貴州大龍經(jīng)濟開發(fā)區(qū)極端氣象參數(shù)研究

李 霄，帥士章 ，張東海，朱 軍

(貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

0 引言

在全球氣候變暖的背景下，各類極端天氣氣候事件不斷增多，極端強降水事件、極端高溫事件更加嚴重和頻繁。研究表明全國范圍內(nèi)平均降水、降水強度、極端強降水和連續(xù)性強降水呈增強趨勢[1-3]。張嬌艷等[4]在研究全球升溫1.5 ℃和2.0 ℃情景下貴州省極端降水的變化特征時，發(fā)現(xiàn)貴州在RCP2.6 和RCP4.5 情景下各極端降水指數(shù)總體上均呈現(xiàn)增加趨勢。袁文德等[5]、戴聲佩等[6]發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)、華南地區(qū)極端高溫事件和極端低溫事件分別呈上升和下降趨勢。朱大運等[7]同樣發(fā)現(xiàn)貴州極端氣溫暖系列指數(shù)呈上升趨勢、冷系列指數(shù)呈下降趨勢。與極端強降水事件、極端高溫事件呈上升趨勢不同的是，有研究表明我國平均風速、最大風速和極大風速整體以減少趨勢為主，但不同區(qū)域風速的波動性存在差異，如西南區(qū)東部平均風速變化趨勢較不明顯[8-10]，江瀅等[11]研究指出21 世紀中國區(qū)域近地層年平均風速呈減小的趨勢。隨著我國城鎮(zhèn)化建設，預計未來城市極端高溫、極端降水事件將更為頻發(fā)，氣候變化風險進一步加大[12]。因此，在極端天氣氣候事件頻發(fā)的今天，氣候可行性論證是科學應對氣候變化、做好防災減災工作的具體行動和措施，是在預設的安全系數(shù)下為工程項目算好經(jīng)濟帳的基礎(chǔ)性工作，氣候可行性論證工作正在重大工程及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用[13-14]。

貴州大龍經(jīng)濟開發(fā)區(qū)位于貴州省銅仁市玉屏縣，是1999年經(jīng)貴州省人民政府批準設立、2006年經(jīng)國家發(fā)改委審核通過的省級經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，2014年成為國家級循環(huán)化改造示范試點園區(qū)。本文以貴州大龍經(jīng)濟開發(fā)區(qū)為例，討論在氣候變化背景下，影響開發(fā)區(qū)安全生產(chǎn)的主要極端氣象參數(shù)重現(xiàn)期。選取距離開發(fā)區(qū)最近、地形地貌相似的玉屏、新晃國家氣象觀測站資料，對影響開發(fā)區(qū)工程項目建設和安全生產(chǎn)較大的極端氣溫、極端強降水和極值風速進行分析，旨在為開發(fā)區(qū)企業(yè)科學認識當?shù)貧庀鬄暮ΜF(xiàn)狀、防范氣象災害提供科技支撐。

1 資料和方法

1.1 資料來源

本文使用的資料為玉屏、新晃氣象觀測站1959—2021年歷年極端最高、最低氣溫資料，歷年1 d、3 d、5 d、10 d最大降水量資料，1980—2021年歷年最大風速、極大風速資料。資料來自全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)及大數(shù)據(jù)云平臺“天擎”。

1.2 研究方法

在進行極端氣象參數(shù)計算時，選用國內(nèi)外應用比較廣泛的皮爾遜Ⅲ(Pearson-Ⅲ)和耿貝爾(Gumbel)分布函數(shù)，對玉屏、新晃氣象觀測站極端氣溫、降水量和風速數(shù)據(jù)進行擬合，推算不同重現(xiàn)期的設計值。

在處理風速資料時，采用風速廓線的冪指數(shù)公式對觀測高度進行修正，同時對10 min平均年最大風速缺測數(shù)據(jù)采用定時觀測2 min的年最大風速進行插補。

1.2.1 皮爾遜Ⅲ(Pearson-Ⅲ)分布函數(shù) Pearson-Ⅲ型分布的概率密度函數(shù)f(x)和累積分布函數(shù)F(x)分別見下式：

