董銳　李狄欽　羅元隆　劉國買

摘 ? 要：為明確閩臺兩地基本風(fēng)速的合理取值，以臺北市某氣象站1961-2015年的實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)為研究對象，基于兩岸現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，分別選用年最大風(fēng)速法和臺風(fēng)風(fēng)速法取樣，采用極值I型分布模型，對不同氣候模式下的基本風(fēng)速進(jìn)行了比較研究. 結(jié)果表明：對于相同的風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)臺灣建筑抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)TB2015獲得的極值風(fēng)速略小于現(xiàn)行建筑抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)GB50009獲得的極值風(fēng)速（福建），而基本風(fēng)速正好相反，但是兩者之間的差別均很小;臺風(fēng)氣候模式下的極值風(fēng)速/基本風(fēng)速預(yù)測值要大于混合氣侯模式下的對應(yīng)值，且與實(shí)測極值/基本風(fēng)速最為接近，誤差均小于0.5%;對于受臺風(fēng)影響嚴(yán)重的海峽兩岸地區(qū)，建議采用以臺風(fēng)風(fēng)速法取樣的臺風(fēng)氣候模式下的基本風(fēng)速.

關(guān)鍵詞：基本風(fēng)速;極值風(fēng)速;臺風(fēng);季風(fēng);混合氣候;臺灣海峽;重現(xiàn)期

中圖文分類號：TU312.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Comparative Study of Basic Wind Speeds under Different

Climatic Conditions at Both Sides of Taiwan Strait

DONG Rui1，2?，LI Diqin1，LUO Yuanlong2，LIU Guomai3

（1. College of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350108，China;

2. Wind Engineering Research Center，Tamkang University，New Taipei，Taiwan 25137，China;

3. Fuzhou University of Technology，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350118，China）

Abstract：In order to determine a reasonable value of basic wind speed ?at both sides of Taiwan Strait，comparative study of extreme and basic wind speed under different climate conditions are carried out in this paper. The measured wind speed data are obtained from a meteorological station in Taipei from 1961 to 2015. The extreme and basic wind speed are estimated through Gumbel distribution adopted by building wind resistant design standards at both sides of the Taiwan Strait. The annual maximum wind speed sampling method and typhoon wind speed sampling method correspond to the mixed and typhoon climate conditions，respectively. The results show that，for the identical wind speed observation data，the extreme wind speed obtained by building wind resistant design standard in Taiwan TB2015 is slightly less than that obtained by current national building wind resistant design standard（GB50009） in Fujian，and the basic wind speed is just opposite，but the estimated wind speed difference between the two standards is very small. The extreme/basic wind speed under typhoon climate is larger than the corresponding value under mixed climate，and is closest to the measured extreme/basic wind speed within an error less than 0.5%. For both sides of the Taiwan Strait severely affected by typhoons，the estimated wind speed under typhoon climate condition is suggested to adopt as the basic wind speed.

Key words：basic wind speed;extreme wind speed;typhoon;monsoon;mixed climate;Taiwan Strait;return period

風(fēng)速作為基本氣象要素之一，在土木工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中起著重要的基礎(chǔ)性作用. 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高層建筑、大跨屋蓋和長跨橋梁等風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，風(fēng)荷載逐漸成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制性荷載之一，而基本風(fēng)速的取值決定著風(fēng)荷載的大小，是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一環(huán)[1-2]. 我國地域遼闊，不同地區(qū)的氣候特征差異明顯. 內(nèi)陸地區(qū)通常季風(fēng)起主導(dǎo)作用，風(fēng)速隨季節(jié)的分布具有明顯的規(guī)律;東南沿海地區(qū)很多情況下臺風(fēng)起主導(dǎo)作用，臺風(fēng)特異性強(qiáng)，強(qiáng)度和發(fā)生頻率離散性大，屬于中小尺度氣候，與大尺度季風(fēng)氣候差異明顯. 雖然臺風(fēng)發(fā)生的概率小于季風(fēng)氣候，但其平均風(fēng)速卻遠(yuǎn)大于季風(fēng)的平均風(fēng)速[3]. 鑒于不同氣候模式下基本風(fēng)速存在較大差異，為確定合理可靠的基本風(fēng)速以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)，國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究.

