江蘇省輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速誤差分析及訂正

巫黎明，許遐禎， 張 洋， 王 佳

(1.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102；2.江蘇省氣候中心，江蘇 南京 211000)

近10年來(lái)，由于城市化發(fā)展迅猛、防護(hù)林大面積生長(zhǎng)等原因改變了江蘇省各氣象站周圍環(huán)境，使氣象站觀測(cè)的風(fēng)速值逐年變小，而輸電線路鐵塔大部分位于曠野，環(huán)境變化對(duì)鐵塔抗風(fēng)影響較小。如果采用受環(huán)境影響的風(fēng)速來(lái)計(jì)算輸電線路的設(shè)計(jì)風(fēng)速，往往導(dǎo)致設(shè)計(jì)風(fēng)速偏低，給線路工程的安全帶了隱患。因此，如何去除氣象站觀測(cè)的風(fēng)速受環(huán)境變化的影響，客觀評(píng)估輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速已成為急待解決的問(wèn)題。

一些氣象專家過(guò)去的研究主要是利用平均風(fēng)速資料，定量分析環(huán)境變化對(duì)地面風(fēng)速的影響，最大風(fēng)速受環(huán)境變化影響研究較少。然而輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速的確定主要是依據(jù)氣象站長(zhǎng)期觀測(cè)的最大風(fēng)速系列資料，因此本文將應(yīng)用江蘇省40個(gè)基本氣象臺(tái)站的年最大風(fēng)速系列觀測(cè)資料，對(duì)全省最大風(fēng)速受環(huán)境變化影響進(jìn)行研究，為去除最大風(fēng)速受環(huán)境變化影響提出了一套完整的訂正方法，利用訂正后的最大風(fēng)速資料重新計(jì)算江蘇省輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速，減小了設(shè)計(jì)風(fēng)速的誤差。

1 資料來(lái)源及處理

根據(jù)江蘇省電網(wǎng)建設(shè)的空間分布，重點(diǎn)考慮電網(wǎng)倒桿、倒塔及斷線頻發(fā)地區(qū)，選用江蘇省40個(gè)常規(guī)氣象站10 min自記、2 min定時(shí)年最大風(fēng)速資料作為基礎(chǔ)資料，資料時(shí)段取建站-2007年。由于江蘇省各常規(guī)站10 min自記最大風(fēng)速觀測(cè)多起始于上世紀(jì)70年代，為了保證各臺(tái)站大風(fēng)記錄序列完整性，各站自建站-2007年年最大風(fēng)速序列取10 min自記最大風(fēng)速，若當(dāng)年無(wú)10 min自記最大風(fēng)速觀測(cè)，取2 min定時(shí)年最大風(fēng)速。

2 設(shè)計(jì)風(fēng)速誤差分析

2.1 氣象站周圍環(huán)境變化

由于江蘇省近10年城市化突飛猛進(jìn)的高速化發(fā)展以及蘇北大范圍楊樹(shù)林(防護(hù)林)的生長(zhǎng)，改變了氣象站周邊的環(huán)境，有些站被迫將測(cè)風(fēng)儀由地面搬遷到屋頂平臺(tái)上。在江蘇省除去近兩年搬遷的氣象站觀測(cè)場(chǎng)外，其余觀測(cè)場(chǎng)都受到環(huán)境影響。

2.2 環(huán)境變化對(duì)最大風(fēng)速的影響

城市化發(fā)展及楊樹(shù)林的生長(zhǎng)，增加了觀測(cè)站周圍地面粗糙度，從而導(dǎo)致了江蘇省幾乎所有氣象站觀測(cè)站(沿海岸線站點(diǎn)除外)年最大風(fēng)速系列逐年減小。最大風(fēng)速系列折線圖見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，年最大風(fēng)速系列在1985年后逐漸減小，已經(jīng)不能代表當(dāng)?shù)貐^(qū)域的最大風(fēng)速情況。

圖1 南京最大風(fēng)速系列圖(城市化影響)

