強臺風的致災大風特征及與倒塌房屋的關聯(lián)分析

陳雯超，宋麗莉，王丙蘭，劉愛君

(1.廣東省氣候中心，廣州 510080；2.中國氣象科學研究院，北京 100081；3.北京玖天氣象科技有限公司，北京 100081)

0 引 言

臺風是人類面臨的主要自然災害之一[1]。臺風災害的致災程度是強風、暴雨、風暴潮等致災因子、孕災環(huán)境和承災體防御能力的綜合結果。臺風帶來的大風是其中自然災害中最為嚴重的，往往直接摧毀構筑物和建筑物等基礎設施，導致交通、電力等城鎮(zhèn)生命線癱瘓，造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響，特別是導致低矮房屋倒塌，往往造成大量人員傷亡[2]。

顧明等[3]指出，臺風作用下建筑結構特別是低層建筑的破壞是風災損失的主要因素，是目前結構風災評估的研究重點。牛海燕等[4]從臺風大風、暴雨和風暴潮3個方面選取指標，構建臺風致災因子危險性評價指標體系和模型。鞏在武等[5]基于浙江省的臺風災情數(shù)據(jù)及臺風資料，分析發(fā)現(xiàn)與倒塌房屋數(shù)有顯著相關的影響因子有登陸時中心氣壓、登陸時最大風速、人口密度等。陳海燕等[6]指出致災因子的危險性和承災體的脆弱性評估是風險評估非常重要的環(huán)節(jié)，其中致災因子的危險性評估在臺風災害評估的初級階段具有非常重要的意義。

臺風強風具有強大的致災破壞力，其近地邊界層渦旋式強風特性與常態(tài)大風具有顯著差異[7-9]，從而其工程結構的致災特征也很突出?；谂_風近地邊界層的大量精細風觀測數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，具有渦旋特征的臺風三維風況在臺風系統(tǒng)的不同位置（眼區(qū)、眼壁強風區(qū)、外圍大風區(qū)）的平均風和脈動風特征都有顯著差異[10-12]。Song等[13-14]基于多個臺風的觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)臺風眼壁區(qū)具有湍流動能顯著增大、風攻角增大以及在相同下墊面條件下陣風系數(shù)、湍流強度和風廓線指數(shù)增大的現(xiàn)象，尤其當具有渦旋特征的臺風眼壁強風經(jīng)過復雜山地時，上述脈動參數(shù)更顯著增大，從而導致其工程致災機理更為復雜，其破壞能力也更強[15-19]。

本文擬在近20年來建立的更為密集的氣象觀測站網(wǎng)獲取的逐時觀測資料以及近年來較為規(guī)范的災情記錄基礎上，從2000年以來登陸廣東的熱帶氣旋中，選出達到強臺風（14級）等級的全部個例（9個）強臺風，梳理統(tǒng)計強臺風登陸過程中致災大風的時空演變過程、分布特征以及成因分析。基于臺風大風致災特征分析，進行臺風大風致災參數(shù)與房屋倒塌災情數(shù)據(jù)的關聯(lián)分析，為登陸臺風不同階段大風的精準防控策略制定、應急防范重點等提供依據(jù)和參考，揭示倒塌房屋與臺風大風時空特征分布的關鍵特征參數(shù)的關系，為工程領域優(yōu)化設計和氣象災害精準預警模型研制提供參考。

1 資料簡介

本文采用的基礎資料及來源如下：

1）逐小時記錄的臺風中心經(jīng)度、緯度及臺風中心氣壓值（來自臺風業(yè)務實時定位信息）。

2）逐時平均風速、最大風速、極大風速及對應的風向等觀測資料（來自廣東省86個國家氣象站及區(qū)域氣象站約2 500個記錄）。

3）倒塌房屋數(shù)據(jù)（來自廣東省氣象災害損失查詢數(shù)據(jù)庫）。

為明晰臺風強風對房屋致災的典型特征，并考慮氣象臺站觀測密度和災情資料的完整可靠性，本文檢索并選取了2000年以來登陸廣東的達到了強臺風（14級）等級（登陸時中心附近最大風速≥41.5 m/s）的全部9個強臺風。各個強臺風過程的路徑、強度以及登陸點位置等見圖1和表1。