(1)

(2)

式中F(x)為α的伽瑪函數(shù)，α為形狀參數(shù)，β為比例參數(shù)(尺度參數(shù))，ɑ0為位置參數(shù)。皮爾遜Ⅲ型分布其他常用參數(shù)有x均值、Cv離(變)差系數(shù)、Cs偏態(tài)系數(shù)、σ標準差，參數(shù)間換算關(guān)系：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

σ=x·Cv

(9)

已知累積概率P(xp)，求極值xp時，可根據(jù)分布函數(shù)進行變量轉(zhuǎn)換并按伽瑪函數(shù)積分求得，也可查皮爾遜Ⅲ型分布的離均系數(shù)表求得。

1.2.2 耿貝爾(Gumbel)分布函數(shù) Gumbel分布的概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)分別見下式：

f(x)=ɑe-ɑ(x-b)-e-ɑ(x-b)(-∞0,-∞

(10)

F(x)=e-e-α(x-b)

(11)

式中ɑ為尺度參數(shù)，b為位置參數(shù)?？稍O轉(zhuǎn)換變量y=ɑ(x-b)以方便計算。已知累積概率P(xp)，按下式求極端事件的極值。

(12)

1.2.3 測風數(shù)據(jù)修正 玉屏、新晃站測風觀測儀器經(jīng)歷了幾次變換，需要將不同觀測高度的觀測數(shù)據(jù)修正到標準高度，即地面上方10 m處高度。本文采用風速廓線的冪指數(shù)公式來做觀測高度修正[12]。即：

(13)

式中：h為參照高度，取10 m；z為測量高度，單位為 m；Vh、Vz為相應的風速；α為冪指數(shù)(風速切變指數(shù))，取決于表面粗糙度等因素，開發(fā)區(qū)位于房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，屬B類地區(qū)，冪指數(shù)(風速切變指數(shù))取0.15。

玉屏站1998—2004年10 min平均年最大風速缺測，用定時觀測2 min年最大風速進行插補，定時觀測2 min年最大風速與10 min平均年最大風速換算關(guān)系[13-14]見下式：

V10 min=1.14V2 min(定時)

(14)

2 極端氣象參數(shù)計算

2.1 極端氣溫

統(tǒng)計玉屏、新晃氣象觀測站1959—2021年歷年極端最高、最低氣溫(圖1)。由圖1看出，極端最高氣溫出現(xiàn)在新晃站1971年的40.9 ℃(圖1a)，極端最低氣溫出現(xiàn)在玉屏站1977年的-10.7 ℃(圖1 b)。玉屏、新晃2站歷年極端最高、最低氣溫變化基本相似，總體上，新晃極端最高氣溫比玉屏偏高，但20世紀80年代中期及之后，新晃極端最低氣溫比玉屏偏低。

圖1 玉屏、新晃歷年極端最高氣溫(a)和極端最低氣溫(b)變化圖Fig.1 Time series of extreme maximum temperature (a) and minimum temperature (b) in Yuping and Xinhuang

利用玉屏、新晃氣象觀測站的最高氣溫資料系列，采用Pearson-Ⅲ和Gumbel分布進行擬合，計算出2個氣象觀測站最高氣溫百年一遇值，結(jié)果見表1，分布曲線擬合見圖2～3。由圖可以看出，Pearson-Ⅲ 和Gumbel分布對玉屏和新晃最高氣溫擬合效果較好，高重現(xiàn)期或低重現(xiàn)期2種分布函數(shù)擬合結(jié)果均大于2站實測值。由表1看出，2站最高氣溫百年一遇值Pearson-Ⅲ 和Gumbel分布計算結(jié)果均大于各站實測值，擬合結(jié)果新晃站Gumbel分布最高為42.7 ℃，基于企業(yè)工程項目建設和安全生產(chǎn)考慮，開發(fā)區(qū)區(qū)域最高氣溫百年一遇設計值采用42.7 ℃。

