引言

风是由空气流动引起的一种自然现象，它蕴含的能量巨大，对人类生产生活产生很大的影响。在全球范围内，风灾已经成为造成人员伤亡和经济损失最为严重的自然灾害之一。据资料统计，1950—1999年全球风灾发生频繁，因风灾造成的死亡人数达63万，经济损失达2688亿元。我国风灾以沿海地区最为严重，每年因风灾造成的死亡人数约为453人，直接经济损失超过260亿元人民币(王润等, 2000；牛海燕等, 2011)。

湖北地处长江中游，位于典型的亚热带季风气候区，四季气候变化明显，气象灾害频发，风灾是主要的气象灾害之一。风灾类型包括冷空气南下引起的寒潮大风，强对流引起的飑线大风、雷暴大风等，毁坏农作物、房屋、输电线路、广告路牌等，引发翻车、翻船等事故，严重威胁人们的生命和财产安全。20世纪70年代，Fujita et al(1970)、Fujita(1974；1978)在美国开创性地开展了风灾调查工作，现已形成了较为规范完整的龙卷和下击暴流所致风灾的调查体系(Bunting and Smith, 1993；U.S. Department of Commerce, 2003；Frelich and Ostuno, 2012；Edwards et al, 2013；Atkins et al, 2014)。

近些年我国不少学者在风灾调查和影响评估方面做了大量的工作并取得了显著的成果(白雪，2012；陈红霞等，2008；段亚鹏等，2017；雷小途等，2009；李兰和陈正洪，2007；李兰等，2009；刘希文等，2018；唐红忠等，2006；唐小新和廖玉芳，2007；谢萍，2010；谢萍等，2013；徐双柱等，2004)，为防灾减灾工作提供了强有力的科技支撑。但对灾情评估主要依据经济损失、人口伤亡等实际损失，开展定性或半定量化的评估，在中小尺度风灾个例现场调查分析工作上相对简单，明显存在不足(郑永光等，2016a；2016b)。

20世纪以来，中国大陆共发生三起大型海难，分别为，“江亚号”沉没事件、“大舜号”沉没事件，以及“东方之星”翻沉事件。“东方之星”翻沉事件是长江航运史上影响最大的一次事件，发生在2015年6月1日21：30左右，重庆东方轮船公司所属“东方之星”游轮上行至长江水域湖北荆州市监利县大马洲水道44号过河标水域处翻沉，导致442人遇难。6月2—14日期间，湖北省气象局多次派出调查组，联合中国气象局调查组赴监利县、岳阳市等地在辖区长江两岸开展实地调查。与郑永光等(2016a)通过现场天气调查分析并结合其他气象观测资料来揭示此次导致大风天气的原因和大气运动的复杂性以及多尺度性的调查目的不同，本文旨在从具体灾情出发，通过前期研判、影像拍摄、外围走访等手段确定大风天气的发生时间和地点、具体灾情和行经路径等，并结合个例分析，估算致灾风速，还原灾情实况；通过与郑永光等(2016a)的调查结果比较，验证该估算方法的准确性，为缺少实测数据的地区开展风灾定量化评估提供参考。

1 事件发生天气概况

根据雷达、GPS、闪电定位等监测资料显示，2015年6月1日湖北省长江流域及鄂东北地区出现了暴雨、雷电、大风等强对流天气，强降水中心位于洪湖、监利、石首。

地面气象观测显示，事发区域最大小时降水量集中出现在6月1日21—22时，其中距离最近的3个自动气象站：监利、长江村、上车最大小时降水量分别为64.9、55.6、54.9 mm，出现时间均为22时。事发区域7级以上的风速集中出现在22:03—22:28，其中距离最近的2个气象站：监利、长江村极大风速最大值分别为9.2、9.5 m·s^-1(5级)；自动气象站中极大风速最大值出现在棋盘，达18.7 m·s^-1(8级)，出现时间为22:08，距事发区域以西约22 km。事发区域21—22时能见度在2~3 km。

2 事件调查情况 2.1 调查时间

2015年6月2—11日先后3次开展现场调查，详见表 1。

2.2 调查范围

根据强对流天气影响范围，在灾情研判和前期调查结果的基础上，初步确定调查区域为沿长江南北两岸距事发现场0.5~12 km的范围，调查总面积近88 km²(6.5 km×13.5 km，图 1)。

主要调查区域有4处(图 1)，具体为北岸3处，南岸1处，情况如下：

区域1(RG1)：位于湖北省监利县容城镇横堤以南、横岭村以北，西至长江沿岸、东至畜牧村与新建村范围内。该区域在事发水域东北方位附近(29.4°~77.4°)，相距1.4~3.3 km，调查面积近433600 m²。

区域2(RG2)：位于湖北省监利县容城镇新洲村以南、庙岭村以北，西至长江沿岸、东至四台村范围内。该区域在事发水域东北偏北方位(11.0°~38.2°)，相距3.9~5.6 km，调查面积近262700 m²。

