黃晨然,朱 軍,向淑君,李 霄,夏 陽

(1.貴州省氣候中心,貴州 貴陽 550002;2.貴州省六盤水市氣象局,貴州 六盤水 553000)

0 引言

龍卷風(fēng)是一種小范圍的強(qiáng)烈渦旋氣流,屬小尺度天氣系統(tǒng),狀如漏斗,風(fēng)速極快,破壞力很大[1]。國內(nèi)學(xué)者針對龍卷風(fēng)的統(tǒng)計特征、形成機(jī)理、單個個例等方面進(jìn)行了研究,同時也對核電廠址龍卷風(fēng)參數(shù)進(jìn)行了估算。黃大鵬等[2]分析了中國龍卷風(fēng)及其災(zāi)害的時空分布特征,發(fā)現(xiàn)近30 a中國龍卷風(fēng)災(zāi)害年發(fā)生次數(shù)呈現(xiàn)明顯下降趨勢;胥蓓蕾等[3]對龍卷風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險度的區(qū)劃研究表明,最高風(fēng)險等級分布在華東地區(qū),西南地區(qū)為龍卷風(fēng)低度風(fēng)險區(qū)之一;范雯杰等[4]研究指出,1961—2010年間中國的龍卷也更多地分布于江淮地區(qū)、兩湖平原、華南地區(qū)和東北地區(qū)等平原地區(qū),并且具有在某地集中頻發(fā)的特征;杜康云等[5-6]對京津冀區(qū)域龍卷風(fēng)災(zāi)害特征進(jìn)行了分析,并對風(fēng)險度進(jìn)行了評價;紀(jì)文君等[7]探討了龍卷風(fēng)發(fā)生的條件、可能機(jī)制、旋轉(zhuǎn)方向和移動路徑預(yù)測;伍培云等[8]利用盆池渦旋轉(zhuǎn)模型研究了龍卷風(fēng)形成機(jī)制,解釋了龍卷風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向的機(jī)理;郭魯彥等[9]根據(jù)觀測資料對發(fā)生在內(nèi)蒙古通遼市的一次龍卷過程特征進(jìn)行了分析;徐靖宇等[10]對2017年發(fā)生在湖南邵陽市的一次龍卷天氣進(jìn)行了詳細(xì)的分析;劉寧微等[11]對遼寧一次龍卷風(fēng)的診斷分析表明,不穩(wěn)定能量和氣柱上升運動的配置關(guān)系達(dá)到峰值時產(chǎn)生了龍卷風(fēng);陳正洪等[12]和蔡秀華等[13]根據(jù)《核安全導(dǎo)則匯編(上冊)》[14]規(guī)定的方法詳細(xì)計算了龍卷風(fēng)各個參數(shù)間的關(guān)系,最后給出核電站的龍卷風(fēng)設(shè)計基準(zhǔn)參數(shù)。

貴州玉屏低溫供熱堆商業(yè)示范項目獲國家能源局批準(zhǔn)同意開展前期工作。核電廠是一個由多種性質(zhì)的材料和多種結(jié)構(gòu)組成的對安全要求極高的建筑物群體,龍卷風(fēng)對其可能的威脅存在于兩個方面。一個是其內(nèi)部存在強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)的上升氣流所產(chǎn)生的極大的瞬間負(fù)荷和對建筑物所產(chǎn)生的極大的扭矩直接把建筑物推倒或扭曲。另一方面,其巨大的內(nèi)外壓力差可使密閉或半密閉的建筑物或大型容器產(chǎn)生瞬時爆裂。因此調(diào)查和收集廠址區(qū)域附近的龍卷風(fēng)災(zāi)情個例并對龍卷風(fēng)設(shè)計基準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行計算分析,評估玉屏廠址項目的氣候風(fēng)險性。本文利用項目廠址周圍3個經(jīng)緯度區(qū)域范圍內(nèi)1950—2021年期間的龍卷風(fēng)調(diào)查資料,計算出廠址區(qū)域龍卷風(fēng)的相關(guān)風(fēng)參數(shù),最后給出了龍卷風(fēng)設(shè)計基準(zhǔn)等級,為項目設(shè)計和建設(shè)提供科學(xué)的氣象參數(shù)和合理化建議。

