賴亞勝

（肇慶市氣象局，廣東肇慶 526040）

重現(xiàn)期風(fēng)速、風(fēng)壓是建設(shè)項(xiàng)目的安全設(shè)計(jì)和造價(jià)的重要參數(shù)。因此開(kāi)展大風(fēng)變化以及基本設(shè)計(jì)風(fēng)速風(fēng)壓研究是風(fēng)電開(kāi)發(fā)、橋梁道路設(shè)計(jì)、港口碼頭、高層建筑布局等工程氣象應(yīng)用中不可缺少的重要內(nèi)容，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展及資源環(huán)境保護(hù)的迫切需要［1］。很多學(xué)者在極值風(fēng)速計(jì)算和風(fēng)速的垂直分布特征等方面取得一定研究成果。如史軍等［2］結(jié)合皮爾遜Ⅲ型和極值Ⅰ型概率分布兩種擬合方法，推算出上海不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速值；馬玉峰等［3］基于極值Ⅰ型概率分布模型，分析得出內(nèi)蒙古東部極值風(fēng)速重現(xiàn)期分布圖；代玉偉等［4］通過(guò)對(duì)歷年最大風(fēng)速值統(tǒng)計(jì)論證，得出了白城地區(qū)建設(shè)輸電線路應(yīng)采用的基本設(shè)計(jì)風(fēng)速值；張慶等［5］利用梯度風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)案例分析了臺(tái)風(fēng)過(guò)程中深圳近地面水平陣風(fēng)因子的垂直分布特征。上述研究表明，極值Ⅰ型是擬合我國(guó)各氣候區(qū)最大風(fēng)速模式中最理想的方法。

肇慶市高要區(qū)位于廣東省中部，西江中下游，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，每年夏季的臺(tái)風(fēng)、雷暴大風(fēng)以及冷空氣大風(fēng)常引發(fā)災(zāi)害［6］。本研究利用歷史風(fēng)速序列重構(gòu)和極值風(fēng)速分布等方法，將收集到的高要地區(qū)歷年最大風(fēng)速值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析論證，估算高要不同重現(xiàn)期風(fēng)速的變化，以期為高要大型工程項(xiàng)目抗風(fēng)設(shè)計(jì)和城市建設(shè)規(guī)劃提供參考。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本研究站點(diǎn)資料為高要國(guó)家地面氣象觀測(cè)站（以下簡(jiǎn)稱高要站）1991—2020年風(fēng)速和風(fēng)向觀測(cè)資料。高要站位于廣東省高要區(qū)蓮塘鎮(zhèn)上察村波西崗東崗，海拔高度40.1 m。

1.2 重現(xiàn)期最大風(fēng)速計(jì)算

最大風(fēng)速重現(xiàn)期估算需判定其理論頻率是否滿足某個(gè)概率分布模型［7］。風(fēng)速極值的重現(xiàn)期計(jì)算一般有4種方法：Gumbel分布（極值Ⅰ型分布）、Weibull分布和皮爾遜Ⅲ型分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布［8］。經(jīng)大量實(shí)例驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于較小概率的風(fēng)速極值，Gumbel分布的擬合效果較理想，誤差最小，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）［9］也推薦使用該方法。

Gumbel分布的分布函數(shù)由下式表達(dá)：

其超過(guò)保證率函數(shù)為

超過(guò)保證率P對(duì)應(yīng)的重現(xiàn)期風(fēng)速為

參數(shù)a及u的估計(jì)一般用Gumbel法：

假定最大風(fēng)速有序列：x1≤x2≤……≤xn，則經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)為

取如下序列：

可得：

其中，σ（x）和σ（y）分別為序列xi和yi的均方差；E（x）和E（y）分別為序列xi和yi的數(shù)學(xué)期望，在實(shí)際計(jì)算中可用有限樣本容量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為E（x）和σ（x）的估計(jì)值。

1.3 基本風(fēng)壓的計(jì)算

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般用風(fēng)壓表示風(fēng)力作用的大?。?］。按貝努利公式，根據(jù)風(fēng)速可求得相應(yīng)的風(fēng)壓值為

