最大風(fēng)速的估算方法與應(yīng)用

孫 超，湯 超，韓俊杰

（1.黑龍江省太平國(guó)際機(jī)場(chǎng)氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江省氣象科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

風(fēng)速是指空氣質(zhì)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)所移動(dòng)的水平距離，以m/s 為單位，精度為一位小數(shù)。最大風(fēng)速是指一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的最大10 min 平均風(fēng)速極大值。 極大風(fēng)速（陣風(fēng)）是指某個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)的最大瞬時(shí)風(fēng)速值[1]。 依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的《全國(guó)基本風(fēng)壓分布圖》 的風(fēng)壓和運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)估算不同重現(xiàn)期水平的線路基本風(fēng)壓和最大風(fēng)速是目前國(guó)內(nèi)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)施工和電力設(shè)計(jì)施工單位獲取最大設(shè)計(jì)風(fēng)速的主要方法。 但是由于以前氣象資料站點(diǎn)少，而且沒(méi)有考慮地形影響，在地形相對(duì)復(fù)雜、受臺(tái)風(fēng)影響頻繁的東南沿海地區(qū)， 應(yīng)用這種方法則往往會(huì)出現(xiàn)較大偏差。

為此， 在沿海和山地地區(qū)最大風(fēng)速的獲取方法與技術(shù)方面國(guó)內(nèi)外相關(guān)部門單位已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，并取得了很多成就。 如龐文保、李懷川[2]等人應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)頻率法和P-Ⅲ型分布分析獲得15 m 高度的15 a 一遇的最大風(fēng)速。 莊垂鋒[3]曾經(jīng)利用福州氣象站的1953-1982 年的最大風(fēng)速觀測(cè)資料分析過(guò)福州的最大風(fēng)速時(shí)空分布特征，用極值Ⅰ型分布(即Gumbel 分布) 理論估算福州市不同重現(xiàn)期內(nèi)可能的最大風(fēng)速值。 龐文保、白光弼等[4]應(yīng)用皮爾遜Ⅲ型和極值Ⅰ型分布曲線對(duì)陜西省乾縣和扶風(fēng)兩個(gè)氣象站1972-2004 年10 min 平均最大風(fēng)速資料進(jìn)行30 a 一遇和50 a 一遇自記10 min 平均最大風(fēng)速進(jìn)行極值推斷，認(rèn)為兩種方法用于電力部門所需最大風(fēng)速估算都是可行的。

但是以上這些分析研究都是以地面氣象站的實(shí)際觀測(cè)資料為基礎(chǔ)展開的。 由于地區(qū)內(nèi)不同氣象站的建站早晚以及開始自記風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)的時(shí)間不同，開始階段通常是以每日4 次或3 次定時(shí)2 min 平均風(fēng)速觀測(cè)記錄， 即使在觀測(cè)氣象站有自記風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)記錄， 有些年份也存在缺測(cè)現(xiàn)象或者因觀測(cè)站搬遷而受到影響。 因觀測(cè)高度不同和時(shí)次差異須進(jìn)行相應(yīng)訂正。 訂正模式的系統(tǒng)誤差以及不可避免的偶然誤差都會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

廣東地區(qū)處于我國(guó)華南南部沿海地區(qū)， 地形復(fù)雜且易受臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣影響導(dǎo)致大風(fēng)等災(zāi)害。 劉少群，黃澤文，陳麗佳等人曾對(duì)廣東省的風(fēng)災(zāi)狀況展開過(guò)調(diào)查， 認(rèn)為導(dǎo)致廣東地區(qū)風(fēng)災(zāi)的主要原因有熱帶氣旋以及中尺度強(qiáng)對(duì)流中的颮線與龍卷， 并給出了相應(yīng)的風(fēng)災(zāi)防范治理意見(jiàn)[5]。 但目前對(duì)該地區(qū)的最大風(fēng)速分布特征以及其極值估算的相關(guān)研究分析還較少。 本文使用ECMWF 的REA 分層格點(diǎn)資料對(duì)廣東及其近海地區(qū)風(fēng)速分布情況進(jìn)行描述， 統(tǒng)計(jì)獲得該地區(qū)地面以及近地層不同高度上最大平均風(fēng)速分布特征， 應(yīng)用皮爾遜Ⅲ型和極值Ⅰ型分布得到本地10 a、20 a、50 a 一遇的最大風(fēng)速極值，為以后本地的氣候狀況研究和當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)規(guī)劃提供參考。

本文中主要通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)（18°-26.5°N,108.75°-118.5°E） 地區(qū)的不同高度風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空分布特征。

應(yīng)用極值Ⅰ型分布和皮爾遜Ⅲ型曲線兩種方法對(duì)ECMWF 的多層風(fēng)場(chǎng)REA 數(shù)據(jù)資料的不同高度層的年最大風(fēng)速序列展開分析，并獲得各層10 a、20 a、50 a 不同重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速估計(jì)值， 并與初始資料加以比較分析， 總結(jié)了這兩種方法在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

