系統識別號 | U0002-0408201412554700 |
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DOI | 10.6846/TKU.2014.00123 |
論文名稱(中文) | 台灣地區風速機率分布特性及年最大風速之模擬 |
論文名稱(英文) | The Simulation of Annual Maximum Wind and Probability Distribution of Taiwan |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 土木工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Civil Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 102 |
學期 | 2 |
出版年 | 103 |
研究生(中文) | 李軒誠 |
研究生(英文) | Hsuan-Chang Li |
學號 | 601380321 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2014-07-03 |
論文頁數 | 189頁 |
口試委員 |
指導教授
-
羅元隆
委員 - 朱佳仁 委員 - 王人牧 |
關鍵字(中) |
極值分佈 年最大風速 非高斯轉換 風工程 統計特性 |
關鍵字(英) |
Extreme value distribution Non-Gaussian simulation Annual maximum wind speed Hermite-based transformation |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
台灣地理位置處於西太平洋,一年四季飽受強風之侵襲如夏秋兩季之颱風與冬季有強烈的大陸冷氣團,由於飽受強風的侵襲,所以不論在做結構耐風設計,氣象預測,等相關從業人員都會需要取得當地的相關風力資訊,如此一來便可以減少強風所帶來的災害以及損失,由於觀測風速的資料量不足並不能準確的求取長期回歸期風速,因此需要使用風速模型來模擬產生人造風速。 本文所使用之方法為年最大值法以及颱風風速法,選取資料為全台灣29個人工氣象觀測站所有年份之風速風向觀測資料,針對所選取之資料進行統計特性計算,並藉由計算逐年統計特性並觀察其逐年統計特性間之相關性及各測站逐年最大風速之趨勢,接著進行區域統計特性計算,並利用逐年統計特性及區域統計特性所得之結果做為基礎並進行年最大風速之模擬。 本文使用GEVD極值分佈模型,並討論Gumbel、Frechet、Weibull三種極值分佈模型,給予各測站合適之極值分佈模型,並利用Hermite-based transformation 將高斯隨機變數轉換成非高斯隨機變數,並將前述之統計特性帶入Hermite-based transformation進行模擬,並選取最大值,視為模擬之年最大風速。 短期觀測資料部分將所有風速風向歷時資料進行分類,將資料分為5年歷時資料及10年歷時資料並進行逐年統計特性計算及區域統計特性計算步驟並利用Hermite-based transformation模擬方法模擬短期觀測資料在年最大風速模擬之可行性。 此外在颱風極值分佈的部分選出宜蘭、阿里山、新竹、高雄測站做為研究對象並搜尋其觀測年間所量測颱風風速,並將颱風風速之極值分佈與年最大風速之極值分佈進行比較。 |
英文摘要 |
Taiwan is an island located in the western Pacific Ocean and suffered from strong winds, such as tropical cyclones or typhoons in the summer season and monsoons in the winter season. To give a wind resistant design of a structure, specialists and structural engineers need to understand the local design wind speed in detail. However, due to the lack of observed wind speed data, numerical models are developed to simulate design wind speed. In this study, analysis on annual maximum wind speed and the peak wind speed during a typhoon event is executed. 