顧裕兵,趙 鑫,黃君寶,趙亦明

(1.浙江省電力設(shè)計院,浙江 杭州 310027;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;3.秦山核電公司,浙江 海鹽 314300)

1 問題的提出

隨著世界能源形勢的日益緊張,石油、天然氣、煤等自然礦物資源可開采儲量的減少和環(huán)境保護的要求,我國電力行業(yè)原料緊張已經(jīng)成為一個普遍問題[1],因此,建設(shè)或擴建核電廠成為緩解電力緊張的一個發(fā)展方向。目前我國絕大部分核電廠廠址 (包括已建、在建和擬建的)位于沿海地區(qū),屬于濱海核電廠范疇[2],受到熱帶氣旋的影響。在熱帶氣旋強迫力場的作用下,沿岸海水產(chǎn)生堆集或流散,從而導(dǎo)致水位的異常升高或者降低,甚至引起潮水漫溢、海水倒灌等現(xiàn)象。對影響核電廠區(qū)域的熱帶氣旋進行特征分析,確定可能最大熱帶氣旋的有關(guān)參數(shù),是濱海核電廠設(shè)計中一項必須要進行的工作。

秦山核電廠位于杭州灣海域的北岸 (見圖1)。在我國東部沿海江、浙、滬、閩、臺五省登陸的較強熱帶氣旋一般會對杭州灣一帶造成影響[3],每年僅登陸并可能影響杭州灣海域的臺風(fēng)就有4個。并且杭州灣面臨廣闊的東海大陸架,來自西北太平洋的熱帶氣旋可充分發(fā)展,極易形成強臺風(fēng)和超強臺風(fēng)。周小珊等[4]的研究表明,在所有我國登陸的臺風(fēng)中,北緯28～30°登陸的臺風(fēng),其中心平均氣壓最低,30～32°次之,如建國后登陸我國的最強的2個超強臺風(fēng):1956年12號臺風(fēng)和2006年8號臺風(fēng)均在該區(qū)域內(nèi)登陸,而秦山核電廠幾乎位于這一區(qū)域的中心。綜上所述,鑒于熱帶氣旋對該區(qū)域的影響,在秦山核電廠設(shè)計前進行可能最大熱帶氣旋的分析計算工作是極其重要的。

圖1 秦山核電廠位置圖

2 影響秦山核電海域的熱帶氣旋特征

本文選取以核電廠為中心,以300,350,400 km為半徑的3個范圍,其不同范圍見圖3。以400 km范圍為例,該范圍南至福建寧德,北達江蘇連云港,涵蓋了浙江、上海全境、江蘇大部和福建北部?？梢罁?jù)的資料序列連續(xù)長達58 a[5-8],基本滿足核電廠安全導(dǎo)則要求,也可滿足工程應(yīng)用或理論分析的需要。此外,還收集了美國25 a(1950—1974年)西北太平洋上飛機探測臺風(fēng)的173個樣本的有關(guān)參數(shù)。

2.1 影響秦山核電廠熱帶氣旋的年代際和季節(jié)變化

以熱帶氣旋進入400 km研究范圍為標準進行統(tǒng)計,結(jié)果見圖2,統(tǒng)計表明,1949—2006年的58 a中影響秦山核電廠區(qū)域的熱帶氣旋共有114個,其中登陸85個,包括22個在臺灣登陸后又在福建登陸的熱帶氣旋,從次數(shù)看年際變化較大,如影響熱帶氣旋1 a出現(xiàn)最多的為5個,出現(xiàn)在1985年和2000年,而登陸熱帶氣旋最多為4個,共有3個年份出現(xiàn)這種情況,另外在多個年份,則沒有發(fā)生影響熱帶氣旋。

圖2 研究范圍內(nèi)影響臺風(fēng)及登陸臺風(fēng)年頻數(shù)圖

58 a中對秦山海域有影響的熱帶氣旋按旬分布次數(shù)統(tǒng)計表明(見表2),熱帶氣旋最早出現(xiàn)在5月中旬,最遲在11月下旬,以7、8、9三個月最為集中,占總數(shù)的88%,而登陸熱帶氣旋占總數(shù)的86%。