初始風(fēng)速資料是源自ECMWF 的空間分辨率為0.75°×0.75°的 REA 多層 10 min 平均風(fēng)速格點(diǎn)資料。所取用資料空間為 18°-26.25°N，108.75°-118.5°E 區(qū)域，基本覆蓋廣東省全境以及附近近海地區(qū)。 資料為從 1979-2012 年共 34 a 每天 4 個(gè)時(shí)次的 10 min 平均風(fēng)速, 再分析資料中距地面高度分別為10 m、30 m、60 m、100 m 四層的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)，可較好的代表東南沿海地區(qū)的最大風(fēng)速特征。

2.2 研究方法

本文中主要通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)（18°-26.5°N,108.75°-118.5°E） 地區(qū)的不同高度風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空分布特征。

應(yīng)用極值Ⅰ型分布和皮爾遜Ⅲ型曲線兩種方法對(duì)ECMWF 的多層風(fēng)場(chǎng)REA 數(shù)據(jù)資料的不同高度層的年最大風(fēng)速序列展開分析，并獲得各層10 a、20 a、50 a、不同重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速估值，并與初始資料加以比較分析， 總結(jié)了這兩種方法在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值。

3 不同高度最大風(fēng)速分布特征分析

3.1 歷史最大風(fēng)速分布特征

文中所研究的區(qū)域?yàn)槿A南南部地區(qū)， 以及其毗鄰的近海海域，空間分辨率為0.75°×0.75°，所占總面積大約8×105km2。 其中陸地主要包括廣東省全部和附近的廣西東北部、湖南南部、江西南部、福建省西南部以及海南島。

在研究區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)有資料分別對(duì)100 m、60 m、30 m、10 m 四個(gè)高度按格點(diǎn)統(tǒng)計(jì)獲取全風(fēng)速的最大值， 并繪制了不同高度層1979-2012 年年最大風(fēng)速變化曲線如下（圖1）。

圖1 各層年最大風(fēng)速年紀(jì)變化曲線

在研究區(qū)域(18°-26.25°N，108.75°-118.5°E)內(nèi)年最大全風(fēng)速值從高到低逐漸減小。100 m 高度層的年際差異在22.5-42.5 m/s 之間， 平均年最大風(fēng)速為29.8 m/s；60 m 高度層的年際差異在 21.6-41.4 m/s之間，平均年最大風(fēng)速為28.0 m/s；30 m 高度層的年際差異在20.3-40.2 m/s 間， 平均年最大風(fēng)速為26.6 m/s；10 m 高度層的年際差異在18.1-37.6 m/s 之間，平均年最大風(fēng)速為24.2 m/s。其中年最大風(fēng)速的年際極大值出現(xiàn)在2003 年，次大值出現(xiàn)在2006 年；年際極小值出現(xiàn)在1994 年，次小值出現(xiàn)在1996 年。

由圖1 可見(jiàn)，在所研究范圍內(nèi)，全風(fēng)速的年最大值的空間極值有著非常明顯的年際變化， 不同高度層的變化趨勢(shì)十分吻合。 所統(tǒng)計(jì)歷史范圍內(nèi)，年最大風(fēng)速的極大值出現(xiàn)在2003 年， 次大值出現(xiàn)在2006年，極小值出現(xiàn)在1994 年。 從曲線的波動(dòng)情況來(lái)看,自2000 年以來(lái)曲線波動(dòng)相對(duì)增強(qiáng)，即出現(xiàn)的極大值有所增大。 這充分說(shuō)明了年最大風(fēng)速的不確定的特點(diǎn)， 因而需要通過(guò)科學(xué)的統(tǒng)計(jì)以獲得在一定時(shí)間范圍內(nèi)一遇的可能最大風(fēng)速。

研究區(qū)域內(nèi)各層最大全風(fēng)速的極大值均出現(xiàn)在近海的海上， 極小值一般出現(xiàn)在粵北或粵東北的山地地區(qū)。 在研究區(qū)域內(nèi)的各個(gè)高度層上歷史最大全風(fēng)速有明顯的較差（最大值和最小值之差），較差值一般在10-12 m/s 之間。沿海海岸線附近由于下墊面性質(zhì)的突然變化， 下墊面粗糙度增大， 摩擦作用變強(qiáng)。 風(fēng)速的梯度最大，從海上到陸地風(fēng)速迅速減小，從海岸到內(nèi)陸的狹窄地帶內(nèi)風(fēng)速能夠迅速減小4-6 m/s。從海岸附近的平原和臺(tái)地向內(nèi)陸的山區(qū)延伸，各層風(fēng)速也因下墊面性質(zhì)的改變而減弱。 在近海、沿海岸線以及內(nèi)陸山區(qū)，最大風(fēng)速有著不同的分布特點(diǎn)。在100 m 高度層上最大風(fēng)速的極大值與極小值的較差為12 m/s，其中極大值出現(xiàn)在海上，極小值出現(xiàn)在粵北的山區(qū)， 而且在海岸線附近風(fēng)速等值線走向與海岸線相吻合。 在 60 m、30 m、10 m 三個(gè)高度層上也有類似的分布特征。

