2.1.7 Скорость и направление ветра
Статистическая обработка данных о ветре
Статистическая обработка данных о ветре серьезно осложняется неоднородностью рядов по скорости ветра, что обусловлено несколькими причинами, а именно – разной частотой метеорологических наблюдений (до 1966 г. наблюдения производились 4 раза в сутки, затем – в два раза чаще), разными способами наблюдения и неодинаковой длиной рядов по средней скорости ветра и по порывам.
Первоначально наблюдения за ветром проводились по флюгеру с легкой доской, конструктивные особенности которого позволяли надежно определять скорости ветра только до 20 м/с. Для большинства станций возможность измерения скоростей ветра, превышающих это значение, появилось лишь в начале 50-х годов прошлого столетия после установки флюгера с тяжелой доской.
С середины 60-х годов наблюдения проводятся в основном электромеханическими анеморумбометрами.
Как следует из исследований д.г.н. М.М. Борисенко (ГГО им. А.И. Воейково), за счет различий в периоде осреднения скорости ветра по флюгеру (2 мин) и анеморумбометру (10 мин) расхождения в показаниях флюгера и анеморумбометра М63М особенно существенны при больших скоростях ветра (4-6 м/с).
Кроме максимальных скоростей, осредненных по двухминутным (десятиминутным) интервалам, при расчете скоростных напоров ветра нередко возникает необходимость в учете воздействия на сооружения и конструкции порывов ветра. Динамическая нагрузка, определяемая порывами ветра, хотя и является кратковременной, по значению превосходит статическую нагрузку.
На сети метеорологических станций порывы ветра стали отмечать, начиная с 1959 г. Возможность учесть порыв не только в срок наблюдений, но и между сроками, появилась значительно позже, только после установки на метеорологических станциях анеморумбометров М63М.
Для расчета статистических характеристик ветра за 20-летний период наблюдений по данным наблюдений метеостанции Невская-порт были выбраны ряды наблюдений 1980-1986 гг. и 1993-2005 гг., характеризующиеся однородными условиями производства наблюдений. В этом временном интервале лишь только с 1.01.1980 г. по 28.02.1981 г. наблюдения выполнялись на метеоплощадке по флюгерам с легкой и тяжелой досками. Высота флюгера с легкой доской над поверхностью земли составляла 12,5 м, с тяжелой доской – 12,4 м.
Все остальные наблюдения производились по анеморумбометру М63М-1, установленному на крыше башни здания ГМС Невская-порт.
Материалами для статистической обработки послужили таблицы наблюдений ТММ-1 за период с 1980 по 1986 гг., хранящиеся в Гидрометфондах Северо-Западного УГМС. С марта 1993 г. по декабрь 2005 г. для статистической обработки использовались книжки наблюдений КМ-1, хранящиеся на метеостанции Невская-порт.
Протяженность Финского залива с запада на восток создает своеобразие ветрового режима в направлении ветра.
В вершине Финского залива в течение года преобладают ветры западного и юго-западного направлений – 13,72% и 11,62% соответственно. Ветры восточного и юго-восточного направлений имеют повторяемость 7,88% и 7,79% соответственно. Средняя многолетняя повторяемость штилей составляет 2,52%.
В табл. 2.15 приведены средние месячные многолетние скорости ветра для оценки степени влияния здания БМП на уменьшение скоростей ветра. Сопоставление приведено для двух периодов: 1936-1963 гг. – здание БМП отсутствовало, и 1980-1986 гг., 1993-2005 гг. – здание 42-метровой высоты существовало (с начала 1970-х годов).
Таблица 2.15
Средняя месячная и годовая скорость ветра (м/с),
максимальная скорость (порывы), м/с, ГМС Невская-порт
|
Месяц |
Средняя скорость, м/с (1936-1963 гг.) [2] |
Средняя скорость, м/с (1980-1986, 1993-2005 гг.) |
Максимальная (порыв) 1966-1986, 1993-2005 гг. |
Дата |
Год |
|
|
Скорость, м/с |
Направление, румб |
|||||
|
1 |
4,7 |
4,1 |
30 |
ЮЗ |
1 |
1984 |
|
2 |
4,4 |
3,9 |
21 |
З |
3 |
1973 |
|
3 |
4,1 |
3,8 |
27 |
ЗСЗ |
12 |
1993 |
|
4 |
3,9 |
3,7 |
28 |
З |
3 |
1985 |
|
5 |
4,1 |
3,8 |
24 |
З |
27 |
1986 |
|
6 |
4,3 |
3,8 |
26 |
ВЮВ |
15 |
1998 |
|
7 |
3,9 |
3,5 |
29 |
З |
25 |
1999 |
|
8 |
3,7 |
3,5 |
22 |
З |
16 |
1982 |
|
9 |
4,1 |
3,7 |
26 |
З |
28 |
1983 |
|
10 |
4,6 |
4,2 |
32 |
ЗСЗ |
2 |
1994 |
|
11 |
4,7 |
4,2 |
24 |
З |
29 |
1986 |
|
12 |
4,6 |
4,1 |
24 |
З |
16 |
1995 |
|
Год |
4,3 |
3,8 |
32 |
ЗСЗ |
02.10 |
1994 |
В большей степени уменьшение сказалось в январе, когда средняя скорость уменьшилась на 0,6 м/с, и в меньшей степени в апреле и августе, когда средние скорости уменьшились на 0,2 м/с.
