梯度風觀測資料在高層建筑氣象災害風險評估中的應用研究

鞠紅霞，劉素萍，何 芍

(泰州市氣象局 江蘇泰州225300)

0 引 言

隨著國民經濟的迅速發展，高層建筑如雨后春筍般崛起，特別是出現了不少綜合性的高層建筑。風是影響高層建筑物設計的主要氣象因素之一，興建一座有足夠抗風強度的高層建筑需要提供不同重現期的最大風速值。由于各地氣候背景的差異，加之近地層風受地理和地表狀況的影響很大，單純依靠鄰近氣象站觀測資料直接推算高層建筑物的抗風參數，或者利用粗分辨率的全國風壓圖通過內插反推高層建筑物的抗風參數，都不能較為準確地反映實際風的特征，達不到高層建筑的抗風設計要求。因此，在氣象災害風險評估中，結合氣象站多年風觀測資料，正確分析地區梯度風觀測資料，估算出地區高層建筑多年一遇的極大風速值，作為設計部門設計抗風參數時的重要依據，對提高高層建筑氣象災害防御的能力顯得尤為重要[1]。

本文利用泰州氣象站年最大風速資料和梯度風觀測資料，應用耿貝爾極值Ⅰ型分布，系統分析計算得到本地區高層建筑若干年后不同重現期最大風速極值，應用到高層建筑氣象災害風險評估報告中，為高層建筑抗風設計提供了科學的氣象參數。

1 數據來源與評估方法

1.1 數據來源

泰州斜橋氣象觀測站 1966—2003年連續 38年的最大風速觀測資料用于計算本地區10,m高度處不同重現期的最大風速極值。

泰州梯度風自動觀測系統2007年8月份建成投入使用，用于觀測近地面不同高度風速、風向數據。梯度風觀測系統安裝于總高 218,m的鋼結構電視塔上，在塔的 35,m、85,m、135,m 3個平臺上各安裝2套風傳感器，取得了2007年10月～2012年12月期間逐日的不同高度處風觀測資料。

1.2 方法

1.2.1 耿貝爾極值Ⅰ型分布

根據高層建筑抗風參數的設計要求[2]，需要以極端的氣候狀態作為設計條件，因為氣象記錄中的極大風速值是觀測時期內的極大值，只有相對意義，高層建筑可能遇到的極端風速不能簡單地用氣象記錄中的極值計算，而需要利用最大風速的概率分布來推算出百年一遇的最大風速。

所謂極值分布就是在n個觀測值中極大值或極小值的概率分布。

設X為隨機變量，X1，X2，…Xn為X的樣本，如將樣本從小到大排列成：

則Xn*就是樣本(X1，X2，…Xn)的極大項，而X1*就是樣本(X1，X2，…Xn。)的極小項，極值分布就是代表Xn*或X1*這樣的隨機變量的分布。由于n的變化，求Xn*、X1*的分布，實質上是一種極限分布或漸近分布。

它的概率密度函數和保證率分布函數[3]分別為：

由耿貝爾方法[4]：

這里mx、xσ分別為樣本的數學期望和均方差。根據上述分布函數，對于給定的保證率p所對應的xp，由：

解得：

1.2.2 風廓線指數計算方法

在 500～1,500,m 以下的大氣摩擦層中，風隨高度的變化，最常用的模擬規律為指數律。根據現行《建筑結構荷載規范》及《公路橋梁抗風設計指南》所推薦的風隨高度變化規律相一致，近地層風隨高度變化的指數公式為：

式中：V為高度Z處的風速，V1為已知高度Z1處的已知風速，α為風廓線指數。

1.2.3 移動t檢驗法

移動 t檢驗法可進行均值差異性檢驗[5]，方法如下：

計算統計量：

2 結果與分析

2.1 氣象站年最大風速序列的均一性審查與處理

《建筑物結構荷載規范》(GB 50009—2012)規定：推算多年一遇的最大風速時，所用的風速資料為開闊地面10,m高度處的10,min平均最大風速。在計算中，風速資料序列主要選取氣象臺站建站以來自記10,min平均最大風速為統計樣本，在概率計算之前對代表性、準確性和連續性進行審查、處理。

