核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)評(píng)價(jià)的敏感性研究

朱 好，陳家宜，李鳳菊，王 璐，鄭 偉，汪宏宇

（1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；2.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)系，北京 100871；3.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；4.中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，沈陽(yáng) 110016）

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核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)評(píng)價(jià)的敏感性研究

朱 好1，*，陳家宜2，李鳳菊1，王 璐3，鄭 偉1，汪宏宇4

（1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；2.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)系，北京 100871；3.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；4.中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，沈陽(yáng) 110016）

摘要：龍卷風(fēng)是在核電廠選址、設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)中需要考慮的重要外部自然事件，對(duì)于可能發(fā)生龍卷風(fēng)的廠址區(qū)域，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文針對(duì)我國(guó)7個(gè)濱海廠址，按照核安全導(dǎo)則HAD101/10中的龍卷風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)方法，計(jì)算了7個(gè)廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速，并定量分析了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速對(duì)擬合樣本區(qū)間和高強(qiáng)度樣本評(píng)級(jí)的敏感性。結(jié)果表明，高強(qiáng)度級(jí)別的龍卷風(fēng)累積頻數(shù)分布是否滿足對(duì)數(shù)線性規(guī)律決定了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。對(duì)于計(jì)算結(jié)果不確定性較大的廠址，本文給出了評(píng)價(jià)中應(yīng)關(guān)注的問(wèn)題和采取的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速；累積頻數(shù)分布；擬合強(qiáng)度區(qū)間；富士達(dá)評(píng)級(jí)；敏感性

核電廠的設(shè)計(jì)必須使其能夠抵抗極端外部事件的影響，即在外部事件的作用下不會(huì)喪失其安全功能。龍卷風(fēng)是在核電廠的選址、設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)中需要考慮的一種重要外部自然事件［1］。從氣象角度來(lái)看，龍卷風(fēng)是一種水平尺度很小的強(qiáng)烈渦旋氣流，其一般出現(xiàn)于中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)中，是在低層大氣處于高溫高濕的極端不穩(wěn)定層結(jié)，上層有冷平流和適宜的環(huán)境流場(chǎng)相配合條件下產(chǎn)生的［2，3］。龍卷風(fēng)最常發(fā)生在中緯度地區(qū)，高緯度和熱帶地區(qū)很少見(jiàn)。美國(guó)是世界上龍卷風(fēng)發(fā)生最多的國(guó)家［4］。我國(guó)龍卷風(fēng)相對(duì)少發(fā)，且多集中在東部地區(qū)［5］。不少學(xué)者對(duì)我國(guó)龍卷風(fēng)的時(shí)空分布特征和誘發(fā)天氣系統(tǒng)進(jìn)行了分析［2 -3，5 -8］，并建立了相關(guān)的龍卷風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型［9，10］，也有學(xué)者利用氣象預(yù)報(bào)模式和計(jì)算流體力學(xué)模式開(kāi)展了龍卷風(fēng)的數(shù)值模擬［11，12］。

從核安全角度考慮，龍卷風(fēng)極高風(fēng)速的沖擊作用、中心通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的突然壓力降、產(chǎn)生的飛射物對(duì)核電廠設(shè)備和構(gòu)筑物的撞擊可能會(huì)對(duì)核電廠造成破壞［13］。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)和我國(guó)的核安全導(dǎo)則均要求：應(yīng)評(píng)估龍卷風(fēng)在區(qū)域內(nèi)發(fā)生的可能性，如可能發(fā)生，則對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)進(jìn)行評(píng)價(jià)［13 -15］。我國(guó)和美國(guó)核管理委員會(huì)（Nuclear Regulatory Commission，簡(jiǎn)稱NRC）均按照10-7/年的超越概率來(lái)推算設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速［13，16］。