За период наблюдений с 1966 по 2005 гг. максимальная скорость ветра (порыв) 32 м/с в порту была зафиксирована 02.10.1994 г. при ЗСЗ ветре.
В научной литературе, посвященной невским наводнениям, приводятся сведения о зарегистрированных скоростях ветра (порывах) в устьевой области р. Невы, которые превосходили измеренные 02.10.1994 г. (32 м/с) на метеостанции Невская-порт.
Б.П. Мультановский [22], анализируя синоптическую обстановку наводнения 23.09.1924 г. в Ленинграде, приводит диаграмму, на которой изображены: ход воды в Кронштадте и Ленинграде, ход барометра в миллиметрах. Нижняя часть диаграммы изображает силу толчков ветра. На этой части диаграммы показана запись прибора в Главной геофизической обсерватории, регистрирующего силу толчков ветра и позволяющая выделить из средней часовой силы ветра отдельные его порывы. В 1924 г. здание Главной геофизической обсерватории располагалось на 23 линии Васильевского острова, д. 2. В настоящее время там находится Северо-Западное УГМС.
Описывая наводнение 1924 г., Б.П. Мультановский сообщает: «При первых же колебаниях барометра (около 9 ½ ч) скорость ветра достигла 23 м/с и затем она систематически увеличивалась до 13 ½ ч, достигнув 31,5 м/с, а уровень воды систематически повышался до 5 ½ - 6 футов к 15 ч, после чего наступило резкое ослабление ветра и вода как будто начала спускаться. Таким образом, закончилась первая фаза наводнения.
Вслед за этим при слабевшем ветре вода стремительно пошла вверх, а с 16 ½ ч налетел ураган силою до 33,6 м/с и даже 40 м/с, гладкий ход барометра заменился снова колебаниями (зазубринами) и кругом обсерватории начались поломки, вода стала заливать улицы и тротуары. Вода была прозрачною, пока тротуары не были покрыты больше, чем на ½ фута, затем она окрасилась в черный цвет от взбаламученного ила Масляного протока и перестала быть прозрачною. Вслед за тем по Неве вверх против обычного течения стала подниматься вода песочного цвета (размыв отмелей на взморье) и определилась очень резкая граница между черною водою и водою песочного цвета.
В 19 ½ ч вода достигла наивысшего уровня 12 футов 2 дюйма над ординаром и после этого стала стремительно падать, несмотря на то, что продолжался западный ветер порывами до 30 м/с».
Приводя описание наводнения 23.09.1924 г. К.П. Турыгин сообщает: «Анемографом давления ГГО в день наводнения были зарегистрированы порывы ветра со скоростью до 42 м/с». К.П. Турыгин приводит данные по ветру, характеризующие изменение направления и скорости ветра с 22 по 24 сентября 1924 г. по наблюдениям метеорологической станции при ГГО (табл. 2.16).
Таблица 2.16
Направление и сила ветра (м/с) во время наводнения 1924 г.
-
22 сентября
23 сентября
24 сентября
7 ч
13 ч
21 ч
7 ч
13 ч
21 ч
7 ч
13 ч
21 ч
ЮЗ 7
ЮЗ 7
ЮЗ 4
ЮЮВ 6
ЮЗ 14
З 10
ЗЮЗ 4
ЗЮЗ 4
ЮЗ 2
Описывая наводнение 30 апреля 1914 г. К.П. Турыгин сообщает: «Запись анемографа давления прекрасно иллюстрирует зависимость изменения высоты уровня от силы ветра. Порывы ветра достигали 32 м/с».
В монографии, посвященной гидрологии устьевой области Невы, приведено: «В районе Ленинградского порта 28 августа 1910 г. в течение двух часов скорость ветра достигала 50 м/с».
В гидрометфондах Северо-Западного УГМС материалы наблюдений за метеорологическими элементами, включая ветер, по вышеперечисленным случаям отсутствуют.
Значение скорости ветра 50 м/с в дальнейших расчетах не учитывается по следующим причинам:
Ветер с такой скоростью за два часа вызвал бы либо нагон, либо сгон воды в Невской губе, что не подтверждается наблюдениями за уровнем.
