泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境影響的松弛同化方法研究

張 華，宋佳星，何貴成，彭燕祥

（華北電力大學(xué) 可再生能源學(xué)院，北京 102206）

1 研究背景

高壩泄洪霧化對(duì)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)，一直是水電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。高速水流泄流所引起的霧化現(xiàn)象，可能對(duì)水電站、下游山體、庫(kù)區(qū)交通和居民的生產(chǎn)生活環(huán)境有一定的影響，預(yù)防和減輕這些危害有著十分重要的意義[1]。泄洪過(guò)程中局地環(huán)境風(fēng)場(chǎng)一般受到過(guò)壩高速水流引起的水舌風(fēng)影響，溫度和相對(duì)濕度的變化受泄洪過(guò)程中降雨和雨霧擴(kuò)散的影響。

泄洪霧化對(duì)環(huán)境的影響存在多個(gè)方面，主要影響因素有地形條件、環(huán)境背景場(chǎng)、水舌風(fēng)和水霧擴(kuò)散范圍[2-3]。目前，泄洪霧化的研究集中在霧源特性、水霧擴(kuò)散、降雨分布和霧化范圍等方面，研究手段以數(shù)值模擬和實(shí)際觀測(cè)為主[4-7]。泄洪霧化的數(shù)值模擬和實(shí)際觀測(cè)存在的難題有兩個(gè)方面，（1）數(shù)值模擬過(guò)程中未對(duì)地形和環(huán)境背景場(chǎng)進(jìn)行綜合考慮；（2）實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)中缺少泄洪期間對(duì)水舌風(fēng)、壩區(qū)周邊溫度和相對(duì)濕度變化的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

為解決泄洪霧化數(shù)值模擬目前面臨的兩個(gè)難題，現(xiàn)提出泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境影響的松弛同化方法。該方法基于WRF（The Weather Research and Forecasting Model）數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式[8-9]，運(yùn)用牛頓松弛同化方法（Newton Nudging Assimilation Method）[10-12]，將高壩泄洪過(guò)程中的水舌風(fēng)、溫度、相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)同化模式的背景場(chǎng)中，結(jié)合模式中的地形條件和天氣環(huán)境背景場(chǎng)對(duì)泄洪過(guò)程進(jìn)行模擬，量化泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境的影響大小和范圍，為泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境影響的分析研究提供了新方法。

2 牛頓松弛同化方法

牛頓松弛同化方法是一種四維數(shù)據(jù)同化，它是一種持續(xù)的數(shù)據(jù)同化形式。牛頓松弛同化的基本原理是在模型中引入了人工趨勢(shì)項(xiàng)，以逐步使模型數(shù)據(jù)向觀測(cè)數(shù)據(jù)逼近。魏蕾等[13]對(duì)牛頓松弛同化方法的原理進(jìn)行了闡述：

式中：μ=phs-pht，phs為地面氣壓；pht為頂部氣壓；x、y為離格點(diǎn)的距離；α為模式預(yù)報(bào)變量；為模式預(yù)報(bào)變量插值到三維空間中的觀測(cè)位置；F為模式中所有物理過(guò)程變率；Gα為松弛逼近系數(shù)；γ為觀測(cè)質(zhì)量因素；α0為對(duì)應(yīng)時(shí)刻觀測(cè)值；W(x，t)為松弛后第t步預(yù)報(bào)值。

選取合適的松弛系數(shù)可以使觀測(cè)資料高效的與模式相結(jié)合，并且合理地控制逼近快慢和程度。

式中：R為影響半徑；D為離觀測(cè)點(diǎn)的距離。

式中τ為觀測(cè)值指定的時(shí)間窗口。

利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式，對(duì)2015年9月14日14∶00—20∶00時(shí)間內(nèi)，大崗山水電站位置進(jìn)行一次模擬分析，觀察大崗山水電站位置的背景場(chǎng)天氣要素情況，主要關(guān)注該時(shí)間段內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、壓強(qiáng)和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)?；谂ｎD松弛同化方法，將泄洪過(guò)程中的水舌風(fēng)、高程點(diǎn)以及受泄洪霧化影響的溫度、相對(duì)濕度等天氣要素變化量加入到模式中，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)同化計(jì)算，得到受泄洪霧化影響后，局地天氣要素的變化情況。