由于龍卷風(fēng)的出現(xiàn)頻率和強(qiáng)度與地形、地表狀況和氣象條件密切相關(guān)［2 -3，16］，而這些條件對(duì)于不同廠址區(qū)域可能存在較大差別，因而需要針對(duì)具體廠址情況開(kāi)展龍卷風(fēng)的資料收集和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)評(píng)價(jià)工作。我國(guó)核安全導(dǎo)則HAD101/10［13］給出了龍卷風(fēng)資料收集、級(jí)別評(píng)定和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)評(píng)價(jià)的原則性指導(dǎo)，但從具體實(shí)踐來(lái)看，龍卷風(fēng)的調(diào)查和評(píng)估還存在一些困難和不確定性，影響最終設(shè)計(jì)基準(zhǔn)評(píng)價(jià)結(jié)果。因而，針對(duì)不同廠址區(qū)域開(kāi)展設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速對(duì)不同影響因子的敏感性研究，有利于更加合理地解讀龍卷風(fēng)調(diào)查樣本，從而為工程設(shè)計(jì)提供更加可靠的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速。

本文針對(duì)我國(guó)的7個(gè)濱海廠址，開(kāi)展了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速對(duì)擬合樣本區(qū)間及高強(qiáng)度樣本級(jí)別的敏感性研究，旨在為不同廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)的不確定性評(píng)估以及為實(shí)際工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的選取提供參考。

1 龍卷風(fēng)資料收集及評(píng)級(jí)

表1給出了7個(gè)濱海廠址的地理位置。根據(jù)核安全導(dǎo)則HAD101/10的要求，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)的評(píng)價(jià)應(yīng)選擇一個(gè)氣候上單一并呈現(xiàn)相同龍卷風(fēng)特性的區(qū)域，典型的區(qū)域是經(jīng)緯度3°×3°的區(qū)域［13］。在實(shí)際調(diào)查中，還需要考慮覆蓋面積是否足夠大，是否能夠獲得有統(tǒng)計(jì)意義的定量評(píng)價(jià)樣本，以及調(diào)查區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生龍卷風(fēng)的地形和氣象條件的同一性等。本研究中龍卷風(fēng)樣本資料主要來(lái)源于《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》、歷年《全國(guó)氣候影響評(píng)價(jià)》、《中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒》等權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的書籍資料，以及各種媒體和網(wǎng)絡(luò)的報(bào)道。對(duì)收集到的龍卷風(fēng)事例按照發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行分解或合并，通過(guò)初步分析，獲得各廠址區(qū)域的龍卷風(fēng)調(diào)查樣本集。

表1 7個(gè)廠址地理位置Table 1 Locations of the seven sites

圖1 7個(gè)廠址龍卷風(fēng)的發(fā)生頻數(shù)和最強(qiáng)級(jí)別Fig. 1 Frequencies and the highest scales of tornadoes at the seven sites

由于龍卷風(fēng)的空間尺度小，生命史很短，很少能被氣象站觀測(cè)到，其強(qiáng)度的定量評(píng)定主要是按照其對(duì)樹(shù)木和構(gòu)筑物的最大破壞程度，采用富士達(dá)F等級(jí)進(jìn)行分類。皮爾森通過(guò)實(shí)際樣本資料分析建立路徑長(zhǎng)度、寬度與強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，后來(lái)也稱為富士達(dá)-皮爾森分級(jí)［13］。研究指出，對(duì)于龍卷風(fēng)這種數(shù)量較少、災(zāi)害模糊的自然事件，采用數(shù)量多的專家評(píng)分方式進(jìn)行級(jí)別評(píng)定是一種可取的、具有客觀性的方案［2］。對(duì)7個(gè)廠址的龍卷風(fēng)調(diào)查樣本采用這種評(píng)分方式，并在評(píng)分統(tǒng)計(jì)階段，將參與評(píng)定的龍卷風(fēng)事件評(píng)分處理為0. 2級(jí)進(jìn)制。圖2給出了經(jīng)調(diào)查、評(píng)級(jí)和統(tǒng)計(jì)后得到的7個(gè)廠址單位面積每年龍卷風(fēng)的發(fā)生頻數(shù)以及最強(qiáng)龍卷風(fēng)等級(jí)?？梢?jiàn)，3、4號(hào)廠址所在的蘇北至浙江北部岸線一帶是龍卷風(fēng)頻發(fā)和強(qiáng)度較強(qiáng)的地段，4號(hào)廠址區(qū)域出現(xiàn)的最強(qiáng)龍卷風(fēng)等級(jí)為F4級(jí)，為統(tǒng)計(jì)的7個(gè)廠址之最。

