一种用于冰区图绘制的气候分区方法与流程

1.本发明涉及架空输电线路冰区图绘制技术领域，具体涉及一种用于冰区图绘制的气候分区方法。


背景技术：

2.随着电网的发展和全球极端气候频发，电网覆冰灾害不断加剧，造成的危害越来越严重，轻则引起闪络跳闸，重则导致金具损坏、断线倒杆(塔)等事故。因此，冰区划分是覆冰地区架空输电线路设计中最重要的气象条件，其意在将属于同一气候区、海拔相当的地段概化为同一设计冰厚，形成冰区划分成果。而科学合理地绘制输电线路设计冰区分布图对增强电网抵御覆冰灾害的能力，提高电网的安全稳定运行水平具有巨大的经济和社会价值。
3.覆冰受气候影响显著，不同气候区覆冰起始海拔相差显著，而在微气候区覆冰量级主要受微地形引起气温、风速、湿度等气象要素变化程度控制，与海拔关系不大。虽然目前覆冰比较严重的省份均绘制了各自的输电线路冰区分布图，但多数已有的冰区图因制作部门未能准确地进行气候分区，全区域依靠海拔、经度、纬度建立覆冰模型，其划分成果与实际冰区空间分布存在较大偏差，尤其是在资料缺乏地区和微地形微气候区域偏差更为显著。
4.在冰区划分前，应首先根据区域内地形地势及覆冰分布特性，进行气候分区。选择一种好的气候分区方法，分区建立覆冰计算模型，可有效提高冰区图的绘制质量。因此，良好的气候分区成果是绘制高质量冰区图的基础。


技术实现要素：

5.为了解决上述内容中提到的现有技术缺陷，本发明提供了一种用于冰区图绘制的气候分区方法，通过对将气候区进行科学合理的划分，提高冰区图的绘制准确性。
6.为了实现上述目的，本发明具体采用的技术方案是：
7.一种用于冰区图绘制的气候分区方法，包括如下步骤：
8.确定冰区图绘制区域，获取绘制区域内气象站的位置信息，并获取包括气温、相对湿度和日照时数在内的冬季气象要素；
9.根据获取到的气象站位置信息和气象要素，采用聚类分析法进行初步气候分区；
10.基于地理信息系统对绘制区域划分网格点，确定各个网格点满足覆冰形成基本条件(日最低气温为-10℃～1℃、日平均相对湿度》80％、日累计日照时数≤2h的年平均日数)的年平均日数；
11.对不同覆冰程度区域进行等级划分以得到若干细化区域，按照细化区域对初步气候分区进行细化划分；
12.识别各个细化区域内的微地形特征，将山脊、山谷、垭口、迎风坡、背风坡、平坝等确定为微气候区域，并将微气候区域以外的其他区域确定为一般气候区域，形成气候分区。
13.上述公开的气候分区方法，能够将绘图区域划分成不同的气候区，结合不同气候区的不同特征将确定细化的气候区域，从而得到精细化划分的气候区，在此基础上进行冰区图的绘制更为精确。
14.进一步的，本发明中所采集的气象站的相关信息用于辅助气候分区，此处对采集的位置信息进行说明：所述的气象站的位置信息至少包括气象站的纬度、经度和海拔，同时，还可采集气象站的机构、人员、站址及观测任务、方法、仪器等历史沿革信息作为参考。
15.进一步的，在本发明中，微地形特征用于确定细化区域内的微气候区域，此处进行优化说明：所述的微地形特征至少包括山脊、山谷、垭口、迎风坡、背风坡和平坝。采用如此方案时，能够将细化区域内进行再次细分，从而确定不同的微气候区域。
16.进一步的，本发明在进行初步气候分区时采用如下方法：
17.获取气象站内逐年的包括冬季平均最低气温、相对湿度和日照时数在内的气象要素，计算各气象要素的均方差。将冬季平均最低气温、最低气温均方差、相对湿度、相对湿度均方差、日照时数和日照时数均方差作为气候分区的6个基本因子，从而得到原始矩阵x
k,j
，k＝1，2，3
…
n；j＝1，2，3
…
m；n和m分别为聚类分析的基本因子数与气象站数；
18.按照如下方法对原始矩阵x
k,j
进行处理得到标准化矩阵
