當(dāng)?shù)乇┯攴糯蠓ㄍ魄罂赡茏畲蟊┯甑难芯颗c應(yīng)用

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.儀征市氣象局，江蘇 儀征 211400)

可能最大暴雨(PMP)和可能最大洪水(PMF)的計(jì)算方法是推求高風(fēng)險(xiǎn)水庫工程和其他重要工程設(shè)計(jì)洪水的重要方法[1]。根據(jù)《水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(NB/T 35046—2014)，可能最大暴雨的定義是：在現(xiàn)代氣候條件下，設(shè)計(jì)流域給定歷時(shí)內(nèi)可能發(fā)生的最大暴雨。它是推算可能最大洪水的重要依據(jù)[2]。

本文以西藏林芝地區(qū)為例，對當(dāng)?shù)乇┯攴糯蠓ㄟM(jìn)行研究和應(yīng)用。

1 當(dāng)?shù)乇┯攴糯蠓ê喪?/h2>

1.1 概述

當(dāng)?shù)乇┯攴糯蠓ㄊ沁x擇設(shè)計(jì)流域?qū)嶋H發(fā)生的某一次大暴雨或者特大暴雨，根據(jù)暴雨形成和發(fā)生機(jī)制，選擇相關(guān)的因素進(jìn)行放大[3]。典型暴雨無論是從總量上還是時(shí)空分布形式上，對于特定工程而言，形成的洪水是峰高量大、洪水過程惡劣的。

暴雨的放大方法有水汽放大法、水汽效率放大法、水汽風(fēng)速聯(lián)合放大法及水汽輸送率放大法等。根據(jù)典型暴雨的具體情況選擇適當(dāng)?shù)姆糯蠓椒╗4]。

1.2 水汽放大法

水汽是降水形成的最基本條件之一。當(dāng)選擇高效暴雨作為典型暴雨時(shí)，暴雨的動(dòng)力因子已經(jīng)達(dá)到較高水平，此時(shí)可以只對水汽因子進(jìn)行放大[5]。水汽放大法的公式如下：

(1)

式中Pm——可能最大暴雨降水量，mm；

P典型——高效暴雨降水量，mm；

Wm——可能最大暴雨的可降水，mm；

W——典型暴雨的可降水，mm。

1.3 水汽效率放大法

水汽因子和動(dòng)力因子是降水的兩個(gè)最基本的條件[6-8]。當(dāng)水汽含量相同時(shí)，可以與不同的效率因子組成；當(dāng)效率因子相同時(shí)，可以與不同的水汽因子組合。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)流域及其鄰近地區(qū)沒有實(shí)際發(fā)生的大暴雨或者特大暴雨時(shí)，可以采用歷史發(fā)生的較大暴雨資料采用水汽效率放大法進(jìn)行放大。

水汽效率放大法的公式如下：

(2)

(3)

式中ηm——最大效率，1/h；

η——典型暴雨降水效率，1/h；

ΔT——降水時(shí)段，h。

1.4 水汽風(fēng)速聯(lián)合放大法及水汽輸送率放大法

當(dāng)設(shè)計(jì)流域的入流指標(biāo)與相應(yīng)設(shè)計(jì)流域的面雨量存在正相關(guān)關(guān)系，并且暴雨發(fā)生時(shí)的風(fēng)向和風(fēng)速都比較穩(wěn)定時(shí)，可以采用水汽風(fēng)速聯(lián)合放大法或水汽輸送率放大法。

p=βVWΔT

(4)

式中P——ΔT時(shí)段的降水量，mm；

β——輻合因子；

VW——水汽輸送量，m/s·mm。

上式表明，當(dāng)輻合因子β=βm時(shí)，降水量的大小主要取決于VW的變化。

水汽風(fēng)速聯(lián)合放大法公式為：

(5)

水汽輸送率放大公式為：

(6)

式中V典型——典型暴雨風(fēng)速,m/s；

Vm——最大風(fēng)速,m/s。

2 林芝地區(qū)暴雨特性分析

2.1 暴雨特性

根據(jù)林芝氣象站統(tǒng)計(jì)，林芝地區(qū)多年平均降水量為692.6mm，5—10月降水量占全年降水量的88.8%；最大1日降水量為49.2mm，發(fā)生于1978年9月12日；多年平均降水日數(shù)為164.3d，日降水量超過10.0mm的多年平均日數(shù)為21.0d，日降水量超過25.0mm的多年平均日數(shù)為2.0d。整體而言，林芝地區(qū)具有降水量分配高度集中、降水較為頻繁但雨強(qiáng)不大的特點(diǎn)。

