贵州大龙经济开发区极端气象参数研究

李 霄，帅士章 ，张东海，朱 军

(贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002)

0 引言

在全球气候变暖的背景下，各类极端天气气候事件不断增多，极端强降水事件、极端高温事件更加严重和频繁。研究表明全国范围内平均降水、降水强度、极端强降水和连续性强降水呈增强趋势[1-3]。张娇艳等[4]在研究全球升温1.5 ℃和2.0 ℃情景下贵州省极端降水的变化特征时，发现贵州在RCP2.6 和RCP4.5 情景下各极端降水指数总体上均呈现增加趋势。袁文德等[5]、戴声佩等[6]发现西南地区、华南地区极端高温事件和极端低温事件分别呈上升和下降趋势。朱大运等[7]同样发现贵州极端气温暖系列指数呈上升趋势、冷系列指数呈下降趋势。与极端强降水事件、极端高温事件呈上升趋势不同的是，有研究表明我国平均风速、最大风速和极大风速整体以减少趋势为主，但不同区域风速的波动性存在差异，如西南区东部平均风速变化趋势较不明显[8-10]，江滢等[11]研究指出21 世纪中国区域近地层年平均风速呈减小的趋势。随着我国城镇化建设，预计未来城市极端高温、极端降水事件将更为频发，气候变化风险进一步加大[12]。因此，在极端天气气候事件频发的今天，气候可行性论证是科学应对气候变化、做好防灾减灾工作的具体行动和措施，是在预设的安全系数下为工程项目算好经济帐的基础性工作，气候可行性论证工作正在重大工程及区域经济发展中发挥着重要的作用[13-14]。

贵州大龙经济开发区位于贵州省铜仁市玉屏县，是1999年经贵州省人民政府批准设立、2006年经国家发改委审核通过的省级经济开发区，2014年成为国家级循环化改造示范试点园区。本文以贵州大龙经济开发区为例，讨论在气候变化背景下，影响开发区安全生产的主要极端气象参数重现期。选取距离开发区最近、地形地貌相似的玉屏、新晃国家气象观测站资料，对影响开发区工程项目建设和安全生产较大的极端气温、极端强降水和极值风速进行分析，旨在为开发区企业科学认识当地气象灾害现状、防范气象灾害提供科技支撑。

1 资料和方法

1.1 资料来源

本文使用的资料为玉屏、新晃气象观测站1959—2021年历年极端最高、最低气温资料，历年1 d、3 d、5 d、10 d最大降水量资料，1980—2021年历年最大风速、极大风速资料。资料来自全国综合气象信息共享平台(CIMISS)及大数据云平台“天擎”。

1.2 研究方法

在进行极端气象参数计算时，选用国内外应用比较广泛的皮尔逊Ⅲ(Pearson-Ⅲ)和耿贝尔(Gumbel)分布函数，对玉屏、新晃气象观测站极端气温、降水量和风速数据进行拟合，推算不同重现期的设计值。

在处理风速资料时，采用风速廓线的幂指数公式对观测高度进行修正，同时对10 min平均年最大风速缺测数据采用定时观测2 min的年最大风速进行插补。

1.2.1 皮尔逊Ⅲ(Pearson-Ⅲ)分布函数 Pearson-Ⅲ型分布的概率密度函数f(x)和累积分布函数F(x)分别见下式：

(1)

(2)

式中F(x)为α的伽玛函数，α为形状参数，β为比例参数(尺度参数)，ɑ0为位置参数。皮尔逊Ⅲ型分布其他常用参数有x均值、Cv离(变)差系数、Cs偏态系数、σ标准差，参数间换算关系：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

σ=x·Cv

(9)

已知累积概率P(xp)，求极值xp时，可根据分布函数进行变量转换并按伽玛函数积分求得，也可查皮尔逊Ⅲ型分布的离均系数表求得。

1.2.2 耿贝尔(Gumbel)分布函数 Gumbel分布的概率密度函数和累积分布函数分别见下式：

f(x)=ɑe-ɑ(x-b)-e-ɑ(x-b)(-∞0,-∞

(10)

F(x)=e-e-α(x-b)

(11)

式中ɑ为尺度参数，b为位置参数。可设转换变量y=ɑ(x-b)以方便计算。已知累积概率P(xp)，按下式求极端事件的极值。

(12)

