微地形风速变化特征与微区域输电线路设计的初步研究

陈劲+吴巍巍+向卫国

摘 要 本文利用ECWMF提供的1979-2013年共35年每天四个时次的lOm、30m、60m和lOOm四个高度层上的lOmin平均风速再分析数据资料集（分辨率为0.1250×0.1250），分析了江门市（1120.Oo～113.250E，21.50～22.8750N）年最大风速的分布及其变化趋势。在四个高度层上，江门市历年最大风速的空间分布都表现为由沿海向内陆地区，由南向北递减；风速值分别介于14～32m/s，17～35m/s，20～35m/s和23～38m/s。江门市区域平均年最大风速都呈弱上升趋势，并在2003年出现了极大值。进一步利用在lOm、30m、60m和lOOm高度层上，每个格点35年的年最大风速序列，通过极值I型分布估算江门市在不同再现期（15、30和50年）的年最大风速极值。

关键词 年最大风速；极值I型分布；再现期；估算

中图分类号 TM7

文献标识码 A

文章编号 1674-6708（2016） 154-0038-03

风是生产建设规划和设计中必须慎重考虑的气象要素。随着沿海地区经济发展，高大建筑物日益增多，各项工程设计都需要最大风速的推断。若最大风速取值过小，则达不到工程设计要求；若取值过大，则增大了工程成本。因此，正确的分析沿海地区最大风速特征，并合理估算可能出现的最大风速，具有一定的现实意义。

关于我国沿海地区最大风速的分析和估算研究，庄垂锋分析了1952～1982年福州年最大风速的出现主要受到7、8和9月的台风影响，并利用极值I型分布估算了不同再现期可能一遇的最大风速值。陈锦冠等利用1969～1998年广东省8个气象站的日10分钟平均最大风速和日瞬间极大风速资料，通过建立回归方程对两种风速进行估算。庞文保等比较了P-III型和极值I型分布曲线在最大风速计算中的应用，发现二者的估算值差别不大，均可满足输电线路对于最大设计风速的要求。鹿翠华利用枣庄市1971～2008年各月lOmin最大风速资料，通过估算了年最大风速再现期极值，基本可满足枣庄工程项目设计要求。陈兵等根据江苏省34a年最大风速资料，用EOF、REOF方法研究了江苏省年最大风速的空间分布形式和长期变化趋势。李静等就常用的数理统计法（P-III型和极值I型分布曲线等）在设计最大风速中的线型、样本选择、资料插补延长和设计最大风速移用等问题进行了综合分析研究。秦鹏等根据1949～2011年热带气旋路径资料及最大风速序列，统计分析了影响珠江口海域热带气旋的气候特征并利用极值I型分布估算了热带气旋中心附近的概率风速。

江门市位于广东省中南部，台风是江门市最严重的气象灾害之一，其常伴有的大风天气会对该地的高楼、高塔和高压电路等工程设计产生重要影响。考虑江门市新输电线路架设以及现有输电线路改造的抗风问题，陶勇等对江门市年最大风速的变化特征已做了部分工作。本文在了解江门市年最大风速分布及其变化趋势的基础上，应用极值I型分布估算了江门市在不同再现期（15年、30年和50年）的年最大风速极值，为输电线路最大设计风速的计算提供参考和依据。

1 资料及统计方法

本文所考虑的江门市范围为112.O?～113.22?E，21.5?～22.875?N。风速资料为欧洲中期数值预报中心（ ECWMF）提供的1979～2013年共35年每天4个时次的lOm、30m、60m和lOOm四个高度层上的lOmin平均风速再分析数据资料集，分辨率为0.125?×0.125?

我们首先挑选出4个高度层上，所研究范围内每个格点的风速最大值作为1979～2013年江门市历年最大风速，考察其主要的空间分布特征。然后，再逐年挑选出区域平均的风速最大值，分析江门市逐年最大风速随时间的变化。最后，利用4个高度层上，每个格点35年的年最大风速序列，通过极值I型分布估算江门市在不同再现期（15年、30年和50年）的年最大风速极值。

2 江门市年最大风速分布及其变化趋势

图1为lOm、30m、60m和lOOm高度层上，1979～2013年江门市历年最大风速的空间分布。如图la所示，在lOm高度层上，由于地面摩擦以及地形的阻挡作用，历年最大风速由沿海向内陆地区，由南向北递减，介于14m/s～32m/s之间；沿海地区（22?N以南）平均最大风速达23. 5m/s，内陆地区（22?N以北）平均最大风速为16.3m/s（表1）。同样的，在30m、60m和lOOm高度层上，历年最大风速的空间分布也表现为由沿海向内陆地区递减，风速分别介于17m/s～35m/s，20m/s～35m/s和23m/s～38m/s。从表1中，我们还可以看到沿海和内陆地区的平均最大风速，都随高度的增加而增大；4个高度层上，沿海与内陆地区的平均最大风速差在5.7m/s～7.2m/s之间，并随高度的增加而减小。