Gomes和Vickery[4]認(rèn)為混合氣候下的風(fēng)環(huán)境可能由幾種來自不同物理過程的風(fēng)或服從不同母樣分布的風(fēng)組成，這些不同來源的風(fēng)速組成的樣本違背了樣本獨(dú)立、均一的原則. 建議將不同成分的風(fēng)速區(qū)分開來，對各風(fēng)速成分進(jìn)行單獨(dú)的極值分析，再綜合各成分分析結(jié)果來推斷混合后的極值風(fēng)速. 田玉基等[3]在研究建筑結(jié)構(gòu)圍護(hù)構(gòu)件的風(fēng)荷載時指出，對于我國受臺風(fēng)影響嚴(yán)重的東南沿海地區(qū)，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》將臺風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)速年最大值相混雜確定基本風(fēng)速的方法，存在理論上的偏差，與美國、日本、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家/地區(qū)的基本風(fēng)速預(yù)測方法存在一定差距，建議分別開展臺風(fēng)、季風(fēng)不同氣候模式下基本風(fēng)速的比較研究，然后綜合確定臺風(fēng)地區(qū)的基本風(fēng)速. 趙林[5]基于上海崇明越江通道工程，分別進(jìn)行了良態(tài)氣候和臺風(fēng)氣候下的平均風(fēng)速預(yù)測. 研究發(fā)現(xiàn)，基于良態(tài)氣候得到的100年重現(xiàn)期基本風(fēng)速為33 m/s，比臺風(fēng)氣候下的39.6 m/s約小20%. 盧安平[6]基于上海崇明氣象站1971-2007年間的實(shí)測風(fēng)速資料，分析了良態(tài)氣候、良態(tài)與臺風(fēng)混合氣候以及臺風(fēng)氣候下不同重現(xiàn)期的基本風(fēng)速. 結(jié)果表明，臺風(fēng)氣候下不同重現(xiàn)期的基本風(fēng)速預(yù)測值最大，混合氣候下的次之，良態(tài)氣候下的最小. 李強(qiáng)[7]對杭州不同氣候模式下的極值風(fēng)速進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)不同氣候模式下的極值風(fēng)速存在明顯區(qū)別. Zhang、Solari等[8]研究了Upper Tyrrhenian海附近區(qū)域考慮雷暴天氣的極值風(fēng)速估計(jì)，分別將不同氣候下的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分離后再計(jì)算基本風(fēng)速，并將預(yù)測值與意大利規(guī)范值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者存在較大差異. Harris和Cook[9]提出了OEN法（Offset Elliptic Normal method），將風(fēng)速和風(fēng)向記錄作為一對二維矢量，并將該方法應(yīng)用于南澳大利亞阿德萊德這類較典型的混合氣候地區(qū)的風(fēng)速分析[10]. Lombardo和Ayyub[11]以美國華盛頓特區(qū)三座機(jī)場近70年的風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)為分析對象，采用極值I型分布，對該地區(qū)熱帶氣旋、溫帶氣旋、雷暴和混合氣候模式下的極值風(fēng)速進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，該地區(qū)的極值風(fēng)速由雷暴控制.

近幾十年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，許多地區(qū)的測風(fēng)儀器進(jìn)行了更新，儀器位置和記錄方法也可能發(fā)生了變化，故很少有地方能夠獲得時間超過50年的真正均勻的風(fēng)速記錄. 因此，國內(nèi)外學(xué)者對不同氣候下基本風(fēng)速的研究，更多的是基于數(shù)值模擬獲得的偽風(fēng)速樣本開展的，而基于實(shí)測風(fēng)速資料的研究略顯不足. 盡管國內(nèi)外研究表明不同氣候模式下的基本風(fēng)速存在較大差異，但就我國目前而言，不同氣候下基本風(fēng)速的對比研究似乎沒有得到足夠的重視.