1.2.3 测风数据修正 玉屏、新晃站测风观测仪器经历了几次变换，需要将不同观测高度的观测数据修正到标准高度，即地面上方10 m处高度。本文采用风速廓线的幂指数公式来做观测高度修正[12]。即：

(13)

式中：h为参照高度，取10 m；z为测量高度，单位为 m；Vh、Vz为相应的风速；α为幂指数(风速切变指数)，取决于表面粗糙度等因素，开发区位于房屋比较稀疏的乡镇，属B类地区，幂指数(风速切变指数)取0.15。

玉屏站1998—2004年10 min平均年最大风速缺测，用定时观测2 min年最大风速进行插补，定时观测2 min年最大风速与10 min平均年最大风速换算关系[13-14]见下式：

V10 min=1.14V2 min(定时)

(14)

2 极端气象参数计算

2.1 极端气温

统计玉屏、新晃气象观测站1959—2021年历年极端最高、最低气温(图1)。由图1看出，极端最高气温出现在新晃站1971年的40.9 ℃(图1a)，极端最低气温出现在玉屏站1977年的-10.7 ℃(图1 b)。玉屏、新晃2站历年极端最高、最低气温变化基本相似，总体上，新晃极端最高气温比玉屏偏高，但20世纪80年代中期及之后，新晃极端最低气温比玉屏偏低。

图1 玉屏、新晃历年极端最高气温(a)和极端最低气温(b)变化图Fig.1 Time series of extreme maximum temperature (a) and minimum temperature (b) in Yuping and Xinhuang

利用玉屏、新晃气象观测站的最高气温资料系列，采用Pearson-Ⅲ和Gumbel分布进行拟合，计算出2个气象观测站最高气温百年一遇值，结果见表1，分布曲线拟合见图2～3。由图可以看出，Pearson-Ⅲ 和Gumbel分布对玉屏和新晃最高气温拟合效果较好，高重现期或低重现期2种分布函数拟合结果均大于2站实测值。由表1看出，2站最高气温百年一遇值Pearson-Ⅲ 和Gumbel分布计算结果均大于各站实测值，拟合结果新晃站Gumbel分布最高为42.7 ℃，基于企业工程项目建设和安全生产考虑，开发区区域最高气温百年一遇设计值采用42.7 ℃。

表1 玉屏、新晃极端最高气温百年一遇设计值(单位：℃)Tab.1 Design value of extreme maximum temperature at 100-year return period in Yuping and Xinhuang (Unit: ℃)

图2 玉屏最高气温Pearson-Ⅲ(a)和Gumbel(b)分布曲线拟合Fig.2 Pearson-Ⅲ (a) and Gumbel (b) distribution curve fitting of the maximum temperature in Yuping

图3 新晃最高气温Pearson-Ⅲ(a)和Gumbel(b)分布曲线拟合Fig.3 Pearson-Ⅲ (a) and Gumbel (b) distribution curve fitting of the maximum temperature in Xinhuang

利用玉屏、新晃气象观测站的最低气温资料系列，采用Pearson-Ⅲ 和Gumbel分布进行拟合，计算出2个气象观测站最低气温百年一遇值，结果见表2，分布曲线拟合见图4。由图4可以看出，Pearson-Ⅲ 和Gumbel分布对玉屏和新晃最高气温拟合效果较好，尤其是低重现期部分，Gumbel分布函数对2站在高重现期部分的拟合结果大于2站实测值。由表2看出，玉屏、新晃气象观测站最低气温百年一遇值Pearson-Ⅲ 计算结果均低于实测值，但Gumbel分布计算结果均高于实测值；2个气象观测站最低气温百年一遇值Pearson-Ⅲ 和Gumbel分布计算结果均以玉屏站为最低。因此，基于企业工程项目建设和安全生产考虑，开发区区域最低气温百年一遇设计值采用-10.9 ℃。

表2 玉屏、新晃最低气温百年一遇设计值(单位：℃)Tab.2 Design value of Extreme minimum temperature at 100-year return period in Yuping and Xinhuang (Unit: ℃)

图4 玉屏(a、b)新晃(c、d)最低气温Pearson-Ⅲ(左)和Gumbel(右)分布曲线拟合Fig.4 Pearson-Ⅲ (left) and Gumbel (right) distribution curve fitting of the minimum temperature in Yuping(a、b) Xinhuang(c、d)

