不同气候下海峡两岸建筑抗风标准之基本风速比较

董锐　李狄钦　罗元隆　刘国买

摘   要：为明确闽台两地基本风速的合理取值，以台北市某气象站1961-2015年的实测风速数据为研究对象，基于两岸现行建筑结构抗风标准，分别选用年最大风速法和台风风速法取样，采用极值I型分布模型，对不同气候模式下的基本风速进行了比较研究. 结果表明：对于相同的风速观测数据，根据台湾建筑抗风标准TB2015获得的极值风速略小于现行建筑抗风标准GB50009获得的极值风速（福建），而基本风速正好相反，但是两者之间的差别均很小;台风气候模式下的极值风速/基本风速预测值要大于混合气侯模式下的对应值，且与实测极值/基本风速最为接近，误差均小于0.5%;对于受台风影响严重的海峡两岸地区，建议采用以台风风速法取样的台风气候模式下的基本风速.

关键词：基本风速;极值风速;台风;季风;混合气候;台湾海峡;重现期

中图文分类号：TU312.1                           文献标志码：A

Comparative Study of Basic Wind Speeds under Different

Climatic Conditions at Both Sides of Taiwan Strait

DONG Rui1，2?，LI Diqin1，LUO Yuanlong2，LIU Guomai3

（1. College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350108，China;

2. Wind Engineering Research Center，Tamkang University，New Taipei，Taiwan 25137，China;

3. Fuzhou University of Technology，Fuzhou，Fujian 350118，China）

Abstract：In order to determine a reasonable value of basic wind speed  at both sides of Taiwan Strait，comparative study of extreme and basic wind speed under different climate conditions are carried out in this paper. The measured wind speed data are obtained from a meteorological station in Taipei from 1961 to 2015. The extreme and basic wind speed are estimated through Gumbel distribution adopted by building wind resistant design standards at both sides of the Taiwan Strait. The annual maximum wind speed sampling method and typhoon wind speed sampling method correspond to the mixed and typhoon climate conditions，respectively. The results show that，for the identical wind speed observation data，the extreme wind speed obtained by building wind resistant design standard in Taiwan TB2015 is slightly less than that obtained by current national building wind resistant design standard（GB50009） in Fujian，and the basic wind speed is just opposite，but the estimated wind speed difference between the two standards is very small. The extreme/basic wind speed under typhoon climate is larger than the corresponding value under mixed climate，and is closest to the measured extreme/basic wind speed within an error less than 0.5%. For both sides of the Taiwan Strait severely affected by typhoons，the estimated wind speed under typhoon climate condition is suggested to adopt as the basic wind speed.

Key words：basic wind speed;extreme wind speed;typhoon;monsoon;mixed climate;Taiwan Strait;return period

風速作为基本气象要素之一，在土木工程结构抗风设计中起着重要的基础性作用. 随着我国经济的快速发展，高层建筑、大跨屋盖和长跨桥梁等风敏感结构不断涌现，风荷载逐渐成为结构设计中的控制性荷载之一，而基本风速的取值决定着风荷载的大小，是结构抗风设计中至关重要的一环[1-2]. 我国地域辽阔，不同地区的气候特征差异明显. 内陆地区通常季风起主导作用，风速随季节的分布具有明显的规律;东南沿海地区很多情况下台风起主导作用，台风特异性强，强度和发生频率离散性大，属于中小尺度气候，与大尺度季风气候差异明显. 虽然台风发生的概率小于季风气候，但其平均风速却远大于季风的平均风速[3]. 鉴于不同气候模式下基本风速存在较大差异，为确定合理可靠的基本风速以指导结构抗风设计，国内外学者开展了相关研究.

