Климатологические обобщения и применения информации о ветре и гололеде Бернгардт Роберт Павлович

Между тем Сахалинская область отличается особо суровым, жестоким климатом. Стихийные бедствия, обусловленные обледенением сооружений, сильным ветром на суше и море, с жертвами, катастрофическими потерями имущества наблюдаются на ее территории ежегодно. Но особенно показательны 2 катастрофы. Первая произошла 24-25 ноября 1989 г, когда стихия гололедных и ветровых воздействий уничтожила свыше 80% ЛЭП высокого напряжения. Вторая, при землетрясении 28 мая 1995 г, унесла 1954 жизни под завалами рухнувших зданий г. Нефтегорске.

Исследование обстоятельств названных катастроф показало, что линии электропередачи и дома, под обломками которых погибли люди, оказались спроектированными и построенными с недооценкой норм климатических и геофизических нагрузок.

Что бы подобные бедствия на территории Сахалинской области и в других регионах РФ не повторялись, нормы

проектирования и строительства нужно уточнять. Указанное обстоятельство и определяет актуальность и своевременность климатологических обобщений информации о ветре и гололеде не только в Сахалинской области, но и в других регионах РФ.

Цель работы. На примере Сахалинской области осуществить климатологическое обобщение информации о скорости ветра и гололеде для ее применения в народнохозяйственном комплексе (в том числе как нормы проектирования) и показать тем самым путь решения подобной проблемы в других регионах РФ.

Задачи исследования: 1) . Сравнить данные измерений скорости ветра различными анемометрами, разработать методы, способы их «приведения», и получить однородные ряды наблюдений для последующих климатологических обобщений. 2). Определить климатические параметры ветровых, гололедных, результирующих нагрузок. 3). Разработать современные критерии опасных и особо опасных скоростей ветра (00Я), учитывающие особенности анемометров, и провести климатическое районирование 00Я. 4) . Исследовать климатический режим особо опасной скорости ветра в нижнем 1000 метровом слое атмосферы. 5) . Выполнить климатическое районирование территории о. Сахалин по гололеду и предложить способы защиты проводов от обледенения и сокращения потерь электроэнергии на «корону» высоковольтных ЛЭП.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту: 1) . Способ восстановления однородности климатических рядов скорости ветра, независящий от типа

7 анемометров и методики измерений на метеорологической станции или на ином объекте метеорологических наблюдений народнохозяйственного комплекса. 2) . Климатические параметры для расчета ветровых, гололедных и результирующих нагрузок на сооружения в Сахалинской области, включая расчетные скорости ветра по направлениям в нижнем 1000 метровом слое атмосферы. 3) . Вертикальный профиль гололедной нагрузки, действующей на шельфе Сахалинской области. 4) . Критерии опасной скорости ветра адаптированные к типу анемометров метеорологических станций и

производственных объектов. 5). Географическое районирование о. Сахалин по степени гололедной опасности и способы борьбы с обледенением проводов воздушной линии электропередачи, включающие: прогноз обледенения проводов, учитывающий нормативную проектную гололедную нагрузку ЛЭП; изобретения «линии электропередачи» устойчивой к воздействию ветровых и гололедных нагрузок.

Научная новизна: 1). Впервые проведено широкомасштабное в границах РФ и СНГ обобщение комплекса сравнительных измерений скорости ветра наиболее употребительными механическими анемометрами. 2) . Впервые разработан универсальный метод устранения неоднородностей в исходных рядах наблюдений скорости ветра, применимый на всей территории РФ. 3) . Впервые, на примере Сахалинской области, определены параметры ветровых нагрузок на сооружения по данным наблюдений, приведенным к основному в РФ анемометру М-63М1, а так же климатические параметры ветровых при гололеде и

результирующих нагрузок. 3) . Впервые определены критерии опасных и особо опасных скоростей ветра адаптированные к показаниям наиболее употребительных анемометров. 4). Впервые, проведено климатологическое районирование территории Сахалинской области по критериям опасной и особо опасной скорости ветра ежегодной повторяемости. 5). Впервые подробно исследовано явление сильного ветра - боры наблюдаемой на о. Сахалине и Курильских островах и определены основные параметры вертикальной скорости воздушных течений при боре, представляющих угрозу авиации, б) . Изобретены «Линии электропередачи», в которых энергия ветра использована для предотвращения обледенения проводов, и которые имеют меньшие потери электроэнергии на «коронные» разряды.

Практическая ценность: Практическая ценность диссертации состоит в том, что существенно уточнены методы расчета климатических параметров ветровых и гололедных нагрузок инженерных сооружений, получены современные критерии оценки опасной и особо опасной скорости ветра адаптированные к основным анемометрам, определены расчетные скорости ветра. Определены вертикальные профили расчетных скоростей ветра по направлениям, исследован вертикальный профиль гололедной нагрузки на шельфе, разработан метод прогноза обледенения, изобретены и запатентованы устройства, в которых использована энергия ветра для защиты проводов воздушной линии электропередачи от обледенения, а также разработана методика оценки экономической эффективности их применения.