Статистическое обоснование по критерию Романовского показывает, что данное значение не принадлежит генеральной совокупности.
Хронологический ряд данных ранжируется в порядке убывания значений максимальной скорости ветра. Эмпирическая обеспеченность (вероятность непревышения) исходных данных и экстремальных значений ветра определяется по формуле:
|
|
|
где: 
– порядковый номер,
- число членов ранжированного ряда.
Для аппроксимации статистической функции распределения максимумов скорости ветра применяется функция распределения Гумбеля.
Обоснованность применения двойного экспоненциального распределения Гумбеля для сглаживания выборок максимумов скорости ветра подтверждена исследованиями Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова и ЦНИИСК. Следует отметить целесообразность использования выборок месячных и годовых максимумов скорости ветра, поскольку их получение и обработка требуют меньших затрат времени, а точность оценки наибольшей скорости ветра V5 с пятилетним периодом повторяемости (период, в течение которого указанная скорость ветра появляется или превышается в среднем один раз) по этим выборкам не ниже, чем по результатам всех срочных наблюдений.
Функция распределения Гумбеля определяется выражением:
|
|
|
,
где 
– безразмерная величина, связанная со
скоростью ветра следующим выражением
|
|
|
,
где 
– мода случайной величины 
.
Плотность вероятности распределения имеет вид:
|
|
|
.Для конечных выборок из n членов применяются следующие формулы:
|
|
|
|
|
|
где 
- среднее значение максимальной скорости
ветра,
- среднее квадратическое отклонение
максимальной скорости ветра.
Параметры 
и 
определяются в зависимости от длины
анализируемого ряда. В данном случае
для расчетов приняты значения 
и 
.
Параметры 
и 
определены методом подбора наилучшей
кривой Гумбеля, проходящей через
эмпирические значения максимальной
скорости ветра.
Тогда:
.
Графическое представление плотности распределения максимальных значений скорости ветра приведено на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Плотность распределения максимальных скоростей ветра (порыв) для станции Невская-порт
По известному закону распределения случайной величины смоделирирован ряд максимальных скоростей ветра для заполнения промежутков в исходных данных по одному из наиболее распространенных методов преобразования – методу обратной функции.
Случайная величина X описывается интегральной F(x) и дифференциальной f(x) функциями распределения. Обе функции связаны между собой
|
|
|
Интегральная функция представляет
собой вероятность того, что какое-то
взятое фиксированное значение X будет
меньше текущего значения x 
.
Функция F(x) является монотонно возрастающей
функцией, т.е. при 
.
Соответственно, 
.
Примем, что случайная величина 
и найдем распределение этой величины:
.
.
Следовательно, вероятность попадания
случайной величины в интервал 
равна длине этого интервала, что
свидетельствует, что данное распределение
равномерное.
В результате получаем алгоритм
формирования случайной величины X по
заданному закону распределения. Поскольку
,
то необходимо выполнить преобразование
,
где 
– функция, обратная по отношению к
распределению случайной величины X.
Описанный алгоритм реализован для максимальных скоростей ветра по станции Невская-порт в программе Excel по полученному закону распределения:
.
Ряд из смоделированных и наблюденных значений максимальной скорости ветра на высоте флюгера 33,5 м приведен в табл. 2.17.
Переход от высоты 33,5 м к высотам 5-40 м осуществлен согласно СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*» и ТСН 31-332-2006 «Санкт-Петербург. Жилые и общественные высотные здания». Поскольку проектируемый объект расположен с наветренной стороны у берегов Финского залива, используются значения коэффициента k(z), приведенные для местности типа А.
