基于空間特性的臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估

任賀賀，柯世堂，楊 杰

(南京航空航天大學(xué)土木與機(jī)場(chǎng)工程系，南京 210016)

隨著氣候變化，臺(tái)風(fēng)發(fā)生頻次和致災(zāi)程度均呈增強(qiáng)趨勢(shì)[1?3]，沿海和海上基礎(chǔ)設(shè)施受到不同程度破壞[4?8]。臺(tái)風(fēng)造成的結(jié)構(gòu)破壞程度最初是由風(fēng)速相關(guān)變量表征，1 min 或10 min 最大持續(xù)風(fēng)速[9]、陣風(fēng)風(fēng)速[10]等。但是，研究表明，使用單一與強(qiáng)度相關(guān)的變量往往不能準(zhǔn)確表征臺(tái)風(fēng)破壞潛力[11?14]。

MAHENDRAN[11]首先指出臺(tái)風(fēng)破壞指標(biāo)應(yīng)該基于除最大持續(xù)風(fēng)速之外的變量進(jìn)行表征，并指出具體需要考慮臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑、移動(dòng)速度、中心氣壓等。已有研究除最大持續(xù)風(fēng)速之外，其他臺(tái)風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)包括累計(jì)臺(tái)風(fēng)能量[15]、臺(tái)風(fēng)外圍和內(nèi)圈強(qiáng)度[16?17]、湍動(dòng)能耗散[18]和能量[2]等?，F(xiàn)階段，考慮單因素衡量臺(tái)風(fēng)破壞潛力仍占主導(dǎo)地位。

2005 年全球發(fā)生了多次災(zāi)難性臺(tái)風(fēng)事件，尤其是針對(duì)臺(tái)風(fēng)Katrina, Saffir-Simpson(SS)風(fēng)力等級(jí)在描述風(fēng)災(zāi)害破壞潛力方面表現(xiàn)出明顯缺陷。學(xué)者進(jìn)一步研究得出，現(xiàn)有考量臺(tái)風(fēng)破壞的指標(biāo)不能夠準(zhǔn)確表征風(fēng)災(zāi)害程度。按照SS 風(fēng)力等級(jí)，在同一登陸點(diǎn)，臺(tái)風(fēng)Katrina 登陸時(shí)強(qiáng)度等級(jí)為3 級(jí)，而臺(tái)風(fēng)Camille 登陸時(shí)強(qiáng)度等級(jí)為5 級(jí)，但是臺(tái)風(fēng)Katrina 破壞程度遠(yuǎn)大于臺(tái)風(fēng)Camille[13]；同樣的情況發(fā)生在2011 年臺(tái)風(fēng)Irene 和2012 年臺(tái)風(fēng)Isaac 與Sandy 之間[19]。這引發(fā)了臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害研究由單因素向多因素考慮的轉(zhuǎn)變。