由研究區(qū)域歷史的年最大風(fēng)速分布狀況， 可將研究區(qū)域按照近海、沿海岸線、內(nèi)陸山地劃分為三類區(qū)域。 在每類區(qū)域內(nèi)選取兩個(gè)代表點(diǎn)對(duì)其最大風(fēng)速的分布特征加以分析，并估算該點(diǎn)上的最大風(fēng)速值。在近海類區(qū)域中選擇 A （21°N,112.5°E） 和 B (21°N,115.5°E) 為代表點(diǎn)， 在沿海岸線類區(qū)域中選擇C（21.75°N,111.75°E）和 D（22.5°N,113.25°E）為代表點(diǎn)，在內(nèi)陸山地類區(qū)域中選擇 E（24°N，112.°5E）和 F(24°N,115.5°E)為代表點(diǎn)。

3.2 代表點(diǎn)最大風(fēng)速年內(nèi)分布特征

為確定年最大風(fēng)速出現(xiàn)的季節(jié)， 須對(duì)各代表格點(diǎn)月最大風(fēng)速的變化趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 根據(jù)氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律， 一般在30 a 周期內(nèi)某地的氣候條件一般不會(huì)有明顯的變化， 所以選擇最近1 a，即2012 年各代表格點(diǎn)的月最大風(fēng)速資料為代表考察研究區(qū)域月最大風(fēng)速的變化規(guī)律。

分別對(duì)六個(gè)代表格點(diǎn) A、B、C、D、E、F 處 2012 年的月最大風(fēng)速變化情況統(tǒng)計(jì)如下圖2：

圖2 (a)A、(b)B、(c)C、(d)D、(e)E、(f)F 六點(diǎn) 2012 年月最大風(fēng)速變化

分別分析以上各點(diǎn)月最大風(fēng)速變化情況可見(jiàn)，在近海類區(qū)域代表格點(diǎn)A、B， 其月最大風(fēng)速的極大值一般出現(xiàn)在7 月或者8 月； 在沿海岸線類區(qū)域代表格點(diǎn)C， 其月最大風(fēng)速極大值一般出現(xiàn)在6、7、8月，即氣候意義上的夏季，而D 點(diǎn)月最大風(fēng)速的極大值出現(xiàn)在12 月份，次大值出現(xiàn)8 月；在內(nèi)陸山地類區(qū)域代表格點(diǎn)E、F，其月最大風(fēng)速極大值也是出現(xiàn)在7、8 月份， 但相對(duì)近海類域其極大值并無(wú)明顯突變。在所有格點(diǎn)上， 月最大風(fēng)速的極小值都出現(xiàn)在5 月份、9 月份和10 月份，這與太陽(yáng)直射點(diǎn)的南北移動(dòng)而使西太平洋副熱帶高壓控制本地有著必然關(guān)系。 夏季的7、8 月份， 是西太平洋副熱帶高壓最靠北的時(shí)間，這段時(shí)間研究區(qū)域位于副熱帶高壓后部，經(jīng)常會(huì)受到來(lái)自菲律賓以東太平洋和中國(guó)南海溫暖洋面上的熱帶氣旋甚至臺(tái)風(fēng)的影響。

比較各圖可見(jiàn)， 在近海類區(qū)域月最大風(fēng)速的變化情況極為明顯，夏季和冬季有明顯的突變。 而在沿海岸線類區(qū)域次之， 并以內(nèi)陸山地區(qū)域的變化最為平穩(wěn)。 綜合以上月最大風(fēng)速的分布變化特征，可認(rèn)為形成研究區(qū)域年最大風(fēng)速值的主要原因是海上的熱帶氣旋及臺(tái)風(fēng)， 但是冬季如果有強(qiáng)的冷空氣翻越南嶺南下也可能形成年最大風(fēng)速。

4 不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速推算

4.1 極值Ⅰ型分布估算最大風(fēng)速極值

極值Ⅰ型分布方法是近年來(lái)最大風(fēng)速概率計(jì)算以及不同概率下最大風(fēng)速值極值估算中最常用的方法之一。

根據(jù)不同重現(xiàn)水平的概率公式P＝1/R（其中R 為重現(xiàn)水平，以年為單位），可以通過(guò)查詢極值Ⅰ型ψp值分布表[6]確定 10 a、20 a、50 a 重現(xiàn)水平下的 ψp 值分別為1.3、1.87、2.59。 這種方法中僅有一個(gè)參數(shù)ψp與被估計(jì)最大風(fēng)速極值的概率相關(guān)， 對(duì)于某些特定的概率水平計(jì)算方法比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

