影响秦山核电厂热带气旋特征及核安全可能最大热带气旋参数设计值计算

顾裕兵,赵 鑫,黄君宝,赵亦明

(1.浙江省电力设计院,浙江 杭州 310027;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;3.秦山核电公司,浙江 海盐 314300)

1 问题的提出

随着世界能源形势的日益紧张,石油、天然气、煤等自然矿物资源可开采储量的减少和环境保护的要求,我国电力行业原料紧张已经成为一个普遍问题[1],因此,建设或扩建核电厂成为缓解电力紧张的一个发展方向。目前我国绝大部分核电厂厂址 (包括已建、在建和拟建的)位于沿海地区,属于滨海核电厂范畴[2],受到热带气旋的影响。在热带气旋强迫力场的作用下,沿岸海水产生堆集或流散,从而导致水位的异常升高或者降低,甚至引起潮水漫溢、海水倒灌等现象。对影响核电厂区域的热带气旋进行特征分析,确定可能最大热带气旋的有关参数,是滨海核电厂设计中一项必须要进行的工作。

秦山核电厂位于杭州湾海域的北岸 (见图1)。在我国东部沿海江、浙、沪、闽、台五省登陆的较强热带气旋一般会对杭州湾一带造成影响[3],每年仅登陆并可能影响杭州湾海域的台风就有4个。并且杭州湾面临广阔的东海大陆架,来自西北太平洋的热带气旋可充分发展,极易形成强台风和超强台风。周小珊等[4]的研究表明,在所有我国登陆的台风中,北纬28～30°登陆的台风,其中心平均气压最低,30～32°次之,如建国后登陆我国的最强的2个超强台风:1956年12号台风和2006年8号台风均在该区域内登陆,而秦山核电厂几乎位于这一区域的中心。综上所述,鉴于热带气旋对该区域的影响,在秦山核电厂设计前进行可能最大热带气旋的分析计算工作是极其重要的。

图1 秦山核电厂位置图

2 影响秦山核电海域的热带气旋特征

本文选取以核电厂为中心,以300,350,400 km为半径的3个范围,其不同范围见图3。以400 km范围为例,该范围南至福建宁德,北达江苏连云港,涵盖了浙江、上海全境、江苏大部和福建北部。可依据的资料序列连续长达58 a[5-8],基本满足核电厂安全导则要求,也可满足工程应用或理论分析的需要。此外,还收集了美国25 a(1950—1974年)西北太平洋上飞机探测台风的173个样本的有关参数。

2.1 影响秦山核电厂热带气旋的年代际和季节变化

以热带气旋进入400 km研究范围为标准进行统计,结果见图2,统计表明,1949—2006年的58 a中影响秦山核电厂区域的热带气旋共有114个,其中登陆85个,包括22个在台湾登陆后又在福建登陆的热带气旋,从次数看年际变化较大,如影响热带气旋1 a出现最多的为5个,出现在1985年和2000年,而登陆热带气旋最多为4个,共有3个年份出现这种情况,另外在多个年份,则没有发生影响热带气旋。

图2 研究范围内影响台风及登陆台风年频数图

58 a中对秦山海域有影响的热带气旋按旬分布次数统计表明(见表2),热带气旋最早出现在5月中旬,最迟在11月下旬,以7、8、9三个月最为集中,占总数的88%,而登陆热带气旋占总数的86%。

表1 1949—2006年影响秦山核电厂热带风暴次数(含登陆热带气旋次数)表

2.2 影响秦山核电厂热带气旋的路径分类

进入影响范围内的热带气旋可分为9种路径类型(见图3和表3),以珠江口到厦门之间登陆后转向东北再出海远去的类型 (类型5)和浙江沿海登陆后转向东北再出海的类型(类型1)最多,均占总数的18%,平均0.34个/a;其次热带气旋在浙江沿海登陆以后西行(或北上)并在内陆消亡类型 (类型2)和经过(东海)西北区海上转向的类型 (类型8)也较多,分别占总数的16%和13%。可见,影响热带气旋分类中,占比例较大的均为登陆类型。

图3 热带气旋分类图

表2 影响秦山核电厂各类型台风分布统计表

2.3 影响秦山核电厂热带气旋强度

按照热带气旋的分级标准[9],对1949—2006年实测热带气旋资料进行统计分析,可得到结论如下:

(1)热带气旋生命史过程。分析热带气旋生命史上最大风速,在114个影响热带气旋中,各等级热带气旋分布见表3,由表中数据可见,影响热带气旋中台风级以上的占总数的75%,可见秦山核电影响气旋强度之强。

表3 影响热带气旋各类型分布表

(2)进入影响区后强度。进一步分析影响热带气旋进入400 km范围后的最大风速,结果列于表4,从表中结果可见,热带气旋进入影响范围后,由于热带气旋的填塞效应,大多数气旋风速有所减小,从而气降低了旋等级,如超强台风由原来的34个减少到了5个,消亡的台风达到9个,这主要是由于台风到近岸或登陆后,失去了海面能量的补充,而原有能量逐渐消耗,因此中心气压上升、风速减小,等级降低甚至消亡。

表4 影响热带气旋进入影响范围后各类型分布表

(3)影响热带气旋特征值。所有影响热带气旋中过程中心气压最低的是1983年10号台风为876 hPa,当时最大风速为75 m/s,该热带气旋属第8类即西北转向型台风,其次为1969年11号台风,过程最低中心气压为888 hPa,对应最大风速为85 m/s,进入400 km影响范围后中心气压最低是2006年8号台风为920 hPa,对应最大风速60 m/s,其次为1956年12号台风为921 hPa,对应风速90m/s。需要说明的是,风速统计中早期的一些实测数据(特别是20世纪80年代以前)所示风速值均较大,可能与当时采用风压板测量风速值有关,近年来普遍采用新型自动测风仪后,所测得的风速值相对较小,如2006年8号台风和1956年12号台风登陆前中心气压均为920 hPa左右,但2006年8号台风最大风速仅为60 m/s,而1956年12号台风最大风速为90m/s。

(4)影响秦山核电厂海域典型台风。1956年12号台风登陆浙江象山时,核电厂最近的水文站澉浦最大增水为5.02 m,附近的乍浦、金山咀、海盐、尖山等站增水均超过2 m,该台风正值天文大潮期间,致使浙江各地死伤2万余人。1974年13号台风于8月18日登陆浙江椒江市三门县,澉浦站最大增水2.56 m,尖山2.24 m,乍浦2.09 m。该台风引起的特大风暴潮波及三省一市 (浙江省、江苏省、福建省及上海市),受灾最严重的地区为长江口、杭州湾沿岸,死亡137人,伤5人,直接经济损失3亿多元。1997年11号台风于8月18日21时30分在浙江省温岭市沿海登陆,台风登陆后继续向西北偏西方向移动,19日7时中心位置位于杭州市淳安县,澉浦站增水1.64 m,造成高潮位6.56 m,潮位至2007年仍为历史最高潮位。

3 影响秦山核电海域的可能最大热带气旋计算

按 《核安全可能最大热带气旋》的要求,需确定的可能最大热带气旋参数为以下6个:最低中心气压(P0)、气旋边缘气压(Pw)、移动速度 (T)、最大风速半径(R)、热带气旋的运动方向(θ)和地面气流的流入角 (φ),此外,由于秦山核电站厂址处于杭州湾内,还需计算气旋登陆前 (或经过舟山群岛)气压回升值和登陆后气压回升值。

3.1 最低中心气压P0

按年份统计58 a中进入影响范围后的热带气旋年最低中心气压,并按位置标示,结果表明:厂址周边200 km半径范围内年最低中心气压样本有9个,200～300 km范围内有31个,300～350 km范围内有 8个,350～400 km范围内有4个(其中3个为第9类,即西北转向)。可见,取350 km范围为研究对象较符合实际情况;对于没有热带气旋经过该区域范围的年份,年最低中心气压以该年份嵊泗、嵊山、普陀及石浦4站7—9月平均海平面气压代替,如此构成完整的估算热带气旋最低中心气压重现期的样本序列。文献 [10]中所推荐的计算方法为耿贝尔法,但课题组对浙江登陆台风的的P0适线研究表明,PⅢ型频率曲线也适合于本区域热带气旋P0的重现期计算。因此分别采用耿贝尔型和PⅢ型分布对上述样本序列进行了频率分析与拟合标准差的计算,结果列于表5和图4。

表5 1 000 a一遇最低中心气压的计算结果表

图4a 耿贝尔曲线图

图 4b PⅢ型曲线图

从图4可知,耿贝尔频率分析曲线和PⅢ频率分析曲线都拟合较好,但PⅢ频率分析曲线的拟合标准差要比耿贝尔频率分析曲线略小,且其Cv与Cs值及其比值均能满足计算要求,因采用PⅢ频率分析的结果,取892 hPa为1 000 a一遇的热带气旋中心气压。