KANTHA[12]率先開展了非單因素表征風(fēng)災(zāi)害程度的探討，其考慮了臺(tái)風(fēng)尺寸并提出臺(tái)風(fēng)危害指數(shù)。POWELL 和REINHOLD[13]指出，需要同時(shí)考慮臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和尺寸特征，將單位體積內(nèi)10 m高度處動(dòng)能在整個(gè)臺(tái)風(fēng)區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行積分，提出積分動(dòng)能指標(biāo)作為臺(tái)風(fēng)破壞力表征。該方法被美國(guó)國(guó)家颶風(fēng)研究中心(NHC)實(shí)時(shí)颶風(fēng)分析系統(tǒng)采用[20]。后續(xù)相關(guān)學(xué)者也基于此方法開展了諸如積分動(dòng)能方法在實(shí)際預(yù)報(bào)應(yīng)用中置信度[21]、隨時(shí)間發(fā)展歷程積分動(dòng)能過程[19]等相關(guān)研究。IRISH 和RESIO[14]考慮臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和尺寸的同時(shí)，進(jìn)一步考慮風(fēng)暴前進(jìn)方向和角度。ZHAI 和JIANG[22]指出使用最大風(fēng)速和臺(tái)風(fēng)尺寸來表征在美國(guó)海岸登陸臺(tái)風(fēng)造成的經(jīng)濟(jì)損失要好于單獨(dú)使用二者之一。BAKKENSEN 和MENDELSOHN[23]通過近50 年全球臺(tái)風(fēng)災(zāi)害數(shù)據(jù)指出，作為指標(biāo)參數(shù)，最小中心氣壓要優(yōu)于最大風(fēng)速。與之類似，KLOTZBACH等[24]研究指出，最小中心氣壓是比最大風(fēng)速能夠更精確測(cè)量的物理量，認(rèn)為其是評(píng)估臺(tái)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)潛在損害的理想變量。PILKINGTON 和MAHMOUD[25]采用多輸入(最大風(fēng)速、最小中心氣壓、降水等)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響。WALKER 等[26]提出Kuykendall 等級(jí)，該等級(jí)將臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)暴潮高度和速度通過三維循環(huán)模型進(jìn)行建模，并與多種不同損失方法建立聯(lián)系。盡管所有這些研究中建議的變量都有特定應(yīng)用，但其中一些變量不能準(zhǔn)確表征臺(tái)風(fēng)整體風(fēng)災(zāi)害，亦或很難在實(shí)際工程中應(yīng)用。具體舉例：KANTHA[12]提出的臺(tái)風(fēng)危害指數(shù)，雖是連續(xù)量，但其是無界的，且該指標(biāo)未包含小于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的風(fēng)速；POWELL和REINHOLD[13]提出的積分動(dòng)能表征，對(duì)于尺寸小但強(qiáng)度大和尺寸大但強(qiáng)度小的臺(tái)風(fēng)仍具有挑戰(zhàn)，而且實(shí)際臺(tái)風(fēng)中不易獲得三維空間風(fēng)場(chǎng)資料。

筆者前期研究也發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)依據(jù)最大持續(xù)風(fēng)速作為臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)有一定的誤導(dǎo)性[27]，提出基于臺(tái)風(fēng)10 m 高度平均持續(xù)風(fēng)速與結(jié)構(gòu)災(zāi)害損失百分比函數(shù)關(guān)系式，作為新的臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，本文針對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害破壞潛力科學(xué)問題，綜合考慮臺(tái)風(fēng)空間特性和強(qiáng)度進(jìn)行研究。這里需要說明的是，臺(tái)風(fēng)災(zāi)害涉及風(fēng)、風(fēng)暴潮、降雨、洪水和波浪等[28]，本文僅限于結(jié)構(gòu)風(fēng)災(zāi)害部分。

1 數(shù)值模擬方法及算例

基于可能生成臺(tái)風(fēng)的海表溫度范圍，本文開展4 種不同海表溫度(sea surface temperature, SST)工況臺(tái)風(fēng)模擬研究，分別為26℃、27℃、28℃和29℃，即SST-26、SST-27、SST-28 和SST-29。臺(tái)風(fēng)數(shù)值模擬采用WRF-LES 方法[29]，進(jìn)行6 層雙向嵌套模擬。為了分析不同嵌套層模擬結(jié)果的差異性，本文還對(duì)各外層區(qū)域進(jìn)行了無嵌套模擬；因此，不同嵌套層結(jié)果相互獨(dú)立。各嵌套層區(qū)域具體為D01、D02、D03、D04、D05 和D06，最外層區(qū)域D01 水平網(wǎng)格尺度為15 km，以1∶3 比例向內(nèi)層嵌套，最內(nèi)層區(qū)域D06 水平網(wǎng)格尺度約為62 m；各嵌套層豎向網(wǎng)格數(shù)均為87 層，具體見圖1。D01～D03 采用行星邊界層方案，這是因?yàn)樗骄W(wǎng)格尺度遠(yuǎn)大于豎向網(wǎng)格尺度，動(dòng)量通量的水平成分和豎向成分應(yīng)分開考慮；D04～D06 采用三維大渦模擬方案，此時(shí)水平網(wǎng)格尺度與豎向網(wǎng)格尺度相當(dāng)，湍流具有三維各向同性特性。具體模擬參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 WRF 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置Table 1 WRF numerical simulation parameter setting

