影響福清廠址區(qū)域熱帶氣旋工程參數(shù)估算

蔡秀華 呂文忠 陳龍泉 范雯杰

（1 中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081；2 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；3 中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力資源的緊張已經(jīng)成為一個(gè)普遍問題，核電是相對(duì)安全的能源，因此，建設(shè)核電廠成為緩解電力資源緊張的一個(gè)措施。核電在緩減全球氣候變化中起到了重要的作用。目前國(guó)內(nèi)外絕大部分核電廠廠址主要位于沿海區(qū)域，經(jīng)常受到臺(tái)風(fēng)的襲擊。當(dāng)臺(tái)風(fēng)移近大陸或登陸前后，可引發(fā)強(qiáng)風(fēng)、暴雨及泥石流等嚴(yán)重災(zāi)害。近年來，隨著觀測(cè)手段及分析方法的進(jìn)步，登陸熱帶氣旋研究已經(jīng)成為各類災(zāi)害研究中一個(gè)熱點(diǎn)。李英等采用移動(dòng)坐標(biāo)以及云頂亮溫（TBB）和常規(guī)資料，對(duì)熱帶氣旋在陸上維持期間的次天氣尺度環(huán)流特征及其與次天氣尺度系統(tǒng)之間的相互作用，進(jìn)行對(duì)比分析和診斷。指出熱帶氣旋次天氣尺度環(huán)流具有環(huán)繞熱帶氣旋中心的明顯波動(dòng)特征，此波動(dòng)結(jié)構(gòu)能否維持與熱帶氣旋活動(dòng)的天氣尺度背景密切相關(guān)。卜松等針對(duì)登陸華東地區(qū)TC的L型和R型降水的大氣環(huán)流場(chǎng)、環(huán)境水平風(fēng)垂直切變以及臺(tái)風(fēng)環(huán)流內(nèi)的動(dòng)熱力條件進(jìn)行對(duì)比分析，指出大氣環(huán)流因子對(duì)于登陸華東TC降水分布起主要作用。趙靜嫻等利用目前國(guó)際上最先進(jìn)的中尺度WRF模式模擬熱帶氣旋生成，闡明了只用微物理方案使低層（950～700 hPa）風(fēng)速的垂直切變減小，不利于對(duì)流發(fā)展；切變減小主要是由于動(dòng)量垂直輸送項(xiàng)的差異所致。

目前WRF中的微物理方案在模擬熱帶氣旋生成過程中的對(duì)流發(fā)展時(shí)仍然存在問題。沈越婷等概述了ECMWF、NCEP、JMA和CMA等全球主要數(shù)值預(yù)報(bào)中心的熱帶氣旋集合預(yù)報(bào)技術(shù)，總結(jié)了當(dāng)前熱帶氣旋集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品在路徑、強(qiáng)度、風(fēng)雨及生成預(yù)報(bào)等方面的應(yīng)用。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)熱帶氣旋是核電工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。顧裕兵等采用統(tǒng)計(jì)分析或公式計(jì)算等多種方法比較確定了可能最大熱帶氣旋的主要參數(shù)。周小珊等采用極值分布概率論方法估算了遼寧紅沿河核電廠熱帶氣旋最大強(qiáng)度，獲得了具有可信度和一定保守性的結(jié)果。劉甜甜等指出熱帶氣旋極值風(fēng)速重現(xiàn)期不僅是海岸工程設(shè)計(jì)的重要參考項(xiàng)，也是海洋預(yù)報(bào)部門發(fā)布預(yù)報(bào)、預(yù)警的重要依據(jù)。紀(jì)忠華等對(duì)進(jìn)入我國(guó)東南沿海核電廠址附近的熱帶氣旋樣本進(jìn)行了篩選，發(fā)現(xiàn)廣東以南的4座廠址的熱帶樣本序列在2004年以后都發(fā)生了突變。盡管有關(guān)核電廠的建設(shè)及大氣環(huán)境等對(duì)其影響已有諸多的研究，但對(duì)核電站劃定區(qū)域熱帶氣旋的風(fēng)基準(zhǔn)參數(shù)的研究仍然較少。

