微地形風(fēng)速變化特征與微區(qū)域輸電線路設(shè)計的初步研究

陳勁+吳巍巍+向衛(wèi)國

摘 要 本文利用ECWMF提供的1979-2013年共35年每天四個時次的lOm、30m、60m和lOOm四個高度層上的lOmin平均風(fēng)速再分析數(shù)據(jù)資料集（分辨率為0.1250×0.1250），分析了江門市（1120.Oo～113.250E，21.50～22.8750N）年最大風(fēng)速的分布及其變化趨勢。在四個高度層上，江門市歷年最大風(fēng)速的空間分布都表現(xiàn)為由沿海向內(nèi)陸地區(qū)，由南向北遞減；風(fēng)速值分別介于14～32m/s，17～35m/s，20～35m/s和23～38m/s。江門市區(qū)域平均年最大風(fēng)速都呈弱上升趨勢，并在2003年出現(xiàn)了極大值。進(jìn)一步利用在lOm、30m、60m和lOOm高度層上，每個格點35年的年最大風(fēng)速序列，通過極值I型分布估算江門市在不同再現(xiàn)期（15、30和50年）的年最大風(fēng)速極值。

關(guān)鍵詞 年最大風(fēng)速；極值I型分布；再現(xiàn)期；估算

中圖分類號 TM7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 1674-6708（2016） 154-0038-03

風(fēng)是生產(chǎn)建設(shè)規(guī)劃和設(shè)計中必須慎重考慮的氣象要素。隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，高大建筑物日益增多，各項工程設(shè)計都需要最大風(fēng)速的推斷。若最大風(fēng)速取值過小，則達(dá)不到工程設(shè)計要求；若取值過大，則增大了工程成本。因此，正確的分析沿海地區(qū)最大風(fēng)速特征，并合理估算可能出現(xiàn)的最大風(fēng)速，具有一定的現(xiàn)實意義。

關(guān)于我國沿海地區(qū)最大風(fēng)速的分析和估算研究，莊垂鋒分析了1952～1982年福州年最大風(fēng)速的出現(xiàn)主要受到7、8和9月的臺風(fēng)影響，并利用極值I型分布估算了不同再現(xiàn)期可能一遇的最大風(fēng)速值。陳錦冠等利用1969～1998年廣東省8個氣象站的日10分鐘平均最大風(fēng)速和日瞬間極大風(fēng)速資料，通過建立回歸方程對兩種風(fēng)速進(jìn)行估算。龐文保等比較了P-III型和極值I型分布曲線在最大風(fēng)速計算中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)二者的估算值差別不大，均可滿足輸電線路對于最大設(shè)計風(fēng)速的要求。鹿翠華利用棗莊市1971～2008年各月lOmin最大風(fēng)速資料，通過估算了年最大風(fēng)速再現(xiàn)期極值，基本可滿足棗莊工程項目設(shè)計要求。陳兵等根據(jù)江蘇省34a年最大風(fēng)速資料，用EOF、REOF方法研究了江蘇省年最大風(fēng)速的空間分布形式和長期變化趨勢。李靜等就常用的數(shù)理統(tǒng)計法（P-III型和極值I型分布曲線等）在設(shè)計最大風(fēng)速中的線型、樣本選擇、資料插補延長和設(shè)計最大風(fēng)速移用等問題進(jìn)行了綜合分析研究。秦鵬等根據(jù)1949～2011年熱帶氣旋路徑資料及最大風(fēng)速序列，統(tǒng)計分析了影響珠江口海域熱帶氣旋的氣候特征并利用極值I型分布估算了熱帶氣旋中心附近的概率風(fēng)速。

