Содержание к диссертации
Введение
1. Физико-географическая характеристика Сахалинской области и методы климатологических обобщений информации о ветре и гололеде 11
1.1. Физико-географическая характеристика области.. 11
1.2. Методы климатологических обобщений информации о ветре 18
1.3. Методы климатических обобщений информации О гололеде 21
2. Метрологические аспекты измерений, влияющие на качество исходной информации о скорости ветра 24
2.1. Анемометры, применяемые в России 24
2.2. Принципы градуировки механических анемометров. 28
2.3. Проверка исправности анемометров на станциях... 30
2.4. Измерение средней скорости ветра флюгерами Вильда 32
2.5. Измерение средней скорости дистанционными анемометрами 36
2.6. Отличия средних скоростей чашечных и винтовых анемометров 39
2.7. Отличия динамических характеристик скорости ветра 4 6
2.8 Отличия скоростей ветра, определенных по шкале Бофорта 51
3. Методы восстановления однородности климатологических рядов с информацией скорости ветра . 5 6
3.1. Метод сравнения синхронных измерений скорости ветра 56
3.2. Метод сравнения скоростей ветра равных вероятностей 59
3.3. Метод «приведения» к стандартной плотности воздуха 66
3.4. Метод «приведения» к единому интервалу осреднения Скорости 68
4. Климатические параметры ветровых нагрузок . 71
4.1. Расчетные скорости ветра и их интерпретация... 71
4.2. Расчетные скорости ветра по направлениям 77
4.3. Продолжительность действия ветровой нагрузки ... 86
4.4. критерии опасной скорости ветра и ветровое районирование территории Сахалинской области по особо опасной скорости ежегодной повторяемости 97
5. Региональные аспекты режима опасной скорости ветра 99
5.1. БОра на Сахалине и Курильских островах 99
5.2. Режим опасной скорости ветра по градиентным наблюдениям 110
5.3. Косвенные оценки максимальной скорости в порывах ветра по характеру разрушений приборов 112
6. Климатологические обобщения информации о гололеде 116
6.1. Характеристика условий обледенения инженерных сооружений 116
6.2. Климатологические параметры гололёдных, ветровых при гололеде и результирующих нагрузок 118
6.3. Гололедное районирование о. Сахалин 122
6.4. Обледенение морских инженерных сооружений... 125
7. Использование информации о ветре и гололеде для защиты проводов ЛЭП от обледенения 135
7.1. Прогноз обледенения проводов ЛЭП 135
7.2. Процесс обрыва обледенелого провода ЛЭП 138
7.3. Защита проводов ЛЭП от обледенения повышающая ее КПД 141
7.4. оценка экономического эффекта защиты ЛЭП от обледенения 145
Заключение 149
- Измерение средней скорости ветра флюгерами Вильда
- Метод сравнения скоростей ветра равных вероятностей
- Продолжительность действия ветровой нагрузки
- Климатологические параметры гололёдных, ветровых при гололеде и результирующих нагрузок
Введение к работе
Актуальность проблемы. Не смотря на трудности
переходного периода, экономика Сахалинской области
динамично развивается. Примером тому служит завершение
строительства первой очереди мощной газотурбинной
электростанции в поселке Ноглики, и организация добычи
промышленной нефти на шельфе Охотского моря комплексом
«Витязь». Строятся нефтепроводы и газопроводы,
реконструируется железная дорога, проектируются линии
электропередачи в Японию, Корею, Китай, а так же
переходы через проливы Лаперуза и Невельского для
соединения железных дорог Японии и России с железными
дорогами стран Азии и Европы.
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 - {3 и у параметры, зависящие от физико-географических условий, Г - период повторения в годах. Связь между интегральной вероятностью и периодом повторения задается формулами: f(x)- для четырех срочных наблюдений и f(x\ = —A— для восьми срочных наблюдений. 2922 Т Где, -14 61 - среднее число измерений скорости за год при четырех срочных наблюдениях, 2 922 - среднее число измерений скорости за год при восьми срочных наблюдениях.
