Строительная климатология (к СНиП 2.01.01-82)

часть 1
часть 2
часть 3
часть 4
часть 5
часть 6
часть 7
часть 8
часть 9
часть 10
часть 11
Научно-исследовательский институт строительной физики (НИИСФ) Госстроя СССР
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

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 Сv = 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 xi 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 во времени, 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.
Температура воздуха наиболее холодных суток и наиболее холодной пятидневки различной обеспеченности
2.9. Из опорных метеорологических таблиц и метеорологических ежемесячников производят выборку температуры воздуха наиболее холодных суток и наиболее холодной пятидневки за 30  — 50 лет.
Эти данные располагаются в убывающем порядке (по абсолютной величине) с присвоением каждой величине порядкового номера (табл. 2). Температура воздуха наиболее холодных суток и наиболее холодной пятидневки округляется до 0,5° С, для каждого значения определяется средний порядковый номер (табл. 3).
Таблица 2

Таблица 3

2.10. Интегральную вероятность (обеспеченность) Р рассчитывают по формуле
P = [ l   ( тcp   0,3)] / (n + 0,4), (5)
где тср  — средний порядковый номер; п — число членов ряда, равное числу принятых к обработке лет наблюдений.
2.11. На этой основе строятся интегральные кривые распределения температуры воздуха наиболее холодных суток и наиболее холодной пятидневки на сетчатке асимметричной частоты: по оси ординат — логарифмическая шкала температуры воздуха, по оси абсцисс — двойная логарифмическая шкала обеспеченности. Кривые строят до обеспеченности 0,25 (рис. 2). С кривых снимается температура воздуха наиболее холодных суток и наиболее холодной пятидневки заданной обеспеченности.

Рис. 2. Интегральные кривые температуры воздуха
а — наиболее холодных суток; б — наиболее холодной пятидневки
Средняя продолжительность температуры воздуха различных градаций
2.12. Исходным материалом для расчета средней продолжительности температуры воздуха различных градаций, в часах, является первичная метеорологическая информация значений температуры воздуха в отдельные сроки наблюдений. При этом принимается, что если в срок наблюдения отмечалась некоторая температура, то ее продолжительность составляет 6 ч при четырех срочных наблюдениях и 3 ч — при восьми срочных.
Данные
средней продолжительности температуры воздуха различных градаций
представляют собой статистическую совокупность числовых значений
температуры воздуха хi
,
имеющую вид статистического распределения. Оно состоит в группировке
числовых значений температуры воздуха по определенным градациям
(середина градации хi
,
х1
, х2
,
х3
, .., хk
)
и подсчете абсолютной (
тi
,
т1
, т2
,
т3
, .., тk
) и относительной ( Рi , Р1 , Р2 , Р3 , .., Рk ) частоты каждой градации температуры воздуха.
2.13
. Численностями градаций служат абсолютная (тi ) и относительная (Pi ) частоты градаций. Абсолютная частота есть число случаев попадания значений температуры воздуха в ту или иную градацию. Причем , где п — объем статистической совокупности (число наблюдений).
Относительная частота градации выражается отношением числа случаев со значениями температуры воздуха, входящими в данную градацию, к общему числу наблюдений
Pi = mi /n ; (6)
Статистическая совокупность в виде распределения позволяет получить первое представление об основных закономерностях многолетнего режима температуры воздуха: о наиболее часто встречающихся значениях температуры воздуха и диапазоне ее изменений.
2.14.
Накопленные частоты получают суммируя последовательно абсолютные или
относительные частоты. Накопленные абсолютные (т
£
хi
или т
³
хi
) или относительные (Р
£
хi
или р
³
хi ) частоты представляют частоты значений, не больших или не меньших некоторого заданного значения температуры воздуха хi . Накопленные частоты относятся не к серединам, а к границам градаций, если они считаются по распределению. Выражения для накопленных частот при числе градаций, равном k, имеют вид:
т £ хi = т ³ хi = (7)
Р £ хi = Р ³ хi = (8)
Накопленные относительные частоты иногда вычисляют, используя ранжированный ряд (расположение в порядке возрастания или убывания числовых значений членов ряда), по формуле
Р £ хi = тi (п + 1), (9)
где mi  — порядковый номер члена ряда; п — объем статистической совокупности.

