一种电力设计中参证气象站选择的方法

皮春冶 赵 鹰 林海涛

上海电力设计院有限公司

0 背景介绍

气象站的观测资料，通常包含气压、气温、湿度、风速、风向、降水、蒸发、日照、冻土等多项内容，也有个别气象站观测导线覆冰、太阳辐射资源等专项资料。而以上的观测基本内容均是电力勘测设计中的最基础、最重要资料。

依据《电力工程气象勘测技术规程》（DL/T 5158-2012）的规定，在工程设计中，参证气象站选择，应对被选参证气象站观测场与工程点两地的气候一致性、两地地形及海拔差异对气象要素的影响进行查勘分析，对选择的气象站观测资料进行适用性分析，要求观测资料对工程地点具有一定的代表性，且便于移用。

对于如何选择参证站气象没有明确的规定，当工程需要选择参证站气象时，在实际电力工程中经常会出现无法确定参证站气象的问题。例如:某工程选取在某地，单纯地根据参证气象站观测场与工程点两地的气候一致性、两地的地形及海拔差异对气象要素的影响进行查勘分析往往没有定性的参证，仅依靠设计人员个人的经验与已有项目的参证来选取。

例如：某电力工程附近距离最近的气象站有三个，而且三个气象站距离电力工程都比较近，需要选择电力工程的代表气象站。在选择过程中不能单纯地依据距离确定气象站的代表性。一般的方法是将三个气象站均进行代表性分析，选取具有代表性的气象站作为参证站。

上例中的电力工程，由于三个气象站的观测场与电力工程点的气候一致性、地形及海拔差异基本一致，需要将三个气象站的所有气象要素分别进行计算与分析。

首先需要收集三个气象站资料，造成资源浪费；同时设计人员在根据气象要素进行设计时需要分别对比分析计算，当出现个别气象要素差异性较大时，会很难选择，选择结果对工程安全性、设计优化、成本控制都有很大影响。

参证气象站的选择对电力工程设计影响较大，需要进行深入分析计算。本文对工程水文中常用的泰森多边形进行参证气象站选择进行说明。

1 泰森多边形

在水文气象工程中，有一种计算平均面雨量方法—泰森多边形方法。19世纪初，荷兰气象学家泰森提出了一种根据离散分布的气象站的降雨量来计算平均面雨量的方式，即：将所有相邻气象站连成三角形，分别计算这些三角形边的垂直平分线，每个气象站周围的所有垂直平分线便围成一个多边形。用围成的多边形内所包含的唯一一个气象站的降雨强度来表示这个多边形区域内的降雨强度，并称这个多边形为泰森多边形。泰森多边形有以下特性：

1）每个泰森多边形内含且仅含有一个点数据；

2）泰森多边形内的点到相应点的距离最近；

3）位于泰森多边形边上的点到其两边的点的距离相等。

泰森多边形用点的性质来描述区域的性质；可用点的数据来代表并计算区域的数据；判断一个点与其它哪些点相邻时，可根据泰森多边形直接计算得到。若泰森多边形是n边形，则就与n个点相邻；当某一数据点落入某泰森多边形中时，它与相应的点最近，无需计算距离，可以直接计算得到。

简单明了的是选取的参证气象站距离工程地点最近，泰森多边形最初在数学上就是空间插值的一种方法，特点是方法简单易行，精度也较高，但缺点是将空间简化成平面计算。

2 方法介绍

泰森多边形可以将气象站气象要素平均降雨量进行分区，也可以应用泰森多边形的理论依据对气象站的其他气象要素进行分区。泰森多边形的缺点是将空间简化成为平面计算，本方法采用泰森多边形理论的同时，还要对泰森多边形绘制出的区域空间存在河流与山脉等阻隔进行适当改进与分析，从而在使用上避免这一欠缺。

依靠泰森多边形选择参证气象站的方法，是将气压、气温、湿度、风速、风向、降水、蒸发、日照、冻土等多项气象要素内容按照泰森多边形方法进行计算。同时结合地形条件对气象站的代表区域进行详细分析计算，最终确定电力工程参证气象站。

选取内蒙古自治区巴彦淖尔市7座主要分布于河套平原与阴山北侧的气象站作为分析论证。

巴彦淖尔市坐落于中国北方，内蒙古自治区的西面，该市北侧是阴山，南侧是黄河，东连鹿城包头市，西邻阿拉善盟及塞外煤都乌海市，巴彦淖尔市属中温带大陆性季风气候。7个气象站分别为：临河气象站、磴口气象站、五原气象站、杭锦后旗气象站、乌拉特前旗气象站、乌拉特后旗气象站和乌拉特中旗气象站。

根据7个气象站的具体坐标与相对位置，选取任意3个邻近气象站组成三角形，原则上选取的气象站一般为锐角三角形。分别计算组成的三角形垂直平分线的交点，以此类推将7个气象站所覆盖的所有面积都组成三角形，并且求出所有三角形垂直平分线的交点。将各三角形垂直平分线的交点连接成多边形，形成了7个气象站所覆盖的面积划分出多边形。其特点的特性如下：

1）每个多边形内且仅含一个气象站；

2）多边形内的点到对应的气象站的距离最近；

3）多边形边上的点到其两侧的气象站的距离相等。

根据以上计算结果，将气象站坐标，气象站所覆盖的面积划分出多边形分别标记在地形图上。根据气象站的概况可以知道临河、磴口、五原、杭锦后旗、乌拉特前旗的海拔均在1 000～1 100 m之间，高程变化不大，主要为耕地，局部地区有林地与沙地，下垫面情况相似。而乌拉特中旗与乌拉特后旗海拔高度在1 250～1 600 m之间，高程变化也不大，两个气象站均位于阴山北侧，地形主要为低山丘陵为主，植被稀疏，两气象站下垫面情况也比较相似。以上7个气象站在地形、下垫面、气候特征等有较大的区别。利用泰森多边形进行参证气象站的分区，可以较准确地对气象站选择，对分区结果进行分析发现，利用泰森多边形进行气象站选择可以清楚明了地将地形、下垫面、气候特征比较接近的气象站进行分区，选择结果与地形、下垫面、气候特征较接近，可以利用泰森多边形对参证气象站进行选择。

3 小结

利用泰森多边形选择参证气象站的方法有以下优点：参证气象站选择方法采用的思路简单，方法简便易操作，结果实现容易，结合地形图分析清楚明了，对于工程适用性较强；进行参证气象站选择的方法主要考虑距离这一最关注的因素，实现的计算结果在地形图上反映比较直观，同时对于地形、下垫面、气候特征比较接近的参证气象站进行选择，适用性较好；当地形、下垫面、气候特征有较大的差异时，可以根据实际情况与参证气象站的相对位置，综合考虑不同参证气象站的比重的理论依据，从而确定电力工程的参证气象站。

在电力工程设计中，利用泰森多边形选择参证气象站的方法，能在较多气象站的情况下，选取具有代表性的气象站，对电力工程的设计提供较大便利，对电力工程的设计准确度与合理优化起到一定作用，同时也可以节省工作时间，优化工作效率。