应用气象学报  2009, 20 (4): 437-442   PDF    
长江下游百年一遇的极值风速分布
黄世成1, 周嘉陵2, 任健3, 陈兵4, 程婷4     
1. 江苏省气象科学研究所, 南京 210008;
2. 江苏省气象台, 南京 210008;
3. 江苏省气象局, 南京 210008;
4. 江苏省气候中心, 南京 210008
摘要: 利用2000-2006年长江下游沿江8个风速、风向观测点与邻近气象站同步对比观测资料和1971—2006年长江下游40个气象站风资料, 依据具99%置信水平的数理重构方案和极值Ⅰ型计算方法, 详细给出长江下游百年一遇风速分布状况。结果表明:长江下游沿江地区百年一遇极值风速为25~38 m/s, 较一般方法上限高3 m/s, 下限低2 m/s; 长江南京—镇江段和南通—崇明段, 是长江下游沿江地区的两个大风区, 百年一遇极值风速不低于29 m/s, 其在入海口附近可达34 m/s以上; 在长江常州—江阴段, 江南、江北对称分布两个风速相对低值区, 百年一遇极值风速为23~24 m/s。该结果充分考虑气象站风速资料和局地风速状况, 是沿江相关工程气象应用的重要补充。
关键词: 长江下游    置信上限    极值风速    
Speed Distribution of 100-year Extreme Winds in Lower-reaches of the Yangtze
Huang Shicheng1, Zhou Jialing2, Ren Jian3, Chen Bing4, Cheng Ting4     
1. Jiangsu Institute of Meteorological Science, Nanjing 210008;
2. Jiangsu Meteorological Observatory, Nanjing 210008;
3. Jiangsu Provincial Meteorological Bureau, Nanjing 210008;
4. Jiangsu Climate Center, Nanjing 210008
Abstract: In engineering meteorological application the basic wind speed of 100-year return period is commonly confirmed according to the recommend value of national regulation or China basic wind speed distribute map by the method of interpolation. In order to avoid both the potential hazard in engineering design and the higher cost in construction, which may be caused by the low re solution of the basic wind speed distribute map in low er-reaches of the Yangtze and the lacking of actual wind speed data along the river, eight short-term wind observation points are selected along low er-reaches of the Yangtze, and the observation runs synchronously with their neighboring meteorological stations from 2000 to 2006. So the observation pro gram is set up to meet the demand of engineering constructions along low er-reaches of the Yangtze. The observation points are built by on-side investigation to eliminate the extreme terrain effects and can represent the actual wind of the low er-reaches to the largest extent. At every observation point, it is assured that more than one year of simultaneous observation with its adjacent weather station is carried out, although the observational time for each point is not always homology. Based on the short-term synchronous wind data and the annual maximum wind speeds of 40 weather stations of lower-reaches of the Yangtze from 1971 to 2006, the 99% confidence level logistic reconfiguration scheme and extreme value Ⅰ type calculation procedure are referred also a new wind speed distributive status over lower-reaches of the Yangtze is described in detail. Results indicate that along low er-reaches of the Yangtze the 100-year return period maximum wind speed is 25 to 38 m· s-1 which is 3 m ·s-1 larger than upper limit and 2 m · s-1 smaller than lower limit of the result by the general method. lower-reaches of the Yangtze, two gale regions exist both in the Nanjing-Zhenjiang segment and in the Nantong-Chongming segment, where the 100-year return period maximum wind speed is greater than 29 m ·s-1 and even above 34 m · s-1 near the entrance. It is also found that on both sides of Changzhou-Jiangyin river segment two lower extreme wind speed regions are symmetrical distribution, where the 100-year return period maximum wind speed is about 23 to 24 m· s-1. Fully considering the wind data of weather stations and the local wind speed observation, the results are important supplement for the concerned meteorological application works.
Key words: lower-reaches of the Yangtze     confidence upper limit     extreme wind speed    
引言

