北部湾沿海基本风压和阵风风压分析

北部湾沿海基本风压和阵风风压分析 1211 苏 志，张瑞波，周绍毅，黄颖 (1(广西区气候中心，南宁 530022;2(广西区人工影响天气办公室，南宁 530022) 摘 要:利用北部湾沿海 7 个气象站建站至 2008 年最大风速资料，采用指数律风速廓线公式和“时次换算”方法 订正最大风速，得到长年代 10 m高处 10 min平均年最大风速序列;采用极值I型分布估算北部湾沿海各地 50 年一 2遇最大风速，通过伯努利方程计算基本风压。结果表明:北部湾沿海的基本风压以涠洲岛最大，达 1.13kN/m; 22其次是东兴、北海，分别为 0.59 和 0.58 kN/m;第三位是防城港和合浦，分别为 0.49 和 0.47 kN/m;最小是防城 2和钦州，分别为 0.39 和 0.33 kN/m，表明越靠近海的地方基本风压越大。利用建站至 2008 年的极大风速资料对 北部湾沿海的阵风风压进行分析，发现阵风风压分布特点与基本风压相同，而且阵风风压比基本风压大，海岸区 域的阵风风压约为基本风压的 2 倍，涠洲岛则是 1.54 倍。 关键词:基本风压;阵风风压;最大风速;极大风速 中图分类号:P425.6 文献标识码:A 文章编号:1001-5221(2010)02-0141-04 北部湾沿海地处广西南部，位于南海西北部，北部湾沿海热对流旺盛，使该地区常受雷暴大平均每年都会受到3~5个热带气旋的影响，最多年 风、热带气旋大风的影响。阵风较多，风速较大， 份达9个(1974年)。热带气旋经过时常伴随着大风 对建筑物的安全有较大的威胁。因此有必要用自记 [1]和暴雨。大风会对高层建筑、通信设施、交通设施 3 s平均年极大风速计算阵风风压，为沿海建筑工 等造成严重破坏，对沿海的经济建设和人民生命财 程设计提供更多的参考。值得一提的是，美国、澳 大利亚、新西兰等发达国家的风荷载规范都要求选 产造成极大威胁。随着2008年1月16日国家批准《广 [2-3]西北部湾经济区发展 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 》正式实施，北部湾沿海 取 3 s平均最大风速来计算基本风压。因此，计 算北部湾沿海阵风风压还可为国外相关项目的设计 的大型工程设施、高层建筑和高耸构筑的建设呈现 迅猛发展态势，因此，对北部湾沿海建筑结构进行 提供参考。 抗风设计也就成为防灾减灾的重点工作。基本风压 1 资料与方法 是工程设施抗风设计中的重要参数，它关系到整个 1.1 资料来源及处理 建筑物的安全性和是否经济，基本风压估计太高会 北部湾沿海年最大风速、年极大风速资料，取 增加建筑成本，造成不必要的浪费，太低则难以规 自东兴、防城港、防城、钦州、合浦、北海和涠洲 避风险，会造成坍塌事故。所以，准确计算基本风 岛等7个气象站，资料年限为测风开始年至2008年 压，对北部湾沿海的各项建设工程抗风安全和建设 (表1)。资金的合理使用都有重要的现实意义。 表1 北部湾沿海最大风速、极大风速来源 Tab.1 The source of maximum wind speed and extreme wind speed in the Beibu gulf coast 最大风速极大风速 站名测风始年海拔/m 来源样本数来源样本数*** 东兴1954 自记 10min 平均 自记 3s 平均 14 22.1 55,47，8***1993 自记 10min 平均 自记 3s 平均 14 31.2 防城港 16,16，0***1982 自记 10min 平均 27,25，2 14 32.4 自记 3s 平均 防城 1955 4 次定时 2min 平均 54 0 4.5 钦州 无 1956 0 5.5 53 无3 次定时 2min 平均 合浦 ***自记 3s 平均 1954 55,50，5 35 12.8 自记 10min 平均 北海 ***自记 3s 平均 1956 53,46，7 13 55.2 涠洲岛自记 10min 平均 注:*自记风的样本;**4次定时风的样本。 收稿日期:2009-09-25;修订日期:2010-01-05 基金项目:广西自然科学基金(桂科自 0728075) 作者简介:苏志(1964―)，女，广西钦州人，高级工程师，主要从事气候应用与气候资源研究工作，(E-mail)sznn126@126.com。 [4] 《建筑结构荷载规范(GB50009-2001)》规定:明方程式的可靠性很好，因此可用 4 次或 3 次换算 推算多年一遇的最大风速时，所用的风速资料应是: 式将各气象站的定时风订正为自记风。经过 2 次订 开阔平坦地面 10 m高度处的 10 min平均最大风速。 正后，得到各气象站 10 m高处 10 min平均年最大风 由于历史原因，北部湾沿海 7 个气象站中，每个气 速序列。 1.2 计算方法象站的测风高度都不一样;同一个气象站，其历年 风压是垂直于气流方向的物体表面所受到的风 的测风高度也有差异。此外，钦州、合浦只有 4 次 [4]是指空旷平坦地面上10 m高度 的压强。