表1 1949—2006年影響秦山核電廠熱帶風(fēng)暴次數(shù)(含登陸熱帶氣旋次數(shù))表

2.2 影響秦山核電廠熱帶氣旋的路徑分類

進入影響范圍內(nèi)的熱帶氣旋可分為9種路徑類型(見圖3和表3),以珠江口到廈門之間登陸后轉(zhuǎn)向東北再出海遠去的類型 (類型5)和浙江沿海登陸后轉(zhuǎn)向東北再出海的類型(類型1)最多,均占總數(shù)的18%,平均0.34個/a;其次熱帶氣旋在浙江沿海登陸以后西行(或北上)并在內(nèi)陸消亡類型 (類型2)和經(jīng)過(東海)西北區(qū)海上轉(zhuǎn)向的類型 (類型8)也較多,分別占總數(shù)的16%和13%?？梢?影響熱帶氣旋分類中,占比例較大的均為登陸類型。

圖3 熱帶氣旋分類圖

表2 影響秦山核電廠各類型臺風(fēng)分布統(tǒng)計表

2.3 影響秦山核電廠熱帶氣旋強度

按照熱帶氣旋的分級標準[9],對1949—2006年實測熱帶氣旋資料進行統(tǒng)計分析,可得到結(jié)論如下:

(1)熱帶氣旋生命史過程。分析熱帶氣旋生命史上最大風(fēng)速,在114個影響熱帶氣旋中,各等級熱帶氣旋分布見表3,由表中數(shù)據(jù)可見,影響熱帶氣旋中臺風(fēng)級以上的占總數(shù)的75%,可見秦山核電影響氣旋強度之強。

表3 影響熱帶氣旋各類型分布表

(2)進入影響區(qū)后強度。進一步分析影響熱帶氣旋進入400 km范圍后的最大風(fēng)速,結(jié)果列于表4,從表中結(jié)果可見,熱帶氣旋進入影響范圍后,由于熱帶氣旋的填塞效應(yīng),大多數(shù)氣旋風(fēng)速有所減小,從而氣降低了旋等級,如超強臺風(fēng)由原來的34個減少到了5個,消亡的臺風(fēng)達到9個,這主要是由于臺風(fēng)到近岸或登陸后,失去了海面能量的補充,而原有能量逐漸消耗,因此中心氣壓上升、風(fēng)速減小,等級降低甚至消亡。

表4 影響熱帶氣旋進入影響范圍后各類型分布表

(3)影響熱帶氣旋特征值。所有影響熱帶氣旋中過程中心氣壓最低的是1983年10號臺風(fēng)為876 hPa,當時最大風(fēng)速為75 m/s,該熱帶氣旋屬第8類即西北轉(zhuǎn)向型臺風(fēng),其次為1969年11號臺風(fēng),過程最低中心氣壓為888 hPa,對應(yīng)最大風(fēng)速為85 m/s,進入400 km影響范圍后中心氣壓最低是2006年8號臺風(fēng)為920 hPa,對應(yīng)最大風(fēng)速60 m/s,其次為1956年12號臺風(fēng)為921 hPa,對應(yīng)風(fēng)速90m/s。需要說明的是,風(fēng)速統(tǒng)計中早期的一些實測數(shù)據(jù)(特別是20世紀80年代以前)所示風(fēng)速值均較大,可能與當時采用風(fēng)壓板測量風(fēng)速值有關(guān),近年來普遍采用新型自動測風(fēng)儀后,所測得的風(fēng)速值相對較小,如2006年8號臺風(fēng)和1956年12號臺風(fēng)登陸前中心氣壓均為920 hPa左右,但2006年8號臺風(fēng)最大風(fēng)速僅為60 m/s,而1956年12號臺風(fēng)最大風(fēng)速為90m/s。

(4)影響秦山核電廠海域典型臺風(fēng)。1956年12號臺風(fēng)登陸浙江象山時,核電廠最近的水文站澉浦最大增水為5.02 m,附近的乍浦、金山咀、海鹽、尖山等站增水均超過2 m,該臺風(fēng)正值天文大潮期間,致使浙江各地死傷2萬余人。1974年13號臺風(fēng)于8月18日登陸浙江椒江市三門縣,澉浦站最大增水2.56 m,尖山2.24 m,乍浦2.09 m。該臺風(fēng)引起的特大風(fēng)暴潮波及三省一市 (浙江省、江蘇省、福建省及上海市),受災(zāi)最嚴重的地區(qū)為長江口、杭州灣沿岸,死亡137人,傷5人,直接經(jīng)濟損失3億多元。1997年11號臺風(fēng)于8月18日21時30分在浙江省溫嶺市沿海登陸,臺風(fēng)登陸后繼續(xù)向西北偏西方向移動,19日7時中心位置位于杭州市淳安縣,澉浦站增水1.64 m,造成高潮位6.56 m,潮位至2007年仍為歷史最高潮位。

