影響福清廠址區域熱帶氣旋工程參數估算

蔡秀華 呂文忠 陳龍泉 范雯杰

（1 中國氣象科學研究院，北京 100081；2 中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081；3 中國輻射防護研究院，太原 030006）

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，電力資源的緊張已經成為一個普遍問題，核電是相對安全的能源，因此，建設核電廠成為緩解電力資源緊張的一個措施。核電在緩減全球氣候變化中起到了重要的作用。目前國內外絕大部分核電廠廠址主要位于沿海區域，經常受到臺風的襲擊。當臺風移近大陸或登陸前后，可引發強風、暴雨及泥石流等嚴重災害。近年來，隨著觀測手段及分析方法的進步，登陸熱帶氣旋研究已經成為各類災害研究中一個熱點。李英等采用移動坐標以及云頂亮溫（TBB）和常規資料，對熱帶氣旋在陸上維持期間的次天氣尺度環流特征及其與次天氣尺度系統之間的相互作用，進行對比分析和診斷。指出熱帶氣旋次天氣尺度環流具有環繞熱帶氣旋中心的明顯波動特征，此波動結構能否維持與熱帶氣旋活動的天氣尺度背景密切相關。卜松等針對登陸華東地區TC的L型和R型降水的大氣環流場、環境水平風垂直切變以及臺風環流內的動熱力條件進行對比分析，指出大氣環流因子對于登陸華東TC降水分布起主要作用。趙靜嫻等利用目前國際上最先進的中尺度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）風速的垂直切變減小，不利于對流發展；切變減小主要是由于動量垂直輸送項的差異所致。

目前WRF中的微物理方案在模擬熱帶氣旋生成過程中的對流發展時仍然存在問題。沈越婷等概述了ECMWF、NCEP、JMA和CMA等全球主要數值預報中心的熱帶氣旋集合預報技術，總結了當前熱帶氣旋集合預報產品在路徑、強度、風雨及生成預報等方面的應用。設計基準熱帶氣旋是核電工程設計的重要參數之一。顧裕兵等采用統計分析或公式計算等多種方法比較確定了可能最大熱帶氣旋的主要參數。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度，獲得了具有可信度和一定保守性的結果。劉甜甜等指出熱帶氣旋極值風速重現期不僅是海岸工程設計的重要參考項，也是海洋預報部門發布預報、預警的重要依據。紀忠華等對進入我國東南沿海核電廠址附近的熱帶氣旋樣本進行了篩選，發現廣東以南的4座廠址的熱帶樣本序列在2004年以后都發生了突變。盡管有關核電廠的建設及大氣環境等對其影響已有諸多的研究，但對核電站劃定區域熱帶氣旋的風基準參數的研究仍然較少。

福清核電位于福建省中部沿海地區，該區域經常受到熱帶氣旋的侵襲。1980年臺風“諾里斯”、2005年超強臺風“龍王”造成了福州市區的嚴重內澇，這是歷年臺風影響中最為嚴重的。本文的計算結果，從熱帶氣旋的角度，為政府相關部門在規劃和建設福清核電廠時提供了可靠的理論依據。由此可見，對福清核電廠劃定區域的熱帶氣旋的工程參數進行分析，是一項必須要進行的工作。

1 資料來源

文中使用資料來源主要為中國氣象局上海臺風所整編的各年《熱帶氣旋（臺風）年鑒》以及《中國氣象災害大典》（福建卷），該資料是依據近代比較系統的科學記錄整編的，資料的年限為1949—2017年。遵循核電廠安全導則《核電廠廠址選擇的極端氣象事件（HAD101/10）》以及《核電廠設計基準熱帶氣旋》的要求，核電廠址區域熱帶氣旋評價范圍應包括廠區 300～400 km 以內所有已知的熱帶氣旋。以福清核電廠址為中心，取半徑350 km的區域進行分析，并定義經過這個范圍的熱帶氣旋為影響福清劃定區域的熱帶氣旋。經統計出影響福清核電廠劃定區域的熱帶氣旋，共276個。

2 設計基準熱帶氣旋工程參數的估算

設計基準熱帶氣旋是指核電廠區域中可能出現的最大熱帶氣旋。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

P

結合其他參數，估算出熱帶氣旋的風場。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1949—2017年積累的科學完整的熱帶氣旋資料統計，合理推算不過分長再現期的可能最強熱帶氣旋強度。

2.1 用概率論方法評價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“安全導則”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風的資料中選出影響福清核電廠區的每一個臺風，并建成各年臺風的數據庫文件。然后每年選出一個最強臺風的中心氣壓，構成估算百年一遇臺風的樣本序列（表1），沒有熱帶氣旋出現在劃定區域的年份使用副高邊緣氣壓值1010 hPa代替，最后用Gumbel方法計算出最低氣壓的概率分布曲線和方差。

根據1949—2017年進入劃定區域的熱帶氣旋最低中心氣壓值，發現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臺風中心最低氣壓再現概率（或再現周期）的散點圖（圖1），圖1中的實線是對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準偏差。