3 泄洪霧化的天氣參數(shù)同化數(shù)據(jù)設(shè)置方法

高壩泄洪的主要觀測(cè)數(shù)據(jù)為降雨數(shù)據(jù)，但對(duì)壩體下游受降雨影響的溫度、相對(duì)濕度和壓強(qiáng)的變化鮮有觀測(cè)。為確定降雨過(guò)程中溫度和相對(duì)濕度的變化，現(xiàn)運(yùn)用WRF對(duì)雅安2011年8月20—21日的一次降雨過(guò)程進(jìn)行模擬[14]，研究此次降雨過(guò)程中大崗山水電站位置溫度、相對(duì)濕度和壓強(qiáng)的變化，類比泄洪期間霧化對(duì)天氣環(huán)境要素的影響。進(jìn)而結(jié)合大崗山水電站原型觀測(cè)資料和相關(guān)研究成果，提出泄洪霧化的天氣參數(shù)同化數(shù)據(jù)分類設(shè)置方法。

3.1 模擬區(qū)域及參數(shù)化方案設(shè)置應(yīng)用WRF數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，以坐標(biāo)29.44°N和102.21°E為中心，運(yùn)用4層單向嵌套模擬區(qū)域，從外層到內(nèi)層采用的水平分辨率分別為27、9、3和1 km，各嵌套層格點(diǎn)數(shù)分別為100×100、88×88、76×76、100×100，垂直層分為31層。使用初始場(chǎng)和邊界場(chǎng)資料為NCEP（National Centers for Environmental Prediction）的FNL（Final Operational Global Analysis）再分析資料，資料的水平分辨率為1°×1°。研究區(qū)域4層嵌套圖和第4層嵌套范圍內(nèi)地形圖，分別如圖1、圖2所示。

模擬時(shí)間為北京時(shí)間2011年8月19日20∶00至2011年8月22日08∶00降雨時(shí)間段。積分時(shí)間步長(zhǎng)為60 s，積分時(shí)長(zhǎng)60 h。物理過(guò)程參數(shù)化方案做如下處理：

長(zhǎng)波輻射選用RRTM方案[15]，短波輻射采用Dudhia方案[16]，微物理過(guò)程選用Lin云微物理方案，積云對(duì)流采用Grell-Devenyi集合方案，如表1所示：

圖1 大崗山模擬區(qū)域嵌套圖

圖2 第4層嵌套范圍內(nèi)地形圖

表1 模式降雨模擬的基本物理方案選取

3.2 模擬結(jié)果分析由于模擬過(guò)程中存在多個(gè)降雨時(shí)間段，故選取變化效果顯著的2011年8月21日00∶00—23∶00時(shí)間段進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)雅安降雨過(guò)程的模擬結(jié)果，分析降雨過(guò)程中大崗山位置上降雨量、溫度、相對(duì)濕度和壓強(qiáng)的變化情況。詳細(xì)變化情況如表2所示。

表2 2011年8月21日雅安模擬降雨過(guò)程天氣參數(shù)變化情況

由圖3可知，9∶00時(shí)刻降雨過(guò)程開(kāi)始，溫度下降了4℃，相對(duì)濕度上升了12%。在降雨過(guò)程中，溫度始終在20℃左右變化，相對(duì)濕度始終在80%左右變化，其中壓強(qiáng)受到的影響最小。溫度和相對(duì)濕度在降雨開(kāi)始時(shí)變化劇烈，一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定。泄洪霧化導(dǎo)致的溫度和相對(duì)濕度變化，由于缺少自然降雨的先天天氣條件，會(huì)在泄洪一段時(shí)間后出現(xiàn)變化，高壩在泄洪過(guò)程中降雨強(qiáng)度大，故溫度和相對(duì)濕度在強(qiáng)暴雨區(qū)和暴雨區(qū)內(nèi)的變化幅度也大。王繼剛[17]等人對(duì)大崗山水電站2015年9月14日15∶30—16∶40泄洪期間，泄洪洞出口觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總，如表3所示。

圖3 大崗山水電站位置累計(jì)雨量、溫度和相對(duì)濕度變化圖

由表2所示，雨強(qiáng)和相對(duì)濕度皆隨時(shí)間先增加后減小，溫度是先降低后升高，壓強(qiáng)一直保持在86.5 kPa左右。在8月21日16∶00時(shí)，降雨強(qiáng)度變化達(dá)到最大，為5.077 mm/h；10∶00時(shí)，溫度變化值達(dá)到最大，下降3.914℃；13∶00時(shí)，相對(duì)濕度變化值最大，上升12.365%。泄洪霧化導(dǎo)致的降雨對(duì)溫度和相對(duì)濕度的影響，可以以此次降雨過(guò)程作為參考，再通過(guò)觀測(cè)資料進(jìn)行修正。其中累計(jì)雨量、溫度和相對(duì)濕度的變化圖，如圖3所示。