臺灣海峽兩岸的臺灣和福建均位于北回歸線附近，地形地貌皆以山地丘陵為主，且均受西北太平洋熱帶氣旋和亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，是世界上風(fēng)致災(zāi)害，尤其是臺風(fēng)災(zāi)害，最嚴(yán)重的區(qū)域之一. 盡管臺灣與福建的氣候條件和地形地貌有很多相似之處，但由于多種原因，兩岸建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)中基本風(fēng)速的取值卻存在較大區(qū)別. 福建地區(qū)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)確定基本風(fēng)速時采用年最大風(fēng)速法取樣，風(fēng)速樣本以年為單位選取一個最大值，不區(qū)分臺風(fēng)與季風(fēng)氣候，可以視為混合氣候下的一種基本風(fēng)速. 臺灣地區(qū)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)采用臺風(fēng)風(fēng)速法取樣并確定基本風(fēng)速，該方法僅考慮臺風(fēng)氣候下的風(fēng)速，不考慮季風(fēng)的影響，基于此樣本得到的風(fēng)速可視為臺風(fēng)氣候下的基本風(fēng)速. 由于風(fēng)速樣本取樣方法不同，使得兩岸標(biāo)準(zhǔn)給出的臺灣地區(qū)同一地點(diǎn)的基本風(fēng)速存在較大差別. 以臺北市50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)速為例，按照福建地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)為33.5 m/s，而臺灣地區(qū)的規(guī)范值為42.5 m/s，兩者相差約27%，對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)影響顯著. 目前，兩岸標(biāo)準(zhǔn)對基本風(fēng)速的規(guī)定均沒有考慮不同氣候類型的影響，年最大風(fēng)速取樣法有可能會忽略一年中多次強(qiáng)臺風(fēng)的影響，而臺風(fēng)風(fēng)速取樣法則有可能會忽略強(qiáng)季風(fēng)的影響，開展不同氣候模式下基本風(fēng)速的可靠性評估，是閩臺兩岸風(fēng)敏感基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中需要解決的一個重要問題，對兩岸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共通和平潭“一島兩標(biāo)”建設(shè)工作具有明確的現(xiàn)實(shí)需求和工程應(yīng)用價值.

本文以臺北市某氣象站1961-2015年共55年的實(shí)測風(fēng)速資料為研究對象，對閩臺兩岸不同氣候模式下的基本風(fēng)速進(jìn)行比較研究，供兩岸建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)時參考.

1 ? 風(fēng)速數(shù)據(jù)概況

基本風(fēng)速[12-15]指的是開闊平坦地貌條件下，地面/水面以上10 m高度處，某一重現(xiàn)期（對建筑結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)期一般為50年;對橋梁結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)期一般為100年）的10 min平均最大風(fēng)速. 基本風(fēng)速的確定通常包含地面粗糙度類別、離地面/水面的高度、平均風(fēng)速時距、平均風(fēng)速樣本選取方法、重現(xiàn)期和極值統(tǒng)計(jì)方法6個要素. 臺灣地區(qū)現(xiàn)行的建筑風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)為2015版《建筑物耐風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范及解說》（以下簡稱TB2015），福建地區(qū)現(xiàn)行的建筑風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)為地方標(biāo)準(zhǔn)《福建建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)壓規(guī)程》（DBJ/T13-141-2011）和國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）. 由于福建地方標(biāo)準(zhǔn)以國家標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)編制，基本風(fēng)速的確定方法與具體數(shù)值與國家標(biāo)準(zhǔn)完全相同，故本文基本風(fēng)速比較中福建地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一采用2016年修訂版《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）（以下簡稱GB50009）. 比較TB2015和GB50009可以發(fā)現(xiàn)，海峽兩岸對基本風(fēng)速的定義基本相同，但風(fēng)速樣本的選取方法存在顯著不同，使得兩岸標(biāo)準(zhǔn)給出的臺灣地區(qū)主要城市50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)速存在較大差別，如表1所示.

由表1可知，TB2015對臺灣主要城市基本風(fēng)速的劃分更加細(xì)致，同時給出的基本風(fēng)速值大部分情況下要大于GB50009給出的對應(yīng)值. 本文中兩岸基本風(fēng)速的比較研究主要針對兩岸建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)方法展開.