基本风压和 3 次定时 2 min平均最大风速资料，有自记风观 处50年一遇(即重现期为50 a)最大风速所产生的 测的气象站，有些年份也有缺测现象。因此需对风 [5] 速资料进行高度订正和时次订正。 垂直于风向平面上的压强。基本风压的计算方法为:[4,6] 1.1.1 高度换算 采用指数律风速廓线公式推选取空旷平坦地面上10 m高度处、自记10 min平均 年最大风速作为基础数据，计算平均50年一遇的最 算不同高度的风速，即 Z 大风速，作为当地的基本风速，再按伯努利公式确 ,(1) V , V ( ) 0 Z Z 定基本风压。 0 1 式中，Z 为参考高度( Z =10 m)，Z为任意高2 0 0 , , ,v (2) 0 0 度(m)，V 为参考高度 Z 处的风速(m/s)，V 2 0 0 Z2 为参考高度 Z 处的风速(m/s)，, 为空旷平坦地区 式中， ,为基本风压(kN/m )， , 为空气密度 0 [4]3 地面粗糙度指数(也叫风廓线指数)，取 0.16。)， v 为50年一遇最大风速(m/s)。 (t/m0 0,,4 采用式(1)，将 7 个气象站历年最大风速订正 1.2.1 空气密度的计算 空气密度计算公式:3,0.0001z(3) (t/m) , , 0.00125e到 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 高度 10 m。 31.1.2 时次换算 北部湾沿海 7 个气象站中，涠洲 岛式中， , 为空气密度(t/m)， z 为当地海拔高度 是被海水包围的孤岛，而其余 6 个气象站都在海 (m)。 岸边。海岸与海岛的气候差异较大，因此，将北部 1.2.2 50年一遇最大风速的计算 风速的年最大 值[4]湾沿海分为海岸和海岛 2 个区域。涠洲岛属于海岛 采用极值?型概率分布拟合，极值?型的概率 [6]区域，其余 6 个站则属于海岸区域。根据有自记风 分布函数为: 观测 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 的东兴、防城港、防城、北海等 4 个气象 (4) F ( x) , exp, exp ,, ( x , u),,,, 站历年 4 次和 3 次定时 2 min 平均最大风速与自记 其保证率函数为: 10 min 平均最大风速资料，分别建立海岸 4 次和 3 P( x) , 1 , exp, exp ,, ( x , u)(5) ,, ,,次定时 2 min 平均最大风速与自记 10 min 平均最大 式中，u 为分布的位置参数，即分布的众值;, 为 风速的相关方程(以下分别简称 4 次换算式和 3 次 分布的尺度参数。 换算式)。同理，用涠洲岛历年 4 次 2 min 平均最大 上述 2 个分布参数与均值 x 和标准差 S 的关系 风速与自记 10 min 平均最大风速资料，建立涠洲岛 按下式确定: 4 次换算式，结果见表 2。 n 1 (6) x , x , in i,1 表2 海岸、海岛定时与自记最大风速相关分析结果 n 1 2 Tab.2 The correlation analysis results of timing and self-recording (7) S , ( x, x ) , i n , 1 maximum wind speed of coast and islands i ,1 项目 相关方程式 样本数 相关系数 均方差 F 值 c 1 (8) , , 海岸 4 次 138 0.80 2.75 246.98 Y , 3.307 8 ， 0.927 3 X S 换算式 海岸 3 次 c 2138 0.73 3.18 151.27 Y , 3.867 4 ， 0.921 5 X (9) 换算式 u , x , , 涠洲岛 446 0.78 3.92 67.72 Y , 3.518 1 ， 1.036 4 X 其中，x 为连续n个年份最大风速样本序列(n?10)， 次换算式 i [1] 系数 c和 c可查表求得。 1 2 表 2 中，Y 为 10 min 平均年最大风速，X 为 2 由式(5)得到: min 平均年最大风速。 1 1 ，， (10) x , u ,)ln ln([7],,1 , P ,上述方程式均通过信度为 0.01 的F检验，表 ，， 2 期 苏 志等:北部湾沿海基本风压和阵风风压分析143 重现期为 R(概率为 P=1/R)的最大风速 x 可 R 表3 极值?型分布中的参数及最大离差 Tab.3 The parameters and maximum deviation in the Extreme ? 