2.2 暴雨成因分析

2.2.1 大氣環(huán)流

影響林芝地區(qū)強(qiáng)降水的環(huán)流形勢主要分為3種類型，即兩槽一脊——副高阻塞型，一槽一脊——季風(fēng)低壓型以及伊朗高壓、西太平洋副熱帶高壓對峙型。

a.兩槽一脊——副高阻塞型。500hPa圖上烏拉爾山一線為長波槽，巴爾喀什湖——貝加爾湖為高壓脊，東亞大槽建立，伊朗高壓較弱在60°E以西，西太平洋副熱帶高壓西伸至四川一帶，脊線呈東西走向。西太平洋副熱帶高壓長時(shí)間的穩(wěn)定維持使得影響系統(tǒng)移動(dòng)緩慢，有利于降水的維持。烏拉爾山長波槽加深東移南壓，在東移的過程中不斷分裂并攜帶冷空氣南下侵入高原，與西太平洋副熱帶高壓邊緣的暖濕氣流交匯，有利于形成大范圍的降水。隨著伊朗高壓加強(qiáng)東伸，西太平洋副熱帶高壓東退，東亞大槽快速東移，林芝地區(qū)被高壓控制，降水過程結(jié)束。

b.一槽一脊——季風(fēng)低壓型。中高緯環(huán)流為一槽一脊，烏拉爾山有明顯的高壓脊建立，咸海至巴爾喀什湖維持深厚的低壓中心，其短波槽不斷侵入林芝地區(qū)，貝加爾湖附近為低值區(qū)。低緯度為強(qiáng)大的印度低壓，低壓位置偏北，西南季風(fēng)氣流強(qiáng)盛時(shí)，印度低壓系統(tǒng)的水汽隨氣流北上影響林芝地區(qū)。受到強(qiáng)大的印度低壓系統(tǒng)的擠迫，西太平洋副熱帶高壓減弱東退，伊朗高壓西撤。降水區(qū)主要位于西北氣流與低壓系統(tǒng)的冷暖空氣交匯處。

c.伊朗高壓、西太平洋副熱帶高壓對峙型。伊朗高壓脊線東伸至75°～85°E附近，控制高原西部；西太平洋副熱帶高壓西伸至95°～100°E，控制高原東部地區(qū)。伊朗高壓東側(cè)的偏北氣流和西太平洋副熱帶高壓南側(cè)的偏東或東南氣流在林芝地區(qū)中游輻合，形成切變。隨著兩高壓系統(tǒng)的加強(qiáng)貫通，林芝地區(qū)被高壓控制，降水過程結(jié)束。

2.2.2 天氣系統(tǒng)

林芝地區(qū)強(qiáng)降水影響系統(tǒng)分為三種類型，分別為切變線、低渦和低槽。由于林芝地勢較高，水汽條件較差，一個(gè)孤立的天氣系統(tǒng)很難形成強(qiáng)降水，強(qiáng)降水一般都是上述系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物，且主要以南北系統(tǒng)相互作用為主。

a.切變線。切變線是林芝地區(qū)發(fā)生暴雨的主要影響系統(tǒng)之一，多出現(xiàn)在5—9月。切變線上空對流層整層都是上升氣流，配合高原地區(qū)不穩(wěn)定層結(jié)和西南氣流輸送的水汽，從而產(chǎn)生降水。

按照生成位置分為準(zhǔn)東西向準(zhǔn)靜止的橫切變線和準(zhǔn)南北向移動(dòng)性的豎切變線，橫切變線發(fā)生的頻率是豎切變線的2倍多[2]，且對林芝地區(qū)降水的影響遠(yuǎn)大于豎切變線。橫切變線橫貫林芝地區(qū)，長度可達(dá)1000km，厚度在3km左右，常生成于兩個(gè)高壓之間，通?？删S持1～3d，90%以上的橫切變降水出現(xiàn)在切變線附近或南面。切變線示意圖見圖1。

圖1 林芝地區(qū)切變線示意圖

切變線對高原低渦的形成亦發(fā)揮著重要的作用，切變線西南段區(qū)域內(nèi)為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)且氣流的氣旋性渦旋處于發(fā)展階段，切變線東北段區(qū)域內(nèi)為下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)且氣流的反氣旋性渦旋處于發(fā)展階段，是低渦形成的前期條件[9]。

b.低渦。高原低渦是生成于青藏高原主體上的一種次天氣尺度低壓渦旋[10]，是林芝地區(qū)夏季的主要降水系統(tǒng)，其垂直厚度一般在400hPa以下，平均水平尺度為400～500km，多數(shù)為暖性結(jié)構(gòu)，生命期1～3d。低渦常在高原西部生成，并與北部南移的橫切變線結(jié)合，沿切變線東移，在東移過程中，在切變線上產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，在低渦前部形成對流云系，產(chǎn)生強(qiáng)降水天氣，絕大多數(shù)低渦在高原東部地形的下坡處減弱、消失[11]。林芝地區(qū)低渦示意圖見圖2。