区域3(RG3)：位于湖北省监利县容城镇董老台以西至长江沿岸老台深水码头范围内。该区域在事发水域北略偏东方位(1.2°~3.2°)，相距8.9~9.4 km，调查面积近28100 m²。

区域4(RG4)：位于湖南省华容县东山镇顺星村以东至长江沿岸范围内。该区域在事发水域北偏西方位(338.9°~342.7°)，相距5.7~7.4 km，调查面积近46500 m²。

根据40余处现场勘察及走访情况显示，此次强对流天气出现雷暴、大风、暴雨等灾害性天气，呈现历时短、过程复杂、破坏性强等特点。过程发生时间在6月1日21:15左右，大风持续40 min左右，强降水持续近2 h；过境区域出现树木及农作物弯曲、折断、倒伏，房屋顶部掀翻、吹落，船只吹走等灾情。灾情信息汇总见表 2。

2.3 调查结果

区域1与区域2地处湖北省监利县容城镇内(图 2)，受大风和渍涝影响较为严重，受灾点较为分散，以农田和林地为主。区域1内灾情以玉米最重，成片倒伏，树木零星压弯或折断，整体向东倾倒；区域2灾情最重，树林与玉米均有大片倒伏或折断现象，整体向东南偏东倾倒，局部(21#、34#~36#)有辐散迹象。区域3是老台深水码头内的一片防护林(图 3)，位于事发地点偏北方位，受灾点集中且面积较大，以树木和船只为主。树木呈压弯、推倒或折断状态，连根拔起倒伏的树木有10多根；两艘船只被吹走，最远吹至下游5000 m，整体向东偏南倾倒或移动。区域4位于湖南省华容县(图 4)，位于事发地点西北偏北方位，风灾影响尤为明显，受灾点多且分散，集中出现在顺星村，以厂棚、农舍、农田和林地为主。树木有压弯、推倒或折断等痕迹，推倒或折断树木胸围在48~140 cm；厂棚、农舍屋顶部分被掀翻；小片玉米受大风及渍涝影响倒伏，集中向南偏东—东南倾倒或移动。据目击者证实，雷雨大风天气发生时间在区域4时为6月1日21时左右，持续时间为30~40 min；在区域3为21:15左右，持续时间为15~20 min。

本次过程引发的灾害类型主要体现为强对流引起的大风以及强降水引起的渍涝，其中大风造成的影响更为显著，受灾严重区域集中在事发点以北8 km范围内。从沿江两岸陆面部分区域受灾情况来看(表 2)，受灾体主要为树木、作物、房屋、船只等。从破坏强度上看，大风对地表植被的影响程度最大，尤以树木为重，受灾点共计31处，占总调查点数的72.1%，最大受灾点的面积约为12130 m²(34#~37#)，最大受灾单体胸径为45 cm(7#，图 5d)，东岸四台村受灾最为严重。从破坏形式上看，大风造成地表植被折断或倒伏(图 5a、5b和5c)，建筑物顶部掀翻或吹落，生产设备、设施吹走等。从岳阳雷达探测到的中气旋移动轨迹上看(图 6)，其自西向东移动，具有涡旋特征，垂直风切变明显，与郑永光等(2018)分析结果一致；受灾体的倾倒方向进一步证实了气旋的移动轨迹。不同区域受灾体倾倒方向有明显的一致性(图 2、图 3和图 4)，但长江两岸存在水平切变，风向偏转近90°。以树木为例，事发区域近地面长江西岸树木折断或倒伏方向以东南向为主；长江东岸树木折断或倒伏方向以东向为主，距事发点4 km左右区域风切变强烈，有一定辐散特征，这与郑永光等(2016a)调查结果一致。

3 致灾风速的估算方法 3.1 受灾体基本情况

此次受灾树木品种大多为速生杨，其具有生长快、抗病虫能力强等特点，适合在湖区等地种植。速生杨树5年生胸径达14~25 cm，平均年生长量树高为3.71 m，胸径为4.85 cm，因其根系分布浅，若地面排水不畅，易遭风倒危害。根据调查情况显示，受损杨树大多树龄不大，除少数枯、病树木外，均生长良好，倒伏或折断杨树胸径多在20~25 cm，树龄在5 a左右，最大胸径达45 cm，推算树龄近10 a。倒伏杨树树高在20 m左右，树根长度在0.78~1.45 m，多为1 m左右，根系浅且根须不发达，受强降水影响，局部地势低洼或排水不畅有渍涝现象。

3.2 致灾风速估算

为分析评估强对流引起的大风的破坏力，选取7#受灾点单株受损最严重的树木为研究对象，进行个例分析。

根据地面气象观测资料显示，事发区域事发时(21—22时)气温在24~28℃，湿度在80%~100%。损毁最严重的树木单体，高约25 m，胸围为140 cm，胸径约45 cm，树冠直径约8 m，面积约50.3 m²，受树冠遮挡、重叠影响，折算系数按80%计，即40.2 m²。

