Получение, обработка и представление климатической информации

Справочное пособие к СНиП

Серия основана в 1989 году

Строительная климатология

Рекомендовано к поданию решением секции строительной климатологии Научно-технического совета НИИСФ Госстроя СССР.

Разработано НИИСФ Госстроя СССР (кандидаты техн. наук Г.К. Климова, М.И. Краснов, инженеры Г.Ю. Табачник, Л. В. Крянина; д-р техн. наук, проф. С. В. Алексанровский) совместно с ПНИИИС Госстроя СССР (кандидаты геол. минерал. наук В. П. Чернядьев, М. О. Лейбман, канд. геогр. наук Т. Н. Каплина, инж. Е. Н. Знаменский); ДальНИИС Госстроя СССР (канд. геогр. наук Г. Н. Смирнова); ЦНИЭП жилища Госком-архитектуры (канд. техн. наук В. Г. Цимблер) под общей редакцией канд. техн. наук М, И. Краснова.

В пособии использованы материалы ГГО им. А. И. Войкова (д-р геогр. наук И. Д. Копанев, кандидаты геогр. наук А. К. Шкадова, К. Ш. Хайруллин).

Редактор — М. В. Никольская.

Разработано к СНиП 2.01.01-82 «Строительные климатология и геофизика». Содержит статические характеристики климатических параметров, пространственное обобщение отдельных параметров климата в виде изолинейных карт, другие вспомогательные и справочные климатические материалы, необходимые для проектирования и строительства, а также рекомендации по определению и методам расчета климатических параметров, используемые в строительной практике.

Для инженерно-технических работников проектных и строительных организаций.

РАЗДЕЛ 1. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Общие положения

1.1. Пособие содержит вспомогательные и справочные материалы, необходимые при разработке генеральных планов городов, поселков, сельских населенных пунктов, проектировании зданий и сооружений, выборе материалов для конструкций, проектировании систем отопления, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения.

1.2. Состав и область применения климатических параметров приведены в табл. 1.

Таблица 1

Состав климатических параметров	Область применения
Температура воздуха наибо­лее холодных суток и наибо­лее холодной пятидневки	Расчет сопротивления теплопере­даче и воздухопроницанию ограж­дающих конструкций; проектирова­ние сани­тар­но-технических уст­ройств жилых зданий, систем отоп­ления; выбор материалов строитель­ных конструкций
Средняя продолжительность температуры воздуха различ­ных градаций	Расчет систем вентиляции и конди­ционирования воздуха
Средняя месячная темпера­тура воздуха	Расчет теплоустойчивости и сопро­тивления паропроницанию ограж­дающих конструкций; расчет темпе­ратурного режима грунтов при про­ектировании оснований и фундамен­тов зданий и сооружений; определе­ние температурных воздействий на строи­тель­ные конструкции, основа­ния зда­ний и сооружений; расчет по­ступления тепла через покрытия
Продолжительность и сред­няя температура отопитель­ного периода	Расчет сопротивления теплопере­даче ограждающих конструкций; проекти­ро­вание систем отопления
Максимальная глубина ну­левой изотермы грунта	Проектирование оснований и фун­даментов зданий и сооружений, строительных конструкций, систем водоснабжения
Распространение и мощ­ность мерзлотных (криогенных) процессов, сре­дняя годовая температура вечномерзлых грунтов	Проектирование оснований, фун­даментов и конструкций зданий и сооружений, газопроводов, трубоп­роводов, систем водоснабжения
Число дней с переходом тем­пературы воздуха через 0°С	Расчет температурных воздействий на ограждающие конструкции
Основные сочетания пара­метров воздействия дождя с ветром на условную верти­кальную поверхность различ­ной ориентации	Оценка водозащитных свойств и заполнений проемов ограждающих конструкций
Средняя скорость ветра в ра­зные периоды и повторяе­мость различных градаций скорости ветра	Расчет теплопотерь и расходов топ­лива, рассеивания вредных выбро­сов; проектирование газопроводов и трубопроводов; планировка городс­кой и промышленной застройки
Высота и продолжитель­ность залегания снежного покрова	Расчет температурного режима гру­нтов при проектировании оснований и фундаментов зданий и сооружений; разработка генеральных планов промышленных предприятий
Суммарная солнечная ради­ация на горизонтальную и вертикальные поверхности	Расчет теплоустойчивости ограж­дающих конструкций; проектирова­ние систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха; норми­рование инсоляции зданий и терри­тории застройки

