一種電力設計中參證氣象站選擇的方法

皮春冶 趙 鷹 林海濤

上海電力設計院有限公司

0 背景介紹

氣象站的觀測資料，通常包含氣壓、氣溫、濕度、風速、風向、降水、蒸發、日照、凍土等多項內容，也有個別氣象站觀測導線覆冰、太陽輻射資源等專項資料。而以上的觀測基本內容均是電力勘測設計中的最基礎、最重要資料。

依據《電力工程氣象勘測技術規程》（DL/T 5158-2012）的規定，在工程設計中，參證氣象站選擇，應對被選參證氣象站觀測場與工程點兩地的氣候一致性、兩地地形及海拔差異對氣象要素的影響進行查勘分析，對選擇的氣象站觀測資料進行適用性分析，要求觀測資料對工程地點具有一定的代表性，且便于移用。

對于如何選擇參證站氣象沒有明確的規定，當工程需要選擇參證站氣象時，在實際電力工程中經常會出現無法確定參證站氣象的問題。例如:某工程選取在某地，單純地根據參證氣象站觀測場與工程點兩地的氣候一致性、兩地的地形及海拔差異對氣象要素的影響進行查勘分析往往沒有定性的參證，僅依靠設計人員個人的經驗與已有項目的參證來選取。

例如：某電力工程附近距離最近的氣象站有三個，而且三個氣象站距離電力工程都比較近，需要選擇電力工程的代表氣象站。在選擇過程中不能單純地依據距離確定氣象站的代表性。一般的方法是將三個氣象站均進行代表性分析，選取具有代表性的氣象站作為參證站。

上例中的電力工程，由于三個氣象站的觀測場與電力工程點的氣候一致性、地形及海拔差異基本一致，需要將三個氣象站的所有氣象要素分別進行計算與分析。

首先需要收集三個氣象站資料，造成資源浪費；同時設計人員在根據氣象要素進行設計時需要分別對比分析計算，當出現個別氣象要素差異性較大時，會很難選擇，選擇結果對工程安全性、設計優化、成本控制都有很大影響。

參證氣象站的選擇對電力工程設計影響較大，需要進行深入分析計算。本文對工程水文中常用的泰森多邊形進行參證氣象站選擇進行說明。

1 泰森多邊形

在水文氣象工程中，有一種計算平均面雨量方法—泰森多邊形方法。19世紀初，荷蘭氣象學家泰森提出了一種根據離散分布的氣象站的降雨量來計算平均面雨量的方式，即：將所有相鄰氣象站連成三角形，分別計算這些三角形邊的垂直平分線，每個氣象站周圍的所有垂直平分線便圍成一個多邊形。用圍成的多邊形內所包含的唯一一個氣象站的降雨強度來表示這個多邊形區域內的降雨強度，并稱這個多邊形為泰森多邊形。泰森多邊形有以下特性：

1）每個泰森多邊形內含且僅含有一個點數據；

2）泰森多邊形內的點到相應點的距離最近；

3）位于泰森多邊形邊上的點到其兩邊的點的距離相等。

泰森多邊形用點的性質來描述區域的性質；可用點的數據來代表并計算區域的數據；判斷一個點與其它哪些點相鄰時，可根據泰森多邊形直接計算得到。若泰森多邊形是n邊形，則就與n個點相鄰；當某一數據點落入某泰森多邊形中時，它與相應的點最近，無需計算距離，可以直接計算得到。

簡單明了的是選取的參證氣象站距離工程地點最近，泰森多邊形最初在數學上就是空間插值的一種方法，特點是方法簡單易行，精度也較高，但缺點是將空間簡化成平面計算。

2 方法介紹

泰森多邊形可以將氣象站氣象要素平均降雨量進行分區，也可以應用泰森多邊形的理論依據對氣象站的其他氣象要素進行分區。泰森多邊形的缺點是將空間簡化成為平面計算，本方法采用泰森多邊形理論的同時，還要對泰森多邊形繪制出的區域空間存在河流與山脈等阻隔進行適當改進與分析，從而在使用上避免這一欠缺。

依靠泰森多邊形選擇參證氣象站的方法，是將氣壓、氣溫、濕度、風速、風向、降水、蒸發、日照、凍土等多項氣象要素內容按照泰森多邊形方法進行計算。同時結合地形條件對氣象站的代表區域進行詳細分析計算，最終確定電力工程參證氣象站。

選取內蒙古自治區巴彥淖爾市7座主要分布于河套平原與陰山北側的氣象站作為分析論證。

巴彥淖爾市坐落于中國北方，內蒙古自治區的西面，該市北側是陰山，南側是黃河，東連鹿城包頭市，西鄰阿拉善盟及塞外煤都烏海市，巴彥淖爾市屬中溫帶大陸性季風氣候。7個氣象站分別為：臨河氣象站、磴口氣象站、五原氣象站、杭錦后旗氣象站、烏拉特前旗氣象站、烏拉特后旗氣象站和烏拉特中旗氣象站。

根據7個氣象站的具體坐標與相對位置，選取任意3個鄰近氣象站組成三角形，原則上選取的氣象站一般為銳角三角形。分別計算組成的三角形垂直平分線的交點，以此類推將7個氣象站所覆蓋的所有面積都組成三角形，并且求出所有三角形垂直平分線的交點。將各三角形垂直平分線的交點連接成多邊形，形成了7個氣象站所覆蓋的面積劃分出多邊形。其特點的特性如下：

1）每個多邊形內且僅含一個氣象站；

2）多邊形內的點到對應的氣象站的距離最近；

3）多邊形邊上的點到其兩側的氣象站的距離相等。

根據以上計算結果，將氣象站坐標，氣象站所覆蓋的面積劃分出多邊形分別標記在地形圖上。根據氣象站的概況可以知道臨河、磴口、五原、杭錦后旗、烏拉特前旗的海拔均在1 000～1 100 m之間，高程變化不大，主要為耕地，局部地區有林地與沙地，下墊面情況相似。而烏拉特中旗與烏拉特后旗海拔高度在1 250～1 600 m之間，高程變化也不大，兩個氣象站均位于陰山北側，地形主要為低山丘陵為主，植被稀疏，兩氣象站下墊面情況也比較相似。以上7個氣象站在地形、下墊面、氣候特征等有較大的區別。利用泰森多邊形進行參證氣象站的分區，可以較準確地對氣象站選擇，對分區結果進行分析發現，利用泰森多邊形進行氣象站選擇可以清楚明了地將地形、下墊面、氣候特征比較接近的氣象站進行分區，選擇結果與地形、下墊面、氣候特征較接近，可以利用泰森多邊形對參證氣象站進行選擇。

3 小結

利用泰森多邊形選擇參證氣象站的方法有以下優點：參證氣象站選擇方法采用的思路簡單，方法簡便易操作，結果實現容易，結合地形圖分析清楚明了，對于工程適用性較強；進行參證氣象站選擇的方法主要考慮距離這一最關注的因素，實現的計算結果在地形圖上反映比較直觀，同時對于地形、下墊面、氣候特征比較接近的參證氣象站進行選擇，適用性較好；當地形、下墊面、氣候特征有較大的差異時，可以根據實際情況與參證氣象站的相對位置，綜合考慮不同參證氣象站的比重的理論依據，從而確定電力工程的參證氣象站。

在電力工程設計中，利用泰森多邊形選擇參證氣象站的方法，能在較多氣象站的情況下，選取具有代表性的氣象站，對電力工程的設計提供較大便利，對電力工程的設計準確度與合理優化起到一定作用，同時也可以節省工作時間，優化工作效率。