巫黎明，許遐禎， 張 洋， 王 佳

(1.江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102；2.江蘇省氣候中心，江蘇 南京 211000)

近10年來，由于城市化發(fā)展迅猛、防護林大面積生長等原因改變了江蘇省各氣象站周圍環(huán)境，使氣象站觀測的風速值逐年變小，而輸電線路鐵塔大部分位于曠野，環(huán)境變化對鐵塔抗風影響較小。如果采用受環(huán)境影響的風速來計算輸電線路的設計風速，往往導致設計風速偏低，給線路工程的安全帶了隱患。因此，如何去除氣象站觀測的風速受環(huán)境變化的影響，客觀評估輸電線路設計風速已成為急待解決的問題。

一些氣象專家過去的研究主要是利用平均風速資料，定量分析環(huán)境變化對地面風速的影響，最大風速受環(huán)境變化影響研究較少。然而輸電線路設計風速的確定主要是依據(jù)氣象站長期觀測的最大風速系列資料，因此本文將應用江蘇省40個基本氣象臺站的年最大風速系列觀測資料，對全省最大風速受環(huán)境變化影響進行研究，為去除最大風速受環(huán)境變化影響提出了一套完整的訂正方法，利用訂正后的最大風速資料重新計算江蘇省輸電線路設計風速，減小了設計風速的誤差。

1 資料來源及處理

根據(jù)江蘇省電網(wǎng)建設的空間分布，重點考慮電網(wǎng)倒桿、倒塔及斷線頻發(fā)地區(qū)，選用江蘇省40個常規(guī)氣象站10 min自記、2 min定時年最大風速資料作為基礎資料，資料時段取建站-2007年。由于江蘇省各常規(guī)站10 min自記最大風速觀測多起始于上世紀70年代，為了保證各臺站大風記錄序列完整性，各站自建站-2007年年最大風速序列取10 min自記最大風速，若當年無10 min自記最大風速觀測，取2 min定時年最大風速。

2 設計風速誤差分析

2.1 氣象站周圍環(huán)境變化

由于江蘇省近10年城市化突飛猛進的高速化發(fā)展以及蘇北大范圍楊樹林(防護林)的生長，改變了氣象站周邊的環(huán)境，有些站被迫將測風儀由地面搬遷到屋頂平臺上。在江蘇省除去近兩年搬遷的氣象站觀測場外，其余觀測場都受到環(huán)境影響。

2.2 環(huán)境變化對最大風速的影響

城市化發(fā)展及楊樹林的生長，增加了觀測站周圍地面粗糙度，從而導致了江蘇省幾乎所有氣象站觀測站(沿海岸線站點除外)年最大風速系列逐年減小。最大風速系列折線圖見圖1。從圖1可以看出，年最大風速系列在1985年后逐漸減小，已經(jīng)不能代表當?shù)貐^(qū)域的最大風速情況。

圖1 南京最大風速系列圖(城市化影響)

此外，《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009-2001附表D.4中對應江蘇省18個氣象站有風壓值，其中有15個站在我院工程設計中計算過，這15個氣象站50年一遇計算風速均比規(guī)范中50年一遇風壓值換算的風速小，已經(jīng)產(chǎn)生系統(tǒng)偏差，最大偏小20.3%，平均偏小8.9%，具體資料見表3。因此，必須對現(xiàn)有風速系列資料進行訂正，使其更接近曠野風速，減小誤差，然后計算各站點設計風速，滿足線路設計風速的取值。

3 設計風速誤差訂正

3.1 訂正方法

根據(jù)江蘇省現(xiàn)有各氣象站觀測場的不同情況，將訂正過程歸納如圖2。

圖2 設計風速流程圖

從圖2中可以看出，我們根據(jù)目前使用的“電力工程氣象勘測技術規(guī)程”中規(guī)定的方法計算設計風速時，主要是對原始系列進行時次訂正、高度訂正(指數(shù)訂正)、遷站訂正，也就是考慮因測風儀器的種類不同與位置不同的初步訂正，沒有考慮環(huán)境影響的訂正。而只進行初步訂正的最大風速系列資料不能代表曠野最大風速值，那么風速儀架設平臺上訂正關系如何？蘇北防護林生長、城市化發(fā)展對風速的影響如何訂正？通過這些訂正措施后的計算結果如何，以下將逐一研究探討。