极值风速分布, 特别是百年一遇风速 (工程应用中称为“基本风速”) 是风的一个重要统计特征, 是风电开发、桥梁设计、港口码头、仓储等工程气象应用中不可缺少的重要内容。20世纪90年代以来, 长江下游沿江相继建设一批桥梁工程、大型码头、大跨度跨江输变电线路等, 这些大型工程由于高度、跨度等因素, 对风的作用十分敏感, 对设计风速要求也较高。而由于观测条件和观测手段的限制, 对长江下游至入海口的沿江地区风速研究较少, 在《全国基本风速图》和一些设计规范或可参考的文献结论中, 长江下游风速分布结论粗略, 风速等值线在江苏等华东地区的分布较稀疏[1-2]。沿江城市虽有较长时段的风观测记录, 但由于台站变迁和观测环境改变, 风速代表性下降, 仅用邻近气象站风资料代替沿江地区的风况, 存在很大偏差。多个观测研究[3-5]已经表明, 沿江工程现场的风速资料, 与其邻近的气象台站同期观测资料存在明显差异, 两地10 min平均最大风速的差异甚至达到2倍以上。因此, 如何全面分析长江下游沿江极值风速分布状况对于工程气象应用尤显重要。

本文研究是在气象站常规观测资料分析的基础上, 根据长江下游沿江布设的8个风向、风速观测点资料, 尝试使用数理重构方案和极值Ⅰ型分布方法计算长江下游沿江百年一遇的风速, 经适当的空间插值后, 绘制长江下游沿江地区极值风速图, 以期获得有别于陆地城镇环境的极值风速分布特征, 为将来的工程应用提供参考。

1 资料和方法 1.1 基本资料

本文主要研究对象包括长江下游沿江8个短期风观测点及其邻近气象站风速、风向同步对比观测资料、长江下游40个气象台站历年最大风速资料。具体包括:① 2000-2006年长江下游沿江8个观测点10 m高度逐时风速资料; ②与沿江观测点邻近的气象站逐时同步风速观测资料; ③ 1971-2006年长江下游40个气象站年最大风速观测资料。为满足工程实用性和准确性需要, 各台站年最大风速资料使用前均采用t检验法进行均一性订正[6], 置信水平取工程应用常用的99%。

沿江观测点是根据长江下游多个工程建设的需要, 经实地踏勘而布设, 已经考虑特殊地形对风的影响, 各个点观测的时间不一定相同, 但都具备与邻近气象站的风同步观测资料, 且同步观测时间在1年以上。它们沿长江走向分别位于南京江心洲双闸、南京八卦洲、南京六合玉带镇、镇江世业洲、扬中三茅镇、常熟砂石码头、海门青龙港、崇明岛兴隆沙农场附近, 大部分观测点位于江滩上, 个别位于江面上。各点观测结果最大程度地代表了沿江地区真实风况。

1.2 短期观测点的历史风速重构

本研究面临的首要问题是如何利用各种已有的观测资料为沿江观测点处构建一个对大气状态描述尽可能准确的地面风场。么枕生等[7]指出处于大致相同的大型环流背景下, 相距不远的观测站尽管地理环境存在差异, 但气象要素变化存在一定程度的统计关联。在资料充分 (即资料在时间、空间上的分布是连续的) 的条件下, 利用流体力学的连续性原理和变分同化或卡尔曼滤波等方法可以达到合理再现缺失信息的目的[8-11]

为得到短期观测点最优的历史重构数据, 首先建立观测点与气象站之间风速的相关关系式, 然后以气象站累年最大风速资料为变量, 短期观测点年最大风速为因变量, 计算得到观测点与气象站同期的历史年最大风速的最优估计值。本文中, 外推得到沿江各观测点1971-1999年10 min平均年最大风速的最优估计值, 其与2000-2006年实测值一起构成了沿江观测点36年的基本数据集。依据概率统计理论, 当样本数达到25年, 就能较合理地确定风速概率分布类型。此方法尽可能减少了简单使用气象站资料代替观测点资料所带来的误差, 在苏通大桥等一些重点工程项目研究中得到运用[5]

