英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
佛罗里达州设施损坏和风险评估的飓风模拟方法
Le Xu，IEEE成员，和Richard E.Brown，IEEE会员
摘要 - 2004-2005年飓风季节对电力系统造成严重的基础设施损坏和经济损失。 对飓风频率，强度和持续时间的良好估计对脆弱沿海地区公用事业的紧急计划者非常重要。 然而，飓风特征的相当大的不确定性使得建模是一项复杂的任务。本文提出了一个概率模型，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被概率地分配登陆信息，诸如位置，进场角，平移速度，最大风速和到最大风的半径。 随着飓风移过佛罗里达，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，这种飓风模型能够产生大量随机飓风年份，以便估计飓风造成的长期风险水平，并协助相关规划。 针对实际ASCE 7风图的模拟风图的验证表明，该飓风模型可以很好地再现佛罗里达州整体飓风活动的实际模式。
索引词：损伤评估，飓风模拟，蒙特卡罗模拟，概率模型
I.引言
登陆的飓风通常会带来强风，暴雨和高风暴潮，威胁沿海社区并造成严重的社会和经济问题。 佛罗里达的季节性飓风活动比美国的许多其他国家有更大的变异性，因为它的地理位置和长的海岸线。架空电力线建设的高百分比和系统的地理分散性导致电力系统易受飓风引起的威胁。飓风造成的停电可能在一些严重受损的地区持续数天甚至数周。
飓风频率和强度的建模对公用事业机构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; 只有几个完整的飓风模型如联邦紧急管理局（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住宅结构损伤估计。 由于其损失评估的目标，飓风模型嵌入有限的中间结果，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不可避免地导致在应用HAZUS-MH评估飓风对公用事业基础设施（其不是其原始目标人群）造成某些困难。在本文中，编制概率飓风模型，以评估飓风对佛罗里达州公用事业造成的损害和风险。 利用某些合理的假设来简化程序，该模型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跟踪大量模拟的平均效果，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州的公用事业公司估计其整个服务区域和任何特定位置的飓风相关风险。第2节简要介绍了在这项工作中使用的飓风数据库; 第3节介绍了各个飓风方面的各种模型; 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事业造成的损害; 第5节讨论参数校准和模型验证，第6节总结了这项工作并提出了未来的工作。
II.北大西洋飓风数据库
由大西洋海洋和大气层管理局（NOAA）的气象实验室编制的北大西洋飓风数据库（HURDAT）是北大西洋飓风数据的最完整和可靠的来源（HURDAT目前正在进行 重新分析以提高数据质量，但它仍然是迄今为止最好的可用数据源）。 这个数据库已被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），平移速度（或前进速度），风速（最大持续1分钟风 速度在10米高），和中央压力的一些最近的飓风。 对于在美国登陆的飓风，他们登陆的状态和登陆时的Saffir-Simpson类别另外记录。 Saffir-Simpson量表如表1所示[1]。，
佛罗里达又分为四个地区：西北，西南，东南和东北。 在这些地区的飓风发生是相当不同的。 如表二所示，佛罗里达州的西北地区在1851年到2005年期间经历了最多登陆飓风，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，而北部地区没有记录4级或5级飓风。
III. 飓风方面的模拟模型
飓风由复杂的自然机制驱动，其发展涉及广泛的不确定性。 因此，飓风模拟需要以概率模拟其不利条件开始。 为了使公用事业估计飓风对其系统基础设施的影响，模拟的天气方面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。 通常，它需要使用蒙特卡罗模拟，以便随机生成的风暴可以与基础设施损坏和修复模型链接。
A.假设
飓风功能可能因情况而异。 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回到土地。 由于我们的模拟模型是开发用于公用事业基础设施损害评估，它是统计学模拟佛罗里达的一般飓风年。 换句话说，它被设计为跟踪大量模拟的平均影响，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提取信息时，只包括在佛罗里达登陆的飓风。已经观察到，HURDAT已经包括一些“有惊无险的飓风”，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。对于登陆在邻国如阿拉巴马州，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纳入其影响。
2.每次飓风只考虑一次登陆;它在佛罗里达在现实中一般是真的。对于罕见的情况，其中飓风做出多个登陆，不同的登陆被认为是从单独的飓风模拟。
由于只有登陆之后的飓风强度通常感兴趣，所以飓风风速被假定为恒定直到登陆;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，风速在登陆后衰减。对于每个模拟风暴，飓风平移速度保持不变。
4.飓风通常遵循从其起源到其消失的曲率轨迹。然而，据观察，佛罗里达州的飓风持续时间通常较短，因为其狭窄的形状。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。
B.频率
飓风频率已被建模为泊松分布或负二项分布[2-5]。 这两种模型都非常成功，他们之间的建模年飓风频率的差异可以忽略不计[2]。 在这项工作中选择泊松分布的简单性：
其中h是每年飓风的数量，lambda;是在给定间隔期间（在这种情况下为一年）的飓风的预期数量。 lambda;的最大似然估计量只是佛罗里达不同地区历史事件的平均值，如表三所示。