對泰州氣象觀測站1960年以來觀測的平均風速(2,min)的年值序列進行均一性分析[6]，1965年維爾達測風器改為電接風向風速計(自記 10,min平均風速觀測)，1978年氣象觀測站由泰州市東郊斜橋遷至東郊斜橋南，2004年由人工觀測站調整為自動氣象觀測站，且泰州站 2005—2006年的數據為空值。應用移動t檢驗方法(顯著性水平 0.05)進行兩個時間點前后時段的顯著性檢驗，如檢驗結果顯著，則認為該點是不連續點。檢驗主要為 1965年和 1978年的假設斷點，1965年儀器更換造成風速資料不連續，1978年的臺站遷移對風速無影響。因此選取 1966—2003年的年最大風速序列資料來進行計算，圖 1為泰州市斜橋氣象站1966—2003年逐年最大風速變化圖。從圖中可以看出，最大值為20.3,m/s。

圖1 泰州斜橋氣象站年最大風速變化圖Fig.1 Annual maximum wind speed variation measured by Taizhou Xieqiao meteorological station

2.2 氣象站年最大風速的概率計算

在高層建筑的氣象災害風險評估中，對風壓的評估尤其重要，選擇恰當就會產生巨大的經濟效益。根據高層建筑抗風參數的設計要求，首先要弄清當地風的極端氣候狀態，以及十年一遇、百年一遇的概率。

擬合極值分布的方法有多種，氣象上常用如P-Ⅲ型和極值Ⅰ型[7]等，研究表明它們與氣象要素極值分布擬合良好，在氣象、水文上獲得廣泛的應用。根據泰州斜橋氣象站1966—2003年的最大風速資料，用耿貝爾極值Ⅰ型分布對泰州市年最大風速進行擬合，進而計算泰州斜橋氣象站10,m高度處不同重現期下的10,min平均年最大風速，結果見表1。

表1 泰州斜橋氣象站不同重現期的基本風速Tab.1 Basic wind speeds at different return periods measured by Taizhou Xieqiao meteorological station

對上述結果做柯爾莫哥洛夫方法進行擬合優度檢驗，樣本理論分布函數與經驗分布最大的離差Dn＝0.089,1，Dn＜D0.05＝0.215。因此，耿貝爾分布函數計算重現期其擬合優度滿足要求。

2.3 梯度風觀測資料在氣象災害風險評估中的應用

2.3.1 梯度風觀測資料的分析和處理

2007年1月1日，新建泰州氣象觀測站，位于泰州市西郊鄉森北村，風速儀的安裝高度為10,m。利用2007年10月～2012年12月期間逐日的梯度風不同高度觀測資料及泰州森北氣象觀測站同期10,m高度處風觀測資料，用于風廓線指數的計算。從圖 2選取的部分梯度風觀測站和森北氣象觀測站同期風觀測資料分析圖可以看出，風速隨著高度的增加明顯增大。

圖2 梯度風觀測資料和森北氣象觀測站同期風觀測資料對比圖Fig.2 Comparison of gradient wind observation data with the wind observation data measured by Senbei meteorological observation station at the same time

2.3.2 高層建筑各高度設計風速的推算

《建筑結構荷載規范》中要求，在推算50年一遇的最大風速時，根據提供的風廓線指數取值，不同地面粗糙度對應不同α值，見表2。

表2 各種地面粗糙度條件下的風廓線指數Tab.2 Wind profile indices under various surface roughness conditions