其中，w為風(fēng)壓（kN／m2）；v為重現(xiàn)期風(fēng)速（m／s）；ρ為當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)點(diǎn)的密度（t／m3），若空氣密度可采用高要站歷年氣象資料進(jìn)行推算，計(jì)算公式為

其中，T、P分別為高要站的平均氣溫（K）、平均氣壓（Pa）；R為氣體常數(shù)（287 J／（kg·K））。空氣密度向不同高度推算采用如下公式：

其中，ρz為海拔高度為z處的空氣密度（t／m3）；ρh為溫度、氣壓傳感器安裝高度處（海拔高度為h）的空氣密度（t／m3）。

2 大風(fēng)統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)可知，1991—2020年高要站各月6級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)共有93 d，主要出現(xiàn)在5—9月，占總大風(fēng)日數(shù)的88.2%。6級(jí)以上大風(fēng)風(fēng)向頻率最大的為東北偏東風(fēng)，頻數(shù)為23.2%，其次為東北風(fēng)和東北偏北風(fēng)（圖略），這表明1991—2020年該區(qū)域的大風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北偏東風(fēng)，其次為東北風(fēng)。

3 高要地區(qū)基本設(shè)計(jì)風(fēng)速推算

3.1 高要站年最大風(fēng)速序列訂正

1）時(shí)距訂正。

按相關(guān)規(guī)范要求，年最大風(fēng)速時(shí)距為10 min，高要站1991—2020年時(shí)段內(nèi)的最大風(fēng)速為逐時(shí)觀測(cè)的10 min平均年最大風(fēng)速，故在此無(wú)需進(jìn)行風(fēng)速時(shí)距（2到10 min）的訂正［10］。

2）高度訂正。

根據(jù)高要站測(cè)風(fēng)歷史沿革，其測(cè)風(fēng)儀設(shè)置高度設(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮觀測(cè)環(huán)境狀況，可代表10 m高度風(fēng)速，無(wú)需進(jìn)行高度訂正。

3）一致性訂正。

高要站1991至2020年期間分別于1998年8月1日和2016年1月1日進(jìn)行過(guò)兩次搬遷。采用t檢 驗(yàn) 對(duì) 1991—1997 和 1998—2015、2016—2020年3段數(shù)據(jù)進(jìn)行差異的顯著性檢驗(yàn)。

其中分別為1991—1997和1998—2015年兩段年最大風(fēng)速序列的平均值，其比值分別為對(duì)應(yīng)的樣本數(shù)；S1＝1.85 m／s、S2＝4.14 m／s分別為對(duì)應(yīng)的風(fēng)速均方差。｜t｜＝1.87＜t0.05＝2.74，原假設(shè)成立，說(shuō)明在給定信度α＝0.05條件下，遷站前后的年最大風(fēng)速序列無(wú)顯著差異，無(wú)需訂正。分別為1991—1997和2016—2020年年最大風(fēng)速序列平均值，其比值，經(jīng)檢驗(yàn)｜t｜＝2.64＞t0.05＝2.57，原假設(shè)不成立，說(shuō)明在給定信度α＝0.05條件下，遷站前后的年最大風(fēng)速序列存在顯著差異，需采用比值法訂正，1991—1997年最大風(fēng)速乘以訂正系數(shù)1.594。

經(jīng)上述訂正，得到高要站30年完整的距地面10 m高度上10 min年平均最大風(fēng)速，符合相關(guān)規(guī)范的要求，可用于基本風(fēng)速的概率推算。經(jīng)過(guò)上述3個(gè)訂正步驟，建立10 min平均年最大風(fēng)速序列（圖略），可以看到，最大值為27.3 m／s，出現(xiàn)在2018年；最小值為10.2 m／s，出現(xiàn)在1998年。

3.2 高要地區(qū)設(shè)計(jì)風(fēng)速的估算

1）各重現(xiàn)期最大風(fēng)速計(jì)算結(jié)果。

利用高要站1991—2020年距地面10 m高度10 min平均年最大風(fēng)速序列，對(duì)高要地區(qū)不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速時(shí)間變化的估算。采用Gumbel概率分布函數(shù)（極值Ⅰ型分布）進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，得出高要地區(qū)不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速隨時(shí)間變化滿足極值Ⅰ型概率分布模型（圖1）。