福清核電位于福建省中部沿海地區(qū)，該區(qū)域經(jīng)常受到熱帶氣旋的侵襲。1980年臺(tái)風(fēng)“諾里斯”、2005年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“龍王”造成了福州市區(qū)的嚴(yán)重內(nèi)澇，這是歷年臺(tái)風(fēng)影響中最為嚴(yán)重的。本文的計(jì)算結(jié)果，從熱帶氣旋的角度，為政府相關(guān)部門在規(guī)劃和建設(shè)福清核電廠時(shí)提供了可靠的理論依據(jù)。由此可見，對(duì)福清核電廠劃定區(qū)域的熱帶氣旋的工程參數(shù)進(jìn)行分析，是一項(xiàng)必須要進(jìn)行的工作。

1 資料來源

文中使用資料來源主要為中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)所整編的各年《熱帶氣旋（臺(tái)風(fēng)）年鑒》以及《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》（福建卷），該資料是依據(jù)近代比較系統(tǒng)的科學(xué)記錄整編的，資料的年限為1949—2017年。遵循核電廠安全導(dǎo)則《核電廠廠址選擇的極端氣象事件（HAD101/10）》以及《核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)熱帶氣旋》的要求，核電廠址區(qū)域熱帶氣旋評(píng)價(jià)范圍應(yīng)包括廠區(qū) 300～400 km 以內(nèi)所有已知的熱帶氣旋。以福清核電廠址為中心，取半徑350 km的區(qū)域進(jìn)行分析，并定義經(jīng)過這個(gè)范圍的熱帶氣旋為影響福清劃定區(qū)域的熱帶氣旋。經(jīng)統(tǒng)計(jì)出影響福清核電廠劃定區(qū)域的熱帶氣旋，共276個(gè)。

2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)熱帶氣旋工程參數(shù)的估算

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)熱帶氣旋是指核電廠區(qū)域中可能出現(xiàn)的最大熱帶氣旋。首要的是估算出可能最大熱帶氣旋的中心最低氣壓

P

，然后根據(jù)

P

結(jié)合其他參數(shù)，估算出熱帶氣旋的風(fēng)場(chǎng)。估算

P

的方法有物理方法（確定論方法）和概率論方法兩種。本文利用概率論方法，依據(jù)1949—2017年積累的科學(xué)完整的熱帶氣旋資料統(tǒng)計(jì)，合理推算不過分長(zhǎng)再現(xiàn)期的可能最強(qiáng)熱帶氣旋強(qiáng)度。

2.1 用概率論方法評(píng)價(jià)可能最大熱帶氣旋的中心氣壓

2.1.1 Gumbel極值分布概率方法

依據(jù)“安全導(dǎo)則”中推薦的Gumbel極值分布概率論方法，來估算影響福清核電廠的百年一遇熱帶氣旋的最低中心氣壓。具體步驟如下：

首先從1949—2017年在西太平洋和南海生成的臺(tái)風(fēng)的資料中選出影響福清核電廠區(qū)的每一個(gè)臺(tái)風(fēng)，并建成各年臺(tái)風(fēng)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件。然后每年選出一個(gè)最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的中心氣壓，構(gòu)成估算百年一遇臺(tái)風(fēng)的樣本序列（表1），沒有熱帶氣旋出現(xiàn)在劃定區(qū)域的年份使用副高邊緣氣壓值1010 hPa代替，最后用Gumbel方法計(jì)算出最低氣壓的概率分布曲線和方差。

根據(jù)1949—2017年進(jìn)入劃定區(qū)域的熱帶氣旋最低中心氣壓值，發(fā)現(xiàn)1949—2017年最低的中心氣壓是1975年的900 hPa。然后，制作出1949—2017年歷年影響廠址周圍地區(qū)臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓再現(xiàn)概率（或再現(xiàn)周期）的散點(diǎn)圖（圖1），圖1中的實(shí)線是對(duì)1949—2017年極端最低氣壓的Gumbel極值概率分布的最佳擬合，虛線為最佳擬合的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖1 影響福清地區(qū)熱帶氣旋中心最低氣壓（Gumbel分布）Fig. 1 Gumbel distribution of tropical cyclone central minimum pressure impacting Fuqing area

