何 如,唐忠蓮,蘇 志,林振敏
(1.廣西壯族自治區(qū)氣象服務(wù)中心,廣西 南寧 530022; 2. 民航珠??展苷練庀笈_(tái),廣東 珠海 519040; 3.廣西壯族自治區(qū)氣候中心,廣西 南寧 530022 )
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廣西某核電站周邊地區(qū)龍卷風(fēng)調(diào)查與評(píng)價(jià)
何如1,3,唐忠蓮2,蘇志1,3,林振敏3
(1.廣西壯族自治區(qū)氣象服務(wù)中心,廣西 南寧 530022; 2. 民航珠??展苷練庀笈_(tái),廣東 珠海 519040; 3.廣西壯族自治區(qū)氣候中心,廣西 南寧 530022 )
摘要:龍卷風(fēng)是核電站在選址和設(shè)計(jì)階段需要考慮的最重要的極端氣象參數(shù)之一。通過調(diào)查和收集廣西某核電站周邊300 km×300 km區(qū)域范圍內(nèi)1962-2012年的龍卷風(fēng)資料,對(duì)龍卷風(fēng)的時(shí)空分布、災(zāi)害特征、強(qiáng)度定級(jí)以及最大設(shè)計(jì)基準(zhǔn)等級(jí)等進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn):龍卷風(fēng)富士達(dá)風(fēng)力等級(jí)集中出現(xiàn)在F0、F1級(jí),最強(qiáng)龍卷風(fēng)等級(jí)為F3級(jí);主要分布在廠址附近和廣東沿海一帶,東北和西北部的內(nèi)陸地區(qū)也時(shí)有發(fā)生;一年之中主要出現(xiàn)在春、夏兩季,以4月最多;1 d之中白天比夜間多,傍晚18時(shí)段最多;推薦龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)等級(jí)為F3級(jí),采用最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為75 m/s。
關(guān)鍵詞:核電站;龍卷風(fēng);強(qiáng)度分級(jí);設(shè)計(jì)基準(zhǔn)等級(jí);時(shí)空分布;廣西
龍卷風(fēng)是一種尺度范圍較小的強(qiáng)烈渦旋天氣現(xiàn)象,具有生消快、風(fēng)力強(qiáng)、破壞性大等特點(diǎn)[1-2]。龍卷風(fēng)的危害主要是由于其會(huì)帶來極大的陣風(fēng),中心氣壓極低,常伴有雷暴、冰雹、暴雨等災(zāi)害性天氣[3-4]。核電站是對(duì)安全要求極高的建筑物群體,龍卷風(fēng)則是核電站在選址和設(shè)計(jì)階段需要考慮的最重要的極端氣象參數(shù)之一[5-6]。龍卷風(fēng)一旦襲擊核電站,極易導(dǎo)致建筑物被推倒或扭曲,大型容器產(chǎn)生瞬間爆裂以及其他嚴(yán)重的損害,甚至?xí)?duì)核電站造成致命的影響[7]。因此,對(duì)核電站廠址周邊區(qū)域開展龍卷風(fēng)調(diào)查與評(píng)價(jià)是十分必要的。
本文研究的核電站廠址地處廣西沿海地區(qū),由于海、陸下墊面的共同影響,氣候相對(duì)較為復(fù)雜,強(qiáng)對(duì)流天氣較頻繁,龍卷風(fēng)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生,其超強(qiáng)的破壞力會(huì)對(duì)核電站的安全造成巨大的威脅。本文嚴(yán)格按照核安全導(dǎo)則[8]的要求,對(duì)核電站周邊地區(qū)的龍卷風(fēng)事件開展了詳細(xì)的調(diào)查,對(duì)其時(shí)空分布和災(zāi)害特征進(jìn)行了分析,并對(duì)龍卷風(fēng)事件進(jìn)行了強(qiáng)度定級(jí),通過其可能出現(xiàn)的概率做出了推算,在此基礎(chǔ)上推薦了龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)等級(jí)和最大設(shè)計(jì)風(fēng)速,為本核電站工程的科學(xué)選址和安全設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。
1資料與方法
