. 廣西壯族自治區(qū)氣象服務(wù)中心 2. 廣西壯族自治區(qū)氣候中心何 如蘇 志羅紅磊盧小鳳

?

廣西合浦核電站周邊地區(qū)龍卷風(fēng)特征分析*

1. 廣西壯族自治區(qū)氣象服務(wù)中心 2. 廣西壯族自治區(qū)氣候中心
何 如1,2蘇 志1,2羅紅磊1,2盧小鳳1

[摘要]該文根據(jù)廣西合浦核電站周邊300 km×300 km區(qū)域范圍內(nèi)1962—2012年龍卷風(fēng)資料，對(duì)龍卷風(fēng)的時(shí)間分布和災(zāi)害特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：龍卷風(fēng)具有明顯的時(shí)間分布特點(diǎn)，一年內(nèi)主要集中在春、夏兩季，以4月最多；一天之中，白天比夜間多，傍晚18:00～18:59最多；龍卷風(fēng)持續(xù)時(shí)間大多在60min之內(nèi)，其中20min之內(nèi)的占64.7%；近51年里，20世紀(jì)80年代龍卷風(fēng)出現(xiàn)最為頻繁；龍卷風(fēng)出現(xiàn)時(shí)，富士達(dá)風(fēng)力等級(jí)集中出現(xiàn)在F0、F1級(jí)，最大可達(dá)F3級(jí)，但出現(xiàn)的幾率較小。

[關(guān)鍵詞]核電站 龍卷風(fēng) 時(shí)間分布 強(qiáng)度分級(jí)

1 概述

龍卷風(fēng)的特點(diǎn)是范圍小、生消快、風(fēng)力強(qiáng)、破壞性大。龍卷風(fēng)風(fēng)速一般超過(guò)12級(jí)，中心氣壓最低能達(dá)到500～700hPa以下[1]，因此龍卷風(fēng)猶如一個(gè)特殊的吸泵，往往把它所觸及的水和沙塵、樹(shù)木、農(nóng)林作物、人畜、汽車(chē)等吸卷至高空，然后再扔向地面，極易導(dǎo)致建筑物被推倒或扭曲以及大型容器產(chǎn)生瞬間爆裂等嚴(yán)重的損害。另外，由于龍卷風(fēng)的發(fā)生與強(qiáng)烈雷暴的出現(xiàn)密切相關(guān)，因此伴隨龍卷風(fēng)而來(lái)的冰雹、暴雨等同樣會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重災(zāi)害損失[2-7]。

隨著能源約束趨緊的形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，核電在低碳能源的發(fā)展中繼續(xù)扮演著重要的角色[8]。核安全是核電最重要的前提條件，龍卷風(fēng)雖屬小概率事件，但其巨大的破壞力可能會(huì)對(duì)核電站造成致命的影響[9]。合浦核電站位于廣西壯族自治區(qū)沿海，由于海、陸下墊面的共同影響，天氣系統(tǒng)復(fù)雜多變，龍卷風(fēng)時(shí)有發(fā)生。因此，開(kāi)展核電站周邊地區(qū)龍卷風(fēng)時(shí)間分布與災(zāi)害特征研究，對(duì)合浦核電站的科學(xué)選址和安全設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源

根據(jù)核安全技術(shù)的規(guī)定[10]，本研究以合浦核電站為中心、300km范圍內(nèi)的方形區(qū)域?yàn)辇埦盹L(fēng)的考察區(qū)域，區(qū)域內(nèi)包括38個(gè)市（縣），其中，廣西壯族自治區(qū)22個(gè)，廣東省15個(gè)。龍卷風(fēng)考察年限為1962—2012年，共51年。

依據(jù)氣象災(zāi)害大典、氣象災(zāi)害年鑒、氣候影響評(píng)價(jià)、地面氣象觀測(cè)月報(bào)表、廣西氣象災(zāi)情數(shù)據(jù)庫(kù)等文獻(xiàn)資料記載，以及民政、三防等相關(guān)部門(mén)的災(zāi)情調(diào)查記錄和媒體報(bào)道，本研究收集到合浦核電站區(qū)域發(fā)生的龍卷風(fēng)事件共82次。

2.2 研究方法

根據(jù)上述收集到的龍卷風(fēng)資料，對(duì)龍卷風(fēng)出現(xiàn)的概率、時(shí)間分布、強(qiáng)度等級(jí)、破壞程度等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并依據(jù)82次龍卷風(fēng)過(guò)程的災(zāi)情記錄，采取專(zhuān)家組評(píng)級(jí)方式對(duì)龍卷風(fēng)進(jìn)行定量評(píng)級(jí)對(duì)龍卷風(fēng)進(jìn)行等級(jí)劃分。經(jīng)過(guò)來(lái)自氣象、能源、電力、環(huán)境等行業(yè)的15名專(zhuān)家對(duì)照富士達(dá)風(fēng)力等級(jí)（F等級(jí)）分類(lèi)表（表1）[6]，將龍卷風(fēng)的定性災(zāi)情描述經(jīng)過(guò)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)。