表3 泄洪洞出口各測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)匯總

3.3 泄洪霧化的天氣參數(shù)同化數(shù)據(jù)設(shè)置方法以表3的觀測(cè)數(shù)據(jù)和張華[18]、張旻[19]對(duì)泄洪霧化過(guò)程的數(shù)值模擬為參考，高壩泄洪霧化過(guò)程中，環(huán)境場(chǎng)風(fēng)速受水舌風(fēng)影響，實(shí)際風(fēng)速可達(dá)20 m/s，溫度受降雨強(qiáng)度影響低于環(huán)境場(chǎng)達(dá)4℃，相對(duì)濕度受霧化影響可達(dá)到90%以上。結(jié)合大崗山降雨過(guò)程中降雨量、溫度、相對(duì)濕度和壓強(qiáng)的模擬情況，依據(jù)雨強(qiáng)的分類，提出泄洪霧化的天氣參數(shù)同化數(shù)據(jù)設(shè)置方法，如表4所示。

4 泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境影響的松弛同化方法在大崗山水電站泄洪中的應(yīng)用

所謂泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境影響的松弛同化方法，即在數(shù)值天氣模式中，應(yīng)用牛頓松弛同化方法，結(jié)合泄洪霧化的天氣參數(shù)同化數(shù)據(jù)設(shè)置方法，來(lái)評(píng)價(jià)泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境影響的一種方法。根據(jù)雅安降雨過(guò)程中大崗山水電站位置降雨過(guò)程中溫度、相對(duì)濕度和壓強(qiáng)的變化，結(jié)合大崗山泄洪洞出口各測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)運(yùn)用泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境影響的松弛同化方法，對(duì)大崗山水電站泄洪期間的天氣參數(shù)影響情況進(jìn)行模擬研究。

4.1 參數(shù)化方案設(shè)置大崗山水電站位于四川省大渡河中游雅安市境內(nèi)，樞紐泄洪洞位于大壩右岸，為無(wú)壓泄洪洞，進(jìn)口為開(kāi)敞式，出口采用挑流消能。2015年9月14日，水庫(kù)泄洪，泄洪流量為1344 m3/s?，F(xiàn)選取2015年9月14日14∶00—9月14日20∶00時(shí)間段，對(duì)大崗山水電站泄洪期間順河流方向數(shù)據(jù)進(jìn)行同化，同化位置點(diǎn)從壩址開(kāi)始，同化點(diǎn)數(shù)為6個(gè)，受同化位置點(diǎn)經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換精度限制，同化點(diǎn)距離間隔設(shè)置為200 m。物理參數(shù)化方案如表5所示。

表4 泄洪霧化的天氣參數(shù)同化數(shù)據(jù)分類設(shè)置表

表5 大崗山電站大氣模擬的基本物理方案選取

表6 同化數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置情況

高壩泄洪期間的暴雨區(qū)內(nèi)，風(fēng)速受水舌風(fēng)影響，速度增至20 m/s以上，風(fēng)向順河谷下游方向；溫度值低于周圍環(huán)境場(chǎng)溫度4℃；相對(duì)濕度受霧化影響保持在95%以上，壓強(qiáng)影響較小，保持與周圍環(huán)境場(chǎng)一致。同化位置高度選取泄洪挑坎位置高程1000 m，距下游河面高度約50 m。同化數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置情況如表6所示。

4.2 大崗山天氣要素的模擬結(jié)果分析大崗山水電站泄洪洞出口位置距下游河面約50 m，為觀察泄洪過(guò)程中河谷段的天氣環(huán)境場(chǎng)要素變化情況，選取模式嵌套范圍內(nèi)50 m高度16∶00時(shí)刻變化情況，通過(guò)模擬結(jié)果驗(yàn)證泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境影響的松弛同化方法的可行性。

圖6 16∶00同化后50 m高度風(fēng)場(chǎng)變化

圖4 16∶00未同化50 m高度風(fēng)速

圖5 16∶00未同化50 m高度風(fēng)向

4.2.1 風(fēng)場(chǎng) 2015年9月14日16∶00第四層嵌套范圍內(nèi)50 m高度風(fēng)場(chǎng)和同化后風(fēng)場(chǎng)變化情況，分別如圖4—圖6所示。

通過(guò)圖4—圖6可知，大崗山水電站在2015年9月14日16∶00時(shí)，50 m高度的風(fēng)速為1.88 m/s，同化后大崗山水電站位置50 m高度風(fēng)速為6.88 m/s。不考慮風(fēng)向條件下，同化前后風(fēng)速差值為5 m/s。在風(fēng)向由向上游的東南風(fēng)變?yōu)橄蛳掠蔚奈鞅憋L(fēng)條件下，風(fēng)速實(shí)際變化了8.76 m/s，其中縱向影響范圍約2.1 km，橫向約1 km。