Gomes和Vickery[4]认为混合气候下的风环境可能由几种来自不同物理过程的风或服从不同母样分布的风组成，这些不同来源的风速组成的样本违背了样本独立、均一的原则. 建议将不同成分的风速区分开来，对各风速成分进行单独的极值分析，再综合各成分分析结果来推断混合后的极值风速. 田玉基等[3]在研究建筑结构围护构件的风荷载时指出，对于我国受台风影响严重的东南沿海地区，《建筑结构荷载规范》将台风和季风风速年最大值相混杂确定基本风速的方法，存在理论上的偏差，与美国、日本、澳大利亚等发达国家/地区的基本风速预测方法存在一定差距，建议分别开展台风、季风不同气候模式下基本风速的比较研究，然后综合确定台风地区的基本风速. 赵林[5]基于上海崇明越江通道工程，分别进行了良态气候和台风气候下的平均风速预测. 研究发现，基于良态气候得到的100年重现期基本风速为33 m/s，比台风气候下的39.6 m/s约小20%. 卢安平[6]基于上海崇明气象站1971-2007年间的实测风速资料，分析了良态气候、良态与台风混合气候以及台风气候下不同重现期的基本风速. 结果表明，台风气候下不同重现期的基本风速预测值最大，混合气候下的次之，良态气候下的最小. 李强[7]对杭州不同气候模式下的极值风速进行了比较分析，发现不同气候模式下的极值风速存在明显区别. Zhang、Solari等[8]研究了Upper Tyrrhenian海附近区域考虑雷暴天气的极值风速估计，分别将不同气候下的风速数据进行分离后再计算基本风速，并将预测值与意大利规范值进行对比，发现两者存在较大差异. Harris和Cook[9]提出了OEN法（Offset Elliptic Normal method），将风速和风向记录作为一对二维矢量，并将该方法应用于南澳大利亚阿德莱德这类较典型的混合气候地区的风速分析[10]. Lombardo和Ayyub[11]以美国华盛顿特区三座机场近70年的风速观测数据为分析對象，采用极值I型分布，对该地区热带气旋、温带气旋、雷暴和混合气候模式下的极值风速进行了研究，结果表明，该地区的极值风速由雷暴控制.

近几十年来，随着经济发展和技术进步，许多地区的测风仪器进行了更新，仪器位置和记录方法也可能发生了变化，故很少有地方能够获得时间超过50年的真正均匀的风速记录. 因此，国内外学者对不同气候下基本风速的研究，更多的是基于数值模拟获得的伪风速样本开展的，而基于实测风速资料的研究略显不足. 尽管国内外研究表明不同气候模式下的基本风速存在较大差异，但就我国目前而言，不同气候下基本风速的对比研究似乎没有得到足够的重视.

台湾海峡两岸的台湾和福建均位于北回归线附近，地形地貌皆以山地丘陵为主，且均受西北太平洋热带气旋和亚热带季风气候的影响，是世界上风致灾害，尤其是台风灾害，最严重的区域之一. 尽管台湾与福建的气候条件和地形地貌有很多相似之处，但由于多种原因，两岸建筑结构风荷载标准中基本风速的取值却存在较大区别. 福建地区风荷载标准确定基本风速时采用年最大风速法取样，风速样本以年为单位选取一个最大值，不区分台风与季风气候，可以视为混合气候下的一种基本风速. 台湾地区风荷载标准采用台风风速法取样并确定基本风速，该方法仅考虑台风气候下的风速，不考虑季风的影响，基于此样本得到的风速可视为台风气候下的基本风速. 由于风速样本取样方法不同，使得两岸标准给出的台湾地区同一地点的基本风速存在较大差别. 以台北市50年重现期的基本风速为例，按照福建地区的标准为33.5 m/s，而台湾地区的规范值为42.5 m/s，两者相差约27%，对结构抗风设计影响显著. 目前，两岸标准对基本风速的规定均没有考虑不同气候类型的影响，年最大风速取样法有可能会忽略一年中多次强台风的影响，而台风风速取样法则有可能会忽略强季风的影响，开展不同气候模式下基本风速的可靠性评估，是闽台两岸风敏感基础设施建设中需要解决的一个重要问题，对两岸行业标准共通和平潭“一岛两标”建设工作具有明确的现实需求和工程应用价值.

