曾向紅，杜東升，吳賢云

（湖南省氣候中心，湖南 長沙 430100）

岳陽洞庭湖大橋橋位設(shè)計風(fēng)速推算

曾向紅，杜東升，吳賢云

（湖南省氣候中心，湖南 長沙 430100）

利用岳陽氣象站1953-2010年年最大風(fēng)速觀測資料，通過時距換算、高度換算及地形訂正等處理，構(gòu)建相當(dāng)于開闊平地10m高度處10min平均年最大風(fēng)速58年序列。根據(jù)極值Ⅰ型分布曲線，采用耿貝爾法計算出10m高處不同重現(xiàn)期（200年、100年、50年、20年、10年）基本風(fēng)速，根據(jù)洞庭湖區(qū)測風(fēng)塔與岳陽氣象站相應(yīng)時段10min平均月最大風(fēng)速比值，外推得到岳陽洞庭湖大橋橋位設(shè)計風(fēng)速。根據(jù)設(shè)計風(fēng)速，取α=0.131，利用風(fēng)速隨高度變化的指數(shù)公式推算到300m以內(nèi)各個高度層（70m內(nèi)10m一層，70m以上間隔30m）最大風(fēng)速。

洞庭湖大橋；風(fēng)速；推算

引言

岳陽洞庭湖大橋是杭州至瑞麗國家高速湖南省臨湘（湘鄂界）至岳陽公路的控制性工程，位于洞庭湖入長江交匯口處，洞庭湖大橋以北下游3km湘江入長江的咽喉地段，東起岳陽，西接君山，河道兩岸均為湘江Ⅰ級階地。東岸為岳陽市區(qū)，湘江河道邊筑有防洪大堤，堤頂高程38.96m；西岸位于湘江河漫灘上，為君山蘆葦農(nóng)場蘆葦?shù)?，地勢平坦，地面高?6.5～29.5m。根據(jù)大橋設(shè)計方案，大橋為1480m+ 453.6m雙塔雙跨鋼桁梁懸索橋。岳陽洞庭湖大橋是湖南省連接鄂、贛及長三角的重要通道，其建設(shè)對于杭瑞高速全線拉通具有重要意義。

由于現(xiàn)代大橋跨度越來越大，主塔和主梁越來越高，建筑材質(zhì)越來越輕，風(fēng)壓與風(fēng)災(zāi)成為了現(xiàn)代大橋設(shè)計中最重要的限制因子，從而對抗風(fēng)設(shè)計提出了更高的要求。因此，本文利用岳陽氣象站及洞庭湖測風(fēng)鐵塔觀測資料開展杭瑞高速洞庭湖大橋設(shè)計風(fēng)速推算的研究。

表1 岳陽地面氣象觀測場地、測風(fēng)儀器變更情況一覽表

1 資料

岳陽市氣象站位于洞庭湖邊，距離橋位約5km左右，岳陽氣象站年最大風(fēng)速資料及臺站沿革資料來源于湖南省氣象檔案館。由于觀測場地、儀器種類及其離地高度、風(fēng)速取值的時間間隔等對風(fēng)的大小有著一定程度甚至很大的影響，因此有必要對岳陽氣象站觀測場地、儀器變更情況作詳細的說明，見表1。

湖南省氣象局在洞庭湖三江口區(qū)域建有三個70m測風(fēng)鐵塔，分別距橋位3至7km不等，具體詳情見表2。

表2 洞庭湖三江平原測風(fēng)鐵塔情況

2 橋位區(qū)設(shè)計風(fēng)速的推算

2.1 岳陽氣象站年最大風(fēng)速資料的換算和多年序

列的建立

依據(jù)中國氣象局發(fā)布執(zhí)行的 《地面氣象觀測規(guī)范》對最大風(fēng)速作如下規(guī)定：某個時段內(nèi)出現(xiàn)的最大10min平均風(fēng)速值。為構(gòu)成具有可比性的最大風(fēng)速的樣本序列，需對不同觀測儀器和方法獲取的實測記錄數(shù)據(jù)進行換算。岳陽站實際采用資料為從1953 年1月1日-2010年12月31日，序列長度為58a。

湖南各氣象站在上世紀七十年代及之前采用維爾德壓板式風(fēng)速表，是從定時觀測兩分鐘讀數(shù)的記錄挑取最大風(fēng)速，稱為“定時兩分鐘最大風(fēng)速”，必須進行“時距換算”，依據(jù)相關(guān)文獻，關(guān)系式如下：

為了消除風(fēng)儀離地面高度不同對風(fēng)速大小的影響，需要利用對數(shù)公式或指數(shù)公式，將氣象站風(fēng)速觀測儀器各離地面高風(fēng)速統(tǒng)一換算到離地面l0m高處的年最大風(fēng)速。在貼地層內(nèi)，風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律可用下列對數(shù)公式表示：