Апробация полученных результатов: Результаты, полученные при работе над диссертацией: докладывались на ученом Совете сахалинского государственного университета (г. Южно-Сахалинск 2003 г) , на ученом Совете ГГО им. А. И. Воейкова (г. Санкт-Петербург, апрель 2000 г) ; на объединенных научных семинарах ГГО им. А. И. Воейкова (г. Санкт-Петербург 2000, 1999 гг) . Они были представлены на IX международном симпозиуме «Перестройка естествознания» г. Волгодонске 17-19 апреля 1998 г; обсуждались на технических Советах в А/О «Сахэнерго» (г. Южно_сахалинск 1991-1992 г); на технических Советах СахУГМС (г.- Южно-Сахалинск -1985 г), докладывались на выставке достижений народного хозяйства г. Москва 15-18 сентября 1975 г.

Публикации: Результаты диссертации опубликованы в реферируемых научных изданиях: монографиях, научно-техническом журнале «Метеорология и Гидрология», монографическом сборнике «Охрана природы, мониторинг и обустройство сахалинского шельфа» ДВО РАН и географического общества РФ, Трудах ГГО, Информационном письме ГУГМС, Официальных документах Правительства России - бюллетенях Роспатента, Справочниках по климату.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, рекомендаций и списка использованной литературы.

В первой главе дается краткая физико-географическая характеристика Сахалинской области, как района исследования, и излагаются методы расчета ветровых, гололедных и результирующих нагрузок на

сооружения. Показано, что результаты таких расчетов, непосредственно зависят от качества исходной информации. Во второй главе рассмотрены метрологические аспекты измерений скорости ветра анемометрами в репрезентативных условиях метеорологической площадки- В этой главе приведены важные результаты интерпретации ветровых нагрузок, впервые установленные автором и связанные с особенностями применяемого анемометра. В третьей главе, наряду с другими методами, впервые изложен, разработанный автором метод восстановления однородности ряда скорости ветра, основанный на устойчивости ее эмпирической повторяемости. Четвертая глава содержит климатические параметры для расчета ветровых нагрузок инженерных сооружений в Сахалинской области. Пятая глава содержит сведения по режиму опасной скорости ветра на территории Сахалинской области. Шестая глава посвящена вопросам расчета климатических параметров гололедных нагрузок, гололедного районирования территории Сахалинской области, прогноза гололедной опасности. Седьмая глава посвящена актуальным аспектам использования энергии ветра для защиты проводов линии электропередачи от обледенения. Заключение содержит краткое изложение основных научных выводов по результатам диссертационного исследования и рекомендации по их применению.

Диссертация объемом 180 страниц, содержит 45 таблиц, 41 рисунок и список литературы, насчитывающий 275 наименований.

Измерение средней скорости ветра флюгерами Вильда

Следует еще раз подчеркнуть, что именно с целью достижения единообразия в измерениях ветра Г. И. Вильд сконструировал прибор - анеморумбометр, который назвал «Флюгер с реющим указателем силы ветра». Изображения этого прибора имеются на рис. 2-3, и в России он известен под коротким названием - Флюгер Вильда. Скорости ветра, измеренные этим прибором обычно называют - измеренными по флюгеру. В действительности же скорость ветра измеряют не по флюгеру - флюгарке, а по металлической пластине, именуемой «доской флюгера», которая имеет размеры 15x30см и отклоняется под действием ветра от вертикальной плоскости относительно шкалы штифтов. Скорость ветра от 0 до 20 м/с измеряют по легкой, двухсот граммовой доске флюгера Вильда. Такой прибор называется - Флюгер Вильда с легкой доской и имеет аббревиатуру - ФВЛ. Скорость ветра от 0 до 4 0 м/с измеряют по восемьсот граммовой доске. Такой прибор называют - флюгер Вильда с тяжелой доской - ФВТ. Если на метеорологической станции имеется в установке ФВЛ и ФВТ, то согласно наставлению [150 - 151] скорость ветра до 10 м/с измеряют ФВЛ, а все скорости больше 10 м/с измеряют ФВТ. Вильд и Трантветтер первыми провели одновременные, синхронные измерения скорости ветра флюгером и чашечным анемометром Робинзона и получили величину расхождений в их показаниях не более ± 10%. Таким образом, Флюгер Вильда оказался приемлемым по точности измерений, недорогим в изготовлении и удобным в эксплуатации прибором. Первый международный метеорологический конгресс в Вене рекомендовал флюгер Вильда к всеобщему использованию в качестве образцового инструмента. Общий период его применения в России в 2002 году достиг 130 лет. Средняя скорость флюгером измеряется по среднему положению колеблющейся доски относительно шкалы штифтов, за промежуток времени равный 2-м минутам, а максимальная мгновенная скорость по положению доски, удерживаемой порывом ветра в течение 3-5 секунд. На рис. 6 изображены графики зависимости углов наклона тяжелой и легкой досок флюгера от скорости ветра. На оси ординат этих графиков нанесены градусы угла наклона доски и номера штифтов. Чтобы определить при какой скорости ветра доска флюгера достигает 7-го штифта, на оси ординат нанесены толщины штифта и доски в соответствующем масштабе.