4.2.2 溫度 2015年9月14日16∶00第四層嵌套范圍內(nèi)50 m高度溫度場(chǎng)和同化后溫度場(chǎng)變化情況，如圖7、圖8所示。

通過(guò)圖7、圖8可知，大崗山水電站在2015年9月14日16∶00時(shí)，50 m高度的溫度約為21.18℃。同化后大崗山水電站位置50 m高度溫度為17.86℃。相比同化前溫度降低了3.32℃，其中影響區(qū)域縱向范圍約2 km，橫向約1 km。

4.2.3 相對(duì)濕度 2015年9月14日16∶00第四層嵌套范圍內(nèi)50 m高度相對(duì)濕度和同化后相對(duì)濕度變化情況，分別如圖9、圖10所示。

通過(guò)圖9、圖10可知，大崗山水電站在2015年9月14日16∶00時(shí)，50 m高度的相對(duì)濕度為84.08%。同化后大崗山水電站位置50 m高度相對(duì)濕度為92.79%。相比同化前相對(duì)濕度升高了8.71%，其中影響區(qū)域縱向約2.8 km，橫向約1.4 km。

圖7 16∶00未同化50 m高度溫度

圖8 16∶00同化后50 m高度溫度變化

圖10 16∶00同化后50 m高度相對(duì)濕度變化

4.2.4 同化計(jì)算結(jié)果的分析評(píng)價(jià) 運(yùn)用泄洪霧化對(duì)環(huán)境影響的松弛同化方法，將大崗山水電站泄洪期間的水舌風(fēng)、溫度和相對(duì)濕度等參數(shù)進(jìn)行了同化計(jì)算，現(xiàn)選取16：00時(shí)刻的同化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表7所示。

表7 16:00時(shí)刻同化計(jì)算對(duì)比

由表7可知，泄洪霧化對(duì)環(huán)境影響的松弛同化方法，可以實(shí)現(xiàn)模擬高壩泄洪過(guò)程中，泄洪霧化對(duì)區(qū)域天氣要素的影響。同化后的風(fēng)速、溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)均趨近于觀測(cè)數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果符合高壩泄洪對(duì)天氣環(huán)境影響的基本規(guī)律。

5 結(jié)論

通過(guò)研究泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境影響的松弛同化方法，本文得到了以下結(jié)論：

（1）建立了泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境影響的松弛同化方法。以數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立了泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境影響的松弛同化方法，以風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和相對(duì)濕度為主要天氣環(huán)境同化數(shù)據(jù)，運(yùn)用松弛同化法，求得泄洪霧化對(duì)水電站區(qū)域天氣環(huán)境變量的變化和影響范圍，為泄洪霧化的數(shù)值模擬提供了新的研究方法。

（2）確立了泄洪霧化同化數(shù)據(jù)分類設(shè)置的參考值范圍。以雅安一次降雨過(guò)程為例，模擬了大崗山位置降雨時(shí)間段的雨強(qiáng)與溫度和相對(duì)濕度的變化。結(jié)合泄洪的觀測(cè)資料，確定了泄洪期間風(fēng)速、溫度和相對(duì)濕度的同化值范圍。暴雨區(qū)以內(nèi)風(fēng)速受水舌風(fēng)影響，風(fēng)速在15 m/s以上，相對(duì)濕度90%以上，溫度低于環(huán)境場(chǎng)溫度2～4℃。具體參數(shù)設(shè)置需要結(jié)合模擬電站位置的天氣環(huán)境場(chǎng)參數(shù)情況。

（3）確定了大崗山水電站泄洪對(duì)天氣環(huán)境的影響情況。運(yùn)用泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境影響的松弛同化方法，對(duì)大崗山水電站泄洪期間的天氣環(huán)境變量進(jìn)行了同化計(jì)算。由于大崗山水電站僅有2015年9月14日15∶30—16∶40泄洪數(shù)據(jù)，選取2015年9月14日16∶00時(shí)刻模擬數(shù)據(jù)分析得到，在考慮風(fēng)向變化的條件下，風(fēng)速變化值為8.76 m/s，縱向影響范圍約2.1 km；溫度降低了3.32℃，縱向影響范圍約2 km；相對(duì)濕度升高了8.71%，縱向影響范圍約2.8 km。模擬結(jié)果表明，風(fēng)速受水舌風(fēng)影響風(fēng)向改變、風(fēng)速升高，溫度受泄洪霧化降雨影響降低，相對(duì)濕度受雨霧蒸發(fā)影響升高。同化模擬的結(jié)果均向觀測(cè)數(shù)據(jù)趨近，模擬結(jié)果符合實(shí)際的觀測(cè)情況。