梯度風(fēng)觀測資料在高層建筑氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用研究

鞠紅霞，劉素萍，何 芍

(泰州市氣象局 江蘇泰州225300)

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，高層建筑如雨后春筍般崛起，特別是出現(xiàn)了不少綜合性的高層建筑。風(fēng)是影響高層建筑物設(shè)計(jì)的主要?dú)庀笠蛩刂?，興建一座有足夠抗風(fēng)強(qiáng)度的高層建筑需要提供不同重現(xiàn)期的最大風(fēng)速值。由于各地氣候背景的差異，加之近地層風(fēng)受地理和地表狀況的影響很大，單純依靠鄰近氣象站觀測資料直接推算高層建筑物的抗風(fēng)參數(shù)，或者利用粗分辨率的全國風(fēng)壓圖通過內(nèi)插反推高層建筑物的抗風(fēng)參數(shù)，都不能較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際風(fēng)的特征，達(dá)不到高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求。因此，在氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，結(jié)合氣象站多年風(fēng)觀測資料，正確分析地區(qū)梯度風(fēng)觀測資料，估算出地區(qū)高層建筑多年一遇的極大風(fēng)速值，作為設(shè)計(jì)部門設(shè)計(jì)抗風(fēng)參數(shù)時(shí)的重要依據(jù)，對(duì)提高高層建筑氣象災(zāi)害防御的能力顯得尤為重要[1]。

本文利用泰州氣象站年最大風(fēng)速資料和梯度風(fēng)觀測資料，應(yīng)用耿貝爾極值Ⅰ型分布，系統(tǒng)分析計(jì)算得到本地區(qū)高層建筑若干年后不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速極值，應(yīng)用到高層建筑氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告中，為高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的氣象參數(shù)。

1 數(shù)據(jù)來源與評(píng)估方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

泰州斜橋氣象觀測站 1966—2003年連續(xù) 38年的最大風(fēng)速觀測資料用于計(jì)算本地區(qū)10,m高度處不同重現(xiàn)期的最大風(fēng)速極值。

泰州梯度風(fēng)自動(dòng)觀測系統(tǒng)2007年8月份建成投入使用，用于觀測近地面不同高度風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。梯度風(fēng)觀測系統(tǒng)安裝于總高 218,m的鋼結(jié)構(gòu)電視塔上，在塔的 35,m、85,m、135,m 3個(gè)平臺(tái)上各安裝2套風(fēng)傳感器，取得了2007年10月～2012年12月期間逐日的不同高度處風(fēng)觀測資料。

1.2 方法

1.2.1 耿貝爾極值Ⅰ型分布

根據(jù)高層建筑抗風(fēng)參數(shù)的設(shè)計(jì)要求[2]，需要以極端的氣候狀態(tài)作為設(shè)計(jì)條件，因?yàn)闅庀笥涗浿械臉O大風(fēng)速值是觀測時(shí)期內(nèi)的極大值，只有相對(duì)意義，高層建筑可能遇到的極端風(fēng)速不能簡單地用氣象記錄中的極值計(jì)算，而需要利用最大風(fēng)速的概率分布來推算出百年一遇的最大風(fēng)速。

所謂極值分布就是在n個(gè)觀測值中極大值或極小值的概率分布。

設(shè)X為隨機(jī)變量，X1，X2，…Xn為X的樣本，如將樣本從小到大排列成：

則Xn*就是樣本(X1，X2，…Xn)的極大項(xiàng)，而X1*就是樣本(X1，X2，…Xn。)的極小項(xiàng)，極值分布就是代表Xn*或X1*這樣的隨機(jī)變量的分布。由于n的變化，求Xn*、X1*的分布，實(shí)質(zhì)上是一種極限分布或漸近分布。

它的概率密度函數(shù)和保證率分布函數(shù)[3]分別為：

由耿貝爾方法[4]：

這里mx、xσ分別為樣本的數(shù)學(xué)期望和均方差。根據(jù)上述分布函數(shù)，對(duì)于給定的保證率p所對(duì)應(yīng)的xp，由：

解得：

1.2.2 風(fēng)廓線指數(shù)計(jì)算方法

在 500～1,500,m 以下的大氣摩擦層中，風(fēng)隨高度的變化，最常用的模擬規(guī)律為指數(shù)律。根據(jù)現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》及《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南》所推薦的風(fēng)隨高度變化規(guī)律相一致，近地層風(fēng)隨高度變化的指數(shù)公式為：