1.1 ? 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于臺北市某氣象站，共有2組. 第1組為1961-2015年歷年逐小時風(fēng)速數(shù)據(jù)（1993-1996年數(shù)據(jù)缺失），第2組為1961-2015年登陸或影響臺北市的117個臺風(fēng)風(fēng)速數(shù)據(jù)，如圖1所示. 其中臺風(fēng)風(fēng)速指臺風(fēng)期間風(fēng)速儀記錄的10 min時距平均風(fēng)速的最大值.

根據(jù)圖1顯示，1961-1990年間10 min平均風(fēng)速有逐漸降低的趨勢，1990年后開始趨于平穩(wěn)，主要原因在于測站周圍地貌發(fā)生了變化. 1980年至1990年間，臺北市興建了一些中高層建筑，故導(dǎo)致測站風(fēng)速儀高度處所測到的風(fēng)速略有降低.

本文中的氣象站風(fēng)速儀離地面高度為34.9 m，風(fēng)速樣本的采樣時距為10 min，測站周圍地貌如圖2所示[16].

由圖2可知，氣象站周圍地貌類型為小市鎮(zhèn). 根據(jù)TB2015，該氣象站地貌類型為B類;根據(jù)GB50009，該地貌類型為C類. 需要說明的是，TB2015中的B類地貌與GB50009中的C類地貌基本相當(dāng).

1.2 ? 數(shù)據(jù)取樣處理

本文主要對混合和臺風(fēng)氣候模式下臺北市基本風(fēng)速的預(yù)測進(jìn)行比較研究. 對于混合氣候模式，采用年最大風(fēng)速法取樣，即每年取一個最大10 min平均風(fēng)速，由若干年的數(shù)據(jù)組成極值風(fēng)速樣本，該方法對應(yīng)的是GB50009標(biāo)準(zhǔn)方法;對于臺風(fēng)氣候模式，采用臺風(fēng)風(fēng)速法取樣，即每次臺風(fēng)發(fā)生期間取一個最大10 min平均風(fēng)速，由若干個臺風(fēng)數(shù)據(jù)組成極值風(fēng)速樣本，該方法對應(yīng)的是TB2015標(biāo)準(zhǔn)方法.

本文基本風(fēng)速的確定過程分為3步：

1）選取極值風(fēng)速樣本. 混合氣候模式下的極值風(fēng)速樣本采用年最大風(fēng)速法取樣，臺風(fēng)氣候模式下的極值風(fēng)速采用臺風(fēng)風(fēng)速法取樣.

2）計(jì)算不同重現(xiàn)期的極值風(fēng)速. 分別按GB50009和TB2015中的計(jì)算方法，采用極值I型分布對兩組極值風(fēng)速樣本進(jìn)行分析，得到混合與臺風(fēng)氣候模式下不同重現(xiàn)期的極值風(fēng)速.

3）計(jì)算不同重現(xiàn)期的基本風(fēng)速. 由步驟2）計(jì)算得到的極值風(fēng)速，需要根據(jù)不同地貌、不同高度處平均風(fēng)速的關(guān)系轉(zhuǎn)換為開闊平坦地貌，10 m高度處的10 min最大平均風(fēng)速即基本風(fēng)速.

2 ? 概率模型和極值風(fēng)速預(yù)測

TB2015與GB50009計(jì)算極值風(fēng)速時均采用極值I型概率分布模型，參數(shù)估計(jì)均采用矩估計(jì)法，但兩者分布參數(shù)的取值存在區(qū)別.

2.1 ? 概率模型

極值I型概率分布函數(shù)為：

F（x） = exp{-exp[-α（x - u）]}

α =

u = μ -

（1）

式中：x為年/臺風(fēng)極值風(fēng)速樣本;u為分布的位置參數(shù);α為分布的尺度參數(shù);σ為樣本的標(biāo)準(zhǔn)差;μ為樣本的平均值.

GB50009中極值I型分布的參數(shù)取值與樣本容量n有關(guān). 當(dāng)樣本有限時，以樣本的均值[x]和標(biāo)準(zhǔn)差 σ1作為μ和σ的近似估計(jì)，此時的分布參數(shù)u和α按式（2）計(jì)算：

α =

u = [x] -

（2）

式中：C1和C2為系數(shù)，根據(jù)樣本容量n的大小按GB50009表E.3.2取用.