圖1 9個強臺風路徑Fig.1 Tracks of nine strong typhoons

表1 9個強臺風個例基本信息表Table 1 Basic information of nine strong typhoons

2 登陸強臺風過程的大風特征分析

2.1 逐時次記錄的最大風速的空間分布特征

臺風帶來的風災往往在臺風登陸之前就已經(jīng)出現(xiàn)了。從大量的災情記錄分析可以看出，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和防災能力的提升，近20年來，在廣東地區(qū)，臺風最大風速達10級以上時才出現(xiàn)較嚴重的房屋損壞和城鎮(zhèn)設施的破壞。因此，本文選取的導致房屋損壞的致災大風等級指標為：10 min平均風速大于等于 24.5 m/s（10 級）。

為了細致刻畫強臺風在登陸過程中的不同特征，劃分了臺風登陸前、登陸后兩個階段。以強臺風過程影響的第一個氣象觀測站點（以下簡稱站點）記錄到10級以上風速至臺風中心登陸時刻為登陸前時段，臺風中心登陸時刻至最后一個站點記錄到10級以上風速的時段為登陸后時段。兩個時段合計為強臺風影響過程。

鑒于臺風的移動、旋轉特征以及其結構的顯著不對稱性，為便于刻畫和分析臺風大風的空間特征，以臺風中心為原點勾畫一個4象限的直角坐標系（見圖2a），該坐標系跟隨臺風移動，以氣象站逐時觀測資料，繪制各臺風過程記錄到逐時最大風速（以風速大于等于10級為統(tǒng)計對象）的氣象站相對臺風中心的位置。圖2中的橫向、縱向坐標值表示測得最大風速的站點離臺風中心的距離，單位為km。為方便表達，在此定義北和東向為正，南和西向為負。

圖2 臺風過程逐時次觀測的最大風速站點空間分布Fig.2 The spatial distribution of hourly maximum wind speeds before and after landing

統(tǒng)計9個強臺風登陸前后測得的逐時最大風速定位信息，分析發(fā)現(xiàn)：9個強臺風在登陸前的各時次最大風速全部出現(xiàn)在第一和第二象限（圖中藍色點）；登陸前記錄的大于10級風的64個時次的觀測樣本中，最大風速出現(xiàn)在第一象限的占53.1%，第二象限占46.9%；臺風登陸后記錄的大于10級風的觀測樣本共67個時次（圖中紅色點）；臺風登陸后各時刻最大風速出現(xiàn)在第四象限的頻率最高，為53.7%，其次為第一象限為23.9%；若以臺風左右半圓區(qū)分，則在右半圓（第一、四象限）的出現(xiàn)頻率為77.6%，最大風速出現(xiàn)在第三象限的頻率最低，為9.0%。

從下墊面影響的角度來分析臺風登陸前、后各時次的最大風速分布特征的原因，認為：廣東海岸線為東北偏東—西南偏西走向，臺風登陸前在接近陸地過程中，位于其右半圓的強風帶是從海洋光滑下墊面經(jīng)過，下墊面摩擦作用損失的動能較小，強風風速較易保持；臺風登陸后，逆時針旋轉的強風帶經(jīng)過第一、二象限的陸地下墊面摩擦作用，到達第二、三象限時風速已有所減小，因此處在第二、三象限的氣象站記錄的各時刻最大風速頻率最低；大風經(jīng)過第三、四象限時，部分下墊面重新轉為平滑海面，強風帶經(jīng)過平滑海面后有所增大，因此第四象限的氣象站記錄的各時刻最大風速頻率最高；此外登陸臺風移動方向主要以西北向為主，隨著臺風的移動沿海氣象站多位于臺風的第四象限。當然，臺風登陸過程的強度變化以及其大氣環(huán)流影響機制等十分復雜，均可能影響臺風過程的大風特性，這些不屬本文討論的主題。

圖2還展示了臺風影響過程的各時次測得最大風速的站點離臺風中心距離的遠近分布。可以發(fā)現(xiàn)，登陸前測得最大風速的站點離臺風中心距離都超過了100 km，“山竹”臺風最遠達337 km；登陸后9個臺風個例之間的差異較大，有5個臺風各時次測得最大風速站點的最遠距離在50 km以內，但“山竹”臺風登陸后的多個時次的最大風速出現(xiàn)在離中心超過300 km的地方，最遠達349 km。