Продолжительность и средняя температура воздуха периодов со средней суточной температурой воздуха ниже или выше заданных пределов
2.15. По данным гр. 2 — 13 табл. «Температура наружного воздуха» СНиП 2.01.01—82 строят график годового хода температуры воздуха.
График строится методом гистрограмм: средняя месячная температура воздуха изображается в виде прямоугольника, у которого основание равно числу дней месяца, а высота — средней температуре воздуха за данный месяц. Кривая годового хода проводится так, чтобы отрезок, который она отсекает с одного конца прямоугольника, был равен по площади отрезку, который она прибавляет к нему с другой стороны.
С графика снимают даты устойчивого перехода заданных пределов средней суточной температуры воздуха и по разнице между этими датами определяют продолжительность периода в сутках, в течение которого средняя суточная температура воздуха устойчиво остается ниже или выше заданных пределов.
2.16. Средняя температура воздуха периода со средней суточной температурой ниже или выше заданных пределов определяется следующим образом.
Вычисляют сумму температур воздуха за полные месяцы периода со средней суточной температурой воздуха ниже или выше заданных пределов сложением произведений средней месячной температуры воздуха соответствующего месяца на число дней в этом месяце.
Затем определяют среднюю температуру воздуха неполных месяцев по кривой годового хода температуры воздуха на отрезках от даты начала периода до конца месяца и от начала месяца до даты конца периода и рассчитывают сумму температур за неполные месяцы.
Среднюю температуру воздуха периода со средней температурой воздуха ниже или выше заданных пределов определяют делением общей суммы температур воздуха периода на его продолжительность.
Пример. Определить продолжительность и среднюю температуру воздуха периодов со средней суточной температурой ниже  5, 8 и выше 15° С для пункта Куйбышев.
Средняя месячная температура воздуха, ° С, для пункта Куйбышева по СНиП 2.01.01—82 равна:

По этим данным строим график годового хода температуры воздуха (рис. 3).

Рис. 3. График расчета продолжительности и средней температуры воздуха периодов со средней суточной температурой воздуха ниже и выше заданных пределов
цифра в кружочке — средняя температура воздуха
за неполные месяцы; 18.ХI
, 21.III
 — даты начала и конца периода со средней суточной
температурой воздуха, равной и ниже  
5° С; 30.IX, 23. IV  — даты начала и конца периода со средней суточной температурой воздуха, равной и ниже 8° С (отопительный период); 20.V, 6.I Х — даты начала и конца периода со средней суточной температурой воздуха, равной и выше 15° С
С графика снимаем даты перехода средней суточной температуры воздуха через  5, 8 и 15° С. Определяем продолжительность этих периодов: 13 суток (ноябрь) + 31 (декабрь) + 31 (январь) + 28 (февраль) + 21 (март) = 124 суток; 1 сутки (сентябрь) + 31 (октябрь) + 30 (ноябрь) + 31 (декабрь) + 31 (январь) + 28 (февраль) + 31 (март) + 23 (апрель) = 206 суток; 10 суток (май) + 30 (июнь) + 31 (июль) + 31 (август) + 6 (сентябрь) = 108 суток.
Рассчитываем
сумму температур, °
С, за полные
месяцы. Она равна соответственно: ( 10,7°´
31)
+ ( 13,8°´
31) +
( 13°´
28) =
 1123,5°
; (4,2°´
31)
+ ( 4,1°´
30) +
( 10,7°´
31) +
( 13,8°´
31) +
( 13°´
28) + ( 6,8°´ 31) =  1327,1° ; (18,7°´ 30) + (20,7°´ 31) + (19°´ 31)= 1791,7° .
Сумма
температур, °
С, за неполные
месяцы равна соответственно: ( 6,6°´
13)
+ ( 8°´ 21) =  253,8° ; (3,1°´ 23)=71,3° ; (16°´ 12) + (15,6°´ 6) = 285,6° .
Определим среднюю температуру, ° С, периодов со средней суточной температурой воздуха ниже  5, 8 и выше 15° С:
;
;
.
Число дней с переходом температуры воздуха через 0° С

