50年一遇最大風(fēng)速估算

楊鵬鵬，張大燕

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710075)

風(fēng)是一種重要的自然資源，目前風(fēng)電開發(fā)是新能源開發(fā)利用的重要組成部分。根據(jù)《電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5158—2012)的要求，為保證風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的運(yùn)行安全，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全設(shè)計(jì)最大風(fēng)速的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為50 a。50 a一遇最大風(fēng)速是決定風(fēng)電機(jī)組極限載荷的關(guān)鍵指標(biāo)[1,2]。近年來伴隨著全球氣溫的不斷升高，極端天氣頻發(fā)，大風(fēng)災(zāi)害也時(shí)常發(fā)生，風(fēng)作為生產(chǎn)建設(shè)規(guī)劃與設(shè)計(jì)中必須慎重考慮的氣象要素，在各項(xiàng)工程設(shè)計(jì)上，必須了解這些建筑物和裝置在使用期內(nèi)可能遇到的風(fēng)速極值，即要求提供不同重現(xiàn)期的最大風(fēng)速值。正確分析年最大風(fēng)速分布特征，并估算出不同重現(xiàn)期內(nèi)可能出現(xiàn)的最大風(fēng)速, 具有一定的現(xiàn)實(shí)意義[3]。目前，關(guān)于最大風(fēng)速這一課題國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究。廖小青[4]等應(yīng)用Gumbel 分析法和風(fēng)壓法計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)50 a一遇最大風(fēng)速；鹿翠華[5]利用棗莊市1971—2008 年各月10 min 最大風(fēng)速資料，利用耿貝爾分布函數(shù)估算出棗莊未來若干年的最大風(fēng)速極值；謝今范[6]等利用吉林省1973—2008年共36 a來40個(gè)觀測(cè)站的逐月最大風(fēng)速資料，分析了吉林省逐年最大風(fēng)速的變化趨勢(shì)及概率分布特征。以上學(xué)者的研究為50年一遇最大風(fēng)速的計(jì)算提供了相關(guān)的方法參考，本文在總結(jié)上述研究成果，分析風(fēng)速趨勢(shì)變化的基礎(chǔ)上，利用多種方法綜合估算50年一遇最大風(fēng)速。

1 數(shù)據(jù)及方法

榆林氣象站位于榆林市城關(guān)膚施路，地理坐標(biāo)為北緯38°14′、東經(jīng)109°42′，觀測(cè)場(chǎng)海拔高度為1 057.5 m，1951年開始設(shè)站觀測(cè)。2005年站址位置遷至榆陽區(qū)青云鄉(xiāng)劉家洼“郊外”，北緯38°16′，東經(jīng)109°47′，海拔高度為1 157 m。氣象站站址變遷前后，最大風(fēng)速均值相差0.2 m/s，可見遷站對(duì)最大風(fēng)速觀測(cè)值影響較小，資料有可靠性和一致性，因此統(tǒng)稱為榆林氣象站。

使用的數(shù)據(jù)有：榆林氣象站1961—2016年逐年最大風(fēng)速資料、榆林氣象站2007年2月至2008年1月逐時(shí)風(fēng)速觀測(cè)值、風(fēng)電觀測(cè)場(chǎng)2007年2月至2008年1月逐時(shí)觀測(cè)值，以上資料完整率均超過了95%。風(fēng)電觀測(cè)場(chǎng)位于榆林市郊區(qū)，海拔高度1 137 m，與氣象站的距離為27 km。氣象站與風(fēng)電觀測(cè)場(chǎng)的觀測(cè)高度均為10 m。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009—2012規(guī)定，設(shè)計(jì)風(fēng)速采用極值Ⅰ型分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[7-8]。其分布函數(shù)為：

P=φ(x)=e-e-a(x-u)。

式中：a為待定常數(shù)；u為極值分布眾數(shù)。

極值Ⅰ型分布函數(shù)的簡(jiǎn)化公式為：

2 風(fēng)速計(jì)算

2.1 歷年最大風(fēng)速變化趨勢(shì)分析

根據(jù)榆林氣象站1961—2016年歷年最大風(fēng)速資料，進(jìn)行年最大風(fēng)速變化趨勢(shì)分析。由圖1可以看出，榆林氣象站年最大風(fēng)速總體有逐年減小的趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.845(m/s)/ 10 a，其中20世紀(jì)60—70年代風(fēng)速較大，80—90年代風(fēng)速較小，2000年以后風(fēng)速略有上升。

虛線為趨勢(shì)線；折線為年代最大風(fēng)速均值變化線圖1 1961—2016年榆林氣象站年最大風(fēng)速年際變化

進(jìn)一步利用Mann-Kendall突變分析法分析年最大風(fēng)速的趨勢(shì)變化[9-10]，如圖2所示。由圖2可以看出，UF、UB曲線在置信區(qū)間外的點(diǎn)較少，說明年最大風(fēng)速?zèng)]有顯著性變化；在0.99置信水平區(qū)間內(nèi)，UF、UB兩曲線只有一個(gè)交點(diǎn)，說明年最大風(fēng)速在該年份發(fā)生了突變，突變時(shí)間為1980年。因此在分析50 a一遇最大風(fēng)速時(shí)，考慮將年最大風(fēng)速序列分為兩個(gè)階段進(jìn)行研究。

