金沙江下游白鶴灘水電站“6·28”極端強(qiáng)降雨特征研究

陶 麗,黃 瑤,袁 夢，2

(1.四川省氣象服務(wù)中心，成都 610072；2.四川省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)綜合信息中心，成都 610072)

引言

白鶴灘水電站是金沙江下游干流河段梯級開發(fā)的第二個梯級電站，壩址位于四川省涼山彝族自治州寧南縣和云南省昭通市巧家縣境內(nèi)，上游距巧家縣城約41km，距烏東德壩址約180km；下游距離溪洛渡水電站約195km，距離宜賓市河道里程約380km。壩址控制流域面積43.03萬km2，正常蓄水位為820m，相應(yīng)庫容179億m3；水庫死水位為760m時，死庫容79億m3，調(diào)節(jié)庫容達(dá)100億m3。該電站以滿足發(fā)電為主，兼顧防洪等綜合利用要求，其建成后將成為僅次于三峽水電站的中國第二大水電站[1-2]。

近年來，隨著白鶴灘水電站的建設(shè)，氣象服務(wù)的關(guān)注重點(diǎn)以及服務(wù)內(nèi)容也在不斷提升[3-4]。張成穩(wěn)等[5]就提出關(guān)于白鶴灘水電站建設(shè)期的氣象保障服務(wù)思考，發(fā)現(xiàn)白鶴灘水電站易滑易塌的地質(zhì)結(jié)構(gòu)決定了其施工期氣象保障服務(wù)任務(wù)艱巨，擬定了氣象保障服務(wù)策略和實施思路。秦劍等[6]指出影響金沙江流域水電工程的氣象要素有氣溫、寒潮、降水、雷暴、大風(fēng)及霧等，災(zāi)害天氣主要是暴雨、雷暴、寒潮、大風(fēng)和霧，并就其分布特征、形成機(jī)制、預(yù)報思路、可能危害等做了詳細(xì)論述。涼山州氣象局深入白鶴灘水電站做現(xiàn)場服務(wù)，主要針對大風(fēng)災(zāi)害做了深入的統(tǒng)計研究分析，范維、張煜婷、陳文龍等[7-9]就通過白鶴灘壩區(qū)極端大風(fēng)統(tǒng)計對比等方法分析山谷風(fēng)生消規(guī)律及其特征，這對及時發(fā)布預(yù)警信息，選取最佳施工時段提供有效幫助。但針對金沙江下游流域內(nèi)多個大型水電站的短期預(yù)報準(zhǔn)確度仍有待提高。在白鶴灘水電站工程籌備伊始，就出現(xiàn)了“白鶴灘水電站暴雨災(zāi)害”，2012 年6月28日白鶴灘暴雨誘發(fā)的山洪泥石流災(zāi)害造成41人遇難或失蹤[4，10]。災(zāi)害發(fā)生前的連續(xù)降雨及強(qiáng)降雨是此次泥石流暴發(fā)的主要原因之一。因此對白鶴灘水電站的現(xiàn)場氣象服務(wù)要做好災(zāi)害性天氣的預(yù)報預(yù)警非常有必要，本文首先利用1960～2019年寧南、巧家地面氣象站降水日值數(shù)據(jù)，通過百分位閾值法等定義白鶴灘水電站極端降水指數(shù)，得到白鶴灘極端降水閾值并分析了各指數(shù)的變化趨勢以及分布規(guī)律。使用歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)開發(fā)的新一代ERA5再分析資料，時間分辨率為1h，水平分辨率0.5°×0.5°，CIMISS逐小時降水資料，通過“6·28”典型白鶴灘暴雨進(jìn)行診斷綜合分析，旨在為提高水電站暴雨災(zāi)害天氣的預(yù)報和服務(wù)提供技術(shù)支撐。

1 白鶴灘水電站極端降水特征

采用百分位閾值法來定義，即將某地一段時間超過某個閾值的值稱為極值，將超過閾值的事件稱為極端事件[10-12]。一般國家巨型水電站工程建設(shè)從開始籌建到投產(chǎn)發(fā)電需要10年左右時間，并且水電站往往建在離氣象部門氣象觀測站較遠(yuǎn)的“處女地”，不可能有該地的歷史氣象資料積累[13]。因此，選取離白鶴灘水電站最近的寧南、巧家兩個國家站，并對其60年(1960～2019年)日降水量資料按時間序列排序，定義站點(diǎn)的第99百分位數(shù)為該地極端降水閾值，超過這個閾值的降水定義為極端降水。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步定義了極端降水量(全年日降水量大于第99百分位數(shù)的降水總量)、極端降水日數(shù)(全年極端降水大于第99百分位數(shù)的降水日數(shù))、極端降水強(qiáng)度(全年極端降水量與極端降水日數(shù)的比值)、極端降水比率(全年極端降水量與全年降水總量的百分比)。