本文以台北市某气象站1961-2015年共55年的实测风速资料为研究对象，对闽台两岸不同气候模式下的基本风速进行比较研究，供两岸建筑结构抗风设计时参考.

1   风速数据概况

基本风速[12-15]指的是开阔平坦地貌条件下，地面/水面以上10 m高度处，某一重现期（对建筑结构，重现期一般为50年;对桥梁结构，重现期一般为100年）的10 min平均最大风速. 基本风速的确定通常包含地面粗糙度类别、离地面/水面的高度、平均风速时距、平均风速样本选取方法、重现期和极值统计方法6个要素. 台湾地区现行的建筑风荷载标准为2015版《建筑物耐风设计规范及解说》（以下简称TB2015），福建地区现行的建筑风荷载标准为地方标准《福建建筑结构风压规程》（DBJ/T13-141-2011）和国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）. 由于福建地方标准以国家标准为基础编制，基本风速的确定方法与具体数值与国家标准完全相同，故本文基本风速比较中福建地区的标准统一采用2016年修订版《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）（以下简称GB50009）. 比较TB2015和GB50009可以发现，海峡两岸对基本风速的定义基本相同，但风速样本的选取方法存在显著不同，使得两岸标准给出的台湾地区主要城市50年重现期的基本风速存在较大差别，如表1所示.

由表1可知，TB2015对台湾主要城市基本风速的划分更加细致，同时给出的基本风速值大部分情况下要大于GB50009给出的对应值. 本文中两岸基本风速的比较研究主要针对两岸建筑结构风荷载标准方法展开.

1.1   数据来源

本文数据来源于台北市某气象站，共有2组. 第1组为1961-2015年历年逐小时风速数据（1993-1996年数据缺失），第2组为1961-2015年登陆或影响台北市的117个台风风速数据，如图1所示. 其中台风风速指台风期间风速仪记录的10 min时距平均风速的最大值.

根据图1显示，1961-1990年间10 min平均风速有逐渐降低的趋势，1990年后开始趋于平稳，主要原因在于测站周围地貌发生了变化. 1980年至1990年间，台北市兴建了一些中高层建筑，故导致测站风速仪高度处所测到的风速略有降低.

本文中的气象站风速仪离地面高度为34.9 m，风速样本的采样时距为10 min，测站周围地貌如图2所示[16].

由图2可知，气象站周围地貌类型为小市镇. 根据TB2015，该气象站地貌类型为B类;根据GB50009，该地貌类型为C类. 需要说明的是，TB2015中的B类地貌与GB50009中的C类地貌基本相当.

1.2   数据取样处理

本文主要对混合和台风气候模式下台北市基本风速的预测进行比较研究. 对于混合气候模式，采用年最大风速法取样，即每年取一个最大10 min平均风速，由若干年的数据组成极值风速样本，该方法对应的是GB50009标准方法;对于台风气候模式，采用台风风速法取样，即每次台风发生期间取一个最大10 min平均风速，由若干个台风数据组成极值风速样本，该方法对应的是TB2015标准方法.

本文基本风速的确定过程分为3步：

1）选取极值风速样本. 混合气候模式下的极值风速样本采用年最大风速法取样，台风气候模式下的极值风速采用台风风速法取样.

2）计算不同重现期的极值风速. 分别按GB50009和TB2015中的计算方法，采用极值I型分布对两组极值风速样本进行分析，得到混合与台风气候模式下不同重现期的极值风速.

3）计算不同重现期的基本风速. 由步骤2）计算得到的极值风速，需要根据不同地貌、不同高度处平均风速的关系转换为开阔平坦地貌，10 m高度处的10 min最大平均风速即基本风速.