圖1 岳陽氣象站年最大分風(fēng)速歷年變化（M.s-1）

式中，Vn為高度為處的風(fēng)速，Zn為已知高度Zh為處的已知風(fēng)速，Z0為地面粗糙度高度，本文取值為0.05m。令為Zn10m，則Zh為地面氣象站風(fēng)速儀離地高度，可換算離地面l0m高處的年最大風(fēng)速。

經(jīng)過以上兩種換算后，可得出岳陽氣象站的年最大風(fēng)速資料。

2.2 年最大風(fēng)速序列的審查和訂正

圖2為岳陽氣象站經(jīng)時距換算和高度訂正后的年最大風(fēng)速變化趨勢，由圖1可知，岳陽站年最大風(fēng)速均呈減小趨勢。由表1可知，岳陽氣象站隨著城市化進程及遷站影響，周邊地理環(huán)境有了顯著變化。1976年后岳陽站地理環(huán)境由集鎮(zhèn)變?yōu)槭袇^(qū)，尤其在1981年遷到原站址西北向80m處后，觀測場周邊建筑物增多，觀測到得風(fēng)速明顯減小。

通過采用滑動T檢驗法檢查岳陽站年最大風(fēng)速是否存在突變?；瑒覶檢驗方法（MTT法）如下：

其中為需要求解的判定值，分別以某時刻前、后兩個時段要素的平均值，則分別為對應(yīng)的時距，分別為對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)時，可判定該序列前、后兩時段的平均值存在顯著差異或突變。

取，則：

取m為10a，m1+m2-2=18按自由度查表得T0.01= 2.878。由圖2可知，岳陽氣象站在1985年前后年最大風(fēng)速發(fā)生負突變，年最大風(fēng)速減少。

圖2 岳陽氣象站年最大風(fēng)速10年滑動平均t檢驗

圖3 岳陽氣象站年最大風(fēng)速變化（m.s-1）

通過計算可知，1953-1985年的岳陽站平均年最大風(fēng)速為 15.3m.s-1，1986-2010年平均只有13.1m.s-1，兩者相差2.2m.s-1，兩者均值的比值為1.17，造成風(fēng)速減小的顯然與周邊建筑物的增多與增高有關(guān)。利用比值法，將1986-2010年的年最大風(fēng)速乘上1.17以消除風(fēng)速不均勻現(xiàn)象。

2.3 氣象站年最大風(fēng)速的概率計算

《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南》中對基本風(fēng)速的確定方法有明確的要求：“橋梁所在地區(qū)的氣象臺具有足夠的風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)時，假設(shè)年最大風(fēng)速服從極值Ⅰ型分布，由10min平均年最大風(fēng)速100a重現(xiàn)期的數(shù)學(xué)期望值作為基本風(fēng)速”。關(guān)于資料年限，國標(biāo)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）中有明確的要求：“選取的年最大風(fēng)速數(shù)據(jù)，一般應(yīng)有25年以上的資料”，通常大橋設(shè)計則要求30a以上的年最大風(fēng)速數(shù)據(jù)資料。本文使用的資料為岳陽氣象站經(jīng)過訂正的1953-2010年58a長序列資料，符合指南和規(guī)范對資料的要求。按指南的規(guī)定，利用極值Ⅰ型計算出不同重現(xiàn)期的基本風(fēng)速，由于耿貝爾的參數(shù)估算法的估算誤差較小，采用耿貝爾法計算出的基本風(fēng)速。

極值Ⅰ型的分布函數(shù)是：

其超過保證率函數(shù)是：

令y=α（x-u），求得y的保證率函數(shù)為：

由此得到：

表3 岳陽氣象站不同重現(xiàn)期的基本風(fēng)速推算值（m.s-1）

以岳陽氣象站年最大風(fēng)速序列的均值E（XM）及σXM標(biāo)準(zhǔn)差作為及的近似估計值。而E（y）和σy的近似估計值及Sy只與N有關(guān)，有表可查。將上述四個估計值代入（12）、（13）式求出、，再將其代入（8）式可得：表3是利用極值Ⅰ型計算出岳陽氣象站不同重現(xiàn)期的基本風(fēng)速（m.s-1）。