Первые попытки использовать восьми срочные наблюдения привели к такому результату. Эмпирические вероятности скоростей ветра не изменились, т.е. остались такими же, как и при четырех срочных наблюдениях, а значения расчетных скоростей ветра в связи с заменой множителя 14 61 на множитель 2922 необоснованно возросли. Исследование устойчивости эмпирических вероятностей скоростей ветра, опубликованное [34,38], показало, что фактическая вероятность скорости ветра зависит от ее продолжительности в большей мере, нежели от числа сроков наблюдений. Чем больше продолжительность существования скорости ветра, тем больше ее вероятность. В частном случае, когда средняя продолжительность существования сильного ветра будет равна продолжительности времени между сроками наблюдений, фактическая вероятность и вероятность заданного периода повторения будут совпадать. С целью обоснования формулы f (х) = , которая применяется выбора периода повторения скорости ветра, были определены средние продолжительности штормовых ветров по станциям СахУГКС, а также исследована зависимость повторяемости непрерывной продолжительности скорости ветра sl6 м/с ГМО Александровск, при четырех срочных и восьми срочных наблюдениях.
Такое исследование показало, что кривые повторяемости непрерывной продолжительности скоростей ветра ; 1б м/с практически совпадают, а наиболее вероятная продолжительность, соответствующая повторяемости 50% равна б часам, что соответствует продолжительности времени между сроками при четырех срочных наблюдениях. Это дает основание определять теоретическую вероятность расчетных скоростей ветра по независящей от числа сроков формуле Дх) = —— ,. (23), J 8766Г где, М - средняя непрерывная продолжительность одного случая сильного = 16 м/с ветра в часах, 87 66 - среднее число часов в году, Т - период повторения в годах (число лет) . При М = б час, формула (7) является частным случаем формулы (23). Другим примером независимой, от числа сроков наблюдений, устойчивости эмпирических . вероятностей скорости ветра, являются данные табл. 13, в которой указаны численные значения параметров {3 и у в зависимости от числа сроков наблюдений. Вывод об устойчивости эмпирических вероятностей скоростей ветра имеет исключительно важное практическое и научное значение, так как позволяет без особых усилий, связанных с организацией натурных сравнений анемометров на метеорологической площадке ГМС, решить задачу приведения ФВЛ, ФВТ к показаниям М-63М1 и наоборот.
Идея такого решения, изложенная в работах [25, 31], состоит в следующем: Режим ветра в пункте наблюдений, при условии репрезентативности местности, есть объективная реальность, не зависящая от средств и способов измерения, поэтому эмпирические вероятности фактической скорости ветра должны совпадать между собой, а измеренные разными приборами количественные оценки скорости могут расходиться. Зная распределение повторяемости скоростей ветра, измеренных разными приборами, за достаточно длительный интервал наблюдений, легко найти равновероятные скорости ветра по показаниям разных приборов соответствующие равным значениям повторяемости, которые и следует применить для решения задачи приведения. Практически процедура нахождения равновероятных скоростей сводится к следующим действиям: по данным метеорологических ежемесячников, справочников вычисляются средние значения повторяемости скоростей ветра по градациям (дифференциальные повторяемости по градациям) отдельно для приборов ФВЛ, ФВТ и М-63М1. Затем подсчитываются интегральные повторяемости. Данные таких вычислений помещают в таблицу 14 . В первой колонке таблицы 14 записаны те градации скоростей ветра, которые применяются при составлении ежемесячников, ежегодников, справочников по климату. Во второй колонке записаны отсчеты скоростей ветра по ФВТ, которые соответствуют градации справочника по климату. В следующих двух колонках записаны нижние пределы градаций ФВТ и М-63М1 необходимые при построении графиков для экстраполяции по методике ГГО. В последующих колонках записаны дифференциальные (число случаев), и интегральные (% накопления числа случаев наблюдений) повторяемости скоростей ветра для ФВЛ, ФВТ и М-63М1. Затем на сетчатке ГГО по интегральным вероятностям соответствующим отсчетам скорости ветра ФВЛ, ФВТ, нижнему пределу градации ФВЛ, ФВТ и нижнему пределу градации М-63М1строят три графика, которые показаны на рис. 19.
