1981—2020年安徽省不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速和極大風(fēng)速時空變化特征

李麗，王業(yè)斌，魯俊，王曉東，吳萍，陶寅

(1. 安徽省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，安徽 合肥 230031；2. 安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心，安徽 合肥 230031；3. 國家氣候中心，北京 100081)

1 引 言

根據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》(GB/T 18710—2002)規(guī)范[1]定義，最大風(fēng)速是指10 min 平均風(fēng)速的最大值，極大風(fēng)速為瞬時風(fēng)速的最大值。大風(fēng)作為一種災(zāi)害性天氣，會對農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、大氣環(huán)境、交通、電信、建筑等領(lǐng)域造成很大的危害。

隨著高聳建筑物、大型橋梁等大型工程項目的增多，由于高樓建筑之間的“狹管效應(yīng)”，導(dǎo)致風(fēng)速比空曠地區(qū)強度更大，常常造成嚴(yán)重的城市風(fēng)災(zāi)[2]。近年來，風(fēng)速觀測資料不斷豐富，國內(nèi)外對于大風(fēng)災(zāi)害的研究越來越多。主要集中在大風(fēng)的時空變化[2-6]、大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險評估區(qū)劃[7-9]、風(fēng)速預(yù)報[10-11]和大風(fēng)預(yù)警[12]以及大風(fēng)災(zāi)情分布特征等方面。國內(nèi)風(fēng)速極值重現(xiàn)期的研究區(qū)域主要集中在沿海等熱帶氣旋較為多發(fā)的地區(qū)[13-17]，多以利用極值Ⅰ型[18]和廣義極值[19]分布等方法實現(xiàn)重現(xiàn)期估算為主。上述研究多關(guān)注平均風(fēng)速、最大風(fēng)速，而對瞬時極大風(fēng)速研究較少。但實際上，由于城市有熱島效應(yīng)，城市瞬時極大風(fēng)速局地性強，危險性大，是城市面臨的主要氣象災(zāi)害之一[2]。大多數(shù)建構(gòu)筑物在發(fā)生大風(fēng)災(zāi)害時，同期氣象站的最大風(fēng)速并未超過線路的設(shè)計風(fēng)速，依然發(fā)生建筑物振動事件[20]或工程事故。目前，我國建構(gòu)筑物設(shè)計風(fēng)速以最大風(fēng)速計算重現(xiàn)期作為主要設(shè)計依據(jù)，但由于最大風(fēng)速統(tǒng)計時距過長的局限性，難以準(zhǔn)確反映大風(fēng)災(zāi)害的實際情況，往往會造成計算值偏小，不能反映瞬間風(fēng)速造成災(zāi)害的實際情況[21]。同時，對比國際及國外建筑荷載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 4354：2009《風(fēng)力對建筑物的作用》[22]規(guī)定了用于設(shè)計建筑物、塔架、煙囪、橋梁和其他結(jié)構(gòu)及其部件和附件的風(fēng)荷載特征值的計算方法，其中給出了兩種設(shè)計風(fēng)荷載的計算方法，一種是基于峰值風(fēng)速，另一種基于平均風(fēng)速；澳大利亞/新西蘭標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS 1170.2：2011《結(jié)構(gòu)設(shè)計作用與風(fēng)的作用》[23]在計算風(fēng)力作用時規(guī)定使用的現(xiàn)場風(fēng)速則是為3 s陣風(fēng)風(fēng)速。綜上所述，極大風(fēng)速重現(xiàn)期的計算對于建構(gòu)筑物抵御風(fēng)災(zāi)的能力、提高工程運行的可靠性、加強城市防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要意義。

由于目前極大風(fēng)速的觀測資料年限較短，較短的觀測資料可能會造成各風(fēng)速重現(xiàn)期估算強度偏小[24]。且短序列時長的觀測資料不能滿足諸多工程50年或者更長年限的重現(xiàn)期估算。本文首先利用安徽省2006—2020年逐日最大風(fēng)速和極大風(fēng)速觀測資料，計算逐日陣風(fēng)系數(shù)，完成1981—2020年極大風(fēng)速的長時間序列資料構(gòu)建，并將該極大風(fēng)速數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的不完整數(shù)據(jù)進行比對，以驗證構(gòu)建方法的科學(xué)合理性。其次對歷年最大風(fēng)速和極大風(fēng)速的時空分布進行分析，估算安徽省不同重現(xiàn)期的最大風(fēng)速和極大風(fēng)速，并對極大風(fēng)速序列延長前后重現(xiàn)期估算情況進行了對比，以期為安徽省大型工程建設(shè)氣象設(shè)計參數(shù)的確定、城市建設(shè)布局規(guī)劃、氣候變化監(jiān)測評估等提供參考和科學(xué)依據(jù)。

