风速系列一致性修正方法研究

张 洋

(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

风速系列一致性修正方法研究

张 洋

(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

近几十年来，受人类活动和环境变化的影响，气象台观测风速呈明显的下降趋势。本文通过聚均修正、提取趋势项修正、聚均修正+提取趋势项修正三种修正方法对风速系列进行修正，推求满足频率计算一致性要求的风速系列。实际应用表明，修正方法具有良好的适应性及修正效果。

风速系列；一致性；聚均修正；提取趋势项修正。

1 问题提出

近几十年来，受人类活动和环境变化(如城市化发展、树木生长等)的影响，气象台站周边环境发生了较大的变化，许多气象台站处于“围城”中，观测风速呈明显的下降趋势。

频率计算是推求设计风速的传统方法，也是我国电力工程设计风速计算规范规定采用的方法，但频率计算的前提是风速变量为具有同一总体的独立随机变量，而以往多项研究和本次研究的结果都表明，台站的风速存在趋势变化，不宜视为具有同一总体的独立随机变量，因此在进行频率计算之前，必须先对风速系列值进行一致性修正。如何推求符合频率计算一致性要求的风速系列已成为电力工程建设设计风速面临的一项迫切任务。

2 修正流程

风速受众多因素的影响，如：高大建筑物、丛林、工矿、烟囱等。如果从各影响因素入手，不难分析出造成风速趋势性变化的原因，但风速系列的一致性修正不只是要找出不一致的原因，更重要的是要确知由此而产生的不一致的量值。如果能够从物理成因出发，分解剖析出风速的各种影响因素所遵循的变化规律，并且能够建立可靠而精确的数学模型综合所有因素的作用加以集成描述，通过模型求解来计算风速值的下降量，并作出相应的修正，当然是最令人信服的，但事实上由于受到客观资料条件和主观认识水平的限制，无论建模还是求解都是非常困难的。本项研究主要通过统计途径，结合成因调查对风速系列进行一致性修正，采用了聚均(聚类分析+均值相等)修正、提取趋势项修正及其两者结合的三种方法，对风速系列进行修正及检验，然后对满足一致性要求的修正系列进行频率计算，求出台站的设计风速。

风速系列一致性修正及检验流程见图1。

图1 一致性修正及检验流程图

风速系列的一致性主要表现为持续性、趋势性、周期性等，因此检验也主要针对这几方面进行。

本次采用自相关系数检验、秩号自相关系数检验方法检验风速系列的持续性，接受假设表明系列无持续性，否则说明存在持续性；采用秩号—序号相关系数检验、Kendall检验、秩和检验方法检验风速系列的趋势性，接受假设表明系列无趋势性，否则说明存在趋势性；采用游程检验、转折点检验方法检验风速系列的随机性，接受假设表明系列的随机性较好，否则说明随机性较差。

3 修正原理

(1)聚均(聚类分析+均值相等)修正

聚类分析指将物理或抽象对象的集合分组成为由类似的对象组成的多个类的分析过程。聚类分析的目标就是在相似的基础上收集数据来分类。

传统的统计聚类分析方法包括系统聚类法、分解法、加入法、动态聚类法、有序样品聚类、有重叠聚类和模糊聚类等。

本文采用的是有序样本聚类法，又称为最优分段法。该方法是由费歇在1958 年提出的。它主要适用于样本由一个变量描述的情况，或者将多变量综合成为一个变量来分析。有序样本聚类法常常被用于系统的评估问题，被用来对样本点进行分类划级。

最优分割法聚类步骤如下：

设有序样品x(1)，x(2)，…，x(n)。他们可以是从小到大排列，也可以是按时间的先后排列。

①定义类的直径

设某类G中包含的样品有就{X(1)，X(2)，……X(n)(X(t)为m唯向量)}( j > i)，记为G ={i，i +1……，j}。该类的均值向量为该类的均值向量为

②定义分类的损失函数

用 b(n，k)表示将n个有序的样品分为k类的某种分法：

定义上述分类法的损失函数为

当n，k固定时，L[b(n，k)]越小，即表示各类的离差平方和越小，分类越合理，因此要寻找一种分法b(n， k)，使分类损失函数L达最小。

③ L[b(n，k)]的递推公式

费希尔算法最核心的部分是利用以下两个递推公式：

④最优解得求法

若分类数k是已知的，求分类法b(n，k)，使它在损失函数意义下达到最小，其求法如下：

首先，找出分点jk，使递推公式达到最小，即

然后找jk-1，使它满足L[P(jk, k-1)]=L[P(jk-1-1, k-2)]+ D(jk-1, jk-1)，得到第k-1类Gk-1={ jk-1，jk-1+1……, jk-1}，类似的方法依次可得到所有类G1，G2，……Gk，这就是我们欲求的最优解。