以上述典型个例为例，采用简化方法进行杨树的抗倾覆验算，并由此推算致灾风速。根据实际灾情，杨树以撕裂方式折断，略见扭痕，倾覆力矩仅考虑水平方向，同时忽略土壤类型、土壤含水率等因素。计算时还做如下假定：(1)杨树的刚度大，受外力形变小；(2)树木地下根部近似为圆柱体；(3)树冠为球型；(4)水平风载荷分布于树冠，作用点位于树冠高度的1/2处；(5)水平抗剪力作用点位于树根地下埋深的1/2处；(6)风与树冠迎风面垂直，即水平夹角为0°。

参考高层建筑抗倾覆力矩计算方法(史庆轩和梁兴文，2012)，根据杠杆原理，推导出倾覆力矩和抗倾覆力矩(图 7)，计算公式如下：

$ M_{o}=W P \cdot S \cdot C F \cdot\left(H_{0}-H_{1} / 2-H_{2}\right) $

(1)

式中：M_o为倾覆力矩，单位：kN·m；WP为风压，单位：kN·m^-2；S为树冠迎风面积，单位：m²；CF为折算系数，按80%计；H₀为树木地面以上高度，单位：m；H₁为树冠高度，单位：m；H₂为树木折断处距地面高度，单位：m。

$ M_{a}=\tau \cdot 2 R \cdot D \cdot\left(D / 2+H_{2}\right) $

(2)

式中：M_a为抗倾覆力矩，单位：kN·m；τ为抗剪强度，单位：kg·m^-2；R为地下根部半径，单位：m；D为树根地下埋深，单位：m；H₂为树木折断处距地面高度，单位：m。

风压计算公式如下：

$ W P=0.5 \rho v^{2} $

(3)

式中：WP为风压，单位：kN/m²；ρ为空气密度，单位：kg·m^-3；v为风速，单位：m·s^-1。

当M_o=M_a时，树木受力平衡，当M_o>M_a时，树木在风力作用下将会折断，将式(3)带入式(1)、(2)中，即得临界致灾风速Vc：

$ V_{c}=\sqrt{\frac{2 \cdot \tau \cdot 2 R \cdot D \cdot\left(D / 2+H_{2}\right)}{\rho \cdot S \cdot C F \cdot\left(H_{0}-H_{1} / 2-H_{2}\right)}} $

(4)

式中，τ取值0.36 kg·cm^-2(张瑜等，2015)，R取1.5 m，D取2 m，H₂取1.8 m，其他参数取值见式(1)~式(3)。各参数带入式(4)经计算可得，V_c为28.7 m·s^-1，即当风速>28.7 m·s^-1时，该杨树受风力折断，与现场调查的估计地面最大风速达12级以上(>32.6 m·s^-1)(郑永光等，2016a；2018)的结果基本吻合。

致灾风速的估算按简化条件处理，未考虑树冠迎风的夹角问题，当有夹角存在，且随夹角的增大，风速也明显加大(图 8)。由于实际情况更为复杂(盖小刚等，2014；马云等，2009；齐娜等，2010；任如红等，2013；沈照伟等，2013；王剑敏等，2011；周红艺和李辉霞，2014)，实况风速较临界致灾风速偏大(图 8)。

4 结论

“东方之星”翻沉事件发生区域内存在强对流天气系统，导致事发区域内出现雷暴、大风、暴雨等灾害性天气。

(1) 在事发地点半径12 km范围内开展现场调查，发现42处受灾点，调查结果表明：事发区域长江东岸受灾更为严重，其中顺星村、老台深水码头等地受风灾影响最重。沿江两岸风场同时存在垂直切变和水平切变，近地面西岸以偏西风为主，受河道、植被等下垫面影响，过江至东岸转北，变为西南风，局地存在辐散迹象。

(2) 现场调查显示受灾点分布分散，基本出现在雷达探测到的天气系统移动路径上，受灾点与其移动中心距离在1~3 km，且过境历时不足30 min，由此显示风灾具有空间分布不连续和小尺度的特征。

(3) 72.1%受灾点以杨树为主, 强风是树木倒伏或折断的主要原因，伴随强降水影响，渍涝严重，使得压弯、倒伏甚至折断现象更易发生。以杨树为研究对象，估算致灾风速，结果显示，致灾风速为28.7 m·s^-1，即风力等级10级以上，与郑永光等(2016a)的调查结果基本吻合。由此可见，强风是造成此次事件的重要原因之一。

致谢：特别感谢湖北省监利县气象局潘建成、蔡伟、武汉区域气候中心杨亮等在现场调查过程中给予大力协助。