2 資料和方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文所用的資料：安徽省內(nèi)國家基本氣象站及常規(guī)氣象站(78個氣象站)逐日最大風(fēng)速(1981—2020年)與極大風(fēng)速(有資料年—2020年)資料。數(shù)據(jù)來自全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)，均通過臺站-省級-國家級三級質(zhì)量控制。

2.2 數(shù)據(jù)情況

根據(jù)國家級氣象觀測站名錄，安徽省目前在用國家級氣象觀測基本站和一般站共78 個。自1971 年陸續(xù)開始有自計10 min 平均最大風(fēng)速觀測，自1981年起，各氣象站的最大風(fēng)速數(shù)據(jù)基本有了完整的觀測記錄；自1993 年起安徽省陸續(xù)有極大風(fēng)速的觀測，至2006 年實現(xiàn)全省站點的極大風(fēng)速的連續(xù)觀測。根據(jù)《氣候可行性論證規(guī)范抗風(fēng)參數(shù)計算》(QX/T 436—2018)[25]“應(yīng)收集參證氣象站30 年以上歷年最大風(fēng)速數(shù)據(jù)，以及與專用氣象站同期觀測的逐日最大10 min 平均風(fēng)速、逐時風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)完整率應(yīng)大于或等于90%”的要求，本文剔除有效數(shù)據(jù)完整率[1]低于90%的12 個臺站，剩余的66 個氣象站最大風(fēng)速有效數(shù)據(jù)完整率均在97.76%以上，其中61個臺站均超過99%。

其次根據(jù)《地面標(biāo)準(zhǔn)氣候值統(tǒng)計方法》(GB/T 34412—2017)[26]數(shù)據(jù)質(zhì)量控制要求，查詢各站歷史沿革，對該61個站年最大風(fēng)速序列進行Weibull分布均一性檢驗[27]，剔除其中遷站導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)突變、存在非均一點的10 個臺站，最終選取其中51個最大風(fēng)速序列均一、有效數(shù)據(jù)完整率超過99%的國家級氣象觀測基本站和一般站。圖1 為研究區(qū)域和本文選取的51個氣象站分布圖。

2.3 研究方法

2.3.1 長時間極大風(fēng)速序列資料構(gòu)建

采用陣風(fēng)系數(shù)法對1981—2005年間無觀測數(shù)據(jù)的極大風(fēng)速進行估算。因為各站的地面粗糙度各不一致，按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》[28]地面粗糙度分類進行計算不具針對性，同時得出的結(jié)果并不嚴(yán)謹(jǐn)。

本文根據(jù)史軍等[3]、紀(jì)玲玲等[5]的研究成果，首先將2006—2020年安徽省各站逐日極大風(fēng)速與當(dāng)日最大風(fēng)速相除，得到逐日陣風(fēng)系數(shù)。

逐日陣風(fēng)系數(shù)的計算按照式(1)計算：

式中：G 為陣風(fēng)系數(shù)(無量綱數(shù))，Vmax為逐日極大風(fēng)速(單位：m/s)，V為當(dāng)日最大風(fēng)速(單位：m/s)。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，逐日最大風(fēng)速大于11 m/s的樣本較少，所以將各站逐日最大風(fēng)速按[1，2)，[2，3)，……，≥11 m/s區(qū)間分別劃分11個等級，對應(yīng)同站同步的逐日陣風(fēng)系數(shù)進行計算，不同區(qū)間內(nèi)陣風(fēng)系數(shù)較穩(wěn)定，陣風(fēng)系數(shù)才有意義。最終計算得到51 個氣象站各區(qū)間陣風(fēng)系數(shù)的平均值變化曲線以及各區(qū)間陣風(fēng)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差(圖2)，可見在風(fēng)速較小時陣風(fēng)系數(shù)的均值和波動幅度較大，且隨著風(fēng)速的增大而減小，這與文獻[29-30]對陣風(fēng)系數(shù)的研究結(jié)論一致。當(dāng)風(fēng)速達到6 m/s以上時，陣風(fēng)系數(shù)趨于穩(wěn)定；同時，不同區(qū)間內(nèi)陣風(fēng)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.07～0.13，離散程度較小，區(qū)間內(nèi)陣風(fēng)系數(shù)較穩(wěn)定。