[0019][0020]
其中，
[0021]
按照如下方法，通过标准化矩阵计算各个气象站之间的相关因数r
i,j
：
[0022][0023]
其中，i＝1，2，3
…
m。
[0024]
按照如下方法，将相关因数r
i,j
的值由区间[-1，1]变换到区间[0，1]：由此形成以为元素的m阶模糊矩阵r1；
[0025]
按照如下运算法则对模糊矩阵进行运算：若a和b分别为n
×
m，m
×
l的两个模糊矩阵，则他们的乘积c为n
×
l的模糊矩阵，其元素为：
[0026][0027]
其中“∨”和“∧”为两个运算记号，定义为：
[0028]
a∨b＝max(a，b)
[0029]
a∧b＝min(a,b)
[0030]
因此，模糊矩阵的乘积表示为a
·
b；利用该模糊矩阵运算法则将模糊矩阵r1进行连续自乘得到：r2＝r1·
r1，r4＝r2·
r2；
[0031]
矩阵r自乘t次后，满足得到的为一个等价模
糊矩阵，具有传递性。对于任意的0≤λ≤1，得λ的集称为的λ截集。记为：
[0032][0033]
其中x为全域。从大到小可以得到不同λ水平的截模糊矩阵，进行初步气候分区。
[0034]
由此即可完成初步气候分区。
[0035]
进一步的，本发明中，所述的基于地理信息系统对绘制区域划分网格点，确定各个网格点满足覆冰形成基本条件的年平均日数，具体按照如下方法进行：
[0036]
获取冰区图绘制区域的dem数字高程数据并进行栅格化处理，建立分辨率小于等于1km
×
1km的栅格化网格，同时提取各个网点的经度、纬度和海拔；
[0037]
将气象站日最低气温在-10℃～1℃、日平均相对湿度》80％、日累计日照时数≤2h作为覆冰形成的基本条件，统计各气象站冬季同时满足上述覆冰形成基本条件的年平均日数即为“年均可覆冰日数”；
[0038]
根据初步气候分区结果，分别建立各气候区内气象站年均可覆冰日数与其经度、纬度、海拔的拟合关系，并将拟合关系应用于各网格点，计算各气候区各网格点年均可覆冰日数。
[0039]
进一步的，所述的对不同覆冰程度区域进行等级划分以得到若干细化区域，按照细化区域对初步气候分区进行细化划分；具体包括：
[0040]
按照如下方法确定不同覆冰程度区域的等级划分标准：将年均可覆冰日数tn≤15d记为轻度覆冰区域；年均可覆冰日数15d＜tn≤30d记为中度覆冰区域；年均可覆冰日数30d＜tn≤50d记为严重覆冰区域；年均可覆冰日数tn＞50d记为极严重覆冰区域；
[0041]
在初步气候分区结果的基础上，将各网格点按覆冰等级划分标准进行进一步分区，形成细化气候分区结果。
[0042]
进一步的，所述的识别各个细化区域内的微地形特征，将山脊、山谷、垭口、迎风坡、背风坡、平坝等确定为微气候区域，并将微气候区域以外的其他区域确定为一般气候区域，形成气候分区，具体包括：
[0043]
采用arcgis中水文分析模块，通过计算地形汇流累计量的方法，识别出山脊线和山谷线，山脊线和山谷线交汇处为垭口位置，得到属山脊、山谷、垭口气候的网格点；
[0044]
采用arcgis计算地形坡向，并根据区域中尺度再分析数据，计算区域冬季典型覆冰过程的主风向；
[0045]
将坡向与覆冰期主风向夹角范围在(0
°
，45
°
)区间确定为迎风坡地形，坡向与主风向夹角在(135
°
，180
°
)区间确定为背风坡地形，得到属迎风坡、背风坡气候的网格点；
[0046]
其他网格点记为属一般气候的网格点；
[0047]
按照前述方法对细化气候分区结果进行地形微气候分区，形成最终的气候分区结果。
[0048]
进一步的，在本发明中，所述冬季指每年11月16日至次年3月15日，所述气象站资料年限一般不少于30年。