圖1 影響福清地區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概率Gumbel分布最佳擬合計算出的再現間隔從2～1000 a可能出現的熱帶氣旋的極端最低氣壓值。

2.1.2 Pearson-Ⅲ的分布函數方法

為了使結果更加合理，利用Pearson-Ⅲ分布函數計算出最低氣壓的概率分布曲線和方差，然后把二者計算結果再進行比較。

通過計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型兩種概率函數對影響廠址劃定區350 km最低中心氣壓進行經驗擬合，Gumbel分布擬合估計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函數擬合估計總體擬合優度高于Gumbel分布，但參數無調整時略不保守，經目估法增加最強級別熱帶氣旋的比重后，保守性能夠得到保證，擬合得到的估計值為百年一遇899.8 hPa。兼顧二者計算結果，熱帶氣旋設計基準推薦887 hPa更為合理。

表1 熱帶氣旋中心氣壓計算數值表（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域的臺風中心最低氣壓（a）參數無調整，（b）目估優化調整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型分布各頻率對應氣壓極值Table 2 Corresponding pressure extremum for frequencies of Pearson-Ⅲ distribution

2.2 可能最大熱帶氣旋風場和熱帶氣旋設計基準風速的計算

根據上述計算的結果，得出3種可能最大熱帶氣旋的風場，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場；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場；3）推薦的中心氣壓為887 hPa的百年一遇的熱帶氣旋風場。

計算這3種可能最大熱帶氣旋風場時所使用的參數都是相同的。即，氣旋邊緣的海面壓力

P

為1010 hPa；開始內流半徑

R

為500 km，最大風速半徑

R

為10 km；流入角為14°；熱帶氣旋登陸時的移速和移向分別為11.9 m/s和300°；計算10 m高度處10 min風速的折減因子取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場。

1） 可能最大熱帶氣旋的理論風場

在確定了氣旋中心氣壓

P

和邊緣氣壓

P

的基礎上，就可以根據壓力廓線方程求出滯留最大熱帶氣旋對稱性風場的由氣旋中心到氣旋邊緣的風速廓線。

計算得到最大風速分別為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情況下的理論風場，風速的分布具有對稱性。

2）可能最大熱帶氣旋風場的修正

由于氣旋的向前運動破壞了滯留氣旋風場的對稱性分布，同時改變各點位的風速風向。這些改變可通過不對稱性修正矢量與滯留氣旋地面風矢量的合成表示。經過修正后的風速為計算最大風速分別為Gumbel：53.3 m/s，Pearson-Ⅲ：50.3 m/s；綜合推薦值：52.7 m/s（表3）。

表3 經過修正的5種可能最大熱帶氣旋的最大風速Table 3 The modified maximum wind speed of five possible maximum tropical cyclones

3）各特征高度的風速

以上得到福清劃定區域可能最大熱帶氣旋地面10 m高度的10 min平均風速。核電廠設計基準還需要10～200 m各高度的可能最大風速，包括10 min平均的可能最大風速和瞬時（3 s）極大風速。各高度的風速采用通常的風廓線冪指數律推算。根據劃定區域測風塔2017年5月—2018年4月整年的數據進行冪指數擬合，當風速大于12.5 m/s時實際擬合得到的值為0.17，當風速大于17 m/s時實際擬合得到的值為0.13，保守考慮，冪指數按0.17進行計算。

本文根據2017年5月—2018年4月廠址遭受較大臺風影響期間的劃定區域氣象站最大風速和極大風速擬合陣風系數。

2017年5月—2018年4月影響劃定區域臺風主要為納沙和海棠兩次臺風。以兩次臺風逐時風速進行陣風系數擬合，得到的陣風系數分別有地面站10 m風桿為：1.2327和1.211，塔層10 m為1.3028和1.305，兩套數據兩次合一起計算的陣風系數為1.2602。保守起見，推薦陣風系數為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域各設計高度的10 min平均最大風速和3 s陣風的極大風速。

3 結論和建議

根據1949—2017年廠址350 km范圍內的熱帶氣旋資料，采用Gumbel和Pearson-Ⅲ型兩種概率函數對影響廠址劃定區域的最低中心氣壓進行經驗擬合，估算出影響福清劃定區域的可能最大熱帶氣旋的中心氣壓

P

，Gumbel分布擬合估計得到的百年一遇值過于保守，Pearson-Ⅲ函數擬合估計總體擬合優度高于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 福清核電廠劃定區域可能最大熱帶氣旋各高度的最大風速和極大風速（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)

根據壓力廓線方程求出滯留最大熱帶氣旋對稱性風場的由氣旋中心到氣旋邊緣的風速廓線。采用風廓線冪指數律估算出的10 m和200 m高度百年一遇的最大風速和極大風速依次為：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，從安全保守角度考慮，更具有客觀性、有效性和合理性，對工程建設風險評估具有一定的參考價值。