分析10級以上致災性大風出現(xiàn)在離臺風中心最遠的距離特征，為臺風大風的重點防控范圍提供了比較精準的有效依據(jù)。

2.2 逐時次記錄的各等級大風空間分布特征

分析9個強臺風影響過程中記錄到的10級、11級、12級大風的氣象站位置，分析其相對臺風中心移動路徑的空間分布（見圖3），發(fā)現(xiàn)，大風區(qū)域主要分布在臺風路徑右側的沿海地區(qū)，在其登陸時，登陸點附近大風站點最集中，登陸過程的60%以上的大風站點出現(xiàn)在臺風路徑右側（表2），其中，0814號“黑格比”、1 622號“海馬”和1822號“山竹”的大風站點有90%以上出現(xiàn)在臺風路徑右側。

圖3 臺風路徑及10、11、12級大風站點分布Fig.3 Typhoon tracks and the distribution of gales with force 10, 11, and 12

對測得各臺風過程大風氣象站的離岸距離統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，測得10級、11級、12級大風的氣象站，90%以上分布在離岸50 km、35 km、25 km的區(qū)域內。從圖3和表2還可以看出，每個臺風過程大風深入陸地的距離有所差異：在湛江雷州半島登陸的臺風（如1409號“威馬遜”和1522號“彩虹”），10級以上大風站點可深入45～70 km左右；在珠江口附近沿海登陸的1713號“天鴿”和1822號“山竹”，10級以上大風能一直深入到內陸約86～124 km處；其他4個臺風大風主要出現(xiàn)在沿海一帶。分析其原因，除了對登陸臺風影響的背景環(huán)流及臺風本身的物理結構特征外，其登陸過程經(jīng)過的地形地貌等下墊面特征也會起到一定的作用。登陸湛江雷州半島的兩個超強臺風經(jīng)過的下墊面屬海陸混合，登陸珠江口附近的臺風經(jīng)過的區(qū)域屬相對平緩的河網(wǎng)下墊面，相對其他5個在粵東和粵西山地海岸登陸的臺風，其下墊面動力摩擦作用都較小，能量損耗也較慢，這對10級以上大風深入陸地較深遠提供了有利條件。

表2 臺風路徑左、右側大風站點數(shù)量及站點最遠離岸距離Table 2 Number of strong wind on the left and right of typhoon tracks and the farthest offshore distance

2.3 各等級大風的維持時間特征

強風持續(xù)時間是風致工程破壞的重要因子，因此，進一步統(tǒng)計分析10級以上大風維持時間特征。以臺風登陸過程中第一個測得10級、11級、12級以上大風站點記錄的時刻至最后一個測得上述各等級大風站點記錄時刻，兩者之間的持續(xù)小時數(shù)為各等級大風的持續(xù)時間，結果見表3。

從表3可見，9個強臺風過程的10級以上大風持續(xù)時間都超過了10 h，在10～24 h之間，其中1822號“山竹”和1409號“威馬遜”的維持時間超過了20 h；9個強臺風過程的12級以上大風持續(xù)時間差異較大，有3個臺風個例12級以上大風持續(xù)時間在1～2 h，有4個個例可達到8～13 h。

表3 9個臺風過程觀測信息及大風特征參數(shù)Table 3 Parameters of nine typhoon processes and their associated gales

統(tǒng)計9個強臺風過程10級、11級、12級以上大風在4個象限的平均維持時間（圖4），發(fā)現(xiàn)，大風在第一、二象限的維持時間最長，第三象限維持時間最短。這與逐時最大風速的空間分布特征很相似。

圖4 9個強臺風10級、11級、12級以上大風平均維持時間Fig.4 Average durations of gales above force 10, 11 and 12

2.4 各等級大風的“站時”特征

臺風過程大風的致災能力是大風維持時間、影響范圍以及風速大小等多參量的共同作用。為了表達各等級大風影響范圍及其維持時間的綜合影響，以逐時測得10級、11級、12級以上大風站點及其記錄的持續(xù)小時數(shù)的所有氣象站的累計，來表達10級、11級、12級以上大風影響范圍及維持時間綜合影響的參量，簡稱“站時”。表3給出了基于全部氣象站（包括國家站和區(qū)域氣象站）和國家氣象站分別計算“站時”。

進一步分析全部氣象站的大風“站時”在臺風登陸前后各時次的出現(xiàn)頻率分布（圖5），發(fā)現(xiàn)，10級、11級、12級以上大風的“站時”樣本，分別有56.7%、65.8%、71.8%出現(xiàn)在臺風登陸前，其中，登陸前1 h頻率最高，分別為11.9%、13.2%、17.7%，登陸前4 h出現(xiàn)頻率分別為40.1%、47.7%、53.2%。這一特征進一步確認，對臺風登陸前的強風防范應成為臺風防御的重點任務之一。