2.2 极端强降水

统计玉屏、新晃气象观测站1959—2021年历年1 d、3 d、5 d、10 d最大降水量(图5)，由图5看出，1 d、10 d极端最大降水量出现在1960年的玉屏，分别为226.2 mm、316.7 mm(图5a)，3 d、5 d极端最大降水量出现在2007年的新晃，分别为245.3 mm、279.9 mm(图5b)。

利用玉屏、新晃气象观测站的1 d、3 d、5 d、10 d最大降水量资料系列，采用Pearson-Ⅲ和Gumbel分布进行拟合，计算2个气象观测站不同日数最大降水量百年一遇值，结果见表3，分布曲线拟合见图6(部分分布曲线拟合图略)。由图可以看出，除1 d最大降水量分布拟合效果不理想外，其余不同日数最大降水量分布函数对2站的拟合效果均较好，高重现期部分拟合值和实测值相当。由表3可知，2站不同日数最大降水量Pearson-Ⅲ 和Gumbel分布百年一遇拟合计算结果均大于实测值，基于企业工程项目建设和安全生产考虑，开发区区域1 d、3 d、5 d、10 d最大降水量百年一遇设计值分别采用248.0 mm、261.8 mm、300.8 mm、327.7 mm。

图5 玉屏(a)、新晃(b)历年不同日数最大降水量变化图Fig.5 Time series of Maximum precipitation in different durations in Yuping (a) and Xinhuang (b)

表3 玉屏、新晃不同日数最大降水量百年一遇设计值(单位：mm)Tab.3 Design value of maximum precipitation at 100-year return period at different durations in Yuping and Xinhuang(unit: mm)

图6 玉屏1 d(a)、10 d(b)和新晃3 d(c)、5 d(d)最大降水量Pearson-Ⅲ 分布曲线拟合Fig.6 Pearson-Ⅲ distribution curve fitting of the maximum precipitation of 1-day (a)、10-day (b) in Yuping and 3-day(c)、5-day(d) in Xinhuang

2.3 极端风速

2.3.1 测风资料 《地面气象观测规范》(GB/T 35227-2017)对最大风速和极大风速作如下规定：最大风速“从10 min滑动平均风速值中挑取，并记录相应的风向和时间”。极大风速“从3 s滑动平均风速值中挑取，并记录相应的风向和时间”。

据统计(表略)，新晃观测站极大风速为39.6 m·s-1，出现在2002年4月1日；最大风速为25.3 m·s-1，出现在2015年6月8日；均为建国以来开发区区域内出现的极大和最大风速正式记录，是强对流天气过程导致(风雹)。

由于玉屏气象观测站1998—2004年风速缺测，故采用2 min年最大风速进行插补，统计得出玉屏、新晃站10 min平均最大风速资料(表4)。由表4看出，新晃平均最大风速、平均极大风速均大于玉屏，表明新晃的风速比玉屏的大。经测风高度修正后得出玉屏、新晃站年最大风速变化情况(图7)。由图看出，玉屏、新晃10 min年平均最大风速变化趋势基本一致，新晃最大值25.3 m·s-1出现在2015年，玉屏最大值23.1 m·s-1出现在2014年，新晃最小值8.1 m·s-1出现在2018年，玉屏最小值4.3 m·s-1出现在1987年。由图7还可以看出，2站10 min年平均最大风速最大值基本出现在20世纪90年代初期、21世纪初期和10年代中前期，而最小值基本出现在20世纪80年代中后期、90年代中后期和21世纪 10年代初期。总体来说，近40 a新晃最大风速、极大风速均比玉屏偏大。

表4 玉屏、新晃极值风速资料统计表Tab.4 Information about extreme wind speed in Yuping and Xinhuang

图7 玉屏、新晃历年10 min平均最大风速变化图Fig.7 Time series of average maximum wind speed of 10 minutes in Yuping and Xinhuang

2.3.2 最大风速统计分析 利用新晃、玉屏气象观测站30 a以上10 min平均年最大风速资料序列，采用Pearson-Ⅲ和Gumbel分布计算频率为3.33%、2.0%、1%、0.5%和0.1%的最大风速，结果见表5，分布曲线拟合见图8。玉屏、新晃站实测最大风速分别为23.1 m·s-1和25.3 m·s-1。由图8可以看出，Pearson-Ⅲ和Gumbel分布对玉屏和新晃最大风速拟合效果较好，2种分布函数百年一遇拟合结果均大于2站实测值。