2.17.
Переход температуры воздуха через 0°
С
характеризуется количеством дней, когда максимальная температура воздуха положительна, а минимальная — отрицательна (по показаниям максимального и минимального термометров). В весенний и осенний периоды это будут дни с заморозками, когда понижение температуры воздуха до отрицательных значений вечером и ночью при положительной температуре днем происходит на фоне установившихся положительных среднесуточных температур воздуха. Повышение температуры воздуха выше 0° С на фоне установившихся отрицательных среднесуточных температур воздуха считается днем с оттепелью.
Средняя температура воздуха и продолжительность отопительного периода различной обеспеченности
2.18. Для расчета производят выборку средних месячных температур воздуха за каждый год из метеорологических ежемесячников за период не менее 30 лет. Среднюю температуру и продолжительность отопительного периода за каждый год рассчитывают по рекомендациям, изложенным в пп. 2.15, 2.16. Дальнейшая обработка производится в соответствии с пп. 2.10, 2.11.
2.19. О характере изменения средней температуры воздуха и продолжительности отопительного периода (периода со средней суточной температурой воздуха 8° С) с учетом обеспеченности позволяют судить данные табл. 4. Эти данные и расчеты по другим пунктам позволяют отметить следующие общие закономерности.
Таблица 4

При обеспеченности 0,6 и 0,7 средняя температура воздуха и
продолжительность отопительного периода отличаются от приводимых в СНиП 2.01.01—82 не более чем на 0,5° С и на 5 сут, при обеспеченности 0,80 — на 1 — 1,5° С и на 5 — 10 сут, при обеспеченности 0,92 — на 1,5 — 2,5° С и на 15 — 20 сут, при обеспеченности 0,98 — на 2,5 — 3,5° С и на 20 — 30 сут.
Глубина нулевой изотермы
2.20.
Глубина нулевой изотермы (глубина проникновения температуры 0°
С
в грунт) определяется способом линейной интерполяции значений
температуры почвы, наблюдаемой на метеостанциях вытяжными
термометрами на стандартных уровнях (20, 40, 80, 160 и 320 см) под
естественной поверхностью. Эту глубину определяют путем интерполяции
ежедневных данных в предположении, что в изучаемом слое температура
почвы изменяется линейно. За исходные данные принимают значения
температуры почвы на двух смежных глубинах, где ведутся измерения,
причем глубины выбираются так, чтобы на одной из них температура
почвы была выше 0°
С, а на
другой — ниже 0° С. Путем линейной интерполяции находят для каждого месяца и за год глубину, на которой температура переходит через 0° С, а затем вычисляют средние многолетние данные. Кроме средних глубин проникновения температуры 0° С в почву выбирают наибольшие и наименьшие из всего ряда наблюдений. Такие данные по месяцам имеются в Справочнике по климату СССР, часть II (Л.: Гидрометеоиздат, 1966).
Точность определения глубины нулевой изотермы зависит от глубины заложения вытяжных термометров и расстояния между стандартными глубинами. Глубина нулевой изотермы зависит от условий погоды, температурного режима, высоты и плотности снежного покрова, степени влажности почвы, ее механического состава, характера рельефа и др.
часть 1
часть 2
часть 3
часть 4
часть 5
часть 6
часть 7
часть 8
часть 9
часть 10
часть 11