水汽風(fēng)速放大計(jì)算可能最大暴雨方法

梁忠民+季俊杰+卜慧+劉甜+楊靖

摘要：我國(guó)可能最大暴雨（PMP）計(jì)算中，通常采用兩種放大方法，即水汽效率放大和水汽風(fēng)速放大，但一般認(rèn)為水汽風(fēng)速放大成果不穩(wěn)定，結(jié)果往往偏大，所以通常只作參考，最后基本上都選取水汽效率的放大結(jié)果作為最終的設(shè)計(jì)成果。借鑒港口工程設(shè)計(jì)中“風(fēng)玫瑰圖”概念，對(duì)傳統(tǒng)水汽風(fēng)速放大方法進(jìn)行改進(jìn)，即先根據(jù)研究區(qū)域常風(fēng)向?qū)?shí)測(cè)風(fēng)速資料進(jìn)行風(fēng)向分組，對(duì)每組風(fēng)向的典型暴雨進(jìn)行放大，再?gòu)闹羞x取最大值作為水汽風(fēng)速的放大成果，為PMP計(jì)算提供了一種新的思路。以湖北省咸寧核電廠為例進(jìn)行了應(yīng)用研究，并與水汽效率放大方法和傳統(tǒng)水汽風(fēng)速放大方法結(jié)果進(jìn)行了比較，提供了更為合理的分析成果。

關(guān)鍵詞：可能最大暴雨P(guān)MP；水汽風(fēng)速放大；水汽效率放大；風(fēng)玫瑰圖

中圖分類號(hào)：P339文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-1683（2017）01-0014-04

Abstract：Generally，moisture and efficiency factor maximization or moisture and wind maximization are two approaches used to estimate the probable maximum precipitation （PMP） in China.But only the value obtained from the moisture and efficiency factor maximization is used as the PMP estimation in most cases，because the moisture and wind maximization approach regularly overestimates and therefore is usually taken as reference only.This paper presents a modified moisture and wind maximization method based on the "Wind Rose Diagram" applied in port engineering.First，measured wind speed and direction data are grouped according to the direction of prevailing wind in the studied area.Then，the high-efficiency storm in each group of wind direction is maximized.Finally，the maximum value among all groups is chosen to be the final result of moisture and wind maximization，that is PMP value.The new approach was tested on the Xianning nuclear power plant in Hubei Province，and generated a more reasonable PMP value compared with the traditional approaches.

Key words：probable maximum precipitation （PMP）；moisture and wind maximization；moisture and efficiency factor maximization；Wind Rose Diagram

可能最大暴雨/洪水（PMP/PMF）作為重要水庫(kù)大壩的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在世界范圍內(nèi)開展了大量的研究與應(yīng)用[1]。1973年，世界氣象組織（WMO）正式出版了可能最大降水估算手冊(cè)[2]，隨后分別于1986年和2009年對(duì)手冊(cè)進(jìn)行了修訂完善[3-4]。我國(guó)開展PMP/PMF的研究始于20世紀(jì)50年代，“75.8”河南特大暴雨后，我國(guó)加快了PMP/PMF的研究和應(yīng)用工作，其中，理論研究成果以詹道江和鄒進(jìn)上編著的《可能最大暴雨與洪水》[5]、王國(guó)安編著的《可能最大暴雨和洪水計(jì)算原理與方法》[6]最具代表性。目前，PMP/PMF已作為我國(guó)水利水電工程防洪設(shè)計(jì)的最高校核標(biāo)準(zhǔn)[7]，也是核電工程洪水的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)[8]。

近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者在PMP的計(jì)算方法上取得了一些新進(jìn)展。Ohara等利用區(qū)域氣候模式MM5模擬歷史極端暴雨，并通過調(diào)整模型的初始及邊界條件實(shí)現(xiàn)暴雨放大以推求PMP[9]；Ishida等采用MM5模式與相對(duì)濕度最大化相結(jié)合的途徑，計(jì)算了北加利福尼亞三個(gè)小流域的PMP[10]；Beauchamp等采用加拿大區(qū)域氣候模式CGCM計(jì)算了流域的可降水量[11]。