此外，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001附表D.4中對(duì)應(yīng)江蘇省18個(gè)氣象站有風(fēng)壓值，其中有15個(gè)站在我院工程設(shè)計(jì)中計(jì)算過(guò)，這15個(gè)氣象站50年一遇計(jì)算風(fēng)速均比規(guī)范中50年一遇風(fēng)壓值換算的風(fēng)速小，已經(jīng)產(chǎn)生系統(tǒng)偏差，最大偏小20.3%，平均偏小8.9%，具體資料見(jiàn)表3。因此，必須對(duì)現(xiàn)有風(fēng)速系列資料進(jìn)行訂正，使其更接近曠野風(fēng)速，減小誤差，然后計(jì)算各站點(diǎn)設(shè)計(jì)風(fēng)速，滿足線路設(shè)計(jì)風(fēng)速的取值。

3 設(shè)計(jì)風(fēng)速誤差訂正

3.1 訂正方法

根據(jù)江蘇省現(xiàn)有各氣象站觀測(cè)場(chǎng)的不同情況，將訂正過(guò)程歸納如圖2。

圖2 設(shè)計(jì)風(fēng)速流程圖

從圖2中可以看出，我們根據(jù)目前使用的“電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程”中規(guī)定的方法計(jì)算設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，主要是對(duì)原始系列進(jìn)行時(shí)次訂正、高度訂正(指數(shù)訂正)、遷站訂正，也就是考慮因測(cè)風(fēng)儀器的種類不同與位置不同的初步訂正，沒(méi)有考慮環(huán)境影響的訂正。而只進(jìn)行初步訂正的最大風(fēng)速系列資料不能代表曠野最大風(fēng)速值，那么風(fēng)速儀架設(shè)平臺(tái)上訂正關(guān)系如何？蘇北防護(hù)林生長(zhǎng)、城市化發(fā)展對(duì)風(fēng)速的影響如何訂正？通過(guò)這些訂正措施后的計(jì)算結(jié)果如何，以下將逐一研究探討。

3.1.1 平臺(tái)影響訂正

根據(jù)調(diào)查了解，造成這種原因主要是由于觀測(cè)場(chǎng)受到環(huán)境影響，而將測(cè)風(fēng)儀架設(shè)在房屋頂部的平臺(tái)上來(lái)觀測(cè)風(fēng)速的，其高度換算不符合指數(shù)規(guī)律。據(jù)此，風(fēng)速訂正主要與屋頂平臺(tái)高度、風(fēng)速儀離開(kāi)平臺(tái)的高度有關(guān)，根據(jù)分析研究，認(rèn)為采用二元回歸方程來(lái)模擬研究比較合適，具體步驟如表1：

表2 平臺(tái)訂正研究步驟表

3.1.2 楊樹(shù)林影響訂正

由于每個(gè)氣象站周圍的防護(hù)林密度、高度、范圍都難以準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，因此不能采用回歸法來(lái)解決，經(jīng)過(guò)深入研究，采用方差分析法來(lái)訂正。

根據(jù)調(diào)查，江蘇省大范圍楊樹(shù)林是在1983年～1985年完成的，經(jīng)過(guò)5年的生長(zhǎng)，防護(hù)林已經(jīng)長(zhǎng)到10 m以上，因此防護(hù)林對(duì)風(fēng)速影響起變化作用的主要就是5年，楊樹(shù)林長(zhǎng)成后對(duì)風(fēng)速的影響達(dá)到一個(gè)新的平衡?；谝陨鲜聦?shí)，我們采用影響前最大風(fēng)速系列均值與影響達(dá)到平衡后系列的均值差來(lái)訂正，對(duì)中間影響有變化的5年采用均值差漸變來(lái)訂正。我們對(duì)蘇北防護(hù)林地區(qū)多個(gè)常規(guī)氣象站最大風(fēng)速進(jìn)行1983年以前、1988年后10年分段均值統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)各站風(fēng)速衰減均值在2.1～2.4 m/s之間，平均為2.3 m/s。本次計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[1]、[2]、[3]中分析的結(jié)果比較符合(見(jiàn)表2)。圖3為興化氣象站最大風(fēng)速訂正過(guò)程線。