表1 白鶴灘周邊站點(diǎn)極端降水指數(shù)

根據(jù)對極端降水的定義，可得到寧南和巧家的極端降水閾值(如表1)：寧南42.9mm、巧家36.9mm?？梢妼幠辖邓畯?qiáng)度較大，表明該地容易發(fā)生強(qiáng)降水。從多年極端降水量最大值來看，寧南縣為93.07mm，巧家縣為95.3mm，有致災(zāi)隱患。通過對兩縣極端降水比率的長時間序列分析，發(fā)現(xiàn)寧南和巧家年平均極端降水比率一樣，均為15.93%(如表1)。從歷史極端降水比率最大值來看，寧南比巧家大，達(dá)36.13%，由此可見白鶴灘周邊站點(diǎn)極端降水在全年降水中扮演極其重要的角色。分別統(tǒng)計寧南、巧家1960～2019年極端降水量變化，從多年平均來看，寧南：156.1mm，巧家：132.7mm，將兩站極端降水量年變化作線性擬合(如圖1(a))，可以看出寧南、巧家兩個地區(qū)極端降水量均呈不同程度增加的趨勢。計算兩站氣候傾向率，發(fā)現(xiàn)寧南極端降水量以8.9mm/10a的速度增加，巧家以11.5mm/10 a的速度增加。分別統(tǒng)計兩站極端降水日數(shù)的月分布狀況(如圖1(b))，寧南極端降水都是從1月開始，2、4、12月沒有極端降水記錄。其中極端降水日數(shù)最多的月份是6月，60年期間總共51天；巧家極端降水都是從3月開始，1、2、5月沒有極端降水記錄。其中極端降水日數(shù)最多的月份也是6月，60年期間總共48天；可見6月是極端降水發(fā)生的高峰期，其次是7月，預(yù)報服務(wù)過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

2 “6·28”暴雨特征分析

2.1 過程概況

2012年6月27～28日白鶴灘水電站出現(xiàn)局地強(qiáng)降水過程，此次過程24h降水量超極端降雨閾值(42.9mm/d)1.82倍，暴雨誘發(fā)的山洪泥石流災(zāi)害造成41人遇難或失蹤[7,10]，嚴(yán)重影響水電站施工，因此作為典型極端個例做研究。

統(tǒng)計白鶴灘周邊寧南、白鶴灘、跑馬鄉(xiāng)新田、西瑤鄉(xiāng)、新村鎮(zhèn)、新華鄉(xiāng)等16個站點(diǎn)24h降水量、小時降水強(qiáng)度、降水時數(shù)和出現(xiàn)位置，分析得出此次降水中心跑馬鄉(xiāng)新田站24h累計降水量達(dá)78.3 mm，小時最大降水量達(dá)23.3mm，歷時11 h。另有新村鎮(zhèn)和白鶴灘站24h降水超過30mm，降水分別歷時8h和9h。強(qiáng)降水集中出現(xiàn)的主要時段為28日06～07時(見表2)。此次降水主要特點(diǎn)是，強(qiáng)降水中心持續(xù)降水時間較長，小時雨強(qiáng)較大，因此易誘發(fā)泥石流災(zāi)害。

表2 2012年6月27～28日白鶴灘壩區(qū)關(guān)鍵氣象站點(diǎn)降雨統(tǒng)計

2.2 “6.28”暴雨過程分析

2.2.1 環(huán)流形勢

在暴雨發(fā)生前，6月27日08時500hPa(圖略)歐亞中高緯地區(qū)為兩脊一槽環(huán)流形勢，長波槽東移過程中分裂短波槽南下，此時有冷中心位于新疆一帶，同時溫度場落后于高度場，槽后有冷平流南下補(bǔ)充到槽內(nèi)，使短波槽加深發(fā)展并東移南壓。27日20時(圖略)低槽主要位于四川省川西高原北部，白鶴灘水電站所在地寧南縣處于槽前的西南氣流中，槽前的正渦度平流產(chǎn)生氣流的水平輻散，同時在200hPa(圖略)上對應(yīng)明顯的輻散區(qū)，高層抽吸作用使得低層輻合加強(qiáng)，短波槽在移動過程中逐漸加強(qiáng)。28日08時(圖略)長波槽呈東北西南向穩(wěn)定在東北至河套一帶，且位于新疆的脊移動較快，使槽加深，白鶴灘壩區(qū)正處在槽前偏南氣流中，槽前渦度平流加大，地面氣旋系統(tǒng)加深發(fā)展，對暴雨發(fā)展有利。