2 龍卷風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)方法

核安全導(dǎo)則HAD101/10給出了評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)的方法，該方法考慮了破壞帶橫斷面上不同的破壞程度，被認(rèn)為比別的模型更接近實(shí)際，其中包含的四個(gè)基本步驟為［13］：

（1）對(duì)廠址周圍總的區(qū)域確定面積-強(qiáng)度關(guān)系；（2）對(duì)廠址周圍局部區(qū)域確定事件-強(qiáng)度關(guān)系；（3）計(jì)算局部區(qū)域內(nèi)某個(gè)點(diǎn)遭受給定風(fēng)速范圍內(nèi)某一風(fēng)速的概率；（4）確定局部區(qū)域內(nèi)風(fēng)速大于某個(gè)給定閾值的概率。

其中，前兩步驟用于建立確定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)事件所必須的各項(xiàng)基本關(guān)系式和基本參數(shù)，后兩步驟用于確定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速。

第一步中的面積-強(qiáng)度關(guān)系，原則上須根據(jù)調(diào)查區(qū)域龍卷風(fēng)破壞的累積資料來(lái)建立，但目前我國(guó)的龍卷調(diào)查資料不足以建立可信的面積-強(qiáng)度關(guān)系和相應(yīng)的擬合參數(shù)，因而本文通過(guò)皮爾森的龍卷風(fēng)路徑長(zhǎng)度和寬度關(guān)系式建立破壞面積公式。

龍卷風(fēng)的路徑長(zhǎng)度（km）：

Lpi=1. 609×100. 5（i -1）

龍卷風(fēng)的路徑寬度（km）：

Wpi=1. 609×100. 5（i -5）

龍卷風(fēng)的破壞面積（km2）：

以上各式中，i為富士達(dá)標(biāo)度等級(jí)。

第二步中的事件-強(qiáng)度關(guān)系，按照HAD101/ 10的推薦，出現(xiàn)高于某一強(qiáng)度龍卷風(fēng)的累積頻數(shù)可以用以下的函數(shù)式來(lái)描述：

式中，Ni是最大風(fēng)速超過(guò)某個(gè)閾值風(fēng)速Vi的龍卷風(fēng)發(fā)生的累積次數(shù)；Vi是富士達(dá)強(qiáng)度等級(jí)為i時(shí)的閾值風(fēng)速；c'，k'是根據(jù)最小二乘線性回歸得到的常數(shù)。

這里已約定龍卷風(fēng)的強(qiáng)度以閾值風(fēng)速，即i級(jí)龍卷風(fēng)的下限風(fēng)速來(lái)度量。各級(jí)別的下限風(fēng)速可用公式（3）表示。

有了上述累積頻率函數(shù)和面積強(qiáng)度關(guān)系后，就能夠計(jì)算廠址所在地點(diǎn)一年中經(jīng)受到某一級(jí)風(fēng)速區(qū)間的概率和超過(guò)額定風(fēng)速的概率。

為了獲取局部區(qū)域超過(guò)某些閾值風(fēng)速的某一風(fēng)速的概率，要把破壞面積-強(qiáng)度關(guān)系和事件-強(qiáng)度關(guān)系與組合蘭金渦流風(fēng)速分布結(jié)合起來(lái)考慮。龍卷風(fēng)流場(chǎng)的蘭金渦流模型假定龍卷風(fēng)是一個(gè)強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)的對(duì)稱渦旋，旋轉(zhuǎn)速度自中心向外快速增強(qiáng)，在最大風(fēng)速半徑以外的速度分布遵守角動(dòng)量守恒V×R =常數(shù)。假定平均破壞面積是由大于或等于33. 5 m·s-1的風(fēng)速造成的，于是有VR =33. 5Rd，其中Rd是最大破壞半徑。對(duì)于一個(gè)i等級(jí)的龍卷風(fēng)，在整個(gè)破壞路徑長(zhǎng)度Li上掃過(guò)的破壞面積為ai=2Li×Rd，所以VR =33. 5ai/ （2Li.）。其中ai可采用公式（1）計(jì)算。龍卷風(fēng)中相應(yīng)于風(fēng)速V的半徑是R =33. 5ai/（2VLi）。