圖1 各嵌套層劃分示意圖及區(qū)域面積 /kmFig. 1 Each nesting domain schematic diagram and area

WRF-LES 模擬基本物理參數(shù)化方案設(shè)置為：行星邊界層方案采用YSU 方案[30]；微物理方案采用WSM6 方案[31]；表層參數(shù)化方案為修正的MM5 Monin-Obukhov 方案[32]；模型中熱力學(xué)狀態(tài)通過在熱力學(xué)方程中加入一項(xiàng)時(shí)間常數(shù)松弛項(xiàng)來維持；同時(shí)，大氣長(zhǎng)波、短波輻射也利用松弛項(xiàng)進(jìn)行表征[27,33]。另外，Donelan 摩擦阻力方法與恒定焓粗糙度長(zhǎng)度之和被用來表示海氣熱交換和動(dòng)量交換[34]。需要注意的是，本文研究以方法為主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，具體到陸上或者不同海陸比情況該方法均適用，但是陸上情況會(huì)更復(fù)雜些[35?37]，將開展進(jìn)一步研究。

模擬初始速度場(chǎng)為熱帶風(fēng)暴型軸對(duì)稱渦旋，模型最低層最大風(fēng)速為15 m/s，最大風(fēng)速半徑為82.5 km，零風(fēng)速半徑為412.5 km[38]。假定科里奧利參數(shù)在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)均勻分布，選取緯度為20°，對(duì)應(yīng)Coriolis 系數(shù)為5×10?5s?1。

2 風(fēng)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子

根據(jù)不同沿海地域建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)等級(jí)和地區(qū)發(fā)展程度，前期研究中基于平均持續(xù)風(fēng)速與結(jié)構(gòu)災(zāi)害損失百分比之間函數(shù)關(guān)系提出了3 種不同風(fēng)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子[27]。

2.1 風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)因子公式

適用于不同抗風(fēng)等級(jí)結(jié)構(gòu)風(fēng)災(zāi)害分析的三種風(fēng)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子公式具體如下：

式中：D為結(jié)構(gòu)災(zāi)害損失百分比；U為10 m 高度平均持續(xù)風(fēng)速。

式(1)～式(3)的物理意義可以理解為：分別對(duì)應(yīng)發(fā)達(dá)、欠發(fā)達(dá)、發(fā)展中沿海地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)，亦或是分別對(duì)應(yīng)抗風(fēng)等級(jí)高、低、中的建筑結(jié)構(gòu)。其中，三個(gè)公式在風(fēng)速達(dá)到60 m/s 時(shí)，結(jié)構(gòu)災(zāi)害損失百分比均達(dá)到100%；區(qū)別在于，結(jié)構(gòu)災(zāi)害損失百分比為1%時(shí)，風(fēng)速分別對(duì)應(yīng)40 m/s、20 m/s和30 m/s。本文首先研究不同水平網(wǎng)格精度、不同海表溫度對(duì)該風(fēng)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子的影響；然后基于風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)因子，結(jié)合考慮臺(tái)風(fēng)空間特性，探究如何更好表征臺(tái)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)災(zāi)害科學(xué)問題。

2.2 災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子影響因素

從式(1)～式(3)中可以看出，災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子與10 m 高度平均持續(xù)風(fēng)速有關(guān)。因此，影響10 m高度處平均持續(xù)風(fēng)速的因素，即為災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子影響因素。本小節(jié)通過不同網(wǎng)格精度和不同海表溫度兩方面分析10 m 高度平均持續(xù)風(fēng)速變化，揭示災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子變化規(guī)律特征。