圖3 興化氣象站最大風(fēng)速訂正過(guò)程線

表3 計(jì)算結(jié)果與氣象界的研究結(jié)果對(duì)比表

3.1.3 城市化影響訂正

由于城市化發(fā)展各地區(qū)不一致，而且每個(gè)城市的發(fā)展都是不斷變化的，而且各年變化的范圍、幅度都不一樣，到現(xiàn)在還沒(méi)有停止，因此城市化發(fā)展對(duì)氣象站觀測(cè)風(fēng)速的影響規(guī)律無(wú)法尋找，難以建立數(shù)學(xué)模型或回歸方程來(lái)解決。

根據(jù)西連島、燕尾港兩個(gè)海邊站最大風(fēng)速系列分析，在不受環(huán)境影響的情況下，最大風(fēng)速系列的均一性(一致性)比較好(見(jiàn)圖4)，其最大風(fēng)速樣本符合正態(tài)分布，其均方差能反映系列波動(dòng)情況。據(jù)此可以推斷：江蘇省大風(fēng)是隨機(jī)發(fā)生的，各氣象站觀測(cè)到的最大風(fēng)速系列屬于隨機(jī)系列，在不受環(huán)境影響的情況下，最大風(fēng)速系列符合正態(tài)分布。因此采用方差分析法來(lái)訂正。

圖10 西連島最大風(fēng)速系列圖(不受環(huán)境影響)

原理：根據(jù)《概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)》中對(duì)方差(均方差、標(biāo)準(zhǔn)差)的定義為“表示隨機(jī)變量取值關(guān)于均值的偏離程度”，它反映系列的離散程度。由于城市化發(fā)展影響改變了最大風(fēng)速系列的均一性或一致性，使其均值與方差都發(fā)生變化，我們通過(guò)對(duì)最大風(fēng)速系列不同時(shí)段的均值與方差的研究來(lái)訂正風(fēng)速系列，使訂正后的風(fēng)速系列滿足均一性檢驗(yàn)。

例如：某氣象站在沒(méi)有受城市化影響前的最大風(fēng)速系列資料(vi)計(jì)算出均值和方差(S1)，然后對(duì)受影響的年份將其最大風(fēng)速減去前段均值，就形成了一個(gè)新系列(ui)，再計(jì)算新系列的均值和方差(S2)，采用下式來(lái)訂正：

其中：

式中：Vi為訂正后的最大風(fēng)速；Vi為實(shí)測(cè)風(fēng)速；int為取整函數(shù)。

上式中S1主要是對(duì)最大風(fēng)速偏離均值的程度進(jìn)行訂正，S2主要是對(duì)最大風(fēng)速的波動(dòng)進(jìn)行訂正。當(dāng)最大風(fēng)速影響系列很短、ui系列不具有統(tǒng)計(jì)意義時(shí)，S2、mi不計(jì)算，其值取零。采用本法訂正的風(fēng)速系列均通過(guò)均一性檢驗(yàn)，滿足要求。圖11為南京站風(fēng)速訂正過(guò)程線。

圖11 南京站城市化影響訂正

3.2 訂正結(jié)果分析

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009—2001附表D.4中所列的江蘇省15個(gè)臺(tái)站50年一遇風(fēng)壓值換算成相應(yīng)風(fēng)速與本次訂正前、后系列計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表4 規(guī)范中風(fēng)壓換算風(fēng)速值與訂正前后計(jì)算值對(duì)比表 單位：m/s

從表3可以看出，訂正系列系列計(jì)算值除東臺(tái)站、射陽(yáng)站、盱眙站三個(gè)站外的計(jì)算值與風(fēng)壓圖換算值的相對(duì)誤差的絕對(duì)值均小于5%，所有站相對(duì)誤差的絕對(duì)值平均數(shù)為3.7%，其中有6個(gè)臺(tái)站計(jì)算值比風(fēng)壓圖換算值小、其余臺(tái)站都大。