江門市位于廣東省中南部，臺風(fēng)是江門市最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一，其常伴有的大風(fēng)天氣會對該地的高樓、高塔和高壓電路等工程設(shè)計產(chǎn)生重要影響。考慮江門市新輸電線路架設(shè)以及現(xiàn)有輸電線路改造的抗風(fēng)問題，陶勇等對江門市年最大風(fēng)速的變化特征已做了部分工作。本文在了解江門市年最大風(fēng)速分布及其變化趨勢的基礎(chǔ)上，應(yīng)用極值I型分布估算了江門市在不同再現(xiàn)期（15年、30年和50年）的年最大風(fēng)速極值，為輸電線路最大設(shè)計風(fēng)速的計算提供參考和依據(jù)。

1 資料及統(tǒng)計方法

本文所考慮的江門市范圍為112.O?～113.22?E，21.5?～22.875?N。風(fēng)速資料為歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心（ ECWMF）提供的1979～2013年共35年每天4個時次的lOm、30m、60m和lOOm四個高度層上的lOmin平均風(fēng)速再分析數(shù)據(jù)資料集，分辨率為0.125?×0.125?

我們首先挑選出4個高度層上，所研究范圍內(nèi)每個格點的風(fēng)速最大值作為1979～2013年江門市歷年最大風(fēng)速，考察其主要的空間分布特征。然后，再逐年挑選出區(qū)域平均的風(fēng)速最大值，分析江門市逐年最大風(fēng)速隨時間的變化。最后，利用4個高度層上，每個格點35年的年最大風(fēng)速序列，通過極值I型分布估算江門市在不同再現(xiàn)期（15年、30年和50年）的年最大風(fēng)速極值。

2 江門市年最大風(fēng)速分布及其變化趨勢

圖1為lOm、30m、60m和lOOm高度層上，1979～2013年江門市歷年最大風(fēng)速的空間分布。如圖la所示，在lOm高度層上，由于地面摩擦以及地形的阻擋作用，歷年最大風(fēng)速由沿海向內(nèi)陸地區(qū)，由南向北遞減，介于14m/s～32m/s之間；沿海地區(qū)（22?N以南）平均最大風(fēng)速達(dá)23. 5m/s，內(nèi)陸地區(qū)（22?N以北）平均最大風(fēng)速為16.3m/s（表1）。同樣的，在30m、60m和lOOm高度層上，歷年最大風(fēng)速的空間分布也表現(xiàn)為由沿海向內(nèi)陸地區(qū)遞減，風(fēng)速分別介于17m/s～35m/s，20m/s～35m/s和23m/s～38m/s。從表1中，我們還可以看到沿海和內(nèi)陸地區(qū)的平均最大風(fēng)速，都隨高度的增加而增大；4個高度層上，沿海與內(nèi)陸地區(qū)的平均最大風(fēng)速差在5.7m/s～7.2m/s之間，并隨高度的增加而減小。

在4個高度層上，1979～2013年江門市歷年最大風(fēng)速的空間分布：（a） lOm、（b） 30m、（c） 60m、（d）lOOm（單位：m/s）

圖2給出了lOm、30m、60m和lOOm高度層上，1979～2013年江門市區(qū)域平均年最大風(fēng)速隨時間的變化特征。如圖3a所示，在lOm高度層上，年最大風(fēng)速介于8m/s～20m/s，呈上升趨勢（表2），并在2003年出現(xiàn)了極大值19.2m/s。同樣的，在30m、60m和lOOm高度層上，年最大風(fēng)速也表現(xiàn)出上升趨勢，并在2003年出現(xiàn)了極大值，分別為23. 2m/s、25. 7m/s和27. 7m/s。需要指出的是，在4個高度層上，年最大風(fēng)速的上升趨勢都較弱（表2），均未達(dá)到90%的信度水平，是不顯著的。

在4個高度層上，1979～2013年江門市區(qū)域平均年最大風(fēng)速的變化特征：（a） lOm、（b） 30m、（c） 60m、（d） lOOm（黑色實線：時間序列；紅色虛線：線性擬合；單位：m/s）

3 江門市年最大風(fēng)速不同再現(xiàn)期估算

3.1 極值I型分布方法介紹

極值I型分布是在氣象統(tǒng)計中常用的一種分布模式并且常用于最大降水量、最大風(fēng)速、最大積冰重量等要素極值的估算。極值I型分布的概率密度函數(shù)：