最大強(qiáng)度為i級(jí)的龍卷風(fēng)事件出現(xiàn)過(guò)程中風(fēng)速處于（Vj，Vj +1）區(qū)間的面積aij為：

式中，Vj是富士達(dá)等級(jí)Fj級(jí)龍卷風(fēng)的最低風(fēng)速。

局部區(qū)域某個(gè)點(diǎn)在一年內(nèi)經(jīng)受Fj等級(jí)風(fēng)速概率P（Vj，Vj +1）是：

公式（6）的物理含義為：一年中遇到風(fēng)速Vk的概率是風(fēng)速≥Vk的各強(qiáng)度等級(jí)龍卷中出現(xiàn)風(fēng)速Vk概率P（Vj，Vj +1）的和，這里n≥k。通過(guò)概率-風(fēng)速曲線，可以得到關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)度模型的概率譜，繼而可以得到特定概率下的可能風(fēng)速，如10-7/年的遭襲擊概率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速。

式中，λi是局部區(qū)域i等級(jí)龍卷風(fēng)平均每年發(fā)生的次數(shù)，根據(jù)事件-強(qiáng)度關(guān)系來(lái)確定；A是局部區(qū)域的面積；n是該區(qū)域所考慮的最強(qiáng)龍卷風(fēng)等級(jí)，形式上一般可取6或7。

局部區(qū)域某個(gè)點(diǎn)經(jīng)受風(fēng)速大于或等于某強(qiáng)度等級(jí)K的風(fēng)速概率是：

3 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)的敏感性分析

由于龍卷風(fēng)出現(xiàn)的隨機(jī)性極強(qiáng)，事實(shí)情景模糊，導(dǎo)致在后續(xù)定量評(píng)級(jí)和分析評(píng)價(jià)的各個(gè)環(huán)節(jié)存在較大的不確定性。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)的最終結(jié)果只取決于較高強(qiáng)度樣本的分布性質(zhì)，低級(jí)別的頻率分布對(duì)結(jié)果沒(méi)有直接影響。因而，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)評(píng)價(jià)中，一種較保守的做法是取高強(qiáng)度的樣本做指數(shù)分布擬合。以下分別針對(duì)擬合樣本強(qiáng)度區(qū)間的選擇和高強(qiáng)度樣本的評(píng)級(jí)，對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行敏感性分析。

3. 1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)對(duì)擬合強(qiáng)度區(qū)間的敏感性

通過(guò)收集、整理、評(píng)級(jí)獲得7個(gè)廠址的龍卷風(fēng)累積頻數(shù)分布。根據(jù)各廠址的累積頻數(shù)分布特征及最強(qiáng)龍卷風(fēng)級(jí)別，選擇確定龍卷風(fēng)事件～強(qiáng)度關(guān)系的基準(zhǔn)擬合樣本區(qū)間。若累積頻數(shù)分布存在明顯的拐點(diǎn)，則以大于或等于該拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的龍卷風(fēng)強(qiáng)度級(jí)別的樣本作為基準(zhǔn)擬合區(qū)間；若累積頻數(shù)分布無(wú)明顯拐點(diǎn)，則以擬合點(diǎn)數(shù)不少于5個(gè)且最小二乘線性回歸關(guān)系較好、相關(guān)系數(shù)較大的樣本區(qū)間作為基準(zhǔn)擬合區(qū)間。在基準(zhǔn)區(qū)間的基礎(chǔ)上分別下調(diào)和上調(diào)0. 2級(jí)別作為對(duì)照組，按照龍卷風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)方法分別計(jì)算基準(zhǔn)區(qū)間和對(duì)照區(qū)間對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速（此處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速指10-7/年的遭襲擊概率對(duì)應(yīng)的風(fēng)速，不考慮設(shè)計(jì)上的余量，下同）。表2給出了7個(gè)廠址的基準(zhǔn)擬合區(qū)間和對(duì)照區(qū)間的設(shè)置情況。

表2 各廠址基準(zhǔn)擬合區(qū)間和對(duì)照區(qū)間的設(shè)置Table 2 Settings of base and control fitting sections of each site