2.2.1 不同網(wǎng)格精度對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子影響

10 m 高度處最大平均持續(xù)風(fēng)速隨不同水平計(jì)算網(wǎng)格精度變化規(guī)律如圖2 所示。需要指出，不同算例不同嵌套層不同時(shí)刻最大平均風(fēng)速所在位置不同，但均位于臺(tái)風(fēng)眼壁區(qū)范圍。此外，因計(jì)算資源需求較大，本文首先開展D01～D03 嵌套層模擬，當(dāng)D03 達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，再依次開啟D04、D05 和D06 嵌套層模擬。圖2 為D03 達(dá)到穩(wěn)態(tài)至模擬結(jié)束時(shí)各嵌套層10 m 高度處最大平均持續(xù)風(fēng)速隨時(shí)間變化過程。D03 (1.67 km)最大平均持續(xù)風(fēng)速明顯小于D04 (555 m)、D05 (185 m)和D06(62 m)，說明千米量級(jí)以下網(wǎng)格計(jì)算的必要性。對(duì)于SST-26，平均風(fēng)速在D05 和D06 區(qū)域趨于一致；其余三個(gè)算例，在D04、D05 和D06 區(qū)域趨于一致；驗(yàn)證了本文模擬的網(wǎng)格無關(guān)性。上述分析表明，該評(píng)估指標(biāo)因子采用水平計(jì)算網(wǎng)格尺度為185 m甚至555 m 時(shí)模擬結(jié)果即可表征臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害。

圖2 10 m 高度處最大平均持續(xù)風(fēng)速Fig. 2 The maximum mean sustained wind speed at a height of 10 m

2.2.2 不同海表溫度對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估因子指標(biāo)影響

本文開展了4 種不同海表溫度下理想臺(tái)風(fēng)數(shù)值模擬，不同海表溫度下各嵌套層10 m 高度處最大平均持續(xù)風(fēng)速分布如圖3 所示。隨著海表溫度升高，最大平均持續(xù)風(fēng)速整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。需要注意的現(xiàn)象是最大平均持續(xù)風(fēng)速在SST-27 和SST-28 之間存在“交叉”現(xiàn)象(SST-27 最大平均持續(xù)風(fēng)速穩(wěn)態(tài)時(shí)刻大于SST-28)；按照傳統(tǒng)的單一采用最大持續(xù)風(fēng)速來表征臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和災(zāi)害的原則，即得出SST-27 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和風(fēng)災(zāi)害程度均大于SST-28。

圖3 10 m 高度處最大平均持續(xù)風(fēng)速Fig. 3 The maximum mean sustained wind speed at a height of 10 m

為探究SST-27 與SST-28 臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害實(shí)際強(qiáng)弱程度，本文首先依據(jù)POWELL 和REINHOLD[13]提出的積分動(dòng)能指標(biāo)來計(jì)算不同算例不同嵌套層全臺(tái)風(fēng)空間風(fēng)災(zāi)害程度，具體見圖4。結(jié)果表明：SST-28 相比SST-27，臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害程度在各嵌套層均更強(qiáng)。這是因?yàn)榉e分動(dòng)能指標(biāo)同時(shí)考慮臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和空間尺寸，雖然SST-28 最大平均持續(xù)風(fēng)速小于SST-27，但是SST-28 具有更大范圍的較大風(fēng)速區(qū)間。依據(jù)積分動(dòng)能指標(biāo)，隨著海表溫度升高，臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，說明考慮臺(tái)風(fēng)空間尺寸后，臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害程度隨海表溫度增加而增加。另外，對(duì)于積分動(dòng)能指標(biāo)，各算例嵌套層D04、D05和D06 趨于一致。

圖4 各算例各嵌套層積分動(dòng)能災(zāi)害指標(biāo)表征( IKE>0TJ)Fig. 4 Integral kinetic energy disaster index characterization for each nesting level of each case ( IKE>0TJ)

本小節(jié)分析得出，單獨(dú)考慮風(fēng)速大小評(píng)估臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害程度存在一定的誤導(dǎo)作用，而考慮臺(tái)風(fēng)空間尺寸能夠更加真實(shí)地表征臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害程度。因此，接下來的研究中將重點(diǎn)探究如何考慮空間尺寸來表征臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害。