2   概率模型和极值风速预测

TB2015与GB50009计算极值风速时均采用极值I型概率分布模型，参数估计均采用矩估计法，但两者分布参数的取值存在区别.

2.1   概率模型

极值I型概率分布函数为：

F（x） = exp{-exp[-α（x - u）]}

α =

u = μ -

（1）

式中：x为年/台风极值风速样本;u为分布的位置参数;α为分布的尺度参数;σ为样本的标准差;μ为样本的平均值.

GB50009中极值I型分布的参数取值与样本容量n有关. 当样本有限时，以样本的均值[x]和标准差 σ1作为μ和σ的近似估计，此时的分布参数u和α按式（2）计算：

α =

u = [x] -

（2）

式中：C1和C2为系数，根据样本容量n的大小按GB50009表E.3.2取用.

TB2015风速预测时，μ和σ的取值不受样本容量的影响，直接由样本均值[x]和标准差σ1替代，不另外进行取值. 此时的分布参数按式（3）计算：

α =

u = [x] -

（3）

比较公式（2）和（3）可知，闽台两岸参数估计的主要区别是GB50009中系数C1和C2的取值随样本数量而变化，而TB2015中取固定值.

2.2   极值风速预测

闽台两岸极值风速预测时依据的原理相同，但由于风速样本性质不同，使得具体计算过程存在明显区别. 下面分别对闽台两岸标准方法进行介绍.

2.2.1   GB50009極值风速计算公式

根据式（1）和（2）确定极值I型分布后，重现期为T年的最大风速xT，即极值风速，可按式（4）确定：

xT = u - lnln

（4）

2.2.2   TB2015极值风速计算公式

TB2015采用台风风速法取样，此时的风速样本是以台风发生的次数作为取样单位，由于极值风速是以年为单位计算获得，需要首先将台风风速样本转化为以年为单位的风速样本，然后才能进行不同重现期的极值风速计算. TB2015计算极值风速的原理可以分为以下3步：

第1步，将台风风速样本按从小到大顺序排列，并通过Gringorten[17]所建议的公式（5）计算出每个风速对应的非超越概率，并作出基于台风独立事件的极值风速非超越概率分布图（含Gumbel拟合分布）. 本文图1（b）中的台风风速样本对应的概率分布如图3所示.

Fi =          （5）

式中：i为Xi按升序排列后排第i个位置;n为样本容量.

第2步，为了符合年破坏超越概率的计算，需将台风独立事件的极值风速分布曲线，经由泊松假设，按公式（6）换算为年极值风速分布曲线[16]，如图4所示. 其中拟合曲线Gumbel-fityr表示已转换为泊松过程的结果.

Fyear = e         （6）

式中：λ = 117/55 = 2.127 3为本文气象站平均每年台风发生的次数.

第3步，由图4并结合公式（1）和（6）即可计算得到台风气候下台北市不同重现期的极值风速.

可以发现，上述极值风速的计算过程较复杂，为方便计算，TB2015中给出了一种等效简化算法. 该算法假设台风的发生是独立的，且在小时间间隔Δt里，其发生的概率与Δt成正比，则可将台风事件的发生模拟成泊松过程，此时每年最大风速X大于某一风速x的概率可表示为：

P（X > x） = 1 - exp{-[1-FX（x）]λ}        （7）

欲求T年重现期的风速，即求解xT，使得P（X > xT） = 1/T，则根据公式（1）和（7）即可求得xT：

xT = u - ·lnln1 +

（8）

由上述分析可得闽台两岸標准预测极值风速的异同点汇总如表2所示.

如果将风速样本的选取方法与两岸极值风速预测标准方法分开考虑，则GB50009方法（简称GB方法）和TB2015方法（简称TB方法）分别对应以下两种类型，如表3所示. 以下讨论中的GB方法和TB方法均指表3中的内容.

3   不同气候模式下的极值风速比较

3.1   混合气候模式下的极值风速

混合气候模式下的极值风速样本采用年最大风速法取样，不区分台风与季风气候. 根据台北某气象站数据获得混合气候模式下的极值风速样本分布如图5所示.

