上海地区沿海(江)岸非汛期不同重现期最大风速估算
上海地区沿海(江)岸非汛期不同重现期最大风速估算
徐卫忠;史军;穆海振
【摘 要】非汛期不同重现期最大风速是沿海(江)岸堤防设计标准、工程安全性和投资成本估算的一个重要参数.文中基于上海崇明、宝山、南汇、奉贤和金山5个沿海(江)岸气象站历史风速观测资料和横沙岛测风塔10 m高度逐日最大风速资料,采用极值Ⅰ型分布估算了上海地区沿海(江)岸非汛期(1-5月和10-12月)各风向不同重现期最大风速.结果表明,上海地区沿海(江)岸非汛期的最大风速以W风最大,SW风最小.沿海(江)岸非汛期50 a一遇最大风速为23.3-28.3 m/s,小于上海地区基准风速(30.0 m/s).各地非汛期不同风向50 a一遇最大风速的最大差值为3.4-8.1 m/s,同一重现期各地沿海(江)岸10 m高度最大风速极值也相差较大.崇明区域非汛期沿海(江)岸最大风速最大,其次是南汇区域,宝山区域最小.上海地区最大风速一般都出现在沿海地带,其分布与上海实际地理、地表状况相符.
【期刊名称】《气象与减灾研究》
【年(卷),期】2018(041)001
【总页数】7页(P44-50)
【关键词】最大风速;重现期;极值Ⅰ型分布;非汛期
【作 者】徐卫忠;史军;穆海振
【作者单位】上海市气候中心,上海200030;上海市气候中心,上海200030;上海市气候中心,上海200030
【正文语种】中 文
【中图分类】P466
0 引 言
上海地处长江三角洲前缘，东濒东海，南临杭州湾，北接长江入海口，属典型的平原感潮河网地区。特殊的地理位置，使得上海易受台风、暴雨、高潮、洪涝等自然灾害袭击(Shi and Cuil，2012)。上海抵御外围台风高潮侵袭主要依靠沿海(江)海塘防线和黄浦江防汛墙防线，这两道防线是保障城市防汛安全的重要生命线。上海地区按照不足100 a一遇潮位加
11级风标准设防的海塘有117.2 km，占总数的22.4%(刘新成等，2015)。因钻探、建设水闸等堤防构筑物，或穿堤管道、缆线铺设等工程建设的需要，有时在非汛期要对现有海塘进行开缺。开缺期间，往往通过建设临时堤防来承担因海塘开缺造成的部分防汛功能，各风向不同重现期最大风速是影响临时堤防设计标准的一个重要参数，关系到工程的安全性设计和投资成本估算。然而，由于人们更多地关注汛期防灾减灾以及观测资料的限制，目前对非汛期的灾害研究主要集中于降水(谢毅文等，2012)，对沿海(江)岸地带的重现期风速还未见相关报道。
关于极值风速分布和估算，一些学者进行了相关的研究，如薛桁等(2002)对天津渤海湾观测试验表明，在距离海岸线10 km的范围内，风速随距海距离呈负斜率线性衰减，随着向陆上的延伸(10 km以外)，风速呈指数型曲线缓慢衰减，且有逐渐接近常值的趋势。黄世成等(2009)依据有99%置信区间的数理重构方案和极值I型方法，给出了长江下游100 a一遇的风速分布。张容焱等(2010)利用泊松-耿贝尔(Poisson-Gumbel)联合极值风速计算方法，估算了中国沿海各气象站台风影响大风的多年一遇风工程设计最大风速。马玉峰等(2015)采用极值I型分布估算方法，给出了内蒙古东部地区重现期30、50和100 a的极值风速分布，并分析了1980—2010年最大风速和极值风速的分布特征。