圖1 各氣象站點分布及海拔高度(單位：m)

圖2 1981—2020年安徽省各風(fēng)速區(qū)間的陣風(fēng)系數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)差

根據(jù)各區(qū)間等級的陣風(fēng)系數(shù)，對安徽省1981—2005 年間缺少的極大風(fēng)速進行資料構(gòu)建，利用逐日最大風(fēng)速乘以該區(qū)間等級的平均陣風(fēng)系數(shù)，合并各站原有極大風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建出1981—2020年極大風(fēng)速的長時間序列資料。

由于各氣象站建設(shè)以及觀測起始時間不一致，安徽省有部分臺站極大風(fēng)速觀測較早，將通過陣風(fēng)系數(shù)法構(gòu)建的極大風(fēng)速與現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)(共289 個樣本)進行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)達0.725，并在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。說明通過最大風(fēng)速利用陣風(fēng)系數(shù)法構(gòu)建的極大風(fēng)速數(shù)據(jù)可信，可用做極大風(fēng)速重現(xiàn)期的估算。

2.3.2 插值方法

Kriging插值是一種常見而簡便的空間插值方法，依據(jù)區(qū)域變化采樣點收集的數(shù)據(jù)，提供未知采樣點區(qū)域變化的最優(yōu)線性、無偏估計[31]。其計算公式如式(2)：

式中：Z 為氣象站點的估計值，x0為空間中任意待插值位置，xi為站點位置，n 為插值點總個數(shù)；λi為插值過程中各氣象站點權(quán)重系數(shù)，即= 1，使得被估計的參數(shù)和估計量的數(shù)學(xué)期望值相等，并使其方差要小于任意的線性組合方差。

本文利用ArcMap10.2的Kriging插值方法，對選取的51 個氣象站風(fēng)速的氣候變化趨勢以及30年、50年重現(xiàn)期估算值進行了空間插值。

2.3.3 極值估算

采用極值Ⅰ型[25]概率分布函數(shù)計算不同重現(xiàn)期的最大風(fēng)速和極大風(fēng)速。極值Ⅰ型的概率分布函數(shù)F(x)如式(3)：

式中：a 為尺度參數(shù)，u 為位置參數(shù)，兩者均為無量綱數(shù)。

2.3.4 檢驗方法

本文采用柯爾莫哥洛夫-斯米諾夫檢驗法[32]對風(fēng)速序列是否服從極值Ⅰ型概率分布進行檢驗。其統(tǒng)計量如式(4)：

式中：Dn為統(tǒng)計量，表示在所有格點上，假設(shè)理論分布與經(jīng)驗概率分布之差的最大值；F(xi)為概率分布函數(shù)在xi處的概率值；FW(xi)為有序序列在xi處的經(jīng)驗概率值。

對于不同的顯著性水平α 和n，可查表獲得檢驗臨界值λα,n。若Dn＜λα,n，則接受原假設(shè)，認(rèn)為樣本符合假設(shè)理論分布；否則，則為拒絕原假設(shè)。

3 結(jié)果與分析

3.1 最大風(fēng)速與極大風(fēng)速空間變化特征

1981—2020 年，安徽省歷年平均最大風(fēng)速為12.38 m/s，各站為9.13～17.61 m/s，桐城氣象站最大，石臺氣象站最?。▓D3）。從最大風(fēng)速數(shù)值上看，淮北平原、大別山區(qū)和皖南低矮山區(qū)為風(fēng)速低值區(qū)，沿江西部處于相對大值區(qū)。大體表現(xiàn)為山區(qū)的局地性差異比淮北平原和江淮之間的丘陵地區(qū)風(fēng)速空間差異更為明顯。整體風(fēng)速空間分布與安徽地形有著密切的關(guān)系[6]。