4.1.1 100 m 層最大風(fēng)速極值估算

用第Ⅰ型極值分布方法估算各代表研究點(diǎn)100 m 高度不同重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速可能極值， 得如下結(jié)果。

在表1 中可見(jiàn)， 所選取的各代表點(diǎn)100 m 高度上年最大風(fēng)速序列的變差系數(shù)Cv 在0.10-0.20 之間，其中變差系數(shù)最大的是代表近海類區(qū)域的A 點(diǎn)，值為0.1890， 變差系數(shù)最小的是代表內(nèi)陸山地類區(qū)域的E 點(diǎn)，值為0.1072。 在三類區(qū)域中，近海類區(qū)域、沿海岸線類區(qū)域、 內(nèi)陸山地類區(qū)域的變差系數(shù)依次減小， 表明從海上到內(nèi)陸山地區(qū)域年最大風(fēng)速序列的相對(duì)變動(dòng)程度依次減小， 即年最大風(fēng)速序列從近海到內(nèi)陸的波動(dòng)逐步減小。

根據(jù)第Ⅰ型極值分布估算得到的研究代表點(diǎn)10 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于16-28 m/s 之間，20 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于17-29 m/s 之間，50 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于18-33 m/s之間。 與1979-2012 年的34 a 年最大風(fēng)速極大值相比較重現(xiàn)水平為50 a 時(shí)估算的最大風(fēng)速極大值與之比較接近。

表2 60 m 高度各代表點(diǎn)極值Ⅰ型分布的最大風(fēng)速極值估計(jì)表

4.1.2 60 m 層最大風(fēng)速極值估算

用第Ⅰ型極值分布方法估算各代表研究點(diǎn)60 m高度不同重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速可能極值， 得如下結(jié)果。

在表2 中可見(jiàn)，對(duì)所選取研究代表點(diǎn)A、B、C、D、E、F 各點(diǎn)60 m 高度年最大風(fēng)速序列的變差系數(shù)與100 m 高度基本一致。10 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于14-27 m/s 之間，20 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于15-29 m/s 之間，50 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于16-32 m/s 之間。所計(jì)算各重現(xiàn)期水平下的年最大風(fēng)速的估算極值相對(duì)實(shí)際資料統(tǒng)計(jì)的年最大風(fēng)速極大值偏小。

4.1.3 30 m 層最大風(fēng)速極值估算

用第Ⅰ型極值分布方法估算各代表研究點(diǎn)30 m高度不同重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速可能極值， 得如下結(jié)果。

在表3 中可見(jiàn)，對(duì)所選取研究代表點(diǎn)A、B、C、D、E、F 各點(diǎn)30 m 高度10 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于12-25 m/s 之間，20 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于13-27 m/s 之間，50 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于14-30 m/s 之間。所計(jì)算各重現(xiàn)期水平下的年最大風(fēng)速的估算極值相對(duì)實(shí)際資料統(tǒng)計(jì)的年最大風(fēng)速極大值偏小。

表3 30 m 高度各代表點(diǎn)極值Ⅰ型分布的最大風(fēng)速極值估計(jì)表

4.1.4 10 m 層最大風(fēng)速極值估算

用第Ⅰ型極值分布方法估算各代表研究點(diǎn)10 m高度不同重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速可能極值， 得如下結(jié)果。

表4 10 m 高度各代表點(diǎn)極值Ⅰ型分布的最大風(fēng)速極值估計(jì)表

在表4 中可見(jiàn)，對(duì)所選取研究代表點(diǎn)A、B、C、D、E、F 各點(diǎn)10 m 高度10 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于9-23 m/s 之間，20 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于9-25 m/s 之間，50 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于10-28 m/s 之間。所計(jì)算各重現(xiàn)期水平下的年最大風(fēng)速的估算極值相對(duì)實(shí)際資料統(tǒng)計(jì)的年最大風(fēng)速極大值偏小。

4.2 皮爾遜Ⅲ型分布估算最大風(fēng)速極值

最大風(fēng)速極值作為氣候隨機(jī)變量在數(shù)學(xué)意義上是不穩(wěn)定的,但它隨時(shí)間變化過(guò)程在概率上卻是穩(wěn)定的。 最大風(fēng)速這一氣象要素在概率上的分布特征暫時(shí)還沒(méi)有確定。 上文已經(jīng)利用正態(tài)分布的極值Ⅰ型分布這一正態(tài)分布模型， 對(duì)其隨時(shí)間變化的概率特征進(jìn)行了一定分析。 現(xiàn)選用皮爾遜Ⅲ型這一偏態(tài)分布模型對(duì)其隨時(shí)間變化的概率分布特征加以分析，并比較兩種不同分布模型的特征分析結(jié)果， 總結(jié)不同分布模型下隨時(shí)間變化的概率分布特征的異同。同時(shí)， 皮爾遜Ⅲ型分布在我國(guó)電力部門工程設(shè)計(jì)的最大風(fēng)速估計(jì)和水文單位洪量分析估計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用， 是極值估計(jì)中應(yīng)用極為普遍的一種統(tǒng)計(jì)分布方法。

