CN104123671B - 气象参证站分区方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种气象参证站分区方法，属于电力勘测设计技术领域，所述方法包括：选择步骤，根据电力工程的设计目标，选择与电力工程区域相关的尽量多的气象参证站；初次划分步骤，将选择步骤选择出的气象参证站作为离散点，利用泰森多边形将电力工程区域划分为多个第一子区域；精细划分步骤，考虑影响气候的因素将工程区域进行划分，将划分出的第二子区域与通过初次划分步骤划分出的第一子区域进行比较，找出不重合的区域，根据不重合的区域的与设计相关因素相关的历史数据与相邻的多个气象参证站的历史数据的相似性将不重合的区域进一步划分为第三子区域；结合步骤，将初次划分步骤得出的第一子区域和精细划分步骤得出的第三子区域进行结合以获得电力工程区域的最终分区。本方法解决了无法根据各种气象因素将工程区域进行合理精确分区的技术问题。

Description

气象参证站分区方法

技术领域

本发明涉及电力勘测设计技术领域，尤其涉及一种气象参证站分区方法。

背景技术

常规气象站的观测资料，通常包括气压、气温、湿度、风速、风向、降水、蒸发、日照、冻土等多项内容，而以上的气象站观测内容均是电力勘测设计中需要的最基础资料。依据《电力工程气象勘测技术规程》(DL/T5158-2012)的规定，在电厂、变电站、输电线路等工程勘测设计中，在电力工程气象参证站选择中，应对被选气象站观测场与工程点两地的气候一致性、两地地形及海拔差异对气象要素的影响进行查勘分析，对所选气象站观测资料的适用性进行分析，要求其观测资料对工程点具有代表性，且便于移用。而对于如何选取气象参证站并没有明确的规定，当遇到选取气象参证站时，根据以上规定往往还是会出现无法确定气象参证站的问题。比如某工程选取在巴彦淖尔市某地，距离其最近的气象站有三个，而且距离都比较相近，同时也不能单纯的依据距离确定气象站的代表性。解决的办法就是将符合的气象站均作为气象参证站，比如上例中的工程，就需要将三个气象站的气象要素一一列举并计算结果，首先在收集气象资料上造成资源浪费，同时设计人员在选取设计气象要素时，势必选取对工程安全性的气象要素设计，但对工程勘测设计优化以及节约成本都有一定影响。

在工程水文中，有一种计算平均面雨量方法—泰森多边形。泰森多边形的始祖要追溯到1908年，冯洛诺伊首先在数学上限定了每个离散点数据的有效作用范围，即其有效反映区域信息的范围，并定义了二维平面上的冯洛诺伊图。1911年，荷兰气候学家泰森提出了一种根据离散分布的气象站的降雨量来计算平均面雨量的方法，即将所有相邻气象站连成三角形，作这些三角形各边的垂直平分线，于是每个气象站周围的若干垂直平分线便围成一个多边形。用这个多边形内所包含的一个唯一气象站的降雨强度来表示这个多边形区域内的降雨强度，并称这个多边形为泰森多边形。泰森多边形的特性是：

1、每个泰森多边形内仅含有一个离散点数据；

2、泰森多边形内的点到相应离散点的距离最近；

3、位于泰森多边形边上的点到其两边的离散点的距离相等。

泰森多边形可用于定性分析、统计分析、邻近分析等。例如，可以用离散点的性质来描述泰森多边形区域的性质；可用离散点的数据来计算泰森多边形区域的数据；判断一个离散点与其它哪些离散点相邻时，可根据泰森多边形直接得出，且若泰森多边形是n边形，则就与n个离散点相邻；当某一数据点落入某一泰森多边形中时，它与相应的离散点最邻近，无需计算距离。