圖1 高要國(guó)家氣象站設(shè)計(jì)風(fēng)速極值Ⅰ型概率分布曲線擬合圖

根據(jù)Gumbel概率分布函數(shù)推算地面10 m高度各重現(xiàn)期風(fēng)速結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 高要國(guó)家氣象站10 m高度各重現(xiàn)期10 min平均風(fēng)速

2）風(fēng)速隨高度變化的推算。

相同條件下，離地面越近風(fēng)能量受阻力越大，相應(yīng)的離地越高阻力越小，因此風(fēng)速和海拔高度呈正相關(guān)關(guān)系。近地層風(fēng)的垂直分布主要取決于地表粗糙度和低層大氣的層結(jié)狀態(tài)［11］。對(duì)數(shù)和冪指數(shù)方程都可以較好地描述風(fēng)速的垂直廓線，新修訂的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》也推薦使用冪指數(shù)公式，其表達(dá)式為其中，v2為高度Z2處的風(fēng)速（m／s）；v1為高度Z1處的風(fēng)速（m／s）；α為風(fēng)速垂直切變指數(shù)，為量綱一的數(shù)，其值的大小即表明了風(fēng)速垂直切變的強(qiáng)度。

計(jì)算高要地區(qū)的工程廠址不同高度層重現(xiàn)期風(fēng)速時(shí)，應(yīng)先確定其地表情況，通過(guò)風(fēng)速地表修正系數(shù)（參照表2）換算10 m高度重現(xiàn)期風(fēng)速，然后再根據(jù)相應(yīng)的風(fēng)切變指數(shù)，按照冪指數(shù)公式推算不同高度層的重現(xiàn)期風(fēng)速。

表2 各類地表對(duì)應(yīng)的風(fēng)切變指數(shù)和地表修正系數(shù)

以B類地表為例，推算高要地區(qū)各高度各重現(xiàn)期10 min平均風(fēng)速，見(jiàn)表3。

表3 高要地區(qū)各高度各重現(xiàn)期10 min平均風(fēng)速 m／s

3.3 極大風(fēng)速

工程計(jì)算中通常采用陣風(fēng)系數(shù)將重現(xiàn)期10 min平均風(fēng)速換算為極大風(fēng)速（3 s陣風(fēng)），由于本項(xiàng)目沒(méi)有實(shí)測(cè)的陣風(fēng)系數(shù)，參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》統(tǒng)一取1.30，由重現(xiàn)期10 min平均風(fēng)速推算對(duì)應(yīng)的極大風(fēng)速，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 滑雪場(chǎng)各高度各重現(xiàn)期3 s極大風(fēng)速 m／s

4 最大風(fēng)速風(fēng)壓特征

根據(jù)10 min設(shè)計(jì)風(fēng)速及相應(yīng)空氣密度，以B類地表（α＝0.15）為例，計(jì)算高要區(qū)設(shè)計(jì)風(fēng)壓，結(jié)果如表5所示，10、30、50和100年重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)風(fēng)壓分別為0.32、0.54和0.65 kN／m2，高于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB5009-2012）》中的參考值（0.30、0.50和0.60 kN／m2），說(shuō)明該風(fēng)壓參數(shù)作為高要地區(qū)抗風(fēng)設(shè)計(jì)重要參考是合理、可靠的［12］。

表5 高要地區(qū)各高度各重現(xiàn)期風(fēng)壓 kN／m2

5 結(jié)論

1）高要站近30年年均大風(fēng)日數(shù)為93 d，主要出現(xiàn)在5—9月，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北偏東風(fēng)。

2）極值風(fēng)速的空間分布情況受高度和地形、下墊面等因素的影響。1991—2020年期間高要地區(qū)10 m高度10、50和100年重現(xiàn)期的最大風(fēng)速分別是23.29、30.19和31.11 m／s。

3）1991—2020年期間10 m高度10、30、50和100年重現(xiàn)期的極大風(fēng)速分別為30.3、39.3和43.0 m／s。

4）以B類地表（α＝0.15）為例，推算高要地區(qū)各高度各重現(xiàn)期最大風(fēng)速和基本風(fēng)壓，其結(jié)果高于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB5009-2012）》中的參考值，作為高要地區(qū)抗風(fēng)設(shè)計(jì)參考合理可靠。