4.2.1 100 m 層最大風(fēng)速極值估算

用皮爾遜Ⅲ型分布方法估算各代表研究點(diǎn)100 m 高度不同重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速可能極值， 得結(jié)果如下表：

在表5 中可見(jiàn)， 根據(jù)皮爾遜Ⅲ分布估算得到的研究代表點(diǎn)100 m 高度層10 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于16-28 m/s 之間，20 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于17-31 m/s 之間，50 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于18-34 m/s 之間。與1979-2012 年的34 a 年最大風(fēng)速序列的極大值相比較， 重現(xiàn)水平為50 a 時(shí)估算的最大風(fēng)速極大值與之比較接近。 但是在近海類區(qū)域和沿海岸線類區(qū)域中， 估算的極大值相比實(shí)際風(fēng)速序列小2 m/s 左右。

表5 100 m 高度各代表點(diǎn)P-Ⅲ型分布的最大風(fēng)速極值估計(jì)表

4.2.2 60 m 層最大風(fēng)速極值估算

用皮爾遜Ⅲ型分布方法估算各代表研究點(diǎn)60 m高度不同重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速可能極值， 得結(jié)果如表6：

在表6 中可見(jiàn)，對(duì)所選取研究代表點(diǎn)A、B、C、D、E、F 各點(diǎn)60 m 高度年最大風(fēng)速序列的變差系數(shù)與100 m 高度基本一致。10 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于14-27 m/s 之間，20 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于15-29 m/s 之間，50 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于16-33 m/s 之間。所計(jì)算各重現(xiàn)期水平下的年最大風(fēng)速的估算極值相對(duì)實(shí)際資料統(tǒng)計(jì)的年最大風(fēng)速極大值偏小。

表6 60 m 高度各代表點(diǎn)P-Ⅲ型分布的最大風(fēng)速極值估計(jì)表

4.2.3 30 m 層最大風(fēng)速極值估算

用皮爾遜Ⅲ型分布方法估算各代表研究點(diǎn)30 m高度不同重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速可能極值， 得結(jié)果如下表：

在表7 中可見(jiàn)，對(duì)所選取研究代表點(diǎn)A、B、C、D、E、F 各點(diǎn)30 m 高度年最大風(fēng)速序列的變差系數(shù)與100 m 高度也基本一致。10 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于12-25 m/s 之間，20 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于14-28 m/s 之間，50 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于15-32 m/s 之間。所計(jì)算各重現(xiàn)期水平下的年最大風(fēng)速的估算極值相對(duì)實(shí)際資料統(tǒng)計(jì)的年最大風(fēng)速極大值偏小。

表7 30 m 高度各代表點(diǎn)P-Ⅲ型分布的最大風(fēng)速極值估計(jì)表

4.2.4 10 m 層最大風(fēng)速極值估算

用皮爾遜Ⅲ型分布方法估算各代表研究點(diǎn)10 m高度不同重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速可能極值， 得結(jié)果如表8：

在表8 中可見(jiàn)，對(duì)所選取研究代表點(diǎn)A、B、C、D、E、F 各點(diǎn)10 m 高度年最大風(fēng)速序列的變差系數(shù)與100 m 高度也基本一致。10 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于9-23 m/s 之間，20 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于9-26 m/s 之間，50 a 重現(xiàn)水平下的最大風(fēng)速極值介于12-30 m/s 之間。所計(jì)算各重現(xiàn)期水平下的年最大風(fēng)速的估算極值相對(duì)實(shí)際資料統(tǒng)計(jì)的年最大風(fēng)速極大值偏小。

表8 10 m 高度各代表點(diǎn)P-Ⅲ型分布的最大風(fēng)速極值估計(jì)表

4.3 最大風(fēng)速估算結(jié)果的比較

第Ⅰ型極值分布是一種正態(tài)分布模型， 皮爾遜Ⅲ型分布是一種偏態(tài)分布模型， 兩種模型都常用于不同概率水平下某些氣象要素極值以及其他要素極值的估算。 兩種分布模型因其分布函數(shù)與圖線不同，故其分布結(jié)果也會(huì)有差異。

上文中分別利用兩種方法對(duì)研究區(qū)域內(nèi)六個(gè)代表點(diǎn)不同高度層上不同重現(xiàn)期水平， 即不同概率水平下的極大值予以估算。 現(xiàn)就其不同估算結(jié)果加以對(duì)比分析。

