白鶴灘水電站極端大風(fēng)天氣成因分析

陳文龍

(涼山州氣象臺(tái)，四川西昌615000)

引言

金沙江下游位于青藏高原和云貴高原向四川盆地的過渡地帶，地形起伏很大，多深切割的河谷地貌，蘊(yùn)藏的水能資源非常豐富。在建的白鶴灘電站是金沙江下游4個(gè)巨型梯級(jí)水電站之一，其位于四川省涼山州寧南縣與云南省昭通市巧家縣之間陡峭的金沙江河谷中[1，2](圖1)。白鶴灘電站處在南北向河谷的最窄處，當(dāng)有冷空氣南下、熱低壓發(fā)展或強(qiáng)雷暴活動(dòng)時(shí)，由于風(fēng)在峽谷內(nèi)受狹管效應(yīng)作用，風(fēng)速突增，易形成大風(fēng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，白鶴灘電站年平均7級(jí)及以上大風(fēng)日數(shù)為237d，其中7級(jí)日數(shù)73.0d，8級(jí)日數(shù)80.0d，9級(jí)日數(shù)58.3d，10級(jí)日數(shù)21.8d，11級(jí)日數(shù)3.5d。有70%以上的大風(fēng)是由冷空氣 (冷鋒)引起，熱低壓大風(fēng)和雷暴大風(fēng)次之。本文利用NCEP/NCAR 1°×1°的再分析資料分析環(huán)流形勢(shì)和物理量特征；利用NASA＆NIMA的SRTMDEM 90m分辨率原始高程數(shù)據(jù)繪制地形高程圖，并結(jié)合白鶴灘水電站拱壩平面布置圖估算河谷在特定高度上的寬度，用于 “狹管效應(yīng)”計(jì)算。

1 天氣實(shí)況

2018年5月22日，受過境冷鋒影響，白鶴灘電站壩區(qū)出現(xiàn)一次大風(fēng)天氣，共有11個(gè)自動(dòng)氣象站均出現(xiàn)了大風(fēng) (表1)，其中右岸834平臺(tái)站7級(jí)及以上大風(fēng)維持了13h左右 (圖2)，風(fēng)速極值為34.0m/s(12級(jí)，ENE)，出現(xiàn)在13：02(北京時(shí)，下同)。22號(hào)夜間，壩區(qū)還出現(xiàn)了小雨，各站雨量在1～3mm。

2 環(huán)流背景

在高空?qǐng)D (圖2a，b，c)上，深厚的冷槽從外蒙古東移到我國東北地區(qū)，從700hPa到200hPa都能看到該冷槽500hPa上，溫度槽與高度槽基本重合，冷中心溫度低至-32℃，等溫線與等高線非常密集.700hPa上，溫度槽還落后于高度槽，高度槽后的西北氣流在經(jīng)河西走廊南下后轉(zhuǎn)為東北氣流，并迅速南下到四川盆地南部，最大風(fēng)速超過12m/s，風(fēng)向與等溫線幾乎呈90°夾角。在槽后的強(qiáng)冷平流的引導(dǎo)下，地面冷空氣快速南下 (圖3d)，冷高壓中心從外蒙古西部整體移動(dòng)到甘肅一帶，強(qiáng)度超過1030hPa。同時(shí)，冷鋒也快速南壓到四川盆地南部，西南地區(qū)東部的熱低壓則向貴州收縮。冷鋒后的氣壓梯度非常大，青藏高原東側(cè)29～34°N范圍內(nèi)的最大氣壓達(dá)到了15hPa。22日12： 0014：00時(shí)，冷鋒過境白鶴灘電站，產(chǎn)生了12級(jí)大風(fēng)。冷鋒過境后，其后部的氣壓梯度和高空冷平流仍很強(qiáng)。

表1 2018年5月22日壩區(qū)部分自動(dòng)氣象站極大風(fēng)速

圖2 2018年5月22日08：00高低層環(huán)流形勢(shì) (黃色陰影為海拔3000 m以上地形)