TB2015風(fēng)速預(yù)測時，μ和σ的取值不受樣本容量的影響，直接由樣本均值[x]和標(biāo)準(zhǔn)差σ1替代，不另外進(jìn)行取值. 此時的分布參數(shù)按式（3）計(jì)算：

α =

u = [x] -

（3）

比較公式（2）和（3）可知，閩臺兩岸參數(shù)估計(jì)的主要區(qū)別是GB50009中系數(shù)C1和C2的取值隨樣本數(shù)量而變化，而TB2015中取固定值.

2.2 ? 極值風(fēng)速預(yù)測

閩臺兩岸極值風(fēng)速預(yù)測時依據(jù)的原理相同，但由于風(fēng)速樣本性質(zhì)不同，使得具體計(jì)算過程存在明顯區(qū)別. 下面分別對閩臺兩岸標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行介紹.

2.2.1 ? GB50009極值風(fēng)速計(jì)算公式

根據(jù)式（1）和（2）確定極值I型分布后，重現(xiàn)期為T年的最大風(fēng)速xT，即極值風(fēng)速，可按式（4）確定：

xT = u - lnln

（4）

2.2.2 ? TB2015極值風(fēng)速計(jì)算公式

TB2015采用臺風(fēng)風(fēng)速法取樣，此時的風(fēng)速樣本是以臺風(fēng)發(fā)生的次數(shù)作為取樣單位，由于極值風(fēng)速是以年為單位計(jì)算獲得，需要首先將臺風(fēng)風(fēng)速樣本轉(zhuǎn)化為以年為單位的風(fēng)速樣本，然后才能進(jìn)行不同重現(xiàn)期的極值風(fēng)速計(jì)算. TB2015計(jì)算極值風(fēng)速的原理可以分為以下3步：

第1步，將臺風(fēng)風(fēng)速樣本按從小到大順序排列，并通過Gringorten[17]所建議的公式（5）計(jì)算出每個風(fēng)速對應(yīng)的非超越概率，并作出基于臺風(fēng)獨(dú)立事件的極值風(fēng)速非超越概率分布圖（含Gumbel擬合分布）. 本文圖1（b）中的臺風(fēng)風(fēng)速樣本對應(yīng)的概率分布如圖3所示.

Fi = ? ? ? ? ?（5）

式中：i為Xi按升序排列后排第i個位置;n為樣本容量.

第2步，為了符合年破壞超越概率的計(jì)算，需將臺風(fēng)獨(dú)立事件的極值風(fēng)速分布曲線，經(jīng)由泊松假設(shè)，按公式（6）換算為年極值風(fēng)速分布曲線[16]，如圖4所示. 其中擬合曲線Gumbel-fityr表示已轉(zhuǎn)換為泊松過程的結(jié)果.

Fyear = e ? ? ? ? （6）

式中：λ = 117/55 = 2.127 3為本文氣象站平均每年臺風(fēng)發(fā)生的次數(shù).

第3步，由圖4并結(jié)合公式（1）和（6）即可計(jì)算得到臺風(fēng)氣候下臺北市不同重現(xiàn)期的極值風(fēng)速.

可以發(fā)現(xiàn)，上述極值風(fēng)速的計(jì)算過程較復(fù)雜，為方便計(jì)算，TB2015中給出了一種等效簡化算法. 該算法假設(shè)臺風(fēng)的發(fā)生是獨(dú)立的，且在小時間間隔Δt里，其發(fā)生的概率與Δt成正比，則可將臺風(fēng)事件的發(fā)生模擬成泊松過程，此時每年最大風(fēng)速X大于某一風(fēng)速x的概率可表示為：

P（X > x） = 1 - exp{-[1-FX（x）]λ} ? ? ? ?（7）

欲求T年重現(xiàn)期的風(fēng)速，即求解xT，使得P（X > xT） = 1/T，則根據(jù)公式（1）和（7）即可求得xT：

xT = u - ·lnln1 +

（8）

由上述分析可得閩臺兩岸標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測極值風(fēng)速的異同點(diǎn)匯總?cè)绫?所示.