根據 2007年10月～2012年 12月梯度風觀測資料和森北氣象觀測站同期風觀測資料，35,m和10,m處風速資料，利用風廓線指數計算公式進行擬合，得出α為 0.12；85,m和 10,m處風速資料擬合出α為 0.13；135,m和 10,m處風速資料擬合出α為0.20，符合地面對風的摩擦阻力隨著離地面高度的增加而減小，從而使風速隨高度的增加而變大的規律。根據《建筑結構荷載規范》中的地面粗糙度分類，泰州地區可歸為 C類，α值與 135,m處實測值比較接近。泰州地區高層建筑一般不高于 150,m，結合計算出的α值，α取值為0.22，根據表1利用風廓線指數計算方法推算出離地面120,m以內每10,m高度層不同重現期最大風速值，結果見表3。

表3 泰州地區不同高度不同重現期 10,min平均年最大風速Tab.3 10,min average annual maximum wind speeds at different heights and different recurrence intervals in Taizhou area

從表3可以看出，隨著高度的增加，10,min平均年最大風速也明顯增大，120,m處風速明顯大于10,m處風速。

2.3.3 與風壓荷載計算法反推高層建筑的設計風速比較分析

查詢《全國基本風壓分布圖》，得設計頻率為10,a、50,a和 100,a一遇時泰州地區相應的風壓值分別為 0.25,kN/m2、0.4,kN/m2和 0.45,kN/m2，根據風壓荷載計算公式推算出離地10,m高度處10,a、50,a和100,a一遇10,min平均年最大風速取值分別為 20.0,m/s、25.3,m/s 和 26.8,m/s，10,a、50,a 和100,a的規范所取基本風速比表3中對應的計算值分別偏大 2.5,m/s、4.7,m/s和 4.9,m/s。

計算結果和表3比較可以看出，《全國基本風壓分布圖》在計算泰州地區風壓時使用的基本風速取值明顯偏大，而且隨著設計年限的增加，差值也呈增大趨勢，使用規范給出的風壓值會造成投資太大而浪費資金。因此將梯度風觀測資料應用于高層建筑氣象災害風險評估報告，意義十分重大。

3 結 論

采用泰州斜橋氣象站 1966—2003年共 38年最大風速資料序列，利用耿貝爾極值Ⅰ型分布函數，計算得出了泰州地區不同重現期(100,a、50,a、30,a、10,a)10,m高度處 10,min平均年最大風速分別為21.9,m/s、20.6,m/s、19.6,m/s、17.5,m/s。

結合泰州電視塔35,m、85,m和135,m高度的同步梯度風觀測資料，計算得出了泰州地區風廓線指數，從而可推算出不同高度、不同重現期(100,a、50,a、30,a、10,a)的最大風速極值。

根據《全國基本風壓分布圖》反推出泰州地區10,m高度處基本風速取值與計算值相比明顯偏大。因而，在氣象災害風險評估中應用梯度風觀測資料來進行不同高度基本風速的計算，能為本地區高層建筑抗風設計提供科學經濟的氣象參數。

［1］全涌，姚博，顧明. 高層建筑結構抗風可靠性研究進展[J]. 同濟大學學報：自然科學版，2015，43(6)：807-815.

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部. 建筑結構荷載規范：GB,50009—2012[S]. 北京：北京中國建筑工業出版社，2012.

［3］王海軍. 城市暴雨強度公式推求軟件系統設計[D]. 武漢：華中科技大學，2005.

［4］任麗偉，王辛方，李喜平，等. 鶴壁市單日降水量極值估算[J]. 氣象與環境科學，2009，32(2)：46-49.

［5］楊宏青，陳正洪，高雪飛. 鄂東長江公路大橋設計風速推算研究[J]. 氣象科學，2010，30(4)：526-529.

［6］劉佳，馬振峰，范廣洲，等. 多種均一性檢驗方法比較研究[J]. 氣象，2012，38(9)：1121-1128.

［7］馬開玉，張耀存，陳星. 現代應用統計學[M]. 北京：氣象出版社，2004.