何　如，唐忠蓮，蘇　志，林振敏

(1.廣西壯族自治區(qū)氣象服務中心，廣西 南寧 530022； 2. 民航珠?？展苷練庀笈_，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)龍卷風調查與評價

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)氣象服務中心，廣西 南寧 530022； 2. 民航珠?？展苷練庀笈_，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:龍卷風是核電站在選址和設計階段需要考慮的最重要的極端氣象參數(shù)之一。通過調查和收集廣西某核電站周邊300 km×300 km區(qū)域范圍內1962-2012年的龍卷風資料，對龍卷風的時空分布、災害特征、強度定級以及最大設計基準等級等進行了分析和評價。結果發(fā)現(xiàn)：龍卷風富士達風力等級集中出現(xiàn)在F0、F1級，最強龍卷風等級為F3級；主要分布在廠址附近和廣東沿海一帶，東北和西北部的內陸地區(qū)也時有發(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時段最多；推薦龍卷風設計基準等級為F3級，采用最大設計風速為75 m/s。

關鍵詞:核電站；龍卷風；強度分級；設計基準等級；時空分布；廣西

龍卷風是一種尺度范圍較小的強烈渦旋天氣現(xiàn)象，具有生消快、風力強、破壞性大等特點[1-2]。龍卷風的危害主要是由于其會帶來極大的陣風，中心氣壓極低，常伴有雷暴、冰雹、暴雨等災害性天氣[3-4]。核電站是對安全要求極高的建筑物群體，龍卷風則是核電站在選址和設計階段需要考慮的最重要的極端氣象參數(shù)之一[5-6]。龍卷風一旦襲擊核電站，極易導致建筑物被推倒或扭曲，大型容器產生瞬間爆裂以及其他嚴重的損害，甚至會對核電站造成致命的影響[7]。因此，對核電站廠址周邊區(qū)域開展龍卷風調查與評價是十分必要的。

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，氣候相對較為復雜，強對流天氣較頻繁，龍卷風災害時有發(fā)生，其超強的破壞力會對核電站的安全造成巨大的威脅。本文嚴格按照核安全導則[8]的要求，對核電站周邊地區(qū)的龍卷風事件開展了詳細的調查，對其時空分布和災害特征進行了分析，并對龍卷風事件進行了強度定級，通過其可能出現(xiàn)的概率做出了推算，在此基礎上推薦了龍卷風設計基準等級和最大設計風速，為本核電站工程的科學選址和安全設計提供了科學依據。

1資料與方法

1.1　資料來源

根據核安全導則的規(guī)定[8]，龍卷風的評估區(qū)域以廠址為中心，經緯度均為3°以內所包含的方形區(qū)域為典型調查區(qū)。本研究的調查區(qū)域為以核電站為中心300 km×300 km的區(qū)域范圍[9]，該范圍共覆蓋38個縣(市)，其中，廣西壯族自治區(qū)22個，廣東省15個。

龍卷風調查年限為1962-2012年共51年，基礎資料依據《中國氣象災害大典(廣西卷)》[10]、《中國氣象災害大典(廣東卷)》[11]《中國氣象災害年鑒》(2001—2012年)[12]、地面氣象觀測記錄、氣象災情數(shù)據庫、氣候影響評價等文獻資料記載，以及民政、三防等相關部門的災情調查記錄和媒體報道等。龍卷風的調查內容包括以下部分：發(fā)生的日期、時間、地點；持續(xù)的時間歷程、長度、寬度、破壞面積、強度的估計；災情以及目擊者的描述、照片和錄像等[13]。經過調查，收集到調查區(qū)域內共82次龍卷風災情記錄。

考慮到核電站的絕對安全性[7]，同時為了滿足概率分析樣本的可靠性，調查獲得的51年中的82個龍卷風事件樣本，無法再細分為更小范圍的子區(qū)來進行評估；另外，在確定龍卷風調查區(qū)域時已充分考慮到調查區(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開展龍卷風調查和評價。

1.2　研究方法

1.2.1龍卷風強度評級方法

龍卷風等級劃分采取專家組評級方式對龍卷風進行定量評級[14]。其中，“風速判定”專家組由來自天氣預報、大氣物理和大氣環(huán)境、災害學、工程氣象學、結構抗風設計、核電、電力規(guī)劃設計、環(huán)境科學等專業(yè)的15名專家組成。專家組經過資料審核，對照富士達風力等級(F等級)分類表，其對應的風速區(qū)間和破壞程度可參閱文獻[8]，將龍卷風的定性災情描述經過定量判斷后，對每一個臺風個例進行F級別評定，選取眾數(shù)確定為其等級。

1.2.2龍卷風風險度方法[8]

龍卷風的風速和等級關系：

VFX=6.30(X+2)1.5。

(1)