另外，從全國(guó)風(fēng)壓圖可以看到，江蘇省在常州、泰州、高郵、淮安風(fēng)壓值均為0.4 kN/m2，其換算風(fēng)速為25.6 m/s，而東臺(tái)位置明顯東移、靠近鹽城，鹽城的風(fēng)壓值為0.45 kN/m2，換算風(fēng)速值為27.2 m/s，與本次東臺(tái)計(jì)算值基本一致；射陽(yáng)站位置臨海，其風(fēng)壓應(yīng)該比鹽城大，可風(fēng)壓圖上射陽(yáng)還是與常州、泰州、高郵、淮安風(fēng)壓值相同，不符合江蘇省從東向西風(fēng)速梯度分布規(guī)律，明顯不合理。盱眙站當(dāng)時(shí)沒(méi)有考慮洪澤湖風(fēng)速有增大的影響訂正，風(fēng)壓圖結(jié)果偏小，如果編制規(guī)范時(shí)采用洪澤站計(jì)算洪澤湖周邊風(fēng)壓(洪澤站計(jì)算值為27.2 m/s)，則成果更合理。據(jù)此可見(jiàn)，本次采用訂正風(fēng)速計(jì)算的東臺(tái)站、射陽(yáng)站、盱眙站的50年一遇風(fēng)速是正確的。如果不計(jì)東臺(tái)站、射陽(yáng)站、盱眙站三個(gè)站，相對(duì)誤差的絕對(duì)值平均數(shù)為2.1%。

4 結(jié)語(yǔ)

⑴ 根據(jù)對(duì)江蘇省所有氣象站最大風(fēng)速系列資料的分析及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，江蘇省除西連島、燕尾港兩個(gè)氣象觀測(cè)站最大風(fēng)速系列沒(méi)有受環(huán)境影響外，其余氣象站由于城市化發(fā)展與蘇北防護(hù)林的生長(zhǎng)而改變了氣象站觀測(cè)站周圍環(huán)境的事實(shí)，出現(xiàn)了風(fēng)速衰減現(xiàn)象，因此需要訂正。

⑵ 本次研究利用江蘇省40個(gè)氣象站從建站至2007年的風(fēng)速資料，通過(guò)回歸分析法、方差分析法、對(duì)比分析法等多種方法的分析研究，提出了最大風(fēng)速平臺(tái)影響訂正、城市化影響訂正、楊樹(shù)林影響訂正的計(jì)算方法，為最大風(fēng)速受環(huán)境影響提出了一套完整的訂正方法。

⑶ 采用該訂正方法訂正前、后的風(fēng)速系列資料計(jì)算的50年一遇設(shè)計(jì)風(fēng)速與建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中對(duì)應(yīng)站風(fēng)壓換算的風(fēng)速對(duì)比：避免了系統(tǒng)偏差；其相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值由8.9%降低到2.1%；單站最大相對(duì)誤差由-20.3%降低到±4.7%。

⑷ 本次研究的訂正方法通過(guò)了由國(guó)家氣候中心副主任羅勇為專家組長(zhǎng)的專家組評(píng)審，評(píng)審結(jié)論為：成果具有理論意義和創(chuàng)新性，有重要的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)輸電線路設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用，對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修編具有參考意義，在同類研究中整體達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

⑸ 建議在現(xiàn)行的《電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》中增加最大風(fēng)速受環(huán)境影響的訂正方法。

[1]朱延曜，等.防護(hù)林體系生態(tài)效益及邊界層物理特征研究[M].北京：氣象出版社，1992.

[2]程德昌，顧建新.“三北“防護(hù)林體系對(duì)中尺度氣候影響的研究[M].北京：氣象出版社，1992.

[3]周學(xué)東，等.防護(hù)林體系區(qū)域性氣候效應(yīng)地探討[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，19(4).

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