表1 龍卷風(fēng)富士達(dá)F等級(jí)對(duì)應(yīng)風(fēng)速及破壞程度

3 龍卷風(fēng)時(shí)間分布特征

3.1 年及年代際變化

近51年合浦核電站考察區(qū)域共出現(xiàn)82次龍卷風(fēng)（見(jiàn)圖1），平均每年出現(xiàn)1.6次，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；其余年份都在3次以下，其中有8個(gè)年份出現(xiàn)3次，11個(gè)年份出現(xiàn)2次，13個(gè)年份出現(xiàn)1次，15個(gè)年份沒(méi)有出現(xiàn)龍卷風(fēng)。出現(xiàn)龍卷風(fēng)的年份占總年數(shù)的70.6%，其中出現(xiàn)8次、5次、3次龍卷風(fēng)的年份分別占總年數(shù)的2.0%、5.9%和15.7%，出現(xiàn)1～2次龍卷風(fēng)的年份占47.1%，沒(méi)有出現(xiàn)龍卷風(fēng)的年份占29.4%。

圖1 核電站考察區(qū)域龍卷風(fēng)次數(shù)的逐年變化(橫線為平均值)

龍卷風(fēng)年代際變化較明顯（表2、圖2），龍卷風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)最多的是上世紀(jì)80年代，次多是21世紀(jì)頭10年，分別為28次和26次，各占龍卷風(fēng)總次數(shù)的34.1%和31.7%；上世紀(jì)70年代、90年代龍卷風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)分別為12次和8次,各占總次數(shù)的14.6%和9.8%；60年代相對(duì)較少，僅有5次，這可能與早期資料記錄不完整有關(guān)。

表2 核電站考察區(qū)域龍卷風(fēng)次數(shù)的年代際變化

圖2 核電站考察區(qū)域龍卷風(fēng)次數(shù)的年代際變化

3.2 季、月變化

從調(diào)查區(qū)域龍卷風(fēng)次數(shù)逐月變化來(lái)看（圖3），除10月份沒(méi)有龍卷風(fēng)出現(xiàn)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%，6月位居第三，占13.4%， 2月、3月、8月略少，其余月份偶有發(fā)生。

圖3 核電站考察區(qū)域龍卷風(fēng)次數(shù)逐月變化

從考察區(qū)域春、夏、秋、冬四季龍卷風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)來(lái)看（圖4），春、夏季龍卷風(fēng)較多，秋、冬季較少。其中春季最多，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%。春、夏季的龍卷風(fēng)占總數(shù)的84.1%。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4 核電站考察區(qū)域龍卷風(fēng)次數(shù)四季變化

3.3 日變化

本次考察區(qū)域內(nèi)發(fā)生的82次龍卷風(fēng)中共50次有確切記載發(fā)生的時(shí)間。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，龍卷風(fēng)絕大部分出現(xiàn)在白天07:00～20:00時(shí)之間，共出現(xiàn)37次，占總數(shù)的74.0%，其中18:00～18:59之間出現(xiàn)次數(shù)最多，為6次，其次是08:00-08:59之間和14:00～14:59之間，各出現(xiàn)了4次（圖5）。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，易發(fā)生龍卷風(fēng)。

圖5 核電站考察區(qū)域龍卷風(fēng)次數(shù)的日變化

3.4 持續(xù)時(shí)間

本次考察共有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。龍卷風(fēng)的持續(xù)時(shí)間在0～l0min、11～20min、21～30min、31～40min、41～50min、51～60min、60min以上的分別為13、9、2、5、0、1、4次（圖6），其中20min之內(nèi)的共出現(xiàn)22次，占64.7%，60min之內(nèi)共出現(xiàn)30次，占88.2%。持續(xù)時(shí)間最短的出現(xiàn)在橫縣（1981年），持續(xù)僅1min，其次是欽州（1987年），持續(xù)僅2min。

圖6 核電站考察區(qū)域龍卷風(fēng)持續(xù)時(shí)間

4 龍卷風(fēng)強(qiáng)度分析

對(duì)考察區(qū)域內(nèi)收集到的82次龍卷風(fēng)記錄采用專(zhuān)家組評(píng)級(jí)方式按照富士達(dá)F等級(jí)龍卷風(fēng)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[10]，依據(jù)物象破壞的程度（風(fēng)力僅作參考），對(duì)龍卷風(fēng)強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)。分級(jí)結(jié)果為：考察區(qū)域內(nèi)發(fā)生的82次龍卷風(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（圖7），分別占龍卷風(fēng)出現(xiàn)總次數(shù)的58.5%、25.6%、12.2% 和3.7%。

由此可見(jiàn)，近51年合浦核電站考察區(qū)域出現(xiàn)的龍卷風(fēng)風(fēng)力風(fēng)級(jí)按富士達(dá)F等級(jí)法，大多為F0、F1級(jí)。

圖7 核電站考察區(qū)域龍卷風(fēng)強(qiáng)度等級(jí)

