上海地區(qū)風驅(qū)雨氣候特征分析

穆海振

(上海市氣象信息與技術(shù)支持中心，上海 200030)

風驅(qū)雨(Wind Driven Rain, 簡稱WDR)是指雨在垂直墜落過程中受風的影響而產(chǎn)生水平運動矢量形成斜雨的一種自然現(xiàn)象，屬于地球科學、建筑科學等領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容.在地球科學領(lǐng)域，風驅(qū)雨對降水觀測的準確度有重要影響[1-3]，也是評估降水對土壤侵蝕的重要參數(shù)[4-6]；在建筑科學領(lǐng)域，風驅(qū)雨會影響建筑物表面水熱交換性能和耐久性，也會導致建筑材料滲水、結(jié)霜、褪色，同時也會給建筑物外立面產(chǎn)生額外的雨荷載[7-10].因此，開展風驅(qū)雨氣候特征研究不僅能夠進一步深化對自然現(xiàn)象的認識，也能夠為降低雨水災(zāi)害影響和相關(guān)技術(shù)標準制定提供科學依據(jù)，有重要的實際應(yīng)用價值.

風驅(qū)雨氣候特征研究常用方法為半經(jīng)驗法，即利用氣象常規(guī)觀測要素，基于現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)建立的半經(jīng)驗公式對風驅(qū)雨參數(shù)進行估計和分析，由于該方法資料易于獲取，能充分利用廣泛分布的氣象臺站資料，精度上也能基本滿足建筑設(shè)計需求，因此得到了相關(guān)學者的廣泛關(guān)注和普遍的應(yīng)用，如Lacy[11-13]利用年降水量與年平均風速提出了風驅(qū)雨指數(shù)，基于此指數(shù)及其改進形式，先后有學者繪制了丹麥、波蘭、加拿大、美國、印度、西班牙、挪威、巴西、羅馬尼亞等國的風驅(qū)雨地圖[14-17]，在上述研究成果中，應(yīng)用的氣象臺站觀測資料主要為風和降雨，時間分辨率從小時、日、月和年不等.在前期研究成果基礎(chǔ)上，英國、法國及歐盟標準委員會先后編制了相關(guān)技術(shù)規(guī)范，明確了建筑外立面防風驅(qū)雨設(shè)計參數(shù)的計算方法[18-19].

風驅(qū)雨對建筑物的影響在國內(nèi)也得到一定程度的關(guān)注，如在《建筑物外墻防水工程技術(shù)規(guī)程》[20]中明確了建筑外墻的防水標準設(shè)計時應(yīng)綜合考慮年降水量和風壓的影響，也有學者利用CFD方法分析了建筑物布局對風驅(qū)雨特性的影響[7-10, 21-22 ]，但總體來看，對風驅(qū)雨的氣候特征方面的研究成果還比較少，這一方面制約了我國建筑物抗風雨設(shè)計的標準的進一步優(yōu)化完善，也使CFD數(shù)值模擬工作缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，影響其成果的應(yīng)用，因此有必要加強我國的風驅(qū)雨氣候特征研究工作.上海位于副熱帶季風區(qū)，受季風影響，夏季雨量充沛，臺風、強對流天氣是影響上海的主要氣象災(zāi)害[23]，其出現(xiàn)時往往強風、暴雨相伴而生，且上海的經(jīng)濟社會發(fā)展水平高，經(jīng)濟要素高度密集，高層建筑林立，研究上海地區(qū)風驅(qū)雨氣候特征不僅對上海城市建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)有重要的實際應(yīng)用價值，也可為國內(nèi)其他地區(qū)，特別是東部沿海地區(qū)開展相關(guān)工作提供借鑒和參考.因此，本文參考國內(nèi)外相關(guān)研究成果，利用上海寶山區(qū)氣象站逐小時氣象觀測數(shù)據(jù)，分別從氣候背景、降雨風環(huán)境、風驅(qū)雨指數(shù)及不同時間分辨率資料代表性等方面對風驅(qū)雨的氣候特征及其研究方法進行了初步探索.