式中：FX為富士達風力等級；VFX是富士達風力等級為FX時最大風速的下限(m/s)。

龍卷風的頻次和強度關系：

ln(ni)=-cui+k。

(2)

式中：ni是最大風速超過閾值風速ui的龍卷風發(fā)生的累積次數(shù)；ui是F等級為i的閾值風速；c、k為根據最小二乘線性回歸分析得到的常數(shù)。

龍卷風的面積和強度關系：

(3)

在實際調查中，資料記錄的破壞面積可能包含暴雨、雷暴、狂風等其他災害造成的破壞，與風強度的關系比較離散且難以確定。另外，在本次調查中獲得長度、寬度等資料的個例較少，不足以滿足參數(shù)擬合的要求。為此引用皮爾森路徑長度、寬度公式進行換算：

Ai=LPi·Wpi=(1.609)2×10(i-3)。

(4)

式中：Ai為龍卷風破壞面積，i為龍卷風的等級。

龍卷風風速概率關系：最大強度為i的龍卷風破壞路徑內的面積，相應于富士達等級Fj的風速區(qū)間Vj到Vj+1所掃過的面積，其公式為:

(5)

那么，調查區(qū)域內一年內經受Fj等級風速的概率為：

(6)

式中：λi為局部區(qū)域i等級龍卷風每年發(fā)生的次數(shù)，A為調查區(qū)域的面積，n為該區(qū)域出現(xiàn)的最強龍卷風等級。最后可以得到，調查區(qū)域內一年內經受超過強度K等級風速的概率為：

(7)

2龍卷風強度分級

根據調查區(qū)域82次的龍卷風記錄，采取專家組依照富士達風力等級分類表的評級方法，對龍卷風強度進行分級[14]。經過對分級結果的統(tǒng)計，得到調查區(qū)域出現(xiàn)的等級和次數(shù)：調查區(qū)域內的龍卷風可劃分為F0、F1、F2、F3四個等級，其中F0級48次，F(xiàn)1級21次，F(xiàn)2級10次，F(xiàn)3級3次。調查區(qū)域多以低級別(F0、F1)為主，占總數(shù)的84.1%，F(xiàn)2級占12.2%，F(xiàn)3級較少，僅占3.7%。

3龍卷風時空分布特征

3.1　龍卷風的空間分布

統(tǒng)計1962-2012年核電站調查區(qū)域內各地發(fā)生龍卷風事件的個數(shù)和出現(xiàn)的最強龍卷風等級，由圖1可見，龍卷風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陸地區(qū)較多，西北部的內陸地區(qū)也時有發(fā)生。曾經發(fā)生龍卷風次數(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；調查區(qū)域內最強等級龍卷風(F3)曾經出現(xiàn)在合浦和電白，F(xiàn)2級龍卷風曾出現(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災害的多發(fā)地，同時也是受龍卷風災害影響較為嚴重的地區(qū)之一。

圖1　核電站調查區(qū)域龍卷風次數(shù)和等級分布圖

3.2　年及年代際變化

調查區(qū)域的龍卷風平均每年出現(xiàn)1.6次，出現(xiàn)龍卷風的年份占總年數(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年代相對較少，僅有5次，這可能與早期資料記載不完整有關。

圖2　核電站調查區(qū)域龍卷風次數(shù)的逐年變化 (橫線為平均值)

3.3　月及季變化

從調查區(qū)域龍卷風次數(shù)逐月變化來看(圖3)，除10月份無龍卷風記錄外，其余月份均有龍卷風出現(xiàn)，4-7月為龍卷風出現(xiàn)的高峰期，出現(xiàn)的次數(shù)占龍卷風總數(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氣候特點，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，強對流天氣出現(xiàn)頻繁，較易出現(xiàn)龍卷風。

圖3　核電站調查區(qū)域龍卷風次數(shù)逐月變化

3.4　日變化

本次調查共有50次記錄了龍卷風確切的發(fā)生時間。調查區(qū)域內龍卷風絕大部分出現(xiàn)白天07-20時之間，共出現(xiàn)37次，占總數(shù)的74.0%，其中18時段出現(xiàn)次數(shù)最多，為6次，其次是08和14時段，各出現(xiàn)了4次(圖4)。龍卷風白天多于夜間，這是由于龍卷風多產生于強對流天氣，白天日出后下墊面受輻射增溫，導致大氣上下對流旺盛，有利于強對流天氣形成，易龍卷風的發(fā)生。

圖4　核電站調查區(qū)域龍卷風次數(shù)的日變化

3.5　持續(xù)時間

本次調查共有34次確切記錄了龍卷風從發(fā)生到結束的具體時間。從龍卷風的持續(xù)時間來看(圖5)：持續(xù)時間在0～10 min、11～20 min、21～30 min、31～40 min、41～50 min、51～60 min、60 min以上的龍卷風分別為13、9、2、5、0、1、4次，其中20 min之內的共出現(xiàn)22次，占64.7%，60 min之內共出現(xiàn)30次，占88.2%。龍卷風持續(xù)時間最短僅為1 min。