3 影響秦山核電海域的可能最大熱帶氣旋計算

按 《核安全可能最大熱帶氣旋》的要求,需確定的可能最大熱帶氣旋參數(shù)為以下6個:最低中心氣壓(P0)、氣旋邊緣氣壓(Pw)、移動速度 (T)、最大風(fēng)速半徑(R)、熱帶氣旋的運動方向(θ)和地面氣流的流入角 (φ),此外,由于秦山核電站廠址處于杭州灣內(nèi),還需計算氣旋登陸前 (或經(jīng)過舟山群島)氣壓回升值和登陸后氣壓回升值。

3.1 最低中心氣壓P0

按年份統(tǒng)計58 a中進入影響范圍后的熱帶氣旋年最低中心氣壓,并按位置標示,結(jié)果表明:廠址周邊200 km半徑范圍內(nèi)年最低中心氣壓樣本有9個,200～300 km范圍內(nèi)有31個,300～350 km范圍內(nèi)有 8個,350～400 km范圍內(nèi)有4個(其中3個為第9類,即西北轉(zhuǎn)向)?？梢?取350 km范圍為研究對象較符合實際情況;對于沒有熱帶氣旋經(jīng)過該區(qū)域范圍的年份,年最低中心氣壓以該年份嵊泗、嵊山、普陀及石浦4站7—9月平均海平面氣壓代替,如此構(gòu)成完整的估算熱帶氣旋最低中心氣壓重現(xiàn)期的樣本序列。文獻 [10]中所推薦的計算方法為耿貝爾法,但課題組對浙江登陸臺風(fēng)的的P0適線研究表明,PⅢ型頻率曲線也適合于本區(qū)域熱帶氣旋P0的重現(xiàn)期計算。因此分別采用耿貝爾型和PⅢ型分布對上述樣本序列進行了頻率分析與擬合標準差的計算,結(jié)果列于表5和圖4。

表5 1 000 a一遇最低中心氣壓的計算結(jié)果表

圖4a 耿貝爾曲線圖

圖 4b PⅢ型曲線圖

從圖4可知,耿貝爾頻率分析曲線和PⅢ頻率分析曲線都擬合較好,但PⅢ頻率分析曲線的擬合標準差要比耿貝爾頻率分析曲線略小,且其Cv與Cs值及其比值均能滿足計算要求,因采用PⅢ頻率分析的結(jié)果,取892 hPa為1 000 a一遇的熱帶氣旋中心氣壓。

3.2 氣旋邊緣氣壓Pw

氣旋邊緣氣壓(Pw)可定義為氣旋外緣上的海面平均大氣壓,根據(jù)文獻 [9]的規(guī)定,Pw應(yīng)以氣旋中心到無氣旋處東、西、南、北、4個方向等壓線曲率變化點上的平均海面氣壓進行計算。每個氣旋的Pw也可從有關(guān)天氣圖、表上的數(shù)據(jù)摘出,由此獲得區(qū)域氣旋Pw的數(shù)據(jù)組,一般可直接取數(shù)據(jù)組的平均值作為最終的Pw值。

采用東海沿岸13個站多年平均氣壓作為氣旋邊緣氣壓(Pw)。13個站的多年平均氣壓可見表6,故本報告氣旋邊緣氣壓Pw取值為1 010 hPa。

表6 沿海各站多年平均氣壓的統(tǒng)計 hPa

3.3 氣旋移動速度T

對于給定的熱帶氣旋而言,其移動速度(T)通常是由其路徑軌跡上觀察點之間的時間和距離來確定的。俞燎霓等[11]對在浙江登陸的35個熱帶氣旋的移動速度統(tǒng)計表明:雖然登陸前移速增加的熱帶氣旋約占總數(shù)的1/2,但總體而言,在登陸前24 h,熱帶氣旋有強度越弱移速越快和強度越強移速越慢的趨勢,但也有些熱帶氣旋并無這種關(guān)系。

設(shè)計的可能最大熱帶氣旋應(yīng)屬其中臺風(fēng)以上強度等級,因此對通過廠址周邊350 km半徑范圍內(nèi)、臺風(fēng)以上強度等級熱帶氣旋統(tǒng)計得到的平均移速為22.6 km/h。