表1 玉屏、新晃極端最高氣溫百年一遇設計值(單位：℃)Tab.1 Design value of extreme maximum temperature at 100-year return period in Yuping and Xinhuang (Unit: ℃)

圖2 玉屏最高氣溫Pearson-Ⅲ(a)和Gumbel(b)分布曲線擬合Fig.2 Pearson-Ⅲ (a) and Gumbel (b) distribution curve fitting of the maximum temperature in Yuping

圖3 新晃最高氣溫Pearson-Ⅲ(a)和Gumbel(b)分布曲線擬合Fig.3 Pearson-Ⅲ (a) and Gumbel (b) distribution curve fitting of the maximum temperature in Xinhuang

利用玉屏、新晃氣象觀測站的最低氣溫資料系列，采用Pearson-Ⅲ 和Gumbel分布進行擬合，計算出2個氣象觀測站最低氣溫百年一遇值，結(jié)果見表2，分布曲線擬合見圖4。由圖4可以看出，Pearson-Ⅲ 和Gumbel分布對玉屏和新晃最高氣溫擬合效果較好，尤其是低重現(xiàn)期部分，Gumbel分布函數(shù)對2站在高重現(xiàn)期部分的擬合結(jié)果大于2站實測值。由表2看出，玉屏、新晃氣象觀測站最低氣溫百年一遇值Pearson-Ⅲ 計算結(jié)果均低于實測值，但Gumbel分布計算結(jié)果均高于實測值；2個氣象觀測站最低氣溫百年一遇值Pearson-Ⅲ 和Gumbel分布計算結(jié)果均以玉屏站為最低。因此，基于企業(yè)工程項目建設和安全生產(chǎn)考慮，開發(fā)區(qū)區(qū)域最低氣溫百年一遇設計值采用-10.9 ℃。

表2 玉屏、新晃最低氣溫百年一遇設計值(單位：℃)Tab.2 Design value of Extreme minimum temperature at 100-year return period in Yuping and Xinhuang (Unit: ℃)

圖4 玉屏(a、b)新晃(c、d)最低氣溫Pearson-Ⅲ(左)和Gumbel(右)分布曲線擬合Fig.4 Pearson-Ⅲ (left) and Gumbel (right) distribution curve fitting of the minimum temperature in Yuping(a、b) Xinhuang(c、d)

2.2 極端強降水

統(tǒng)計玉屏、新晃氣象觀測站1959—2021年歷年1 d、3 d、5 d、10 d最大降水量(圖5)，由圖5看出，1 d、10 d極端最大降水量出現(xiàn)在1960年的玉屏，分別為226.2 mm、316.7 mm(圖5a)，3 d、5 d極端最大降水量出現(xiàn)在2007年的新晃，分別為245.3 mm、279.9 mm(圖5b)。

利用玉屏、新晃氣象觀測站的1 d、3 d、5 d、10 d最大降水量資料系列，采用Pearson-Ⅲ和Gumbel分布進行擬合，計算2個氣象觀測站不同日數(shù)最大降水量百年一遇值，結(jié)果見表3，分布曲線擬合見圖6(部分分布曲線擬合圖略)。由圖可以看出，除1 d最大降水量分布擬合效果不理想外，其余不同日數(shù)最大降水量分布函數(shù)對2站的擬合效果均較好，高重現(xiàn)期部分擬合值和實測值相當。由表3可知，2站不同日數(shù)最大降水量Pearson-Ⅲ 和Gumbel分布百年一遇擬合計算結(jié)果均大于實測值，基于企業(yè)工程項目建設和安全生產(chǎn)考慮，開發(fā)區(qū)區(qū)域1 d、3 d、5 d、10 d最大降水量百年一遇設計值分別采用248.0 mm、261.8 mm、300.8 mm、327.7 mm。

圖5 玉屏(a)、新晃(b)歷年不同日數(shù)最大降水量變化圖Fig.5 Time series of Maximum precipitation in different durations in Yuping (a) and Xinhuang (b)

表3 玉屏、新晃不同日數(shù)最大降水量百年一遇設計值(單位：mm)Tab.3 Design value of maximum precipitation at 100-year return period at different durations in Yuping and Xinhuang(unit: mm)

