氣象觀測數(shù)據(jù)不足的沿海地區(qū)基本風壓取值方法研究＊
——以臺州市為例

姜喜慶 ，李瑞鴿 ＊，李 騫 ，祝東紅 ，陳小素 ，付 鵬 ，沈明杰

（1.臺州學院 建筑工程學院，浙江 臺州 318000；2.臺州市建設工程設計審查中心，浙江 臺州 318000；3.臺州市精筑建設工程施工圖審查中心，浙江 臺州 318000；4.臺州市氣象局，浙江 臺州 318000）

0 引言

在臺風頻發(fā)的浙東南沿海地區(qū)，風荷載是建筑結(jié)構設計時要考慮的主要水平荷載，因此基本風壓的取值是關系到結(jié)構安全性和經(jīng)濟性的重要參數(shù)。但是由于觀測時間較長的國家基準站和基本站設置數(shù)量有限，各區(qū)域詳細基本風壓數(shù)據(jù)嚴重匱乏。以浙江省臺州市為例，該市緊鄰海邊，并且有海島、半島，多山地、丘陵，地勢復雜，風壓變化幅度大，但是在現(xiàn)行的《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》（GB50009-2012）（以下簡稱“現(xiàn)行《規(guī)范》”）中，臺州市有明確取值規(guī)定的僅有四個點［1］，分別為臨海市括蒼山、椒江區(qū)洪家、椒江區(qū)下大陳、玉環(huán)市坎門街道（見表1所示）。除洪家外，其他三個氣象站點均設置在海島、半島或者海拔1000多米的山頂，基本風壓數(shù)據(jù)對臺州市的大多數(shù)建筑結(jié)構設計沒有參考意義。因此工程人員在取用各縣市區(qū)的風荷載時只能參考荷載規(guī)范中全國基本風壓分布圖（如圖1所示）的數(shù)值，按照圖中等值線的標注，目測當?shù)氐奈恢貌⒐浪銓幕撅L壓。從圖1中可以看出，臺州市緊鄰海邊，風壓等值線很密，風壓梯度變化大，靠目測和估計很難精確取值，這也造成很多設計單位在對同一片區(qū)域的工程結(jié)構進行設計時，風壓取值不同，給行政管理部門和圖審機構的工作帶來很大困擾。據(jù)調(diào)查，臺州市各縣市區(qū)的工程在進行結(jié)構設計時基本風壓取值從0.45-1.45 kN/m2不等，并且沒有明確統(tǒng)一的標準，嚴重影響了對工程結(jié)構安全性和經(jīng)濟性的控制。

圖1 《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》（GB50009-2012）風壓分布圖局部（臺州）Fig.1 Wind pressure distribution map（Taizhou）in Load Code for the Design of Building Structures GB50009-2012

隨著科技的發(fā)展，近些年來臺州地區(qū)設置了大量的自動氣象觀測站點，安裝了相當密集的自動記錄式風速儀，采集到了一批可觀的數(shù)據(jù)，為精確的統(tǒng)計和計算基本風壓提供了寶貴的資料。但是由于記錄時間較短，近十年來在臺州正面登陸的臺風幾乎沒有，因此建站歷史較短的氣象站點采用實際觀測風速資料計算，得到的50年一遇最大風速值偏小，不能直接作為建筑結(jié)構設計依據(jù)。所以研究氣象觀測數(shù)據(jù)不足的沿海地區(qū)基本風壓取值方法是迫在眉睫的工作。

1 基于現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定方法的基本風壓取值計算

1.1 計算方法

國內(nèi)外學者對年風速最大值的概率分布研究主要集中在極值I型分布、威布爾分布和P-III型分布模型［2，3］。紀鵬遠等人根據(jù)澳門地區(qū)風速數(shù)據(jù)對極值I型分布、威布爾分布和P-III型分布模型進行了擬合檢驗，結(jié)果表明極值I型概率分布的擬合效果最好［4］，而且極值I型分布是目前極值概率分布計算最常用的模型［5，6］，美國的規(guī)范和我國現(xiàn)行《規(guī)范》也采用了該模型［7］。根據(jù)我國現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定：風速數(shù)據(jù)資料積累年限一般應在25年以上，最低不宜少于10年，且觀測數(shù)據(jù)應考慮均一性。風速按年最大值取樣，采用極值I型概率分布模型，計算50年一遇10 m高10 min平均最大風速，得到重現(xiàn)期50年的基本風速?；撅L速與風壓的關系如下：

由于實際設置的氣象站超過25年觀測歷史的很少，所以，采用不低于10年期的站點資料。

根據(jù)極值I型概率分布模型［1］，風速的分布函數(shù)為：

擬求50年一遇的風速，即x＜xmax的概率為49/50，則：

兩邊取兩次自然對數(shù)并化簡得：

其中u和α分別是對應極值I型概率分布的位置參數(shù)和尺度參數(shù)，可根據(jù)采集到的歷年風速最大值的平均值、標準差及采集年限計算確定。

1.2 計算結(jié)果分析

按照規(guī)范規(guī)定方法，對臺州市10年以上風速積累數(shù)據(jù)的84個站點進行分析計算，發(fā)現(xiàn)一部分站點的基本風壓計算值很不合理，在表1中僅列出其中一部分站點計算值。

表1 臺州市部分站點按照規(guī)范計算的基本風壓值Table．1 Local basic wind pressure values calculated according to the codes in Taizhou.

