鄒琪美 呂俊杰 陳文龍 巫前文 邊茜 姜艷 唐毓玲

摘要 白鶴灘水電站地處我國地勢第二級階梯與第一級階梯交界處橫斷山脈，地形復雜。受多種天氣系統(tǒng)影響，加之特殊復雜的下墊面，大風天氣頻繁，平均每年發(fā)生7級以上大風日數(shù)達235 d，占全年總?cè)諗?shù)的64.2%。分別從時間、空間和氣候變化方面分析壩區(qū)新田自動站氣象資料、NCEP格點資料大風變化規(guī)律，具體分析了9級以上各級大風個例特征、瞬時風速、10 min最大風速持續(xù)時間、壩區(qū)9級以上不同等級風速持續(xù)時間等大風預報指標，旨在進一步完善9級以上災害性大風的預報方法，提高電站災害性大風預警預報氣象服務水平。

關鍵詞 斜壓鋒生型；低層暖平流強迫型；高層冷平流強迫型；準正壓型

中圖分類號：P425.6+1 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）12–0-03

Analysis of Characteristics of Catastrophic Strong Winds in the Dam Area of Baihetan Hydropower Station

Zou Qi-mei et al（Liangshan Meteorological Bureau， Liangshan， Sichuan 615000）

Abstract Baihetan Hydropower Station was located in the Hengduan Mountains at the junction of the second step and the first step in China， and the terrain was complex. Affected by a variety of weather systems， coupled with the special complex underlying surface， frequent gale weather， the average number of gale days above 7 reached 235 d， accounting for 64.2% of the annual total number of days. Respectively from the aspects of time， space and climate change analysis dam xinda automatic station meteorological data， NCEP grid data wind change law， analyzed the level above 9 wind individual characteristics， instantaneous wind speed， 10 min maximum wind speed duration， dam level 9 different wind speed duration of wind forecast indicators specifically， aims to further improve the level 9 above severe wind forecast method， improve the level of power station severe gale warning forecast meteorological services.

Key words Baroclinic frontogenesis type; Low-level warm advection forcing type; High-level cold advection forcing type; Quasi barotropic type.

11月至次年的4月是白鶴灘水電站地的干季，春季風速較大，晴天午后易出現(xiàn)偏西大風。極大風速出現(xiàn)在2016年3月，達37.9 m/s（13級）。風災會嚴重影響大壩澆筑期的施工進度和施工安全，特別是對大壩澆筑、纜機運行、骨料傳輸系統(tǒng)的安全運行和施工人員的安全影響重大。9級以上大風的預報準確對工程質(zhì)量的保障有一定的作用，因此有必要進一步研究9級以上大風發(fā)生的環(huán)流形勢、大風持續(xù)時間，并構建大風可預報性指標體系。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

新田站位于壩址上方，海拔為996 m，與大壩纜機高程接近，觀測資料具有較好的代表性，故以新田站作為白鶴灘壩區(qū)大風分析的代表站，以其他站點資料為輔助分析。研究資料為新田站2012年1月—2016年8月的自動氣象站大風資料。24 h逐時觀測資料中極大風速≥10.8 m/s，定義為1個大風日或大風過程。

1.2 研究方法

1.2.1 線性傾向估計 即一元線性回歸。設定分析數(shù)據(jù)為（xi，yi） （i=1，2，…，n），xi為T639數(shù)值預報資料，yi為實況物理量場資料。

一元線性回歸的數(shù)學模型為：

y=a+bx+ε ε～N（0，σ2）（1）

即隨機變量y的數(shù)學期望是自變量x的線性函數(shù)。

一元線性回歸回歸方程為：

=a+b（2）

為方便計算，記：

Lxy=（3）

自變量x的離差平方和為：

Lxy=（4）

記變量y的離差平方和為：

Lxy=（5）

，

，

其中U是回歸值與其i平均值的離差平方和，Q反映的是觀測值與回歸值之間的離差平方和。

可求得：

（6）

=y-x（7）

1.2.2 氣候趨勢系數(shù)法 相關系數(shù)能反映數(shù)據(jù)之間的相關程度。

r =（8）

1.2.3 統(tǒng)計分析法 主要是使用定量統(tǒng)計分析法，即通過查閱傳統(tǒng)統(tǒng)計資料、收集數(shù)據(jù)資料等方法，查閱白鶴灘近5年來的大風記錄資料，進行統(tǒng)計分析，并綜合統(tǒng)計白鶴灘地區(qū)的大風氣候特征，診斷分析天氣個例。同時，使用時間序列方法，即根據(jù)時間序列方法的基本概念與理論基礎，分析白鶴灘壩區(qū)大風的月、年和年際變化，找出其時空變化特征。

2 白鶴灘壩區(qū)的大風特征

2.1 年內(nèi)大風分布

以新田站為代表站，按照大風定義標準進行查找、篩選。分鐘數(shù)據(jù)取自2014年8月31日20：01—2016年8月31日19：59。按照標準風速7級≥13.9 m/s；9級≥20.8 m/s的觀測分鐘數(shù)據(jù)分別進行統(tǒng)計。將時間間隔分為15、30、45、60、75、90、105、120 min，即8個檔次，為災害性大風的持續(xù)時間。在t0時刻時距為T的平均風速為：