Дифференциальные (среднее число случаев) и интегральные (% накопления от общего числа случаев) повторяемости скоростей ветра по наблюдениям ГМО Александровск
Продолжительность действия ветровой нагрузки
Различные народнохозяйственные объекты, технологические процессы, зависят как от величины опасной скорости ветра, так и от продолжительности ее действия. Например, чем меньше корабль, тем меньше скорость ветра, при которой его можно эксплуатировать без опасения катастрофы. Для каждого типа морских, воздушных судов такая скорость ветра определяется отдельно. При проектировании современных высотных сооружений (мачты, башни, трубы и т. д.) для расчета ветровых нагрузок на них так же требуются характеристики продолжительности опасной скорости ветра до высоты 500— 600 м над поверхностью земли, так как для указанных сооружений ветровая нагрузка является основной [8 6]. Действительно, при расчете на прочность и устойчивость к деформациям таких сооружений требуются более детальные сведения о режиме ветра в нижнем слое атмосферы в районе проектируемого строительства, чем те ограниченные данные, которые приводятся в Строительных Нормах и Правилах. Если высокое сооружение представляет собой гибкую конструкцию, то особенно важно правильно оценить нагрузку, связанную с порывистостью ветра. Поэтому при проектировании таких сооружений, кроме статической части ветровой нагрузки, определяемой по расчетным скоростям ветра, учитывается ее динамическая составляющая. Ветровая нагрузка зависит от размеров и формы сооружений, а влияние порывистости ветра определяется еще частотой собственных колебаний гибкой конструкции. Очевидно, частота колебаний конструкции и их продолжительность, связанные с порывистостью ветра, обусловливают явления «усталости» в материалах, из которых изготовлены отдельные элементы конструкции, и которые приводят к сокращению срока их службы. Наиболее существенной порывистостью отличаются сильные ветры, имеющие скорость не менее 14 м/с, так называемые штормовые ветры. Быстрота наступления «усталости» строительных материалов определяется продолжительностью колебательных процессов или продолжительностью действия сильного ветра, при воздействии которого эти процессы возникают. Все приведенные примеры говорят о том, что диапазон опасных скоростей ветра очень широк. Скорость такого ветра и его продолжительность является важнейшими климатическими показателями.
Однако чаще всего сведения о продолжительности действия сильных ветров нужны при планировании и осуществлении различного рода подъемно - транспортных операций с учетом веса груза и его парусности. Для лучшего удовлетворения подобных запросовпотребителей, планирования производительной работы, сведения о продолжительности действий опасных ветров больших или равных 8 м/с представлены табл. 24. Выбор граничной скорости 8 м/с сделан потому, что она измеряется достаточно надежно любыми анемометрами: ФВЛ, ФВТ, М-63М1, М-47, МС-13, и др. Затем были установлены, представленные графически на рис. 23, опасные скорости ветра, продолжительность действия которых, больше заданного построении такой номограммы имелось обстоятельство, что потребитель сам оценить скорость следует считать опасной и с помощью такой ее номограммы и табл. 24 сможет продолжительность. Суммарную продолжительность опасного ветра по данным табл. 2 4 и графикам рис. 23, оценивают следующим образом. Например, если для осуществления погрузочно-разгрузочных работ опасной является скорость ветра, равная или большая 10 м/с, то по станции Владимирово продолжительность скорости ветра больше или равно 8 м/с один раз в два года составит 945 часов. Обращаясь к графику рис. 23, находим продолжительность ветра скоростью, большей или равной 10 м/с, равную 750 часам. Полученный результат означает, что с вероятностью, возможной один раз в 2 года в течение 7 50 часов час погрузочно-разгрузочные работы в районе метеостанции Владимирово будут затруднены. Продолжительность сильного ветра может быть оценена как средней величиной, так и повторяемостью ее в различных пределах. При этом, очевидно, нужно знать характеристики как непрерывной продолжительности, так и суммарной за год.