均值相等修正是指在分段后部分段落采取加上段间的均值差值，从而使各段均值相等。

(2)提取趋势项修正

时间系列Z(t)一般由趋势项A(t)、周期项P(t)、突变项B(t)和随机项R(t)组成，表达式为：

因周期项P(t)和突变项B(t)并不明显，即时间系列Z(t)可看作为趋势项A(t)和随机项R(t)之和。若能够将趋势项A(t)从时间系列中分割出来，则A(t)已知，t = 1，2，…，n，而一致性修正的目的是要消除风速系列中的趋势项，因此可按下式修正：

式中： Z'(t)为修正后风速；Z(t)为经过高度、时

距修正后离地10m高10min平均最大风速；

A(1)为时间系列第1项的趋势值；A(t)为时

间系列第t项的趋势值。

(3)聚均修正+提取趋势项修正

在聚均修正的基础上再采用提取趋势项修正，在此不再赘述。

4 实例应用

笔者收集了江苏省71个常规气象台站离地10m高10min平均最大风速系列资料，可明显地看出绝大部分台站风速呈现下降趋势。分别选取平原、丘陵等典型地形所在气象台站风速系列进行一致性修正，效果良好，达到预期目标。

下面以苏南某平原站风速系列(1956年～2007年)为例，进行一致性修正，原始风速系列见图2。

(1)聚类分析

最优分割结果见表1。

表1 最优分割结果

本次采用2段分类法。1956年～1977年均值18.10，1978年～2007年均值15.17，即1978年～2007年风速系列值加上两段均值的差值。修正后系列称为修正1系列。

(2)提取趋势项修正

趋势项A(t)可用指数、对数、多项式等描述。本次取2次多项式描述，系数a0、a1和a2分别为20.20、-0.17128631、0.00107585。修正后系列称为修正2系列。

(3)聚均修正+提取趋势项修正

在上述聚类分析的基础上再采用提取趋势项修正。趋势项A(t)同样取2次多项式描述，系数a0、a1和a2分别为18.90、0.00625678、-0.00039754。修正后系列称为修正3系列。

对上述三种修正系列分别进行一致性检验，检验结果见表2。

表2 一致性检验结果

经考虑一致性检验结果等因素综合分析后本站设计风速拟采用修正2风速系列，风速系列见图2。

图2 风速系列图

经频率计算得上述台站100年一遇设计风速为27.2m/s，50年一遇设计风速为26.1m/s。

5 结语

近几十年来，受人类活动和环境变化的影响，气象台站周边环境发生了较大的变化，许多气象台站处于“围城”中，观测风速呈明显的下降趋势，因此风速系列不宜视为具有同一总体的独立随机变量而直接进行频率计算。本文通过聚均修正、提取趋势项修正、聚均修正+ 提取趋势项修正三种修正方法对风速系列进行修正，推求满足频率计算一致性检验要求的风速系列，为风速系列一致性修正深入研究提供新的技术基础。实际应用表明，修正方法适应性强、效果好。

[1]李国芳，陈阿平，华家鹏．设计潮位计算中若干问题探讨[J]．水电能源科学，2006，(03)．

[2]钟连德，陈永胜，等．基于有序聚类分析的高速公路路段长度划分研究[J]．武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2008，(01)．

Study of Wind Speed Series Consistency Correction Methods

ZHANG Yang
(Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

In the past years, wind speed which is affected by human activity and environmental changes shows a obvious downward trend. Referring to the three correction methods : correction of the cluster analysis and mean equality, correction of the trend extraction, Correction of the cluster analysis and mean equality & Correction of the trend extraction,wind speed series which meets the requirement of frequency calculation consistency is created in this paper.Practical application shows that the correction methods have good adaptation and correction result.and the normal height linely in long region.

wind speed series; consistency; correction of the cluster analysis and mean equality; correction of the trend extraction.

TK89

B

1671-9913(2011)03-0019-04

2011-04-28

张洋(1983- )，男，江苏盐城人，硕士，现主要从事电力工程气象研究。