4.3.1 100 m 層最大風(fēng)速極值估算比較

在100 m 高度層上其最大風(fēng)速估算結(jié)果對(duì)比，如下：

表9 100 m 層極值Ⅰ型與P-Ⅲ型最大估算風(fēng)速差值

根據(jù)表9 中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可見(jiàn)， 兩種方法在100 m高度層的最大風(fēng)速估算應(yīng)用中， 它們的估算結(jié)果有些差異。在重現(xiàn)水平為10 a 條件下，對(duì)同一樣本的估算中皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果要略大于用第Ⅰ型極值分布估算的結(jié)果；重現(xiàn)水平為20 a 條件下，大部分統(tǒng)計(jì)代表點(diǎn)的估算結(jié)果仍是皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果要略大于用第Ⅰ型極值分布估算的結(jié)果，但在沿海岸線類區(qū)域的代表點(diǎn)D 極值Ⅰ型分布的估算結(jié)果大于皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果； 重現(xiàn)水平為50 a 條件下的估算結(jié)果與重現(xiàn)期水平較短的10 a、20 a 結(jié)果則相反， 大部分研究代表點(diǎn)的估算結(jié)果為第Ⅰ型極值分布的估算值大于皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果， 僅有代表近海類區(qū)域的A 點(diǎn)和代表沿海岸線類區(qū)域的C 點(diǎn)估算結(jié)果為第Ⅰ型極值分布的估算值小于皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果。

分別對(duì)兩種方法在近海類區(qū)域、 沿海岸線類區(qū)域、 內(nèi)陸山地類區(qū)域10 a 重現(xiàn)期水平的估算結(jié)果對(duì)比， 可見(jiàn)在近海類區(qū)域中兩種方法的估算結(jié)果差值的絕對(duì)值最大，沿海岸線類區(qū)域與近海類區(qū)域類似，內(nèi)陸山地類區(qū)域最小，而重現(xiàn)期水平較長(zhǎng)的20 a、50 a 估算結(jié)果的差值沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。比較各類區(qū)域不同重現(xiàn)期水平的差值結(jié)果， 具有重現(xiàn)期越長(zhǎng)差值的絕對(duì)值越大的特點(diǎn)， 其中以近海類區(qū)域代表點(diǎn)A、B 處最為明顯。

4.3.2 60 m 層最大風(fēng)速極值估算比較

在表10 中可見(jiàn)， 兩種方法應(yīng)用在60 m 高度層的最大風(fēng)速估算結(jié)果有如下差異， 在重現(xiàn)水平為10 a 條件下，對(duì)同一樣本的估算中皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果要略大于用第Ⅰ型極值分布估算的結(jié)果；重現(xiàn)水平為20 a 條件下大部分統(tǒng)計(jì)代表點(diǎn)的估算結(jié)果仍是皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果要略大于用第Ⅰ型極值分布估算的結(jié)果， 但在沿海岸線類區(qū)域的代表點(diǎn)D、F 極值Ⅰ型分布的估算結(jié)果大于皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果； 重現(xiàn)水平為50 a 條件下兩種方法的估算結(jié)果各有大小， 其差值在近海類區(qū)域的代表點(diǎn)處最大，沿海岸線類區(qū)域代表點(diǎn)處次之，以內(nèi)陸山地類區(qū)域代表點(diǎn)處為最小。

表10 60 m 層極值Ⅰ型與P-Ⅲ型最大估算風(fēng)速差值

但在此高度層上， 同類區(qū)域不同重現(xiàn)期水平條件下的差異并無(wú)明顯規(guī)律。在A 點(diǎn)隨重現(xiàn)期變長(zhǎng)，皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果比第Ⅰ型極值分布估算的結(jié)果大的差值不斷增大，而在B 點(diǎn)則有相反的規(guī)律，隨重現(xiàn)期變長(zhǎng)極值Ⅰ型估算結(jié)果相對(duì)變大， 而且在重現(xiàn)期為50 a 時(shí)超過(guò)皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果。在相同的重現(xiàn)期水平下， 以內(nèi)陸山地類區(qū)域兩種方法的估算結(jié)果差值最小。