如果將風(fēng)速樣本的選取方法與兩岸極值風(fēng)速預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)方法分開考慮，則GB50009方法（簡稱GB方法）和TB2015方法（簡稱TB方法）分別對應(yīng)以下兩種類型，如表3所示. 以下討論中的GB方法和TB方法均指表3中的內(nèi)容.

3 ? 不同氣候模式下的極值風(fēng)速比較

3.1 ? 混合氣候模式下的極值風(fēng)速

混合氣候模式下的極值風(fēng)速樣本采用年最大風(fēng)速法取樣，不區(qū)分臺風(fēng)與季風(fēng)氣候. 根據(jù)臺北某氣象站數(shù)據(jù)獲得混合氣候模式下的極值風(fēng)速樣本分布如圖5所示.

由于混合氣候模式下的極值風(fēng)速樣本以年為時間單位取樣，無需轉(zhuǎn)換，可直接采用式（4）進(jìn)行計(jì)算. 分別采用GB方法和TB方法對圖5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得臺北市不同重現(xiàn)期的極值風(fēng)速如表4所示.

由表4可知，對于混合氣候模式，按照TB方法獲得的極值風(fēng)速與GB方法相比較，平均約小4.8%，并且兩者之間的差距隨重現(xiàn)期的增加呈變大的趨勢，但差距相對較小. 由于GB50009參數(shù)估計(jì)時，是以樣本均值及標(biāo)準(zhǔn)差近似替代總體均值及標(biāo)準(zhǔn)差，并且參數(shù)取值與樣本容量相關(guān)，只有當(dāng)樣本容量足夠大時（n > 1 000），才以樣本均值及標(biāo)準(zhǔn)差替代總體均值及標(biāo)準(zhǔn)差. 而TB2015直接以樣本均值及標(biāo)準(zhǔn)差替代總體均值及標(biāo)準(zhǔn)差，使得到的分布參數(shù)變大，從而導(dǎo)致極值風(fēng)速預(yù)測結(jié)果偏小.

3.2 ? 臺風(fēng)氣候模式下的極值風(fēng)速

臺風(fēng)氣候模式下的極值風(fēng)速樣本采用臺風(fēng)風(fēng)速法取樣，不考慮季風(fēng)的影響. 根據(jù)臺北某氣象站數(shù)據(jù)獲得臺風(fēng)氣候模式下的極值風(fēng)速樣本分布如圖1（b）所示. 由于臺風(fēng)氣候模式下的極值風(fēng)速樣本是以臺風(fēng)發(fā)生的次數(shù)作為取樣單位，需要首先轉(zhuǎn)換為以年為單位的風(fēng)速樣本，才能夠進(jìn)行不同重現(xiàn)期的極值風(fēng)速預(yù)測，該過程對應(yīng)本文中的式（5）和式（6）. 分別采用GB方法和TB方法對圖1（b）中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得臺北市不同重現(xiàn)期的極值風(fēng)速見表5.

由表5可得，對于臺風(fēng)氣候模式，按照TB方法計(jì)算得到的不同重現(xiàn)期的極值風(fēng)速小于GB方法的對應(yīng)值，平均約小3.5%，并且兩者之間的差距隨重現(xiàn)期的增加呈變大的趨勢，但差距相對較小，主要是因?yàn)閮砂稑?biāo)準(zhǔn)參數(shù)估計(jì)時，參數(shù)取值不同造成.

3.3 ? 不同氣候模式下的極值風(fēng)速對比

將臺北市不同氣候模式下的極值風(fēng)速進(jìn)行比較，匯總?cè)绫?所示.

由表6可知，無論采用GB方法還是TB方法，臺風(fēng)氣候模式下的極值風(fēng)速均大于相同重現(xiàn)期時混合氣候模式下的極值風(fēng)速，且差別明顯. 依GB方法，臺風(fēng)氣候模式下的極值風(fēng)速比混合氣候模式下的對應(yīng)值大12.26% ～ 12.83%;依TB方法，臺風(fēng)氣候模式下的極值風(fēng)速比混合氣候模式下的對應(yīng)值大12.81%～14.73%.