1 資料和方法

1.1 資料

本文所用氣象資料來自于上海市寶山氣象站，該站位于上海北部，屬國家基本氣象站，臺站觀測環(huán)境較好，符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，所用資料包括該站逐時降水、風速、風向和逐日天氣現(xiàn)象觀測數(shù)據(jù).小時降水量觀測值為累計降水量，單位為 mm；風速和風向數(shù)據(jù)為地面10 m高度處觀測儀器測定值，為定時前10 min，即時距為10 min，風速單位為 m·s-1.資料起止時間為2006年1月至2015年12月，經(jīng)過較為嚴格的質(zhì)量控制[24].在研究降雨時風環(huán)境和風驅(qū)雨量、風驅(qū)雨負荷時，根據(jù)天氣現(xiàn)象觀測記錄，若當日出現(xiàn)降雪，則該日的小時風和降水觀測記錄不參與統(tǒng)計.

1.2 方法

1.2.1 風環(huán)境參數(shù)計算

本文在繪制玫瑰圖時，依據(jù)風的來向依次將其分為北(N)、東北(NE)、東(E)、東南(SE)、南(S)、西南(SW)、西(W)、西北(NW)8個方位，每個方位所含角度范圍為45°，其中正北方位定為0°，依據(jù)式1和式2分別計算各方位范圍內(nèi)風向出現(xiàn)頻率與該風向平均風速.風速為0 m·s-1的觀測記錄定義為靜風.

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：Fi為第i個方位風出現(xiàn)頻率，單位為%；Ui為第i個方位的平均風速，單位為 m·s-1；N為總觀測記錄數(shù)，Mi為第i個方位角范圍內(nèi)風觀測記錄出現(xiàn)頻數(shù)，WSi,j為第i個方位內(nèi)第j個觀測記錄風速值.

1.2.2 年風驅(qū)雨量指數(shù)

在計算年風驅(qū)雨指數(shù)時，參考Lacy[25]的研究成果，建立了風驅(qū)雨指數(shù)計算公式(式(3))，該指數(shù)能夠比較合理地描述墻面接受的風驅(qū)雨總量，有利于建筑設(shè)計師對不同地區(qū)風驅(qū)雨暴露度進行對比分析.

(3)

式中：aWDR(annual Wind Driven Rain)為年風驅(qū)雨指數(shù)，單位為 m2·s-1，根據(jù)相關(guān)文獻研究成果[11-13]，aWDR的等級定義為：aWDR<3為低風險(Shielded)，3≤aWDR<7為中等風險(Moderate)，7≤aWDR<11為高風險(High)，aWDR≥11為嚴重風險(Severe)；R為小時降水量，單位為mm；WS為地面10 min平均風速，單位為m·s-1；Ct為時距轉(zhuǎn)換系數(shù)，由于氣象站觀測資料的平均風速觀測時距為10 min，需要在計算時轉(zhuǎn)換至時距為1 h，本文依據(jù)ASCE7-10規(guī)范[26]，取轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.94；Ma為符合條件的觀測記錄數(shù)，N為用于統(tǒng)計的年數(shù).

1.2.3 各方位風驅(qū)雨荷載指數(shù)

依據(jù)《ISO 15927-3:2009》標準，在給定方位角條件下，空曠邊界條件下建筑墻面的年風驅(qū)雨負荷指數(shù)(Airfield Index)可用式4表示，該指數(shù)可視為在自由大氣中穿過給定方位單位面積垂直墻面的年風驅(qū)雨總量.