目前我國(guó)工程實(shí)際中的PMP計(jì)算方法包括水汽效率放大和水汽風(fēng)速放大兩類。相較而言，水汽效率放大法推求的PMP結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，而水汽風(fēng)速放大推求PMP，由于風(fēng)速的日變化較大，最大風(fēng)速與最小風(fēng)速的比值通常也較大，往往導(dǎo)致根據(jù)最大比值進(jìn)行典型暴雨放大估算PMP的計(jì)算結(jié)果也偏大[12-13]。所以，很多實(shí)際工程中都以水汽效率放大方法的結(jié)果為主，水汽風(fēng)速放大方法結(jié)果通常只作參考，限制了該方法的應(yīng)用。水汽風(fēng)速放大法結(jié)果偏大的原因，除了風(fēng)速的日變化較大外，還由于該方法取所有方向上最大與最小風(fēng)速的比值進(jìn)行典型暴雨放大之故，而這種做法與一個(gè)地區(qū)實(shí)際的風(fēng)向特點(diǎn)也不甚相符。本文借鑒海洋工程水文計(jì)算中“風(fēng)玫瑰圖”的概念[14]，先將一個(gè)地區(qū)的水汽風(fēng)速資料按照常風(fēng)向分為若干個(gè)主要的水汽入流方向，在每個(gè)方向上分別進(jìn)行水汽風(fēng)速的極大化及典型放大，再取所有方向數(shù)值中的最大值（即外包值）作為PMP的估算結(jié)果。以湖北咸寧核電廠PMP的估算為例進(jìn)行了應(yīng)用研究，通過與其它方法的對(duì)比分析，表明本文方法是合理可行的。

1 水汽風(fēng)速放大推求PMP方法

1.1 傳統(tǒng)的水汽風(fēng)速放大方法

水汽風(fēng)速放大方法分為按水汽W和風(fēng)速V分別放大后再相乘，以及水汽入流指標(biāo)（水汽與風(fēng)速乘積VW）放大兩種，但其基本假設(shè)是相同的，即認(rèn)為降水P與V及W具有正相關(guān)關(guān)系[5]，該方法的主要步驟如下。

（1） 選取水汽入流方向，計(jì)算代表層風(fēng)速。先根據(jù)流域氣象條件規(guī)定水汽入流的大致方向，選取各氣象站暴雨當(dāng)天及前兩天（具體選取時(shí)段視情況而定）的風(fēng)向風(fēng)速，合成每一天0 h和12 h兩個(gè)時(shí)刻的風(fēng)速，最后挑選出三天中合成風(fēng)速最大且風(fēng)向合理的風(fēng)速作為典型暴雨的代表層風(fēng)速Vd。

（2） 計(jì)算代表性可降水量。選取水汽入流方向上的露點(diǎn)代表站暴雨當(dāng)天及前兩天（具體選取時(shí)段視情況而定）的露點(diǎn)資料，計(jì)算地面持續(xù)12 h最大露點(diǎn)，并按飽和假絕熱線化算到1 000 hPa，各站取平均即為代表露點(diǎn)，按此露點(diǎn)和流域平均高程推求典型暴雨可降水量Wd。

（3） 水汽風(fēng)速或水汽輸送率放大推求PMP。水汽風(fēng)速放大的極大化指標(biāo)為VmWm，水汽輸送率放大的極大化指標(biāo)為 （VW）m，放大公式如下：

1.2 改進(jìn)的水汽風(fēng)速放大方法

本文根據(jù)海岸工程中“風(fēng)玫瑰圖”的概念，提出一種改進(jìn)的水汽風(fēng)速放大計(jì)算PMP的思路?！帮L(fēng)玫瑰圖”也叫“風(fēng)向頻率玫瑰圖”，它是根據(jù)某一地區(qū)多年平均統(tǒng)計(jì)的各個(gè)風(fēng)向出現(xiàn)的頻率，并按一定比例繪制，通常分為8個(gè)方向或16個(gè)方向，見圖1。

現(xiàn)行的水汽風(fēng)速放大推求PMP方法中，在利用公式（1）或（2）時(shí)，是由可能最大風(fēng)速與所有方向上代表層風(fēng)速中的最小風(fēng)速相比，作為放大倍比，所以這個(gè)比值往往會(huì)很大，導(dǎo)致計(jì)算的PMP偏大。本文借鑒風(fēng)玫瑰圖概念，提出先將實(shí)測(cè)場(chǎng)次暴雨按常風(fēng)向進(jìn)行分組，劃分成若干個(gè)水汽入流方向，再在每個(gè)方向上分別選取極大化指標(biāo)VmWm或（VW）m進(jìn)行放大，最后再取各方向的外包值作為PMP的結(jié)果。由于實(shí)測(cè)場(chǎng)次暴雨資料中最大風(fēng)速與最小風(fēng)速出現(xiàn)在一個(gè)方向的概率較小，使得計(jì)算的放大倍比不至于過大，可以避免推算PMP結(jié)果過大現(xiàn)象。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 流域基本情況