表1 給出了按照極端最低氣壓再現(xiàn)概率Gumbel分布最佳擬合計(jì)算出的再現(xiàn)間隔從2～1000 a可能出現(xiàn)的熱帶氣旋的極端最低氣壓值。

2.1.2 Pearson-Ⅲ的分布函數(shù)方法

為了使結(jié)果更加合理，利用Pearson-Ⅲ分布函數(shù)計(jì)算出最低氣壓的概率分布曲線和方差，然后把二者計(jì)算結(jié)果再進(jìn)行比較。

通過計(jì)算得出可能最大熱帶氣旋的最低中心氣壓如圖2和表2所示。

由以上分析可以看出，采用Gumbel和Pearson-Ⅲ型兩種概率函數(shù)對(duì)影響廠址劃定區(qū)350 km最低中心氣壓進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)擬合，Gumbel分布擬合估計(jì)得到的百年一遇值過于保守，百年一遇可能最低中心氣壓為883.8 hPa；Pearson-Ⅲ函數(shù)擬合估計(jì)總體擬合優(yōu)度高于Gumbel分布，但參數(shù)無調(diào)整時(shí)略不保守，經(jīng)目估法增加最強(qiáng)級(jí)別熱帶氣旋的比重后，保守性能夠得到保證，擬合得到的估計(jì)值為百年一遇899.8 hPa。兼顧二者計(jì)算結(jié)果，熱帶氣旋設(shè)計(jì)基準(zhǔn)推薦887 hPa更為合理。

表1 熱帶氣旋中心氣壓計(jì)算數(shù)值表（Gumbel分布）Table 1 Numerical table for the central pressure of tropical cyclones (Gumbel distribution)

圖2 影響福清核電劃定區(qū)域的臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓（a）參數(shù)無調(diào)整，（b）目估優(yōu)化調(diào)整Fig. 2 Pearson-Ⅲ distribution of tropical cyclone central minimum pressure impacting Fuqing area(a) no adjustment to parameters, (b) optimised adjustment to parameters

表2 Pearson-Ⅲ型分布各頻率對(duì)應(yīng)氣壓極值Table 2 Corresponding pressure extremum for frequencies of Pearson-Ⅲ distribution

2.2 可能最大熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)和熱帶氣旋設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的計(jì)算

根據(jù)上述計(jì)算的結(jié)果，得出3種可能最大熱帶氣旋的風(fēng)場(chǎng)，分別是：1）Gumbel方法得到的中心氣壓為883.8 hPa的百年一遇的熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)；2）Pearson-Ⅲ方法得到的中心氣壓為899.8 hPa的百年一遇的熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)；3）推薦的中心氣壓為887 hPa的百年一遇的熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)。

計(jì)算這3種可能最大熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)時(shí)所使用的參數(shù)都是相同的。即，氣旋邊緣的海面壓力

P

為1010 hPa；開始內(nèi)流半徑

R

為500 km，最大風(fēng)速半徑

R

為10 km；流入角為14°；熱帶氣旋登陸時(shí)的移速和移向分別為11.9 m/s和300°；計(jì)算10 m高度處10 min風(fēng)速的折減因子取0.9；摩擦修正的折減因子取0.85；熱帶氣旋登陸填塞修正的折減因子取0.90。

下面給出這3種可能最大熱帶氣旋的風(fēng)場(chǎng)。

1） 可能最大熱帶氣旋的理論風(fēng)場(chǎng)

在確定了氣旋中心氣壓

P

和邊緣氣壓

P

的基礎(chǔ)上，就可以根據(jù)壓力廓線方程求出滯留最大熱帶氣旋對(duì)稱性風(fēng)場(chǎng)的由氣旋中心到氣旋邊緣的風(fēng)速廓線。

計(jì)算得到最大風(fēng)速分別為Gumbel：66.5 m/s，Pearson-Ⅲ：62.1 m/s，綜合推薦值：65.6 m/s。這是在熱帶氣旋停滯不動(dòng)情況下的理論風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)速的分布具有對(duì)稱性。