3.1.1 平臺影響訂正

根據(jù)調(diào)查了解，造成這種原因主要是由于觀測場受到環(huán)境影響，而將測風儀架設在房屋頂部的平臺上來觀測風速的，其高度換算不符合指數(shù)規(guī)律。據(jù)此，風速訂正主要與屋頂平臺高度、風速儀離開平臺的高度有關，根據(jù)分析研究，認為采用二元回歸方程來模擬研究比較合適，具體步驟如表1：

表2 平臺訂正研究步驟表

3.1.2 楊樹林影響訂正

由于每個氣象站周圍的防護林密度、高度、范圍都難以準確統(tǒng)計，因此不能采用回歸法來解決，經(jīng)過深入研究，采用方差分析法來訂正。

根據(jù)調(diào)查，江蘇省大范圍楊樹林是在1983年～1985年完成的，經(jīng)過5年的生長，防護林已經(jīng)長到10 m以上，因此防護林對風速影響起變化作用的主要就是5年，楊樹林長成后對風速的影響達到一個新的平衡?；谝陨鲜聦崳覀儾捎糜绊懬白畲箫L速系列均值與影響達到平衡后系列的均值差來訂正，對中間影響有變化的5年采用均值差漸變來訂正。我們對蘇北防護林地區(qū)多個常規(guī)氣象站最大風速進行1983年以前、1988年后10年分段均值統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)各站風速衰減均值在2.1～2.4 m/s之間，平均為2.3 m/s。本次計算結果與文獻[1]、[2]、[3]中分析的結果比較符合(見表2)。圖3為興化氣象站最大風速訂正過程線。

圖3 興化氣象站最大風速訂正過程線

表3 計算結果與氣象界的研究結果對比表

3.1.3 城市化影響訂正

由于城市化發(fā)展各地區(qū)不一致，而且每個城市的發(fā)展都是不斷變化的，而且各年變化的范圍、幅度都不一樣，到現(xiàn)在還沒有停止，因此城市化發(fā)展對氣象站觀測風速的影響規(guī)律無法尋找，難以建立數(shù)學模型或回歸方程來解決。

根據(jù)西連島、燕尾港兩個海邊站最大風速系列分析，在不受環(huán)境影響的情況下，最大風速系列的均一性(一致性)比較好(見圖4)，其最大風速樣本符合正態(tài)分布，其均方差能反映系列波動情況。據(jù)此可以推斷：江蘇省大風是隨機發(fā)生的，各氣象站觀測到的最大風速系列屬于隨機系列，在不受環(huán)境影響的情況下，最大風速系列符合正態(tài)分布。因此采用方差分析法來訂正。

圖10 西連島最大風速系列圖(不受環(huán)境影響)

原理：根據(jù)《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》中對方差(均方差、標準差)的定義為“表示隨機變量取值關于均值的偏離程度”，它反映系列的離散程度。由于城市化發(fā)展影響改變了最大風速系列的均一性或一致性，使其均值與方差都發(fā)生變化，我們通過對最大風速系列不同時段的均值與方差的研究來訂正風速系列，使訂正后的風速系列滿足均一性檢驗。

例如：某氣象站在沒有受城市化影響前的最大風速系列資料(vi)計算出均值和方差(S1)，然后對受影響的年份將其最大風速減去前段均值，就形成了一個新系列(ui)，再計算新系列的均值和方差(S2)，采用下式來訂正：

其中：

式中：Vi為訂正后的最大風速；Vi為實測風速；int為取整函數(shù)。

上式中S1主要是對最大風速偏離均值的程度進行訂正，S2主要是對最大風速的波動進行訂正。當最大風速影響系列很短、ui系列不具有統(tǒng)計意義時，S2、mi不計算，其值取零。采用本法訂正的風速系列均通過均一性檢驗，滿足要求。圖11為南京站風速訂正過程線。