圖3給出了采用基準(zhǔn)擬合區(qū)間計(jì)算的各廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速，并標(biāo)注了F2級(jí)、F3級(jí)和F4級(jí)的上限風(fēng)速。可見(jiàn)，各廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速分布形態(tài)與圖2中的最強(qiáng)龍卷風(fēng)級(jí)別分布一致性很好，而與廠址單位面積龍卷風(fēng)發(fā)生頻數(shù)的一致性略差，主要由于計(jì)算中僅考慮了起決定性作用的高強(qiáng)度樣本，而未考慮低級(jí)別樣本。由圖可見(jiàn)，4號(hào)廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速達(dá)到F4級(jí)上限風(fēng)速，2號(hào)、5號(hào)和7號(hào)廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為F2級(jí)，其他廠址為F3級(jí)。

圖3 改變擬合區(qū)間的對(duì)照組與基準(zhǔn)組之間的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速偏差Fig. 3 Biases of design-basis tornado wind speeds between control and base fitting sections

采用擴(kuò)大或縮小的對(duì)照組擬合樣本區(qū)間計(jì)算設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速相對(duì)于基準(zhǔn)區(qū)間計(jì)算值的偏差，結(jié)果見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)，1號(hào)和5號(hào)廠址對(duì)于擴(kuò)大擬合區(qū)間較為敏感，相對(duì)基準(zhǔn)區(qū)間的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速偏差分別為9 m·s-1和6 m·s-1；1、4和6號(hào)廠址對(duì)于縮小擬合區(qū)間更為敏感，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速偏差均大于5 m·s-1。2、3和7號(hào)廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速對(duì)于擬合區(qū)間的改變表現(xiàn)較為平穩(wěn)，偏差均小于3 m·s-1。上述偏差大小主要與累積頻數(shù)高強(qiáng)度段的分布形態(tài)有關(guān)，若高強(qiáng)度段的線性關(guān)系較好，則調(diào)整擬合區(qū)間對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果影響較小，反之影響會(huì)較為顯著。

3. 2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)對(duì)高強(qiáng)度樣本級(jí)別的敏感性

由于龍卷風(fēng)模糊和不全面的災(zāi)情事實(shí)會(huì)影響樣本的定量評(píng)級(jí)，為了了解各廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)對(duì)高級(jí)別樣本的敏感性，本文將各廠址的最強(qiáng)龍卷風(fēng)級(jí)別分別下調(diào)和上調(diào)0. 2級(jí)別，若最強(qiáng)級(jí)別樣本多于一個(gè)，則僅調(diào)整其中的一個(gè)樣本級(jí)別，重新構(gòu)建高強(qiáng)度樣本的累積頻數(shù)，并按照表2中的基準(zhǔn)區(qū)間進(jìn)行事件～強(qiáng)度關(guān)系擬合和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速計(jì)算。表3給出了作為基準(zhǔn)組和對(duì)照組的最強(qiáng)樣本級(jí)別設(shè)置。

表3 各廠址最強(qiáng)龍卷風(fēng)等級(jí)的基準(zhǔn)組和對(duì)照組設(shè)置Table 3 Settings of base and control groups of different maximum tornado intensity scales

圖5給出了調(diào)整最強(qiáng)樣本級(jí)別后計(jì)算的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速相對(duì)于基準(zhǔn)組計(jì)算值的偏差?？梢?jiàn)，1、2、5和6號(hào)廠址對(duì)于降低最強(qiáng)樣本級(jí)別表現(xiàn)非常敏感，偏差均大于14 m·s-1，其中1號(hào)和2號(hào)廠址的偏差高達(dá)30 m·s-1，相應(yīng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速達(dá)到F4級(jí)，顯然不符合廠址區(qū)域龍卷風(fēng)發(fā)生頻數(shù)偏少、整體強(qiáng)度偏弱的特征，而6號(hào)廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速又被嚴(yán)重低估。1號(hào)和4號(hào)廠址對(duì)于升高級(jí)別較為敏感，偏差均大于7 m·s-1，導(dǎo)致4號(hào)廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速高達(dá)F5級(jí)，結(jié)合廠址區(qū)域的龍卷風(fēng)發(fā)生特征規(guī)律，這樣的高估也是不合理的。3號(hào)和7號(hào)廠址對(duì)于調(diào)整級(jí)別表現(xiàn)較為穩(wěn)定。調(diào)整強(qiáng)樣本級(jí)別會(huì)顯著影響一些廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速計(jì)算結(jié)果，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速不合理的高估或低估，因而在計(jì)算評(píng)價(jià)中需特別關(guān)注。