式中：V為高度Z處的風(fēng)速，V1為已知高度Z1處的已知風(fēng)速，α為風(fēng)廓線指數(shù)。

1.2.3 移動(dòng)t檢驗(yàn)法

移動(dòng) t檢驗(yàn)法可進(jìn)行均值差異性檢驗(yàn)[5]，方法如下：

計(jì)算統(tǒng)計(jì)量：

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象站年最大風(fēng)速序列的均一性審查與處理

《建筑物結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)規(guī)定：推算多年一遇的最大風(fēng)速時(shí)，所用的風(fēng)速資料為開闊地面10,m高度處的10,min平均最大風(fēng)速。在計(jì)算中，風(fēng)速資料序列主要選取氣象臺(tái)站建站以來自記10,min平均最大風(fēng)速為統(tǒng)計(jì)樣本，在概率計(jì)算之前對(duì)代表性、準(zhǔn)確性和連續(xù)性進(jìn)行審查、處理。

對(duì)泰州氣象觀測站1960年以來觀測的平均風(fēng)速(2,min)的年值序列進(jìn)行均一性分析[6]，1965年維爾達(dá)測風(fēng)器改為電接風(fēng)向風(fēng)速計(jì)(自記 10,min平均風(fēng)速觀測)，1978年氣象觀測站由泰州市東郊斜橋遷至東郊斜橋南，2004年由人工觀測站調(diào)整為自動(dòng)氣象觀測站，且泰州站 2005—2006年的數(shù)據(jù)為空值。應(yīng)用移動(dòng)t檢驗(yàn)方法(顯著性水平 0.05)進(jìn)行兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)前后時(shí)段的顯著性檢驗(yàn)，如檢驗(yàn)結(jié)果顯著，則認(rèn)為該點(diǎn)是不連續(xù)點(diǎn)。檢驗(yàn)主要為 1965年和 1978年的假設(shè)斷點(diǎn)，1965年儀器更換造成風(fēng)速資料不連續(xù)，1978年的臺(tái)站遷移對(duì)風(fēng)速無影響。因此選取 1966—2003年的年最大風(fēng)速序列資料來進(jìn)行計(jì)算，圖 1為泰州市斜橋氣象站1966—2003年逐年最大風(fēng)速變化圖。從圖中可以看出，最大值為20.3,m/s。

圖1 泰州斜橋氣象站年最大風(fēng)速變化圖Fig.1 Annual maximum wind speed variation measured by Taizhou Xieqiao meteorological station

2.2 氣象站年最大風(fēng)速的概率計(jì)算

在高層建筑的氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，對(duì)風(fēng)壓的評(píng)估尤其重要，選擇恰當(dāng)就會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)高層建筑抗風(fēng)參數(shù)的設(shè)計(jì)要求，首先要弄清當(dāng)?shù)仫L(fēng)的極端氣候狀態(tài)，以及十年一遇、百年一遇的概率。

擬合極值分布的方法有多種，氣象上常用如P-Ⅲ型和極值Ⅰ型[7]等，研究表明它們與氣象要素極值分布擬合良好，在氣象、水文上獲得廣泛的應(yīng)用。根據(jù)泰州斜橋氣象站1966—2003年的最大風(fēng)速資料，用耿貝爾極值Ⅰ型分布對(duì)泰州市年最大風(fēng)速進(jìn)行擬合，進(jìn)而計(jì)算泰州斜橋氣象站10,m高度處不同重現(xiàn)期下的10,min平均年最大風(fēng)速，結(jié)果見表1。

表1 泰州斜橋氣象站不同重現(xiàn)期的基本風(fēng)速Tab.1 Basic wind speeds at different return periods measured by Taizhou Xieqiao meteorological station

對(duì)上述結(jié)果做柯爾莫哥洛夫方法進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，樣本理論分布函數(shù)與經(jīng)驗(yàn)分布最大的離差Dn＝0.089,1，Dn＜D0.05＝0.215。因此，耿貝爾分布函數(shù)計(jì)算重現(xiàn)期其擬合優(yōu)度滿足要求。

2.3 梯度風(fēng)觀測資料在氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

2.3.1 梯度風(fēng)觀測資料的分析和處理

2007年1月1日，新建泰州氣象觀測站，位于泰州市西郊鄉(xiāng)森北村，風(fēng)速儀的安裝高度為10,m。利用2007年10月～2012年12月期間逐日的梯度風(fēng)不同高度觀測資料及泰州森北氣象觀測站同期10,m高度處風(fēng)觀測資料，用于風(fēng)廓線指數(shù)的計(jì)算。從圖 2選取的部分梯度風(fēng)觀測站和森北氣象觀測站同期風(fēng)觀測資料分析圖可以看出，風(fēng)速隨著高度的增加明顯增大。