圖11 南京站城市化影響訂正

3.2 訂正結果分析

根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》GB 50009—2001附表D.4中所列的江蘇省15個臺站50年一遇風壓值換算成相應風速與本次訂正前、后系列計算結果對比見表3。

表4 規(guī)范中風壓換算風速值與訂正前后計算值對比表 單位：m/s

從表3可以看出，訂正系列系列計算值除東臺站、射陽站、盱眙站三個站外的計算值與風壓圖換算值的相對誤差的絕對值均小于5%，所有站相對誤差的絕對值平均數(shù)為3.7%，其中有6個臺站計算值比風壓圖換算值小、其余臺站都大。

另外，從全國風壓圖可以看到，江蘇省在常州、泰州、高郵、淮安風壓值均為0.4 kN/m2，其換算風速為25.6 m/s，而東臺位置明顯東移、靠近鹽城，鹽城的風壓值為0.45 kN/m2，換算風速值為27.2 m/s，與本次東臺計算值基本一致；射陽站位置臨海，其風壓應該比鹽城大，可風壓圖上射陽還是與常州、泰州、高郵、淮安風壓值相同，不符合江蘇省從東向西風速梯度分布規(guī)律，明顯不合理。盱眙站當時沒有考慮洪澤湖風速有增大的影響訂正，風壓圖結果偏小，如果編制規(guī)范時采用洪澤站計算洪澤湖周邊風壓(洪澤站計算值為27.2 m/s)，則成果更合理。據(jù)此可見，本次采用訂正風速計算的東臺站、射陽站、盱眙站的50年一遇風速是正確的。如果不計東臺站、射陽站、盱眙站三個站，相對誤差的絕對值平均數(shù)為2.1%。

4 結語

⑴ 根據(jù)對江蘇省所有氣象站最大風速系列資料的分析及現(xiàn)場調(diào)查，江蘇省除西連島、燕尾港兩個氣象觀測站最大風速系列沒有受環(huán)境影響外，其余氣象站由于城市化發(fā)展與蘇北防護林的生長而改變了氣象站觀測站周圍環(huán)境的事實，出現(xiàn)了風速衰減現(xiàn)象，因此需要訂正。

⑵ 本次研究利用江蘇省40個氣象站從建站至2007年的風速資料，通過回歸分析法、方差分析法、對比分析法等多種方法的分析研究，提出了最大風速平臺影響訂正、城市化影響訂正、楊樹林影響訂正的計算方法，為最大風速受環(huán)境影響提出了一套完整的訂正方法。

⑶ 采用該訂正方法訂正前、后的風速系列資料計算的50年一遇設計風速與建筑結構荷載規(guī)范中對應站風壓換算的風速對比：避免了系統(tǒng)偏差；其相對誤差絕對值的平均值由8.9%降低到2.1%；單站最大相對誤差由-20.3%降低到±4.7%。

⑷ 本次研究的訂正方法通過了由國家氣候中心副主任羅勇為專家組長的專家組評審，評審結論為：成果具有理論意義和創(chuàng)新性，有重要的應用價值，對輸電線路設計具有指導作用，對相關標準修編具有參考意義，在同類研究中整體達到國內(nèi)領先水平。

⑸ 建議在現(xiàn)行的《電力工程氣象勘測技術規(guī)程》中增加最大風速受環(huán)境影響的訂正方法。

[1]朱延曜，等.防護林體系生態(tài)效益及邊界層物理特征研究[M].北京：氣象出版社，1992.

[2]程德昌，顧建新.“三北“防護林體系對中尺度氣候影響的研究[M].北京：氣象出版社，1992.

[3]周學東，等.防護林體系區(qū)域性氣候效應地探討[J].南京林業(yè)大學學報，1995，19(4).

[4]GB 50009—2001，建筑結構荷載規(guī)范[S].

[5]周淑貞，余碧霞.上海城市對風速的影響[J].華東師范大學學報(自然科學版)，1988，(6).

[6]彭珍，胡非.北京城市化進程對邊界層風場結構影響的研究[J].地球物理學報，2006，(11).