Таблица 2.17
Результаты численного моделирования воссозданных реализаций максимальных скоростей ветра (порыв) за 1956-2011 гг. ГМС Невская-порт
|
№ |
Год |
Максимальная скорость ветра, м/с, на высоте, м |
||||
|
5 |
10 |
20 |
33,5 |
40 |
||
|
1 |
1957 |
14 |
18 |
23 |
26 |
27 |
|
2 |
1958 |
15 |
20 |
26 |
29 |
31 |
|
3 |
1959 |
15 |
20 |
26 |
29 |
31 |
|
4 |
1960 |
18 |
24 |
30 |
34 |
36 |
|
5 |
1961 |
20 |
26 |
33 |
37 |
39 |
|
6 |
1962 |
17 |
23 |
29 |
33 |
35 |
|
7 |
1963 |
16 |
21 |
26 |
30 |
32 |
|
8 |
1964 |
16 |
22 |
27 |
31 |
33 |
|
9 |
1965 |
19 |
25 |
32 |
36 |
38 |
|
10 |
1966 |
16 |
21 |
26 |
30 |
32 |
|
11 |
1967 |
13 |
17 |
21 |
24 |
25 |
|
12 |
1968 |
16 |
21 |
26 |
30 |
32 |
|
13 |
1969 |
12 |
16 |
20 |
23 |
24 |
|
14 |
1970 |
16 |
22 |
27 |
31 |
33 |
|
15 |
1971 |
14 |
19 |
24 |
27 |
29 |
|
16 |
1972 |
15 |
20 |
25 |
28 |
30 |
|
17 |
1973 |
14 |
18 |
23 |
26 |
27 |
|
18 |
1974 |
16 |
22 |
27 |
31 |
33 |
|
19 |
1975 |
16 |
21 |
26 |
30 |
32 |
|
20 |
1976 |
15 |
20 |
26 |
29 |
31 |
|
21 |
1977 |
19 |
25 |
31 |
35 |
37 |
|
22 |
1978 |
16 |
22 |
27 |
31 |
33 |
|
23 |
1979 |
16 |
21 |
26 |
30 |
32 |
|
24 |
1980 |
16 |
21 |
26 |
30 |
32 |
|
25 |
1981 |
14 |
18 |
23 |
26 |
27 |
|
26 |
1982 |
12 |
16 |
19 |
22 |
23 |
|
27 |
1983 |
14 |
18 |
23 |
26 |
27 |
|
28 |
1984 |
16 |
21 |
26 |
30 |
32 |
|
29 |
1985 |
15 |
20 |
25 |
28 |
30 |
|
30 |
1986 |
13 |
17 |
21 |
24 |
25 |
|
31 |
1987 |
15 |
20 |
26 |
29 |
31 |
|
32 |
1988 |
18 |
24 |
30 |
34 |
36 |
|
33 |
1989 |
15 |
20 |
26 |
29 |
31 |
|
34 |
1990 |
17 |
23 |
28 |
32 |
34 |
|
35 |
1991 |
16 |
21 |
26 |
30 |
32 |
|
36 |
1992 |
17 |
23 |
28 |
32 |
34 |
|
37 |
1993 |
14 |
19 |
24 |
27 |
29 |
|
38 |
1994 |
17 |
23 |
28 |
32 |
34 |
|
39 |
1995 |
13 |
17 |
21 |
24 |
25 |
|
40 |
1996 |
17 |
23 |
29 |
33 |
35 |
|
41 |
1997 |
14 |
19 |
24 |
27 |
29 |
|
42 |
1998 |
14 |
18 |
23 |
26 |
27 |
|
43 |
1999 |
15 |
20 |
26 |
29 |
31 |
|
44 |
2000 |
14 |
19 |
24 |
27 |
29 |
|
45 |
2001 |
15 |
20 |
25 |
28 |
30 |
|
46 |
2002 |
15 |
20 |
25 |
28 |
30 |
|
47 |
2003 |
17 |
23 |
28 |
32 |
34 |
|
48 |
2004 |
18 |
24 |
30 |
34 |
36 |
|
49 |
2005 |
20 |
26 |
33 |
37 |
39 |
|
50 |
2006 |
16 |
21 |
26 |
30 |
32 |
|
51 |
2007 |
15 |
20 |
25 |
28 |
30 |
|
52 |
2008 |
16 |
21 |
26 |
30 |
32 |
|
53 |
2009 |
15 |
20 |
26 |
29 |
31 |
|
54 |
2010 |
17 |
23 |
28 |
32 |
34 |
|
55 |
2011 |
15 |
20 |
25 |
28 |
30 |
|
|
||||||
|
Примечание: Значения максимальной скорости ветра за 1967-1972 гг., 1973 г. (янв.) представлены по приведенным к высотам 5, 10, 20, 33,5, 40 м результатам измерений на Санкт-Петербургской телевизионной башне (высота 25 м); за 1982-1986, 1993-1995, 1998, 1999 годы - по данным наблюдений на ГМС Невская-порт; остальные данные – результаты численного эксперимента. |
||||||
Распределение Гумбеля позволяет делать
прогнозы величин для времени 
.
В соответствии с данными работ
исследовательских можно записать:
|
|
|
По табл. 2.17 определены 
и 
на высоте 10 м. Наибольшие скорости
ветра редкой повторяемости приведены
в табл. 2.18.
Таблица 2.18
Наибольшие скорости ветра редкой повторяемости, ГМС Невская-порт
|
Повторяемость |
Скорость ветра на высоте 10 м, м/с |
Скорость ветра на высоте 33,5 м, м/с |
|
1 раз в 1 год |
20 |
28 |
|
1 раз в 5 лет |
23 |
33 |
|
1 раз в 10 лет |
24 |
35 |
|
1 раз в 20 лет |
26 |
37 |
|
1 раз в 25 лет |
27 |
38 |
|
1 раз в 50 лет |
28 |
40 |