Данные о температуре наружного воздуха и грунта, осадках и влажности наружного воздуха, ветре, снежном покрове, солнечной радиации приведены в прил. 1—5.

РАЗДЕЛ 2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА КЛИМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Получение, обработка и представление климатической информации

2.1. Климатическая информация, на основе которой разрабатываются расчетные климатические параметры для строительства, представляется различными количественными показателями и содержится в разных источниках (рис. 1). Первичной метеорологической информацией являются данные наблюдений на метеорологических станциях. Таких станций, работающих по единой программе, в нашей стране около 4000, из них примерно 600 являются реперными, или так называемыми «вековыми». Наблюдения ведутся в 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 21 ч по московскому декретному времени (до 1966 г. наблюдения проводили в 1, 7, 13, 19 ч по местному среднесолнечному времени) за показателями солнечной радиации, температуры и влажности воздуха, осадков, облачности, давления, ветра, за атмосферными явлениями, снежным покровом, температурой почвы. На отдельных метеостанциях самописцы фиксируют ежечасные значения некоторых метеорологических элементов.

Рис. 1. Система уровней обработки первичной метеорологической информации и публикации результатов обработки

Результаты наблюдений на метеорологических станциях сводят в таблицы специальной формы, которые являются опорными для разработки всей последующей климатической информации.

На основе данных этих таблиц вычисляют средние суточные, месячные и годовые значения метеорологических элементов для каждого месяца и года всего периода наблюдений, которые сводят в метеорологические ежемесячники и ежегодники.

Данные опорных метеорологических таблиц, ежемесячников и ежегодников составляют первый уровень обработки.

Первый уровень обработки является базой для установления средних многолетних значений метеорологических элементов за пятилетие (второй уровень обработки) и за весь период наблюдений (третий уровень обработки).

Четвертым уровнем обработки климатической информации является пространственное обобщение климатических данных в виде изолинейных карт, районирования территории, осреднения по территориально-экономическим районам.

Для характеристики режима метеорологических элементов используются следующие виды климатических показателей: *

показатели отдельных метеорологических элементов;

комплексные показатели;

показатели временной структуры метеорологических элементов.

* Кобышева Н.В., Наровлянский Г.Я. Климатологическая обработка метеорологической информации.— Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

2.2. Показателями отдельных метеорологических элементов являются:

повторяемость различных значений элемента;

накопленная повторяемость (обеспеченность);

средние значения;

крайние (максимальные и минимальные) значения;

показатели изменчивости;

показатели асимметрии и крутости кривой распределения.

2.3. Повторяемость есть отношение числа случаев со значениями метеорологического элемента, входящими в данную градацию (интервал), к общему числу членов ряда (в долях единицы или в процентах). Повторяемость, полученную на основании длинного ряда наблюдений, называют вероятностью.

Накопленная повторяемость характеризует частоту появления значений метеорологического элемента, превышающих (или не превышающих) заранее заданное значение. Ее получают последовательным суммированием относительных или средних абсолютных частот соответствующих интервалов в ряду статистического распределения. Суммарную повторяемость, полученную на основании длинного ряда наблюдений, называют интегральной вероятностью или обеспеченностью.

Расчет интегральной вероятности Р с использованием ранжированного климатологического ряда, включающего полную совокупность наблюдений, производится по формуле:

Р = т/п (1)

В зависимости от общего числа членов ряда расчет Р производится по формулам:

Р = (т ‑ 0,3) / (п + 0,4); Р = (т ‑ 0,25) / (п + 0,5);

Р = т / (п + 1), (2)

где т — порядковый номер членов климатологического ряда; п — число членов ряда.

