50年一遇最大风速估算

杨鹏鹏，张大燕

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，西安 710075)

风是一种重要的自然资源，目前风电开发是新能源开发利用的重要组成部分。根据《电力工程气象勘测技术规程》(DL/T 5158—2012)的要求，为保证风力发电场的运行安全，风力发电机组安全设计最大风速的设计重现期为50 a。50 a一遇最大风速是决定风电机组极限载荷的关键指标[1,2]。近年来伴随着全球气温的不断升高，极端天气频发，大风灾害也时常发生，风作为生产建设规划与设计中必须慎重考虑的气象要素，在各项工程设计上，必须了解这些建筑物和装置在使用期内可能遇到的风速极值，即要求提供不同重现期的最大风速值。正确分析年最大风速分布特征，并估算出不同重现期内可能出现的最大风速, 具有一定的现实意义[3]。目前，关于最大风速这一课题国内外学者已进行了大量的研究。廖小青[4]等应用Gumbel 分析法和风压法计算风电场50 a一遇最大风速；鹿翠华[5]利用枣庄市1971—2008 年各月10 min 最大风速资料，利用耿贝尔分布函数估算出枣庄未来若干年的最大风速极值；谢今范[6]等利用吉林省1973—2008年共36 a来40个观测站的逐月最大风速资料，分析了吉林省逐年最大风速的变化趋势及概率分布特征。以上学者的研究为50年一遇最大风速的计算提供了相关的方法参考，本文在总结上述研究成果，分析风速趋势变化的基础上，利用多种方法综合估算50年一遇最大风速。

1 数据及方法

榆林气象站位于榆林市城关肤施路，地理坐标为北纬38°14′、东经109°42′，观测场海拔高度为1 057.5 m，1951年开始设站观测。2005年站址位置迁至榆阳区青云乡刘家洼“郊外”，北纬38°16′，东经109°47′，海拔高度为1 157 m。气象站站址变迁前后，最大风速均值相差0.2 m/s，可见迁站对最大风速观测值影响较小，资料有可靠性和一致性，因此统称为榆林气象站。

使用的数据有：榆林气象站1961—2016年逐年最大风速资料、榆林气象站2007年2月至2008年1月逐时风速观测值、风电观测场2007年2月至2008年1月逐时观测值，以上资料完整率均超过了95%。风电观测场位于榆林市郊区，海拔高度1 137 m，与气象站的距离为27 km。气象站与风电观测场的观测高度均为10 m。

根据《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012规定，设计风速采用极值Ⅰ型分布进行统计分析[7-8]。其分布函数为：

P=φ(x)=e-e-a(x-u)。

式中：a为待定常数；u为极值分布众数。

极值Ⅰ型分布函数的简化公式为：

2 风速计算

2.1 历年最大风速变化趋势分析

根据榆林气象站1961—2016年历年最大风速资料，进行年最大风速变化趋势分析。由图1可以看出，榆林气象站年最大风速总体有逐年减小的趋势，气候倾向率为-0.845(m/s)/ 10 a，其中20世纪60—70年代风速较大，80—90年代风速较小，2000年以后风速略有上升。

虚线为趋势线；折线为年代最大风速均值变化线图1 1961—2016年榆林气象站年最大风速年际变化

进一步利用Mann-Kendall突变分析法分析年最大风速的趋势变化[9-10]，如图2所示。由图2可以看出，UF、UB曲线在置信区间外的点较少，说明年最大风速没有显著性变化；在0.99置信水平区间内，UF、UB两曲线只有一个交点，说明年最大风速在该年份发生了突变，突变时间为1980年。因此在分析50 a一遇最大风速时，考虑将年最大风速序列分为两个阶段进行研究。

图2 1961—2016年榆林气象站年最大风速M-K突变检验图(点划线为0.01显著性水平临界值)

2.2 50 a一遇最大风速计算

(1)利用气象站长序列1961—2016年的最大风速观测资料，按照极值Ⅰ型分析法计算气象站50 a一遇最大风速，得V1=23.5 m/s。

(2)利用风电观测场及气象站同期观测资料，做逐日最大风速相关散点图如图3。

图3 风电观测场及榆林气象站同期风速相关散点图

由图3可见，两站同期资料相关性较好，相关系数R=0.87。因此，利用上述相关方程，修正气象站历年最大风速，再进行极值Ⅰ型计算，最终得到设计风速为V2=21.8 m/s。

(3)根据《电力工程气象勘测技术规程》(DL/T 5158—2012)中规定：气象站有连续25 a以上的年最大风速资料时，可直接进行频率计算推求气象站设计风速。根据前文分析，榆林气象站年最大风速在1980年发生了突变，因此，在分段计算设计风速时，1981—2016年风速长度满足规程要求，可以直接计算。1961—1980年风速系列年限虽不足25 a，但考虑资料的年限在1980年以前，下垫面受人为活动影响较小，比较当前来说更能真实反映最大风速变化情况；因此采用20 a资料进行计算。

根据极值Ⅰ型分析法，计算气象站1961—1980年50 a一遇最大风速为V3=25.0 m/s，1981—2016年为V4=20.9 m/s。

(4)《建筑结构荷载规范》风压表估算法

目前通用的《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)中全国风压表是以气象站10 m高度测风数据计算得到的，在风压表中查得榆林市50 a一遇设计风压为0.4 kN/m2。根据风压公式反推，计算得该地区10 m高度50 a一遇的最大风速为V5=25.3 m/s。

(5)1 d及5 d设计风速取样法

根据气象站及风电观测场2007年2月至2008年1月的逐时观测值，分别挑选出1 d及5 d最大风速组成新的风速系列，按照极值Ⅰ型分析法计算设计风速。5 d最大风速取样法能够较好的反映年内风速的变化，符合实际大气系统的移动周期，可以简单、完整地在一整年的实测风速中获取样本，目前该取样方法已经广泛应用在最大风速估算中，结果较好[11]。

表1 1 d及5 d取样法计算的50 a一遇最大风速 m/s

2.3 50 a一遇最大风速的确定

3 结论与讨论

(1)榆林气象站年最大风速有逐年减小的趋势，气候倾向率为0.845 (m/s)/10 a，但减小的趋势不显著，最大风速在1980年发生突变。

(2)以风速突变点为分界，分别根据极值Ⅰ型分析法及建筑结构荷载规范计算气象站50 a一遇最大风速。结果显示，利用极值Ⅰ型分析法计算1961—1980年的结果与建筑结构荷载规范计算的结果相近，分别为25.0 m/s和25.3 m/s。

(3)用1 d及5 d设计风速修正后的最大风速值差别较大，其中以1 d修正气象站突变前风速(1961—1980年)得到的50 a一遇最大风速的结果最大，与《建筑结构荷载规范》计算的成果相接近，二者相互验证，最终确定风电场50 a一遇最大风速为25.3 m/s，相应风压为0.4 kN/m2。

(4)只应用了榆林气象站及当地风电观测场风速进行计算，没有利用更多的数据进行验证，后续还需进行深入研究，以期得到确定50 a一遇最大风速的普适方法。