但氣旋移動速度值快慢及其變化對廠址增水并非線性關(guān)系,王喜年[12]對166場假想臺風(fēng)引起的逐時風(fēng)暴潮計算表明:對于垂直海岸登陸型臺風(fēng)而言,移速越快,矢量風(fēng)暴訂正因子越大,即增水越高,但隨著移速增快,訂正因子增長變緩,應(yīng)有一個極值,計算還表明,移速慢時,最大風(fēng)暴潮發(fā)生在登陸前,移速快時,發(fā)生在登陸后或登陸時,同時,對平行海岸移動的風(fēng)暴引起的風(fēng)暴潮計算表明,對離岸較遠距離上 (100 km)緩慢移動的風(fēng)暴能產(chǎn)生較高的風(fēng)暴潮,而在靠近岸時,迅速移動的風(fēng)暴潮能引起較高的風(fēng)暴潮。

可見,對秦山核山海域氣旋移動速度的計算,需要在統(tǒng)計的基礎(chǔ)上采用風(fēng)場模型結(jié)合水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型計算的方式進行最終確定,本文作者采用國際通用模型MIKE21計算結(jié)果表明,氣旋移動速度為24.0 km/h時,廠址處增水最大,因此本次氣旋移動速度取為24.0 km/h。

3.4 氣旋登陸氣壓回升值和登陸后氣壓回升值△P

經(jīng)統(tǒng)計,在所有強臺風(fēng)以上的51個熱帶氣旋中,進入350 km影響范圍前后氣壓未抬升的僅有5個(1979年9號、1990年15號、2004年14號、2005年9號和2005年15號臺風(fēng)),而最低中心氣壓出現(xiàn)在登陸后的僅2004年14號臺風(fēng)1個(登陸后1 h為950 hPa,與登陸前相同),因此,在可能最大熱帶氣旋計算中如假定沿程中心氣壓不變是不符合實際情況的,文獻的結(jié)論亦支持這一觀點。統(tǒng)計結(jié)果同時表明:強度等級較高的熱帶氣旋的過程最低中心氣壓一般都在外海出現(xiàn),近岸或登陸前氣壓回升,但隨當時大氣環(huán)境與下墊面的狀況不同,回升值亦有所不同。

可能最大熱帶氣旋的強度等級應(yīng)屬于強臺風(fēng)或以上,故統(tǒng)計所有通過廠址周邊350 km半徑范圍內(nèi)(不含2次登陸)的各個強臺風(fēng)、超強臺風(fēng)中心的最低氣壓至其登陸時的氣壓回升值,得其平均值為6 hPa。

為了進一步求得登陸后的氣壓回升值,作者還統(tǒng)計了上述熱帶氣旋在登陸后6 h的氣壓回升值,其平均值為15 hPa。

3.5 最大風(fēng)速半徑R

最大風(fēng)速半徑R對PMSS的計算是一個非常重要的參數(shù),王喜年等[12-13]等研究表明:對于近乎于垂直登陸臺風(fēng),最大風(fēng)暴潮發(fā)生在登陸點右方約等于最大風(fēng)速半徑的距離上,盡管其發(fā)生位置會隨相對海岸的臺風(fēng)矢量運動以及登陸點附近局地海底地形與岸線變化而變化,但這種變化一般并不大。從目前的研究情況看,R可以通過以下4種方法比較后確定:

(1)統(tǒng)計美國25 a中 (1950—1974年)西北太平洋飛機探測臺風(fēng)中173個有關(guān)的參數(shù)樣本資料,從而求得這些熱帶氣旋最大風(fēng)速半徑的平均值為25.9 km。

(2)格雷等人[14]對美國東海岸和北太平洋西部的熱帶氣旋研究表明:氣旋越強,R值越小這一規(guī)律在這2個地區(qū)具有典型性,對秦山核電影響熱帶氣旋的統(tǒng)計表明,對于中心氣壓低于920 hPa的強臺風(fēng)和超強臺風(fēng),其最大風(fēng)速半徑相對中心氣壓較高的熱帶氣旋為小。將中心氣壓小于920 hPa的 25個熱帶氣旋的按890～900,900～910,910～920 hPa 3個區(qū)間進行統(tǒng)計,各區(qū)間的最大風(fēng)速半徑平均值為26.5,28.5,27.5 km。3個值變化幅度不大,以氣壓接近中心氣壓選用值892 hPa所對應(yīng)的值,可選定R為26.5 km。

(3)Vickery[15]Aberson[16],Kwok Fai Cheung[17]等在計算R時使用了分析美國國家氣象局西北太平洋臺風(fēng)資料后得到的公式:

式中,φ為臺風(fēng)中心所在緯度,△P為氣壓下降。

采用上一節(jié)計算的△P,計算本海域熱帶氣旋的最大風(fēng)速半徑的R為24.5 km。

(4)美國在計算可能最大颶風(fēng) (PMH)[10]中,與秦山核電廠同緯度的佛羅里達州的最大風(fēng)速半徑,取值范圍允許為10～40 km,中值為25 km。

以上4種方法獲得的結(jié)果分別為 25.9,26.5,24.5,25.0km,結(jié)果較接近,可取其中間值作為可能最大熱帶氣旋的最大風(fēng)速半徑。

3.6 熱帶氣旋的運動方向θ和地面氣流的流入角φ

3.6.1 運動方向

統(tǒng)計1949—2006年間形成局部沿海地區(qū)超高潮位的17場超強臺風(fēng)和強臺風(fēng)登陸前沿其運行軌跡的移動方向θ,得出結(jié)果如下:

(1)對于超強臺風(fēng),其登陸前的移向θ介于300～10°(從正北按順時針方向測量的度數(shù)),而其中67%的移向介于 305～ 320°。

(2)對于強臺風(fēng),其登陸前移向 θ介于 280～0°,其中62%的移向θ介于315～330°。

可見,強臺風(fēng)及以上的熱帶氣旋在登陸前的移向基本一致。浙東沿海 (從寧波穿山至蒼南霞關(guān))總體上呈NNE-SSW(30～210°)走向,可見超強臺風(fēng)和強臺風(fēng)登陸前其移向多與海岸基本正交,這也是浙東沿海易發(fā)生特大潮災(zāi)的重要原因之一。廠址所在杭州灣海域灣口至灣底基本呈東-西走向,灣口朝向正東,由舟山群島與東海相通,整體呈喇叭口形,許多研究表明,該地形有利于潮波在傳播過程中變形,從而造成超高潮位。

基于上述氣候統(tǒng)計和自然地理環(huán)境的認識,可以判斷:就浙東沿海而言,θ可取值為315°左右 (±5°);對于廠址所在的杭州灣水域而言,θ可取為270°。

由于參數(shù)θ的分析實質(zhì)上仍涉及到熱帶氣旋的移行路徑問題,顯然θ的最終取值還需通過數(shù)學(xué)模型對于極端氣旋路徑,移向的試驗予以檢驗并最終確認。

3.6.2 流入角φ

本文則依據(jù)文獻 [10]中諾模曲線的關(guān)系,以 R=25 km為條件進行查算,得出結(jié)果如下:當r在0～R之間變化時,流入角 φ的變化介于0～23°;此后,當r介于 25～130 km時,φ可在18～23°中取值,與已有成果基本一致。該數(shù)也需要在風(fēng)場數(shù)學(xué)模型中通過對風(fēng)速風(fēng)向觀測值的驗證最終確定。

4 結(jié)果與討論

(1)1949—2006年共58 a中影響秦山核電廠址的熱帶氣旋共114個,其中登陸85個,基本出現(xiàn)在7—9月份;將影響秦山核電廠址的熱帶氣旋分為9類,其中第1、2、5類占比最高,合計達52%,影響熱帶氣旋中75%為臺風(fēng)級以上,而進入影響范圍后氣旋強度基本上有所降低,過程中心氣壓最低的是1983年10號臺風(fēng)為8766hPa,進入影響范圍后中心最低氣壓的是2006年8號臺風(fēng)為920 hPa。

(2)綜合可能最大熱帶氣旋參數(shù)的計算與分析過程,對影響廠址海域的可能最大熱帶氣旋各項參數(shù)的設(shè)計值推薦如下:最低中心氣壓P0為892 hPa(以PⅢ型分布1 000 a一遇值考慮);氣旋邊緣氣壓 Pw為1 010 hPa;登陸時中心氣壓回升值為6 hPa,登陸后6 h中心氣壓回升值為15 hPa;登陸時中心與邊緣氣壓差△P為112 hPa;氣旋移速為24.0 km/h;氣旋運動方向為270°;流入角取0～23°。

(3)熱帶氣旋的運動方向θ和地面氣流的流入角φ的計算要涉及到熱帶氣旋的移動路徑問題,因此,θ和φ的最終取值還需通過數(shù)學(xué)模型對于極端氣旋路徑,移向的試驗,風(fēng)速風(fēng)向觀測值的驗證最終確定,而且熱帶氣旋運動過程中引起的風(fēng)暴潮位與各參數(shù)并非簡單線性關(guān)系,其他參數(shù)的確定也需要與水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型相結(jié)合最終確定。

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