根據(jù)核安全導(dǎo)則的規(guī)定[8],龍卷風(fēng)的評(píng)估區(qū)域以廠址為中心,經(jīng)緯度均為3°以內(nèi)所包含的方形區(qū)域?yàn)榈湫驼{(diào)查區(qū)。本研究的調(diào)查區(qū)域?yàn)橐院穗娬緸橹行?00 km×300 km的區(qū)域范圍[9],該范圍共覆蓋38個(gè)縣(市),其中,廣西壯族自治區(qū)22個(gè),廣東省15個(gè)。
龍卷風(fēng)調(diào)查年限為1962-2012年共51年,基礎(chǔ)資料依據(jù)《中國氣象災(zāi)害大典(廣西卷)》[10]、《中國氣象災(zāi)害大典(廣東卷)》[11]《中國氣象災(zāi)害年鑒》(2001—2012年)[12]、地面氣象觀測(cè)記錄、氣象災(zāi)情數(shù)據(jù)庫、氣候影響評(píng)價(jià)等文獻(xiàn)資料記載,以及民政、三防等相關(guān)部門的災(zāi)情調(diào)查記錄和媒體報(bào)道等。龍卷風(fēng)的調(diào)查內(nèi)容包括以下部分:發(fā)生的日期、時(shí)間、地點(diǎn);持續(xù)的時(shí)間歷程、長度、寬度、破壞面積、強(qiáng)度的估計(jì);災(zāi)情以及目擊者的描述、照片和錄像等[13]。經(jīng)過調(diào)查,收集到調(diào)查區(qū)域內(nèi)共82次龍卷風(fēng)災(zāi)情記錄。
考慮到核電站的絕對(duì)安全性[7],同時(shí)為了滿足概率分析樣本的可靠性,調(diào)查獲得的51年中的82個(gè)龍卷風(fēng)事件樣本,無法再細(xì)分為更小范圍的子區(qū)來進(jìn)行評(píng)估;另外,在確定龍卷風(fēng)調(diào)查區(qū)域時(shí)已充分考慮到調(diào)查區(qū)的氣象均勻性。因此本文采用全區(qū)域(即300 km×300 km的范圍)的總樣本事件為依據(jù)開展龍卷風(fēng)調(diào)查和評(píng)價(jià)。
1.2.1龍卷風(fēng)強(qiáng)度評(píng)級(jí)方法
龍卷風(fēng)等級(jí)劃分采取專家組評(píng)級(jí)方式對(duì)龍卷風(fēng)進(jìn)行定量評(píng)級(jí)[14]。其中,“風(fēng)速判定”專家組由來自天氣預(yù)報(bào)、大氣物理和大氣環(huán)境、災(zāi)害學(xué)、工程氣象學(xué)、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)、核電、電力規(guī)劃設(shè)計(jì)、環(huán)境科學(xué)等專業(yè)的15名專家組成。專家組經(jīng)過資料審核,對(duì)照富士達(dá)風(fēng)力等級(jí)(F等級(jí))分類表,其對(duì)應(yīng)的風(fēng)速區(qū)間和破壞程度可參閱文獻(xiàn)[8],將龍卷風(fēng)的定性災(zāi)情描述經(jīng)過定量判斷后,對(duì)每一個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例進(jìn)行F級(jí)別評(píng)定,選取眾數(shù)確定為其等級(jí)。
1.2.2龍卷風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)度方法[8]
龍卷風(fēng)的風(fēng)速和等級(jí)關(guān)系:
VFX=6.30(X+2)1.5。
(1)
式中:FX為富士達(dá)風(fēng)力等級(jí);VFX是富士達(dá)風(fēng)力等級(jí)為FX時(shí)最大風(fēng)速的下限(m/s)。
龍卷風(fēng)的頻次和強(qiáng)度關(guān)系:
ln(ni)=-cui+k。
(2)
式中:ni是最大風(fēng)速超過閾值風(fēng)速ui的龍卷風(fēng)發(fā)生的累積次數(shù);ui是F等級(jí)為i的閾值風(fēng)速;c、k為根據(jù)最小二乘線性回歸分析得到的常數(shù)。
龍卷風(fēng)的面積和強(qiáng)度關(guān)系:
(3)
在實(shí)際調(diào)查中,資料記錄的破壞面積可能包含暴雨、雷暴、狂風(fēng)等其他災(zāi)害造成的破壞,與風(fēng)強(qiáng)度的關(guān)系比較離散且難以確定。另外,在本次調(diào)查中獲得長度、寬度等資料的個(gè)例較少,不足以滿足參數(shù)擬合的要求。為此引用皮爾森路徑長度、寬度公式進(jìn)行換算:
Ai=LPi·Wpi=(1.609)2×10(i-3)。
(4)
式中:Ai為龍卷風(fēng)破壞面積,i為龍卷風(fēng)的等級(jí)。
龍卷風(fēng)風(fēng)速概率關(guān)系:最大強(qiáng)度為i的龍卷風(fēng)破壞路徑內(nèi)的面積,相應(yīng)于富士達(dá)等級(jí)Fj的風(fēng)速區(qū)間Vj到Vj+1所掃過的面積,其公式為:
(5)
那么,調(diào)查區(qū)域內(nèi)一年內(nèi)經(jīng)受Fj等級(jí)風(fēng)速的概率為:
(6)
式中:λi為局部區(qū)域i等級(jí)龍卷風(fēng)每年發(fā)生的次數(shù),A為調(diào)查區(qū)域的面積,n為該區(qū)域出現(xiàn)的最強(qiáng)龍卷風(fēng)等級(jí)。最后可以得到,調(diào)查區(qū)域內(nèi)一年內(nèi)經(jīng)受超過強(qiáng)度K等級(jí)風(fēng)速的概率為:
(7)
2龍卷風(fēng)強(qiáng)度分級(jí)
根據(jù)調(diào)查區(qū)域82次的龍卷風(fēng)記錄,采取專家組依照富士達(dá)風(fēng)力等級(jí)分類表的評(píng)級(jí)方法,對(duì)龍卷風(fēng)強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)[14]。經(jīng)過對(duì)分級(jí)結(jié)果的統(tǒng)計(jì),得到調(diào)查區(qū)域出現(xiàn)的等級(jí)和次數(shù):調(diào)查區(qū)域內(nèi)的龍卷風(fēng)可劃分為F0、F1、F2、F3四個(gè)等級(jí),其中F0級(jí)48次,F(xiàn)1級(jí)21次,F(xiàn)2級(jí)10次,F(xiàn)3級(jí)3次。調(diào)查區(qū)域多以低級(jí)別(F0、F1)為主,占總數(shù)的84.1%,F(xiàn)2級(jí)占12.2%,F(xiàn)3級(jí)較少,僅占3.7%。
3龍卷風(fēng)時(shí)空分布特征
統(tǒng)計(jì)1962-2012年核電站調(diào)查區(qū)域內(nèi)各地發(fā)生龍卷風(fēng)事件的個(gè)數(shù)和出現(xiàn)的最強(qiáng)龍卷風(fēng)等級(jí),由圖1可見,龍卷風(fēng)樣本大致集中分布在廠址附近和東南部的廣東沿海一帶,以及廠址東北部的廣西內(nèi)陸地區(qū)較多,西北部的內(nèi)陸地區(qū)也時(shí)有發(fā)生。曾經(jīng)發(fā)生龍卷風(fēng)次數(shù)最多的地區(qū)在湛江,為10次,其次在合浦縣,為9次,欽州和電白分別發(fā)生過7次;調(diào)查區(qū)域內(nèi)最強(qiáng)等級(jí)龍卷風(fēng)(F3)曾經(jīng)出現(xiàn)在合浦和電白,F(xiàn)2級(jí)龍卷風(fēng)曾出現(xiàn)在防城、遂溪、茂名、陽江、博白、南寧、桂平等地。值得一提的是,核電站廠址所在地不但是龍卷風(fēng)災(zāi)害的多發(fā)地,同時(shí)也是受龍卷風(fēng)災(zāi)害影響較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。
圖1 核電站調(diào)查區(qū)域龍卷風(fēng)次數(shù)和等級(jí)分布圖
調(diào)查區(qū)域的龍卷風(fēng)平均每年出現(xiàn)1.6次,出現(xiàn)龍卷風(fēng)的年份占總年數(shù)的70.6%;其中1981年最多,出現(xiàn)了8次,其次是1986年、1987年、2008年,各出現(xiàn)了5次,分別占總年數(shù)的2.0%和5.9%(圖2)。其年代際變化較明顯,龍卷風(fēng)出現(xiàn)最多是80年代,次多是00年代,分別為28次和26次,各占總次數(shù)的34.1%和31.7%;70年代、90年代次多,分別為12次和8次;60年代相對(duì)較少,僅有5次,這可能與早期資料記載不完整有關(guān)。
圖2 核電站調(diào)查區(qū)域龍卷風(fēng)次數(shù)的逐年變化 (橫線為平均值)