1 資料和方法

1.1 資料來源

從兼顧氣象特征同一性和可能獲得足夠樣本出發(fā),考慮核電站的絕對安全性,按照《核電廠廠址選擇的極端氣象事件(HAD101/10)》(以下簡稱《導(dǎo)則》)的技術(shù)要求,龍卷風(fēng)調(diào)查區(qū)域以廠址為中心,南北跨3個緯度,東西跨3個經(jīng)度,調(diào)查范圍內(nèi)共計54個縣(市),面積約為10.0萬km2,其中貴州32個,湖南18個,重慶2個,廣西2個。龍卷風(fēng)資料調(diào)查年限為1950—2021年,共收集到13個龍卷風(fēng)個例。

本文龍卷風(fēng)資料源于3個方面:(1)調(diào)查范圍內(nèi)所涉縣(市、區(qū))氣象局、三防辦、編志辦、民政局、檔案館、新聞機(jī)構(gòu)等部門記錄資料;(2)與中國龍卷相關(guān)的已發(fā)表研究論文;(3)氣候影響評價、全國氣象災(zāi)情普查數(shù)據(jù)、中國氣象災(zāi)害大典各省分卷、各地氣象觀測臺站上報的氣象報表等。做到了廣泛收集,互為印證,盡可能不遺漏并與事實相符,基本準(zhǔn)確。

1.2 方法

1.2.1 龍卷風(fēng)強(qiáng)度等級分類 根據(jù)龍卷風(fēng)的破壞程度和災(zāi)情景象,采用美國芝加哥大學(xué)龍卷風(fēng)專家藤田博士(Dr. T. Theodore Fujita)建立的富士達(dá)F等級分類方法[15],對龍卷風(fēng)強(qiáng)度等級進(jìn)行逐個確定。

1.2.2 面積—強(qiáng)度關(guān)系 利用廠址周圍區(qū)域收集的龍卷風(fēng)破壞資料,根據(jù)龍卷風(fēng)平均破壞面積和相應(yīng)風(fēng)速,建立以下形式的關(guān)系公式:

(1)

當(dāng)面積和強(qiáng)度關(guān)系擬合不好時,各等級龍卷風(fēng)的平均破壞面積宜采用下式計算:

Ai=LPi·WPi=(1.609)2×10(i-3)

(2)

式中,i=1,2,…,5。

1.2.3 事件—強(qiáng)度關(guān)系 根據(jù)龍卷風(fēng)強(qiáng)度等級分級結(jié)果,統(tǒng)計高于每個強(qiáng)度等級龍卷風(fēng)發(fā)生的累積次數(shù),按下式擬合次數(shù)分布與強(qiáng)度等級關(guān)系:

lnNi=-c′Ui+k′

(3)

下式則為通常的經(jīng)驗指數(shù)分布函數(shù):

Ni=N0·e-c′ Ui

(4)

式中,N0=ek′,是擬合函數(shù)外延至Ui=0的頻數(shù);Ui是F標(biāo)度等級為i的閾值風(fēng)速;Ni是龍卷風(fēng)風(fēng)速超過Ui的累積次數(shù);c′和k′是經(jīng)驗擬合系數(shù)(c′、k′均為正值)。

1.2.4 超過額定風(fēng)速的概率 廠址遭受龍卷風(fēng)給定風(fēng)速范圍內(nèi)某一風(fēng)速的概率采用下式計算:

(5)

式中,P(Vj,Vj+1)是評價區(qū)域在一年內(nèi)經(jīng)受風(fēng)速區(qū)間為富士達(dá)強(qiáng)度等級j和j+1龍卷風(fēng)的概率;λi是i等級龍卷風(fēng)在評價區(qū)域內(nèi)年平均出現(xiàn)次數(shù);aij是i等級龍卷風(fēng)風(fēng)速在Vj和Vj+1之間的破壞面積;A是區(qū)域的面積,此處取為105;n是區(qū)域內(nèi)考慮的最強(qiáng)的龍卷風(fēng)等級,此處取為4。

某一具體地點經(jīng)受風(fēng)速大于或等于強(qiáng)度等級為K的龍卷風(fēng)速的概率為:

(6)

1.2.5 設(shè)計基準(zhǔn)龍卷風(fēng)參數(shù) 為評價設(shè)計基準(zhǔn)龍卷風(fēng)的其他有關(guān)參數(shù),可利用旋衡風(fēng)方程得到簡單的壓降模型。在該模型中,旋衡風(fēng)方程被用于描述龍卷風(fēng)向內(nèi)徑向壓力和離心力之間的平衡。壓降速率和總壓降的計算式如下:

(7)

(8)

式中,Rm為最大旋轉(zhuǎn)風(fēng)速半徑,VT為最大平移速度,Vm為最大旋轉(zhuǎn)風(fēng)速,ρ為空氣密度。對強(qiáng)龍卷風(fēng)來說,由于中心氣壓很低,其空氣密度也較低,取ρ=1.10 kg·m3。

