УДК 551.553,6(571,642)
Распределение экстремальных скоростей ветра на острове Сахалин
Э, Като*, В. Ю. Савельев*, Г. В. Шевченко**
На примере нескольких метеорологических станций, расположенных на о. Сахалин, показано, что распределения годовых максимумов скорости ветра, полученные на основе инструментальных и флюгерных наблюдений, существенно различаются (особенно для срочных наблюдений, несколько в меньшей степени дм максимального порыва). На основе только данных инструментальных наблюдений (анеморумбометр М-63М) на 31 метеорологической станции СахУГКС за период не менее 22 лет получены значения расчетных скоростей ветра редкой повторяемости и построены карты распределения по территории острова значений, возможных раз в 50 лет.
Введение
Экстремальные скорости ветра — одна из наиболее востребованных метеорологических характеристик, знание которых необходимо при решении широкого круга научных и прикладных задач. Чаще всего такие задачи возникают при определении ветровых нагрузок на проектируемые сооружения, связанные с развитием промышленности, систем транспорта и связи, линий электропередачи и т. д. Строительство на Сахалине и в области прилегающего шельфа различных объектов, связанных с развитием нефтегазового комплекса, повышает требования к точности предоставляемой гидрометеорологической информации, в том числе и к оценкам экстремальных характеристик ветра. Известно много примеров, когда при выходе глубоких циклонов воздействие ветра приводило к значительному материальному ущербу. Прежде всего страдают объекты энергетики, портовые сооружения, неоднократно в разных населенных пунктах ветром срывало кровли и выбивало стекла в административных зданиях и жилых домах. Так что определение расчетных скоростей ветра для о. Сахалин является актуальной задачей.
В то же время существует ряд сложностей при расчете необходимых характеристик, которые обусловлены тем обстоятельством, что имеющиеся ряды данных наблюдений неоднородны из-за использования разной инструментальной базы — ранее измерения производились при помощи флюгера Вильда, позднее были установлены анеморумбометры М-63. И
* Сахалинское межрегиональное территориальное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
** Институт морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской академии наук.
если для оценки средних скоростей не было обнаружено существенных различий [13, 14], то максимальные значения различались существенно, что, в частности, было обнаружено при анализе наблюдений на Сахалине Р, 5].
Эта проблема привлекала большое внимание специалистов, в результате ряда выполненных исследований были получены пересчетные коэффициенты, которые позволили привести флюгерные наблюдения к инструментальным [9, 12]. Как нами было обнаружено [8] (соответствующие примеры также приведены ниже на рис. 2), такой пересчет эффективен только для максимального порыва, и то для данных не всех станций. Для расчета максимальных скоростей ветра по срочным наблюдениям использование этих коэффициентов приводит к значительным ошибкам.
Переход к применению стандартных анеморумбометров М-63 на большинстве сахалинских гидрометеорологических станций произошел в середине 1970-х годов, так что к настоящему времени имеются достаточно продолжительные ряды наблюдений, позволяющие получить оценки экстремальных скоростей ветра редкой повторяемости на основе современных данных, соответствующих существующим международным стандартам. Последнее соображение также имеет существенное значение, так как потребителями гидрометеорологической информации являются ряд иностранных компаний, имеющих опыт работы исключительно с инструментальными данными, соответственно существующим в этих странах нормативным документам. Накопленные к настоящему времени ряды наблюдений позволяют уйти от описанной выше проблемы и произвести расчеты только на основе измерений, выполненных при помощи анеморумбометров. Целью настоящей работы являлось проведение соответствующих расчетов и районирование территории о. Сахалин по расчетным скоростям ветра редкой повторяемости на основе только инструментальных данных.
Материалы наблюдений
Для исследования за период с момента перехода работы метеостанций Сахалина на измерения с помощью анеморумбометра М-63 по 2000 г. были выбраны максимальные значения скорости ветра 10-минутного осреднения и порыва за каждый месяц. Для расчетов всего была отобрана 31 станция (включая о. Монерон). Расположение метеостанций показано на рис. 1. Главным условием отбора было отсутствие пропусков за период инструментальных измерений — на некоторых станциях из-за поломок анеморумбометров возобновлялись флюгерные наблюдения, иногда в течение продолжительного времени.
Для большинства выбранных станций период инструментальных наблюдений составил 22—25 лет, на некоторых — более 30 лет, что позволяет получить прогностические характеристики экстремальных скоростей ветра, в том числе для периодов повторяемости раз в 50 лет и 100 лет, обычно необходимые проектировщикам.