根據(jù)1961-2015年實(shí)測歷年逐小時風(fēng)速數(shù)據(jù)，可得55年內(nèi)測站處的實(shí)測最大極值風(fēng)速為28.3 m/s（34.9 m高處的10 min平均風(fēng)速）. 實(shí)測極值風(fēng)速與按GB方法及TB方法預(yù)測得到的50年重現(xiàn)期極值風(fēng)速比較如表7所示.

其中，誤差按照式（9）計(jì)算：

err = ? ? ? ?（9）

式中：x為極值風(fēng)速預(yù)測值;x′為極值風(fēng)速實(shí)測值.

由表7可知，如果將極值風(fēng)速實(shí)測值28.30 m/s作為標(biāo)準(zhǔn)，則根據(jù)臺風(fēng)氣候模式獲得的極值風(fēng)速預(yù)測值更接近實(shí)測值，并且取值略偏保守. 按照混合氣候模式獲得的極值風(fēng)速預(yù)測值與實(shí)測值相比偏差較大，且取值偏于危險. 對于相同的風(fēng)速樣本，按照GB方法獲得的極值風(fēng)速預(yù)測值要大于相同情況下采用TB方法的對應(yīng)值.

近幾十年來，我國建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范經(jīng)歷了6個版本的修訂與完善[18]，但是對于東南沿海臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)仍然采用年最大風(fēng)速法取樣，沒有單獨(dú)考慮臺風(fēng)氣候模式下的極值風(fēng)速，存在明顯不足. 由上述分析可知，對于地處東南沿海的臺灣海峽兩岸，采用年最大風(fēng)速法取樣獲得的混合氣候模式下的極值風(fēng)速明顯偏小，建議采用臺風(fēng)風(fēng)速法確定該地區(qū)的極值風(fēng)速.

4 ? 不同氣候模式下的基本風(fēng)速比較

根據(jù)我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[12-15]的定義，只有開闊平坦地貌10 m高度處不同重現(xiàn)期的10 min平均風(fēng)速稱為基本風(fēng)速，除此外計(jì)算所得風(fēng)速均稱為極值風(fēng)速.

鑒于閩臺兩岸建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范給出的風(fēng)速均為基本風(fēng)速/風(fēng)壓，為了能夠?qū)砂痘撅L(fēng)速規(guī)范值進(jìn)行比較和評估，需先將第3部分中的極值風(fēng)速轉(zhuǎn)換為基本風(fēng)速. 將本文中的極值風(fēng)速轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)條件下的基本風(fēng)速，需要進(jìn)行地貌類別和高度的轉(zhuǎn)換.

海峽兩岸風(fēng)荷載規(guī)范對地貌類別的劃分存在區(qū)別，GB50009將地貌類別劃分為A、B、C、D共4類，而TB2015將臺灣地區(qū)的地貌類別分為A、B、C共3類. 兩岸規(guī)范中不同地面粗糙度類別中梯度風(fēng)高度zg、平均風(fēng)速剖面指數(shù)α的規(guī)定見表8.

由表8可知，標(biāo)準(zhǔn)地貌類別分別對應(yīng)TB2015中的C類地貌和GB50009中的B類地貌. 根據(jù)平均風(fēng)速的冪指數(shù)率和梯度風(fēng)高度處風(fēng)速相等的假設(shè)，可以將氣象站測風(fēng)儀獲得的極值風(fēng)速轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)地貌處的基本風(fēng)速. 轉(zhuǎn)換過程分為兩步：第一步是由非標(biāo)準(zhǔn)地貌34.9 m高度處的極值風(fēng)速計(jì)算得到梯度風(fēng)高度處的梯度風(fēng)速，定義該系數(shù)為地貌類別轉(zhuǎn)換系數(shù)s;第二步根據(jù)梯度風(fēng)高度處風(fēng)速相等的假設(shè)，采用指數(shù)率獲得標(biāo)準(zhǔn)地貌類型10 m高度處的基本風(fēng)速，定義該系數(shù)為高度轉(zhuǎn)換系數(shù)l. 基本風(fēng)速Ubasic和極值風(fēng)速Uextreme之間的轉(zhuǎn)換公為式為，

Ubasic = （s·l）Uextreme ? ? ? ? （10）

式（10）中各系數(shù)的取值如表9所示. 可以發(fā)現(xiàn)，將極值風(fēng)速轉(zhuǎn)換為基本風(fēng)速時，GB方法比TB方法約小7.27%.