圖2 林芝地區(qū)低渦示意圖

c.西風(fēng)槽。中緯度西風(fēng)帶經(jīng)過青藏高原時(shí)被分作兩支，其北段一邊東移，一邊北縮減弱為短波槽移過貝加爾湖之后又加深南伸，其南段則被阻于高原的西側(cè)，或切斷為冷渦在高原西部邊緣徘徊，或停滯一段時(shí)間后蛻變?yōu)槎滩ㄔ竭^高原。因此西風(fēng)急流也被分為南北兩支，簡稱北支槽和南支槽。5—6月和9—10月是南支槽趨向沉寂或活躍的轉(zhuǎn)換期，6月西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)西伸，與東伸的伊朗副高間形成穩(wěn)定的孟加拉灣低槽，稱為印緬槽。夏季，北支槽常強(qiáng)烈發(fā)展加深，使得冷空氣入侵高原，高原南側(cè)印緬槽前的西風(fēng)氣流給林芝地區(qū)帶來高溫高濕的能量條件，配合高原低渦或切變線，造成強(qiáng)降水。

2.3 水汽通道

林芝地區(qū)主要的水汽通道是：先沿布拉馬普特拉河向東北，后經(jīng)雅魯藏布江下游向北運(yùn)移，再自雅魯藏布江大拐彎折向西北輸送至林芝地區(qū)。

3 當(dāng)?shù)乇┯攴糯蠓ㄍ魄罅种庀笳?日PMP

3.1 典型暴雨

根據(jù)林芝氣象站1953—2016年12月逐日降水量資料，按照降水量級由大到小排序，并對其進(jìn)行天氣學(xué)分析，選擇排序靠前的10個(gè)暴雨個(gè)例作為典型暴雨。典型暴雨個(gè)例見表1。

表1 暴雨個(gè)例

3.2 水汽放大

a.典型暴雨可降水。為合理反映暴雨過程中水汽的主要來源、補(bǔ)充和變化特點(diǎn)，根據(jù)不同場次典型暴雨過程天氣成因等特點(diǎn)，選擇在各次暴雨水汽入流方向上、大雨區(qū)邊緣若干氣象站作為露點(diǎn)代表站；各代表站代表性露點(diǎn)在主雨日及主雨日前24h內(nèi)選取，訂正至1000hPa后的群站同期平均值作為此次暴雨的代表性露點(diǎn)。

b.最大可降水。根據(jù)代表性露點(diǎn)選定原則，在暖濕氣流入流方向上大雨區(qū)邊緣選擇林芝、米林、加查作為可能最大露點(diǎn)代表站。采用兩種方法計(jì)算可能最大露點(diǎn)：從歷史資料中選擇各代表站持續(xù)12h最大露點(diǎn)(排除晴好天氣)，訂正至1000hPa后群站平均值作為可能最大露點(diǎn)；分別對各代表站露點(diǎn)進(jìn)行頻率分析，得出50年一遇的數(shù)值，并對其訂正至1000hPa后群站平均值作為可能最大露點(diǎn)。各測站可能最大露點(diǎn)計(jì)算成果見表2。

表2 可能最大露點(diǎn)計(jì)算成果

由表2可以看出，兩種方法計(jì)算所得的可能最大露點(diǎn)相同，均為26.1℃，小于水汽來源地印度洋和西太平洋的月平均海表溫度。由可能最大露點(diǎn)26.1℃計(jì)算林芝氣象站(高程范圍為2992m～200hPa)的最大可降水為35.1mm。

c.放大成果。水汽放大倍比為最大可降水與各次典型暴雨可降水的比值，由典型暴雨量和水汽放大倍比即可推求1日PMP。水汽放大法推求1日PMP成果見表3。

3.3 水汽效率放大

計(jì)算典型暴雨降水效率，最大值為9.00(%1/h)，采用9.00(%1/h)作為1日最大降水效率。

表3 林芝氣象站水汽放大法推求1日PMP成果

表4為水汽效率放大法推求1日PMP成果。由該表可以看出，各次典型暴雨推求的1日PMP成果相同。由公式(2)和公式(3)可知，水汽效率公式可表達(dá)為公式(7)，由此式可以看出，當(dāng)采用水汽效率法進(jìn)行放大時(shí)，PMP值只與選取的最大可降水和最大降水效率以及降水時(shí)段有關(guān)，與暴雨典型無關(guān)，因此無論采用何種典型暴雨進(jìn)行放大，其PMP成果相同。