3 面積積分方法

基于空間特性最直觀想法即是考慮整個(gè)臺(tái)風(fēng)覆蓋范圍，將災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子按照面積進(jìn)行積分，這個(gè)思想與POWELL 和REINHOLD[13]提出的積分動(dòng)能概念相同。對(duì)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子D進(jìn)行面積積分的方法為基于面積的風(fēng)災(zāi)害評(píng)估方法，得到的指標(biāo)定義為Darea，其物理意義是當(dāng)Darea等于1010% m2時(shí)，相當(dāng)于10 km×10 km 區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生100%損壞或者在100 km×100 km 區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生1%損壞，因此，Darea代表的是相對(duì)代價(jià)或成本。通過對(duì)比不同臺(tái)風(fēng)Darea大小，可以說明不同臺(tái)風(fēng)在同一區(qū)域產(chǎn)生的風(fēng)災(zāi)害強(qiáng)弱程度。圖5 和圖6 為不同工況不同嵌套層在10 m 高度處基于面積積分風(fēng)災(zāi)害Darea評(píng)估結(jié)果。其中，圖5 對(duì)應(yīng)積分面積大小為D06 區(qū)域，圖6 對(duì)應(yīng)積分面積大小為D03 區(qū)域。本文分別采用基于D03和D06 區(qū)域進(jìn)行分析是為說明臺(tái)風(fēng)外圍小風(fēng)速區(qū)域占比情況以及對(duì)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估的影響程度。

圖5 基于D06 面積積分的風(fēng)災(zāi)害評(píng)估結(jié)果 /( × 109)Fig. 5 Wind disaster assessment results based on D06 area integral

圖6 基于D03 面積積分的風(fēng)災(zāi)害評(píng)估結(jié)果 /( × 109)Fig. 6 Wind disaster assessment results based on D03 area integral

對(duì)于SST-27、SST-28 和SST-29 算例，無論D03、D04、D05 還是D06，平均持續(xù)風(fēng)速均達(dá)到了60 m/s (如圖2 所示)，各嵌套層基于面積的風(fēng)災(zāi)害評(píng)估結(jié)果大小相似，可分別見圖5 和圖6。而對(duì)于SST-26 算例，因各嵌套層平均風(fēng)速未達(dá)到60 m/s，風(fēng)災(zāi)害隨網(wǎng)格尺度減小呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。因此，這里通過分析SST-26 算例在不同嵌套層風(fēng)災(zāi)害評(píng)估結(jié)果進(jìn)行基于面積積分方法探究，具體的，對(duì)于式(1)，以D06 區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率依次為：20.63% (D04 相對(duì)D03，下同)、33.35% (D05 相對(duì)D04，下同)、0% (D06相對(duì)D05，下同) (圖5(a))；以D03 區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率依次為：12.64%、23.82%、0% (圖6(a))。對(duì)于式(2)，以D06 區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率依次為：6.39%、8.75%、0% (圖5(b))；以D03 區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率依次為：0.18%、0.54%、0%(圖6(b)))。對(duì)于式(3)，以D06 區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率依次為：9.73%、16.12%、0% (圖5(c))；以D03 區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率依次為：1.23%、2.91%、0% (圖6(c))。從中可以得出，以D03 區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率小于以D06 區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率。原因是D03 區(qū)域包含大范圍的小風(fēng)速區(qū)間，而小風(fēng)速對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害貢獻(xiàn)較小，因此對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害存在高估現(xiàn)象。具體而言，對(duì)于式(1)，高估8%～10%；對(duì)于式(2)，高估6%～8%；對(duì)于式(3)，高估8%～13%。以此說明，全臺(tái)風(fēng)空間尺寸風(fēng)災(zāi)害評(píng)估存在一定的高估；同理可知，POWELL 和REINHOLD (2007)[13]提出的積分動(dòng)能指標(biāo)也存在相同問題。