從調(diào)查區(qū)域龍卷風(fēng)次數(shù)逐月變化來看(圖3),除10月份無龍卷風(fēng)記錄外,其余月份均有龍卷風(fēng)出現(xiàn),4-7月為龍卷風(fēng)出現(xiàn)的高峰期,出現(xiàn)的次數(shù)占龍卷風(fēng)總數(shù)的68.3%,其中4月份出現(xiàn)次數(shù)最多,占26.8%,5月次之,占17.1%。按季節(jié)來看,春季最多,出現(xiàn)了42次,占總數(shù)的51.2%,夏季次之,出現(xiàn)了27次,占總數(shù)的32.9%。這是由于核電站廠址地處北部灣,具有明顯的海洋性季風(fēng)氣候特點(diǎn),春夏之交氣溫升降率較大,氣流變化猛烈,下墊面局地受熱不均勻,強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)頻繁,較易出現(xiàn)龍卷風(fēng)。
圖3 核電站調(diào)查區(qū)域龍卷風(fēng)次數(shù)逐月變化
本次調(diào)查共有50次記錄了龍卷風(fēng)確切的發(fā)生時(shí)間。調(diào)查區(qū)域內(nèi)龍卷風(fēng)絕大部分出現(xiàn)白天07-20時(shí)之間,共出現(xiàn)37次,占總數(shù)的74.0%,其中18時(shí)段出現(xiàn)次數(shù)最多,為6次,其次是08和14時(shí)段,各出現(xiàn)了4次(圖4)。龍卷風(fēng)白天多于夜間,這是由于龍卷風(fēng)多產(chǎn)生于強(qiáng)對(duì)流天氣,白天日出后下墊面受輻射增溫,導(dǎo)致大氣上下對(duì)流旺盛,有利于強(qiáng)對(duì)流天氣形成,易龍卷風(fēng)的發(fā)生。
圖4 核電站調(diào)查區(qū)域龍卷風(fēng)次數(shù)的日變化
本次調(diào)查共有34次確切記錄了龍卷風(fēng)從發(fā)生到結(jié)束的具體時(shí)間。從龍卷風(fēng)的持續(xù)時(shí)間來看(圖5):持續(xù)時(shí)間在0~10 min、11~20 min、21~30 min、31~40 min、41~50 min、51~60 min、60 min以上的龍卷風(fēng)分別為13、9、2、5、0、1、4次,其中20 min之內(nèi)的共出現(xiàn)22次,占64.7%,60 min之內(nèi)共出現(xiàn)30次,占88.2%。龍卷風(fēng)持續(xù)時(shí)間最短僅為1 min。
圖5 核電站調(diào)查區(qū)域龍卷風(fēng)持續(xù)時(shí)間
4龍卷風(fēng)的強(qiáng)度分析
在調(diào)查區(qū)域內(nèi)收集到龍卷風(fēng)中,破壞力最強(qiáng)的達(dá)到了F3級(jí),其破壞程度如下:刮走拖拉機(jī)、刮平房屋、 打翻漁船、吹斷桅桿、人、畜傷亡等(表1)。
由于能夠準(zhǔn)確記錄龍卷風(fēng)災(zāi)情數(shù)據(jù)的個(gè)例較少,因此需要將F等級(jí)與風(fēng)速的關(guān)系式進(jìn)行樣本擴(kuò)充。根據(jù)式(1),采取分辨率為0.2的等級(jí)對(duì)龍卷風(fēng)樣本進(jìn)行擴(kuò)充[15],得到各細(xì)化等級(jí)龍卷風(fēng)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速下限值以及累積次數(shù)(表2)。
根據(jù)表2結(jié)果進(jìn)行曲線擬合(圖6),可見,用經(jīng)驗(yàn)公式(2)的函數(shù)形式來描述核電站調(diào)查區(qū)的龍卷風(fēng)出現(xiàn)概率分布是合理的,相關(guān)系數(shù)R為0.989,得到參數(shù)c和k的擬合值分別為0.063和5.599。
表1 最強(qiáng)龍卷風(fēng)造成的災(zāi)情
圖6 核電站調(diào)查區(qū)龍卷風(fēng)風(fēng)速與累積次數(shù)的關(guān)系
根據(jù)式(3)和式(4)推導(dǎo)得到調(diào)查區(qū)域龍卷風(fēng)的面積和強(qiáng)度公式為
(8)
表2 核電站調(diào)查區(qū)域龍卷風(fēng)各細(xì)化等級(jí)和累積次數(shù)