按下式计算: distribution 1 R ，，(11) x , u , ln ln()R , , 地点 n u α D D R , 1 , n 0.05 ，， 55 12.673 1 0.217 1 0.068 9 0.183 4 东兴16 14.587 1 0.287 9 0.085 6 0.340 0 防城港 2 结果与分析 27 13.469 7 0.333 9 0.098 3 0.261 7 防城 54 12.086 9 0.361 8 0.163 0 0.185 1 钦州 2.1 北部湾沿海的基本风压 53 13.046 2 0.269 5 0.106 5 0.186 8 合浦 55 13.545 7 0.231 2 0.135 8 0.183 4 北海2.1.1 拟合优度检验 由式(6)-(9)计算出分 53 21.229 1 0.182 2 0.053 1 0.186 8 涠洲岛布参数u和, (表 3)。对计算结果做柯尔莫哥洛夫 [6]拟合优度检验，样本理论分布函数与经验分布最 v 、空气密度和基本风压(表 4)。由表 4 可见，北 0 2大的离差D和检验值D，列于表 3。由表 3 可见， n 0.05 部湾沿海的基本风压为 0.33~1.13 kN/m，以涠洲岛2各气象站的D均小于检验值D，表明拟合效果良 n 0.05 最大，达 1.13 kN/m，其次是东兴、北海,分别为 0.59 2好，说明各气象站年最大风速概率分布符合极值? 和 0.58 kN/m，位于第三位的是防城港和合浦，分 2型分布。 别为 0.49 和 0.47 kN/m，最小是防城和钦州，分别 22.1.2 基本风压分析 由式(11)、(3)、(2)得到 为 0.39 和 0.33 kN/m，表明越靠近海的地方基本风 北部湾沿海各气象站 10 m高处 50 年一遇最大风速 压越大。 表4 北部湾沿海基本风压和阵风风压 Tab.4 The basic wind pressure and the gust wind pressure of the Beibu gulf coast. -3-2-1-2 地点阵风风压与基本风压之比 50 年一遇最大风速 空气密度/t?m基本风压/kN?m50 年一遇极大风速/ m?s阵风风压/ kN?m 东兴0.001 247 30.6 0.59 43.4 1.17 2.00 防城港 0.001 246 28.1 0.49 40.3 1.01 2.05 防城 0.001 246 25.2 0.39 36.6 0.83 2.11 钦州 0.001 249 22.9 0.33 33.7 0.71 2.17 合浦 0.001 249 27.5 0.47 39.5 0.97 2.06 0.001 248 30.4 0.58 43.1 1.16 2.01 北海 涠洲岛 0.001 243 42.6 1.13 52.9 1.74 1.54 2.2 北部湾沿海的阵风风压港、防城、北海、东兴等 4 个气象站的极大风速和 北部湾沿海 7 个气象站中，只有防城港、防城、 最大风速资料，建立北部湾海岸区域 10 m 高度自 北海、东兴、涠洲岛等 5 个气象站有 3 s 平均极大 记 3 s 平均年极大风速和自记 10 min 平均年最大风 风速资料，采用 1.1.1 小节中式(1)的方法将极大 速相关方程(以下简称极大风速换算式)，用同样的 风速序列统一换算到标准高度 10 m，然后根据防城 方法建立涠洲岛极大风速换算式，结果见表 5。 表5 海岸、海岛极大风速与最大风速的相关分析结果 Tab.5 The correlation analysis results of extreme wind speed and maximum wind speed of coast and islands 项目相关方程式样本数相关系数均方差F 值 海岸极大风速换算式77 0.84 3.46 177.04 Y , 5.309 0 ， 1.242 3 X 涠洲岛极大风速换算式 13 0.97 2.35 160.10 Y , 6.428 9， 1.089 4 X 22 Y 为 3 s 平均年极大风速，X 为 10 min 达 1.74 kN/m，钦州最小，为 0.71 kN/m。东兴和表 5 中，2 北海分别为 1.17 和 1.16kN/m，防城港和合浦约为平均年最大风速。经检验，海岸和涠洲岛的极大风 22速换算式均通过信度为 0.01 的 F 检验，表明相关方 1.0 kN/m，防城为 0.83 kN/m。由此可见，阵风风 程式的可靠性很好。 压分布特点与基本风压一致，即越靠近海的地方阵 将各气象站 50 年一遇最大风速 v代到极大风 风风压就越大。与基本风压相比，阵风风压明显偏 0 速换算式，求得 50 年一遇极大风速 v，再由式(2) 1 大，海岸区域的阵风风压约为基本风压的 2 倍，涠 计算出阵风风压 , (表 4)。由表 4 可见，北部湾沿 1 洲岛的阵风风压则是基本风压的 1.54 倍。 2海的阵风风压为 0.71~1.74 kN/m，以涠洲岛最大， 重现期(30 a、100 a 等)不同高度(30 m、50 m 、 结论3 100 m、200 m 等)的风压有待进一步研究。 利用建站至 2008 年东兴、防城港、防城、钦州、 合浦、北海和涠洲岛的最大风速、极大风速资料， 参考文献: [1] 中国气象局(地面气象观测规范[M](北京:气象出版社，2003:48( 对北部湾沿海的基本风压、阵风风压进行了分析和 [2] 李春华(中美风荷载的换算[J](中国水泥，2008(8):62-63( 研究，发现北部湾沿海的基本风压和阵风风压都是 [3] 黄韬颖，杨庆山(中美澳风荷载规范重要参数的比较[J](工程建设 与设计，2007(1):23-27( 越靠近海的地方越大;阵风风压是基本风压的 [4] 中华人民共和国建设部(建筑结构荷载规范(GB50009-2001)[S](北 1.5~2.0 倍。