分析700hPa風(fēng)場，暴雨發(fā)生前27日08時(如圖2a)，四川省攀西地區(qū)有氣旋性渦旋產(chǎn)生，暴雨中心主要位于氣旋性渦度區(qū)前側(cè)，有正渦度；低層850hPa(如圖2c)白鶴灘水電處在風(fēng)場輻合區(qū)，相對濕度場上水電站區(qū)域基本處在90%的高濕閉合中心，到28日08時(如圖2d)相對濕度基本都處在90%～100%，這種西南暖濕氣流攜帶充沛的水汽，北上與冷空氣匯合極易發(fā)生強(qiáng)對流天氣；700hPa風(fēng)場28日08時(如圖2b)，西南輻合氣流仍強(qiáng)盛，輻合中心北移，西南水汽輸送通道打通。整個暴雨過程期間這一支較強(qiáng)盛的西南暖濕氣流始終維持，白鶴灘水電站位于西南氣流前側(cè)。這對此次暴雨的形成起到三方面的作用：(1)從低層向高層輸送熱量和水汽建立對流不穩(wěn)定層結(jié)；(2)正切變渦度區(qū)非常有利于對流活動的發(fā)生，對于強(qiáng)降水起到了關(guān)鍵作用；(3)在西南暖濕急流中存在著多種尺度的擾動，這些擾動對應(yīng)著各種不同水平尺度的雷暴或暴雨區(qū)的形成和發(fā)展。這都為白鶴灘“6·28”發(fā)生強(qiáng)對流天氣提供了有利的條件。

2.2.2 水汽條件

充足的水汽是暴雨形成的最基本條件之一。判斷一個地區(qū)的水汽條件可以通過計算水汽通量和水汽通量散度的變化來實現(xiàn)。水汽通量是表示水汽輸送強(qiáng)度的物理量，而水汽通量散度則是水汽集中程度的物理量[14-15]，它表示在單位時間里，單位體積(底面積1cm2，高1hPa)內(nèi)回合進(jìn)來或輻散出去的水汽質(zhì)量，單位體積的水汽通量散度計算公式為

當(dāng)A>0，則水汽通量是輻散的(水汽因輸送出去而減少)；若A<0，水汽通量是輻合的(水汽因輸送進(jìn)來而增加)。

從26日20時850hPa水汽通量矢量和水汽通量散度圖上(如圖3a)可以看出，暴雨發(fā)生前，白鶴灘水電站處在水汽輻合區(qū)邊緣處，輻合中心水汽通量散度為-2×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1，表明在降雨發(fā)生之前，白鶴灘水電站已經(jīng)有一定的水汽累積。暴雨發(fā)生過程中，28日08時(圖略)水汽輸送略有加強(qiáng)，到28日14時(如圖3b)白鶴灘水電站水汽輻合區(qū)域明顯增大，中心強(qiáng)度達(dá)到-4×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1，為降雨發(fā)生發(fā)展提供充足的水汽條件。28日20時(圖略)，暴雨區(qū)上空水汽通量散度輻合區(qū)消失，暴雨明顯減弱。這說明暴雨形成、加強(qiáng)、減弱與暴雨上空850hPa的水汽通量的輻合區(qū)變化密切相關(guān)。結(jié)合850hPa相對濕度的分析可得，此次降雨的水汽來源主要是局地水汽含量。

2.2.3 動力條件

垂直速度表示氣流的上升或下沉運(yùn)動，一定強(qiáng)度的上升運(yùn)動是形成降水的條件之一[16]。2012年6月26日08時～29日08時暴雨中心區(qū)域(26°～27°N、102°～103°E)平均垂直速度的時間—高度剖面圖(如圖4a)，從圖中可以看出垂直速度負(fù)大值區(qū)，即為氣流強(qiáng)上升運(yùn)動區(qū)，從垂直高度上看，800hPa低層從26日12時～28日18時始終維持上升運(yùn)動，中心位置垂直速度為-0.15 Pa/s，對應(yīng)的時間是26日20時前后及27日10時前后，28日00～12時從垂直高度上看，垂直速度從低層至高層保持一致的負(fù)值，28日12時強(qiáng)度較大中心分別：在850hPa為-0.1Pa/s，400hPa上為-0.25Pa/s，300hPa上為-0.65Pa/s，垂直結(jié)構(gòu)最完整，這說明暴雨發(fā)生期間有較強(qiáng)的垂直上升氣流。這從28日02時暴雨中心白鶴灘所在地的垂直速度剖面圖上(如圖4b)也可看出，垂直上升運(yùn)動維持，暴雨發(fā)展強(qiáng)盛。