按照《導(dǎo)則》的規(guī)定,對于強(qiáng)龍卷風(fēng),假定:設(shè)計最大旋轉(zhuǎn)風(fēng)速半徑Rm為50 m,此時有:

VT=0.19VF

(9)

Vm=0.81VF

(10)

1.2.6 飛射物碰撞動量 分別針對1800 kg的汽車、125 kg的20 cm穿甲炮彈和2.5 cm實心鋼球3類飛射物計算碰撞動量,計算式如下:

p=mv

(11)

式中,p為碰撞動量;m為飛射物質(zhì)量;v為最大水平速度,取設(shè)計基準(zhǔn)龍卷風(fēng)最大風(fēng)速的35%。

2 模型擬合與參數(shù)計算

2.1 富士達(dá)F分級

根據(jù)此次收集調(diào)查的龍卷風(fēng)災(zāi)情資料,多位行業(yè)專家按照龍卷風(fēng)強(qiáng)度富士達(dá)(F)等級分類法進(jìn)行會商研判[14],對龍卷風(fēng)強(qiáng)度等級進(jìn)行逐個確定(表1)。從表1可以看出,下墊面并不平坦的貴州山地地形,并不利于龍卷風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展,從而導(dǎo)致在擬選廠址附近,龍卷個例更多地集中在地勢相對平坦的湖南境內(nèi)。

表1 1950—2021年評估區(qū)域龍卷風(fēng)記錄表

對富士達(dá)分級各級龍卷風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)和頻率進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),調(diào)查區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了F0、F1和F2 3個級別的龍卷風(fēng),其中F0級出現(xiàn)最多為9個,占總數(shù)的69.23%;F1級共發(fā)生了3個,占總數(shù)的23.08%;F2級只發(fā)生了1個,占總數(shù)的7.69%。龍卷風(fēng)的多發(fā)區(qū)域一般也是出現(xiàn)強(qiáng)級別龍卷風(fēng)較多的區(qū)域。

2.2 面積—強(qiáng)度關(guān)系

根據(jù)最小二乘法計算得出F0和F1等級龍卷風(fēng)的面積—強(qiáng)度經(jīng)驗方程(1)中的常數(shù),結(jié)果見表2。

表2 面積—強(qiáng)度關(guān)系式

同時,由樣本得到的面積—風(fēng)速曲線見圖1,符合由皮爾遜公式推論的曲線型。由此可見,龍卷風(fēng)的等級越高,風(fēng)速越大,危害的面積也就越大。

圖1 評估區(qū)域龍卷風(fēng)面積—風(fēng)速曲線

2.3 事件—強(qiáng)度關(guān)系

根據(jù)最小二乘法計算得出大于或等于F0等級龍卷風(fēng)的事件—強(qiáng)度經(jīng)驗方程(3)中常數(shù)c′、k′的值分別為0.0779和4.0015,由此得到頻次—強(qiáng)度關(guān)系經(jīng)驗方程為:

lnNi=-0.0779Ui+4.0015

F0與F1等級龍卷風(fēng)樣本得到的累積次數(shù)—風(fēng)速曲線見圖2,由于F2級及以上等級龍卷風(fēng)個例極少,無法進(jìn)行參數(shù)擬合。

圖2 評估區(qū)域龍卷風(fēng)累積次數(shù)—風(fēng)速曲線

2.4 與風(fēng)速概率的關(guān)系

在確定頻次—強(qiáng)度和面積—強(qiáng)度關(guān)系相關(guān)參數(shù)后,便可以計算調(diào)查區(qū)域內(nèi)某地點一年中遇i等級龍卷風(fēng)的風(fēng)速概率和超過額定風(fēng)速的概率,即龍卷風(fēng)風(fēng)險度的評價模型。