表11 極值Ⅰ型與P-Ⅲ型最大估算風(fēng)速差值

表12 10 m 層極值Ⅰ型與P-Ⅲ型最大估算風(fēng)速差值

4.3.3 30 m 層最大風(fēng)速極值估算比較

在表11 中可見(jiàn)， 兩種方法應(yīng)用在30 m 高度層的最大風(fēng)速估算結(jié)果有如下差異： 在10 a 重現(xiàn)期水平條件下， 極值Ⅰ型分布估算的最大風(fēng)速結(jié)果與皮爾遜Ⅲ型分布估算的最大風(fēng)速結(jié)果相比較偏小，僅在A 點(diǎn)極值Ⅰ型分布的估算結(jié)果大于皮爾遜Ⅲ型的估算結(jié)果；在20 a 重現(xiàn)期水平條件下，極值Ⅰ型分布估算的最大風(fēng)速結(jié)果與皮爾遜Ⅲ型分布估算的最大風(fēng)速結(jié)果相比較偏小， 僅在D 點(diǎn)極值Ⅰ型分布的估算結(jié)果大于皮爾遜Ⅲ型的估算結(jié)果； 在50 a 重現(xiàn)期水平條件下， 在A、C、F 三點(diǎn)極值Ⅰ型分布的估算結(jié)果小于皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果， 在B、D、E 三點(diǎn)極值Ⅰ型分布的估算結(jié)果大于皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果。

4.3.4 10 m 層最大風(fēng)速極值估算比較

在表12 中可見(jiàn)， 兩種方法應(yīng)用在10 m 高度層的最大風(fēng)速估算結(jié)果有如下差異： 在10 a 重現(xiàn)期水平條件下極值Ⅰ型分布估算的最大風(fēng)速結(jié)果與皮爾遜Ⅲ型分布估算的最大風(fēng)速結(jié)果相比較偏小， 僅在A 點(diǎn)極值Ⅰ型分布的估算結(jié)果大于皮爾遜Ⅲ型的估算結(jié)果； 在20 a 重現(xiàn)期水平條件下極值Ⅰ型分布估算的最大風(fēng)速結(jié)果與皮爾遜Ⅲ型分布估算的最大風(fēng)速結(jié)果相比較偏小， 僅在D 點(diǎn)極值Ⅰ型分布的估算結(jié)果大于皮爾遜Ⅲ型的估算結(jié)果； 在50 a 重現(xiàn)期水平條件下， 在A、C、F 三點(diǎn)極值Ⅰ型分布的估算結(jié)果小于皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果， 在B、D、E 三點(diǎn)極值Ⅰ型分布的估算結(jié)果大于皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果。

4.3.5 比較結(jié)果分析

綜合以上對(duì)第Ⅰ型極值分布和皮爾遜Ⅲ型分布在各個(gè)高度層上差值分布特征的分析可見(jiàn)， 當(dāng)所取重現(xiàn)期水平較短時(shí)極值Ⅰ型分布的估算結(jié)果往往大于皮爾遜Ⅲ型分布的估算結(jié)果， 所取重現(xiàn)期水平較長(zhǎng)時(shí)其估算結(jié)果差異無(wú)明顯規(guī)律，須具體比較。

在100 m 高度層上兩種分布方法所得估算結(jié)果的最大差值的絕對(duì)值為D 點(diǎn)50 a 重現(xiàn)期水平的差值0.99 m/s，其對(duì)極值Ⅰ型分布估算結(jié)果的相對(duì)差值為4.3%， 對(duì)皮爾遜Ⅲ型分布估算結(jié)果的相對(duì)差值為4.5%；在60 m 高度層上兩種分布方法所得估算結(jié)果的最大差值的絕對(duì)值為A 點(diǎn)50 a 重現(xiàn)期水平的差值1.14 m/s，其對(duì)極值Ⅰ型分布估算結(jié)果的相對(duì)差值為3.6%， 對(duì)皮爾遜Ⅲ型分布估算結(jié)果的相對(duì)差值為3.5%；在30 m 高度層上兩種分布方法所得估算結(jié)果的最大差值的絕對(duì)值為A 點(diǎn)50 a 重現(xiàn)期水平的差值1.69 m/s，其對(duì)極值Ⅰ型分布估算結(jié)果的相對(duì)差值為5.7%， 對(duì)皮爾遜Ⅲ型分布估算結(jié)果的相對(duì)差值為5.4%；在10 m 高度層上兩種分布方法所得估算結(jié)果的最大差值的絕對(duì)值為A 點(diǎn)50 a 重現(xiàn)期水平的差值2.0 m/s， 其對(duì)極值Ⅰ型分布估算結(jié)果的相對(duì)差值為7.2%， 對(duì)皮爾遜Ⅲ型分布估算結(jié)果的相對(duì)差值為6.7%。 所以，兩種方法估算結(jié)果的差值對(duì)于其估算結(jié)果而言偏差較小， 特別是內(nèi)陸山地類區(qū)域其相對(duì)差值更小，幾乎可予以忽略。 所以，兩種方法都可應(yīng)用于最大風(fēng)速估算。