上述分析對(duì)象是同一積分面積區(qū)域同一公式不同嵌套層風(fēng)災(zāi)害評(píng)估。這里進(jìn)一步開展同一嵌套層同一公式下不同積分面積區(qū)域的風(fēng)災(zāi)害評(píng)估分析，具體為分別對(duì)比每個(gè)嵌套層區(qū)域在基于D03 和D06 面積積分風(fēng)災(zāi)害結(jié)果(圖5 和圖6)。式(1)結(jié)果在兩種區(qū)域空間標(biāo)準(zhǔn)下相差不大，說明臺(tái)風(fēng)外圍小風(fēng)速區(qū)域?qū)κ?1)計(jì)算結(jié)果影響較?。粚?duì)于式(2)和式(3)，臺(tái)風(fēng)外圍小風(fēng)速區(qū)域?qū)︼L(fēng)災(zāi)害計(jì)算結(jié)果影響較大。具體地，對(duì)于式(2)，SST-27、SST-28 和SST-29 算例D03 和D06 結(jié)果相差2.6 倍～3 倍；SST-26 算例結(jié)果相差17 倍。同樣，對(duì)于式(3), SST-27、SST-28 和SST-29 算例D03和D06 結(jié)果相差1.3 倍～1.5 倍；SST-26 算例結(jié)果7 倍?？傻贸鲂★L(fēng)速區(qū)間風(fēng)災(zāi)害在中等和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)占比最高可達(dá)61.5%～67.7%，弱臺(tái)風(fēng)最高可達(dá)85.7%～94.1%。已有研究結(jié)果表明，臺(tái)風(fēng)眼壁區(qū)是最具破壞區(qū)域，而外圍區(qū)域?qū)Y(jié)構(gòu)破壞程度較小。對(duì)比區(qū)域D03 和D06 風(fēng)災(zāi)害結(jié)果可以看出，式(1)對(duì)區(qū)域尺寸敏感性最低，也即主要破壞集中在D06區(qū)域，符合物理認(rèn)知。因此，以符合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的沿?；蚝Ｉ辖Y(jié)構(gòu)為對(duì)象，則式(1)在三個(gè)公式中物理意義最明確，最貼近實(shí)際自然情況，也最能表征臺(tái)風(fēng)引起的結(jié)構(gòu)風(fēng)災(zāi)害程度。但是，如若一些地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施抗風(fēng)能力弱，式(2)或者式(3)可能會(huì)更適用。

4 引入切入風(fēng)速的面積積分方法

上節(jié)分析發(fā)現(xiàn)，基于面積積分風(fēng)災(zāi)害評(píng)估方法對(duì)于風(fēng)速小但尺寸大和風(fēng)速大但尺寸小臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害程度仍不能準(zhǔn)確評(píng)估。因此，針對(duì)這兩種臺(tái)風(fēng)工況，本文提出一種風(fēng)災(zāi)害評(píng)估解決方案，即引入切入風(fēng)速概念，在基于面積積分風(fēng)災(zāi)害評(píng)估方法中僅將大于切入風(fēng)速的風(fēng)場(chǎng)部分用于風(fēng)災(zāi)害評(píng)估分析。

POWELL 和REINHOLD (2007)[13]將臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害根據(jù)風(fēng)速大小分為3 個(gè)級(jí)別，輕度風(fēng)災(zāi)害：平均風(fēng)速在25 m/s～41 m/s；中度風(fēng)災(zāi)害：平均風(fēng)速41 m/s～55 m/s；重度風(fēng)災(zāi)害：平均風(fēng)速大于55 m/s。此外，工程結(jié)構(gòu)如風(fēng)力機(jī)正常工作運(yùn)行風(fēng)速范圍一般為3 m/s～25 m/s，當(dāng)風(fēng)速更大時(shí)風(fēng)力機(jī)會(huì)開啟保護(hù)模式，也即停止運(yùn)轉(zhuǎn)、葉片變漿，以減小風(fēng)阻避免發(fā)生結(jié)構(gòu)性損壞。基于上述原因，選取25 m/s 作為切入風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)速小但尺寸大和風(fēng)速大但尺寸小臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估應(yīng)該是合理的，但基于本文提出的風(fēng)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子D分析結(jié)果得出以25 m/s 作為切入風(fēng)速時(shí)仍存在高估現(xiàn)象。這里不列出具體分析過程，僅給出結(jié)論：① 以同一積分面積區(qū)域同一公式進(jìn)行不同嵌套層風(fēng)災(zāi)害評(píng)估，對(duì)于式(1)，高估2%～3%；對(duì)于式(2)，高估2%～4%；對(duì)于式(3)，高估3%～4%。② 以同一嵌套層同一公式進(jìn)行不同積分面積區(qū)域風(fēng)災(zāi)害評(píng)估，式(1)結(jié)果在兩種區(qū)域空間標(biāo)準(zhǔn)下基本一致；對(duì)于式(2)，SST-27、SST-28 和SST-29 算例D03和D06 結(jié)果相差1.17 倍～1.29 倍；SST-26 算例結(jié)果相差1.50 倍。對(duì)于式(3)，SST-27、SST-28 和SST-29 算例D03 和D06 結(jié)果相差1.07 倍～1.14 倍；SST-26 算例結(jié)果1.38 倍?？梢缘贸鱿噍^于未引入切入風(fēng)速工況已顯著改善，但仍存在一定的高估現(xiàn)象。