圖4 改變最強(qiáng)樣本級(jí)別的對(duì)照組與基準(zhǔn)組之間的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速偏差Fig. 4 Biases of design-basis tornado wind speeds between control and base groups of different maximum tornado intensity scales

3. 3 討論

為了分析不同廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)對(duì)擬合強(qiáng)度區(qū)間和高級(jí)別樣本敏感性的差異，以總體絕對(duì)偏差最大的1號(hào)廠址和最小的3號(hào)廠址為例，圖6給出了兩廠址的龍卷風(fēng)累積頻數(shù)分布?？梢?jiàn)，1號(hào)廠址的累積頻數(shù)與風(fēng)速關(guān)系并不符合導(dǎo)則HAD101/10推薦的對(duì)數(shù)線性關(guān)系，而更符合對(duì)數(shù)二次函數(shù)分布，3號(hào)廠址的累積頻數(shù)與風(fēng)速以F2. 0級(jí)別（對(duì)應(yīng)風(fēng)速為50. 4 m·s-1）為界，滿足分段對(duì)數(shù)線性擬合關(guān)系。

圖5 （a）1號(hào)廠址和（b）3號(hào)廠址的龍卷風(fēng)累積頻數(shù)分布圖Fig. 5 Distributions of tornado cumulative frequencies at（a）the first site and（b）the third site

表4給出了1號(hào)和3號(hào)廠址對(duì)于基準(zhǔn)組和對(duì)照組（不同的擬合強(qiáng)度區(qū)間和最強(qiáng)龍卷風(fēng)樣本等級(jí)）的事件～強(qiáng)度關(guān)系擬合系數(shù)。可見(jiàn)，3號(hào)廠址的累積頻數(shù)分布由于存在明顯的拐點(diǎn)，因而可以拐點(diǎn)為界，較容易確定擬合樣本區(qū)間。降低最強(qiáng)樣本級(jí)別，相當(dāng)于去掉圖6（b）中最右側(cè)一點(diǎn)，對(duì)事件～強(qiáng)度關(guān)系影響很小；最強(qiáng)樣本級(jí)別升高0. 2級(jí)，則相當(dāng)于在圖最右側(cè)新增一點(diǎn)，會(huì)對(duì)擬合系數(shù)有一定影響，導(dǎo)致設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速升高4 m·s-1。對(duì)于1號(hào)廠址這類不符合對(duì)數(shù)線性規(guī)律的廠址，無(wú)論改變擬合區(qū)間還是強(qiáng)樣本級(jí)別，均會(huì)或多或少地影響擬合系數(shù)，影響大小取決于參與計(jì)算的龍卷風(fēng)樣本累積頻數(shù)分布情況，進(jìn)而影響設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果。

表4 1號(hào)和3號(hào)廠址的事件～強(qiáng)度關(guān)系擬合系數(shù)Table 4 Fitting coefficients of event～intensity relationship at the first and third site

僅采用高強(qiáng)度樣本組評(píng)價(jià)龍卷風(fēng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)會(huì)遇到擬合區(qū)間選擇導(dǎo)致的不確定性的問(wèn)題，若利用全部樣本進(jìn)行擬合，又不可避免有低強(qiáng)度樣本遺漏問(wèn)題。核管理委員會(huì)經(jīng)研究指出遺漏F0級(jí)別的龍卷風(fēng)對(duì)出現(xiàn)概率較大的龍卷風(fēng)事件的襲擊概率影響很小，但會(huì)增加低概率事件的襲擊概率［17］，從工程設(shè)計(jì)安全性角度考慮，通常選用高強(qiáng)度樣本組進(jìn)行事件～強(qiáng)度關(guān)系擬合，以保證結(jié)果具有一定的保守性。