調(diào)查區(qū)域總面積為A=90 000km2,再根據(jù)式(5)~式(7)計(jì)算得到調(diào)查區(qū)域一年中各等級(jí)龍卷風(fēng)出現(xiàn)的平均次數(shù)分別為λ0=1.704、λ1=0.662、λ2=0.227、λ3=0.064。由此計(jì)算得到區(qū)域內(nèi)一年中各等級(jí)(對(duì)應(yīng)不同區(qū)間風(fēng)速)龍卷風(fēng)出現(xiàn)的概率和超過某K等級(jí)龍卷風(fēng)下限風(fēng)速的概率,結(jié)果見表3和表4。
表3 一年中遭遇不同區(qū)間風(fēng)速的概率
表4 一年中超過K級(jí)龍卷風(fēng)下限風(fēng)速的概率
根據(jù)表4所示的結(jié)果繪制核電站調(diào)查區(qū)域遭遇超過K等級(jí)龍卷風(fēng)風(fēng)速的概率分布圖(圖7)。由圖7可見,圖中10-7概率水平對(duì)應(yīng)的龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為70 m/s,結(jié)合在調(diào)查區(qū)域內(nèi)曾出現(xiàn)過定級(jí)為F3的龍卷風(fēng)樣本事件,從核安全的保守性角度考慮,推薦核電站設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速取75 m/s,并建議以F3級(jí)為龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)等級(jí)[7,15]。
圖7 核電站調(diào)查區(qū)域龍卷風(fēng)概率曲線
5結(jié)論
(1)核電站調(diào)查區(qū)域在1962-2012年共51年期間共出現(xiàn)82次龍卷風(fēng),其中F0級(jí)48次,F(xiàn)1級(jí)21次,F(xiàn)2級(jí)10次,F(xiàn)3級(jí)3次。調(diào)查區(qū)的龍卷風(fēng)多以低級(jí)別(F0、F1)為主,占總數(shù)的84.1%,F(xiàn)2級(jí)占12.2%,F(xiàn)3級(jí)較少,占3.7%。
(2)龍卷風(fēng)主要集中分布在廠址附近和東南部的廣東沿海一帶,以及廠址東北部的廣西內(nèi)陸地區(qū)較多,西北部的內(nèi)陸地區(qū)也時(shí)有發(fā)生。調(diào)查區(qū)域內(nèi)發(fā)生龍卷風(fēng)次數(shù)最多的在湛江和合浦,分別為10次和為9次,最強(qiáng)等級(jí)龍卷風(fēng)(F3)曾經(jīng)出現(xiàn)在合浦和電白??梢姡瑥S址所在地不但是龍卷風(fēng)災(zāi)害的多發(fā)地,同時(shí)也是受龍卷風(fēng)災(zāi)害影響較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。
(3)近51年來,龍卷風(fēng)平均每年出現(xiàn)1.6次,80年代龍卷風(fēng)出現(xiàn)最為頻繁;一年之中,主要集中發(fā)生在春、夏兩季,以4-7月出現(xiàn)的龍卷風(fēng)最多;1 d之中,白天比夜間多,傍晚18時(shí)段最多;持續(xù)時(shí)間大多在60 min之內(nèi),其中20 min之內(nèi)的占64.7%,持續(xù)時(shí)間最短僅為1 min。
(4)龍卷風(fēng)累計(jì)出現(xiàn)的次數(shù)和風(fēng)速變化的分布符合經(jīng)驗(yàn)指數(shù)分布;本核電站區(qū)域10-7概率值對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為70 m/s;考慮到在調(diào)查區(qū)域內(nèi)曾出現(xiàn)過定級(jí)為F3的龍卷風(fēng)事件,從核安全的保守性角度考慮,推薦本核電站龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速取75 m/s。
(5)依據(jù)在調(diào)查區(qū)域內(nèi)最強(qiáng)龍卷風(fēng)等級(jí)為富士達(dá)F3級(jí),分別在合浦和電白共出現(xiàn)過3次,結(jié)合推薦的龍卷風(fēng)最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為75 m/s,建議核電站工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)等級(jí)采用F3級(jí)。