1.3 具置信上限的极值风速计算

T年一遇的极值风速x p是风工程应用中的常用值, 其与分布概率p的关系是:T=, 其中, p=P (xxp)=1 -P (xxp)。根据气候统计学理论, 大气边界层内的风速随机过程作为平稳过程, 年极值风速存在理论上的精确分布, 这种分布主要包括极值Ⅰ型 (Gumbel) 分布、极值Ⅱ型 (Frechet) 分布和极值Ⅲ型 (Reverse Weibull) 分布。已有研究表明, 多数情况下极值Ⅰ型分布是风速拟合比较适宜的模型, 且参数计算方法Gumbel法较矩法更优[12-14], 因而极值Ⅰ型方法被国内外结构风工程规范普遍采用。本研究使用Gumbel法计算分布参数, 采用柯尔莫哥洛夫方法进行拟合适度检验。

但是风速随机过程并不是严格的平稳过程, 测站n年风速观测记录仅是该站址风速的1个样本, 由该样本推算的T年一遇极值风速也只是该极值风速的1个样本, 因此无论哪种估计方法对极值风速的推算值都会存在误差, 即概率P (xxp) 对应的xp存在一定置信区间[15-16]。考虑到工程应用中一般考虑大风状况, 本文研究以x p的99%置信水平对应的置信区间上界作为T年一遇极值风速估计值, 即xp=x p +3 σ, 并采用普通克里格法 (Kriging) 作为本次极值风速计算的插值方法。克里格法插值是在有限区域内实现对空间分布的区域化变量线性最优、无偏内插估计方法, 其对气象要素诸如温度、降水、风速等区域化变量是适用的[17-19]

2 不同风速资料极值风速分布特征

采用两种资料方案分别计算长江下游的百年一遇极值风速, 第1种方案仅采用40个气象站的资料, 第2种方案在第1种方案基础上增加沿江8个短期测风点实测资料。

2.1 常规气象资料计算结果

利用1971-2006年的40个气象站风速资料和上述极值计算方法, 可获得长江下游沿江地区99%置信上限的百年一遇极值风速 (图 1)。可见长江下游地区百年一遇最大风速为25~34 m/s, 长江下游中部地区 (常州-江阴-常熟一线) 以南的江南 (以无锡地区为代表) 和江北 (以南通地区为代表) 的风速基本呈对称分布, 是百年一遇极值风速的低值区 (23~24 m/s)。较大风速在长江下游西部的南京段和东部的常熟段至长江入海口, 其中东部风速等值线密集, 风速的快速递增更加明显, 长江沿江50 km范围内, 风速从28 m/s迅速增大到32 m/s以上。

图 1. 利用1971-2006年常规气象资料计算的长江下游百年一遇最大风速分布 (单位:m/s) Fig 1. Maximum wind speed distribution map of 100-year return period in lower-reaches of the Yangtze using 1971-2006 conventional observations (unit:m/s)

根据计算结果, 长江下游沿江百年一遇最大风速南京段为29 m/s以上, 镇江-江阴段为26~28 m/s, 南通-常熟段为28~29 m/s, 崇明江段到入海口不低于29 m/s, 其中崇明段的长江北汊到入海口变化缓慢, 为28~29 m/s, 南汊为29~32 m/s (入海口附近已超过32 m/s), 短距离内风速递增变化明显, 等值线基本以南汊长江走向为脊。

2.2 常规气象资料和同步观测资料计算结果

在方案1的基础上, 利用沿江观测点与其邻近气象站的短期同步观测资料, 并考虑99%置信上限, 计算得到沿江各风速观测点与其邻近气象站同步风速之间的关系 (表 1)。分析表明:沿江观测点与气象站之间10 min平均最大风速一般满足线性相关关系。各观测点与其邻近气象站10 min平均最大风速的相关系数大部分不低于0.70, 仅海门青龙港观测点为0.66, 关系式均通过99%信度检验, 其剩余标准差在1.002~1.817之间。2007年沿江观测点的年最大风速估计值与实测结果的比较表明:回归关系式拟合结果是合理的, 例如, 南京六合玉带镇观测点、扬中三茅镇观测点、常熟砂石码头观测点2007年10 min平均最大风速分别为12.9 m/s, 16.0 m/s, 16.6 m/s; 相关关系式外推估计值分别为12.0 m/s, 14.9 m/s, 13.5 m/s, 99%置信上限估计值分别为16.2 m/s, 17.9 m/s, 18.2 m/s, 实测值均落在一般估计值和99%置信上限估计值之间。对工程应用而言, 为保证工程设计安全, 应在一定保证率情况下实际值不超过计算值, 故采用99%置信上限的估计结果作为该年10 min平均最大风速的估计值。