圖5 各等級大風“站時”的各時次出現(xiàn)頻率分布Fig.5 Occurrence frequency of 'station-hour' of each wind force

3 大風的統(tǒng)計特征與倒塌房屋的關聯(lián)分析

從致災成因分析臺風大風與倒塌房屋的關系，主要包括致災因子（大風）和承載體特征（房屋的抗風能力）。另外，臺風往往伴隨暴雨，暴雨以及暴雨導致的山洪、泥石流也是房屋倒塌的重要致災因子。不過隨著人民生活水平提高，鋼筋混凝土結構房屋逐步取代了泥磚結構房屋，暴雨對房屋倒塌的致災作用正在逐步減小。

由于上述的大風維持時間、站點個數(shù)以及大風“站時”均與不同地區(qū)的觀測站（主要是區(qū)域氣象站）密度高度相關，2008年到2018年間，隨著氣象現(xiàn)代化建設的發(fā)展，各地區(qū)域氣象站的數(shù)量逐漸增多。

以廣東沿海地市區(qū)域氣象站的平均間距表達區(qū)域氣象站增加的變化式中，D為平均站間距，S為各地市的行政區(qū)面積，N為該地市的區(qū)域氣象站數(shù)量。

從圖6給出的廣東沿海各地市的區(qū)域氣象站平均站間距逐年變化曲線看，各地市區(qū)域氣象站的平均站間距均逐年減小，但地區(qū)之間存在較明顯差異，位于粵西的湛江、茂名和位于粵東的汕尾的站間距明顯大于位于珠三角附近的珠海、深圳、中山的平均站間距。為此，進一步以分布相對均勻（每個縣級行政區(qū)1個國家氣象站）的國家氣象站觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計的各大風特征參數(shù)為基礎，分析各大風特征參數(shù)與房屋倒塌數(shù)量的關聯(lián)程度。

圖6 9個強臺風登陸的廣東省沿海各地市的區(qū)域氣象站平均站間距逐年變化曲線Fig.6 The annual variation of the mean spacing of regional meteorology stations in coastal cities of Guangdong Province

因強臺風樣本數(shù)據(jù)太少，無法滿足采用回歸等數(shù)值擬合方法對樣本量的可信度要求。不過登陸臺風的各大風特征參數(shù)與房屋倒塌數(shù)量的相關系數(shù)，仍可以直觀地量化表達各大風特征參數(shù)與房屋倒塌數(shù)量關聯(lián)程度的強弱，見表4。

比較表4的相關系數(shù)可以看出，倒塌房屋數(shù)量與臺風登陸時中心氣壓呈負相關關系，登陸臺風中心氣壓越低表明臺風強度越強，臺風系統(tǒng)的“風壓關系”也表征氣壓越低風速越大[20-21]。倒塌房屋數(shù)量與臺風的最大風速、影響范圍（以站數(shù)表達）、維持時間、大風“站時”等均有較密切的關聯(lián)。通過各等級大風的特征參數(shù)相關性比較，與12級以上大風的關聯(lián)度最高。

表4 倒塌房屋與各大風特征參數(shù)的相關系數(shù)表Table 4 The correlation coefficient between collapsed houses and wind parameters

從圖7～圖10給出的9個強臺風影響期間倒塌房屋數(shù)量（柱形圖）與登陸時中心氣壓、登陸時中心附近最大風速以及與基于國家氣象站記錄的10級、11級、12級以上各等級大風維持時間、站點個數(shù)、站時等參數(shù)（曲線）的關聯(lián)圖，可以看出，12級以上大風的特征參數(shù)曲線與倒塌房屋數(shù)量匹配度最高。但其中的“山竹”匹配度最低，這與2008～2018年間房屋的防災能力不斷加強，及“山竹”影響的珠三角地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平和防災能力的差異，以及房屋密度較低有關。

圖7 倒塌房屋數(shù)量與登陸時最大風速、中心氣壓的關聯(lián)比較Fig.7 The correlation between the number of collapsed houses and the maximum wind speed and central pressure at the landfall