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SurveyandEvaluationofTornadoesaroundaNuclearPowerPlantinGuangxi
He Ru1, 3, Tang Zhonglian2, Su Zhi1, 3and Lin Zhenmin3
(1.GuangxiMeteorologicalServiceCenter,Nanning530022,China; 2.MeteorologicalObservatoryof
ZhuhaiAirTrafficManagementStation,Zhuhai519040,China; 3.GuangxiClimate
Center,Nanning530022,China)
Abstract:Tornado which is one of the most important extreme meteorological parameters must be concerned during the nuclear power plant siting and designing stage. The temporal and spatial distribution, disaster characteristics, intensity gradation and the maximum design basis category for tornado wind velocity of tornado events around the nuclear plant of Guangxi Autonomous Region are analyzed and evaluated, based on the tornado data from the area of 300 km×300 km around the nuclear power plant from 1962 to 2012. The results show that: the wind speed category of Fujita tornado scale is F0 or F1 mostly. The maximum of category is up to F3. The tornadoes are mainly distributed around the nuclear plant and coastal area of Guangdong. They also occur in the northeast and northwest of mainland occasionally. The tornadoes concentrated mostly in spring and summer, especially in April, and occurred frequently in daytime, especially from 18:00 to 18:59 at afternoon. The design basis standard wind speed category is F3 (Fujita tornado scale), design maximum wind speed is 75m/s.
Key words:nuclear power plant; tornado; intensity gradation; design basis category for tornado wind velocity; temporal and spatial distribution; Guangxi
作者簡介:何如(1983-),女,廣西柳州人,碩士研究生,工程師,從事氣象能源開發(fā)與氣候應(yīng)用服務(wù)研究. E-mail:past014@163.com
基金項(xiàng)目:廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011GXNSFA018008)
收稿日期:2015-08-04修回日期:2015-09-12
中圖分類號(hào):P445+.1;X43
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1000-811X(2016)01-0153-04
doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.029