由于混合气候模式下的极值风速样本以年为时间单位取样，无需转换，可直接采用式（4）进行计算. 分别采用GB方法和TB方法对图5中的数据进行分析，得台北市不同重现期的极值风速如表4所示.

由表4可知，对于混合气候模式，按照TB方法获得的极值风速与GB方法相比较，平均约小4.8%，并且两者之间的差距随重现期的增加呈变大的趋势，但差距相对较小. 由于GB50009参数估计时，是以样本均值及标准差近似替代总体均值及标准差，并且参数取值与样本容量相关，只有当样本容量足够大时（n > 1 000），才以样本均值及标准差替代总体均值及标准差. 而TB2015直接以样本均值及标准差替代总体均值及标准差，使得到的分布参数变大，从而导致极值风速预测结果偏小.

3.2   台风气候模式下的极值风速

台风气候模式下的极值风速样本采用台风风速法取样，不考虑季风的影响. 根据台北某气象站数据获得台风气候模式下的极值风速样本分布如图1（b）所示. 由于台风气候模式下的极值风速样本是以台风发生的次数作为取样单位，需要首先转换为以年为单位的风速样本，才能够进行不同重现期的极值风速预测，该过程对应本文中的式（5）和式（6）. 分别采用GB方法和TB方法对图1（b）中的数据进行分析，得台北市不同重现期的极值风速见表5.

由表5可得，对于台风气候模式，按照TB方法计算得到的不同重现期的极值风速小于GB方法的对应值，平均约小3.5%，并且两者之间的差距随重现期的增加呈变大的趋势，但差距相对较小，主要是因为两岸标准参数估计时，参数取值不同造成.

3.3   不同气候模式下的极值风速对比

将台北市不同气候模式下的极值风速进行比较，汇总如表6所示.

由表6可知，无论采用GB方法还是TB方法，台风气候模式下的极值风速均大于相同重现期时混合气候模式下的极值风速，且差别明显. 依GB方法，台风气候模式下的极值风速比混合气候模式下的对应值大12.26% ～ 12.83%;依TB方法，台风气候模式下的极值风速比混合气候模式下的对应值大12.81%～14.73%.

根据1961-2015年实测历年逐小时风速数据，可得55年内测站处的实测最大极值风速为28.3 m/s（34.9 m高处的10 min平均风速）. 实测极值风速与按GB方法及TB方法预测得到的50年重现期极值风速比较如表7所示.

其中，误差按照式（9）计算：

err =        （9）

式中：x为极值风速预测值;x′为极值风速实测值.

由表7可知，如果将极值风速实测值28.30 m/s作为标准，则根据台风气候模式获得的极值风速预测值更接近实测值，并且取值略偏保守. 按照混合气候模式获得的极值风速预测值与实测值相比偏差较大，且取值偏于危险. 对于相同的风速样本，按照GB方法获得的极值风速预测值要大于相同情况下采用TB方法的对应值.

近几十年来，我国建筑结构抗风设计规范经历了6个版本的修订与完善[18]，但是对于东南沿海台风多发地区仍然采用年最大风速法取样，没有单独考虑台风气候模式下的极值风速，存在明显不足. 由上述分析可知，对于地处东南沿海的台湾海峡两岸，采用年最大风速法取样获得的混合气候模式下的极值风速明显偏小，建议采用台风风速法确定该地区的极值风速.

4   不同气候模式下的基本风速比较

根据我国现行标准[12-15]的定义，只有开阔平坦地貌10 m高度处不同重现期的10 min平均风速称为基本风速，除此外计算所得风速均称为极值风速.

鉴于闽台两岸建筑结构抗风设计规范给出的风速均为基本风速/风压，为了能够对两岸基本风速规范值进行比较和评估，需先将第3部分中的极值风速转换为基本风速. 将本文中的极值风速转换为标准条件下的基本风速，需要进行地貌类别和高度的转换.