Если возникает задача определения характеристик продолжительности сильных ветров на высотах нижнего слоя атмосферы, то для их наиболее точного определения нужны ежечасные наблюдения, ведущиеся на высотных башнях и мачтах. Однако, в виду того, что число таких пунктов в РФ крайне ограничено, оценить продолжительность действия сильных ветров на высотах нижнего слоя атмосферы целесообразно по данным аэрологических наблюдений. Методика определения климатических характеристик продолжительности сильных ветров на высотах нижнего слоя атмосферы по аэрологическим данным подробно изложена в работе [88]. Главная трудность использования аэрологических данных состоит в том, что они неоднородны по числу сроков наблюдений в. сутки. За всю историю аэрологических наблюдений их максимальная частота была в период с 1960 по 1975-80 годы. Тем не менее, в гидрометеорологическом фонде такие данные имеются и их по периоду с 1960 по 1975-80 годы можно использовать для разного рода климатологических обобщений, включая определения продолжительности действия сильного ветра. В качестве примера, рассмотрим методологию определения характеристик продолжительности сильного ветра по данным аэрологической станции Комсомольск на Амуре. Такие расчеты были проведены в связи со строительством телевизионной мачты в г. Комсомольск на Амуре. Однако в связи с тем, что аэрологическая станция г. Комсомольск на Амуре находится сравнительно близко, очевидно основные закономерности продолжительности сильных ветров над о. Сахалином будут такими же.
При анализе данных аэрологических наблюдений выяснилось, что ряд аэрологических наблюдений начинается с 1952 года, однако в обработку можно включить только данные наблюдений за период с 195 9 по 1968 г. Но и в этом периоде отсутствовали данные за 19 61 г., поэтому в обработку вошли наблюдения за 9 лет. При чем для высоты 300 м этот период еще меньше, так как в 195 9 и 1960 гг. скорости ветра на этой высоте не определялись. В табл. 25 приводится распределение сильных ветров по годам, причем учтены отдельно скорости ветра от 15 до 20 м/с и более 20 м/с. В рассматриваемом пункте аэрологические наблюдения проводились иногда 3, иногда 4 раза в сутки, поэтому все данные табл. 25 приведены к трех срочным наблюдениям. При обработке материалов наблюдений, данные четвертого срока использовались для контроля изменения скорости ветра между сроками. Таким образом, в таблице одному сроку наблюдений соответствует продолжительность сильного ветра около 8 ч.
Климатологические параметры гололёдных, ветровых при гололеде и результирующих нагрузок
На фото рис.28 показано, что вес гололедно-изморозевых отложений на линиях электропередачи увеличивается с ростом высоты подвеса проводов. Однако исходные данные климатологической информации гололеда получены измерением характеристик гололедно-изморозевых отложений на проводах гололедного станка, имеющих подвес 2 метра над поверхностью земли. Такие данные не подходят для оценки гололедной нагрузки ЛЭП. Поэтому они были, в соответствии с рекомендациями [43, 86, 175 - 177], пересчитаны на стандартный провод ЛЭП диаметром 10 мм и высотой подвеса 10 метров. Затем были определены вероятностные значения веса гололедной нагрузки, и толщины стенки гололеда возможные раз в 5 и 10 лет, которые приведены табл. 42-43 На фото рис.28 показано, что вес гололедно-изморозевых отложений на линиях электропередачи увеличивается с ростом высоты подвеса проводов. Однако исходные данные климатологической информации гололеда получены измерением характеристик гололедно-изморозевых отложений на проводах гололедного станка, имеющих подвес 2 метра над поверхностью земли. Такие данные не подходят для оценки гололедной нагрузки ЛЭП. Поэтому они были, в соответствии с рекомендациями [43, 86, 175 - 177], пересчитаны на стандартный провод ЛЭП диаметром 10 мм и высотой подвеса 10 метров. Затем были определены вероятностные значения веса гололедной нагрузки, и толщины стенки гололеда возможные раз в 5 и 10 лет, которые приведены табл. 42-43 Одновременное появление предельных гололедных и ветровых нагрузок является отличительной особенностью Сахалинского климата, поэтому при расчете ветровой нагрузки при обледенении необходимо учитывать реально наблюдаемые скорости ветра и площадь осевого сечения обледенелого провода. Данные ветровой нагрузки приведены табл. 42а Таблица 42а. Вероятностные значения ветровой нагрузки Q (г/м погонный) при гололеде. Опыт показывает, что на Сахалине реальные отложения зернистой изморози, намерзшего мокрого снега, имея плотность меньшую 0.9 г/см3, но достаточную механическую прочность, могут сохраняться при больших скоростях ветра, обусловливая поистине громадные результирующие нагрузки. Табл. 42б приведены данные вероятностных значений результирующей (гололедной и ветровой) нагрузки.