圖4a、4b 分別為2006—2020 年實測和序列延長的1981—2020年安徽省歷年平均極大風(fēng)速空間分布，可見其空間分布形勢與最大風(fēng)速的空間分布類似。就2006—2020 年極大風(fēng)速實測數(shù)據(jù)而言，歷年平均極大風(fēng)速強度為18.88 m/s，各站為16.25～23.00 m/s。皖南低矮山區(qū)的極大風(fēng)速值較低，歷年平均極大風(fēng)速在18.18 m/s以下，沿江西部及江淮之間中部的極大風(fēng)速大值區(qū)達20.30 m/s以上。其中，極大風(fēng)速歷年平均最大值出現(xiàn)在太湖站，為23.00 m/s，而最小值出現(xiàn)在屯溪站，為16.25 m/s。對比圖4a、4b 可以發(fā)現(xiàn)序列延長的1981—2020年各站歷年平均極大風(fēng)速強度明顯大于2006—2020 年實測的各站強度。1981—2020年歷年平均極大風(fēng)速強度為20.55 m/s，各站在17.51～26.74 m/s，空間分布差異較大。

3.2 不同重現(xiàn)期下最大風(fēng)速和極大風(fēng)速估算強度空間分布

按照柯爾莫哥洛夫-斯米諾夫檢驗法，分別建立51 個氣象站點1981—2020 年最大風(fēng)速、年極大風(fēng)速的極值Ⅰ型概率分布函數(shù)，對其擬合適度進行檢驗。取信度0.95，查表獲得該檢驗中的臨界值為1.35。通過計算，發(fā)現(xiàn)檢驗值均小于檢驗閾值1.35，因此本文所用風(fēng)速樣本序列服從極值Ⅰ型概率分布?？衫迷摲植歼M行安徽省30 年和50 年重現(xiàn)期最大風(fēng)速和極大風(fēng)速的估算。

圖3 1981—2020年安徽省歷年平均最大風(fēng)速空間分布(單位：m/s)

圖4 安徽省2006—2020年(a)、1981—2020年(b)平均極大風(fēng)速空間分布(單位：m/s)

3.2.1 不同重現(xiàn)期下最大風(fēng)速估算強度空間分布

圖5 給 出1981—2020 年 安徽省30 年和50 年重現(xiàn)期最大風(fēng)速空間分布。安徽省各地30年重現(xiàn)期 最 大 風(fēng) 速 強 度 為12.09～27.23 m/s，50 年 為12.64～29.01 m/s，均是石臺站最小，桐城站最大。從空間分布上看，安慶、宣城地區(qū)以及北部的利辛站和霍邱站為重現(xiàn)期估算高值區(qū)，30 年重現(xiàn)期最大風(fēng)速超過21.3 m/s，50 年重現(xiàn)期最大風(fēng)速則在22.9 m/s以上。

圖5 基于1981—2020年觀測數(shù)據(jù)估算安徽省30年(a)和50年(b)重現(xiàn)期最大風(fēng)速空間分布(單位：m/s)

3.2.2 不同重現(xiàn)期下極大風(fēng)速估算強度空間分布

圖6 和圖7 分別為利用不同年限長度資料估算30 年和50 年重現(xiàn)期的極大風(fēng)速。由2006—2020 年極大風(fēng)速數(shù)據(jù)估算的30 年和50 年極大風(fēng)速重現(xiàn)期空間分布與歷年最大風(fēng)速、極大風(fēng)速以及1981—2020年極大風(fēng)速重現(xiàn)期空間分布上存在一定的差異，且估算的重現(xiàn)期值較長時間序列估算的重現(xiàn)期值偏低。分析原因，一方面由于城市化進程導(dǎo)致氣象站周邊粗糙度增加等多種影響，中國地面風(fēng)速總體呈減弱趨勢[33]導(dǎo)致基于現(xiàn)有實際觀測的極大風(fēng)速資料估算的重現(xiàn)期值明顯低于序列延長的重現(xiàn)期估算值；另一方面由于工程建設(shè)項目抗風(fēng)參數(shù)中重現(xiàn)期推算應(yīng)基于30年以上的風(fēng)觀測資料[25]，短期的觀測資料會降低估算結(jié)果的可靠性。