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析ECMWF 的1979-2012 年的空間分辨率為 0.75°×0.75°的REA 每日四個(gè)時(shí)次的多層10 min 平均風(fēng)速格點(diǎn)資料， 提取了研究區(qū)域 (18°-26.25°N，108.75°-118.5°E) 空間內(nèi)的年最大風(fēng)速序列， 并對(duì)其年際變化特征和空間分布特征進(jìn)行了分析。 在對(duì)其空間分布特征進(jìn)行分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，把研究區(qū)域劃分為不同類別的次研究區(qū)域， 分區(qū)選擇代表格點(diǎn)統(tǒng)計(jì)其年最大風(fēng)速序列。 分別利用第Ⅰ型極值分布和皮爾遜Ⅲ型分布方法估算了各個(gè)代表性格點(diǎn)在不同重現(xiàn)期水平下的最大風(fēng)速極值， 并比較兩種方法估算結(jié)果的異同， 分別繪制了最大風(fēng)速極值分布圖。 得主要結(jié)論如下：

在研究區(qū)域內(nèi)各個(gè)不同高度層上其年最大風(fēng)速序列的年際變化趨勢(shì)極為吻合， 最近10 a 以來(lái)出現(xiàn)極大風(fēng)速的頻率增加。 100 m、60 m、30 m、10 m 各層年最大風(fēng)速平均值之差值一般在1-2 m/s 之間。從空間分布來(lái)看，因下墊面性質(zhì)差異，從近海區(qū)域、沿海岸線區(qū)域到內(nèi)陸山地區(qū)域，最大風(fēng)速極值依次減小。

以2012 年為代表統(tǒng)計(jì)分析了各代表點(diǎn)月最大風(fēng)速的變化特征與氣候成因， 認(rèn)為年最大風(fēng)速一般是受熱帶氣旋或臺(tái)風(fēng)影響而在夏季形成， 但若是冬季有強(qiáng)的冷空氣能夠翻越南嶺， 在下坡地形作用下也可能出現(xiàn)年最大風(fēng)速。

第Ⅰ型極值分布是一種正態(tài)分布的理論分布。應(yīng)用第Ⅰ型極值分布估算各個(gè)代表格點(diǎn)不同重現(xiàn)水平下年最大風(fēng)速的極大值隨重現(xiàn)期變長(zhǎng)而增大，但重現(xiàn)期水平為10 a、20 a、50 a 所估算極大值較年最大風(fēng)速統(tǒng)計(jì)序列中的極大值偏小。

皮爾遜Ⅲ型分布是一種偏態(tài)分布的理論分布。應(yīng)用皮爾遜Ⅲ型分布估算各個(gè)代表格點(diǎn)不同重現(xiàn)水平下年最大風(fēng)速的極大值與應(yīng)用第Ⅰ型極值分布估算的結(jié)果類似。

對(duì)比兩種不同的分布方法估算最大風(fēng)速極值的原理與結(jié)果。 第Ⅰ型極值分布估算中僅可調(diào)整一個(gè)參數(shù)，即變差系數(shù)Cv，在皮爾遜Ⅲ型分布估算中則可以同時(shí)調(diào)整變差系數(shù)Cv 與偏態(tài)系數(shù)Cs，以更加準(zhǔn)確的描述最大風(fēng)的分布情況， 求得更為準(zhǔn)確的最大風(fēng)速估計(jì)值。 兩種分布方式在應(yīng)用原統(tǒng)計(jì)樣本所得參數(shù)進(jìn)行最大風(fēng)速極值估算結(jié)果比較表明， 在重現(xiàn)期較短時(shí)第Ⅰ型極值分布估算所得結(jié)果相對(duì)皮爾遜Ⅲ型分布估算結(jié)果較小，在重現(xiàn)期較長(zhǎng)時(shí)須具體討論。但兩種方法所估算結(jié)果差值較估算值可予以忽略，兩種方法均可用于最大風(fēng)速極值估算， 若能夠?qū)τ?jì)算過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整得到擬合程度較高的分布曲線， 則可以直接利用分布曲線獲得任意重現(xiàn)水平下的極值，而不受參數(shù)表限制，將能夠更加廣泛的應(yīng)用于計(jì)算機(jī)估計(jì)極值。

本文是在分析ECMWF 的REA 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的， 僅對(duì)最大風(fēng)速序列的年際變化和月際變化特征進(jìn)行了分析， 通過(guò)簡(jiǎn)單的分布模式估算了不同重現(xiàn)水平的最大風(fēng)速極值。 但在分析中沒(méi)有考慮風(fēng)向這一重要因素以及地形等因素對(duì)最大風(fēng)速的影響，也沒(méi)有對(duì)分布模式的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以更準(zhǔn)確的擬合最大風(fēng)速分布。 未來(lái)通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料分析，調(diào)整分布模型的參數(shù)，可求得更準(zhǔn)確的最大風(fēng)速估算極值。 綜合分析地形等因子對(duì)最大風(fēng)速的影響， 結(jié)合風(fēng)向特征分析可得到更具實(shí)用意義的成果。