2.4. Среднее арифметическое значение метеорологического элемента представляет собой сумму значений членов ряда, деленную на их общее число.

Как дополнение к среднему значению вычисляют медиану и моду.

Медиана — значение срединного члена в ряду значений простого ранжированного статистического ряда. Медиану рекомендуется определять при асимметричных распределениях и при неточных крайних значениях метеорологического элемента.

Мода — наиболее часто встречающееся в данном метеорологическом ряду значение. Моду рекомендуется определять для резко асимметричных распределений, когда среднее арифметическое не является типичным значением элемента.

2.5. Крайние значения характеризуют те пределы, в которых заключены значения метеорологического элемента, отмеченные на данной станции за определенный период времени. Различают абсолютный максимум или минимум, среднее из максимальных или минимальных значений метеорологического элемента и максимум к минимум заданной обеспеченности.

Так как значения, близкие к абсолютным максимумам и минимумам, наблюдаются редко, то для получения представления о более вероятных низких и высоких значениях определяют средние из экстремальных значений. Эти значения могут встречаться ежегодно. Средние максимумы и минимумы вычисляются как средние многолетние значения ежедневных, ежемесячных или ежегодных максимумов и минимумов.

2.6. Показателями изменчивости или рассеивания значений элемента относительно среднего служат среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации. Среднее квадратическое отклонение s вычисляют по формуле

, (3)

где — сумма всех отклонений от средней многолетней величины; п — число всех наблюдений.

Среднее квадратическое отклонение, возведенное в квадрат, носит название дисперсии.

Коэффициент вариации С_v = s/х является относительной характеристикой и используется в тех случаях, когда сравнивается изменчивость распределений, имеющих сильно различающиеся средние значения.

Среднее арифметическое значение и среднее квадратическое отклонение являются достаточными для характеристики нормального распределения. Для описания распределения, отличающегося от нормального, используют характеристики, позволяющие судить о степени асимметрии и крутости распределения.

Мерой асимметрии (или скошенности) распределения служит коэффициент асимметрии А, численно равный отношению среднего куба отклонения значения x_i от среднего арифметического к кубу среднего квадратического отклонения s:

. (4)

При строго симметричных распределениях А = 0,при правосторонней асимметрии А > 0, при левосторонней асимметрии А < 0. Асимметрия считается малой при |a| £ 0,25, умеренной при 0,25 < |a| £ 0,5 и большой при |a| > 0,5. В качестве характеристики крутости (или островершинности распределения) используется коэффициент эксцесса. Крутость эмпирической кривой распределения оценивается по сравнению с кривой нормального распределения.

2.7. В качестве климатических показателей комплекса метеорологических элементов используются:

повторяемость и накопленная повторяемость сочетаний значений комплексируемых элементов;

коэффициент корреляции между значениями комплексируемых элементов и корреляционное отношение.

2.8. Показателями временной структуры метеорологических элементов являются:

показатели периодических изменений элемента вовремени, т. е. суточного и годового хода;

показатели непериодических изменений элемента, связанности рядов между собой, межсуточной изменчивости, непрерывной продолжительности значений элемента выше или ниже заданного уровня.

Показатели первой группы характеризуются амплитудой и моментами наступления экстремальных и других значений элемента (средними данными и повторяемостью).

К числу характеристик второй группы относятся:

коэффициент корреляции между соседними членами ряда;

среднее значение межсуточных изменений;

среднее квадратическое отклонение межсуточных изменений;

средняя непрерывная продолжительность значений элемента выше или ниже некоторого заданного заранее значения (уровня);

число периодов непрерывной продолжительности значений элемента выше (ниже) заданного уровня;

повторяемость и накопленная повторяемость различных значений непрерывной продолжительности выше (ниже) заданного уровня.