3.2 气旋边缘气压Pw

气旋边缘气压(Pw)可定义为气旋外缘上的海面平均大气压,根据文献 [9]的规定,Pw应以气旋中心到无气旋处东、西、南、北、4个方向等压线曲率变化点上的平均海面气压进行计算。每个气旋的Pw也可从有关天气图、表上的数据摘出,由此获得区域气旋Pw的数据组,一般可直接取数据组的平均值作为最终的Pw值。

采用东海沿岸13个站多年平均气压作为气旋边缘气压(Pw)。13个站的多年平均气压可见表6,故本报告气旋边缘气压Pw取值为1 010 hPa。

表6 沿海各站多年平均气压的统计 hPa

3.3 气旋移动速度T

对于给定的热带气旋而言,其移动速度(T)通常是由其路径轨迹上观察点之间的时间和距离来确定的。俞燎霓等[11]对在浙江登陆的35个热带气旋的移动速度统计表明:虽然登陆前移速增加的热带气旋约占总数的1/2,但总体而言,在登陆前24 h,热带气旋有强度越弱移速越快和强度越强移速越慢的趋势,但也有些热带气旋并无这种关系。

设计的可能最大热带气旋应属其中台风以上强度等级,因此对通过厂址周边350 km半径范围内、台风以上强度等级热带气旋统计得到的平均移速为22.6 km/h。

但气旋移动速度值快慢及其变化对厂址增水并非线性关系,王喜年[12]对166场假想台风引起的逐时风暴潮计算表明:对于垂直海岸登陆型台风而言,移速越快,矢量风暴订正因子越大,即增水越高,但随着移速增快,订正因子增长变缓,应有一个极值,计算还表明,移速慢时,最大风暴潮发生在登陆前,移速快时,发生在登陆后或登陆时,同时,对平行海岸移动的风暴引起的风暴潮计算表明,对离岸较远距离上 (100 km)缓慢移动的风暴能产生较高的风暴潮,而在靠近岸时,迅速移动的风暴潮能引起较高的风暴潮。

可见,对秦山核山海域气旋移动速度的计算,需要在统计的基础上采用风场模型结合水动力学数学模型计算的方式进行最终确定,本文作者采用国际通用模型MIKE21计算结果表明,气旋移动速度为24.0 km/h时,厂址处增水最大,因此本次气旋移动速度取为24.0 km/h。

3.4 气旋登陆气压回升值和登陆后气压回升值△P

经统计,在所有强台风以上的51个热带气旋中,进入350 km影响范围前后气压未抬升的仅有5个(1979年9号、1990年15号、2004年14号、2005年9号和2005年15号台风),而最低中心气压出现在登陆后的仅2004年14号台风1个(登陆后1 h为950 hPa,与登陆前相同),因此,在可能最大热带气旋计算中如假定沿程中心气压不变是不符合实际情况的,文献的结论亦支持这一观点。统计结果同时表明:强度等级较高的热带气旋的过程最低中心气压一般都在外海出现,近岸或登陆前气压回升,但随当时大气环境与下垫面的状况不同,回升值亦有所不同。

可能最大热带气旋的强度等级应属于强台风或以上,故统计所有通过厂址周边350 km半径范围内(不含2次登陆)的各个强台风、超强台风中心的最低气压至其登陆时的气压回升值,得其平均值为6 hPa。

为了进一步求得登陆后的气压回升值,作者还统计了上述热带气旋在登陆后6 h的气压回升值,其平均值为15 hPa。

3.5 最大风速半径R

最大风速半径R对PMSS的计算是一个非常重要的参数,王喜年等[12-13]等研究表明:对于近乎于垂直登陆台风,最大风暴潮发生在登陆点右方约等于最大风速半径的距离上,尽管其发生位置会随相对海岸的台风矢量运动以及登陆点附近局地海底地形与岸线变化而变化,但这种变化一般并不大。从目前的研究情况看,R可以通过以下4种方法比较后确定:

(1)统计美国25 a中 (1950—1974年)西北太平洋飞机探测台风中173个有关的参数样本资料,从而求得这些热带气旋最大风速半径的平均值为25.9 km。

(2)格雷等人[14]对美国东海岸和北太平洋西部的热带气旋研究表明:气旋越强,R值越小这一规律在这2个地区具有典型性,对秦山核电影响热带气旋的统计表明,对于中心气压低于920 hPa的强台风和超强台风,其最大风速半径相对中心气压较高的热带气旋为小。将中心气压小于920 hPa的 25个热带气旋的按890～900,900～910,910～920 hPa 3个区间进行统计,各区间的最大风速半径平均值为26.5,28.5,27.5 km。3个值变化幅度不大,以气压接近中心气压选用值892 hPa所对应的值,可选定R为26.5 km。

(3)Vickery[15]Aberson[16],Kwok Fai Cheung[17]等在计算R时使用了分析美国国家气象局西北太平洋台风资料后得到的公式:

式中,φ为台风中心所在纬度,△P为气压下降。

采用上一节计算的△P,计算本海域热带气旋的最大风速半径的R为24.5 km。

(4)美国在计算可能最大飓风 (PMH)[10]中,与秦山核电厂同纬度的佛罗里达州的最大风速半径,取值范围允许为10～40 km,中值为25 km。

以上4种方法获得的结果分别为 25.9,26.5,24.5,25.0km,结果较接近,可取其中间值作为可能最大热带气旋的最大风速半径。

3.6 热带气旋的运动方向θ和地面气流的流入角φ

3.6.1 运动方向

统计1949—2006年间形成局部沿海地区超高潮位的17场超强台风和强台风登陆前沿其运行轨迹的移动方向θ,得出结果如下:

(1)对于超强台风,其登陆前的移向θ介于300～10°(从正北按顺时针方向测量的度数),而其中67%的移向介于 305～ 320°。

(2)对于强台风,其登陆前移向 θ介于 280～0°,其中62%的移向θ介于315～330°。

可见,强台风及以上的热带气旋在登陆前的移向基本一致。浙东沿海 (从宁波穿山至苍南霞关)总体上呈NNE-SSW(30～210°)走向,可见超强台风和强台风登陆前其移向多与海岸基本正交,这也是浙东沿海易发生特大潮灾的重要原因之一。厂址所在杭州湾海域湾口至湾底基本呈东-西走向,湾口朝向正东,由舟山群岛与东海相通,整体呈喇叭口形,许多研究表明,该地形有利于潮波在传播过程中变形,从而造成超高潮位。

基于上述气候统计和自然地理环境的认识,可以判断:就浙东沿海而言,θ可取值为315°左右 (±5°);对于厂址所在的杭州湾水域而言,θ可取为270°。

由于参数θ的分析实质上仍涉及到热带气旋的移行路径问题,显然θ的最终取值还需通过数学模型对于极端气旋路径,移向的试验予以检验并最终确认。

3.6.2 流入角φ

本文则依据文献 [10]中诺模曲线的关系,以 R=25 km为条件进行查算,得出结果如下:当r在0～R之间变化时,流入角 φ的变化介于0～23°;此后,当r介于 25～130 km时,φ可在18～23°中取值,与已有成果基本一致。该数也需要在风场数学模型中通过对风速风向观测值的验证最终确定。

4 结果与讨论

(1)1949—2006年共58 a中影响秦山核电厂址的热带气旋共114个,其中登陆85个,基本出现在7—9月份;将影响秦山核电厂址的热带气旋分为9类,其中第1、2、5类占比最高,合计达52%,影响热带气旋中75%为台风级以上,而进入影响范围后气旋强度基本上有所降低,过程中心气压最低的是1983年10号台风为8766hPa,进入影响范围后中心最低气压的是2006年8号台风为920 hPa。

(2)综合可能最大热带气旋参数的计算与分析过程,对影响厂址海域的可能最大热带气旋各项参数的设计值推荐如下:最低中心气压P0为892 hPa(以PⅢ型分布1 000 a一遇值考虑);气旋边缘气压 Pw为1 010 hPa;登陆时中心气压回升值为6 hPa,登陆后6 h中心气压回升值为15 hPa;登陆时中心与边缘气压差△P为112 hPa;气旋移速为24.0 km/h;气旋运动方向为270°;流入角取0～23°。

(3)热带气旋的运动方向θ和地面气流的流入角φ的计算要涉及到热带气旋的移动路径问题,因此,θ和φ的最终取值还需通过数学模型对于极端气旋路径,移向的试验,风速风向观测值的验证最终确定,而且热带气旋运动过程中引起的风暴潮位与各参数并非简单线性关系,其他参数的确定也需要与水动力学数学模型相结合最终确定。

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