為進(jìn)一步改善風(fēng)災(zāi)害評(píng)估效果，本文認(rèn)為達(dá)到臺(tái)風(fēng)風(fēng)速才會(huì)使得結(jié)構(gòu)破壞，也即選擇32 m/s作為切入風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)速小但尺寸大和風(fēng)速大但尺寸小臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估，具體分析結(jié)果如圖7 和圖8所示，分別對(duì)應(yīng)積分面積為D03 區(qū)域和D06 區(qū)域。

圖7 引入切入風(fēng)速的基于D06 面積積分的風(fēng)災(zāi)害評(píng)估結(jié)果 /( ×109)Fig. 7 Wind disaster assessment results based on D06 area integral with cut-in wind speed

首先，引入切入風(fēng)速后，對(duì)于式(1)，以D06區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率依次為：22.58%、35.56%、0% (圖7(a)；以D03 區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率依次為：23.27%、35.07%、0% (圖8(a))。對(duì)于式(2)，以D06 區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率依次為：6.12%、11.11%、0% (圖7(b))；以D03區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率依次為：9.30%、8.70%、0% (圖8(b))。對(duì)于式(3)，以D06 區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率依次為：11.11%、19.61%、0% (圖7(c))；以D03 區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率依次為：13.14%、18.11%、0% (圖8(c))。與前述未引入切入風(fēng)速對(duì)比分析可得，引入切入風(fēng)速對(duì)以D06 空間為積分面積結(jié)果影響不大，對(duì)D03 影響較大，可得出引入切入風(fēng)速后以D03 區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率與以D06 區(qū)域空間為積分面積各嵌套層之間增加比率的相差比率顯著減小。這是因?yàn)?，引入切入風(fēng)速后，D03區(qū)域包含的小風(fēng)速區(qū)間對(duì)風(fēng)災(zāi)害貢獻(xiàn)存在一定程度降低，以D03 空間為積分面積的風(fēng)災(zāi)害高估現(xiàn)象得到解決。

圖8 引入切入風(fēng)速的基于D03 面積積分的風(fēng)災(zāi)害評(píng)估結(jié)果 /( ×109)Fig. 8 Wind disaster assessment results based on D03 area integral with cut-in wind speed

另外，對(duì)比分析引入切入風(fēng)速后各嵌套層在基于D03 和D06 區(qū)域風(fēng)災(zāi)害面積積分結(jié)果(圖7和圖8)。同樣地，在兩種區(qū)域空間標(biāo)準(zhǔn)下式(1)結(jié)果相對(duì)式(2)和式(3)相差仍較小，最能真實(shí)反映臺(tái)風(fēng)引起的結(jié)構(gòu)風(fēng)災(zāi)害程度。具體的，對(duì)于式(1)，各算例D03 和D06 結(jié)果與上述未引入切入風(fēng)速基本相同。對(duì)于式(2)，SST-27、SST-28 和SST-29算例D03 和D06 結(jié)果相差1.05 倍～1.19 倍；SST-26算例結(jié)果相差1.04 倍。同樣，對(duì)于式(3)，SST-27、SST-28 和SST-29 算例D03 和D06 結(jié)果相差1.02 倍～1.10 倍；SST-26 算 例 結(jié) 果1.02 倍。因此，引入切入風(fēng)速后，三個(gè)公式在兩種區(qū)域空間的差距相對(duì)未引入切入風(fēng)速結(jié)果顯著降低；小風(fēng)速區(qū)間風(fēng)災(zāi)害在中等和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)占比最高為9.09%～16.0%，弱臺(tái)風(fēng)最高為1.96%～3.85%。