同時利用矩法參數(shù)估算法對上述結(jié)果進行檢驗，兩者結(jié)果完全一致。

2.4 橋位區(qū)設(shè)計風(fēng)速的估算

為了求出橋位區(qū)設(shè)計風(fēng)速，需將岳陽氣象站的基本風(fēng)速移植到橋位區(qū)。采用表2中距橋位較近的70m測風(fēng)塔岳陽氣象站風(fēng)速進行相關(guān)分析。由于鐵塔觀測時間有限，測風(fēng)塔10min平均月最大風(fēng)速有效樣本僅10個，但與同期岳陽氣象站10min平均月最大風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為0.76，通過信度為0.01顯著性水平。測風(fēng)塔和岳陽氣象站同期10min平均月最大風(fēng)速的均值分別為11.33m.s-1和8.83m.s-1，其比值為1.28。因此可以將岳陽氣象氣象站不同重現(xiàn)期基本風(fēng)速乘上風(fēng)速增大系數(shù)1.28，但由于隨著岳陽城市的迅速發(fā)展，岳陽市氣象站在年最大風(fēng)速和月最大風(fēng)速呈減小的趨勢，而統(tǒng)計的岳陽氣象站不同重現(xiàn)期設(shè)計風(fēng)速采用的是1953-1985年58a年最大風(fēng)速資料，且岳陽氣象站距橋位較近，靠近湖邊，故風(fēng)速增大系數(shù)不宜達到1.28，也不宜僅按公認的統(tǒng)計誤差10%的一半進行修正，初步假設(shè)基本風(fēng)速從氣象站移植到橋位區(qū)的增大系數(shù)為1.2。從而可得到大橋橋位區(qū)的不同重現(xiàn)期10min平均年最大風(fēng)速，重現(xiàn)期為100a的設(shè)計風(fēng)速為32.9m.s-1，見表4。

表4 橋位區(qū)不同重現(xiàn)期的設(shè)計風(fēng)速推算值（m.s-1）

2.5 風(fēng)速隨高度的變化

在500～1500m以下的大氣摩擦層中，風(fēng)速隨高度的變化，最常用的模擬規(guī)律為指數(shù)律，即對摩擦層中任一高度z上的平均風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)高度zs上的風(fēng)速有上式中，α為指數(shù)，地面粗糙度越大，α越大，且標(biāo)準(zhǔn)高度通常取為10m。

由于橋位區(qū)沒有梯度風(fēng)觀測資料，但湖南省氣象局為開展風(fēng)能資源評估工作時在洞庭湖區(qū)先后建立了4座70m高測風(fēng)鐵塔，因此，這里采用其中2座距橋位較近的鐵塔梯度風(fēng)觀測資料來推算風(fēng)速隨高度變化。

表5 各高度不同重現(xiàn)期的最大風(fēng)速（m.s-1）

根據(jù)距橋位較近的70m測風(fēng)塔1a實測資料，采用測風(fēng)塔各層逐日的日最大風(fēng)速為樣本，運用風(fēng)速隨高度變化的冪指數(shù)公式以及最小二乘法計算，得到的2座測風(fēng)塔的風(fēng)切變指數(shù)基本接近，約為0.141；若選取日最大風(fēng)速中≥5m.s-1的風(fēng)速作為計算樣本，得到的風(fēng)切變指數(shù)約為0.131。

通過計算70m高度實際日最大風(fēng)速序列與用10m高度風(fēng)速按指數(shù)規(guī)律推求的70m高度擬合風(fēng)速之間的相關(guān)關(guān)系來看，如果采用指數(shù)0.141，其相關(guān)系數(shù)為0.9440，絕對誤差為0.787m.s-1，如果采用指數(shù)0.131，其相關(guān)系數(shù)為0.9442，絕對誤差為0.786 m.s-1。這說明實際風(fēng)速序列與擬合風(fēng)速序列相關(guān)性很好，擬合的絕對誤差小于1 m.s-1。表明采用指數(shù)規(guī)律來計算該區(qū)域風(fēng)隨高度的變化是合適的，且利用最大風(fēng)速中≥5 m.s-1的樣本來計算略優(yōu)。因此，在后面的風(fēng)速推算中，切變指數(shù)取0.131。

2.6 各高度層不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速的推算

根據(jù)大氣邊界層理論，摩擦層中風(fēng)隨高度變化符合指數(shù)律，指數(shù)值取決于湍流強弱變化，但就大橋設(shè)計所考慮的邊界層狀態(tài)，風(fēng)速隨高度變化的一級微商隨高度是減小的，所以70m到300m高度間的指數(shù)值應(yīng)略小于70m高度以下的值。但從安全性考慮，這里把該值用到70m高度以上，不再對此指數(shù)值作修正，而采用工程計算中指數(shù)值在摩擦層中均取同一值的方法，即對湖面指數(shù)值采用鄰近岸邊梯度塔的計算值。根據(jù)設(shè)計基本風(fēng)速，取α=0.131，利用風(fēng)速隨高度變化的指數(shù)公式將10m高度上的最大風(fēng)速推算到300m以內(nèi)各個高度層 （70m內(nèi)10m一層，70m以上間隔30m）（表5）。

3 結(jié)論

（1）采用岳陽氣象站1953-2010年最大風(fēng)速序列，利用極值Ⅰ型曲線，計算得到岳陽氣象站不同重現(xiàn)期 （100、50、30、10年）10m高處10min平均年最大風(fēng)速 （基本風(fēng)速）分別為27.5m.s-1、25.3m.s-1、23.8m.s-1、20.4m.s-1。