近地层风受地理及地表状况的影响很大，随着城市建设规模不断扩大，建筑物逐渐增多、增密、增高导致下垫面粗糙度增大，气象站测得的最大风速也有减小的趋势。如果仅用与海(江)岸带相距数千米至十几千米的邻近气象站风资料代替沿海(江)岸带的风况，沿海(江)岸带的风速与其邻近的气象台站同期观测资料存在明显差异(黄世成等，2009；陈燕等，2014)。基于此，文中基于气象站常规观测资料和海(江)岸带测风塔观测资料，利用历史风速序列重构方案和极值I型分布方法，计算了沿海(江)岸带非汛期各风向不同重现期的风速，并经1901—2014年非汛期(1—5月和10—12月)最大风速长时间序列计算结果的差值订正，得到上海地区沿海(江)岸带非汛期各风向不同重现期的10 min平均最大风速，以期为工程应用提供参考。
1 资料与方法
1.1 资 料
文中使用的资料为1974年1月—2014年12月上海市崇明、宝山、南汇、奉贤和金山5个沿海(江)岸气象站和松江、青浦、嘉定、闵行、浦东、徐家汇6个内陆气象站逐日最大风速、风向数据，以及上海徐家汇气象站1901—2014年历年非汛期(1—5月和10—12月，下同)最大
风速数据，其中1901—1970年为徐家汇(或龙华)气象站的观测数据，1971—2014年用闵行气象站的观测数据代替。这些数据均来自于上海市气候中心，均经过初步的质量控制。
2009年1月，为满足上海市沿海地区风能调查工作的需要，在横沙岛东北角海岸边设立一座高100 m的测风塔，该测风塔周围空旷无建筑物且地势平旦，观测数据完全能代表沿海(江)岸带的风速特征。文中选取2009年2月—2010年3月测风塔10 m高度处的逐日最大风速。各沿海(江)岸气象站和测风塔的具体位置如图1所示。
图1 上海地区沿海(江)岸带气象站和测风塔分布
Fig. 1 Spatial distribution of the meteorological stations and anemometer tower in the coastal areas of Shanghai
1.2 方 法
1.2.1 不同风向历年非汛期最大风速序列的构建
气象站日风向记录16个方位的最大风速(中国气象局，2007)。为了便于分析，从各气象站
历年非汛期逐日风向为NNW、N、NNE的最大风速中挑选最大值作为该年N方位的非汛期最大风速，从非汛期逐日风向为NNE、NE、ENE的最大风速中挑选最大值作为该年NE方位的非汛期最大风速，以此类推，可得到E、SE、S、SW、W和NW方位的最大风速。最终得到1974—2014年崇明、宝山、南汇、奉贤和金山5个气象站8个风向的历年非汛期最大风速序列。
1.2.2 内陆历年非汛期最大风速序列的建立
文中1901—1953年历年非汛期最大风速来自于徐家汇气象站的观测数据，取自《上海气象资料(1873—1972)》(上海市气象局，1974)。最大风速取1 h平均风速，测风高度介于35—41 m，将这些测风风速转换为10 m高度的10 min平均风速。根据10 min平均风速与1 h平均风速的时距关系(史军等，2015))，将1 h风速转换成10 min风速，并根据风速随高度变化的指数公式(幂指数取0.16)，得到10 m高度10 min平均最大风速。
1953—1970年风速数据取自龙华气象站非汛期的观测数据。考虑到20世纪70年代以后徐家汇周边城市化对风速观测资料的影响，文中1971—2014年风速数据来自闵行气象站的非汛期观测资料。最后，获得1901—2014年上海地区内陆历年非汛期最大风速序列。
1.2.3 沿海(江)岸带历年最大风速序列的建立
由于上海地区面积不大，往往处于同一大气环流系统背景下。相距不远的气象测站尽管在地理环境上略有差异，但在气象要素变化上存在一定程度的统计关联。基于2009年2月—2010年3月横沙岛测风塔10 m高度逐日最大风速，分别统计分析了横沙岛测风塔与崇明、宝山、南汇、奉贤和金山5个气象站同期日最大风速的相关性(样本数达424个)，采用统计量t检验相关系数的显著性，检验结果表明，相关系数为0.65—0.79，均通过了信度0.01的显著性检验，表明横沙岛测风塔的风速与这5个气象站显著相关。
