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弗罗里达州公共基础设施受台风损坏模拟和风险评估办法外文翻译资料

 2022-11-06 11:11  

弗罗里达州公共基础设施受台风损坏模拟和风险评估办法

徐旭 Richard E. Brown

摘要:

2004-2005年间的飓风灾害对电力系统造成严重的破坏和巨大的经济损失。对飓风频率,强度和持续时间的良好估计,对沿海地区应对台风灾害紧急处置办法制定至关重要。然而,飓风的不确定性使得飓风建模是一项复杂的工程。本文提出飓风的概率模型,可以模拟佛罗里达州的飓风年。该模型确定一年中在佛罗里达登陆的飓风数量; 并且每个模拟的飓风概率地分配登陆信息,诸如位置,进场角,行进速度,最大风速和最大风速半径。随着飓风登陆佛罗里达州,进一步模拟其内陆特征,包括风速衰减率,中心压力填充率,风场剖面和持续时间。通过蒙特卡罗模拟,这种飓风模型能够模拟产生大量随机飓风年份,可以估计飓风造成的长期风险水平,并以此制定飓风应对办法。对比实际ASCE 7飓风图,表明该飓风模型可以很好地再现佛罗里达州飓风整体活动。

关键词:损害评估,飓风模拟,蒙特卡洛模拟,概率建模

介绍

登陆的飓风通常会带来强风,暴雨,巨浪等威胁沿海地区安全并造成严重的社会和经济损失。由于其地理位置和海岸线,佛罗里达州比许多美国其他州遭受更多的的季节性飓风侵袭。

架空电力线建设的密集性和地理位置的分散性导致电力系统易受飓风威胁。由飓风引起的停电可以持续几天,一些严重受损地区的甚至几周。

飓风频率和强度的建模对评估飓风相关风险和制定相应的计划非常重要。气象研究通常侧重于一个或一些飓风方面; 只有少数完整的飓风模型,如联邦紧急管理署(FEMA)开发的HAZUS-MH飓风模型[1]可在公共领域使用。HAZUS-MH飓风模型目前设计用于潜在的住宅结构损伤估计。根据其损失评估的指标,飓风模型嵌入到有限的中间结果,如持续和峰值阵风风速呈现给用户。缺乏对飓风模拟的完全控制使得在应用HAZUS-MH来评估飓风对公共设施基础设施的损害方面不可避免的存在一些困难。

在本文中,构建飓风概率模型用来评估飓风对佛罗里达州公用设施造成的损害和风险。利用某些合理的假设来简化飓风过程前提下,该模型可以概率地模拟飓风频率,着陆参数和内陆运动。这个飓风模型的目的是得到大量模拟的一般效果,而不是试图重现过去发生的特定飓风; 因此仿真方法是针对ASCE 7风图进行测试的。这种模拟可以帮助佛罗里达水电公司估计其整个服务区域和任何特定位置的飓风风险。

第2节简要介绍了在本次研究中使用的飓风数据库; 第3节介绍了飓风各个方面的各种模型; 第4节解释了如何组织这些不同的模型来模拟完整的飓风,以及如何将整个模型应用于评估飓风对公用设施造成的损害; 第5节讨论参数校准和模型验证,第6节总结并对前景作出展望。

北大西洋飓风数据库

由大西洋海洋和大气管理局(NOAA)的气象实验室编制的北大西洋飓风数据库(HURDAT)是北大西洋飓风最完整和可靠的数据来源(HURDAT目前正在进行重新分析,以便提高数据质量,但它仍然是迄今为止最好的可用数据源)。这个数据库已大多数飓风研究所采用,并在许多气象出版物中引用。

HURDAT包括可追溯到1851年的热带气旋,以六小时为间隔的位置和强度估计值。热带气旋包括飓风,热带风暴和亚热带风暴。数据在十九世纪和二十世纪早期不太可靠,并且从二十世纪早期到今天越来越可靠。

在HURDAT中记录的飓风的主要特征是中心位置(到最接近的0.1度纬度和经度),方向(到北方最近的5度),行进速度(或前进速度),风速(在10米高度的最大持续1分钟风速度),和中央压力。对于在美国登陆的飓风,会记录下他们登陆的状态和登陆时的Saffir-Simpson类别。Saffir-Simpson量表如表 1所示[1]。

表一:

佛罗里达又分为四个地区:西北,西南,东南和东北。这些地区的飓风情况是完全不同的。如表二所示,佛罗里达州的西北地区在1851年到2005年期间登陆飓风最多,而东北地区经历了最少; 西南地区和东南部地区没有看到与西北地区一样多的登陆飓风,但他们更可能受到4级和5级风暴的袭击。两个南部地区都有三次4级飓风和一次5级飓风记录,而北部地区没有4级和5级飓风记录。

表二:

飓风模拟模型

飓风由复杂的自然机制产生,其形成具有极大的不确定性。因此,飓风模拟需要以概率模拟其复杂条件开始。为了更好的估计飓风对基础设施的影响,模拟的气象因素应包括预期的风暴数量和严重程度以及每个风暴的持续时间。因此,需要使用蒙特卡罗模拟,使得随机生成的风暴可以与基础设施损坏和修复模型链接。

假设

飓风特征可能因情况而异。例如,一些飓风不会着陆,但会影响其外部云团的状态; 一些飓风在它第一次离开后又再次登陆。由于我们的模拟模型是用于公用基础设施损害评估,因此它需要利用统计学模拟佛罗里达的一般飓风年。换句话说,它设计为跟踪得到大量模拟的一般影响,而不是跟踪每一个可能的飓风场景。因此,对这个飓风模型作出了一些假设。

  1. 从HURDAT只提取在佛罗里达登陆的飓风信息。但从HURDAT中记录的信息可以看到同时也包括一些“未登陆飓风”,例如Ivan(2004)和Elena(1985),其中心没有在佛罗里达州着陆,但他们的外云群在佛罗里达州着陆。对于登陆在邻州如阿拉巴马州,密西西比州的飓风,该模型可以通过调整西北地区飓风发生的参数来评估其影响。
  2. 每次飓风只考虑一次登陆情况;,佛罗里达州实际情况也是如此。对于罕见的情况,飓风做了多次登陆,每次登陆都看作是不同飓风登陆。
  3. 飓风风速在登陆前假定不变,因为通常只有登陆后飓风强度才会变化; 换句话说,在它着陆之前的风速总是与它着陆时相同。由于摩擦和持续的水分不足原因,飓风风速在登陆后衰减。对于每个模拟风暴,飓风行进速度保持不变。
  4. 飓风通常遵循从其起点到其消失的曲率轨迹规律。然而,据观察,由于飓风狭窄的运动轨迹佛罗里达州的飓风持续时间通常较短。可以合理地假设,当风暴穿过佛罗里达时,风暴沿着直线路径行进。

频率

飓风频率可以用泊松分布或负二项分布[2] - [3] [4] [5]来模拟。这两种模型都非常成功,且他们之间的模拟年飓风频率的差异可以忽略不计[2]。本文中选择泊松分布为:

H 是每年飓风的数量,lambda;是在给定时间间隔(假定为一年)内飓风的预期数量。最大似然估计 lambda;是佛罗里达不同地区历史飓风事件的平均值,如表三所示。

表三:

着陆位置

HAZUS-MH飓风模型首先通过对历史飓风起源进行抽样来确定飓风的初始位置,然后模拟其发展整个过程,直到飓风消失。这种方法有利于模拟整个大西洋盆地情景,但如果研究仅针对一个国家,则会导致许多不必要的计算,因为大部分模拟飓风实际上不登陆佛罗里达州。

在本次研究中,根据佛罗里达州历史飓风着陆信息的分布来模拟飓风的着陆位置。佛罗里达州的每个地区的海岸线有详细的地带划分。每个地带在纬度或经度的范围方面具有相同的大小。在这些地带之间历史飓风登陆位置的分布为每个模拟飓风分配登陆位置打下基础,使得模拟着陆位置与历史数据的概率分布一致。

允许两个相邻地带中着陆位置之间的某种程度的重叠以避免不连续性,因为许多历史着陆位置是从6小时间隔HURDAT数据得来而不是实际观察估计得到的。

登陆角

登陆角表示飓风上岸时的飓风方向; 它表示为与正北之间夹角,如图所示。

登陆角的建模为双正态分布[6],[7]来模拟,它是两个正态分布的加权和,如图所示:

mx1 和 mx2 是两个正态分布系数, sigma;x 1 和 sigma;x 1 是它们的标准偏差 ,a1是加权因子; 这些参数都从历史数据中得到。

变化速度

飓风(m / s)在其登陆时的行进速度可以用对数正态分布[5],[8]来建模:

C 是行进速度, mlnC 是对数平均值 ,sigma;lnC 是历史数据中的对数标准差。

研究表明飓风沿着墨西哥湾沿岸和南大西洋海岸的行进速度和风暴进场角之间存在正相关[8]。为了考虑这种相关性,行进速度的对数平均值为:

其中a0和a1为历史数据值。

中心压差

飓风中心和周围大气压力之间的压差,在确定风速中起着非常重要的作用,表示为 Delta; p。中心压差(毫巴)用Weibull分布[7],[9]建模表示。

k 由历史数据确定的常数, C 由如下所述确定。

某些地区的数据表明中心压差和进场角之间的具有显著相关性,例如南佛罗里达[8],这种相关性可以通过尺度参数C 在Weibull分布中作为风暴方向的线性函数表示:

a2、a3 由历史数据确定的常数。

HURDAT记录的是中心压力 p 而不是中心压力差 Delta; p。从中心压力的转换p 到中心压差 Delta; p可以通过以下公式表明【9】:

最大风速

目前气象研究中最大风速模型通常很复杂的,往往涉及敏感和难以确定的参数。在本次研究中,最大风速基于其登陆时最小中心压力p 建模。

模拟登陆时最小中心压力 p,确定相应飓风的Saffir-Simpspon类别(研究表明使用最小中心压力比使用风速来分类飓风更有效[1])。然后,在特定的Saffir-Simpson类别中按比例确定最大风速。

例如,模拟飓风的中心压差在其登陆时为45mb,即,通过(7)计算的最小中心压力为968mb 。根据表1所示的Saffir-Simpson量表,它是第2类飓风; 然后该飓风在着陆时的最大持续风速为在94mph(41.8m / s)到110mph(48.9m / s)范围内的106.6mph(47.4m / s)。

阵风因素

结构损坏与峰值阵风速度密切相关,峰值阵风速度是在指定时间段(通常为3秒)内最高的“瞬时”风速。阵风因子可以用于从持续风速(最大风速预计是指1分钟持续风)估计最可能的峰值阵风速度。ESDU模型为飓风阵风因素提供了一个准确的模型,适用于陆地和水面[10]。

ESDU模型需要迭代计算。通过使用Newton-Raphson方法的1000年模拟中可以观察到阵风系数值的分布高度集中在1.287的值附近,标准偏差为0.002。在本次研究中,1.287的值用来替代ESDU模型,以减少计算强度,特别是对于蒙特卡罗模拟。

最大风力半径

描述最密集的飓风风速的范围的半径。最大风速半径Rm a x由经验模型[1]描述:

psi; 是风暴纬度, Delta; p 是中心压差。

衰减率(填充率)

由于与陆地的摩擦,地形切断飓风的循环并挤出风暴的水分,导致飓风强度衰减并在着陆后消散。

有两种广泛接受的飓风衰减(填充)模型:一种估计登陆后的风速变化,命名为KD95 [6],[11],另一种模型是估计登陆后中心压力的变化。

KD95基于以下假设:热带气旋以与其登陆强度成比例的速率衰减,热带气旋风在登陆后随时间以指数方式衰减。KD95已用于许多实时预报和37°N南部(佛罗里达位于南纬32°N)的风暴的应急处理。

R = 0.9 是用于说明海陆风速降低, Vb=13.75m/s,alpha;=0.095hminus;1,V0 是登陆时最大持续1分钟地面风速。

用于最小中心压力演变的填充率模型[12]建模为:

Delta; p0是登陆时的中心压差; 填充常数定义为:

佛罗里达半岛的参数值在[12]中定义:a4= 0.006 a5= 0.00046, ε 是一个正态分布误差项,平均值为0,标准偏差为0.025。

风场剖面

对于飓风,其中心风速最高; 风速随着位置远离飓风中心而逐渐减小。根据Holland [13]开发的风场模型可以描述飓风中的风的径向剖面。

Vg 是半径R处的梯度风速 ,空气密度rho; = 1.15kg/m3 , p 是中心压力, pn 是环境压力(典型值为1013mbars或101.3帕斯卡),f 是科里奥利参数:

Omega; = 7.292 times; 10- 5r a d / s是地球的角速度[14] ,和phi; 是当地的纬度。

在等式(12)中,A和B是两个缩放参数。对于实际飓风,它们是根据观察结果经验估计的; 而对于模拟的飓风,A和B可以使用(14)(15)确定:

Vm 是最大风速, e 是自然对数的基数,值为2.718,和 R最大 是最大风速半径。

通过该风场模型计算的上层风需要调整到地面水平(10米),以评估飓风造成的基础设施损害。

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