圖5　核電站調查區(qū)域龍卷風持續(xù)時間

4龍卷風的強度分析

4.1　最強龍卷風的破壞程度

在調查區(qū)域內收集到龍卷風中，破壞力最強的達到了F3級，其破壞程度如下：刮走拖拉機、刮平房屋、 打翻漁船、吹斷桅桿、人、畜傷亡等(表1)。

4.2　各級龍卷風出現(xiàn)概率

由于能夠準確記錄龍卷風災情數(shù)據的個例較少，因此需要將F等級與風速的關系式進行樣本擴充。根據式(1)，采取分辨率為0.2的等級對龍卷風樣本進行擴充[15]，得到各細化等級龍卷風對應的風速下限值以及累積次數(shù)(表2)。

根據表2結果進行曲線擬合(圖6)，可見，用經驗公式(2)的函數(shù)形式來描述核電站調查區(qū)的龍卷風出現(xiàn)概率分布是合理的，相關系數(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　最強龍卷風造成的災情

圖6　核電站調查區(qū)龍卷風風速與累積次數(shù)的關系

4.3　超過額定風速的概率

根據式(3)和式(4)推導得到調查區(qū)域龍卷風的面積和強度公式為

(8)

表2　核電站調查區(qū)域龍卷風各細化等級和累積次數(shù)

調查區(qū)域總面積為A=90 000km2，再根據式(5)～式(7)計算得到調查區(qū)域一年中各等級龍卷風出現(xiàn)的平均次數(shù)分別為λ0=1.704、λ1=0.662、λ2=0.227、λ3=0.064。由此計算得到區(qū)域內一年中各等級(對應不同區(qū)間風速)龍卷風出現(xiàn)的概率和超過某K等級龍卷風下限風速的概率，結果見表3和表4。

表3　一年中遭遇不同區(qū)間風速的概率

表4　一年中超過K級龍卷風下限風速的概率

4.4　設計基準龍卷風

根據表4所示的結果繪制核電站調查區(qū)域遭遇超過K等級龍卷風風速的概率分布圖(圖7)。由圖7可見，圖中10-7概率水平對應的龍卷風設計基準風速為70 m/s，結合在調查區(qū)域內曾出現(xiàn)過定級為F3的龍卷風樣本事件，從核安全的保守性角度考慮，推薦核電站設計基準龍卷風風速取75 m/s，并建議以F3級為龍卷風設計基準等級[7,15]。

圖7　核電站調查區(qū)域龍卷風概率曲線

5結論

(1)核電站調查區(qū)域在1962-2012年共51年期間共出現(xiàn)82次龍卷風，其中F0級48次，F(xiàn)1級21次，F(xiàn)2級10次，F(xiàn)3級3次。調查區(qū)的龍卷風多以低級別(F0、F1)為主，占總數(shù)的84.1%，F(xiàn)2級占12.2%，F(xiàn)3級較少，占3.7%。

(2)龍卷風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陸地區(qū)較多，西北部的內陸地區(qū)也時有發(fā)生。調查區(qū)域內發(fā)生龍卷風次數(shù)最多的在湛江和合浦，分別為10次和為9次，最強等級龍卷風(F3)曾經出現(xiàn)在合浦和電白。可見，廠址所在地不但是龍卷風災害的多發(fā)地，同時也是受龍卷風災害影響較為嚴重的地區(qū)之一。

(3)近51年來，龍卷風平均每年出現(xiàn)1.6次，80年代龍卷風出現(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)的龍卷風最多；1 d之中，白天比夜間多，傍晚18時段最多；持續(xù)時間大多在60 min之內，其中20 min之內的占64.7%，持續(xù)時間最短僅為1 min。

(4)龍卷風累計出現(xiàn)的次數(shù)和風速變化的分布符合經驗指數(shù)分布；本核電站區(qū)域10-7概率值對應的設計基準風速為70 m/s；考慮到在調查區(qū)域內曾出現(xiàn)過定級為F3的龍卷風事件，從核安全的保守性角度考慮，推薦本核電站龍卷風設計基準風速取75 m/s。

(5)依據在調查區(qū)域內最強龍卷風等級為富士達F3級，分別在合浦和電白共出現(xiàn)過3次，結合推薦的龍卷風最大設計風速為75 m/s，建議核電站工程設計基準龍卷風等級采用F3級。

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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)與氣候應用服務研究. E-mail:past014@163.com

基金項目：廣西自然科學基金資助項目(2011GXNSFA018008)

收稿日期：2015-08-04修回日期：2015-09-12

中圖分類號：P445+.1；X43

文獻標志碼：A

文章編號：1000-811X(2016)01-0153-04

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.029