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大气边界层风特性研究是风工程的基础工作,土木工程中所关心的建筑物和构筑物都处在大气边界层中,此范围内的风特性对建筑物风效应影响显著。针对大气边界层的风场模拟具有一定的复杂性,首先边界层内充斥着大量不规则湍流运动,其次边界层下垫面物理特征复杂多变,并且边界层风场模拟本质是一个多尺度问题,此范围内的空气流动覆盖了几米到上千公里的尺度,大到台风运动,小到建筑绕流,高至千米以上风场,低至行人高度风环境。基于上述难点,数值模拟手段被广泛应用于多尺度的风场模拟,其中气象学的中尺度WRF模式(Weather Research and Forecasting,WRF)与工程中的计算流体动力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD)分别是研究大气中尺度与小尺度流动的主要数值模拟手段。本文的工作围绕着基于WRF模式与CFD技术进行大气边界层风场特性的数值模拟研究展开,具体分为以下几个方面:(1)中尺度台风模拟研究。首先基于中尺度WRF模式对超强台风“山竹”(2018)进行高精度模拟,将四维数据同化技术(Four-Dimensional Data Assimilation,FDDA)成功加载于WRF模式,重现了台风的中尺度发展演化过程,并将模拟所得风场特性与深圳气象塔观测数据进行详细比较以验证FDDA方法的同化效果及模拟精度。结果表明,分析松弛法(Analysis Nudging,AN)模拟得到的中尺度风场特性如台风路径、台风强度、平均风速等与实测数据在统计意义上较为吻合,表明精细化的WRF模拟可实现对台风风场的准确预测;此外,模拟表明梯度风高度之上的平均风剖面并非常数,其变化规律也不适用于我国规范中描述梯度风高度范围内的指数律模型;(2)复杂地形局部流场的中小尺度耦合模拟研究。本文选取深圳气象塔周边复杂地形作为模拟区域,基于WRF与CFD的耦合模式进行风场模拟,并与气象梯度塔实测结果进行对比。风速模拟结果显示,相较单一的WRF方法,耦合模式结果与实测数据更为吻合,表明WRF-CFD耦合方法使数值模拟精度得到了进一步的提升,可见中尺度WRF模式可为小尺度的数值风洞提供相对准确的入口边界条件,CFD模式可通过更精细的网格离散实现边界层内风场的降尺度模拟,二者结合将是提高超高层建筑风效应模拟分析结果精度的有效途径;(3)高层建筑风荷载及行人风环境研究。采用风洞试验和数值模拟方法对日本建筑学会(Architectural Institute of Japan,AIJ)设计的风环境模型进行了系列拓展研究,以探讨不同建筑高度及风向角对建筑表面风荷载及周围行人风环境的影响,并比较雷诺平均(Reynolds Averaged Navier-Stokes Simulation,RANS)和大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)数值模拟结果的精度。风洞试验结果表明,主轴风向下,相较于周边低矮建筑的对称布置形式,非对称排列可导致高层建筑侧风面底部角区负压及迎风面正压增大;高层建筑周边行人高度处的最大风速比与建筑高度(0～225m范围内)成正比;斜轴向风攻角易对建筑行人高度处产生最不利影响,最大加速区通常存在于靠近窄道一侧的建筑背风面。数值模拟结果显示,模拟得到的风速分布规律与风洞试验结果基本一致,中心建筑附近模拟得到的风速与风洞试验结果仍存在一定误差;相对RANS方法而言,LES方法的计算结果和风洞试验更为接近。