微地形風速變化特征與微區域輸電線路設計的初步研究

陳勁+吳巍巍+向衛國

摘 要 本文利用ECWMF提供的1979-2013年共35年每天四個時次的lOm、30m、60m和lOOm四個高度層上的lOmin平均風速再分析數據資料集（分辨率為0.1250×0.1250），分析了江門市（1120.Oo～113.250E，21.50～22.8750N）年最大風速的分布及其變化趨勢。在四個高度層上，江門市歷年最大風速的空間分布都表現為由沿海向內陸地區，由南向北遞減；風速值分別介于14～32m/s，17～35m/s，20～35m/s和23～38m/s。江門市區域平均年最大風速都呈弱上升趨勢，并在2003年出現了極大值。進一步利用在lOm、30m、60m和lOOm高度層上，每個格點35年的年最大風速序列，通過極值I型分布估算江門市在不同再現期（15、30和50年）的年最大風速極值。

關鍵詞 年最大風速；極值I型分布；再現期；估算

中圖分類號 TM7

文獻標識碼 A

文章編號 1674-6708（2016） 154-0038-03

風是生產建設規劃和設計中必須慎重考慮的氣象要素。隨著沿海地區經濟發展，高大建筑物日益增多，各項工程設計都需要最大風速的推斷。若最大風速取值過小，則達不到工程設計要求；若取值過大，則增大了工程成本。因此，正確的分析沿海地區最大風速特征，并合理估算可能出現的最大風速，具有一定的現實意義。

關于我國沿海地區最大風速的分析和估算研究，莊垂鋒分析了1952～1982年福州年最大風速的出現主要受到7、8和9月的臺風影響，并利用極值I型分布估算了不同再現期可能一遇的最大風速值。陳錦冠等利用1969～1998年廣東省8個氣象站的日10分鐘平均最大風速和日瞬間極大風速資料，通過建立回歸方程對兩種風速進行估算。龐文保等比較了P-III型和極值I型分布曲線在最大風速計算中的應用，發現二者的估算值差別不大，均可滿足輸電線路對于最大設計風速的要求。鹿翠華利用棗莊市1971～2008年各月lOmin最大風速資料，通過估算了年最大風速再現期極值，基本可滿足棗莊工程項目設計要求。陳兵等根據江蘇省34a年最大風速資料，用EOF、REOF方法研究了江蘇省年最大風速的空間分布形式和長期變化趨勢。李靜等就常用的數理統計法（P-III型和極值I型分布曲線等）在設計最大風速中的線型、樣本選擇、資料插補延長和設計最大風速移用等問題進行了綜合分析研究。秦鵬等根據1949～2011年熱帶氣旋路徑資料及最大風速序列，統計分析了影響珠江口海域熱帶氣旋的氣候特征并利用極值I型分布估算了熱帶氣旋中心附近的概率風速。

江門市位于廣東省中南部，臺風是江門市最嚴重的氣象災害之一，其常伴有的大風天氣會對該地的高樓、高塔和高壓電路等工程設計產生重要影響。考慮江門市新輸電線路架設以及現有輸電線路改造的抗風問題，陶勇等對江門市年最大風速的變化特征已做了部分工作。本文在了解江門市年最大風速分布及其變化趨勢的基礎上，應用極值I型分布估算了江門市在不同再現期（15年、30年和50年）的年最大風速極值，為輸電線路最大設計風速的計算提供參考和依據。

1 資料及統計方法

本文所考慮的江門市范圍為112.O?～113.22?E，21.5?～22.875?N。風速資料為歐洲中期數值預報中心（ ECWMF）提供的1979～2013年共35年每天4個時次的lOm、30m、60m和lOOm四個高度層上的lOmin平均風速再分析數據資料集，分辨率為0.125?×0.125?

我們首先挑選出4個高度層上，所研究范圍內每個格點的風速最大值作為1979～2013年江門市歷年最大風速，考察其主要的空間分布特征。然后，再逐年挑選出區域平均的風速最大值，分析江門市逐年最大風速隨時間的變化。最后，利用4個高度層上，每個格點35年的年最大風速序列，通過極值I型分布估算江門市在不同再現期（15年、30年和50年）的年最大風速極值。

2 江門市年最大風速分布及其變化趨勢

圖1為lOm、30m、60m和lOOm高度層上，1979～2013年江門市歷年最大風速的空間分布。如圖la所示，在lOm高度層上，由于地面摩擦以及地形的阻擋作用，歷年最大風速由沿海向內陸地區，由南向北遞減，介于14m/s～32m/s之間；沿海地區（22?N以南）平均最大風速達23. 5m/s，內陸地區（22?N以北）平均最大風速為16.3m/s（表1）。同樣的，在30m、60m和lOOm高度層上，歷年最大風速的空間分布也表現為由沿海向內陸地區遞減，風速分別介于17m/s～35m/s，20m/s～35m/s和23m/s～38m/s。從表1中，我們還可以看到沿海和內陸地區的平均最大風速，都隨高度的增加而增大；4個高度層上，沿海與內陸地區的平均最大風速差在5.7m/s～7.2m/s之間，并隨高度的增加而減小。

