一種電力設(shè)計(jì)中參證氣象站選擇的方法

皮春冶 趙 鷹 林海濤

上海電力設(shè)計(jì)院有限公司

0 背景介紹

氣象站的觀測資料，通常包含氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降水、蒸發(fā)、日照、凍土等多項(xiàng)內(nèi)容，也有個(gè)別氣象站觀測導(dǎo)線覆冰、太陽輻射資源等專項(xiàng)資料。而以上的觀測基本內(nèi)容均是電力勘測設(shè)計(jì)中的最基礎(chǔ)、最重要資料。

依據(jù)《電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5158-2012）的規(guī)定，在工程設(shè)計(jì)中，參證氣象站選擇，應(yīng)對被選參證氣象站觀測場與工程點(diǎn)兩地的氣候一致性、兩地地形及海拔差異對氣象要素的影響進(jìn)行查勘分析，對選擇的氣象站觀測資料進(jìn)行適用性分析，要求觀測資料對工程地點(diǎn)具有一定的代表性，且便于移用。

對于如何選擇參證站氣象沒有明確的規(guī)定，當(dāng)工程需要選擇參證站氣象時(shí)，在實(shí)際電力工程中經(jīng)常會出現(xiàn)無法確定參證站氣象的問題。例如:某工程選取在某地，單純地根據(jù)參證氣象站觀測場與工程點(diǎn)兩地的氣候一致性、兩地的地形及海拔差異對氣象要素的影響進(jìn)行查勘分析往往沒有定性的參證，僅依靠設(shè)計(jì)人員個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)與已有項(xiàng)目的參證來選取。

例如：某電力工程附近距離最近的氣象站有三個(gè)，而且三個(gè)氣象站距離電力工程都比較近，需要選擇電力工程的代表氣象站。在選擇過程中不能單純地依據(jù)距離確定氣象站的代表性。一般的方法是將三個(gè)氣象站均進(jìn)行代表性分析，選取具有代表性的氣象站作為參證站。

上例中的電力工程，由于三個(gè)氣象站的觀測場與電力工程點(diǎn)的氣候一致性、地形及海拔差異基本一致，需要將三個(gè)氣象站的所有氣象要素分別進(jìn)行計(jì)算與分析。

首先需要收集三個(gè)氣象站資料，造成資源浪費(fèi)；同時(shí)設(shè)計(jì)人員在根據(jù)氣象要素進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要分別對比分析計(jì)算，當(dāng)出現(xiàn)個(gè)別氣象要素差異性較大時(shí)，會很難選擇，選擇結(jié)果對工程安全性、設(shè)計(jì)優(yōu)化、成本控制都有很大影響。

參證氣象站的選擇對電力工程設(shè)計(jì)影響較大，需要進(jìn)行深入分析計(jì)算。本文對工程水文中常用的泰森多邊形進(jìn)行參證氣象站選擇進(jìn)行說明。

1 泰森多邊形

在水文氣象工程中，有一種計(jì)算平均面雨量方法—泰森多邊形方法。19世紀(jì)初，荷蘭氣象學(xué)家泰森提出了一種根據(jù)離散分布的氣象站的降雨量來計(jì)算平均面雨量的方式，即：將所有相鄰氣象站連成三角形，分別計(jì)算這些三角形邊的垂直平分線，每個(gè)氣象站周圍的所有垂直平分線便圍成一個(gè)多邊形。用圍成的多邊形內(nèi)所包含的唯一一個(gè)氣象站的降雨強(qiáng)度來表示這個(gè)多邊形區(qū)域內(nèi)的降雨強(qiáng)度，并稱這個(gè)多邊形為泰森多邊形。泰森多邊形有以下特性：

1）每個(gè)泰森多邊形內(nèi)含且僅含有一個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)；

2）泰森多邊形內(nèi)的點(diǎn)到相應(yīng)點(diǎn)的距離最近；

3）位于泰森多邊形邊上的點(diǎn)到其兩邊的點(diǎn)的距離相等。

泰森多邊形用點(diǎn)的性質(zhì)來描述區(qū)域的性質(zhì)；可用點(diǎn)的數(shù)據(jù)來代表并計(jì)算區(qū)域的數(shù)據(jù)；判斷一個(gè)點(diǎn)與其它哪些點(diǎn)相鄰時(shí)，可根據(jù)泰森多邊形直接計(jì)算得到。若泰森多邊形是n邊形，則就與n個(gè)點(diǎn)相鄰；當(dāng)某一數(shù)據(jù)點(diǎn)落入某泰森多邊形中時(shí)，它與相應(yīng)的點(diǎn)最近，無需計(jì)算距離，可以直接計(jì)算得到。

簡單明了的是選取的參證氣象站距離工程地點(diǎn)最近，泰森多邊形最初在數(shù)學(xué)上就是空間插值的一種方法，特點(diǎn)是方法簡單易行，精度也較高，但缺點(diǎn)是將空間簡化成平面計(jì)算。