調(diào)查區(qū)域面積約為1×105km2,根據(jù)公式(5)～(6),可以推導(dǎo)出一年中出現(xiàn)i等級龍卷風(fēng)的平均次數(shù)λi,得到λ1=0.12,λ2=0.04,λ3=0.01,λ4=2.62×10-3,進(jìn)而計算出調(diào)查區(qū)域某地點一年中遇到i等級龍卷風(fēng)的概率(表3)。從表3可以看出,出現(xiàn)F1～F4等級龍卷風(fēng)的概率分別為8.99×10-8、5.66×10-8、4.61×10-8、4.47×10-8。此時,核電站廠址經(jīng)受風(fēng)速大于或等于強(qiáng)度等級K的下限風(fēng)速的概率如表4所示。此處采用設(shè)計基準(zhǔn)概率值為每年10-7來進(jìn)行評價。由表4可知,評估區(qū)域內(nèi)超過F2類下限風(fēng)速的概率為1.47×10-7,超過F3類下限風(fēng)速的概率為9.08×10-8,故認(rèn)為F2類可作為擬選廠址評估區(qū)域的設(shè)計基準(zhǔn)龍卷。根據(jù)表4繪制擬合曲線(圖3)。結(jié)果顯示,廠址區(qū)域10-7概率值所對應(yīng)的風(fēng)速為63.9 m·s-1。

圖3 出現(xiàn)大于各等級風(fēng)速閾值龍卷風(fēng)的概率曲線

表3 評估區(qū)域出現(xiàn)不同風(fēng)速區(qū)間某一風(fēng)速龍卷風(fēng)的概率

表4 評估區(qū)域出現(xiàn)大于各等級風(fēng)速閾值龍卷風(fēng)的概率

2.5 設(shè)計基準(zhǔn)龍卷風(fēng)參數(shù)

按照方程(7)～(10),假定設(shè)計最大旋轉(zhuǎn)風(fēng)速半徑為50 m,概率為10-7對應(yīng)的設(shè)計基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速VF為63.9 m·s-1。計算設(shè)計基準(zhǔn)龍卷風(fēng)相關(guān)參數(shù),最大平移速度VT為12.1 m·s-1,最大旋轉(zhuǎn)風(fēng)速Vm為51.8 m·s-1,壓降速率dp/dt為7.1 hPa·s-1,總壓降△P為29.5 hPa。

2.6 飛射物評價

按照《導(dǎo)則》建議,計算汽車、穿甲彈類和實心鋼球3類飛射物碰撞動量,可把設(shè)計基準(zhǔn)龍卷風(fēng)最大風(fēng)速的35%作為碰撞速度。按照式(11)計算結(jié)果如表5所示,1800 kg的汽車碰撞動量達(dá)40 230 kg·m·s-1,125 kg下落的穿甲彈類碰撞動量為2800 kg·m·s-1,而2.5 cm實心鋼球碰撞動量為1.45 kg·m·s-1。

表5 龍卷風(fēng)產(chǎn)生飛射物設(shè)計基準(zhǔn)

3 結(jié)論

本文龍卷風(fēng)資料調(diào)查收集遵循《導(dǎo)則》規(guī)定的深度和廣度,評價分析力求按照其推薦的方法和參數(shù)進(jìn)行。

對玉屏核電站廠址附近面積約為10.0萬km2調(diào)查區(qū)域內(nèi)1950—2021年期間發(fā)生過的龍卷風(fēng)事件進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計,共收集到13個龍卷風(fēng)個例,均出現(xiàn)在2000年以前,21世紀(jì)以來未找到龍卷風(fēng)相關(guān)觀測和災(zāi)情記錄。按照龍卷風(fēng)富士達(dá)F等級劃分,F0級有9個,F1級有3個,F2級僅有1個,至今未出現(xiàn)F3及以上龍卷風(fēng)事實。以調(diào)查區(qū)域的總樣本做出各強(qiáng)度級別龍卷風(fēng)的累積頻數(shù)、破壞面積與風(fēng)速曲線和擬合函數(shù),經(jīng)龍卷風(fēng)流場模型估算得到玉屏核電站廠址區(qū)域設(shè)計基準(zhǔn)龍卷風(fēng)最大風(fēng)速推薦值為63.9 m·s-1(對應(yīng)10-7概率值),總壓降為29.5 hPa,壓降速率為7.1 hPa·s-1,最大旋轉(zhuǎn)風(fēng)速為51.8 m·s-1,最大平移速度為12.1 m·s-1。汽車、穿甲彈類和實心鋼球3類飛射物碰撞動量分別為40 230 kg·m·s-1、2800 kg·m·s-1、1.45 kg·m·s-1。最大風(fēng)速超過F2級龍卷風(fēng)速下限,故推薦廠址區(qū)域龍卷風(fēng)設(shè)計基準(zhǔn)等級為F2。同時也建議項目廠址至少每5 a進(jìn)行一次龍卷風(fēng)復(fù)核,以確保最大設(shè)計風(fēng)速能夠應(yīng)對氣候變暖背景下龍卷風(fēng)頻發(fā)和強(qiáng)度變大風(fēng)險。