圖2 梯度風(fēng)觀測資料和森北氣象觀測站同期風(fēng)觀測資料對(duì)比圖Fig.2 Comparison of gradient wind observation data with the wind observation data measured by Senbei meteorological observation station at the same time

2.3.2 高層建筑各高度設(shè)計(jì)風(fēng)速的推算

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中要求，在推算50年一遇的最大風(fēng)速時(shí)，根據(jù)提供的風(fēng)廓線指數(shù)取值，不同地面粗糙度對(duì)應(yīng)不同α值，見表2。

表2 各種地面粗糙度條件下的風(fēng)廓線指數(shù)Tab.2 Wind profile indices under various surface roughness conditions

根據(jù) 2007年10月～2012年 12月梯度風(fēng)觀測資料和森北氣象觀測站同期風(fēng)觀測資料，35,m和10,m處風(fēng)速資料，利用風(fēng)廓線指數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行擬合，得出α為 0.12；85,m和 10,m處風(fēng)速資料擬合出α為 0.13；135,m和 10,m處風(fēng)速資料擬合出α為0.20，符合地面對(duì)風(fēng)的摩擦阻力隨著離地面高度的增加而減小，從而使風(fēng)速隨高度的增加而變大的規(guī)律。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的地面粗糙度分類，泰州地區(qū)可歸為 C類，α值與 135,m處實(shí)測值比較接近。泰州地區(qū)高層建筑一般不高于 150,m，結(jié)合計(jì)算出的α值，α取值為0.22，根據(jù)表1利用風(fēng)廓線指數(shù)計(jì)算方法推算出離地面120,m以內(nèi)每10,m高度層不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速值，結(jié)果見表3。

表3 泰州地區(qū)不同高度不同重現(xiàn)期 10,min平均年最大風(fēng)速Tab.3 10,min average annual maximum wind speeds at different heights and different recurrence intervals in Taizhou area

從表3可以看出，隨著高度的增加，10,min平均年最大風(fēng)速也明顯增大，120,m處風(fēng)速明顯大于10,m處風(fēng)速。

2.3.3 與風(fēng)壓荷載計(jì)算法反推高層建筑的設(shè)計(jì)風(fēng)速比較分析

查詢《全國基本風(fēng)壓分布圖》，得設(shè)計(jì)頻率為10,a、50,a和 100,a一遇時(shí)泰州地區(qū)相應(yīng)的風(fēng)壓值分別為 0.25,kN/m2、0.4,kN/m2和 0.45,kN/m2，根據(jù)風(fēng)壓荷載計(jì)算公式推算出離地10,m高度處10,a、50,a和100,a一遇10,min平均年最大風(fēng)速取值分別為 20.0,m/s、25.3,m/s 和 26.8,m/s，10,a、50,a 和100,a的規(guī)范所取基本風(fēng)速比表3中對(duì)應(yīng)的計(jì)算值分別偏大 2.5,m/s、4.7,m/s和 4.9,m/s。

計(jì)算結(jié)果和表3比較可以看出，《全國基本風(fēng)壓分布圖》在計(jì)算泰州地區(qū)風(fēng)壓時(shí)使用的基本風(fēng)速取值明顯偏大，而且隨著設(shè)計(jì)年限的增加，差值也呈增大趨勢，使用規(guī)范給出的風(fēng)壓值會(huì)造成投資太大而浪費(fèi)資金。因此將梯度風(fēng)觀測資料應(yīng)用于高層建筑氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，意義十分重大。

3 結(jié) 論

采用泰州斜橋氣象站 1966—2003年共 38年最大風(fēng)速資料序列，利用耿貝爾極值Ⅰ型分布函數(shù)，計(jì)算得出了泰州地區(qū)不同重現(xiàn)期(100,a、50,a、30,a、10,a)10,m高度處 10,min平均年最大風(fēng)速分別為21.9,m/s、20.6,m/s、19.6,m/s、17.5,m/s。

結(jié)合泰州電視塔35,m、85,m和135,m高度的同步梯度風(fēng)觀測資料，計(jì)算得出了泰州地區(qū)風(fēng)廓線指數(shù)，從而可推算出不同高度、不同重現(xiàn)期(100,a、50,a、30,a、10,a)的最大風(fēng)速極值。

根據(jù)《全國基本風(fēng)壓分布圖》反推出泰州地區(qū)10,m高度處基本風(fēng)速取值與計(jì)算值相比明顯偏大。因而，在氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中應(yīng)用梯度風(fēng)觀測資料來進(jìn)行不同高度基本風(fēng)速的計(jì)算，能為本地區(qū)高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)經(jīng)濟(jì)的氣象參數(shù)。

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