然而，这种泰森多边形仅仅适用于对平均降雨量进行分区，没有考虑对其他因素进行分区的具体方法，而电力工程不仅仅考虑降雨量；此外，它将空间直接简化成为了平面进行计算，依据《电力工程气象勘测技术规程》(DL/T5158-2012)的规定，在电力工程气象参证站选择中，应对被选气象站观测场与工程点两地的气候一致性、两地地形及海拔差异对气象要素的影响进行查勘分析，也就是说，这种分区方法并不精确。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种适用于工程实践且更为精确的气象参证站分区方法。

本发明提出的气象参证站分区方法包括：选择步骤，根据电力工程的设计目标，选择与电力工程区域相关的尽量多的气象参证站；其中，所述设计相关因素为气压、气温、湿度、风速、风向、降水、蒸发、日照、冻土中的一个或多个；初次划分步骤，将选择步骤选择出的气象参证站作为离散点，利用泰森多边形将电力工程区域划分为多个第一子区域；精细划分步骤，考虑影响气候的因素将工程区域进行划分，将划分出的第二子区域与通过初次划分步骤划分出的第一子区域进行比较，找出不重合的区域，根据不重合的区域的与设计相关因素相关的历史数据与相邻的多个气象参证站的历史数据的相似性将不重合的区域进一步划分为第三子区域；结合步骤，将初次划分步骤得出的第一子区域和精细划分步骤得出的第三子区域进行结合以获得电力工程区域的最终分区。

根据本发明的一个方面,所述初次划分步骤具体包括：坐标计算步骤，计算通过选择步骤所选择的每一个气象参证站的具体坐标；坐标标记步骤，将地形图作为一个平面，将气象参证站坐标以及电力工程区域标示在地形图上，并将相邻的三个气象参证站连接成三角形；泰森多边形计算与标记步骤，计算坐标标记步骤中作出的多个三角形的垂直平分线的交点，连接多个交点以形成围绕气象参证站的泰森多边形，使得泰森多边形内的点到相应气象参证站的距离最近，并将泰森多边形标记在地形图上以将电力工程区域划分为多个第一子区域。

根据本发明的一个方面，在坐标计算步骤中，选择不发生换带的气象参证站首先进行计算，当选取的气象参证站在不同带上时，将气象参证站转换为同一带坐标进行计算。

根据本发明的一个方面，所述结合步骤具体包括：如果第一子区域与第三子区域的相应气象参证站不同且两者有重合的区域，则将该重合的区域从第一子区域中排除；如果第一子区域与第三子区域的相应气象参证站相同且两者有不重合的区域，则将该不重合的区域添加至第一子区域。

根据本发明的一个方面，所述精细划分步骤具体包括：选择和简单划分步骤，选择出两个气象参证站，如果这两个气象参证站之间的地形地貌或海拔的差别较大从而导致两个气象参证站的气候不同，则对两个气象参证站之间的电力工程区域依据地形地貌或海拔简单划分为第二子区域；比较步骤，找出划分后的第二子区域与通过初次划分步骤划分出的第一子区域之间不重合的区域；重划分步骤，将不重合的区域的与设计相关因素相关的历史数据与相邻的两个或多个气象参证站的历史数据进行对比，根据历史数据的相似性将不重合的区域进一步划分为一个或多个第三子区域，其中每个第三子区域的历史数据与相应的一个气象参证站的历史数据最相似。

根据本发明的一个方面在选择和简单划分步骤中，通过判断两个气象参证站之间的距离大于一预定阈值来选择出两个气象参证站。

根据本发明的一个方面所述气象参证站从综合气象站、风电场内设计的临时气象站以及测风塔中选择。

附图说明

图1示出了本发明提出的气象参证站分区方法的主要流程图；

图2示出了所述气象参证站分区方法的精确划分示意图。

具体实施方式

下文将给出一个或多个非限制性的具体实施方式对本发明进行详细描述。参见图1，对本发明提出的气象参证站分区方法的大体流程进行描述。

选择步骤，根据电力工程的设计相关因素，选择与电力工程区域相关的尽量多的气象参证站。所述设计相关因素为气压、气温、湿度、风速、风向、降水、蒸发、日照、冻土中的一个或多个。