我國(guó)龍卷風(fēng)發(fā)生頻數(shù)遠(yuǎn)少于美國(guó)，調(diào)查資料能用于判斷其強(qiáng)度性質(zhì)的信息更少，龍卷風(fēng)強(qiáng)度的定量評(píng)估不確定性極大，由此導(dǎo)致后續(xù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速評(píng)價(jià)的不確定性較大。在針對(duì)具體廠址進(jìn)行設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)考慮到樣本級(jí)別對(duì)累積頻數(shù)分布的影響，并對(duì)累積頻數(shù)分布不合理導(dǎo)致的結(jié)果異常開(kāi)展細(xì)致分析，其中可能還要涉及到對(duì)某些起決定性作用的樣本進(jìn)行級(jí)別的重新評(píng)定，或者根據(jù)龍卷風(fēng)的空間分布特征，重新劃定定量評(píng)價(jià)的子區(qū)，以此再計(jì)算和分析，并結(jié)合廠址區(qū)域的地形、地表狀況和龍卷風(fēng)發(fā)生的空間格局，判斷結(jié)果的合理性和可靠性，得到符合廠址實(shí)際情況的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速。在此過(guò)程中，對(duì)更大區(qū)域龍卷風(fēng)規(guī)律性的充分認(rèn)識(shí)及鄰近區(qū)域類似分析的參照是減少主觀性的好途經(jīng)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)我國(guó)從北至南的7個(gè)不同地理位置和地形特征的濱海廠址，按照核安全導(dǎo)則HAD101/10中的龍卷風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)方法，計(jì)算了7個(gè)廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速，并分析了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速對(duì)擬合強(qiáng)度區(qū)間和高級(jí)別樣本的敏感性。結(jié)果表明，7個(gè)廠址中，位于蘇北和浙江北部沿岸的兩個(gè)廠址分別為龍卷風(fēng)發(fā)生頻率最高和強(qiáng)度最強(qiáng)的廠址，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)速分別為F3和F4級(jí)。盡管緊鄰遼東灣的1號(hào)廠址屬于龍卷風(fēng)少發(fā)區(qū)，但個(gè)別強(qiáng)樣本的出現(xiàn)導(dǎo)致其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速亦達(dá)到F3級(jí)。

不同廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速對(duì)擬合強(qiáng)度區(qū)間和強(qiáng)龍卷風(fēng)級(jí)別的敏感性不同，主要與各廠址的龍卷風(fēng)樣本累積頻數(shù)分布有關(guān)。對(duì)于事件～強(qiáng)度關(guān)系較好符合（分段）對(duì)數(shù)線性規(guī)律的廠址，改變擬合區(qū)間或微調(diào)個(gè)別高強(qiáng)度樣本的級(jí)別不會(huì)顯著影響擬合關(guān)系，因而設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)的計(jì)算結(jié)果相對(duì)較為穩(wěn)定。反之，對(duì)于累積頻數(shù)不符合對(duì)數(shù)線性規(guī)律的廠址，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速會(huì)對(duì)擬合區(qū)間和個(gè)別強(qiáng)樣本級(jí)別的微調(diào)表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性，這時(shí)，需要結(jié)合廠址區(qū)域的地形、地表狀況，以及更大區(qū)域龍卷風(fēng)發(fā)生的規(guī)律性，對(duì)計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行判斷，并考慮樣本級(jí)別對(duì)累積頻數(shù)分布的影響，對(duì)累積頻數(shù)分布不合理導(dǎo)致的結(jié)果異常開(kāi)展細(xì)致分析，必要時(shí)，要對(duì)某些起決定性作用的樣本重新評(píng)級(jí)，經(jīng)過(guò)再計(jì)算和再分析的不斷反饋過(guò)程，才能得到合理的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)速。

參考文獻(xiàn)

［1］IAEA. IAEA Safety Standards Series No. SSG - 18 Meteorological and hydrological hazards in site evaluation for nuclear installations［S］. Vienna：International Atomic Energy Agency，2011.

［2］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.

［3］鹿世瑾.福建龍卷風(fēng)的活動(dòng)特點(diǎn)［J］.氣象，1996，22 （7）：36 -39.

［4］吳中旺，朱瑞兆.大慶200MW核供熱堆安全級(jí)構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)［J］.核科學(xué)與工程，1998，18（3）：285 -288.

［5］范雯杰，俞小鼎.中國(guó)龍卷的時(shí)空分布特征［J］.氣象，2015，41（7）：793 -805.