圖6 玉屏1 d(a)、10 d(b)和新晃3 d(c)、5 d(d)最大降水量Pearson-Ⅲ 分布曲線擬合Fig.6 Pearson-Ⅲ distribution curve fitting of the maximum precipitation of 1-day (a)、10-day (b) in Yuping and 3-day(c)、5-day(d) in Xinhuang

2.3 極端風速

2.3.1 測風資料 《地面氣象觀測規(guī)范》(GB/T 35227-2017)對最大風速和極大風速作如下規(guī)定：最大風速“從10 min滑動平均風速值中挑取，并記錄相應的風向和時間”。極大風速“從3 s滑動平均風速值中挑取，并記錄相應的風向和時間”。

據(jù)統(tǒng)計(表略)，新晃觀測站極大風速為39.6 m·s-1，出現(xiàn)在2002年4月1日；最大風速為25.3 m·s-1，出現(xiàn)在2015年6月8日；均為建國以來開發(fā)區(qū)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的極大和最大風速正式記錄，是強對流天氣過程導致(風雹)。

由于玉屏氣象觀測站1998—2004年風速缺測，故采用2 min年最大風速進行插補，統(tǒng)計得出玉屏、新晃站10 min平均最大風速資料(表4)。由表4看出，新晃平均最大風速、平均極大風速均大于玉屏，表明新晃的風速比玉屏的大。經(jīng)測風高度修正后得出玉屏、新晃站年最大風速變化情況(圖7)。由圖看出，玉屏、新晃10 min年平均最大風速變化趨勢基本一致，新晃最大值25.3 m·s-1出現(xiàn)在2015年，玉屏最大值23.1 m·s-1出現(xiàn)在2014年，新晃最小值8.1 m·s-1出現(xiàn)在2018年，玉屏最小值4.3 m·s-1出現(xiàn)在1987年。由圖7還可以看出，2站10 min年平均最大風速最大值基本出現(xiàn)在20世紀90年代初期、21世紀初期和10年代中前期，而最小值基本出現(xiàn)在20世紀80年代中后期、90年代中后期和21世紀 10年代初期?？傮w來說，近40 a新晃最大風速、極大風速均比玉屏偏大。

表4 玉屏、新晃極值風速資料統(tǒng)計表Tab.4 Information about extreme wind speed in Yuping and Xinhuang

圖7 玉屏、新晃歷年10 min平均最大風速變化圖Fig.7 Time series of average maximum wind speed of 10 minutes in Yuping and Xinhuang

2.3.2 最大風速統(tǒng)計分析 利用新晃、玉屏氣象觀測站30 a以上10 min平均年最大風速資料序列，采用Pearson-Ⅲ和Gumbel分布計算頻率為3.33%、2.0%、1%、0.5%和0.1%的最大風速，結(jié)果見表5，分布曲線擬合見圖8。玉屏、新晃站實測最大風速分別為23.1 m·s-1和25.3 m·s-1。由圖8可以看出，Pearson-Ⅲ和Gumbel分布對玉屏和新晃最大風速擬合效果較好，2種分布函數(shù)百年一遇擬合結(jié)果均大于2站實測值。

從表5可知，各設計頻率(重現(xiàn)期)風速，新晃站均大于玉屏站，新晃站Pearson-Ⅲ擬合值大于Gumbel擬合值?；谄髽I(yè)工程項目建設和安全生產(chǎn)考慮，推薦開發(fā)區(qū)采用新晃站Pearson-Ⅲ計算成果，該站10 m高度百年一遇最大風速擬合值為26.7 m·s-1，大于實測值。按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)，當R=50時，風壓=0.3 kN·m-2，新晃累年氣壓974.9 hPa，氣溫17.5 ℃，水氣壓16.5 hPa，可計算得到五十年一遇重現(xiàn)期風速為22.7 m·s-1，小于推薦值。R=100時，風壓=0.35 kN·m-2，新晃累年氣壓974.9 hPa，氣溫17.5 ℃，水氣壓16.5 hPa，可計算得到百年一遇重現(xiàn)期風速為24.5 m·s-1，小于推薦值。