29 meteorological stations in Taiwan are collected to understand the basic statistical parameters of 10-minute mean wind speeds. Further, the trend of annual maximum wind speed and the highly correlated third and fourth moments are found. To tell the extreme distribution of 29 stations, the GEVD extreme value distribution model is applied. Then a non-Gaussian simulation technique called Hermite-based transform is adopted for simulation of annual maximum wind speed for each station by inputting their statistical parameters. Results show that even the simulation is based on short term period record, the non-Gaussian simulation method to simulation the annual maximum wind speed provides fairly good agreement with the full-year observation. Finally in this study, the typhoon event is especially picked up among 4 stations, Yilan , Aliahsn , Hsinchu , Kaohsiung, to show the inconsistence with the distribution with annual maximum wind speeds. The GEVD model is also applied for discussion. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目錄 摘要 I 目錄 II 表目錄 VI 圖目錄 XV 第一章 緒論 1 1.1研究緣起 1 1.2研究目的與動機 1 1.3論文架構 2 第二章 文獻回顧 5 2.1基本設計風速 5 2.1.1指數律(Power law) 6 2.1.2對數律(Logarithmic law) 7 2.1.3大氣紊流與風場特性 9 2.2台灣本土颱風與季風特性 10 2.2.1台灣本土颱風特性 10 2.2.2中央氣象局颱風侵台路線分類及風級分類 14 2.2.3台灣本土季風特性 16 2.3年最大風速分布之研究文獻回顧 17 第三章 理論背景及研究方法 19 3.1常用機率函數及其參數特性 19 3.1.1常態分佈 19 3.1.2對數分佈 20 3.2極值機率函數及其參數特性 20 3.2.1 Gumbel 分佈 21 3.2.2 Frechet 分佈 21 3.2.3 Weibull 分佈 22 3.3年最大風速模擬方法 24 3.3.1 颱風風速法 24 3.3.2年最大值法 25 3.3.3 r-LOS法(r largest order statistics) 25 3.3.4柏拉圖極值分析法(Pareto distribution) 26 3.3.5門檻值法 26 3.3.6 文所使用方法 27 3.4年最大風速分布模擬之應用 27 3.4.1多項式轉換(Polynomial Translation Method) 27 3.4.2 Hermite-based 轉換法 30 第四章 氣象資料特性探討 33 4.1氣象資料特性 33 4.2十分鐘平均風速之統計特性與極值 35 4.3逐年年最大風速分布之變化 38 4.4區域年最大風速分布之變化研究分析及結果探討 39 第五章 年最大風速模擬結果 85 5.1年最大風速分布模擬結果 85 5.2短期統計特性對年最大風速分布模擬可行性探討 86 5.3颱風極值分佈 87 第六章 結論與展望 183 6.1結論 183 6.2未來展望 184 