2）可能最大熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)的修正

由于氣旋的向前運(yùn)動(dòng)破壞了滯留氣旋風(fēng)場(chǎng)的對(duì)稱性分布，同時(shí)改變各點(diǎn)位的風(fēng)速風(fēng)向。這些改變可通過不對(duì)稱性修正矢量與滯留氣旋地面風(fēng)矢量的合成表示。經(jīng)過修正后的風(fēng)速為計(jì)算最大風(fēng)速分別為Gumbel：53.3 m/s，Pearson-Ⅲ：50.3 m/s；綜合推薦值：52.7 m/s（表3）。

表3 經(jīng)過修正的5種可能最大熱帶氣旋的最大風(fēng)速Table 3 The modified maximum wind speed of five possible maximum tropical cyclones

3）各特征高度的風(fēng)速

以上得到福清劃定區(qū)域可能最大熱帶氣旋地面10 m高度的10 min平均風(fēng)速。核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)還需要10～200 m各高度的可能最大風(fēng)速，包括10 min平均的可能最大風(fēng)速和瞬時(shí)（3 s）極大風(fēng)速。各高度的風(fēng)速采用通常的風(fēng)廓線冪指數(shù)律推算。根據(jù)劃定區(qū)域測(cè)風(fēng)塔2017年5月—2018年4月整年的數(shù)據(jù)進(jìn)行冪指數(shù)擬合，當(dāng)風(fēng)速大于12.5 m/s時(shí)實(shí)際擬合得到的值為0.17，當(dāng)風(fēng)速大于17 m/s時(shí)實(shí)際擬合得到的值為0.13，保守考慮，冪指數(shù)按0.17進(jìn)行計(jì)算。

本文根據(jù)2017年5月—2018年4月廠址遭受較大臺(tái)風(fēng)影響期間的劃定區(qū)域氣象站最大風(fēng)速和極大風(fēng)速擬合陣風(fēng)系數(shù)。

2017年5月—2018年4月影響劃定區(qū)域臺(tái)風(fēng)主要為納沙和海棠兩次臺(tái)風(fēng)。以兩次臺(tái)風(fēng)逐時(shí)風(fēng)速進(jìn)行陣風(fēng)系數(shù)擬合，得到的陣風(fēng)系數(shù)分別有地面站10 m風(fēng)桿為：1.2327和1.211，塔層10 m為1.3028和1.305，兩套數(shù)據(jù)兩次合一起計(jì)算的陣風(fēng)系數(shù)為1.2602。保守起見，推薦陣風(fēng)系數(shù)為1.298。

表4 給出了按照上述算法得到的百年一遇可能最大熱帶氣旋的福清核電廠劃定區(qū)域各設(shè)計(jì)高度的10 min平均最大風(fēng)速和3 s陣風(fēng)的極大風(fēng)速。

3 結(jié)論和建議

根據(jù)1949—2017年廠址350 km范圍內(nèi)的熱帶氣旋資料，采用Gumbel和Pearson-Ⅲ型兩種概率函數(shù)對(duì)影響廠址劃定區(qū)域的最低中心氣壓進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)擬合，估算出影響福清劃定區(qū)域的可能最大熱帶氣旋的中心氣壓

P

，Gumbel分布擬合估計(jì)得到的百年一遇值過于保守，Pearson-Ⅲ函數(shù)擬合估計(jì)總體擬合優(yōu)度高于Gumbel分布，本著合理而又保守的原則，建議百年一遇最低中心氣壓推薦值為887 hPa。

表4 福清核電廠劃定區(qū)域可能最大熱帶氣旋各高度的最大風(fēng)速和極大風(fēng)速（百年一遇）Table 4 Maximum and extreme values of wind speed of possible maximum tropical cyclone heights in Fuqing Nuclear Power Plant (once in a century)

根據(jù)壓力廓線方程求出滯留最大熱帶氣旋對(duì)稱性風(fēng)場(chǎng)的由氣旋中心到氣旋邊緣的風(fēng)速廓線。采用風(fēng)廓線冪指數(shù)律估算出的10 m和200 m高度百年一遇的最大風(fēng)速和極大風(fēng)速依次為：52.7、68.4、87.7和113.8 m/s。文中估算方法具有充分的理論依據(jù)，從安全保守角度考慮，更具有客觀性、有效性和合理性，對(duì)工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有一定的參考價(jià)值。