（1）基本情況。

咸寧核電廠位于湖北省咸寧市通山縣大畈鎮(zhèn)境內(nèi)大坑村、官塘村附近的“獅子巖”，坐落在富水水庫(kù)中部北岸之濱。廠址位于富水流域，富水為長(zhǎng)江中游下段南岸一級(jí)支流，流域地勢(shì)西南高東北低。

（2）暴雨及水汽來(lái)源。

研究區(qū)的暴雨一般多為渦切變暴雨，也有冷鋒和臺(tái)風(fēng)暴雨，暴雨影響系統(tǒng)基本分為三類：一是盛夏臺(tái)風(fēng)在副熱帶高壓南緣西行影響湖北省，二是低渦沿副高北緣的切變線東移造成暴雨，三是蒙古槽由貝加爾湖帶來(lái)北路冷空氣結(jié)合低層低渦沿副高外圍形成暴雨帶。

據(jù)暴雨天氣分析，咸寧地區(qū)水汽來(lái)源及輸送的形式主要包括：①西南季風(fēng)。初夏時(shí)節(jié)，槽前西南氣流送來(lái)孟加拉灣的暖濕空氣，大暴雨常發(fā)生在鄂東和江漢平原東部；②東南水汽。盛夏，由于東風(fēng)帶系統(tǒng)活動(dòng)頻繁，水汽多來(lái)自東海，暴雨區(qū)集中在鄂西；③形成于東海或南海的臺(tái)風(fēng)裹挾大量水汽從我國(guó)東南沿海登陸，一路向西北深入內(nèi)陸到達(dá)核電廠所在區(qū)域，并在地形作用下形成大暴雨。

因此，可將研究區(qū)的水汽入流方向大致分為東南、南和西南三個(gè)方向，見圖2。

2.2 資料選用

（1）歷年最大24 h雨量資料。

本次選取了選擇暴雨資料完整、代表性較好、離廠址較近的官塘站作為控制站，官塘站建站時(shí)間為1973年，其附近的陽(yáng)辛站（距官塘約13 km）的建站年份比官塘站略早（但資料間斷）。根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水規(guī)范》（SL 44-2006），當(dāng)雨量站相距較近時(shí)，可直接將鄰站資料移用于設(shè)計(jì)站。因此，將1961年-1972年陽(yáng)辛站資料移用于官塘站，最終得到1961年-2013年共53年的歷年最大24 h雨量資料系列。設(shè)計(jì)流域雨量站位置及水系見圖3。

（2）氣象資料。

高空氣象站選取衢州、南昌、贛州、長(zhǎng)沙和貴陽(yáng)5個(gè)站，選定項(xiàng)目包括1961年-2013年的風(fēng)向風(fēng)速資料及1961年-1980年的高空露點(diǎn)資料，因核電廠廠址周圍露點(diǎn)平均高程約為85 m，因此選取850 hPa高空的風(fēng)向風(fēng)速作為代表層資料。其中，東南方向上的高空氣象代表站是衢州站和南昌站，正南方向上是南昌站和贛州站，西南方向上是長(zhǎng)沙站和貴陽(yáng)站，高空氣象站分布見圖4。地面露點(diǎn)站選南昌、修水、宜春、岳陽(yáng)和長(zhǎng)沙5個(gè)站，選定項(xiàng)目為1980年-2013年的地面露點(diǎn)，其中，東南方向上的代表站是南昌站，正南方向上是修水站和宜春站，西南方向上是岳陽(yáng)站和長(zhǎng)沙站，地面露點(diǎn)站分布見圖5。