由于电力工程设计所需要参考的气象数据多种多样，且不同的工程所需的数据也不尽相同，因此，对于气象参证站的选择也并不相同；再者，气象参证站越多，工程区域被划分的也就越精细，这样，各个工程点的气象数据也就更为准确。如果仅仅选择已有的综合气象站，可能由于其数量较少从而划分出的工程区域粒度较粗，这样各个分区的气象数据可能非常不准确。采用这一选择步骤即为了避免这一情况的发生，更为灵活地选取更多的气象参证站。例如某一电力工程仅需考虑风速这一因素时，便可将已有的综合气象站、风电场内设计的临时气象站、测风塔以及其他可记录风速的装置统统作为气象参证站，从而选取出尽可能多的气象参证站，以提高分区的精度。

初次划分步骤，将选择步骤选择出的气象参证站作为离散点，利用泰森多边形将电力工程区域划分为多个第一子区域。所述初次划分步骤具体包括：

坐标计算步骤，计算通过选择步骤所选择的每一个气象参证站的具体坐标。

在这一步骤中，首先选择不发生换带的气象参证站首先进行计算，当选取的气象参证站在不同带上时，将气象参证站转换为同一带坐标进行计算。

坐标标记步骤，将地形图作为一个平面，将气象参证站坐标以及电力工程区域标示在地形图上，并将相邻的三个气象参证站连接成三角形。

泰森多边形计算与标记步骤，计算坐标标记步骤中作出的多个三角形的垂直平分线的交点，连接多个交点以形成围绕气象参证站的泰森多边形，使得泰森多边形内的点到相应气象参证站的距离最近，并将泰森多边形标记在地形图上以将电力工程区域划分为多个第一子区域。

下面给出一个具体示例对初次划分步骤进行说明。

选取内蒙古自治区巴彦淖尔市主要的7个气象站作为气象参证站举例分析。

巴彦淖尔市位于中国北疆，内蒙古自治区西部，该市北依阴山，南临黄河，东连草原钢城包头，西邻阿拉善盟及塞外煤都乌海市，巴彦淖尔属中温带大陆性季风气候。下面介绍下选取主要的气象站概况：

临河气象站位于巴彦淖尔市临河区，该站设立于1951年1月，地理位置为东经107°24′，北纬40°46′，观测场海拔高度为1039.3m；自记风速仪从1971年开始使用，风仪标高几经变换，现风仪距地高为11.1m。

磴口气象站位于巴彦淖尔市磴口县，该站设立于1954年，地理位置为东经107°00′，北纬40°20′，观测场海拔高度为1055.1m；自记风速仪从1971年开始使用，风仪标高几经变换，现风仪距地高为10.5m。

五原气象站位于巴彦淖尔市五原县，该站设立于1956年1月，地理位置为东经108°17′，北纬41°06′，观测场海拔高度为1023.0m；自记风速仪从1974年开始使用，现风仪距地高为11.0m。

杭锦后旗气象站位于巴彦淖尔市杭锦后旗陕坝镇，该站设立于1954年，地理位置为东经107°08′，北纬40°54′，观测场海拔高度为1056.7m；自记风速仪从1977年开始使用，现风仪距地高为14.8m。

乌拉特前旗气象站位于巴彦淖尔市乌拉特前旗西山嘴镇，该站设立于1956年，地理位置为东经108°39′，北纬40°44′，观测场海拔高度为1021.7m；自记风速仪从1971年开始使用，风仪标高几经变换，现风仪距地高为16.8m。

乌拉特后旗气象站位于乌拉特后旗潮格温都尔郊外，设立于1974年，站址地理位置为东经107°01′，北纬41°27′，观测场海拔高度为1576.8m，气压表海拔高度为1577.7m，现风仪高度为13.8m。

乌拉特中旗气象站位于乌拉特中后联合旗海流图镇“草原”，该站设立于1954年，站址地理位置为东经108°31′，北纬41°34′。观测场海拔高度为1288.2m，气压表海拔高度1289.7m。气象站风仪高度几经变换，现距地高10.7m。