綜上可知，引入切入風(fēng)速概念，能夠很好地避免小風(fēng)速區(qū)間占比過大但又對(duì)結(jié)構(gòu)無實(shí)質(zhì)損傷現(xiàn)象的發(fā)生。因此，通過引入切入風(fēng)速概念，采用合適的切入風(fēng)速可解決風(fēng)速小但尺寸大和風(fēng)速大但尺寸小的臺(tái)風(fēng)工況風(fēng)災(zāi)害評(píng)估問題。也即，若采用基于面積積分臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估方法，需要引入適當(dāng)?shù)那腥胨俣?，而非全風(fēng)速空間。

5 結(jié)論

本文為探究基于空間特性的臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估方法，開展了表征不同強(qiáng)度等級(jí)的四種不同海表溫度下理想臺(tái)風(fēng)數(shù)值模擬研究。通過分析臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害影響因子、基于面積積分風(fēng)災(zāi)害評(píng)估方法，以及尺度大強(qiáng)度小和尺度小強(qiáng)度大臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估解決方法，得出以下主要結(jié)論：

(1) 不同網(wǎng)格精度和海表溫度是影響風(fēng)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子的兩個(gè)因素。網(wǎng)格越精細(xì)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子越大，且水平計(jì)算網(wǎng)格尺度為185 m 甚至555 m 時(shí)模擬結(jié)果即可表征臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害。海表溫度越高風(fēng)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子也越大，但是SST-27 和SST-28“交叉”現(xiàn)象說明僅考慮臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度表征風(fēng)災(zāi)害有誤導(dǎo)性。這促使開展基于空間特性風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)因子探究，并提出基于面積積分臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估方法。

(2) 基于面積積分臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估方法，能夠很好地解決僅考慮臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度出現(xiàn)的風(fēng)災(zāi)害“交叉”現(xiàn)象，SST-27 風(fēng)災(zāi)害在各嵌套層均小于SST-28。另外，得出千米量級(jí)以下網(wǎng)格尺度數(shù)值計(jì)算和雷達(dá)、衛(wèi)星等監(jiān)測(cè)設(shè)備精度的必要性。

(3) 但基于面積積分臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估方法因?qū)ㄖY(jié)構(gòu)破壞不起作用的小風(fēng)速區(qū)間較敏感，不能較好地表征臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度大但尺寸小、強(qiáng)度小但尺寸大的風(fēng)災(zāi)害問題。針對(duì)此問題，本文提出的解決方法是設(shè)置適當(dāng)?shù)那腥腼L(fēng)速，從而使風(fēng)災(zāi)害高估現(xiàn)象得到有效解決。具體地，引入切入風(fēng)速前，對(duì)于式(1)，高估8%～10%；對(duì)于式(2)，高估6%～8%；對(duì)于式(3)，高估8%～13%；引入臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度作為切入風(fēng)速后，各公式基本無高估現(xiàn)象。

但從實(shí)際工程應(yīng)用角度考慮，三維臺(tái)風(fēng)空間風(fēng)場(chǎng)不易捕獲。而臺(tái)風(fēng)氣象實(shí)測(cè)資料中包含監(jiān)測(cè)的最大風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑、10 級(jí)風(fēng)圈等特征量。因此，筆者正在進(jìn)行的研究中將通過沿徑向臺(tái)風(fēng)風(fēng)速分布，對(duì)實(shí)際自然界結(jié)構(gòu)破壞臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)害進(jìn)行評(píng)估。

同時(shí)，針對(duì)如何將本文提出的風(fēng)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子應(yīng)用于工程實(shí)踐中，初步想法包含兩個(gè)層面：第一，與50 年一遇風(fēng)速進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)防一致，根據(jù)文中提出的風(fēng)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)因子公式計(jì)算得出50 年一遇風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)因子大??；第二，依據(jù)本文創(chuàng)新點(diǎn)-考慮臺(tái)風(fēng)空間特性進(jìn)行風(fēng)災(zāi)害評(píng)估，結(jié)合歷史臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)值模擬的多個(gè)臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)因子空間分布圖，以此提出類似地震領(lǐng)域“烈度”概念，為區(qū)域風(fēng)場(chǎng)災(zāi)害程度提供合理依據(jù)。