圖2 1961—2016年榆林氣象站年最大風(fēng)速M(fèi)-K突變檢驗(yàn)圖(點(diǎn)劃線為0.01顯著性水平臨界值)

2.2 50 a一遇最大風(fēng)速計(jì)算

(1)利用氣象站長(zhǎng)序列1961—2016年的最大風(fēng)速觀測(cè)資料，按照極值Ⅰ型分析法計(jì)算氣象站50 a一遇最大風(fēng)速，得V1=23.5 m/s。

(2)利用風(fēng)電觀測(cè)場(chǎng)及氣象站同期觀測(cè)資料，做逐日最大風(fēng)速相關(guān)散點(diǎn)圖如圖3。

圖3 風(fēng)電觀測(cè)場(chǎng)及榆林氣象站同期風(fēng)速相關(guān)散點(diǎn)圖

由圖3可見，兩站同期資料相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)R=0.87。因此，利用上述相關(guān)方程，修正氣象站歷年最大風(fēng)速，再進(jìn)行極值Ⅰ型計(jì)算，最終得到設(shè)計(jì)風(fēng)速為V2=21.8 m/s。

(3)根據(jù)《電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5158—2012)中規(guī)定：氣象站有連續(xù)25 a以上的年最大風(fēng)速資料時(shí)，可直接進(jìn)行頻率計(jì)算推求氣象站設(shè)計(jì)風(fēng)速。根據(jù)前文分析，榆林氣象站年最大風(fēng)速在1980年發(fā)生了突變，因此，在分段計(jì)算設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，1981—2016年風(fēng)速長(zhǎng)度滿足規(guī)程要求，可以直接計(jì)算。1961—1980年風(fēng)速系列年限雖不足25 a，但考慮資料的年限在1980年以前，下墊面受人為活動(dòng)影響較小，比較當(dāng)前來說更能真實(shí)反映最大風(fēng)速變化情況；因此采用20 a資料進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)極值Ⅰ型分析法，計(jì)算氣象站1961—1980年50 a一遇最大風(fēng)速為V3=25.0 m/s，1981—2016年為V4=20.9 m/s。

(4)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》風(fēng)壓表估算法

目前通用的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)中全國(guó)風(fēng)壓表是以氣象站10 m高度測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的，在風(fēng)壓表中查得榆林市50 a一遇設(shè)計(jì)風(fēng)壓為0.4 kN/m2。根據(jù)風(fēng)壓公式反推，計(jì)算得該地區(qū)10 m高度50 a一遇的最大風(fēng)速為V5=25.3 m/s。

(5)1 d及5 d設(shè)計(jì)風(fēng)速取樣法

根據(jù)氣象站及風(fēng)電觀測(cè)場(chǎng)2007年2月至2008年1月的逐時(shí)觀測(cè)值，分別挑選出1 d及5 d最大風(fēng)速組成新的風(fēng)速系列，按照極值Ⅰ型分析法計(jì)算設(shè)計(jì)風(fēng)速。5 d最大風(fēng)速取樣法能夠較好的反映年內(nèi)風(fēng)速的變化，符合實(shí)際大氣系統(tǒng)的移動(dòng)周期，可以簡(jiǎn)單、完整地在一整年的實(shí)測(cè)風(fēng)速中獲取樣本，目前該取樣方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用在最大風(fēng)速估算中，結(jié)果較好[11]。

表1 1 d及5 d取樣法計(jì)算的50 a一遇最大風(fēng)速 m/s

2.3 50 a一遇最大風(fēng)速的確定

3 結(jié)論與討論

(1)榆林氣象站年最大風(fēng)速有逐年減小的趨勢(shì)，氣候傾向率為0.845 (m/s)/10 a，但減小的趨勢(shì)不顯著，最大風(fēng)速在1980年發(fā)生突變。

(2)以風(fēng)速突變點(diǎn)為分界，分別根據(jù)極值Ⅰ型分析法及建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范計(jì)算氣象站50 a一遇最大風(fēng)速。結(jié)果顯示，利用極值Ⅰ型分析法計(jì)算1961—1980年的結(jié)果與建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范計(jì)算的結(jié)果相近，分別為25.0 m/s和25.3 m/s。

(3)用1 d及5 d設(shè)計(jì)風(fēng)速修正后的最大風(fēng)速值差別較大，其中以1 d修正氣象站突變前風(fēng)速(1961—1980年)得到的50 a一遇最大風(fēng)速的結(jié)果最大，與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算的成果相接近，二者相互驗(yàn)證，最終確定風(fēng)電場(chǎng)50 a一遇最大風(fēng)速為25.3 m/s，相應(yīng)風(fēng)壓為0.4 kN/m2。

(4)只應(yīng)用了榆林氣象站及當(dāng)?shù)仫L(fēng)電觀測(cè)場(chǎng)風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算，沒有利用更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，后續(xù)還需進(jìn)行深入研究，以期得到確定50 a一遇最大風(fēng)速的普適方法。