在4個高度層上，1979～2013年江門市歷年最大風速的空間分布：（a） lOm、（b） 30m、（c） 60m、（d）lOOm（單位：m/s）

圖2給出了lOm、30m、60m和lOOm高度層上，1979～2013年江門市區域平均年最大風速隨時間的變化特征。如圖3a所示，在lOm高度層上，年最大風速介于8m/s～20m/s，呈上升趨勢（表2），并在2003年出現了極大值19.2m/s。同樣的，在30m、60m和lOOm高度層上，年最大風速也表現出上升趨勢，并在2003年出現了極大值，分別為23. 2m/s、25. 7m/s和27. 7m/s。需要指出的是，在4個高度層上，年最大風速的上升趨勢都較弱（表2），均未達到90%的信度水平，是不顯著的。

在4個高度層上，1979～2013年江門市區域平均年最大風速的變化特征：（a） lOm、（b） 30m、（c） 60m、（d） lOOm（黑色實線：時間序列；紅色虛線：線性擬合；單位：m/s）

3 江門市年最大風速不同再現期估算

3.1 極值I型分布方法介紹

極值I型分布是在氣象統計中常用的一種分布模式并且常用于最大降水量、最大風速、最大積冰重量等要素極值的估算。極值I型分布的概率密度函數：

Xmax即為通過極值I型分析法得到的要素極值。近年來P-III型頻率分析方法在我國電業大風計算中也應用很廣，它與極值I型分析法在最大風速概率計算中都能較好的擬合經驗值，滿足電力設計的需要。二者估算的風速值差別不大，但極值I型分布計算更加簡易。因此，利用極值I型分布估算四個高度層上，江門市在不同再現期的年最大風速極值。

3.2 極值I型分布估算年最大風速

根據不同再現期的概率公式p=lIR（其中R為再現期，以年為單位），可以通過（8）式計算極值I型%值，確定15年、30年和50年再現期下的%值分別為1.64、2.19和2.59。然后，再求出4個高度層上，區域內每個格點的年最大風速平均值x，以及標準差s，得到Cv。最后，通過（9）式求得不同再現期可能出現的年最大風速估算極值。

圖3為lOm、30m、60m和lOOm高度層上，江門市15年內可能出現年最大風速的空間分布。在15年再現水平下，lOm高度層上江門市年最大風速極值介于12m/s～22m/s，由沿海向內陸地區遞減。30m、60m和lOOm高度層上，江門市年最大風速極值分別介于14m/s～24m/s、16m/s～26m/s和18m/s～28m/S。

在4個高度層上，江門市15年內可能出現年最大風速的空間分布：（a） lOm、（b） 30m、（c） 60m、（d）lOOm（單位：m/s）

4 結論

本文利用ECWMF提供的1979～2013年共35年每天4個時次的lOm、30m、60m和lOOm四個高度層上的lOmin平均風速再分析數據資料集（分辨率為0.125°×0.125°），分析了江門市（112.O°～113.25°E，21.5°～22.875°N）年最大風速的分布及其變化趨勢。主要結論如下。

（1） 在lOm、30m、60m和lOOm高度層上，1979～2013年江門市歷年最大風速的空間分布都表現為由沿海向內陸地區，由南向北遞減；風速值分別介于14m/s～32m/s，17m/s～35m/s，20～35m/s和23m/s～38m/s。 沿海和內陸地區的平均最大風速隨高度的增加而增大，而沿海與內陸地區的平均最大風速差隨高度的增加而減小。

（2） 在lOm、30m、60m和lOOm高度層上，1979～2013年江門市區域平均年最大風速都呈弱上升趨勢，并在2003年出現了極大值。

（3）利用極值I型分布估算江門市在不同再現期的年最大風速極值。在lOm、30m、60m和lOOm高度層上，江門市15年內可能出現年最大風速值分別介于12m/s～22m/s， 14m/s～24m/s、16m/s～26m/s和18m/s～28m/s；30年內可能出現年最大風速值分別介于12m/s～24m/s、16m/s～26m/s、18m/s～28和20m/s～30m/s；50年內可能出現年最大風速極值分別介于14m/s～24m/s、18m/s～28m/s、20m/s～30m/s和22m/s～32m/s。江門市在不同再現期的年最大風速極值的空間分布表現為由沿海向內陸地區遞減。