Графики рисунка 6 показывают, что у ФВТ при 3 6 м/с, а у ФВЛ при 18 м/с седьмой штифт и доска сливаются и для наблюдателя, находящегося на земле, на удалении 10 метров они становятся неразличимыми, отчего наблюдатель в такой момент отмечает положение доски как «7 штифт» и записывает отсчет скорости - 20 м/с по ФВЛ или - 40 м/с по ФВТ. Табл. 6 позволяет сделать вывод о систематическом завышении ровного ветра, если его скорость почти не меняется в течение 2 минут. В действительности же скорость ветра в течение 2 минут колеблется, колеблется и доска флюгера относительно штифтов. Углы колебаний в верхней части шкалы штифтов, опять таки из-за нелинейности, меньше углов колебаний в нижней части, если их отсчитывать от положения средней скорости. Поэтому наблюдатель, измеряющий сильный ветер и строго исполняющий предписания «Наставления» [150] будет недооценивать его скорость. Например, доска ФВТ при средней скорости ветра равной 20 м/с и коэффициенте порывистости 1,5 покажет 18 м/с. Следовательно, при наблюдениях по флюгеру наблюдатель сталкивается с двумя причинами ошибок, отличающимися по знаку, но имеющими объективный характер действия. По одной причине он может завысить скорость . Эта причина проявляется чаще всего тогда, когда измеряют сильный, но ровный ветер. Если наблюдается резкий, порывистый ветер, наблюдатель занизит среднюю скорость. В действительности же обе причины компенсируют друг друга, повышая точность отсчета. Таким образом, расхождения в показаниях флюгера и других анемометров, если они имеют место, порождены главным образом, отнюдь не упущениями наблюдателя, а отличиями в принципах действия приборов. Измерение средней скорости дистанционными анемометрами Флюгер не является дистанционным (действующим на расстоянии) анемометром. Между тем, разные ведомства, и Росгидромет, применяли и применяют для измерения скоростей ветра: средней, максимальной в порыве, минимальной в затишье, размаха (амплитуды) колебаний дистанционные анемометры: М-63, М-бЗМ, М-63М1, М-47, М-12, М-27С. Многие из названных приборов в настоящее время промышленностью не выпускаются. Их либо уже нет, либо они существуют как музейные экспонаты. Тем не менее, сравнение показаний таких приборов, как между собой, так и с ФВЛ; ФВТ необходимо для устранения неоднородности в существующих климатических рядах информации скорости ветра. Следует заметить, что, начиная с Вильда [275], такого рода сравнения проводились многими исследователями в различных регионах страны и базовым анемометром при таких сравнениях, как правило, являлся флюгер Вильда. Результаты сравнений опубликованы в многочисленных работах. Более подробный анализ таких сравнений будет сделан в разделе 3.1. В данный же момент нас интересует вопрос - каковы расхождения в показаниях различных анемометров, и какими причинами они обусловлены? И для ответа на него на рис. 7 приведены обобщенные графики сравнения, начиная с 10 м/с, средних скоростей ветра флюгера и других приборов в репрезентативных условиях метеорологической площадки. При постановке натурных экспериментов были выполнены следующие основные условия: имелась открытая, т.е. не защищенная строениями метеорологическая площадка; анемометры были установлены на одной высоте над поверхностью земли; измерения скорости по всем испытуемым анемометрам проводилось синхронно, т.е. в одно время. Графики рисунка 7 показывают, что ряд приборов, отличается показаниями. Наибольшие показания дают заторможенные, динамометрические анемометры, а наименьшие - винтовые анемометры. Показания чашечных анемометров занимают промежуточное положение между винтовыми и заторможенными. Следовательно, если анемометры, установленные на метеорологической станции отличаются принципом действия, то их показания также будут отличаться.

Расхождения между показаниями вращающихся и заторможенных анемометров можно объяснить тем, что заторможенные анемометры являются малоинерционными приборами. По этой причине они в меньшей степени отфильтровывают высокочастотный спектр порывов, пульсаций скорости ветра. Шкала заторможенных анемометров нелинейная. Отличительной особенностью заторможенных анемометров является автоматическое приведение их показаний к стандартной плотности воздуха р=1,225 кг/м3. Если плотность воздуха в момент измерений меньше 1,225 кг/м3 показания заторможенных анемометров меньше действительной скорости ветра, а если плотность воздуха больше 1,225 кг/м3 их показания завышены.

Метод сравнения скоростей ветра равных вероятностей

Осуществляя климатологические обобщения информации скорости ветра необходимо учитывать устойчивость эмпирических вероятностей скоростей ветра. Например, после того как сеть метеорологических станций Росгидромета перешла с четырех срочных на восьми срочные наблюдения возникла задача объединения рядов наблюдений для получения расчетных скоростей ветра с использованием всей совокупности наблюдений по методике [9] с использованием аппроксимирующей функции: -(-У /( ) = Є J , (22) где fix) - интегральная вероятность того, что скорость ветра достигнет и превзойдет величину х, а -