtained from the mixed model given as a product of the two distributions. The results of this study show that the proposed models and methods provide a practicable tool for the development of the risk-based basic design wind speed and the design wind map from short-term station records currently available in Korea.
Kim, Jongyeong;Kang, Byeonggug;Kwon, Yongju;Lee, Seungbi;Kwon, Soonchul
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.35
no.6
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pp.414-425
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2021
Overcrowding of high-rise buildings in urban zones change the airflow pattern in the surrounding areas. This causes building wind, which adversely affects the wind environment. Building wind can generate more serious social damage under extreme weather conditions such as typhoons. In this study, to analyze the wind speed and wind speed ratio quantitatively, we installed five anemometers in Haeundae, where high-rise buildings are dense, and conducted on-site monitoring in the event of typhoon OMAIS to determine the characteristics of wind over skyscraper towers surround the other buildings. At point M-2, where the strongest wind speed was measured, the maximum average wind speed in 1 min was observed to be 28.99 m/s, which was 1.7 times stronger than that at the ocean observatory, of 17.0 m/s, at the same time. Furthermore, when the wind speed at the ocean observatory was 8.2 m/s, a strong wind speed of 24 m/s was blowing at point M-2, and the wind speed ratio compared to that at the ocean observatory was 2.92. It is judged that winds 2-3 times stronger than those at the surrounding areas can be induced under certain conditions due to the building wind effect. To verify the degree of wind speed, we introduced the Beaufort wind scale. The Beaufort numbers of wind speed data for the ocean observatory were mostly distributed from 2 to 6, and the maximum value was 8; however, for the observation point, values from 9 to 11 were observed. Through this study, it was possible to determine the characteristics of the wind environment in the area around high-rise buildings due to the building wind effect.
In this study, extreme wind speeds in the Western North Pacific (WNP) were estimated using reanalysis wind fields synthesized with an empirical typhoon vortex model. Reanalysis wind data used is the Fifth-generation European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) reanalysis (ERA5) data, which was deemed to be the most suitable for extreme value analysis in this study. The empirical typhoon vortex model used has the advantage of being able to realistically reproduce the asymmetric winds of a typhoon by using the gale/storm-forced wind radii information in the 4 quadrants of a typhoon. Using a total of 39 years of the synthesized reanalysis wind fields in the WNP, extreme value analysis is applied to the General Pareto Distribution (GPD) model based on the Peak-Over-Threshold (POT) method, which can be used effectively in case of insufficient data. The results showed that the extreme analysis using the synthesized wind data significantly improved the tendency to underestimate the extreme wind speeds compared to using only reanalysis wind data. Considering the difficulty of obtaining long-term observational wind data at sea, the result of the synthesized wind field and extreme value analysis developed in this study can be used as basic data for the design of offshore structures.
In this paper, after analyzing other models with their advantages and disadvantages, we proposed a simple parametric model for calculating wind speed & direction and wave height & direction at any location around the typhoon at sea. The proposed wind-field model of typhoon is asymmetric, and consists of a circular symmetric wind-field caused by the pressure gradient of stationary typhoon and a moving wind-field caused by the movement of typhoon. By verifying this model through observed data, we found that it is accurate enough to develop the simulation software for training students and seafarers so as to take appropriate actions while being faced with the typhoon at sea.
Kim, Jin-Young;Kim, Hyun-Goo;Kang, Yong-Heack;Yun, Chang-Yeol;Kim, Ji-Young;Lee, Jun-Shin
Journal of the Korean Solar Energy Society
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v.36
no.1
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pp.27-37
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2016
A simple but practical Ensemble Prediction System(EPS) for wind power forecasting was developed and evaluated using the measurement of the offshore meteorological tower, HeMOSU-1(Herald of Meteorological and Oceanographic Special Unite-1) installed at the Southwest Offshore in South Korea. The EPS developed by the Korea Institute of Energy Research is based on a simple ensemble mean of two Numerical Weather Prediction(NWP) models, WRF-NMM and WRF-ARW. In addition, the Kalman Filter is applied for real-time quality improvement of wind ensembles. All forecasts with EPS were analyzed in comparison with the HeMOSU-1 measurements at 97 m above sea level during Typhoon Bolaven episode in August 2012. The results indicate that EPS was in the best agreement with the in-situ measurement regarding (peak) wind speed and cut-out speed incidence. The RMSE of wind speed was 1.44 m/s while the incidence time lag of cut-out wind speed was 0 hour, which means that the EPS properly predicted a development and its movement. The duration of cut-out wind speed period by the EPS was also acceptable. This study is anticipated to provide a useful quantitative guide and information for a large-scale offshore wind farm operation in the decision making of wind turbine control especially during a typhoon episode.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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