Pm=ηmWmΔT (7)

3.4 水汽輸送率放大

a.入流代表站的確定。研究表明，位于印度的Guwahati站居青藏高原外圍各處向青藏高原輸送水汽量之冠。因此，Guwahati站初選為入流代表站，另外，位于水汽通道的Netaji Subhash Chandra Bose站作為備選站。經(jīng)分析，Guwahati站水汽入流指標(biāo)優(yōu)于Netaji Subhash Chandra Bose站，因此選擇Guwahati站作為代表站。

b.極大化指標(biāo)的選擇。統(tǒng)計(jì)Guwahati站1971—2012年5—10月逐月各旬最大風(fēng)速及相應(yīng)露點(diǎn)；分別將5—10月逐月各旬最大入流風(fēng)速及露點(diǎn)乘積系列進(jìn)行頻率分析，50年一遇的值作為(WV)2%；由以上數(shù)據(jù)分別可得到Guwahati站(WV)2%的季變化曲線。

c.放大成果。受資料條件限制，并且排除一部分入流方向與本次水汽入流放大指標(biāo)不符合的典型暴雨，共對5次典型暴雨進(jìn)行放大水汽輸送率放大法推求1日PMP成果(見表5)。

表5 林芝氣象站水汽輸送率放大法推求1日PMP成果

4 成果確定及合理性分析

水汽放大法1日PMP成果范圍為14.9～38.8mm，水汽效率放大法的1日PMP成果為41.6mm，水汽輸送率放大法的1日PMP成果范圍為29.3～75.4mm。各放大方法推求1日PMP成果見表6。推薦水汽效率放大法推求的75.8mm作為林芝氣象站1日PMP成果。

表6 林芝氣象站不同放大方法推求1日PMP成果

林芝氣象站位于青藏高原，海拔較高，暴雨天氣成因復(fù)雜，從整體上來看，降水量級偏小，高效暴雨較為少見，因此僅采用水汽放大成果可能偏小。水汽輸送率放大法適用于入流指標(biāo)WV與相應(yīng)的雨量有正相關(guān)趨勢，且暴雨期間入流風(fēng)向和風(fēng)速較為穩(wěn)定的情況，而林芝氣象站暴雨量與Guwahati站入流指標(biāo)相關(guān)關(guān)系不是很好，入流風(fēng)速和風(fēng)向亦不夠穩(wěn)定，因此不推薦該法推求的PMP成果。水汽效率放大法對水汽和效率同時(shí)進(jìn)行放大，最大可降水為水汽通道上各代表站可能最大露點(diǎn)的平均值，可能最大暴雨效率為實(shí)測典型暴雨推求效率的最大值，因此采用水汽效率放大法推求的PMP成果同時(shí)具有可能性和極大性，成果基本合理。

5 結(jié) 論

當(dāng)?shù)乇┯攴糯蠓ㄊ俏覈赡茏畲蟊┯暧?jì)算廣泛應(yīng)用的方法。本文通過對當(dāng)?shù)乇┯攴糯蠓ǖ难芯考霸诹种サ貐^(qū)的應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

a.當(dāng)?shù)乇┯攴糯蠓o論采用何種放大方法，均涉及可降水的推求?？山邓锹饵c(diǎn)溫度的單值函數(shù)，因此暴雨代表性露點(diǎn)的選擇至關(guān)重要，典型暴雨的露點(diǎn)在時(shí)間和空間上應(yīng)具有代表性。

b.當(dāng)?shù)湫捅┯隇楦咝П┯陼r(shí)，可采用水汽放大；當(dāng)?shù)湫捅┯瓴粚儆诟咝П┯陼r(shí)，可采用水汽和效率同時(shí)放大。由于典型暴雨是否屬于高效暴雨不易準(zhǔn)確判斷，而水汽效率放大法同時(shí)考慮了水汽含量和降水效率，包含了降水的兩個(gè)最基本條件——水汽條件和動(dòng)力條件，物理意義比較明晰，且計(jì)算成果偏安全。因此一般采用水汽效率放大法計(jì)算成果作為推薦成果。

c.水汽風(fēng)速放大法極大化指標(biāo)的前提條件是，假定V與W關(guān)系是相互獨(dú)立的。西南地區(qū)的許多測站實(shí)測資料表明：隨著風(fēng)速的增加，露點(diǎn)增加到一定數(shù)值后開始減少。因此采用該方法時(shí)，需首先論證W2%與V2%同時(shí)出現(xiàn)的可能性。

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