參考文獻 186 圖目錄 圖2- 1颱風剖面圖 12 圖2- 2中央氣象局颱風侵台路線分佈 14 圖3- 1多項式轉換過程 30 圖3- 2Hermite-based transform流程圖 31 圖4- 1正負偏態之機率密度函數形狀 37 圖4- 2 正負峰態之機率密度函數形狀 37 圖4- 3阿里山測站統計特性 42 圖4- 4鞍部測站統計特性 43 圖4- 5成功測站統計特性 44 圖4- 6嘉義測站統計特性 45 圖4- 7七股測站統計特性 46 圖4- 8大武測站統計特性 47 圖4- 9東吉島測站統計特性 48 圖4- 10恆春測站統計特性 49 圖4- 11新竹測站統計特性 50 圖4- 12花蓮測站統計特性 51 圖4- 13高雄測站統計特性 52 圖4- 14基隆測站統計特性 53 圖4- 15金門測站統計特性 54 圖4- 16蘭嶼測站統計特性 55 圖4- 17馬祖測站統計特性 56 圖4- 18澎湖測站統計特性 57 圖4- 19彭佳嶼測站統計特性 58 圖4- 20蘇澳測站統計特性 59 圖4- 21日月潭測站統計特性 60 圖4- 22台中測站統計特性 61 圖4- 23台南測站統計特性 62 圖4- 24台北測站統計特性 63 圖4- 25台東測站統計特性 64 圖4- 26淡水測站統計特性 65 圖4- 27梧棲測站統計特性 66 圖4- 28宜蘭測站統計特性 67 圖4- 29永康測站統計特性 68 圖4- 30玉山測站統計特性 69 圖4- 31竹子湖測站統計特性 70 圖4- 32阿里山極值分佈 71 圖4- 33鞍部極值分佈 71 圖4- 34成功極值分佈 71 圖4- 35嘉義極值分佈 71 圖4- 36七股極值分佈 71 圖4- 37大武極值分佈 71 圖4- 38東吉島極值分佈 72 圖4- 39恆春極值分佈 72 圖4- 40新竹極值分佈 72 圖4- 41花蓮極值分佈 72 圖4- 42高雄極值分佈 72 圖4- 43基隆極值分佈 72 圖4- 44金門極值分佈 73 圖4- 45蘭嶼極值分佈 73 圖4- 46馬祖極值分佈 73 圖4- 47澎湖極值分佈 73 圖4- 48彭佳嶼極值分佈 73 圖4- 49蘇澳極值分佈 73 圖4- 50日月潭極值分佈 74 圖4- 51台中極值分佈 74 圖4- 52台南極值分佈 74 圖4- 53台北極值分佈 74 圖4- 54台東極值分佈 74 圖4- 55淡水極值分佈 74 圖4- 56梧棲極值分佈 75 圖4- 57宜蘭極值分佈 75 圖4- 58永康極值分佈 75 圖4- 59玉山極值分佈 75 圖4- 60竹子湖極值分佈 75 圖4- 61阿里山測站風速趨勢 76 圖4- 62部測站風速趨勢 76 圖4- 63成功測站風速趨勢 76 圖4- 64嘉義測站風速趨勢 76 圖4- 65七股測站風速趨勢 77 圖4- 66大武測站風速趨勢 77 圖4- 67東吉島測站風速趨勢 77 圖4- 68恆春測站風速趨勢 77 圖4- 69新竹測站風速趨勢 78 圖4- 70花蓮測站風速趨勢 78 圖4- 71高雄測站風速趨勢 78 圖4- 72基隆測站風速趨勢 78 圖4- 73金門測站風速趨勢 79 圖4- 74蘭嶼測站風速趨勢 79 圖4- 75馬祖測站風速趨勢 79 圖4- 76澎湖測站風速趨勢 79 圖4- 77彭佳嶼測站風速趨勢 80 圖4- 78蘇澳測站風速趨勢 80 圖4- 79日月潭測站風速趨勢 80 圖4- 80台中測站風速趨勢 80 圖4- 81台南測站風速趨勢 81 圖4- 82台北測站風速趨勢 81 圖4- 83台東測站風速趨勢 81 圖4- 84淡水測站風速趨勢 81 圖4- 85梧棲測站風速趨勢 82 圖4- 86宜蘭測站風速趨勢圖 82 圖4- 87永康測站風速趨勢 82 圖4- 88玉山測站風速趨勢 82 圖4- 89竹子湖測站風速趨勢 83 圖5- 1阿里山年最大風速模擬 91 圖5- 2鞍部年最大風速模擬 91 圖5- 3鞍部年最大風速模擬 91 圖5- 4嘉義年最大風速模擬 91 圖5- 5七股年最大風速模擬 92 圖5- 6大武年最大風速模擬 92 圖5- 7東吉島年最大風速模擬 92 圖5- 8恆春年最大風速模擬 92 圖5- 9新竹年最大風速模擬 93 圖5- 10花蓮年最大風速模擬 93 圖5- 11高雄年最大風速模擬 93 圖5- 12基隆年最大風速模擬 93 圖5- 13金門年最大風速模擬 94 圖5- 14蘭嶼年最大風速模擬 94 圖5- 15馬祖年最大風速模擬 94 圖5- 16澎湖年最大風速模擬 94 圖5- 17彭佳嶼年最大風速模擬 95 圖5- 18蘇澳年最大風速模擬 95 