3 物理量分析

在θse剖面圖上 (圖3)，冷暖氣團(tuán)和鋒區(qū)的垂直特征非常顯著。鋒區(qū)主要存在于500hPa以下，近地面單位緯度內(nèi)的θse差值最大超過了20℃。在中低層，30°N附近變性冷氣團(tuán)內(nèi)的θse最低值僅有44℃，而南方暖氣團(tuán)的內(nèi)θse最高值達(dá)到了92℃。冷暖氣團(tuán)強(qiáng)烈的溫度差和顯度差，鋒區(qū)非常狹窄。22日14：00，冷鋒正在過境，27°N從近地層到600hPa都為一致的東北風(fēng)，冷平流非常強(qiáng)盛，700hPa以上等θse線向北方迅速傾斜，而偏南風(fēng)與偏北風(fēng)的交界面也隨等θse線向北傾斜。暖空氣在鋒面上斜升運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)低層對(duì)流發(fā)展，也有利于近地面大風(fēng)的產(chǎn)生。

圖4直觀地顯示了大風(fēng)開始前后白鶴灘電站垂直方向渦度、散度、垂直速度和水汽通量散度的隨時(shí)間的變化情況。在大風(fēng)開始前的北京時(shí)21日14：00 22日06：00，300hPa以下出現(xiàn)了2個(gè)顯著正渦度中心，與此對(duì)應(yīng)的是低層700hPa以下表現(xiàn)出顯著的輻合，最強(qiáng)輻合超過了-3·s-1，而600hPa以上存在3個(gè)輻散中心；500hPa以下的上升運(yùn)動(dòng)也很強(qiáng)烈，21日20：00左右，600hPa附近的上升運(yùn)動(dòng)達(dá)到了9Pa/s，此時(shí)低層有一定的水汽輻合。隨著冷鋒逼近，低層的負(fù)渦度和輻散開始增強(qiáng)，而高層的輻散則逐漸減弱。22日08：0014：00，700hPa以下的低層水汽輻合增強(qiáng)至4×10-6g/(cm2·hPa·s)，但低層并沒有表現(xiàn)出上升運(yùn)動(dòng)，反而隨著時(shí)間的推移，下沉運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。冷鋒過境 (22日13：0014：00)后，低層出現(xiàn)了非常顯著的負(fù)渦度和下沉運(yùn)動(dòng)，渦度值達(dá)到-3·s-1，下沉速度達(dá)到了0.8 Pa/s，強(qiáng)烈的下沉運(yùn)動(dòng)有利于高空動(dòng)量下傳，進(jìn)而使地面風(fēng)速增大。此時(shí)，低層的水汽輻合迅速減小至消失；而中層出現(xiàn)了弱的正渦度和弱的輻合。在持續(xù)較強(qiáng)的下沉氣流和地面的強(qiáng)氣壓梯度的配合下，大風(fēng)得以較長時(shí)間維持。

圖3 2018年5月22日沿102.9°E的假相當(dāng)位溫θse(等值線和陰影，單位：℃)和風(fēng)場(chǎng) (風(fēng)羽，單位：m/s)的垂直剖面 (橫軸下方的實(shí)心三角形為白鶴灘電站位置)

圖4 2018年5月21日08： 0023日08：00白鶴灘電站多要素時(shí)間—垂直剖面圖 (圖中橫軸時(shí)間為世界時(shí)，橫軸下方的橫線標(biāo)注大風(fēng)持續(xù)時(shí)段)

4 狹管效應(yīng)

當(dāng)氣流由開闊地帶流入地形構(gòu)成的峽谷時(shí)，由于空氣質(zhì)量不能大量堆積，于是加速流過峽谷，風(fēng)速增大；當(dāng)流出峽谷時(shí)，空氣流速又會(huì)減緩。這種地形峽谷對(duì)氣流的影響，稱為 “狹管效應(yīng)”。