在4个高度层上，1979～2013年江门市历年最大风速的空间分布：（a） lOm、（b） 30m、（c） 60m、（d）lOOm（单位：m/s）

图2给出了lOm、30m、60m和lOOm高度层上，1979～2013年江门市区域平均年最大风速随时间的变化特征。如图3a所示，在lOm高度层上，年最大风速介于8m/s～20m/s，呈上升趋势（表2），并在2003年出现了极大值19.2m/s。同样的，在30m、60m和lOOm高度层上，年最大风速也表现出上升趋势，并在2003年出现了极大值，分别为23. 2m/s、25. 7m/s和27. 7m/s。需要指出的是，在4个高度层上，年最大风速的上升趋势都较弱（表2），均未达到90%的信度水平，是不显著的。

在4个高度层上，1979～2013年江门市区域平均年最大风速的变化特征：（a） lOm、（b） 30m、（c） 60m、（d） lOOm（黑色实线：时间序列；红色虚线：线性拟合；单位：m/s）

3 江门市年最大风速不同再现期估算

3.1 极值I型分布方法介绍

极值I型分布是在气象统计中常用的一种分布模式并且常用于最大降水量、最大风速、最大积冰重量等要素极值的估算。极值I型分布的概率密度函数：

Xmax即为通过极值I型分析法得到的要素极值。近年来P-III型频率分析方法在我国电业大风计算中也应用很广，它与极值I型分析法在最大风速概率计算中都能较好的拟合经验值，满足电力设计的需要。二者估算的风速值差别不大，但极值I型分布计算更加简易。因此，利用极值I型分布估算四个高度层上，江门市在不同再现期的年最大风速极值。

3.2 极值I型分布估算年最大风速

根据不同再现期的概率公式p=lIR（其中R为再现期，以年为单位），可以通过（8）式计算极值I型%值，确定15年、30年和50年再现期下的%值分别为1.64、2.19和2.59。然后，再求出4个高度层上，区域内每个格点的年最大风速平均值x，以及标准差s，得到Cv。最后，通过（9）式求得不同再现期可能出现的年最大风速估算极值。

图3为lOm、30m、60m和lOOm高度层上，江门市15年内可能出现年最大风速的空间分布。在15年再现水平下，lOm高度层上江门市年最大风速极值介于12m/s～22m/s，由沿海向内陆地区递减。30m、60m和lOOm高度层上，江门市年最大风速极值分别介于14m/s～24m/s、16m/s～26m/s和18m/s～28m/S。

在4个高度层上，江门市15年内可能出现年最大风速的空间分布：（a） lOm、（b） 30m、（c） 60m、（d）lOOm（单位：m/s）

4 结论

本文利用ECWMF提供的1979～2013年共35年每天4个时次的lOm、30m、60m和lOOm四个高度层上的lOmin平均风速再分析数据资料集（分辨率为0.125°×0.125°），分析了江门市（112.O°～113.25°E，21.5°～22.875°N）年最大风速的分布及其变化趋势。主要结论如下。

（1） 在lOm、30m、60m和lOOm高度层上，1979～2013年江门市历年最大风速的空间分布都表现为由沿海向内陆地区，由南向北递减；风速值分别介于14m/s～32m/s，17m/s～35m/s，20～35m/s和23m/s～38m/s。 沿海和内陆地区的平均最大风速随高度的增加而增大，而沿海与内陆地区的平均最大风速差随高度的增加而减小。

（2） 在lOm、30m、60m和lOOm高度层上，1979～2013年江门市区域平均年最大风速都呈弱上升趋势，并在2003年出现了极大值。

（3）利用极值I型分布估算江门市在不同再现期的年最大风速极值。在lOm、30m、60m和lOOm高度层上，江门市15年内可能出现年最大风速值分别介于12m/s～22m/s， 14m/s～24m/s、16m/s～26m/s和18m/s～28m/s；30年内可能出现年最大风速值分别介于12m/s～24m/s、16m/s～26m/s、18m/s～28和20m/s～30m/s；50年内可能出现年最大风速极值分别介于14m/s～24m/s、18m/s～28m/s、20m/s～30m/s和22m/s～32m/s。江门市在不同再现期的年最大风速极值的空间分布表现为由沿海向内陆地区递减。