2.3 水汽風(fēng)速放大推求PMP

（1）代表露點(diǎn)和最大可降水計(jì)算。

計(jì)算持續(xù)12 h最大露點(diǎn)，按飽和假絕熱化算到1 000 hPa，在水汽入流方向上各站取平均，即為各場(chǎng)降雨的代表露點(diǎn)。由于露點(diǎn)比較穩(wěn)定，一般在30年以上記錄中的持續(xù)最大露點(diǎn)所相應(yīng)的水汽含量就接近PMP時(shí)的水汽含量。所選擇的地面氣象站南昌、修水、宜春、岳陽(yáng)、長(zhǎng)沙均具有30年以上的地面露點(diǎn)資料，從各站歷年1000 hPa露點(diǎn)資料中選取持續(xù)12 h最大Tdm，南昌站為28.1 ℃、修水站為26.6 ℃、宜春站為27.2 ℃、岳陽(yáng)站為27.9 ℃、長(zhǎng)沙站為27.8 ℃，均小于本流域的水汽源地西太平洋的海洋表面水溫。考慮工程安全，故可能最大露點(diǎn)取六站的最大值Tdm=28.1 ℃，按此露點(diǎn)計(jì)算出咸寧核電廠廠址周圍露點(diǎn)平均高程85 m至12 000 m高空的可降水101.7 mm，即為最大可降水Wm。

（2）代表層風(fēng)速及水汽風(fēng)速放大推求PMP。

根據(jù)前述分析，咸寧核電廠所在地區(qū)的水汽入流共分為東南、正南和西南三個(gè)方向，在每個(gè)方向上分別逐年確定年最大24 h暴雨當(dāng)天、前2 d共72 h，0時(shí)和12時(shí)的合成風(fēng)速，再?gòu)亩嗄觑L(fēng)速系列中選取最大值作為該方向的歷史最大風(fēng)速。由于本次的資料系列較長(zhǎng)（53年），可以將歷史最大風(fēng)速近似作為該方向上的可能最大風(fēng)速。據(jù)此，可以求得各水汽入流方向上的可能最大風(fēng)速。

分別選取極大化指標(biāo)VmWm和（VW）m，按傳統(tǒng)水汽風(fēng)速放大方法和本文的改進(jìn)方法推求咸寧核電廠可能最大24 h暴雨，計(jì)算結(jié)果見表1。

結(jié)果表明，改進(jìn)的水汽風(fēng)速或水汽輸送率放大方法計(jì)算的PMP比傳統(tǒng)方法的結(jié)果降低較多。根據(jù)頻率分析結(jié)果，咸寧核電廠址24 h萬(wàn)年一遇設(shè)計(jì)暴雨為505.5 mm，本文改進(jìn)方法推求的可能最大24 h暴雨為576.7 mm，其與萬(wàn)年一遇的比值為1.14，該比值與我國(guó)大部分地區(qū)PMP與萬(wàn)年一遇比值介于1.1～1.2的認(rèn)識(shí)較為一致；而根據(jù)水汽效率放大方法推求的24 h PMP成果為391 mm，小于萬(wàn)年一遇設(shè)計(jì)值。因此，建議采用改進(jìn)的水汽輸送率放大計(jì)算的PMP結(jié)果作為當(dāng)?shù)乇┯攴糯蠓ǖ腜MP成果，即24 h PMP為576.7 mm。當(dāng)然，咸寧核電廠址最終PMP值還需結(jié)合移置暴雨放大后綜合確定。

3 結(jié)論

本文借鑒“風(fēng)玫瑰圖”的概念，對(duì)可能最大降水PMP計(jì)算中的水汽風(fēng)速放大方法進(jìn)行改進(jìn)。先根據(jù)暴雨天氣系統(tǒng)形成機(jī)制，確定研究區(qū)的主要水汽入流方向，并對(duì)實(shí)測(cè)場(chǎng)次暴雨資料進(jìn)行水汽入流方向分組；在每個(gè)水汽入流方向上，分別確定水汽風(fēng)速放大指標(biāo)VmWm或（VW）m，再取各方向上的最大值以推求PMP。由于是先在各水汽入流上進(jìn)行極大化然后再取外包，所以改進(jìn)方法可避免目前水汽風(fēng)速方法結(jié)果往往偏大的問題。在湖北咸寧核電廠的應(yīng)用表明，本文方法推求的結(jié)果與目前相應(yīng)方法相比，更具合理性。

采用水汽風(fēng)速放大推求PMP，其前提條件是降水量與風(fēng)速或水汽輸送率應(yīng)具有正相關(guān)關(guān)系，但在實(shí)際工作中這種正相關(guān)達(dá)到多大時(shí)才能使用水汽風(fēng)速方法，尚無(wú)定論，需要對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行深入研究，以提高PMP計(jì)算的可靠性。

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