从表5可知，各设计频率(重现期)风速，新晃站均大于玉屏站，新晃站Pearson-Ⅲ拟合值大于Gumbel拟合值。基于企业工程项目建设和安全生产考虑，推荐开发区采用新晃站Pearson-Ⅲ计算成果，该站10 m高度百年一遇最大风速拟合值为26.7 m·s-1，大于实测值。按照《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)，当R=50时，风压=0.3 kN·m-2，新晃累年气压974.9 hPa，气温17.5 ℃，水气压16.5 hPa，可计算得到五十年一遇重现期风速为22.7 m·s-1，小于推荐值。R=100时，风压=0.35 kN·m-2，新晃累年气压974.9 hPa，气温17.5 ℃，水气压16.5 hPa，可计算得到百年一遇重现期风速为24.5 m·s-1，小于推荐值。

2.3.3 最大风速与极大风速关系分析 新晃站2001年开始有年极大风速观测资料，为使分析结果更具代表性，收集该站10 min平均最大风速出现时间，挑选同处1次大风过程且同小时出现的极大风速资料，进行高度订正后，最大风速与极大风速的历年变化见图9。由图可以看出，新晃历年10 min平均最大风速与极大风速变化趋势基本一致，最大风速最大值为2015年的25.3 m·s-1，最小值为2018年的8.1 m·s-1；极大风速最大值为2002年的38.9 m·s-1，最小值为2001年的12.3 m·s-1。

表5 玉屏、新晃10 min平均最大风速各频率拟合值(单位：m·s-1)Tab.5 Fitting values of frequency of average maximum wind speed at 10 minute in Yuping and Xinhuang(unit: m·s-1)

有极大风速观测的近21 a，新晃瞬时极大风速与10 min平均最大风速同时次的平均比值为1.6。

2.3.4 各高度各频率最大风速与极大风速计算 根据新晃站采用Pearson-Ⅲ分布计算的频率为3.33%、2.0%、1%、0.5%和0.1%最大风速结果，计算各离地高度不同重现期最大风速；同时利用极大风速与最大风速比值计算得到的不同频率极大风速结果，计算各离地高度不同重现期极大风速。各高度的推算采用风廓线幂次律公式，幂指数值取0.15，结果见表6。由表6可知，开发区离地10 m高度百年一遇最大风速为26.7 m·s-1，百年一遇极大风速为42.7 m·s-1。

图8 玉屏(a、b)、新晃(c、d)最大风速Pearson-Ⅲ(左)和Gumbel(右)分布曲线拟合Fig.8 Pearson-Ⅲ (left) and Gumbel distribution (right) curve fitting of the maximum wind speed in Yuping(a、b)and Xinhuang(c、d)

3 结论与讨论

通过对大龙经济开发区距离最近、地形地貌相似的玉屏、新晃国家气象观测站极端气温、极端强降水和极值风进行分析，采用Pearson-Ⅲ和Gumbel分布拟合，计算百年一遇设计值，得出如下结论：

①大龙经济开发区区域极端最高气温为40.9 ℃，极端最低气温为-10.7 ℃；1 d、3 d、5 d、10 d极端最大降水量分别为226.2 mm、245.3 mm、279.9 mm 、316.7 mm；最大风速为25.3 m·s-1，极大风速为39.6 m·s-1。

表6 开发区最大风速、极大风速各高度各频率风速Tab.6 Maximum wind speed and maximum instantaneous wind speed of different frequency at different altitudes in developing area

②大龙经济开发区区域最高气温百年一遇设计值为42.7 ℃，最低气温百年一遇设计值为-10.9 ℃；1 d、3 d、5 d、10 d最大降水量百年一遇设计值分别为248.0 mm、261.8 mm、300.8 mm、327.7 mm；离地10 m高度百年一遇最大风速为26.7 m·s-1，百年一遇极大风速为42.7 m·s-1。

本文针对大龙经济开发区的极值气温、极端强降水和极值风不同重现期进行了分析，可为开发区工程项目设计和安全生产提供科学的气象设计参数。但贵州地处低纬高原，境内山高峪深、下垫面崎岖不平，造成气温、降水空间分布复杂多变，风速局地差异明显，只选取玉屏、新晃2个站点作为大龙经济开发区极端气象参数研究还存在一定的局限性，有待进一步研究。