根據(jù)表9可以將第3節(jié)獲得的極值風(fēng)速轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)條件下的基本風(fēng)速，如表10所示.

由表10可知，對于相同的風(fēng)速樣本，經(jīng)地貌和高度轉(zhuǎn)換后，依據(jù)TB方法獲得的基本風(fēng)速均略大于相同情況下依據(jù)GB方法獲得的對應(yīng)值. 對于混合氣候模式下的基本風(fēng)速，TB方法獲得的預(yù)測值比GB方法平均大2.4%;對于臺風(fēng)氣候模式下的基本風(fēng)速，TB方法獲得的預(yù)測值比GB方法平均大3.6%. 無論采用何種方法，臺風(fēng)氣候模式下的基本風(fēng)速均大于混合氣候模式下的基本風(fēng)速，但是均小于規(guī)范值. 如果以50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)速實(shí)測值作為基準(zhǔn)，則臺風(fēng)氣候模式下的基本風(fēng)速預(yù)測值最接近，混合氣候模式下的基本風(fēng)速預(yù)測值偏于危險，而現(xiàn)行規(guī)范值偏于保守，尤其是TB2015給出的規(guī)范值太過保守.

上述不同氣候下臺北市的基本風(fēng)速比較，只是將不同方法計(jì)算獲得的風(fēng)速與實(shí)測風(fēng)速進(jìn)行對比，未進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn). 下面將通過K-S檢驗(yàn)，對不同氣候下的計(jì)算方法的優(yōu)劣性進(jìn)行比較分析，詳細(xì)過程見文獻(xiàn)[19]，結(jié)果列于表11.

根據(jù)表11可知，采用GB方法和TB方法計(jì)算獲得的預(yù)測風(fēng)速K-S檢驗(yàn)值均小于相應(yīng)的臨界值，故兩種方法均可用于基本風(fēng)速的預(yù)測. 根據(jù)K-S檢驗(yàn)值越小擬合效果越好的原則，臺風(fēng)氣候下的預(yù)測風(fēng)速的擬合效果優(yōu)于混合氣候模式，且采用TB方法獲得的臺風(fēng)氣候下的預(yù)測風(fēng)速擬合效果最佳，該結(jié)論與表10的結(jié)論一致. 對于受臺風(fēng)影響嚴(yán)重的海峽兩岸，建議采用臺風(fēng)氣候模式下的基本風(fēng)速.

5 ? 結(jié) ? 論

1）對于相同的風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)TB方法獲得的極值風(fēng)速預(yù)測值略小于GB方法，且兩者之間的差距隨重現(xiàn)期的增加呈變大的趨勢，而基本風(fēng)速預(yù)測值正好相反，但是兩者之間的差距均較小;

2）極值I型參數(shù)估計(jì)時，對于GB方法，系數(shù)C1和C2的取值隨樣本數(shù)量而變化，而TB方法取固定值，使得GB方法獲得的極值風(fēng)速預(yù)測值略大于TB方法;

3）根據(jù)平均風(fēng)速隨高度變化的冪指數(shù)率和梯度風(fēng)高度處風(fēng)速相等的假設(shè)，將極值風(fēng)速轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)條件時的基本風(fēng)速時，依據(jù)TB方法獲得的轉(zhuǎn)換系數(shù)要大于GB方法，對于本文中的數(shù)據(jù)，約大7.27%;

4）無論采用GB方法還是TB方法，臺北市在臺風(fēng)氣候模式下不同重現(xiàn)期的極值風(fēng)速均大于混合氣候模式下的對應(yīng)值. 采用TB方法獲得的臺北市在臺風(fēng)氣候模式下的50年重現(xiàn)期極值風(fēng)速預(yù)測值與實(shí)測風(fēng)速最接近，偏差小于0.5%;

5）臺風(fēng)氣候模式下的基本風(fēng)速與實(shí)測風(fēng)速最接近，且均大于混合氣侯模式下的基本風(fēng)速.對于受臺風(fēng)影響嚴(yán)重的海峽兩岸，建議采用臺風(fēng)氣候模式下的基本風(fēng)速.

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