Xmax即為通過極值I型分析法得到的要素極值。近年來P-III型頻率分析方法在我國電業(yè)大風(fēng)計算中也應(yīng)用很廣，它與極值I型分析法在最大風(fēng)速概率計算中都能較好的擬合經(jīng)驗值，滿足電力設(shè)計的需要。二者估算的風(fēng)速值差別不大，但極值I型分布計算更加簡易。因此，利用極值I型分布估算四個高度層上，江門市在不同再現(xiàn)期的年最大風(fēng)速極值。

3.2 極值I型分布估算年最大風(fēng)速

根據(jù)不同再現(xiàn)期的概率公式p=lIR（其中R為再現(xiàn)期，以年為單位），可以通過（8）式計算極值I型%值，確定15年、30年和50年再現(xiàn)期下的%值分別為1.64、2.19和2.59。然后，再求出4個高度層上，區(qū)域內(nèi)每個格點的年最大風(fēng)速平均值x，以及標(biāo)準(zhǔn)差s，得到Cv。最后，通過（9）式求得不同再現(xiàn)期可能出現(xiàn)的年最大風(fēng)速估算極值。

圖3為lOm、30m、60m和lOOm高度層上，江門市15年內(nèi)可能出現(xiàn)年最大風(fēng)速的空間分布。在15年再現(xiàn)水平下，lOm高度層上江門市年最大風(fēng)速極值介于12m/s～22m/s，由沿海向內(nèi)陸地區(qū)遞減。30m、60m和lOOm高度層上，江門市年最大風(fēng)速極值分別介于14m/s～24m/s、16m/s～26m/s和18m/s～28m/S。

在4個高度層上，江門市15年內(nèi)可能出現(xiàn)年最大風(fēng)速的空間分布：（a） lOm、（b） 30m、（c） 60m、（d）lOOm（單位：m/s）

4 結(jié)論

本文利用ECWMF提供的1979～2013年共35年每天4個時次的lOm、30m、60m和lOOm四個高度層上的lOmin平均風(fēng)速再分析數(shù)據(jù)資料集（分辨率為0.125°×0.125°），分析了江門市（112.O°～113.25°E，21.5°～22.875°N）年最大風(fēng)速的分布及其變化趨勢。主要結(jié)論如下。

（1） 在lOm、30m、60m和lOOm高度層上，1979～2013年江門市歷年最大風(fēng)速的空間分布都表現(xiàn)為由沿海向內(nèi)陸地區(qū)，由南向北遞減；風(fēng)速值分別介于14m/s～32m/s，17m/s～35m/s，20～35m/s和23m/s～38m/s。 沿海和內(nèi)陸地區(qū)的平均最大風(fēng)速隨高度的增加而增大，而沿海與內(nèi)陸地區(qū)的平均最大風(fēng)速差隨高度的增加而減小。

（2） 在lOm、30m、60m和lOOm高度層上，1979～2013年江門市區(qū)域平均年最大風(fēng)速都呈弱上升趨勢，并在2003年出現(xiàn)了極大值。

（3）利用極值I型分布估算江門市在不同再現(xiàn)期的年最大風(fēng)速極值。在lOm、30m、60m和lOOm高度層上，江門市15年內(nèi)可能出現(xiàn)年最大風(fēng)速值分別介于12m/s～22m/s， 14m/s～24m/s、16m/s～26m/s和18m/s～28m/s；30年內(nèi)可能出現(xiàn)年最大風(fēng)速值分別介于12m/s～24m/s、16m/s～26m/s、18m/s～28和20m/s～30m/s；50年內(nèi)可能出現(xiàn)年最大風(fēng)速極值分別介于14m/s～24m/s、18m/s～28m/s、20m/s～30m/s和22m/s～32m/s。江門市在不同再現(xiàn)期的年最大風(fēng)速極值的空間分布表現(xiàn)為由沿海向內(nèi)陸地區(qū)遞減。