Отметим, что на многих станциях зафиксированные по анеморумбомет-ру значения максимальной скорости 10-минутного осреднения ни разу не достигли 30 м/с, а порыва — 40 м/с, которые в существующих справочниках [15] в большинстве случаев интерпретируются как имеющие период 50
Ныврою
м.Елтжеты
Одопту
повторяемости от 1 до 5 лет. И только в отдельных районах, на открытых мысах, на севере острова, и в особенности на самом юге (м. Крильон) отмечены скорости ветра 35—40 м/с и порывы даже 60 м/с.
Методика расчета
Расчеты скоростей редкой повторяемости производились на основе рядов годовых максимальных значений, а для некоторых станций также по набору месячных максимумов по усеченным выборкам с разными пороговыми значениями. В целом различия в полученных оценках оказались незначительны, поэтому в дальнейших расчетах использовался первый метод, который имеет наибольшее распространение в статистике экстремальных значений различных параметров [4], в том числе и для расчетов скорости ветра [1, Ю, 11].
На рис. 2 приведены эмпирические распределения скорости ветра редкой повторяемости (по срочным наблюдениям и максимального порыва), полученные путем приписывания ранжированным максимумам условных вероятностей по формуле Вейбулла [10, 11], и их аппроксимация функцией Гумбеля с линейной зависимостью от приведенной переменной (подробные выкладки можно найти в [3, 4, 10, 11], поэтому здесь мы их не приводим). Для сравнения приведены также распределения, полученные на основе флюгерных наблюдений за идентичные по длительности интервалы времени, с использованием пересчетных коэффициентов [12]. Полученные результаты расчетов позволяют сделать несколько важных выводов.
Во-первых, выборки годовых максимумов скорости ветра, полученные по инструментальным рядам, для всех станций сравнительно однородны и
и. Терпешт
Южно -Саха.1 и не к
, ( \ \ / КорсаковV 1
^ I уНовиково
* м.Анива
м. Крильон
145 аа
Рис. 1. Расположение метеорологических станций Сахалинского УГМС, наблюдения которых использовались для расчете скоростей ветра редкой повторяемости.
достаточно хорошо описываются предельным распределением первого типа (с линейной зависимостью скорости ветра от приведенной переменной). При этом анализ эмпирических вероятностей и максимумов скорости ветра, полученных на этой же станции путем пересчета результатов флюгерных наблюдений, показал, что эти данные имеют совершенно иное распределение, которое также может быть описано аналогичной функцией, но с другими коэффициентами (дающее завышенные по сравнению с инструментальными измерениями скорости ветра редкой повторяемости). Особенно четко это проявляется для максимумов, полученных по данным срочных наблюдений, для максимального порыва коэффициенты согласуются лучше, но также по данным не всех станций. Этот эффект хорошо заметен по данным станции Корсаков (рис. 2а, б) и в еще большей степени — станции Холмск (рис. 2в, г), а также некоторых других сахалинских метеостанций [8]. Единственным исключением здесь выглядит ситуация в Алек-
Рис. 2. Ранжированные максимальные годовые значения скорости ветра по срочным наблюдениям (а, в, д) и максимального порыва (б, г, е) и их аппроксимация двойным экспоненциальным распределением (/', 2', 3') для наблюдений по флюгеру — по исходным данным (/) и с учетом пересчетных коэффициентов (2) согласно [11], а также по анеморумбометру (5).
По горизонтальным осям отложены — вверху период повторения (годы), внизу — приведенная переменная, линейно связанная со скоростью ветра: а, б—метеостанция Корсаков; в, г—Холмск; д, е — Александровск-Сахалинский.
сандровске-Сахалинском, где линии теоретических распределений по ане-морумбометру и "скорректированному" флюгеру пересекаются (рис. 2д, е).
Естественно, попытки расчета экстремальных скоростей ветра редкой повторяемости по рядам "смешанных" значений также приводят к существенным погрешностям, так как общая дисперсия выборки максимальных значений скорости ветра (от которой зависит угол наклона функции Гумбеля) возрастает, что приводит в итоге к неоправданному завышению результатов.
Несмотря на то, что с пересчетом скорости максимального порыва ситуация несколько лучше, использование данных флюгерных наблюдений и в этом случае представляется нецелесообразным из-за недостаточно четкой фиксации скорости ветра. Так, для большинства станций мы имеем большое число одинаковых значений — например, максимальная скорость ветра 30 или 40 м/с встречается в некоторых выборках до 10 раз, что хорошо видно на рис. 2, чего не наблюдается при измерениях по анеморумбо-мстру. Подобная "потеря чувствительности" прибора также приводит к погрешностям при определении эмпирических вероятностей одинаковых значений скорости ветра в выборке и соответственно в ходе дальнейших вычислений на основе данных флюгерных наблюдений.
Данные современных инструментальных наблюдений, несомненно, гораздо лучший исходный материал для расчетов экстремальных скоростей ветра редкой повторяемости, однако и при их использовании есть некоторые тон
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.