以上7个气象站的具体坐标见下表：

通过以上7个气象站的具体坐标(当遇到换带问题时，尽量选取不发生换带的气象站首先进行计算，选取的气象站在不同带上时，将气象站转换为同一带坐标进行计算)中的三个临近气象站组成三角形，原则上尽量选取的气象站为锐角三角形。计算三角形三条边垂直平分线的交点，以此类推将以上7个气象站所覆盖的面积上组成三角形，并且求所有三角形三条边垂直平分线的交点。同时将各三角形三条边垂直平分线的交点连接成多边形，由此可将以上7个气象站所覆盖的面积划分为大小不一的泰森多边形。

1、每个泰森多边形内仅含有一个气象参证站；

2、泰森多边形内的点到相应气象参证站的距离最近；

3、位于泰森多边形边上的点到其两边的气象参证站的距离相等。

具体地，利用以上7个气象站的具体坐标，假设任意三个气象站组成的三角形，其三角形三条边垂直平分线交点T坐标为(a,b)，其三个气象站的坐标分别为：A(a₁,b₁)、B(a₂,b₂)、C(a₃,b₃),利用点T到三个气象站的距离相等建立方程，其方程为：AT＝BT＝CT，依据此方程建立坐标之间的关系，通过建立方程组，将A(a₁,b₁)、B(a₂,b₂)、C(a₃,b₃)的三点坐标带入方程组，可以解出点T的坐标(a,b)。

同理利用任意相邻的三个气象站建立三角形，利用其特性建立方程组，带入具体坐标，从而可以求出各三角形三条边垂直平分线的交点，同时将各三角形三条边垂直平分线的交点连接成多边形，即为泰森多边形。

其坐标见下表：

接下来根据以上计算结果，将气象站坐标，以及计算出来的临近三个气象站组成的三角形三条边垂直平分线的交点坐标分别标记在1：50000地形图上(遇到换带问题时，首先对比1：50000地形图，将准确的坐标标记在地形图上)，同时将各三角形三条边垂直平分线的交点连接成多边形，即为泰森多边形。

通过气象站代表区域的分析来对计算结果进行验证与分析，同时总结其优缺点。

通过计算区域的划分，可以将距离气象站最近的区域在1：50000地形图上明显标注，同时通过气象站的概况可以知道临河、磴口、五原、杭锦后旗、乌拉特前旗的海拔均在1000m-1100m之间，高程变化不大，主要为耕地，局部地区有林地与沙地，下垫面情况相似。只有乌拉特中旗与乌拉特后旗海拔高度在1250m-1600m之间，高程变化也不大，同时两个气象站均位于乌拉山上，地形主要为低山丘陵为主，植被稀疏，下垫面情况也比较相似。而以上临河、磴口、五原、杭锦后旗、乌拉特前旗五个气象站均处于乌拉山以南，黄河以北的黄河冲击平原上；乌拉特中旗与乌拉特后旗处在乌拉上南麓的山前低山丘陵地区，以上七个气象站具有明显的地形、下垫面、气候特征等较大的区别。所以，在气象站的分区上可以较准确性的对气象站分区进行验证，结果对验证结果进行分析比较，发现利用泰森多边形进行气象站分区可以清楚明了的将地形、下垫面、气候特征比较接近的气象站进行分区，同时分区结果与地形、下垫面、气候特征较接近，可以利用气象站分区进一步验证气象站的代表性分析。

通过以上计算结果分析，泰森多边形具有以下优点：首先泰森多边形进行气象站分区采用的思路简单，方法简便易操作，结果实现容易，结合地形图分析清楚明了，对于工程适用性较强。其次就是对于泰森多边形进行气象站分区时主要考虑距离气象站距离这一最关注的因素，实现的计算结果在地形图上反映比较直观，同时对于地形、下垫面、气候特征比较接近的气象站进行分区，适用性特别好。