由表1可知，數(shù)據(jù)采集時間超過30年的站點，基本風壓計算值與規(guī)范取值比較接近，58665（以下簡稱“洪家站”）和58667兩個站點計算值比規(guī)范取值小15%左右；58666站點計算值與規(guī)范值基本不存在偏差；58653站點計算值比規(guī)范取值大24.11%。這些站點的基本風壓與現(xiàn)行《規(guī)范》給出的風壓等值線相比較，也具有一致性；但是對于觀測時間較短的站點，基本風壓計算值明顯不合理。例如編號為k8103、k8104、k8106、k8107的站點對應的位置在洪家街道附近，并且地貌均為平原，在風壓等值線圖上，應該處于大小相等的位置，但是根據(jù)歷年最大風速的統(tǒng)計值進行計算，卻得到了最大0.638 kN/m2，最小0.155 kN/m2的基本風壓值，最大值和最小值相差超過4倍，顯然不合理。

1.3 存在問題及原因分析

根據(jù)氣象站點實際采集到的歷年最大風速，按照現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定的方法進行計算，經(jīng)緯度相近，地理環(huán)境同為平原的站點，基本風壓計算值明顯差別巨大，因此不可盲目采用該數(shù)值作為設計依據(jù)。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果不考慮地理環(huán)境因素、觀測數(shù)據(jù)誤差等不可控制的原因，仍然還有兩個方面的必然因素，導致了不合理的結(jié)果。

（1）觀測年限短，觀測期內(nèi)未出現(xiàn)臺風天氣。序號為k8106和k8107的兩個站點設置時間為2006年以后，觀測年限為10年，通過調(diào)查氣象資料發(fā)現(xiàn)，2005年以后，沒有在臺州登陸的臺風記錄，因此，采集到的歷年最大風速樣本值明顯偏小，利用該批樣本作為統(tǒng)計參數(shù)計算出的50年一遇最大風速值顯然是不可靠的。

（2）極值I型分布的數(shù)值特征引起的誤差。根據(jù)極值I型概率分布的特征和概率分布函數(shù)可知，在一定的觀測年限內(nèi)，如果每年的風速最大值離散性大，則計算出的50年一遇的最大風速值偏大。例如A和B兩個站點，年最大風速值觀測如表2所示，在10年內(nèi)A站點和B站點觀測到的風速最大值都為20 m/s，但是A站點歷年最大值都接近20 m/s，而B站點歷年最大值都比較小。直觀推斷，A站點附近的建筑物更應該注重抗風設計，但是按照極值I型分布計算出的50年一遇最大風速值卻是B站點比A站點大75%。這個計算結(jié)果解釋了當某些站點觀測時間短，并且觀測時間內(nèi)沒有出現(xiàn)極端天氣，觀測數(shù)值離散性小，則會造成50年一遇的最大風速小，基本風壓計算值偏小的現(xiàn)象。

表2 極值I型分布風速數(shù)據(jù)離散性對50年一遇最大風速計算值的影響Table．2 Influence of the 50 years maximum wind speed by dispersion of type I extreme value wind speed data

鑒于以上兩種因素的影響，在進行基本風壓計算時，不能直接按照極值I型的分布函數(shù)采用歷年氣象觀測數(shù)據(jù)進行計算，而應該對觀測數(shù)據(jù)根據(jù)均一性原則進行合理的推測處理和樣本選擇。

2 基于國家級站點觀測值的歷年最大值風速推測

由于觀測年限短，觀測資料不足造成的基本風壓計算不合理的情況，可以參考觀測時間長的國家級站點的風速數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)擬合的方法進行歷年最大值風速的推測和插補，計算出合理的50年一遇風速最大值，得到可以作為建筑結(jié)構設計依據(jù)的基本風壓值。

2.1 風速均一性檢驗

在采用風速擬合推測的方法之前，必須檢驗站點之間風速是否符合均一性。在本例中，洪家為國家級站點，觀測年限為47年，可以作為參考站點，其他站點的年風速最大值和每天風速最大值的變化都應該具有相關性和均一性，否則盲目使用擬合方程推測將會得到錯誤的結(jié)果。