（2）從氣象站到橋位區(qū)的風(fēng)速放大系數(shù)為1.2，計算得到橋位區(qū)不同重現(xiàn)期（100、50、30、10年）10m高處10min平均年最大風(fēng)速 （設(shè)計風(fēng)速）分別為32.9m.s-1、30.4m.s-1、28.6m.s-1、24.5m.s-1。

（3）基于橋位區(qū)附近測風(fēng)鐵塔≥5m.s-1的日最大風(fēng)速隨高度變化，推算得到風(fēng)切變指數(shù)為0.131，由此計算得到200m以下每10m高度的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速。

［1］ 《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南》編寫組.公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南 ［M］.北京：人民交通出版社，1966.

［2］中國建筑科學(xué)研究院.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)：建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 （GBJ50009-2002） ［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［3］中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范 ［M］.北京：氣象出版社，2003.

［4］陳正洪，向玉春，楊宏青.深圳灣公路大橋設(shè)計風(fēng)速的推算 ［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報，15（2）：226-233.

［5］張忠義，劉聰，居為民.南京長江第二大橋橋位風(fēng)速觀測及設(shè)計風(fēng)速的計算 ［J］.氣象科學(xué)，2000，20（2）：200-205.

［6］劉峰，許德德，陳正洪.北盤江大橋設(shè)計風(fēng)速及脈動風(fēng)頻率的確定［J］.中國港灣建設(shè)，2002，（1）：23-27.

［7］秦鵬，黃浩輝，李春梅.珠江口海域熱帶氣旋氣候特征及最大風(fēng)速計算 ［J］.氣象研究與應(yīng)用.2013，34 （2）：26-30.

［8］文元橋，陳正洪.荊岳長江大橋附近大風(fēng)特征及設(shè)計風(fēng)速推算研究 ［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2010，34（2）：306-309.

［9］劉聰，黃世成，朱安祥，等.蘇通長江公路大橋設(shè)計風(fēng)速的計算與分析 ［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報，2006，17 （1）：44-51.

［10］劉德輔，王莉萍，龐亮.多維復(fù)合極值分布理論在極端海況概率預(yù)測中的應(yīng)用 ［J］.科學(xué)通報.2006，51 （9）：1112-1116.

［11］李增志，黃峰，朱福萌，等.超聲風(fēng)速溫度儀的誤差分析與檢定方法研究 ［J］.氣象研究與應(yīng)用，2009，30（1）：58-59.

［12］王永林.對地面自動氣象觀測系統(tǒng)風(fēng)速滑動平均計算方法的探究 ［J］.氣象研究與應(yīng)用，2009，30（2）：75-77.

［13］唐延婧，宋丹，柳艷香，等.貴州高速公路低能見度分類預(yù)報方法研究 ［J］.氣象研究與應(yīng)用，2015，36（1）：96-99.

［14］農(nóng)成萬，何如，鄺良俊，等.廣西沿海超高層建筑進行氣象災(zāi)害風(fēng)險評估必要性 ［J］.氣象研究與應(yīng)用，2014，35（1）：71-73.

［15］林中慶，曹亞平，趙小偉.風(fēng)廓線雷達資料在一次強對流天氣過程中的應(yīng)用 ［J］.氣象研究與應(yīng)用，2011，32（3）：19-22.

Wind speed calculation for the location design of Dongting Lake Bridge in Yueyang

Zeng Xiang-hong，Du Dong-sheng，Wu Xian-yun

Based on annual maximum wind speed observation data of Yueyang weather stations during 1953-2010，average annual maximum 10 min wind speed，which is equivalent to the weed speed in 10 m height opening ground，sequence of 58 years was built by the distance conversion，height conversion and topographic correction processing.Based on extremumⅠ distribution curve line，the different return period of（200，100，50 years，20 years，10 years）basic wind speed in 10 m high was calculated by the Gumbel method.According to 10 min average monthly maximum wind speed ratio during the corresponding time between anemometer tower and weather station in Yueyang，wind speed design for the location of Dongting Lake Bridge was extrapolated.According to the wind-speed design，alpha （0.131）was taken by using the maximum wind speed in each levels wind within 300 m （$70 m in 10 m，70 m more than 30 m intervals）calculated by index formula of speed changing with height.

Dongting Lake Bridge；wind speed；calculation

P468.0+26

A

1673-8411（2015）04-0089-05

2015-05-13

交通運輸部建設(shè)科技項目（編號：2013318798320）；湖南省交通科技項目（編號：201219）

曾向紅（1962-），女，湖南長沙人，本科，高級工程師，主要從事應(yīng)用氣象工作，郵箱：zzxxhh@163.com。