海峡两岸风荷载规范对地貌类别的划分存在区别，GB50009将地貌类别划分为A、B、C、D共4类，而TB2015将台湾地区的地貌类别分为A、B、C共3类. 两岸规范中不同地面粗糙度类别中梯度风高度zg、平均风速剖面指数α的规定见表8.

由表8可知，标准地貌类别分别对应TB2015中的C类地貌和GB50009中的B类地貌. 根据平均风速的幂指数率和梯度风高度处风速相等的假设，可以将气象站测风仪获得的极值风速转换为标准地貌处的基本风速. 转换过程分为两步：第一步是由非标准地貌34.9 m高度处的极值风速计算得到梯度风高度处的梯度风速，定义该系数为地貌类别转换系数s;第二步根据梯度风高度处风速相等的假设，采用指数率获得标准地貌类型10 m高度处的基本风速，定义该系数为高度转换系数l. 基本风速Ubasic和极值风速Uextreme之间的转换公为式为，

Ubasic = （s·l）Uextreme         （10）

式（10）中各系数的取值如表9所示. 可以发现，将极值风速转换为基本风速时，GB方法比TB方法约小7.27%.

根据表9可以将第3节获得的极值风速转换为标准条件下的基本风速，如表10所示.

由表10可知，对于相同的风速样本，经地貌和高度转换后，依据TB方法获得的基本风速均略大于相同情况下依据GB方法获得的对应值. 对于混合气候模式下的基本风速，TB方法获得的预测值比GB方法平均大2.4%;对于台风气候模式下的基本风速，TB方法获得的预测值比GB方法平均大3.6%. 无论采用何种方法，台风气候模式下的基本风速均大于混合气候模式下的基本风速，但是均小于规范值. 如果以50年重现期的基本风速实测值作为基准，则台风气候模式下的基本风速预测值最接近，混合气候模式下的基本风速预测值偏于危险，而现行规范值偏于保守，尤其是TB2015给出的规范值太过保守.

上述不同气候下台北市的基本风速比较，只是将不同方法计算获得的风速与实测风速进行对比，未进行拟合优度检验. 下面将通过K-S检验，对不同气候下的计算方法的优劣性进行比较分析，详细过程见文献[19]，结果列于表11.

根据表11可知，采用GB方法和TB方法计算获得的预测风速K-S检验值均小于相应的临界值，故两种方法均可用于基本风速的预测. 根据K-S检验值越小拟合效果越好的原则，台风气候下的预测风速的拟合效果优于混合气候模式，且采用TB方法获得的台风气候下的预测风速拟合效果最佳，该结论与表10的结论一致. 对于受台风影响严重的海峡两岸，建议采用台风气候模式下的基本风速.

5   结   论

1）对于相同的风速观测数据，根据TB方法获得的极值风速预测值略小于GB方法，且两者之间的差距随重现期的增加呈变大的趋势，而基本风速预测值正好相反，但是两者之间的差距均较小;

2）極值I型参数估计时，对于GB方法，系数C1和C2的取值随样本数量而变化，而TB方法取固定值，使得GB方法获得的极值风速预测值略大于TB方法;

3）根据平均风速随高度变化的幂指数率和梯度风高度处风速相等的假设，将极值风速转化为标准条件时的基本风速时，依据TB方法获得的转换系数要大于GB方法，对于本文中的数据，约大7.27%;

4）无论采用GB方法还是TB方法，台北市在台风气候模式下不同重现期的极值风速均大于混合气候模式下的对应值. 采用TB方法获得的台北市在台风气候模式下的50年重现期极值风速预测值与实测风速最接近，偏差小于0.5%;

5）台风气候模式下的基本风速与实测风速最接近，且均大于混合气侯模式下的基本风速.对于受台风影响严重的海峡两岸，建议采用台风气候模式下的基本风速.

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