表 1 沿江观测点与邻近气象站10 m高度10 min平均同步观测最大风速相关关系 Table 1 Relationships of 10-minute average maximum wind speed at 10-meter height between observation points along the Yangtze and theirs adjacent meteorological stations

根据所得关系式计算百年一遇极值风速, 表明沿江各江段之间、各江段与邻近气象站之间, 风速的差异比较明显。长江下游西部南京段从双闸、八卦洲到六合玉带镇, 极值风速差值变化在1 m/s的范围内, 六合到长江镇江段、镇江市沿江 (世业洲到扬中岛) 风速减幅达到3 m/s。综合计算的长江下游百年一遇极值风速为25~38 m/s。由增加沿江观测点资料后的百年一遇风速分布图 (图 2) 可见, 长江下游在入海口附近的南通-崇明段一带, 被崇明岛分为南北两汊, 呈喇叭口形状, 风速明显比其上游的江阴、扬中等地要大。南北两汊中, 南汊 (长江主航道) 风速又比北汊风速大, 而北汊中越往东越接近海面风速越大。实地勘测发现北汊海门青龙港测风点附近江面相对较窄, 其东部崇明岛对海门当地盛行风向 (东风) 地形阻挡作用影响明显, 因此该观测点风速在入海口3个沿江观测站点中极值风速最小; 而同处北汊的崇明兴隆沙测点, 由于更接近海面, 风速梯度增大, 风速的递增明显。图 2中数字①~⑧分别对应表 1中的沿江观测点。

图 2. 常规与沿江同步观测资料计算的长江下游百年一遇最大风速分布 (单位:m/s) Fig 2. Maximum wind speed distribution map of 100-year return period in lower-reaches of the Yangtze using conventional and simultaneous data (unit:m/s)

2.3 结果对比

对比图 1图 2可见, 两种方案极值大风的分布型式基本一致, 说明作为区域化变量, 即使局地短期测风记录明显大于气象站的同步观测结果, 但其并不能改变特定区域内平均风速的分布特征。图 1图 2中风速等值线的高脊与长江走向基本一致, 以长江下游中部的江阴一带为界, 都存在两个风速相对低值区的对称分布, 两个低值区之间的沿江风速为27~28 m/s, 沿江大风速带在南通-常熟以东沿长江走向风速增大明显, 到入海口附近时百年一遇极大风速大于34 m/s。不同的是, 第2种方案的结果中, 南京至镇江的长江沿岸存在明显的大风区, 大风中心区在长江南京段六合玉带镇附近, 虽风速梯度小于入海口大风区风速梯度, 百年一遇极大风速仍大于30 m/s。

上述分析结果也表明, 一般认为长江下游沿长江走向到入海口风速逐渐增大的认识不够全面。长江各江段由于特殊的地理位置、环境状况差异, 有可能存在较高的极值风速分布, 大型工程建设的气象评估中尽可能开展工程现场与邻近气象站同步观测是必要的。例如, 在南京段的八卦洲岛前部 (图 2中的位置③) 没有受地形阻挡, 风速大于岛后部 (图 2中的位置②), 而下游东部 (图 2中的位置⑥⑦⑧) 的大风却与濒临长江入海口和崇明岛特殊地理位置造成的“喇叭口形状”有很大关系, 这种地理位置导致的各江段极值风速分布差异, 导致即使是相距不远的南京长江四桥与长江二桥、崇启长江大桥与苏通长江大桥, 其工程设计风速也存在明显差异。