常规气象资料序列订正延长的方法主要有回归法、差值法和比值法。对于最大风速、降水量等离散程度较大的气象要素序列通常采用比值法。在大尺度环流背景下，相邻测站风速的比值往往比差值更稳定。文中需订正延长的测站风速y与参照气象站风速x之间构成以下关系：
(1)
式中，和分别是订正延长测站和参照气象站观测期间风速平均值。考虑本研究关注的是大
风情况，故选择各气象站日最大风速≥8 m/s的风速样本平均值为同期的横沙岛测风塔的风速样本平均值为得到横沙岛测风塔风速与崇明、宝山、南汇、奉贤、金山气象站风速的比值(k)分别为1.18、1.15、1.16、1.13、1.08。以k值作为气象站风速换算至相对应的沿海(江)岸带风速的订正系数，将1.2.1节中得到的各气象站8个风向历年最大风速乘以k，得到崇明、宝山、南汇、奉贤和金山5个区域沿海(江)岸带的最大风速序列。
1.2.4 极值Ⅰ型概率分布
采用国家住房和城乡建设部(2012)制定的《建筑结构荷载规范(GB50009—2012)》(以下简称规范)中推荐的极值Ⅰ型概率分布和修正的参数矩估法，计算不同重现期的最大风速：
(2)
(3)
式中，μ为分布参数均值，σ为标准差，其计算式：
(4)
其中，Vi为连续n年最大风速样本序列，c1和c2为修正矩估法参数。上海台风什么时候来
2 沿海(江)岸带非汛期最大风速估算
2.1 最大风速计算
图2给出了基于克里格插值方法绘制的1974—2014年上海地区非汛期11个人工气象站最大风速空间分布。分析发现，上海地区中心城区非汛期最大风速最小，为14 m/s；而崇明、奉贤和南汇区域较大，为18.7—20.0 m/s。由此可见，最大风速存在较为明显的沿海—内陆差异。
基于1974—2014年5个气象站附近沿海(江)岸带非汛期8个风向最大风速序列，采用极值Ⅰ型分布估算获得上海地区非汛期沿海(江)岸带不同重现期(5、10、20、30、50、100、200 a)8个风向的最大风速。5个气象站附近沿海(江)岸带非汛期8个风向的最大风速的拟合优度都通过了信度0.05的K-S法显著性检验。因此，各气象站拟合曲线与经验分布拟合良好，推算的设计风速合理。
图2 1974—2014年上海地区非汛期最大风速空间分布(单位：m/s)
Fig. 2 Spatial distribution of maximum wind speed in Shanghai during the non-flood season (uint：m/s)
从各气象站8个风向的最大风速中挑选最大值，获得上海地区沿海(江)岸带非汛期不同重现期10 m高度最大风速极值(图3)。结果表明，5 a一遇10 m高度极值风速为13.9—17.5 m/s，10 a一遇为15.3—19.4 m/s，20 a一遇为16.7—21.1 m/s，30 a一遇为17.5—22.2 m/s，50 a一遇为18.5—23.5 m/s，100 a一遇为19.8—25.3 m/s，200 a一遇为21.2—27.5 m/s。沿海(江)岸带各重现期最大风速极值均以宝山区域最小，崇明或南汇区域最大。
以与工程设计密切相关的50 a一遇非汛期最大风速(表1)为例，上海地区沿海(江)岸带非汛期的风速极值为18.5—23.5 m/s，小于《规范》中上海地区的基准风速(30.0 m/s)。整体而言，宝山区域沿海(江)岸带非汛期最大风速最小，崇明区域极值风速最高。分析上海地区5个气象站各风向的极值风速发现，NW风向的极值风速最大，其次是W风向，SW风向的最小。

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