(4)

式中：Li為θi方位角下年風驅(qū)雨荷載指數(shù)，單位為 mm·yr-1；WSj為小時平均風速，單位為 m·s-1；Ct為時距轉(zhuǎn)換系數(shù)；R,j為小時降水量，單位為 mm；WDj為風向；θi為墻面方位角.M0為統(tǒng)計年份內(nèi)所有COS(WDj-θi)值大于0的觀測記錄數(shù)，N為用于統(tǒng)計的年數(shù).

2 降水和風環(huán)境背景

2.1 降水

圖1為寶山站多年平均逐月降水分布情況，從中可以看出，寶山站降水月際分布總體呈現(xiàn)出夏季多、冬季少的特點，其中夏季6～8月的降水量達到551.9 mm，占全年降水總量的45%，冬季(12月、1月和2月)的降水總量為172.0 mm，約占全年總量的14%.此外，從小時降水量的頻率分布來看(表1)，寶山小時觀測記錄出現(xiàn)降水的頻率接近10%，且其中絕大多數(shù)觀測記錄降水量均小于5 mm，小時降水量高于5 mm的頻率小于1%.

圖1 寶山站逐月降水量分布圖(2006—2015年)Fig.1 The monthly precipitation of Baoshan Station (2006—2015)

降水等級/mm0[0.1～4.9][5.0～9.9][10.0～14.9][15.0～19.9]≥20出現(xiàn)頻率/%90.658.80.350.090.050.06

2.2 風環(huán)境

圖2給出了寶山站的年平均風向和風速玫瑰圖.寶山站的年主導風向依次為東北、東和東南，其中東北風出現(xiàn)的頻率超過20%，西南風出現(xiàn)的頻率為最小，僅為6.2%，靜風的頻率為1.2%.從各月的盛行風向來看(圖略)，在冬季和秋季，出現(xiàn)最多的風向多為東北風，而在春季和夏季，盛行風向則為東風和東南風.寶山站年平均風速為2.8 m·s-1，西北方位平均風速最大，達到3.3 m·s-1，西南方位平均風速最小，為2.4 m·s-1，相鄰方位角間平均風速變化總體上較為平緩.

圖2 2006—2015年寶山站風向玫瑰圖和風速玫瑰圖Fig.2 The rose map for wind direction and wind speed for Baoshan station (2006—2015)

3 降雨風環(huán)境

3.1 降雨風環(huán)境總體情況

圖3為寶山站出現(xiàn)降雨情景(小時累積雨量>0 mm)下風環(huán)境情況.降雨時寶山站的主導風向為東北風，出現(xiàn)頻率高達29.9%，其次為東風，出現(xiàn)頻率為18.1%，降雨時出現(xiàn)風向頻率最少的方位為西南，靜風出現(xiàn)的頻率為0.5%.從平均風速來看，寶山站出現(xiàn)降雨時的風速為3.1 m·s-1，其中風速最大的風向為東風，平均風速為3.4 m·s-1，最小為西南風，平均風速僅為2.2 m·s-1.與全年主導風向相比，可以看出與出現(xiàn)降雨時的風環(huán)境有明顯差別，表現(xiàn)出平均風速總體有增加趨勢，出現(xiàn)靜風的頻率偏小，且風向偏北的頻率有明顯增大趨勢.

圖3 2006—2015年寶山站降雨時風向玫瑰圖和風速玫瑰圖Fig.3 The rose map for wind direction and wind speed during rainfall events for Baoshan station (2006—2015)

3.2 極端降雨風環(huán)境分析

極端降雨時風環(huán)境狀況是建筑抗風雨參數(shù)設(shè)計需要考慮的重要因素，因此進一步統(tǒng)計分析了寶山站小時降雨量大于10 mm，即發(fā)生極端降水時的風環(huán)境特性(圖4).據(jù)統(tǒng)計，2006—2015年期間寶山站小時降雨超過10 mm的觀測記錄數(shù)為176次，占總體樣本數(shù)的0.2%.從圖4可以看出，當降雨超過10 mm時，寶山站平均風速繼續(xù)增大，達到3.4 m·s-1，靜風頻率則為0，其中東北風和東風的平均風速最大，分別為4.2 m·s-1和3.9 m·s-1，且兩個方位風向頻率亦為最高，西南風的風速仍為最小，為2.1 m·s-1.與有降雨時風環(huán)境相比，極端降雨情景下平均風速偏大，靜風頻率偏小，值得關(guān)注的是，主導風向除東北風和東風外，風向偏西的頻率也明顯增加.