2.2.4 熱力不穩(wěn)定條件

假相當(dāng)位溫(θse)是表征大氣溫濕特征的物理量，其值大小反映顯熱能和潛熱能的高低，其高值中心反映大氣能量的積累；θse隨高度變化還反映大氣層結(jié)穩(wěn)定度狀況，它在大氣的干絕熱和濕絕熱變化中都是守恒的[17-19]。用假相當(dāng)位溫隨高度的變化(?θse/?p)表示穩(wěn)定度時，當(dāng)(?θse/?p)>0，對流不穩(wěn)定，即假相當(dāng)位溫隨高度降低；當(dāng)(?θse/?p)<0，對流穩(wěn)定，即假相當(dāng)位溫隨高度升高；(?θse/?p)=0為中性。

暴雨開始之前27日20時，從850hPa θse場(如圖5a)可見，與西南暖濕氣流相對應(yīng)，有一θse大值高能中心位于(27°N、102.5°E)附近(θse≥360K)，此處正是暴雨中心位置，而(30°N、97°E)附近存在一個低能中心(θse≤335K)，這兩支不同性質(zhì)氣流之間有一條東北西南向能量鋒區(qū)在高能舌與低能中心之間建立，且能量鋒區(qū)梯度較大。暴雨中心白鶴灘水電站位于兩層能量鋒區(qū)靠近高能側(cè)。700hPa θse場(如圖5b)同樣可見能量鋒區(qū)，但中心位置偏北偏西，白鶴灘水電站附近θse減弱為374K，強(qiáng)度減弱。說明暴雨中心θse隨高度減小，有不穩(wěn)定能量存在，只要有冷空氣入侵，極易釋放不穩(wěn)定能量，造成強(qiáng)降水。

從暴雨中心θse隨高度變化上可看出(如圖6)，28日00～20時低層800hPa以下始終維持高能，中心值達(dá)364 K。800hPa以上28～29日假相當(dāng)位溫對高度減小，即(?θse/?p)>0，對流不穩(wěn)定，有不穩(wěn)定能量存在，易發(fā)生強(qiáng)對流天氣。

3 結(jié)論和討論

通過白鶴灘周邊站極端降雨統(tǒng)計分析得出：寧南和巧家兩縣極端降水量、極端降水日數(shù)和極端降水比率均呈上升趨勢。寧南極端降水閾值為42.9 mm，是最容易發(fā)生強(qiáng)降水的地區(qū)。寧南、巧家平均每年極端降水日數(shù)相近，為2～3天。極端降水發(fā)生峰值期相同，6月是極端降水發(fā)生的高峰期，其次是7月，因此在白鶴灘氣象預(yù)報服務(wù)過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注6、7兩月。

通過白鶴灘“6·28”強(qiáng)降雨環(huán)流背景分析得出：500hPa高原短波槽東移加強(qiáng)，槽前的正渦度平流誘發(fā)低層氣旋性渦度增加，低層輻合高層輻散為暴雨的維持提供了很好的動力條件，配合低層西南暖濕氣流源源不斷向白鶴灘地區(qū)輸送水汽和能量，為暴雨發(fā)生提供了高能高濕條件，低層大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，同時受高層北方南下的冷空氣影響，觸發(fā)白鶴水電站局地暴雨天氣。

通過白鶴灘“6·28”強(qiáng)降雨物理量診斷分析得出：過程發(fā)生期間，白鶴灘水電站對流層低層水汽通量輻合較強(qiáng)，水汽的積聚對暴雨的維持提供條件。垂直速度場表現(xiàn)為較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動，同時對流層低層隨高度降低，反映了該處大氣的不穩(wěn)定性，為白鶴灘水電站地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)對流性降水天氣提供了有利條件。

通過對白鶴灘水電站極端暴雨天氣特征研究，對氣象服務(wù)的啟示是：面對局地突發(fā)暴雨，氣象服務(wù)要從單純重視“過程前”的預(yù)報服務(wù)模式向關(guān)注“過程中”的跟蹤式預(yù)報服務(wù)模式轉(zhuǎn)變，特別要加強(qiáng)“過程中”氣象服務(wù)的及時跟進(jìn)。