江苏省输电线路设计风速误差分析及订正

巫黎明，许遐祯， 张 洋， 王 佳

(1.江苏省电力设计院，江苏 南京 211102；2.江苏省气候中心，江苏 南京 211000)

近10年来，由于城市化发展迅猛、防护林大面积生长等原因改变了江苏省各气象站周围环境，使气象站观测的风速值逐年变小，而输电线路铁塔大部分位于旷野，环境变化对铁塔抗风影响较小。如果采用受环境影响的风速来计算输电线路的设计风速，往往导致设计风速偏低，给线路工程的安全带了隐患。因此，如何去除气象站观测的风速受环境变化的影响，客观评估输电线路设计风速已成为急待解决的问题。

一些气象专家过去的研究主要是利用平均风速资料，定量分析环境变化对地面风速的影响，最大风速受环境变化影响研究较少。然而输电线路设计风速的确定主要是依据气象站长期观测的最大风速系列资料，因此本文将应用江苏省40个基本气象台站的年最大风速系列观测资料，对全省最大风速受环境变化影响进行研究，为去除最大风速受环境变化影响提出了一套完整的订正方法，利用订正后的最大风速资料重新计算江苏省输电线路设计风速，减小了设计风速的误差。

1 资料来源及处理

根据江苏省电网建设的空间分布，重点考虑电网倒杆、倒塔及断线频发地区，选用江苏省40个常规气象站10 min自记、2 min定时年最大风速资料作为基础资料，资料时段取建站-2007年。由于江苏省各常规站10 min自记最大风速观测多起始于上世纪70年代，为了保证各台站大风记录序列完整性，各站自建站-2007年年最大风速序列取10 min自记最大风速，若当年无10 min自记最大风速观测，取2 min定时年最大风速。

2 设计风速误差分析

2.1 气象站周围环境变化

由于江苏省近10年城市化突飞猛进的高速化发展以及苏北大范围杨树林(防护林)的生长，改变了气象站周边的环境，有些站被迫将测风仪由地面搬迁到屋顶平台上。在江苏省除去近两年搬迁的气象站观测场外，其余观测场都受到环境影响。

2.2 环境变化对最大风速的影响

城市化发展及杨树林的生长，增加了观测站周围地面粗糙度，从而导致了江苏省几乎所有气象站观测站(沿海岸线站点除外)年最大风速系列逐年减小。最大风速系列折线图见图1。从图1可以看出，年最大风速系列在1985年后逐渐减小，已经不能代表当地区域的最大风速情况。

图1 南京最大风速系列图(城市化影响)

此外，《建筑结构荷载规范》GB50009-2001附表D.4中对应江苏省18个气象站有风压值，其中有15个站在我院工程设计中计算过，这15个气象站50年一遇计算风速均比规范中50年一遇风压值换算的风速小，已经产生系统偏差，最大偏小20.3%，平均偏小8.9%，具体资料见表3。因此，必须对现有风速系列资料进行订正，使其更接近旷野风速，减小误差，然后计算各站点设计风速，满足线路设计风速的取值。

3 设计风速误差订正

3.1 订正方法

根据江苏省现有各气象站观测场的不同情况，将订正过程归纳如图2。

图2 设计风速流程图

从图2中可以看出，我们根据目前使用的“电力工程气象勘测技术规程”中规定的方法计算设计风速时，主要是对原始系列进行时次订正、高度订正(指数订正)、迁站订正，也就是考虑因测风仪器的种类不同与位置不同的初步订正，没有考虑环境影响的订正。而只进行初步订正的最大风速系列资料不能代表旷野最大风速值，那么风速仪架设平台上订正关系如何？苏北防护林生长、城市化发展对风速的影响如何订正？通过这些订正措施后的计算结果如何，以下将逐一研究探讨。

3.1.1 平台影响订正

根据调查了解，造成这种原因主要是由于观测场受到环境影响，而将测风仪架设在房屋顶部的平台上来观测风速的，其高度换算不符合指数规律。据此，风速订正主要与屋顶平台高度、风速仪离开平台的高度有关，根据分析研究，认为采用二元回归方程来模拟研究比较合适，具体步骤如表1：

表2 平台订正研究步骤表

3.1.2 杨树林影响订正

由于每个气象站周围的防护林密度、高度、范围都难以准确统计，因此不能采用回归法来解决，经过深入研究，采用方差分析法来订正。

根据调查，江苏省大范围杨树林是在1983年～1985年完成的，经过5年的生长，防护林已经长到10 m以上，因此防护林对风速影响起变化作用的主要就是5年，杨树林长成后对风速的影响达到一个新的平衡。基于以上事实，我们采用影响前最大风速系列均值与影响达到平衡后系列的均值差来订正，对中间影响有变化的5年采用均值差渐变来订正。我们对苏北防护林地区多个常规气象站最大风速进行1983年以前、1988年后10年分段均值统计，发现各站风速衰减均值在2.1～2.4 m/s之间，平均为2.3 m/s。本次计算结果与文献[1]、[2]、[3]中分析的结果比较符合(见表2)。图3为兴化气象站最大风速订正过程线。