圖4 2006—2015年寶山站極端降雨時風向玫瑰圖和風速玫瑰圖Fig.4 The rose map for wind direction and wind speed during extreme rainfall events for Baoshan station (2006—2015)

4 風驅(qū)雨參數(shù)計算

為方便建筑工程設(shè)計應(yīng)用及與其他地區(qū)的對比分析，下面分別對寶山站的年風驅(qū)雨指數(shù)和各方位的年風驅(qū)雨荷載指數(shù)進行了計算.風驅(qū)雨指數(shù)參考Lacy(1964)的定義，該指數(shù)由于計算簡便，且有利于不同地區(qū)的比較，因此在評估風驅(qū)雨影響風險時得到了較為廣泛的應(yīng)用，依據(jù)式3計算表明寶山站的年風驅(qū)雨指數(shù)為3.8 m2·s-1，其風驅(qū)雨暴露度等級為中等(Moderate).

為進一步了解不同方位建筑外墻面臨的風驅(qū)雨暴露度，利用式4計算了8個方位角的年風驅(qū)雨荷載指數(shù)和小時風驅(qū)雨發(fā)生頻率(圖5).風驅(qū)雨荷載總體呈現(xiàn)東北方位大、西南方位小的特點，其中東北和東兩個方位風驅(qū)雨荷載最大，年均值分別為413.0 mm和388.3 mm，最小為西南方位，年風驅(qū)雨荷載為103.7 mm，僅為最大方位荷載的25.1%.風驅(qū)雨逐時發(fā)生頻率總體也呈現(xiàn)出東北方位高、西南方位低的趨勢，其中東和東北兩個方位風驅(qū)雨發(fā)生頻率最高，分別為6.6%和6.4%，西方位發(fā)生的頻率最低，僅為2.7%.

圖5 2006—2015年寶山站年風驅(qū)雨負荷指數(shù)和風驅(qū)雨逐時發(fā)生頻率Fig.5 The rose map for wind driven rain load index and wind driven rain occurrence frequency for Baoshan station (2006—2015)

5 時間分辨率對風驅(qū)雨參數(shù)計算的影響

按照風驅(qū)雨指數(shù)和各方位風驅(qū)雨荷載指數(shù)的經(jīng)驗計算方法，所需要的氣象觀測數(shù)據(jù)為小時觀測數(shù)據(jù)，但在實際工作中，小時觀測數(shù)據(jù)比較難以獲得，且歷史序列較短，給相關(guān)參數(shù)的計算工作造成了一定困難，有時需要利用日值、月值或年值的觀測數(shù)據(jù)進行替代.為此，本文利用不同分辨率數(shù)據(jù)對上海寶山歷年風驅(qū)雨量進行了計算，并以小時觀測數(shù)據(jù)為基準，對不同時間分辨率歷年風驅(qū)雨參數(shù)的誤差進行了分析，以評估觀測資料時間分辨率對風驅(qū)雨指數(shù)計算值的影響，其中日值、月值和年值的平均風速和雨量均利用小時數(shù)據(jù)進行平均或求和得到.