Большие значения результирующей нагрузки приводят к тяжелейшим авариям линий электропередачи. На фото рис. 27 показан фрагмент провода линии электропередачи с отложением мокрого снега, а на фото 2 8 показаны сломанные действием результирующей нагрузки фермы металлических опор линии электропередачи. Карта гололедного районирования о. Сахалин, показанная на рис. 31, уточняет СНиП [218-219]. В ней расширены границы гололедоопасных районов. Эта карта опубликована в работе [37]. Упомянутая ранее, катастрофа осени 1989г., когда свыше 80% магистральных ЛЭП 220кВ и 110кВ, запроектированных ранее по второму району гололедной опасности, полностью были уничтожены, заставила сахалинских энергетиков учесть результаты данного районирования, так как они, в процессе восстановления линий электропередачи, произвели их реконструкцию и механическое усиление. Тем не менее, опасность повторения подобной катастрофы, безусловно, сохраняется, поэтому необходимо средствами активной защиты снижать размеры осадка льда, парусность провода, и в целом результирующую нагрузку ЛЭП. 6.4. Обледенение морских инженерных сооружений Сооружения, установленные на месторождениях нефти и газа шельфа Охотского и Японского морей, будут подвержены в холодное время года опасному явлению -обледенению. Наибольшую опасность представляют собой отложения гололеда, мокрого снега и зернистой изморози, так как они создают значительные весовые, ветровые и результирующие нагрузки инженерных сооружений. Но все виды обледенения в значительной степени ухудшают условия радиосвязи и увеличивают потери электроэнергии на коронные разряды в линиях электропередачи высокого напряжения.
Вероятнее всего проектировщики, строители и эксплуатационники инженерных сооружений на шельфе будут иметь дело с двумя классами обледенения: 1. Набрызговым обледенением элементов конструкции расположенных в самом нижнем, приводном слое атмосферы. 2. Отложениями различных видов атмосферного льда: собственно гололеда, замерзшего мокрого снега, различных видов изморози, включая иней, на всех элементах конструкции. Набрызговое обледенение может иметь место и при волнах зыби, но наиболее существенно и опасно оно будет проявляться при следующих сочетаниях метеоусловий: 1) . Большой скорости ветра, 2). С развитым на поверхности моря ветровым волнением, 3) . Температуре воздуха, которая близка к температуре замерзания морской воды. Набрызговое обледенение, распространенное в акваториях Охотского и Японского морей, представляет угрозу безопасности мореплавания. Оно вызывает обледенение судов, которое нередко для судна заканчивается трагически. Например, в 1969 году в Татарском проливе по причине обледенения перевернулось и затонуло научно-исследовательское судно «Гидролог» Сахалинского Управления Гидрометслужбы. Экипаж «Гидролога» погиб. Но чаще всего обледеневают и гибнут суда рыбаков. Напоминанием о таких трагедиях служит памятник погибшим рыбакам установленный г. Невельске.