图3 兴化气象站最大风速订正过程线

表3 计算结果与气象界的研究结果对比表

3.1.3 城市化影响订正

由于城市化发展各地区不一致，而且每个城市的发展都是不断变化的，而且各年变化的范围、幅度都不一样，到现在还没有停止，因此城市化发展对气象站观测风速的影响规律无法寻找，难以建立数学模型或回归方程来解决。

根据西连岛、燕尾港两个海边站最大风速系列分析，在不受环境影响的情况下，最大风速系列的均一性(一致性)比较好(见图4)，其最大风速样本符合正态分布，其均方差能反映系列波动情况。据此可以推断：江苏省大风是随机发生的，各气象站观测到的最大风速系列属于随机系列，在不受环境影响的情况下，最大风速系列符合正态分布。因此采用方差分析法来订正。

图10 西连岛最大风速系列图(不受环境影响)

原理：根据《概率论与数理统计》中对方差(均方差、标准差)的定义为“表示随机变量取值关于均值的偏离程度”，它反映系列的离散程度。由于城市化发展影响改变了最大风速系列的均一性或一致性，使其均值与方差都发生变化，我们通过对最大风速系列不同时段的均值与方差的研究来订正风速系列，使订正后的风速系列满足均一性检验。

例如：某气象站在没有受城市化影响前的最大风速系列资料(vi)计算出均值和方差(S1)，然后对受影响的年份将其最大风速减去前段均值，就形成了一个新系列(ui)，再计算新系列的均值和方差(S2)，采用下式来订正：

其中：

式中：Vi为订正后的最大风速；Vi为实测风速；int为取整函数。

上式中S1主要是对最大风速偏离均值的程度进行订正，S2主要是对最大风速的波动进行订正。当最大风速影响系列很短、ui系列不具有统计意义时，S2、mi不计算，其值取零。采用本法订正的风速系列均通过均一性检验，满足要求。图11为南京站风速订正过程线。

图11 南京站城市化影响订正

3.2 订正结果分析

根据《建筑结构荷载规范》GB 50009—2001附表D.4中所列的江苏省15个台站50年一遇风压值换算成相应风速与本次订正前、后系列计算结果对比见表3。

表4 规范中风压换算风速值与订正前后计算值对比表 单位：m/s

从表3可以看出，订正系列系列计算值除东台站、射阳站、盱眙站三个站外的计算值与风压图换算值的相对误差的绝对值均小于5%，所有站相对误差的绝对值平均数为3.7%，其中有6个台站计算值比风压图换算值小、其余台站都大。

另外，从全国风压图可以看到，江苏省在常州、泰州、高邮、淮安风压值均为0.4 kN/m2，其换算风速为25.6 m/s，而东台位置明显东移、靠近盐城，盐城的风压值为0.45 kN/m2，换算风速值为27.2 m/s，与本次东台计算值基本一致；射阳站位置临海，其风压应该比盐城大，可风压图上射阳还是与常州、泰州、高邮、淮安风压值相同，不符合江苏省从东向西风速梯度分布规律，明显不合理。盱眙站当时没有考虑洪泽湖风速有增大的影响订正，风压图结果偏小，如果编制规范时采用洪泽站计算洪泽湖周边风压(洪泽站计算值为27.2 m/s)，则成果更合理。据此可见，本次采用订正风速计算的东台站、射阳站、盱眙站的50年一遇风速是正确的。如果不计东台站、射阳站、盱眙站三个站，相对误差的绝对值平均数为2.1%。

4 结语

⑴ 根据对江苏省所有气象站最大风速系列资料的分析及现场调查，江苏省除西连岛、燕尾港两个气象观测站最大风速系列没有受环境影响外，其余气象站由于城市化发展与苏北防护林的生长而改变了气象站观测站周围环境的事实，出现了风速衰减现象，因此需要订正。

⑵ 本次研究利用江苏省40个气象站从建站至2007年的风速资料，通过回归分析法、方差分析法、对比分析法等多种方法的分析研究，提出了最大风速平台影响订正、城市化影响订正、杨树林影响订正的计算方法，为最大风速受环境影响提出了一套完整的订正方法。

⑶ 采用该订正方法订正前、后的风速系列资料计算的50年一遇设计风速与建筑结构荷载规范中对应站风压换算的风速对比：避免了系统偏差；其相对误差绝对值的平均值由8.9%降低到2.1%；单站最大相对误差由-20.3%降低到±4.7%。

⑷ 本次研究的订正方法通过了由国家气候中心副主任罗勇为专家组长的专家组评审，评审结论为：成果具有理论意义和创新性，有重要的应用价值，对输电线路设计具有指导作用，对相关标准修编具有参考意义，在同类研究中整体达到国内领先水平。

⑸ 建议在现行的《电力工程气象勘测技术规程》中增加最大风速受环境影响的订正方法。

[1]朱延曜，等.防护林体系生态效益及边界层物理特征研究[M].北京：气象出版社，1992.

[2]程德昌，顾建新.“三北“防护林体系对中尺度气候影响的研究[M].北京：气象出版社，1992.

[3]周学东，等.防护林体系区域性气候效应地探讨[J].南京林业大学学报，1995，19(4).

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[6]彭珍，胡非.北京城市化进程对边界层风场结构影响的研究[J].地球物理学报，2006，(11).