圖6 基于2006—2020年觀測數(shù)據(jù)估算安徽省30年(a)和50年(b)重現(xiàn)期極大風(fēng)速空間分布(單位：m/s)

圖7 基于1981—2020年觀測數(shù)據(jù)估算安徽省30年(a)和50年(b)重現(xiàn)期極大風(fēng)速空間分布(單位：m/s)

基于最大風(fēng)速、陣風(fēng)系數(shù)以及現(xiàn)有極大風(fēng)速逐日觀測資料構(gòu)建的1981—2020 年極大風(fēng)速，利用極值Ⅰ型分布進行30 年和50 年重現(xiàn)期極大風(fēng)速的估算，結(jié)果表明，極大風(fēng)速重現(xiàn)期值和觀測的極大風(fēng)速空間分布類似。30 年重現(xiàn)期極大風(fēng)速為23.51～39.56 m/s，50 年為24.58～41.93 m/s，均為池州站最小，桐城站最大。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)相關(guān)規(guī)范分別從質(zhì)量控制級別、有效數(shù)據(jù)完整率、是否均一等方面考慮，選取安徽省51 個氣象站1981—2020 年逐日10 min 最大風(fēng)速和2006—2020 年逐日最大風(fēng)速資料，基于最大風(fēng)速資料應(yīng)用陣風(fēng)系數(shù)法構(gòu)建1981—2005年極大風(fēng)速，得到1981—2020 年極大風(fēng)速的長時間序列數(shù)據(jù)；對風(fēng)速資料進行擬合適度檢驗，估算安徽省不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速和極大風(fēng)速的時間變化以及空間分布，并對極大風(fēng)速序列延長前后重現(xiàn)期估算情況進行了對比。

(1) 利用2006—2020 年安徽省51 個氣象站逐日極大風(fēng)速與當(dāng)日最大風(fēng)速計算逐日陣風(fēng)系數(shù)，針對不同風(fēng)速區(qū)間通過陣風(fēng)系數(shù)法計算了1981—2005 年極大風(fēng)速，構(gòu)建了1981—2020 年長時間序列的極大風(fēng)速，通過相關(guān)性分析以及風(fēng)速重現(xiàn)期估算，證明利用該方法構(gòu)建的極大風(fēng)速數(shù)據(jù)可信，可為因缺少長時間序列的極大風(fēng)速觀測而無法進行50年或者更長重現(xiàn)期估算提供參考。

(2) 1981—2020 年安徽省歷年最大風(fēng)速強度為12.38 m/s，極大風(fēng)速強度為20.55 m/s。其空間分布基本一致，均為皖南低矮山區(qū)的風(fēng)速值較低，沿江西部及江淮之間中部處于相對大值區(qū)。經(jīng)過序列延長的1981—2020年各站歷年平均極大風(fēng)速強度明顯大于2006—2020 年實測的各站強度，與安徽省大部風(fēng)速普遍呈現(xiàn)顯著減少趨勢結(jié)論一致[34]，同時表明短期的觀測資料會降低估算結(jié)果的可靠性。

(3) 安徽省各地30 年重現(xiàn)期最大風(fēng)速強度為12.09～27.23 m/s，50 年為12.64～29.01 m/s，均是石臺站最小，桐城站最大?；?981—2020 年極大風(fēng)速估算的30 年重現(xiàn)期的極大風(fēng)速為23.51～39.56 m/s，50 年為24.58～41.93 m/s，均為池州站最小，桐城站最大。

(4) 對比序列延長前后的極大風(fēng)速重現(xiàn)期估算結(jié)果。由2006—2020 年極大風(fēng)速數(shù)據(jù)估算的30 年和50 年極大風(fēng)速重現(xiàn)期空間分布與歷年最大風(fēng)速、極大風(fēng)速以及1981—2020 年極大風(fēng)速重現(xiàn)期空間分布上存在一定的差異，且估算的重現(xiàn)期值較長時間序列估算的重現(xiàn)期值偏低，表明短期的觀測資料會降低估算結(jié)果的可靠性。