圖8 倒塌房屋數(shù)量與國家氣象站記錄的各等級大風維持時間的關聯(lián)比較Fig.8 The correlation between the number of collapsed houses and the gale duration of each force recorded by national weather stations

圖10 倒塌房屋數(shù)量與國家氣象站記錄的各等級大風站時參量的關聯(lián)比較Fig.10 The correlation between the number of collapsed houses and the station-hour of each wind force recorded by national weather stations

進一步從承災體特征和抗災能力等因素影響分析。臺風“黑格比”造成倒塌房屋2.93萬間，居9個強臺風首位，一方面因“黑格比”發(fā)生年份較早，房屋質量總體較差，另一方面，由于廣東省茂名市和湛江市均為鄉(xiāng)鎮(zhèn)戶數(shù)較多的地區(qū)，“黑格比”大風影響范圍主要為茂名和湛江兩市，導致大量鄉(xiāng)鎮(zhèn)房屋受災。臺風“妮妲”、臺風“海馬”造成的倒塌房屋數(shù)量最少，分別為0.02萬間、0.1萬間，明顯少于其他臺風個例。從“妮妲”和“海馬”的大風維持站數(shù)、站時來看也明顯較少?！澳萱А庇绊懫陂g，雖然從區(qū)域氣象站數(shù)據(jù)統(tǒng)計的10～12級強風維持時間較久，但由于受粵東蓮花山脈及其附近平行山脈的阻擋影響，其大風基本集中在沿海地區(qū)，且臺風登陸地點為深圳，鄉(xiāng)鎮(zhèn)戶數(shù)極少，房屋抗風能力總體較好，造成的破壞不大。臺風“山竹”的大風致災參數(shù)均較大，但造成的倒塌房屋只有0.14萬間，這與“山竹”的大風主要影響珠江三角洲地區(qū)，而這些地區(qū)的房屋抗災能力較強有很大關系。

圖9 倒塌房屋數(shù)量與國家氣象站記錄的各等級大風站數(shù)的關聯(lián)比較Fig.9 The correlation between the number of collapsed houses and the number of gales recorded by national weather stations

4 結 論

從2000年以來登陸廣東的熱帶氣旋中選取達到強臺風的全部9個個例，基于國家和區(qū)域氣象觀測站網(wǎng)的逐時測風資料、臺風定位信息和災情數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了各強臺風影響過程的10級、11級和12級以上大風的時空演變分布特征、成因以及與倒塌房屋數(shù)量的關聯(lián)等。研究結果顯示：

1）以各時次的臺風中心為原點勾畫一個4象限的直角坐標系，刻畫9個強臺風過程的逐時次最大風速空間分布，發(fā)現(xiàn)，在登陸前，逐時次最大風速全部出現(xiàn)在第一和第二象限，而登陸后則有77.6%的時次最大風速出現(xiàn)在第四、第一象限。

2）9個強臺風過程記錄到10級以上大風的氣象站位置，主要分布在臺風路徑右側的沿海地區(qū)；10級以上大風持續(xù)時間在10～24 h之間；12級以上大風維持時間差異較大，有4個臺風維持了8～13 h，另有3個臺風持續(xù)時間1～2 h。

3）以臺風過程的大風范圍和維持時間構建了各等級大風“站時”參量來綜合表達大風的影響程度，發(fā)現(xiàn)，登陸前大風“站時”樣本出現(xiàn)頻率明顯大于登陸后。

4）登陸臺風致災大風的上述特性，與臺風登陸后經(jīng)過的下墊面海陸分布以及粗糙度特征緊密相關，這些參數(shù)顯著影響臺風大風深入陸地的距離和維持時間。如在水陸交匯地區(qū)或較平緩下墊面的動量損耗較少，可使登陸臺風大風深入陸地距離較遠，維持時間較長。

5）倒塌房屋數(shù)量與強臺風登陸時的中心氣壓、最大風速，以及臺風過程的大風影響范圍、維持時間、大風“站時”等參數(shù)密切關聯(lián)。其中，與12級以上大風特征參數(shù)的相關系數(shù)最高。

本文的大風特征參數(shù)及其與倒塌房屋數(shù)量的關聯(lián)分析結果，顯然受到觀測站網(wǎng)密度、城鄉(xiāng)房屋密度、房屋抗災能力的變化、災情數(shù)據(jù)的可靠性以及當時防御決策等諸多復雜因素影響，存在一定的不確定性，有待今后進一步的深入研究。