3 具上限的极值风速分布合理性分析

《全国基本风速图》是依据1961-1995年全国657个 (其中长江下游地区8个) 气象台站自记记录的风速资料、考虑工程应用做适当调整后得到, 与本研究具上限极值风速结果具有可比性。《全国基本风速图》中, 长江下游华东地区百年一遇风速一般为27~35 m/s; 平行于海岸线, 基本风速在沿海向内陆递减较快, 而进入内陆后, 衰减得较慢, 明显有别于东南沿海。长江下游地区上海市风速最大为33.8 m/s (风压值为0.60 kN/m2), 南通风速为28.6 m/s (风压0.50 kN/m2), 泰州、镇江、南京为27.1 m/s (风压0.45 kN/m2), 长江下游东段的上海地区和西段的南京地区两地风速差超过6.0 m/s, 中段的泰州地区与西段的南京地区风速差较小。长江下游地区参与全国基本风速图计算的基本台站仅有8个, 全国基本风速图中长江下游仅有27.5, 30.0, 32.5 m/s 3条等风速线。3条等风速线中两条位于上海境内, 江苏境内仅有1条风速等值线 (27.5 m/s)。因此, 《全国基本风速图》对于长江下游沿江地区的描述不甚全面, 站点稀疏, 插值误差过大。

比较可知, 根据全国基本风速图, 长江下游的南通、常熟一带为明显的空白区域, 按等值线内插的常熟砂石码头基本风速在27.5~30.0 m/s之间, 与本文38.2 m/s的计算结果误差很大; 使用《公路桥梁抗风设计规范》[1]、《建筑结构荷载规范》[20]等国家标准规范推荐的B类地貌 (标准气象站) 换算到A类地貌的基本风压转换系数1.38(对应基本风速转换系数1.17), 依全国基本风速图表南通气象站基本风速为28.6 m/s, 则简单外推至气象站水域地貌的基本风速应为33.6 m/s, 也要大于基本风速图等值线内插的结果。本研究的常熟砂石码头观测点位于南通气象站的南部邻江地区, 与气象站相比, 距离长江入海口更近, 受当地喇叭口地形和大型水域的影响, 风速应该是大于由气象站换算的B类地貌风速的。根据当地渔民的经验, 在长江入海口附近台风来临时, 风力常大于11级 (相当风速大于30 m/s), 显然以基本风速图等值线内插或者简单系数外推结果作为该点基本风速误差很大。

采用具99%置信上限的百年一遇风速计算结果中, 方案1极值风速区间为25~34 m/s, 其上限比基本风速图内插结果高2 m/s; 方案2极值风速区间为25~38 m/s, 下限比等压图外推结果低2 m/s, 上限比等压图外推结果高3 m/s, 方案2的风速区间包含了方案1计算结果和基本风速图外推结果。方案2参与计算的台站和测点达到48个, 与方案1相比间距更密, 样本数更多, 所得结果分辨率更高, 也更为合理, 可作为《全国基本风速风压图》应用补充。

4 结论和讨论

通过对长江下游百年一遇极值风速分布的计算和分析, 得到如下初步结论:

1) 根据1971-2006年长江下游地区40个气象站的历史风速观测资料, 采用极值Ⅰ型资料得到具99%置信上限的长江下游地区百年一遇风速为25~34 m/s, 而结合沿江实测资料后, 百年一遇风速达到25~38 m/s。

2) 长江下游地区中部在江北、江南对称分布极值风速的相对低值区, 99%置信上限百年一遇极值风速为23~24 m/s。而长江下游西部的南京镇江段和东部的南通崇明段存在两个大风区, 百年一遇极值风速不低于29 m/s, 崇明入海口附近达到最大, 可达34 m/s以上。

3) 综合参考沿江气象站历史资料和沿江观测点、邻近气象站短期同步观测资料计算具99%置信上限的极值风速, 并采用克里格法插值得到的沿江各地的极值风速分布图, 分辨率较高, 是《全国基本风速图》中长江下游地区粗分辨率等风速线分布的补充, 可以在有关工程应用中参考。

需要注意的是, 由于环境条件限制, 本研究仅设立了8个沿江风观测点, 部分江段观测点间距离较远, 如扬中观测点和常熟观测点的距离达200 km, 使得对长江下游中部的风速相对较低原因未能进一步分析。对造成该地极值风速低值区的可能原因, 将在以后的工作中作继续分析和探讨。

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