[0049]
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
[0050]
本发明公开的方法利用长期气象站资料与地理信息系统完成气候分区，成果显
著，建设条件优，能够以解决因气候分区效果不佳而导致冰区图绘制成果与实际偏差较大的问题。
附图说明
[0051]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
[0052]
图1为一种用于冰区图绘制的气候分区方法流程图。
[0053]
图2为实施例中进行气候区划分的示例图。
[0054]
图3为图2中的局部气候区划分的放大示意图。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
[0056]
在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
[0057]
实施例
[0058]
针对现行的冰区图绘制方法存在的诸多缺陷，本实施例进行优化以解决现有技术中存在的问题。
[0059]
以四川省区域冰区绘制图为例，四川省位于我国西南地区内陆，范围广、地形复杂，地势总体呈西高东低的特点。省内输电线路有较大部分穿越高海拔、重覆冰地区，运行条件恶劣，且受区域地形、气候影响，覆冰分布极不均匀。因此，正确的进行气候分区，有利于建立更为可靠的分区覆冰计算模型，提高冰区图成果的可靠性与可应用性。
[0060]
具体的，如图1所示，在进行冰区图绘制时可采用如下技术方案：
[0061]
步骤1，将冰区图绘制区域确定为四川省，搜集、整理区域内145个长期气象站相关信息(经度、纬度、海拔与历史沿革等)及其与覆冰密切相关的冬季气象要素(气温、相对湿度、日照时数等)，整理时段为近30年每年11月16日至次年3月15日；
[0062]
步骤2，根据气象站资料，采用聚类分析法进行初步气候分区。
[0063]
步骤2.1整理区域内气象站的逐年冬季平均最低气温、相对湿度、日照时数，并计算各气象要素的均方差，作为气候分区的6个基本因子。得到原始矩阵x
k，j
，k＝1，2，3，
…
，n；j＝1，2，3，
…
，m。其中n＝6、m＝145分别为聚类分析的因子数与气象站台站数。
[0064]
步骤2.2对原始矩阵x
k，j
作标准化处理，生成标准化矩阵标准化计算公式为：
[0065][0066]
其中：
[0067]
步骤2.3以标准化矩阵为基础，计算各站之间的相关系数r
i,j
，计算公式为：
[0068][0069]
其中，i＝1，2，3
…
m。
[0070]
步骤2.4将相关系数r
i,j
由区间[-1，1]变换到区间[0，1]，计算公式为：
[0071][0072]
形成了以为元素的m阶模糊矩阵r1。
[0073]
步骤2.5模糊矩阵乘法运算法则为：若a和b分别为n
×
m，m
×
l的两个模糊矩阵，则他们的乘积c为n
×
l的模糊矩阵，其元素为：
[0074][0075]
其中“∨”和“∧”为两个运算记号，他们的含义定义为：
[0076]
a∨b＝max(a,b)
[0077]
a∧b＝min(a,b)
[0078]
为了同普通的矩阵相乘区别，模糊矩阵的乘积表示为a
·
b。
[0079]
步骤2.6根据模糊矩阵乘法运算法则，将r1不断自乘，即：
[0080]
r2＝r1·
r1，r4＝r2·
r2[0081]
矩阵r自乘5次后，满足r
16
＝r
16
·r16
＝r
32
，得到的r
32
为一个等价模糊矩阵，具有传递性。从大到小可以得到不同λ水平的截模糊矩阵。根据f-统计量的最大值选取对应λ的最优值，即λ＝0.927510，将四川省初步划分为13个气候区，依次记为气候ⅰ区、气候ⅱ区、气候ⅲ区