2.3.3 最大風速與極大風速關(guān)系分析 新晃站2001年開始有年極大風速觀測資料，為使分析結(jié)果更具代表性，收集該站10 min平均最大風速出現(xiàn)時間，挑選同處1次大風過程且同小時出現(xiàn)的極大風速資料，進行高度訂正后，最大風速與極大風速的歷年變化見圖9。由圖可以看出，新晃歷年10 min平均最大風速與極大風速變化趨勢基本一致，最大風速最大值為2015年的25.3 m·s-1，最小值為2018年的8.1 m·s-1；極大風速最大值為2002年的38.9 m·s-1，最小值為2001年的12.3 m·s-1。

表5 玉屏、新晃10 min平均最大風速各頻率擬合值(單位：m·s-1)Tab.5 Fitting values of frequency of average maximum wind speed at 10 minute in Yuping and Xinhuang(unit: m·s-1)

有極大風速觀測的近21 a，新晃瞬時極大風速與10 min平均最大風速同時次的平均比值為1.6。

2.3.4 各高度各頻率最大風速與極大風速計算 根據(jù)新晃站采用Pearson-Ⅲ分布計算的頻率為3.33%、2.0%、1%、0.5%和0.1%最大風速結(jié)果，計算各離地高度不同重現(xiàn)期最大風速；同時利用極大風速與最大風速比值計算得到的不同頻率極大風速結(jié)果，計算各離地高度不同重現(xiàn)期極大風速。各高度的推算采用風廓線冪次律公式，冪指數(shù)值取0.15，結(jié)果見表6。由表6可知，開發(fā)區(qū)離地10 m高度百年一遇最大風速為26.7 m·s-1，百年一遇極大風速為42.7 m·s-1。

圖8 玉屏(a、b)、新晃(c、d)最大風速Pearson-Ⅲ(左)和Gumbel(右)分布曲線擬合Fig.8 Pearson-Ⅲ (left) and Gumbel distribution (right) curve fitting of the maximum wind speed in Yuping(a、b)and Xinhuang(c、d)

3 結(jié)論與討論

通過對大龍經(jīng)濟開發(fā)區(qū)距離最近、地形地貌相似的玉屏、新晃國家氣象觀測站極端氣溫、極端強降水和極值風進行分析，采用Pearson-Ⅲ和Gumbel分布擬合，計算百年一遇設計值，得出如下結(jié)論：

①大龍經(jīng)濟開發(fā)區(qū)區(qū)域極端最高氣溫為40.9 ℃，極端最低氣溫為-10.7 ℃；1 d、3 d、5 d、10 d極端最大降水量分別為226.2 mm、245.3 mm、279.9 mm 、316.7 mm；最大風速為25.3 m·s-1，極大風速為39.6 m·s-1。

表6 開發(fā)區(qū)最大風速、極大風速各高度各頻率風速Tab.6 Maximum wind speed and maximum instantaneous wind speed of different frequency at different altitudes in developing area

②大龍經(jīng)濟開發(fā)區(qū)區(qū)域最高氣溫百年一遇設計值為42.7 ℃，最低氣溫百年一遇設計值為-10.9 ℃；1 d、3 d、5 d、10 d最大降水量百年一遇設計值分別為248.0 mm、261.8 mm、300.8 mm、327.7 mm；離地10 m高度百年一遇最大風速為26.7 m·s-1，百年一遇極大風速為42.7 m·s-1。

本文針對大龍經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的極值氣溫、極端強降水和極值風不同重現(xiàn)期進行了分析，可為開發(fā)區(qū)工程項目設計和安全生產(chǎn)提供科學的氣象設計參數(shù)。但貴州地處低緯高原，境內(nèi)山高峪深、下墊面崎嶇不平，造成氣溫、降水空間分布復雜多變，風速局地差異明顯，只選取玉屏、新晃2個站點作為大龍經(jīng)濟開發(fā)區(qū)極端氣象參數(shù)研究還存在一定的局限性，有待進一步研究。