5 最強(qiáng)龍卷風(fēng)的破壞程度

在考察區(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)，其破壞程度主要有：刮走拖拉機(jī)、刮平房屋、 打翻漁船、吹斷桅桿、人畜傷亡等（見(jiàn)表3）。

表3 最強(qiáng)龍卷風(fēng)造成的災(zāi)情

6 結(jié)論

（1）1962—2012年合浦核電站周邊地區(qū)共出現(xiàn)82次龍卷風(fēng)，平均每年1.6次，其中1981年出現(xiàn)次數(shù)多達(dá)8次，1986年、1987年、2008年各出現(xiàn)了5次，有15個(gè)年份沒(méi)有出現(xiàn)龍卷風(fēng)；80年代出現(xiàn)的龍卷風(fēng)最多，達(dá)28次，其次是21世紀(jì)00年代，為26次，60年代和90年代出現(xiàn)的龍卷風(fēng)較少，分別為5次和8次。

（2）龍卷風(fēng)主要發(fā)生在春、夏兩季，以春季最多，夏季次之，分別占全年總數(shù)的51.2%和32.9%；按月而論，4月出現(xiàn)的龍卷風(fēng)最多，約占全年總數(shù)的26.8%，其次是5月、6月，分別占全年的17.1%和13.4%。

（3）龍卷風(fēng)存在著明顯的日變化，白天比夜間多，主要集中發(fā)生在07時(shí)至20時(shí)時(shí)段，占全天龍卷風(fēng)次數(shù)的74%，其中傍晚18時(shí)段最多；龍卷風(fēng)持續(xù)時(shí)間大多為60min之內(nèi)，約占總數(shù)的88.2%；龍卷風(fēng)持續(xù)時(shí)間最短僅為1min。

（4）根據(jù)富士達(dá)F等級(jí)法，合浦核電站區(qū)域的龍卷風(fēng)可劃分為F0、F1、F2、F3四個(gè)等級(jí)，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%。

參考文獻(xiàn):

[1] 申占營(yíng). 豫東南龍卷風(fēng)時(shí)空分布和災(zāi)害特征[J]. 氣象與環(huán)境科學(xué)，2012，35(3)：71-75.

[2] 魏文秀，趙亞民. 中國(guó)龍卷風(fēng)的若干特征[J]. 氣象，1995，21(5)：36-40.

[3] 陳家宜，楊慧燕，朱玉秋，等. 龍卷風(fēng)風(fēng)災(zāi)的調(diào)查與評(píng)估[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，1999，8(4)：111-117.

[4] 欒遠(yuǎn)剛. 龍卷風(fēng)動(dòng)力源新解[J]. 科協(xié)論壇，2009(3)：87-88.

[5] 薛德強(qiáng)，李長(zhǎng)軍. 一次強(qiáng)龍卷風(fēng)過(guò)程破壞力的估計(jì)[J]. 氣象，2002，28(12)： 50-52.

[6] 陳正洪，劉來(lái)林. 核電站周邊地區(qū)龍卷風(fēng)時(shí)間分布與災(zāi)害特征[J]. 暴雨災(zāi)害，2008，27(1)：78-82.

[7] 陳正洪，劉來(lái)林，袁業(yè)暢. 湖北大畈核電站周邊地區(qū)龍卷風(fēng)參數(shù)的計(jì)算與分析[J]. 南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，32(2)：333-337.

[8] 周濤，王澤平. 中國(guó)核電站節(jié)能減排問(wèn)題研究[J] . 節(jié)能，2009，(8)：6-8.

[9] 馬德栗，陳正洪，靳寧，等. 湖北浠水核電站周邊地區(qū)龍卷風(fēng)特征[J]. 氣象科技，2011，39(4)：520-524.

[10] 國(guó)家安全局政策法規(guī)處. 核電廠廠址選擇的極端氣象事件(HAFl01/10)附錄Ⅵ//核電廠安全導(dǎo)則匯編[M]. 北京：中國(guó)法制出版社，1992.

[11] 李拽英，光東華.一次龍卷風(fēng)的調(diào)查與分析[J] . 山西氣象，1996(2)：34-37.

[12] Clark M R. The southern England tornadoes of 30 December 2006:Case study of a tornadic storm in a low CAPE, high shear environment[J]. Atmospheric Research,2008, 93(1): 50-65.

[13] Sengupta A, Haan F L, Sarkar P P, et al. Transient loads on buildings in microburst and tornado wind[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics,2008,96(10-11):2173-2187.

[14] Amecican National Standards Institute.American national standard for estimate ork: ANSI/ANS-2.3,1983.

[15] MacGorman D R, Burgess D W. Positive cloud ground lightning in tornadic storms and hailstorms[J]. Mon Wea Rev,1994,122(8):1671-1679.

[16] 張軍. 河北淶水的一次龍卷風(fēng)[J]. 氣象，1981，83(11)：32.

* 基金項(xiàng)目：廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015GXNSFBA139189）。