……
。其中气候ⅰ区共包括7个县，分别为石渠县、若尔盖县、甘孜县、色达县、阿坝县、红原县、壤塘县。
[0082]
步骤3基于地理信息系统(gis)划分网格点，计算各网格点满足覆冰形成基本条件的年平均日数。
[0083]
步骤3.1下载四川省的dem数字高程数据，网格分辨率为30m
×
30m，并将原始数据栅格化，建立分辨率为270m
×
270m的栅格化网格，提取各网格点经度、纬度、海拔信息。
[0084]
步骤3.2统计各气象站冬季同时满足日最低气温为-10℃～1℃、日平均相对湿度》80％、日累计日照时数≤2h的年平均日数，计算各气象站“年均可覆冰日数”。
[0085]
步骤3.3根据步骤2的初步气候分区成果，分别建立各气候区内气象站年均可覆冰日数与其经度、纬度、海拔的拟合关系，并将拟合关系应用于各网格点，计算不同气候区各网格点年均可覆冰日数。
[0086]
步骤4，开展不同程度覆冰区域的等级划分，细化初步气候分区成果。
[0087]
步骤4.1确定不同程度覆冰区域的等级划分标准，将年均可覆冰日数tn≤5d记为轻度覆冰区域；年均可覆冰日数5d＜tn≤15d记为中度覆冰区域；年均可覆冰日数15d＜tn≤25d记为严重覆冰区域；年均可覆冰日数tn＞30d记为极严重覆冰区域。
[0088]
步骤4.2在步骤2的初步气候分区成果基础上，将各网格点按覆冰等级划分标准进
行进一步分区，形成了细化的气候分区成果，包括轻度覆冰区域、中度覆冰区域、严重覆冰区域、极严重覆冰区域。
[0089]
步骤5，构建微气候区域识别方法，识别各细化区域的山脊、山谷、垭口、迎风坡、背风坡、平坝等微气候及一般气候区域。
[0090]
步骤5.1采用arcgis中水文分析模块，通过计算地形汇流累计量的方法，识别出山脊线和山谷线，山脊线和山谷线交汇处为垭口位置，得到属山脊、山谷、垭口气候的网格点。
[0091]
步骤5.2根据欧洲中期天气预报中心era5再分析数据，统计再分析数据区域各格点1月的平均主导风向。计算栅格化网格点与各再分析数据格点的距离，并将与之距离最近的再分析数据格点的1月平均主导风向记为该栅格化网格点冬季典型覆冰过程的主风向。
[0092]
步骤5.3采用arcgis计算地形坡向，坡向与覆冰期主风向夹角范围在(0
°
，45
°
)区间为迎风坡地形，坡向与主风向夹角在(135
°
，180
°
)区间为背风坡地形，得到属迎风坡、背风坡气候的网格点。
[0093]
步骤5.4其他网格点记为属一般气候的网格点。
[0094]
步骤5.5按步骤5.1～步骤5.4，对细化气候分区成果进行地形微气候分区，形成最终的气候分区成果。
[0095]
参见图2、图3示出了精细划分的一个简单示例。经步骤2，确定气候ⅰ区共包括7个县，分别为石渠县、若尔盖县、甘孜县、色达县、阿坝县、红原县、壤塘县。经步骤4，细化气候ⅰ区的气候分区成果，气候ⅰ区又可分为轻度覆冰区域、中度覆冰区域，无严重覆冰区域、极严重覆冰区域。图2中轻度覆冰区域、中度覆冰区域以白线为间隔线。再按步骤5，分别将轻度覆冰区域、中度覆冰区域划分为垭口、山脊、山谷、迎风坡、背风坡、平坝及一般气候7类地形微气候区域。
[0096]
以上即为本实施例列举的实施方式，但本实施例不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本实施例的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本实施例的保护范围的限制，本实施例的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。