50年一遇最大風速估算

楊鵬鵬，張大燕

(中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，西安 710075)

風是一種重要的自然資源，目前風電開發是新能源開發利用的重要組成部分。根據《電力工程氣象勘測技術規程》(DL/T 5158—2012)的要求，為保證風力發電場的運行安全，風力發電機組安全設計最大風速的設計重現期為50 a。50 a一遇最大風速是決定風電機組極限載荷的關鍵指標[1,2]。近年來伴隨著全球氣溫的不斷升高，極端天氣頻發，大風災害也時常發生，風作為生產建設規劃與設計中必須慎重考慮的氣象要素，在各項工程設計上，必須了解這些建筑物和裝置在使用期內可能遇到的風速極值，即要求提供不同重現期的最大風速值。正確分析年最大風速分布特征，并估算出不同重現期內可能出現的最大風速, 具有一定的現實意義[3]。目前，關于最大風速這一課題國內外學者已進行了大量的研究。廖小青[4]等應用Gumbel 分析法和風壓法計算風電場50 a一遇最大風速；鹿翠華[5]利用棗莊市1971—2008 年各月10 min 最大風速資料，利用耿貝爾分布函數估算出棗莊未來若干年的最大風速極值；謝今范[6]等利用吉林省1973—2008年共36 a來40個觀測站的逐月最大風速資料，分析了吉林省逐年最大風速的變化趨勢及概率分布特征。以上學者的研究為50年一遇最大風速的計算提供了相關的方法參考，本文在總結上述研究成果，分析風速趨勢變化的基礎上，利用多種方法綜合估算50年一遇最大風速。

1 數據及方法

榆林氣象站位于榆林市城關膚施路，地理坐標為北緯38°14′、東經109°42′，觀測場海拔高度為1 057.5 m，1951年開始設站觀測。2005年站址位置遷至榆陽區青云鄉劉家洼“郊外”，北緯38°16′，東經109°47′，海拔高度為1 157 m。氣象站站址變遷前后，最大風速均值相差0.2 m/s，可見遷站對最大風速觀測值影響較小，資料有可靠性和一致性，因此統稱為榆林氣象站。

使用的數據有：榆林氣象站1961—2016年逐年最大風速資料、榆林氣象站2007年2月至2008年1月逐時風速觀測值、風電觀測場2007年2月至2008年1月逐時觀測值，以上資料完整率均超過了95%。風電觀測場位于榆林市郊區，海拔高度1 137 m，與氣象站的距離為27 km。氣象站與風電觀測場的觀測高度均為10 m。

根據《建筑結構荷載規范》GB 50009—2012規定，設計風速采用極值Ⅰ型分布進行統計分析[7-8]。其分布函數為：

P=φ(x)=e-e-a(x-u)。

式中：a為待定常數；u為極值分布眾數。

極值Ⅰ型分布函數的簡化公式為：

2 風速計算

2.1 歷年最大風速變化趨勢分析

根據榆林氣象站1961—2016年歷年最大風速資料，進行年最大風速變化趨勢分析。由圖1可以看出，榆林氣象站年最大風速總體有逐年減小的趨勢，氣候傾向率為-0.845(m/s)/ 10 a，其中20世紀60—70年代風速較大，80—90年代風速較小，2000年以后風速略有上升。

虛線為趨勢線；折線為年代最大風速均值變化線圖1 1961—2016年榆林氣象站年最大風速年際變化

進一步利用Mann-Kendall突變分析法分析年最大風速的趨勢變化[9-10]，如圖2所示。由圖2可以看出，UF、UB曲線在置信區間外的點較少，說明年最大風速沒有顯著性變化；在0.99置信水平區間內，UF、UB兩曲線只有一個交點，說明年最大風速在該年份發生了突變，突變時間為1980年。因此在分析50 a一遇最大風速時，考慮將年最大風速序列分為兩個階段進行研究。

圖2 1961—2016年榆林氣象站年最大風速M-K突變檢驗圖(點劃線為0.01顯著性水平臨界值)

2.2 50 a一遇最大風速計算

(1)利用氣象站長序列1961—2016年的最大風速觀測資料，按照極值Ⅰ型分析法計算氣象站50 a一遇最大風速，得V1=23.5 m/s。

(2)利用風電觀測場及氣象站同期觀測資料，做逐日最大風速相關散點圖如圖3。

圖3 風電觀測場及榆林氣象站同期風速相關散點圖

由圖3可見，兩站同期資料相關性較好，相關系數R=0.87。因此，利用上述相關方程，修正氣象站歷年最大風速，再進行極值Ⅰ型計算，最終得到設計風速為V2=21.8 m/s。

(3)根據《電力工程氣象勘測技術規程》(DL/T 5158—2012)中規定：氣象站有連續25 a以上的年最大風速資料時，可直接進行頻率計算推求氣象站設計風速。根據前文分析，榆林氣象站年最大風速在1980年發生了突變，因此，在分段計算設計風速時，1981—2016年風速長度滿足規程要求，可以直接計算。1961—1980年風速系列年限雖不足25 a，但考慮資料的年限在1980年以前，下墊面受人為活動影響較小，比較當前來說更能真實反映最大風速變化情況；因此采用20 a資料進行計算。

根據極值Ⅰ型分析法，計算氣象站1961—1980年50 a一遇最大風速為V3=25.0 m/s，1981—2016年為V4=20.9 m/s。

(4)《建筑結構荷載規范》風壓表估算法

目前通用的《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)中全國風壓表是以氣象站10 m高度測風數據計算得到的，在風壓表中查得榆林市50 a一遇設計風壓為0.4 kN/m2。根據風壓公式反推，計算得該地區10 m高度50 a一遇的最大風速為V5=25.3 m/s。

(5)1 d及5 d設計風速取樣法

根據氣象站及風電觀測場2007年2月至2008年1月的逐時觀測值，分別挑選出1 d及5 d最大風速組成新的風速系列，按照極值Ⅰ型分析法計算設計風速。5 d最大風速取樣法能夠較好的反映年內風速的變化，符合實際大氣系統的移動周期，可以簡單、完整地在一整年的實測風速中獲取樣本，目前該取樣方法已經廣泛應用在最大風速估算中，結果較好[11]。

表1 1 d及5 d取樣法計算的50 a一遇最大風速 m/s

2.3 50 a一遇最大風速的確定

3 結論與討論

(1)榆林氣象站年最大風速有逐年減小的趨勢，氣候傾向率為0.845 (m/s)/10 a，但減小的趨勢不顯著，最大風速在1980年發生突變。

(2)以風速突變點為分界，分別根據極值Ⅰ型分析法及建筑結構荷載規范計算氣象站50 a一遇最大風速。結果顯示，利用極值Ⅰ型分析法計算1961—1980年的結果與建筑結構荷載規范計算的結果相近，分別為25.0 m/s和25.3 m/s。

(3)用1 d及5 d設計風速修正后的最大風速值差別較大，其中以1 d修正氣象站突變前風速(1961—1980年)得到的50 a一遇最大風速的結果最大，與《建筑結構荷載規范》計算的成果相接近，二者相互驗證，最終確定風電場50 a一遇最大風速為25.3 m/s，相應風壓為0.4 kN/m2。

(4)只應用了榆林氣象站及當地風電觀測場風速進行計算，沒有利用更多的數據進行驗證，后續還需進行深入研究，以期得到確定50 a一遇最大風速的普適方法。