龙卷风对建成区影响的灾后调查：法务工程学视角

《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》：A post-disaster investigation of tornado impact on built-up area: A forensic engineering perspective

　　

• 对一场严重的城市龙卷风事件进行了详细的法证调查，包括对其路径和强度的评估。
• 分析了龙卷风对建筑物、轻钢结构、树木及其他构件造成破坏的机制。
• 调查了龙卷风对高层住宅群外立面的破坏情况，重点探讨了朝向、空气动力干扰以及风吹碎片撞击的影响。
• 探索了利用致密碎片升空速度估算近地面风速的可行性，并使用JEF等级进行了验证。

引言

风灾所造成的社会经济影响极为严重，在自然灾害中经济损失排名第一，全球死亡人数排名第二。根据世界气象组织（WMO）的数据，极端风事件造成的直接经济损失占52%（1.9万亿美元），自然灾害相关死亡人数占39%（785,000例死亡）（Esri, 2023）。包括龙卷风、下击暴流和热带气旋（即台风和飓风）在内的极端风事件是造成这些高强度破坏的主要来源（Li et al., 2021; Calotescu et al., 2024; Braik and Koliou, 2025）。特别是，应急事件数据库（EM-DAT）（EMDAT, 2023）显示，2010年至2022年间，龙卷风贡献了全球自然灾害经济损失的5%，估计年均发生2000至2500次，经济损失约为30至40亿美元。在美国，龙卷风频繁发生，1994年至2023年间，年均发生约1200次事件（NOAA, 2023），年均经济损失超过20亿美元（美国国家气象局（NWS）, 2023）。在欧洲，2005年至2019年间，龙卷风年均发生约250次，经济损失为20至30亿欧元（约23至35亿美元）（Grieser and Haines, 2020）。在中国，2007年至2017年间，龙卷风事件年均发生约40次，经济损失超过9亿元人民币（约1.26亿美元）（Xu et al., 2024）。过去几十年来，世界各地都观测到了严重的龙卷风事件。2011年4月27日，美国东南部的"迪克西爆发"在24小时内跨越16个州产生了199个龙卷风，其中包括25个高强度龙卷风，造成316人死亡（Doswell et al., 2012）。2011年5月22日，EF5级龙卷风袭击了美国密苏里州乔普林市，摧毁了5000多座建筑物，造成158人遇难（Prevatt et al., 2012）。2016年6月23日，中国江苏省盐城市发生EF4级龙卷风，造成约3000栋建筑受损，98人死亡（Meng et al., 2018）。

与热带气旋等天气尺度系统相比，龙卷风作为微尺度事件，具有突发性、局地性强和寿命短等特点。这些因素使得预测其形成和移动变得困难，也使得实时观测和预报风场变得复杂。因此，在实际中收集龙卷风期间风场数据的机会极为稀少，事后通过现场调查进行的灾害调查（又称法证工程），通常是调查龙卷风近地面风场特征的唯一起手段。这些事后调查根据结构（Yang et al., 2024）和植被（Meng et al., 2018）等物体受到的风致破坏程度来估算风强度。芝加哥大学的T.T. Fujita教授根据龙卷风所造成的破坏程度，尝试将其强度划分为不同等级进行定性分类，该方法被称为藤田等级（F级）（Fujita, 1981）。在此基础上，德克萨斯理工大学于2006年提出了增强型藤田等级（EF级）（Texas Tech University Wind Science and Engineering Center, 2006），该等级更加系统化，纳入了破坏指标（DI）和破坏等级（DoD），以实现更精细、更精确的风强度评估。随着对龙卷风特征研究的深入，更多国家和地区开发了各自适应的EF级版本，如中国EF级（ChnEF）（《龙卷风强度等级：GB/T 40243-2021》, 2021;《龙卷风破坏技术规范》, 2017）和日本EF级（JEF）（Japan Meteorological Agency, 2015），以及加拿大EF级（Sills et al., 2014）。

值得注意的是，一些研究者通过分析特定DI的力学机制，建立了用于估算阈值风速的经验或半解析方法，例如车辆倾覆（Haan et al., 2017）、屋顶上拔破坏（Prevatt et al., 2012; Haan et al., 2010）、路标破坏（Chmielewski et al., 2013）、电线杆倒塌（Braik et al., 2019）以及输电铁塔倒塌（Zhang et al., 2024）。这些方法通常涉及实验测试和模型来确定临界风速，从而量化近地面风场分布。灾后现场调查中记录的干草包、建筑材料、车辆和大型家电的位移情况，常用于重建风吹碎片的水平轨迹距离和初始位置，为轨迹预测和升空速度估算提供第一手证据。基于这些观测，Miller等人（2024）和Rotunno和Bluestein（2024）等研究者将现场证据与龙卷风流模型相结合，估算了不同类型碎片的合理升空风速范围。

除了上述从人工物体（如民用建筑和车辆）收集到的破坏信息外，通过航空和/或卫星影像观测到的树木倒伏破坏（Sills et al., 2020; Karstens et al., 2013）也被用作估算龙卷风强度的有用来源。考虑到树木倒伏机制的不确定性，近期的研究侧重于利用倒伏树木比例来估算特定区域的EF等级，通过观测整体树木倒伏模式来实现，而不是依赖具有高随机性的单个树木倒伏案例。Karstens等人（2013）和Lombardo等人（2015）对乔普林龙卷风的航空影像进行了数字分析，识别了径向汇聚区和切向旋转区的特征，从而估算了龙卷风路径和风场结构。Godfrey和Peterson（2017）也发现，龙卷风路径内的倒伏树木形成了汇聚和切向模式，与龙卷风近地面风场结构的特征一致。通过采用多个树木倒伏样本来揭示特定区域树木拔根和倒伏方向的模式，这种方法显著减少了与单个树木倒伏案例相关的随机性，成为重建近地表风速和风场模式的重要方法。