圖5- 19日月潭年最大風速模擬 95 圖5- 20台中年最大風速模擬 95 圖5- 21台南年最大風速模擬 96 圖5- 22台北年最大風速模擬 96 圖5- 23台東年最大風速模擬 96 圖5- 24淡水年最大風速模擬 96 圖5- 25梧棲年最大風速模擬 97 圖5- 26宜蘭年最大風速模擬 97 圖5- 27永康年最大風速模擬 97 圖5- 28玉山年最大風速模擬 97 圖5- 29竹子湖年最大風速模擬 98 圖5- 30阿里山測站年最大風速模擬圖 100 圖5- 31鞍部測站年最大風速模擬圖 102 圖5- 32成功測站年最大風速模擬圖 104 圖5- 33嘉義測站年最大風速模擬圖 106 圖5- 34七股測站年最大風速模擬圖 108 圖5- 35大武測站年最大風速模擬圖 109 圖5- 36東吉島測站年最大風速模擬圖 111 圖5- 37恆春測站年最大風速模擬圖 113 圖5- 38新竹測站年最大風速模擬圖 115 圖5- 39花蓮測站年最大風速模擬圖 116 圖5- 40高雄測站年最大風速模擬圖 118 圖5- 41基隆測站年最大風速模擬圖 120 圖5- 42金門年最大風速模擬 122 圖5- 43蘭嶼測站年最大風速模擬 123 圖5- 44澎湖測站年最大風速模擬 125 圖5- 45彭佳嶼測站年最大風速模擬 127 圖5- 46台南測站年最大風速模擬 129 圖5- 47台北測站年最大風速模擬 131 圖5- 48台東測站年最大風速模擬 133 圖5- 49宜蘭測站年最大風速模擬 135 圖5- 50玉山測站年最大風速模擬 137 圖5- 51馬祖1961-1965年最大風速模擬 139 圖5- 52蘇澳測站年最大風速模擬 140 圖5- 53台中測站年最大風速模擬 141 圖5- 54淡水測站年最大風速模擬 143 圖5- 55梧棲測站年最大風速模擬 145 圖5- 56永康測站年最大風速模擬 147 圖5- 57竹子湖測站年最大風速模擬 148 圖5- 58 玉山測站年最大風速模擬 150 圖5- 59 玉山測站年最大風速模擬(續) 151 圖5- 60阿里山測站年最大風速模擬 152 圖5- 61鞍部測站年最大風速模擬 153 圖5- 62成功測站年最大風速模擬 154 圖5- 63大武測站年最大風速模擬 155 圖5- 64恆春測站年最大風速模擬 156 圖5- 65高雄測站年最大風速模擬 157 圖5- 66基隆測站年最大風速模擬 158 圖5- 67蘭嶼測站年最大風速模擬 159 圖5- 68澎湖測站年最大風速模擬 160 圖5- 69彭佳嶼測站年最大風速模擬 161 圖5- 70日月潭測站年最大風速模擬 162 圖5- 71台南測站年最大風速模擬 163 圖5- 72台北測站年最大風速模擬 164 圖5- 73台東測站年最大風速模擬 165 圖5- 74宜蘭測站年最大風速模擬 166 圖5- 75玉山測站年最大風速模擬 167 圖5- 76竹子湖測站年最大風速模擬 168 圖5- 77永康測站年最大風速模擬 169 圖5- 78梧棲測站年最大風速模擬 170 圖5- 79淡水測站年最大風速模擬 171 圖5- 80台中測站年最大風速模擬 172 圖5- 81蘇澳測站年最大風速模擬 173 圖5- 82花蓮測站年最大風速模擬 174 圖5- 83新竹測站年最大風速模擬 174 圖5- 84東吉島測站年最大風速模擬 175 圖5- 85七股測站年最大風速模擬 176 圖5- 86嘉義測站年最大風速模擬 177 圖5- 87宜蘭颱風極值分佈 178 圖5- 88新竹颱風極值分佈 178 圖5- 89阿里山颱風極值分佈 179 圖5- 90高雄颱風極值分佈 179 圖5- 91阿里山颱風極值分佈 180 圖5- 92新竹颱風極值分佈 180 圖5- 93宜蘭颱風極值分佈 180 圖5- 94高雄颱風極值分佈 181 表目錄 表2- 1所提出對各地況α參考數值 6 表2- 2 Daveport對各地況α之建議 7 表2- 3本國風力規範α值之規定 7 表2- 4 Counihan不同地形z0之建議 8 表2- 5 Simiu不同地形z0之建議 8 表2- 6颱風強度分級 11 表2- 7蒲福風級表 15 表3- 1TypeI極值分佈模型誤差表 24 表3- 2多項式轉換表格 29 表4- 1全台29個人工測站資料記錄狀況 35 表4- 2各站極值分佈形式 41 表4- 3各站測站特性 84 表5- 1模擬誤差總表 99 表5- 2颱風風速與年最大風速之50年設計風速比較 181 |
參考文獻 |
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