Study of thunderstorm wind outflows and proposition of mean wind profiles

Abstract

The impact of thunderstorm (TS) winds on the built environment has been extensively reported in recent years showing that current wind standards do not properly represent all types of extreme wind events. This document discusses the characteristics of TS winds in depth, focusing on existing vertical full-scale measurements, modeling approaches and their occurrence worldwide. Firstly, the development of the downburst research worldwide is reviewed and, due to Brazil’s vulnerability to this type of event, reported cases in national news and scientific literature are investigated. This study showed that most of Brazil is vulnerable to downbursts, having the Amazon region the larger amount of occurrences and the Southern states the most susceptible for extreme winds generated by TS outflows or simply downbursts. The Southeastern states are also prone to extreme downburst occurrence. Northeast and central north states present downburst events with lower intensity, which are caused mostly by isolated thunderstorms. Modeling techniques are commonly adopted to study the effects of these events on the built environment. A systematic review of 122 publications on downburst modeling identified four main clusters of alternative approaches to simulating these events: analytical modeling, experimental laboratory simulations, computer fluid dynamics (CFD) and data-driven models. An analytical method is proposed to describe the mean wind speed profiles at their maximum stage based on full-scale measurements considering the storm organization, time averaging and terrain categories. The proposed fitted curve profile functions are valid only for the original measured average intervals. Results showed that most of the proposed fitted curve profile functions had a "nose-like" shape, highly defined by the terrain roughness, with peak velocities typically observed at lower levels in TS winds – between 50 and 250 meters – allowing the profile fitting by a third‐degree polynomial function, instead of the traditional power law function as adopted for synoptic winds. Seventeen profiles originated from full-scale measurements were selected and carefully analyzed. However, in order to propose a practical application that can be coupled with a general extreme wind climatology, only seven fitted curve profile functions were taken for further analysis. Six out of seven fitted curve profiles demonstrated good adherence to Ponte Junior (2005) model and the TS wind profile proposed by the international code ISO 4354. These proposed profiles were further analyzed along with the typical NBR-6123 boundary layer velocity profiles. For Terrain Category II, the fitted curve profile function based on the maximum profile of Gunter and Schroeder (2015) "PEP Event" for 1-min time averaging presented the most conservative case at all elevations. For Terrain Category III, results were mixed, but the fitted curve profile function based on the maximum profile measured by Lombardo et al. (2014) "03-Aug-2010 Event" presented maximum values at lower levels for 3-s time averaging and is therefore considered the maximum profile for this terrain category. Finally, for Category IV, it is suggested to use as reference the fitted curve profile based on the maximum profile of Zhang *et al.* (2019) "15:01 Meas.", since this is a more realistic TS wind profile dataset for 30-s time averaging due to the particular effects of the terrain on that specific measurement.

O impacto dos ventos gerados por tempestades (TS) no ambiente construído tem sido amplamente relatado nos últimos anos, revelando que as normas de vento atuais não representam adequadamente todos os tipos de ventos extremos. Neste documento se discute em profundidade as características dos ventos TS, com foco em medições verticais de escala real, abordagens de modelagem e sua ocorrência no mundo. Primeiramente, é revisado o desenvolvimento mundial das pesquisas sobre downbursts e, devido à vulnerabilidade do Brasil a esse tipo de evento, é feita uma investigação de casos relatados em notícias e literatura científica. Este estudo mostrou que a maior parte do Brasil é extremamente vulnerável a downbursts, tendo a região Amazônica o maior número de ocorrências e os estados da região Sul os mais suscetíveis a ventos extremos gerados por tormentas TS ou simplesmente downbursts. Os estados do Sudeste são também propensos à ocorrência de downbursts severos. Os estados do Nordeste e Centro-Norte apresentam eventos de menor intensidade, causados principalmente por tempestades isoladas. Técnicas de modelagem são comumente adotadas para estudar os efeitos desses eventos no ambiente construído. Uma revisão sistemática de 122 publicações sobre modelagem de downbursts identificou quatro grupos principais de abordagens para simular esses eventos: modelos analíticos, simulações experimentais em laboratório, dinâmica de fluidos computacional (CFD) e modelos baseados em dados. Um método analítico é proposto para descrever os perfis médios de velocidade de vento em seu estágio máximo com base em medições em escala real, considerando-se organização da tempestade, intervalo de tempo e categorias de terreno. As funções de perfil de curva ajustada propostas são válidas apenas para os intervalos de tempo medidos originais. Os resultados mostraram que a maioria das funções propostas de perfis de curvas ajustadas tinham forma de "nariz", fortemente definida pela rugosidade do terreno e com velocidades de pico tipicamente observadas em níveis mais baixos em ventos TS – entre 50 e 250 metros – permitindo o ajuste do perfil por uma função polinomial de terceiro grau, em vez da função de potência tradicional, como utilizado para ventos sinóticos. Dezessete perfis oriundos de medições reais foram selecionados e analisados minuciosamente. Porém, para possibilitar a proposição de uma aplicação prática capaz de incorporar resultados de climatologias gerais de ventos extremos TS, somente sete curvas ajustadas foram levadas adiante para análise. Seis dos sete perfis ajustados demonstraram boa aderência ao modelo de Ponte Junior (2005) e ao perfil de vento TS proposto pelo código internacional ISO 4354. Esses perfis propostos foram posteriormente analisados juntamente com os perfis de velocidade de camada limite típicos da NBR-6123. Para a categoria de terreno II, a função do perfil ajustada com base nos valores máximos obtidos por Gunter e Schroeder (2015) no "PEP Event" para intervalo de tempo de 1-min apresentou o caso mais conservador em todas as elevações. Para a categoria de terreno III, os resultados foram mistos, mas considerou-se como evento extremo o perfil ajustado baseado no evento extremo de “03-ago-2010" de Lombardo et al. (2014) para o intervalo de média de tempo de 3-s. Finalmente, para a Categoria IV, sugere-se utilizar como referência o perfil de curva ajustado ao evento extremo registrado por Zhang et al. (2019) "15:01 Meas.", uma vez que o perfil de vento TS resultante é mais realista para média de tempo de 30-s devido aos efeitos do terreno específicos deste caso.