需要指出的是，龙卷风造成的破坏不仅仅归因于极端风荷载，还归因于强风驱动的风吹碎片（WBD）所施加的显著撞击力。当近地表风速超过物体特定的升空速度时，风吹碎片被动员，将物体推动至具有破坏性的空气动力轨迹。这些投射物在传输过程中可能对建筑物、车辆和人体造成毁灭性撞击，引发连锁破坏链，放大社会经济损失。Wills等人（2002）根据碎片的几何特征将其分为三类：致密型、片状型和杆状型，每种类型呈现不同的空气动力学行为。然而，尽管风吹碎片撞击动能与风速之间存在明确的物理关联，但WBD对物体（例如建筑外幕墙系统）的破坏尚未被普遍用作风速强度估算的DI。

近年来，灾后调查、风洞实验和数值模拟的整合显著推进了WBD动力学和撞击破坏的研究，为龙卷风风场重建和结构脆弱性评估做出了重大贡献（Jain et al., 2020; Bourriez et al., 2020; Baker and Sterling, 2018）。基于解析龙卷风场和蒙特卡洛模拟的WBD轨迹和升空概率模型（Moghim et al., 2015）被广泛用于估算风速和撞击速度分布，有助于法证风速重建。此外，结合计算流体力学和有限元方法的碎片碰撞分析实现了更精确的撞击过程模拟，为结构响应和失效提供了见解（Ai et al., 2023）。多年来也进行了风洞试验，如德克萨斯理工大学和美国国家标准与技术研究院所开展的试验（Lin et al., 2007; Holmes et al., 2006; Simiu and Potra, 2011），以建立不同材料和系统的碎片撞击抗力标准，凸显了碎片类型和风场特征在决定结构破坏程度方面的重要作用。

2024年7月5日北京时间约14:30（BJT，即协调世界时+8小时），一场强烈的龙卷风袭击了中国东明，造成5人死亡，88人受伤，2820座建筑受损。通过对此次龙卷风进行灾后调查，本研究分析了极端风荷载和WBD撞击共同造成的破坏。本文结构如下：第2节介绍了气象背景和现场调查设置；第3节根据观测到的风致破坏案例重建了龙卷风的演化过程，包括其路径和强度的变化；第4节揭示了强龙卷风对不同类型结构（即高层建筑、砖木低层建筑和轻钢结构）、电力基础设施（即电线杆和一座输电铁塔）以及树木造成破坏的机制；第5节调查了WBD的运动情况，包括其在龙卷风风场中的升空速度和轨迹。

气象背景

龙卷风源于具有强动力抬升、显著垂直风切变和丰富低层水分的强对流天气系统。图1展示了2024年7月5日北京时间14:00中国地面气压场。如图所示，一个地面低压槽向东北延伸，覆盖了华东地区，为大范围的发生提供了有利环境。

龙卷风演化评估

龙卷风的演化过程，包括其强度和路径的变化，主要通过增强型藤田等级（EF级）（Texas Tech University Wind Science and Engineering Center, 2006）、其中国适应版（ChnEF级）（《龙卷风强度等级：GB/T 40243-2021》, 2021;《龙卷风破坏技术规范》, 2017）以及其日本适应版（JEF级）（Japan Meteorological Agency, 2015）进行评估。如上所述，这些等级通过观测到的DI和DoD来评估龙卷风风强度。

高层住宅群破坏

由于龙卷风大多发生在农村和郊区，这些地区的主要建筑类型是低层建筑（通常为单户或两层住宅建筑），因此龙卷风对低层建筑的破坏已在现有的破坏调查中得到了充分的记录。然而，关于龙卷风对高层建筑（高度超过25米）破坏的记录仍然缺乏，因此对这些建筑的抗龙卷风性能认知仍非常有限。在本研究中，龙卷风穿过了一片高层住宅群。

风吹碎片运动分析

除了强风之外，WBD撞击是导致风致破坏的另一个关键原因（Wills et al., 2002）。在建成区域发生的极端风事件中，WBD可能来源于多种途径，包括脱落的屋顶瓦片、窗框、交通标志、树枝、冰雹等。值得注意的是，龙卷风通常伴随冰雹，强风驱动的冰雹在撞击时可能造成建筑围护结构的破坏（Calotescu et al., 2024）。然而，在本研究中……

结论

本研究基于广泛的灾后现场调查，对2024年7月5日发生在中国东明的龙卷风进行了全面的法证调查。研究考察了气象背景以确认该极端风事件的龙卷风性质，利用EF等级及其改编版本根据观测到的DI和DoD估算了龙卷风强度，系统记录了不同类型结构和树木的破坏情况，并分析了底层破坏……

CRediT作者贡献声明

Yang Lei：写作 – 原稿撰写，软件，方法论，调查，形式分析。
Xiao Li：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，经费获取，形式分析，概念化。
Guanzhong Wang：调查，数据整理。
Bowen Yan：监督，概念化。
Xu Zhou：方法论，调查。
Qingshan Yang：监督，概念化。
Shenming Fu：方法论，概念化。
Noram Irwan Ramli：方法论。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Xiao Li报告获得中国国家自然科学基金提供的资金支持。Xiao Li报告获得国家重点研发计划提供的资金支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文的表述。

致谢

本文所述研究获得中国国家自然科学基金（批准号：52408507）和国家重点研发计划（编号：2024YFC3014101）的经费支持。

作者衷心感谢重庆大学田村幸男教授在风灾相关灾害野外调查工作中给予的指导和支持。

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