吳素良，王 琦，張 俠，張文靜，郝 麗

(陜西省氣候中心，西安 710014)

大風災害是常見的氣象災害，其影響廣泛，相關研究也涉及多個方面，如大風規(guī)律特性[1-2]、災害評估[3]以及區(qū)劃[4-5]等。最大風速是給定時段內的10 min平均風速的最大值，應用時會有局限性。比如輸電線路工程發(fā)生大風災害時，同期氣象站的最大風速并未超過線路的設計風速，依然發(fā)生斷線倒塌事故，而極大風速(3 s平均風速的最大值)大幅超過同時最大風速。由于災害性大風一般持續(xù)時間較短且風力強勁，而最大風速相比該時段內的極大風速會偏小很多，難以準確反映災害性大風的實際情況。研究發(fā)現(xiàn)，最大風速與極大風速間有較好的線性關系[6-7]，線性擬合與多項式擬合的結果差異較小，即多項式擬合方法對擬合精度的提高不明顯[8-9]，同時日最大風速與日極大風速之間有顯著線性相關關系，因此用線性回歸分析方法推算日極大風速是合理的。但各擬合方法對奇異點(如極大值)的擬合誤差較大，擬合能力不高。目前極大風速的系統(tǒng)觀測資料已有10余年，最大風速則有40年以上。研究極大風速與同期最大風速之間相關關系具有實用價值，可滿足相關行業(yè)的需求。

1 資料

極大風速觀測項目開展較晚，個別氣象站在2006年左右開展極大風速的觀測?？紤]到陜西黃土高原輸電線路常發(fā)生大風災害以及氣象站的極大風速觀測記錄完整性，選取榆林、神木、定邊、府谷、綏德以及白水6個氣象站開展極大風速與最大風速關系初步研究，確定推算極大風速方法的可行性。

選取上述6個氣象站2006—2016年共11年逐日的極大風速和同期10 min最大風速資料作為研究數(shù)據(jù)。不計缺測資料，每個氣象站的數(shù)據(jù)均超過4 000組,2016年數(shù)據(jù)超過360個。6個臺站的基本情況見表1。

2 分析方法

在進行統(tǒng)計分析時，利用2006—2015年的逐日極大風速與同時期最大風速資料作為回歸分析資料，利用2016年逐日極大風速與同時期最大風速資料對回歸方程進行檢驗?；貧w分析具體方法如下。

表1 陜西黃土高原地區(qū)6個氣象站的基本信息

設：日極大風速為y,日10 min平均最大風速為x。對資料進行回歸分析時，分別建立線性回歸方程和二次、三次多項式回歸方程：

yi=axi+b,

(1)

(2)

(3)

利用回歸方程的相關系數(shù)或復相關系數(shù)進行顯著性檢驗，結合各方程的擬合誤差選擇推算極大風速的回歸方程。利用2016年逐日極大風速與同時期最大風速資料對回歸方程進行檢驗，分析各站推算值與觀測值的平均絕對誤差。綜合分析擬合誤差和推算誤差，判斷擬合方程的可靠性。

3 回歸方程的確定

利用公式(1)、(2)、(3)分別建立6個氣象站2006—2015年極大風速和同時期最大風速數(shù)據(jù)的回歸方程，方程擬合值的平均絕對誤差與(復)相關系數(shù)見表2。各站樣本數(shù)均大于3 600，線性方程和多項式方程的(復)相關系數(shù)均大于0.94，均通過了α=0.001的顯著性檢驗，擬合方程顯著。各回歸方程2006—2015年極大風速擬合值的平均絕對誤差均小于0.9 m/s。相對線性擬合結果,二次多項式和三次多項式的擬合結果的平均絕對誤差減小不足0.04 m/s,因此在用最大風速推算極大風速時，確定采用線性回歸方程。

表2 陜西黃土高原地區(qū)6站線性與多項式推算日極大風速擬合方法結果

所選6個氣象站極大風速和同期最大風速數(shù)據(jù)計算的線性回歸方程與線性擬合線見圖1。從6站的線性回歸方程來看，白水的斜率最大為1.716 9，綏德最小為1.449 3，除白水截距為-0.018外，其它各站的截距均大于0。依次推斷，極大風速明顯大于最大風速，平均超過最大風速44%以上，白水平均超過70%。

4 線性回歸方程驗證

利用2016年逐日極大風速與同時期最大風速資料對回歸方程進行檢驗(表3)，可看出各站2016年推算值與觀測值平均絕對誤差在0.9～1.7 m/s之間。府谷最大，為1.7 m/s；白水最小，為0.9 m/s。平均相對誤差在15%以下，定邊與綏德最大達15%，白水最小為10%。說明擬合方程均可信。

表3 陜西黃土高原地區(qū)6站2016年極大風速推算誤差

圖1 陜西黃土高原地區(qū)6站極大風速與最大風速散點圖及線性擬合線

由表3可看出，定邊擬合值與推算值的平均相對誤差最大。圖2給出定邊2016年逐日極大風速的觀測值與推算值的對比圖。定邊的推算值與觀測值大部分擬合的很好，365個推算值中：275個的絕對誤差值小于2 m/s,占總數(shù)的75%以上，其中184個小于1 m/s,占50%以上；24個絕對誤差值大于5 m/s,占比不足7%。最大誤差出現(xiàn)日序為157(6月5日)，誤差為-10.1 m/s。2016年極大風速觀測值為21.5 m/s，預測最大值為19.7 m/s，相差1.8 m/s。總體而言，各臺站特征值誤差范圍不大，其線性擬合亦很顯著，推算值亦可信。

圖2 定邊2016年極大風速觀測值與推算值

4 結論

(1)大風災害一般持續(xù)時間較短且風力強勁，相比10 min平均值的最大風速，極大風速取時短，表征更精確，所選陜西6站的極大風速超過最大風速44%以上，更能準確反映災害性大風的實際情況。

(2)陜西6站極大風速與最大風速的線性回歸方程擬合效果很好，各站相關系數(shù)均大于0.94, 平均絕對誤差均小于0.9 m/s；各站2次項、3次項的平均絕對誤差相對線性擬合方程減少不超過0.04 m/s，因此采用線性回歸方程推算極大風速。

(3)陜西6站2006—2015年擬合方程給出2016年的推算值與觀測值平均絕對誤差在0.9～1.7 m/s之間，平均相對誤差在15%以下，擬合方程可信。