從變化趨勢來看，基于日值、月值和年值數(shù)據(jù)得到的風驅(qū)雨量指數(shù)變化趨勢與基準值(基于小時數(shù)據(jù))一致性較好(表2)，均通過α=0.01的相關(guān)性信度檢驗，其中基于日值的風驅(qū)雨量與基準值一致性最好，相關(guān)系數(shù)達到0.97.從相對誤差來看，基于日值、月值和年值的風驅(qū)雨量指數(shù)均較基準值偏低，其中日值數(shù)據(jù)較為接近，偏低4.5%，年值偏低最多，偏低14.8%，其誤差分布趨勢呈現(xiàn)出在基準值較小的情況下，各類數(shù)據(jù)來源計算得到風驅(qū)雨量比較接近，但當基準值較大時，月值和年值的誤差明顯增加(圖6).以上結(jié)論與M Jose’[27]等人在西班牙的研究結(jié)果相一致，用于計算的數(shù)據(jù)來源時間分辨率愈低，所得風驅(qū)雨量的計算值誤差越大，這說明用代用資料計算風驅(qū)雨量時，要考慮低估風驅(qū)雨量的可能性.

表2 基于不同時間分辨率數(shù)據(jù)的多年平均風驅(qū)雨量

圖6 基于不同時間分辨率數(shù)據(jù)的寶山站歷年風驅(qū)雨量變化Fig.6 Variation of wind driven rain index based on hourly, daily, monthly and yearly data source

6 結(jié)論和討論

利用上海寶山站逐時觀測氣象資料，分析了降水和風的氣候背景、不同量級降雨時風環(huán)境特征，計算了風驅(qū)雨量指數(shù)和風驅(qū)雨荷載指數(shù)，評估了不同時間分辨率來源數(shù)據(jù)對指數(shù)計算值的影響，主要結(jié)論如下：

(1)寶山站逐時出現(xiàn)降水的氣候頻率接近10%，超過99%的樣本小時降水量小于5 mm，夏季是降雨的集中時段.在冬季和秋季，寶山出現(xiàn)最多風向多為東北，在春季和夏季，盛行風向則為東和東南，全年盛行風向依次為東北、東和東南.

(2)寶山站出現(xiàn)降雨時的風環(huán)境與全體樣本統(tǒng)計值有明顯差異，出現(xiàn)降雨和極端降雨時寶山站的主導風向為均為東北風和東風，降雨和極端降雨情景下的平均風速明顯增大，其中極端降雨時平均風速增大更為明顯.

(3)寶山站的年風驅(qū)雨指數(shù)為3.8 m2·s-1，其風驅(qū)雨暴露度等級為中等.年風驅(qū)雨荷載總體呈現(xiàn)東北方位大、西南方位小的特點，其中東北和東兩個方位風驅(qū)雨荷載指數(shù)最大，年均值分別為413.0 mm和388.3 mm，最小的西南方位其年風驅(qū)雨荷載指數(shù)值為103.7 mm.

(4)基于日值、月值和年值數(shù)據(jù)得到的風驅(qū)雨量指數(shù)變化趨勢與基準值(基于小時數(shù)據(jù))一致性較好，但其值均較基準值普遍偏低，其中年值偏低最多，相對誤差為-14.8%，日值最少，相對誤差為-4.5%.

通過本文研究工作，可以看到寶山站降雨時風環(huán)境與常年平均有較明顯差異，如平均風速變大，風頻更為集中出現(xiàn)在東北和東，這些信息值得建筑設(shè)計時關(guān)注，所得參數(shù)也可用于與其他地區(qū)的對比分析，同時以下方面還需要在后續(xù)工作中進一步深化研究：1)在大范圍區(qū)域內(nèi)開展研究工作，以便不同地區(qū)間的比較，以得到更具普適性的結(jié)論；2)在統(tǒng)計風驅(qū)雨量等參數(shù)時要考慮重現(xiàn)期等指標的計算，以便在實際工作更為方便地應(yīng)用；3)利用數(shù)值模擬、現(xiàn)場觀測等方法對現(xiàn)有國外標準和規(guī)范中的參數(shù)進行驗證和完善，為制定符合中國實際情況的技術(shù)規(guī)范提供參考.