随着经济建设的快速发展，对不同地域、 京:中国建筑工业出版社，2002:71-72( 不同高度、不同结构的建筑采用合适的风压进行抗 [5] 谭冠日，严济远，朱瑞兆(应用气候学[M](上海:上海科学技术出 版社，1985:101-103( 风设计，对于建筑物的安全和减少大风危害都是非 [6] 高绍凤，陈万隆，朱超群，等(应用气候学[M](北京:气象出版社， 常必要的。 2001:127，133-134，172-173( 由于广西沿海的气象站较少,站点稀疏,造成本 [7] 黄嘉佑(气象统计分析与预报方法[M](北京:气象出版社，2000: 35-36( 文的研究结果在地域分布上可能不够精细，有待今 后收集到海岸和海岛加密自动气象站足够多的风速 资料后再开展更深入的研究。此外，本文只研究了 高度为 10 m、重现期为 50 a 的基本风压，对于不同 Analysis of Basic Wind Pressure and Gust Wind Pressure in the Beibu Gulf Coast 1211 SU Zhi，ZHANG Ruibo，ZHOU Shaoyi，HU Ying (1(Guangxi Climate Center，Nanning 530022，China;2(Guangxi Weather Modification Office，Nanning 530022，China) Abstract: The long chronology series of annual mean maximum wind speed in 10min at 10m height were obtained using the exponential law wind speed profile formula and the method of time lever conversion for revising, based on the maximum wind speed datasets of seven weather stations in the Beibu gulf coast from the date when the stations built to 2008. The maximum wind speed of 50 year frequency in the Beibu gulf coast was estimated using the function of Extreme I, and the basic wind pressure was calculated based on the Bernoulli equation. The results show that the biggest basic wind pressure in the Beibu gulf coast is the Weizhou Island, 22 2which reaches 1.13kN/m, the second biggest are Dongxing and Beihai, 0.59kN/mand 0.58kN/m, respectively, 2 2the third are Fangchenggang and Hepu, 0.49kN/mand 0.47kN/m, respectively, the smallest are Fangcheng and 2 2Qinzhou, 0.39kN/mand 0.33kN/m, respectively. This suggests that the nearer the place is to the sea, the bigger the basic wind pressure is. Based on the extreme wind speed datasets of the same stations and years, research displays that the distribution features of the gust wind pressure are similar to that of the basic wind pressure, and the gust wind pressure is bigger than the basic wind pressure, twice in the coast regions, 1.54 times in the Weizhou Island. Key words: basic wind pressure; gust wind pressure; maximum wind speed; extreme wind speed