但是通过分析结果也发现有以下不足：首先在临近气象站在地形、下垫面、气候特征发生明显变化区域，会出现较小的区域发生错位或者代表性不准确的情况，其原因一是选取区域气象站不足或者气象站之间距离较远，会影响泰森多边形的精度，其解决方法就是将临近尽可能多的气象站作为分区依据，同时选取气象站数量较多的地区进行分析比较，比如可以将已建风场测风塔坐标划入泰森多边形计算范围内，可以得到根据不同地形、下垫面、气候特征等要素划分出精度特别高的泰森多边形。二是由于本次选取地点具有明显的地形、下垫面、气候特征差别性，仅考虑距离气象站最近这一单纯的方面，不能完全可以代表地形、下垫面、气候特征等要素，还需要将空间高程，下垫面情况以及主要气候特征等差异性体现出来。

为此，本发明所提出的气象参证站分区方法还包括精细划分步骤。

所述精细划分步骤考虑气象参证站之间的距离、地形、地貌、海拔等一个或多个影响气候的因素，将工程区域进行划分，将划分出的第二子区域与通过初次划分步骤划分出的第一子区域进行比较，找出不重合的区域，根据不重合的区域的与设计相关因素相关的历史数据与相邻的多个气象参证站的历史数据的相似性将不重合的区域进一步划分为第三子区域。

通过这一精细划分步骤，能够克服由于气象参证站数量较少或距离较大、地形地貌或海拔的突然改变而导致划分不精确的问题。根据与相邻气象参证站历史数据的相似性，对于可能划分不精确的区域进行进一步划分，能够提高划分的精确度。

具体的，在一个实施例中，这一步骤包括：

选择和简单划分步骤，选择出两个气象参证站，如果这两个气象参证站之间的地形地貌或海拔的差别较大(例如，一个为平原，一个为高山，或者一个靠近河流或湖泊而另一个不靠近等,这一比较可通过两者地形地貌类型不同、海拔高度差高于某一预定阈值来执行)从而导致两个气象参证站的气候有明显不同(这种情况下仅靠距离划分未必准确)，则对两个气象参证站之间的电力工程区域依据地形地貌或海拔简单划分为第二子区域；

比较步骤，找出划分后的第二子区域与通过初次划分步骤划分出的第一子区域之间不重合的区域；

重划分步骤，将不重合的区域的与设计相关因素相关的历史数据与相邻的两个或多个气象参证站的历史数据进行对比，根据历史数据的相似性将不重合的区域进一步划分为一个或多个第三子区域，其中每个第三子区域的历史数据与相应的一个气象参证站的历史数据最为相似。

根据一个实施例，在选择出两个气象参证站时，为了减少计算量，可判断两个气象参证站之间的距离是否大于一预定阈值(距离过大可能导致划分不准确，且该阈值可根据情况进行设置)来选择出两个气象参证站。这是因为如果距离较小，气候情况没有很大的差别，可以不再考虑进一步的精细划分。

参见图2，示出了精细化分的一个简单示例。气象参证站A和B之间按照初次划分步骤，以两者的垂直平分线将两者之间的区域划分为C和D两部分(第一子区域)。由于两者之间的地形有很大差别，其中A的海拔较高，B为平原，C区中有一部分E为平原，D区中有一部分F海拔较高(图2的曲线划分出第二子区域)。对于E和F来说，虽然其分别与A和B接近，但根据历史气象数据可知，E区中区域E2的气象情况更接近于B，而F区中区域F1的气象情况更接近于A；因此，进一步地将E和F分为E1，E2，F1，F2(第三子区域)，并将它们分别与气象参证站A、B、A、B进行对应。图2仅仅是一个最简单的示例，仅仅为了进行解释，并非限定本发明所提出的技术方案。