2 方法介紹

泰森多邊形可以將氣象站氣象要素平均降雨量進(jìn)行分區(qū)，也可以應(yīng)用泰森多邊形的理論依據(jù)對氣象站的其他氣象要素進(jìn)行分區(qū)。泰森多邊形的缺點(diǎn)是將空間簡化成為平面計(jì)算，本方法采用泰森多邊形理論的同時(shí)，還要對泰森多邊形繪制出的區(qū)域空間存在河流與山脈等阻隔進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)與分析，從而在使用上避免這一欠缺。

依靠泰森多邊形選擇參證氣象站的方法，是將氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降水、蒸發(fā)、日照、凍土等多項(xiàng)氣象要素內(nèi)容按照泰森多邊形方法進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)結(jié)合地形條件對氣象站的代表區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算，最終確定電力工程參證氣象站。

選取內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市7座主要分布于河套平原與陰山北側(cè)的氣象站作為分析論證。

巴彥淖爾市坐落于中國北方，內(nèi)蒙古自治區(qū)的西面，該市北側(cè)是陰山，南側(cè)是黃河，東連鹿城包頭市，西鄰阿拉善盟及塞外煤都烏海市，巴彥淖爾市屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。7個(gè)氣象站分別為：臨河氣象站、磴口氣象站、五原氣象站、杭錦后旗氣象站、烏拉特前旗氣象站、烏拉特后旗氣象站和烏拉特中旗氣象站。

根據(jù)7個(gè)氣象站的具體坐標(biāo)與相對位置，選取任意3個(gè)鄰近氣象站組成三角形，原則上選取的氣象站一般為銳角三角形。分別計(jì)算組成的三角形垂直平分線的交點(diǎn)，以此類推將7個(gè)氣象站所覆蓋的所有面積都組成三角形，并且求出所有三角形垂直平分線的交點(diǎn)。將各三角形垂直平分線的交點(diǎn)連接成多邊形，形成了7個(gè)氣象站所覆蓋的面積劃分出多邊形。其特點(diǎn)的特性如下：

1）每個(gè)多邊形內(nèi)且僅含一個(gè)氣象站；

2）多邊形內(nèi)的點(diǎn)到對應(yīng)的氣象站的距離最近；

3）多邊形邊上的點(diǎn)到其兩側(cè)的氣象站的距離相等。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，將氣象站坐標(biāo)，氣象站所覆蓋的面積劃分出多邊形分別標(biāo)記在地形圖上。根據(jù)氣象站的概況可以知道臨河、磴口、五原、杭錦后旗、烏拉特前旗的海拔均在1 000～1 100 m之間，高程變化不大，主要為耕地，局部地區(qū)有林地與沙地，下墊面情況相似。而烏拉特中旗與烏拉特后旗海拔高度在1 250～1 600 m之間，高程變化也不大，兩個(gè)氣象站均位于陰山北側(cè)，地形主要為低山丘陵為主，植被稀疏，兩氣象站下墊面情況也比較相似。以上7個(gè)氣象站在地形、下墊面、氣候特征等有較大的區(qū)別。利用泰森多邊形進(jìn)行參證氣象站的分區(qū)，可以較準(zhǔn)確地對氣象站選擇，對分區(qū)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，利用泰森多邊形進(jìn)行氣象站選擇可以清楚明了地將地形、下墊面、氣候特征比較接近的氣象站進(jìn)行分區(qū)，選擇結(jié)果與地形、下墊面、氣候特征較接近，可以利用泰森多邊形對參證氣象站進(jìn)行選擇。

3 小結(jié)

利用泰森多邊形選擇參證氣象站的方法有以下優(yōu)點(diǎn)：參證氣象站選擇方法采用的思路簡單，方法簡便易操作，結(jié)果實(shí)現(xiàn)容易，結(jié)合地形圖分析清楚明了，對于工程適用性較強(qiáng)；進(jìn)行參證氣象站選擇的方法主要考慮距離這一最關(guān)注的因素，實(shí)現(xiàn)的計(jì)算結(jié)果在地形圖上反映比較直觀，同時(shí)對于地形、下墊面、氣候特征比較接近的參證氣象站進(jìn)行選擇，適用性較好；當(dāng)?shù)匦巍⑾聣|面、氣候特征有較大的差異時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況與參證氣象站的相對位置，綜合考慮不同參證氣象站的比重的理論依據(jù)，從而確定電力工程的參證氣象站。

在電力工程設(shè)計(jì)中，利用泰森多邊形選擇參證氣象站的方法，能在較多氣象站的情況下，選取具有代表性的氣象站，對電力工程的設(shè)計(jì)提供較大便利，對電力工程的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度與合理優(yōu)化起到一定作用，同時(shí)也可以節(jié)省工作時(shí)間，優(yōu)化工作效率。