C.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，然后模拟其完全发展，直到飓风消失。它有利于模拟整个大西洋盆地情景;然而，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落在佛罗里达州。
在这项工作中，模拟飓风的着陆位置是根据佛罗里达州历史飓风着陆信息的分布。佛罗里达州的每个地区的海岸线分为一定数量的仓。箱子在纬度或经度的范围方面具有相同的大小。历史飓风登陆位置在这些舱之间的分布形成了为每个模拟飓风分配登陆位置的基础，使得模拟着陆位置与历史数据的概率分布一致。
允许在两个相邻区域中的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数据而不是实际观察估计的。
D.接近角
进场角表示飓风上岸时的飓风方向; 它被表示为最接近5度，北方0度，如图1所示。
进场角建模为双正态分布[6,7]，它是两个正态分布的加权和，如下所示：
其中mx1和mx2分别是两个正态分布的平均值，sigma;x1和sigma;x1是它们的标准偏差，a1是加权因子; 这些参数将从历史数据中识别。
E.平移速度
飓风速度在其登陆的平移速度可以建模为对数正态分布[5,8]：
其中c是平移速度，mInc是对数平均值，sigma;Inc是从历史数据中识别的对数标准差。
发现沿着墨西哥湾沿岸和南大西洋海岸的平移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，平移速度的对数平均值建模为：
其中a0和a1将从历史数据中识别。
F.中心压力差
飓风中心和周边大气压力之间的差值，表示为Delta;p，在确定风速方面起着非常重要的作用。 中心压差（毫巴）被建模为Weibull分布[7,9]。
其中k是从历史数据中识别的常数，C如下所述确定。 中心压力差和进场角之间的统计显着相关性也发现在某些地点，如南佛罗里达[8]，相关的影响包括在Weibull分布中的尺度参数C作为风暴的线性函数方向：
其中a2和a3是从历史数据中识别的常数。HURDAT记录中心压力p而不是中心压力差Delta;p。从中心压力p到中心压力差Delta;p的转换是相当简单的，给定大气压力在超过飓风的典型值为1,013毫巴[9]的影响的距离：
G.最大风速
最近的气象研究中的最大风速模型通常很复杂，涉及敏感和难以确定的参数。 在这项工作中，最大风速是基于其最低中心压力p在其登陆时粗略建模。登陆时的模拟最小中心压力p确定相应飓风的Saffir-Simpspon类别（已经研究了使用最小中心压力对飓风进行分类导致的误差比4使用风速[1]小）。 然后，在特定的Saffir-Simpson类别中按比例确定最大风速。
例如，模拟飓风的中心压力差在其登陆处为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被计算为在从94mph（41.8m / s）到110mph（48.9m / s）的范围内成比例的106.6mph（47.4m / s）。
H.阵风因子
结构损伤与阵风速度峰值密切相关，峰值阵风速度是指定时间段（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。 证明了ESDU模型为飓风阵风因素提供了一个充足的模型，无论是水上还是陆地[10]。
ESDU模型需要迭代计算。 基于使用Newton-Raphson方法的1000年模拟，观察到计算的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（模拟是基于粗糙度长度的3s峰阵列 为0.05mu;m）。 在这项工作中，1.287的值被用来替代ESDU模型，以减少计算强度，特别是对于蒙特卡罗模拟。
I.半径最大风
半径最大风描述最密集的飓风风速的范围。 最大风Rmax的半径由经验模型[1]描述：
psi;是风暴纬度，Delta;p是中心压力差。
J.衰减率（填充率）
飓风强度衰减并在着陆后消散，因为大的土地质量引起摩擦，地形切断了飓风的流通，挤压了风暴的湿润。
有两个广泛接受的飓风衰减（填充）模型：一个估计降落后的风速，命名为KD95 [6,11]，其他模型的变化中心压力。
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已经用于许多实时预报和37。N以南的暴风雨应急准备（佛罗里达位于32。N以南）。
其中R = 0.9是用于说明海陆风速降低的因子，Vb = 13.75m / s，alpha;= 0.095h-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]被建模为：
其中Delta;p0是登陆时的中心压力差; 填充常数a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。
K.风场剖面
对于飓风，最强的风通常发生在眼壁处; 风速随着位置远离飓风中心而减小。 由Holland [13]开发的风场模型描述了飓风中的风的径向剖面。
其中Vg是半径r处的梯度风，rho;= 1.15kg / m3是空气密度，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：
其中Omega;= 7.292times;10-5rad / s是地球的角速度[14]，Oslash;是当地纬度。
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）和（15）在气候学上确定：
其中Vm是最大风速，e是值为2.718的自然对数的底，Rmax是到最大风的半径。
由该风场模型计算的上层风需要调整到地面水平（10米），以评估飓风造成的分布基础设施损害。 在[12]中的简单方法对于r lt;2Rmax应用17.5％的减少，对于rgt; 4Rmax应用25％的减少，具有用于r的中间值的平滑过渡曲线。 这些参数用于水上风速调节; 在陆地上风速的减小更大。 在这项工作中，使用具有针对ASCE 7风力图校准的参数的类似方法。
IV．飓风模拟
当个别飓风方面已经通过统计或经验模拟时，可以模拟佛罗里达的完整飓风和一般飓风年。 第一步是模拟佛罗里达州不同地区的年度飓风频率。 然后，使用第三节中介绍的模型为每个模拟飓
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[136944]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