［6］鄭峰，謝海華.我國(guó)近30年龍卷風(fēng)研究進(jìn)展［J］.氣象科技，2010，38（3）：295 -299.

［7］曾輝，馬中元，聶秋生.核電站評(píng)價(jià)區(qū)域龍卷風(fēng)的統(tǒng)計(jì)與天氣特征分析［J］.氣象水文海洋儀器，2012（2）：46 -55.

［8］孔新紅.萬(wàn)安核電廠址區(qū)域龍卷風(fēng)分布特征及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)［J］.能源研究與管理，2012（3）：59 -62.

［9］許遐禎，潘文卓，繆啟龍.江蘇省龍卷風(fēng)災(zāi)害易損性分析［J］.氣象科學(xué)，2010，30（2）：208 -213.

［10］許遐禎，潘文卓，繆啟龍.江蘇省龍卷風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型研究［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（6）：792 -797.

［11］劉寧微，馬雁軍，劉曉梅，等.遼寧省“05 -6”龍卷風(fēng)過(guò)程的診斷與數(shù)值模擬［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2007，16 （5）：84 -90.

［12］徐楓，肖儀清，李波，等.龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性的CFD數(shù)值模擬［J］.空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2013，31（3）：350 -356.

［13］國(guó)家核安全局. HAD101/10核電廠廠址選擇的極端氣象事件（不包括熱帶氣旋）［S］.北京：中國(guó)法制出版社，1991.

［14］IAEA. IAEA Safety Standards Series No. NS - R - 3 Site evaluation for nuclear installations［S］. Vienna：International Atomic Energy Agency，2003.

［15］IAEA. IAEA Safety Standards Series No. NS - G -3. 4 Meteorological events in site evaluation for nuclear power plants ［S］. Vienna：International Atomic Energy Agency，2003.

［16］USNRC. RG 1. 76 Design - basis tornado and tornado missiles for nuclear power plants［S］. Washington DC：U. S. Nuclear Regulatory Commission，2007.

［17］USNRC. Tornado climatology of the contiguous United States，NUREG/ CR - 4461［R］. Washington DC：U. S. Nuclear Regulatory Commission，2007.

Sensitivity Analysis of Design-Basis Tornado for Nuclear Power Plants

ZHU Hao1，*，CHEN Jiayi2，LI Fengju1，WANG Lu3，ZHENG Wei1，WANG Hongyu4
（1. China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China；2. Departmentof Environmental Sciences，College of Environmental Sciences and Engineering，Peking University，Beijing 100871，China；3. Nuclear and Radiation Safety Center，MEP，Beijing 100082，China；4. Institute of Atmospheric Environment，China Meteorological Administration，Shenyang 110016，China）

Abstract：Tornado is a kind of important external natural event which should be taken into account in the siting，design and safety evaluation of nuclear power plants. If it is potential for the occurrence of tornadoes in the region nearby a site，the design-basis tornado should be evaluated. The design-basis tornado wind speeds of seven coastal sites located from the north to the south of China have been assessed using the tornado risk evaluation methodology listed in the Nuclear Safety Guide HAD101/10. Sensitivity analysis of design-basis tornado wind speeds on the fitting sample sections and the classification of high intensity tornado samples has been quantitatively performed. The results show that whether or not the cumulative frequency distributions at high intensity scales satisfy the logarithm linear relationships determines the stability of the calculated design-basis tornado wind speeds. The issues which should be concerned in the evaluation process and their counter measures are given for the sites with larger uncertainties of design-basis tornadoes.

Key words：design-basis tornado wind speed；cumulative frequency distribution；fitting intensity section；Fujita scale；sensitivity

中圖分類號(hào)：P445. 1

文章標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5360（2016）02-0077-07

收稿日期：2016-02-16 修回日期：2016-04-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范項(xiàng)目模塊式小型壓水堆廠址適應(yīng)性研究課題資助，項(xiàng)目編號(hào) NY20110801 -1

作者簡(jiǎn)介：朱好（1985—），女，陜西榆林人，高級(jí)工程師，博士，現(xiàn)主要從事輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)工作

*通訊作者：朱 好，E-mail：zhuhao8586@163. com