在利用狹管效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需假定在近地面不厚的氣層內(nèi)，無空氣的輻合、輻散以及壓縮，也不考慮高低層空氣質(zhì)量的交換，根據(jù)流體的連續(xù)方程，流體在單位時(shí)間內(nèi)通過體積的質(zhì)量相等，即，再假定相同體積且橫截面為矩形的柱狀流體高相同，而寬和長不同。前式可進(jìn)行如下變換：

其中，ρ為流體密度，V為流體體積，l為流體長度，d為流體寬度，h為流體高度，v為流速，t為流動(dòng)時(shí)間。可知，在上述假定條件下，不同點(diǎn)處的流體速度與容器寬度成反比。利用該結(jié)論，可以粗略估算狹谷對(duì)風(fēng)的 “加速”作用。

從圖5中可以看到，白鶴灘電站的大壩正好建在該段金沙江河谷最窄的地方。冷空氣南下時(shí)，河谷受偏北風(fēng)控制，故把VI號(hào)站和I號(hào)站分別做為入口和出口，并選取河谷內(nèi)海拔高度700～900m的部分進(jìn)行狹管效應(yīng)討論.VI號(hào)站處的河谷寬度約1200m，大壩附近的河谷寬度約740m，VI號(hào)站的極大風(fēng)速為19.6m/s。利用關(guān)系式計(jì)算得到大壩附近的極大風(fēng)速為31.8m/s，風(fēng)速增加率為62.2%；而大壩附近III號(hào)、IV號(hào)和V號(hào)站的實(shí)際極大風(fēng)速分別為24.4m/s、34.0m/s、24.2m/s，風(fēng)速增加率分別為 24.5%、73.5%、23.5%，出口附近的 I號(hào)站極大風(fēng)速為18.7m/s，計(jì)算值與實(shí)測(cè)最大值相差很小。另外，河谷右岸較左岸更加筆直和少突起，這樣使右岸河谷對(duì)空氣的摩擦力減小，也更有利于大風(fēng)的出現(xiàn)。

圖5 白鶴灘電站壩區(qū)地形

5 小結(jié)

本文從環(huán)流背景、物理量以及地形對(duì)風(fēng)的 “狹管效應(yīng)”對(duì)白鶴灘電站大風(fēng)產(chǎn)生和維持的原因進(jìn)行了分析和討論，得出以下結(jié)論：

高空冷槽東移，槽后的強(qiáng)冷平流引導(dǎo)青藏高原東側(cè)的地面冷鋒和強(qiáng)冷空氣下南下直接導(dǎo)致了白鶴灘電站12級(jí)大風(fēng)的產(chǎn)生，而冷鋒后的強(qiáng)氣壓梯度是大風(fēng)維持的關(guān)鍵因素。

鋒區(qū)兩側(cè)冷暖氣團(tuán)的θse值達(dá)到了47℃，鋒區(qū)內(nèi)的等θse線非常密集，700hPa以上的鋒區(qū)向冷區(qū)顯著傾斜，鋒后有很強(qiáng)的冷平流。冷鋒到來前，低層的有明顯的正渦度場(chǎng)、輻合場(chǎng)、弱水汽輻合以及顯著的上升運(yùn)動(dòng)，高層有明顯的負(fù)渦度場(chǎng)和輻散場(chǎng)；冷鋒逼近后，低層的正渦度輻合和中高層的負(fù)渦度輻散減弱，而低層的水汽輻合陡增；冷鋒過境，低層的水汽輻合迅速減弱，低層強(qiáng)烈下沉運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量下傳也促進(jìn)了大風(fēng)的形成和維持。

根據(jù) “狹管效應(yīng)”，在海拔700～900m高度的河谷內(nèi)，代入入口區(qū)的極大風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算，大壩附近的理論極大風(fēng)速為31.8m/s，這與實(shí)際的極大風(fēng)速很接近；更加筆直和少突起的右岸比左岸風(fēng)速更大。