估算中国龙卷风的发生频率及龙卷风带来的风灾风险

《Weather and Climate Extremes》：Estimating tornado occurrence and tornado wind hazard in China

龙卷风目录的系统性编制与空间变异性模型构建、风速风险评估及与设计规范对比分析。基于1949-2023年中国大陆龙卷风事件文献研究，建立了首个综合目录，采用自适应高斯核平滑（AGKS）和扩散平滑（ADS）技术模拟空间变异性发生模型，发现ADS在边缘效应处理上更优。结合EF/F尺度强度-重现期关系，开发了考虑路径长度、宽度及风速分布的随机风场模型，评估了点及圆形区域（半径5m、10m、50m、100m）的年最大风速风险。对比设计规范方法，发现传统方法高估风险约30%-200%，尤其是长重现期（10^7年）和大型结构（100m半径）时差异显著，提出基于新目录和模型的风险评估优化路径。

　　### 中国大陆地区龙卷风灾害评估与建模研究

龙卷风是一种极具破坏力的自然灾害，能够对建筑物和基础设施造成严重损害，甚至导致人员伤亡。尽管中国内陆地区历史上曾多次记录到龙卷风事件，但长期以来缺乏一个系统化的、全面的龙卷风灾害数据库，这使得龙卷风风险评估和地图绘制难以实现。为了弥补这一空白，本研究基于大量文献资料，编制了涵盖1949年至2023年中国大陆地区龙卷风事件的综合数据库，并利用该数据库对龙卷风发生率进行了空间变化分析，进而构建了一个随机龙卷风发生模型。同时，结合已有的龙卷风风场模型，研究团队还绘制了基于特定超额概率的龙卷风风速灾害地图，评估了不同区域和不同面积下的风速灾害程度。

#### 研究背景与现状

龙卷风的破坏力与强度密切相关，通常按照Fujita尺度（F-scale）或增强Fujita尺度（EF-scale）进行分类。F-scale主要根据龙卷风造成的破坏程度划分等级，而EF-scale则基于风速数据，能够更精确地反映龙卷风的实际强度。尽管美国和加拿大在龙卷风研究方面已有较为成熟的技术和方法，但在中国大陆地区，由于历史数据的不完整性以及研究起步较晚，龙卷风的风速灾害评估尚未形成系统的成果。此前的研究主要集中在统计龙卷风的频率和强度分布，但缺乏对龙卷风风速变化的空间分析和随机模型的构建。

中国虽然不是龙卷风最频繁发生的地区，但近年来龙卷风活动逐渐受到关注。例如，2013年3月19日，中国南方地区出现了一条超过1000公里的强对流风暴线，导致大量龙卷风事件的发生，造成了人员伤亡和财产损失。2016年6月23日，江苏盐城丰县发生了一起EF4级别的龙卷风，造成98人死亡和846人受伤。这些事件表明，龙卷风在中国的某些地区确实具有较高的风险，特别是在沿海地区和人口密集区域。然而，由于数据获取和分类标准的不一致，目前对龙卷风的风速灾害评估仍然存在一定的不确定性。

#### 数据编制与空间分布分析

本研究编制了一个覆盖1949年至2023年中国大陆地区的龙卷风数据库，数据来源包括《中国气象灾害全集》、《中国气象灾害年鉴》、周等人（2020、2021）的龙卷风事件目录，以及2017年至2020年期间由佛山市的龙卷风研究与监测中心（TRC）提供的年度报告。该数据库共包含3083个事件，平均每年发生约41次龙卷风。根据空间分布分析，龙卷风主要集中在江苏和广东等沿海省份，同时在西北地区也有少量记录。这些区域的龙卷风发生频率和强度存在显著差异，其中沿海地区由于人口密度较高，龙卷风事件的报告率也相对较高。

为了评估龙卷风的风速灾害，研究团队采用了一种非均匀随机模型，结合自适应高斯核平滑（AGKS）和自适应扩散平滑（ADS）技术，对龙卷风发生率进行了空间变化建模。AGKS方法在处理数据时可能会出现边界效应，而ADS方法则能够有效避免这一问题，提供更准确的估计结果。此外，研究团队还对龙卷风路径长度、路径宽度和路径面积进行了统计分析，并建立了相应的经验公式，用于估算不同强度龙卷风的路径特征。

#### 风速灾害评估方法

为了评估龙卷风的风速灾害，研究团队采用了基于随机模型的风速分析方法。首先，根据编纂的龙卷风数据库，计算了不同强度龙卷风的发生概率分布。然后，结合龙卷风风场模型，对特定地点或区域的风速进行了模拟和评估。该模型假设龙卷风风速在路径宽度内呈线性分布，并考虑了风速随路径长度的变化情况。通过这种方法，研究团队能够对不同面积（如5米、10米、50米和100米的圆形区域）的风速灾害进行评估，并绘制了不同重现期（如10^4、10^5、10^6和10^7年）的风速灾害地图。

研究结果显示，对于点状结构，风速灾害的重现期值随着龙卷风强度的增加而显著上升。然而，对于较大的圆形区域，风速灾害的重现期值增加得更为剧烈。这表明，在一个较大的区域内，龙卷风对结构群的风险可能远高于单个点状结构的风险。此外，研究团队还发现，对于核电站等重要基础设施，即使按照10^-7年的超额概率标准，龙卷风风速灾害仍然不可忽视。

#### 与现有设计规范的对比

为了验证所构建模型的准确性，研究团队将其与现有的设计规范中的方法进行了比较。现有规范中的方法主要基于对龙卷风风速的简单估算，未考虑龙卷风路径长度、宽度以及风速变化的复杂性。相比之下，本研究采用的随机模型能够更全面地反映龙卷风的风速变化趋势，并且在对不同重现期的风速评估中表现出更高的精度。

比较结果显示，现有设计规范中的方法往往高估了龙卷风的风速灾害。这种高估可能源于一些假设，例如龙卷风风速在路径宽度内是均匀分布的，或者忽略了龙卷风路径中风速的变化情况。此外，现有方法还可能未能准确反映龙卷风的路径长度和宽度对风速分布的影响。因此，研究团队建议未来的设计规范应采用更为精确和系统的评估方法，以提高龙卷风风速灾害评估的科学性和实用性。

#### 未来研究方向与建议

尽管本研究已经取得了一定的成果，但仍有一些方面需要进一步探讨。首先，龙卷风的路径方向数据在中国大陆地区尚未得到充分记录，这可能影响对风速分布的准确评估。因此，未来的研究可以考虑引入路径方向的统计分析，以更全面地反映龙卷风的风速变化特征。

其次，龙卷风的风速变化与路径长度和宽度之间的关系尚未得到充分研究。现有的模型主要基于美国和加拿大的数据，而中国龙卷风的路径特征可能与这些地区有所不同。因此，有必要开展更多的实地观测和数据收集，以建立适用于中国地区的龙卷风风速模型。

最后，龙卷风的风速灾害评估方法应进一步优化，以提高其在不同区域和不同结构类型中的适用性。目前的研究主要集中在点状结构和圆形区域的风速评估，但实际工程应用中，结构的形状和布局可能更加复杂。因此，未来的研究可以考虑引入更复杂的几何模型，以更准确地反映不同结构的风速灾害特征。

综上所述，本研究为中国大陆地区的龙卷风灾害评估提供了新的方法和工具，有助于提高对龙卷风风险的认识和应对能力。然而，龙卷风的风速灾害评估仍需进一步完善，特别是在数据收集、模型优化和设计规范更新等方面。