由于年風速最大值一般出現(xiàn)在7、8、9三個月份當中，因此需檢驗2004-2017年7月、8月和9月的風速均一性。以k8103站點為例，兩個站點之間每天最大值風速的相關性和均一性，如圖2所示。自建站以來k8301站點的風速最大值發(fā)生在2005年9月，在圖3中亦可直觀看出，兩個站點之間9月份日最大值風速也具有明顯的均一性。

圖2 k8103和洪家站2004-2017年7、8、9月日最大風速關系圖Fig.2 Daily maximum wind speed relationship between k8103 and Hongjia station in July to September from 2004 to 2017

圖3 2005年9月洪家和k8103日風速最大值Fig.3 Daily extreme value of wind speed in Hongjia and k8103 station in September 2005

由圖可知，兩個站點之間日最大風速具有明顯的線性關系。

對2003-2017年之間，兩個站點的年風速最大值進行研究，如表3所示。

表3 洪家基準站與k8103站點自2003年以來歷年最大風速Table．3 Annual extreme wind speed of Hongjia and k8103 station since 2003

計算其相關系數(shù)：

其中cov（X，Y）為兩個站點自2003年以來歷年風速最大值的的協(xié)方差，DX和DY分別為洪家站點和k8103站點自2003年以來歷年風速最大值的方差。

將表中數(shù)值代入計算，其相關系數(shù)達到0.9233說明具有非常強的相關性。

2.2 極值風速回歸分析及擬合方程修正

以k8103站點為例進行說明。由于兩個站點采集到的風速最大值具有極強相關性，因此可以對兩個站點的觀測數(shù)據(jù)進行擬合，并采用擬合方程推測k8103站點缺失年度的最大值風速。

采用最小二乘法進行擬合，則可得到回歸方程：

用F檢驗對回歸方程做顯著性檢驗，檢驗結(jié)果見表4.

表4 回歸方程的方差分析表Table．4 Variance analysis table for regression equation

由表4可以看出，回歸方程的F值為75.17，遠大于顯著性水平為0.01的拒絕域9.074，k8103站點的歷年風速最大值與洪家站點的歷年風速最大值具有明顯線性關系，回歸方程是適合的。

考慮到大值優(yōu)先及更大的可靠概率，對擬合曲線進行修正（如圖4a所示的虛線），修正后的回歸方程為：

采用同樣的方法對其他站點最大風速數(shù)據(jù)進行均一性檢驗和擬合，并修正，如圖4所示（圖中虛線為修正后的擬合曲線）。

圖4 地方站與洪家基本站觀測值相關性圖Fig．4 Correlation diagram between local station and Hongjia basic station

2.3 計算結(jié)果對比

按照最小二乘法回歸分析得到公式并修正，得到方程（7），采用（7）式擬合k8103歷年風速最大值，并與洪家基準站觀測到的年風速最大值進行比較，如圖5所示。由圖5可以看出，2003年前后期風速最大值變化符合均一性原則。

圖5 回歸方程擬合的k8103歷年風速最大值Fig.5 Wind speed maximum value fitted by regression equation of k8103 station

采用修正后的公式進行計算，得到的50年一遇最大風速值和基本風壓值見表5。本文計算洪家站點的基本風壓值與現(xiàn)行《規(guī)范》值相比略小，原因是近10年來臺州未正面遭遇臺風登陸。而現(xiàn)行《規(guī)范》中基本風壓計算所采用的資料為2008年之前的風速數(shù)據(jù)。

表5 基本風壓計算值對比Table．5 Comparison of wind pressure basic values

3 結(jié)論

對于建站歷史短的氣象站，本文根據(jù)實際采集到的短期歷年風速數(shù)據(jù)，對比建站歷史長的國家級站點風速數(shù)據(jù)，采用回歸分析的方法，插補了新建站點長期的歷年風速最大值，計算基本風壓并進行了對比。并得到以下結(jié)論：

（1）建站歷史較短的氣象站計算基本風壓時，不能直接采用實際采集到的風速數(shù)據(jù)，由于臺風登陸的隨機性，觀測年份短的站點采集到的臺風信息少甚至缺失，造成基本風壓取值過小，以此為依據(jù)進行結(jié)構計算則會影響結(jié)構安全性。

（2）采用回歸分析的方法擬合歷史短的站點與參考站點的關系推出長期風速數(shù)據(jù)，進而計算該站點所在地的基本風壓是可行的，前提條件是兩個站點之間必須有足夠強的相關性。

（3）采用最小二乘法得到的擬合公式是基于誤差平方和最小的原則，在計算50年一遇風速最大值時，觀測值中較大的風速貢獻率更高，因此應該對擬合公式進行調(diào)整，優(yōu)先考慮大值的擬合度。

（4）由于浙東南沿海地區(qū)多山地丘陵和島嶼，地勢復雜，有些站點的觀測數(shù)據(jù)與國家站或者觀測歷史久遠的基準站觀測數(shù)據(jù)之間都不存在明顯的相關性，則需要通過其他方法進行分析，例如數(shù)值仿真、風洞試驗等方法。