最后，将初次划分步骤和精细划分步骤的结果进行结合，即将第一子区域和第三子区域进行结合，便可得出本发明最终所划分出的工程区域子分区。具体的，如果第一子区域与第三子区域的相应气象参证站不同且两者有重合的区域，则将该重合的区域从第一子区域中排除；如果第一子区域与第三子区域的相应气象参证站相同且两者有不重合的区域，则将该不重合的区域添加至第一子区域。例如图2中，D区排除F1并加上E2是与气象参证站B对应的分区，C区排除E2并加上F1是与气象参证站A对应的分区。

本发明的上述非限制性实施例仅为说明的目的，并不作为对本发明所提出方案的限制。实际上，本领域技术人员可以根据实际需要对该方法的各个步骤进行调整，从而获得各种具体实施方式，这些实施方式也属于本发明构思的一部分，从而落入本发明的保护范围中。

Claims (6)

1.一种气象参证站分区方法，其特征在于，所述方法包括：

选择步骤，根据电力工程的设计目标，选择与电力工程区域相关的尽量多的气象参证站；其中，设计相关因素为气压、气温、湿度、风速、风向、降水、蒸发、日照、冻土中的一个或多个；

初次划分步骤，将选择步骤选择出的气象参证站作为离散点，利用泰森多边形将电力工程区域划分为多个第一子区域；

精细划分步骤，考虑影响气候的因素将工程区域进行划分，将划分出的第二子区域与通过初次划分步骤划分出的第一子区域进行比较，找出不重合的区域，根据不重合的区域的与设计相关因素相关的历史数据与相邻的多个气象参证站的历史数据的相似性将不重合的区域进一步划分为第三子区域；

结合步骤，将初次划分步骤得出的第一子区域和精细划分步骤得出的第三子区域进行结合以获得电力工程区域的最终分区；所述结合步骤具体包括：

如果第一子区域与第三子区域的相应气象参证站不同且两者有重合的区域，则将该重合的区域从第一子区域中排除；如果第一子区域与第三子区域的相应气象参证站相同且两者有不重合的区域，则将该不重合的区域添加至第一子区域。

2.根据权利要求1所述的气象参证站分区方法，其特征在于,所述初次划分步骤具体包括：

坐标计算步骤，计算通过选择步骤所选择的每一个气象参证站的具体坐标；

坐标标记步骤，将地形图作为一个平面，将气象参证站坐标以及电力工程区域标示在地形图上，并将相邻的三个气象参证站连接成三角形；

泰森多边形计算与标记步骤，计算坐标标记步骤中作出的多个三角形的垂直平分线的交点，连接多个交点以形成围绕气象参证站的泰森多边形，使得泰森多边形内的点到相应气象参证站的距离最近，并将泰森多边形标记在地形图上以将电力工程区域划分为多个第一子区域。

3.根据权利要求2所述的气象参证站分区方法，其特征在于：

在坐标计算步骤中，选择不发生换带的气象参证站首先进行计算，当选取的气象参证站在不同带上时，将气象参证站转换为同一带坐标进行计算。

4.根据权利要求1至3任一所述的气象参证站分区方法，其特征在于，所述精细划分步骤具体包括：

选择和简单划分步骤，选择出两个气象参证站，如果这两个气象参证站之间的地形地貌或海拔的差别较大从而导致两个气象参证站的气候不同，则对两个气象参证站之间的电力工程区域依据地形地貌或海拔简单划分为第二子区域；

比较步骤，找出划分后的第二子区域与通过初次划分步骤划分出的第一子区域之间不重合的区域；

重划分步骤，将不重合的区域的与设计相关因素相关的历史数据与相邻的多个气象参证站的历史数据进行对比，根据历史数据的相似性将不重合的区域进一步划分为一个或多个第三子区域，其中每个第三子区域的历史数据与相应的一个气象参证站的历史数据最相似。

5.根据权利要求4所述的气象参证站分区方法，其特征在于：

在选择和简单划分步骤中，通过判断两个气象参证站之间的距离大于一预定阈值来选择出两个气象参证站。

6.根据权利要求1所述的气象参证站分区方法，其特征在于：

所述气象参证站从综合气象站、风电场内设计的临时气象站以及测风塔中选择。