V=（9）

由于風的陣性和脈動性，在某一給定時段內(nèi)所測得的風速隨時間的延長而變小，因此在同一時刻內(nèi)下列不等式是成立的，即10 min平均風速≤2 min平均風速≤最大平均風速≤瞬時極大風速；2 min平均風速≈10 min平均風速×1.3；瞬時極大風速≈2 min最大平均風速×1.25≈10 min最大平均風速×1.63。

選取白鶴灘水電站新田自動站2012年1月—2016年8月的觀測資料，發(fā)現(xiàn)2012—2015年新田站觀測到的極大風速為32.4 m/s（偏西風11級），出現(xiàn)在2013年1月2日20：42。馬脖子站出現(xiàn)過1次12級大風，極大風速為33.9 m/s（北風），出現(xiàn)在2015年5月11日01：24。

由表1、圖1可知，新田站2012—2015年日極大風速7級以上平均天數(shù)為237 d，占全年總?cè)諗?shù)的65.0%，其中干季（1—4月，10—12月）為172 d，占干季日數(shù)的84.0%；雨季（5—9月）為65 d，占雨季日數(shù)的35%；10級以上的日極大風速主要集中在干季，11級的日極大風速全部出現(xiàn)在1—4月。

2.2 風力等級分布

以新田站為代表站，統(tǒng)計2012—2015年內(nèi)風力等級。根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，日極大風速7級出現(xiàn)的天數(shù)占7級以上天數(shù)的30.9%；日極大風速8級出現(xiàn)的天數(shù)占7級以上天數(shù)的33.8%；日極大風速9～11級出現(xiàn)的天數(shù)占7級以上天數(shù)的比例分別為24.6%、9.2%和 1.5%；總體來看，7級和8級日極大風速出現(xiàn)日數(shù)較多，占64.7%。

2.3 極大風速風向分布

極大風的風向絕大多數(shù)為北風和偏北風，基本沿著河流方向，出現(xiàn)的平均概率為79.5%；其次是南風和偏南風，出現(xiàn)的平均概率為17.0%；其余風向的合計占3.5%（圖2）。

2.4 金沙江流域大風的空間分布特征

白鶴灘水電站處在金沙江中段，沿金江街、三堆子至龍街、蒙姑、巧家等地，為開敞的“U”形河谷（谷底寬為200～500 m，最寬可達1 000～2 000 m；水面寬為100～200 m），日極大風速的風向絕大多數(shù)為北風和偏北風，基本沿著河流方向，出現(xiàn)的平均概率為76.3%。其中以北風最多，出現(xiàn)的平均概率為41.4%；其次是南風和偏南風，出現(xiàn)的平均概率為14.1%；其余風向的合計占9.6%。

2.5 分鐘數(shù)統(tǒng)計

經(jīng)過統(tǒng)計分析2014年8月31日20：01—2016年8月31日19：59分鐘數(shù)（圖略），2年內(nèi)有效分鐘數(shù)為1005 132 min，合為16 752.2 h。大風級數(shù)越高發(fā)生的時間越短，防范更加困難。2014—2016年中7級大風發(fā)生的小時數(shù)為3 342 h；8級為1 638 h；9級423 h；10級52 h；11級9 h；2015年各級大風都高于其他年份。

2.6 9級以上大風在干雨季中所占比例

反演2012—2016年的歷史資料，共找出極大風力＞9級（20.8 m/s）的個例374個；干季有310次，占比為82.9%、雨季有64次，占比為17.1%；分別統(tǒng)計出干季偏北風244次，占比為78.2%；偏南風66次，占比為21.8%。雨季偏北風47次，占比為73.4%；偏南風17次，占比為26.6%。

2.7 大風分類

經(jīng)過個例反查與分析，影響壩區(qū)的大風分為雷雨大風、梯度型大風和動量下傳型大風。其中雷雨大風出現(xiàn)45次，主要出現(xiàn)在4月到8月；梯度型大風出現(xiàn)次數(shù)最多為249次，主要出現(xiàn)在11至翌4月；動量下傳型大風出現(xiàn)46次，主要出現(xiàn)在1—4月。造成大風天氣的影響系統(tǒng)可分為高原低槽東移、下滑槽南壓、南支槽、中低空切變、高原渦和西風急流。

（1）雷雨大風。雷雨大風常出現(xiàn)在強烈冷鋒前面的雷暴高壓中，雷暴高壓是一個存在于雷暴區(qū)附近地面氣象場中的局部高壓，雷暴高壓中心溫度比四周低，下沉氣流極為明顯。雷暴高壓前部為暖區(qū)，暖區(qū)有上升氣流，就在這個下沉氣流與上升氣流之間，存在著一條狹窄的風向切變帶，為雷雨大風發(fā)生處，它過境時帶來極強的暴風雨。大氣中不穩(wěn)定能量的釋放、強烈的上升運動和下沉運動是與大風天氣產(chǎn)生的重要因素。

（2）梯度型大風。梯度大風主要是指由于冷空氣影響在地面造成海平面氣壓梯度增加所形成的大風的統(tǒng)稱。此類型的大風在冷鋒影響壩區(qū)前，冷鋒路徑前方到壩區(qū)的等壓線密度因為冷空氣的臨近越來越密集，海平面氣壓梯度加大，風力逐漸加大。如果北部強冷高壓穩(wěn)定少動，持續(xù)時間過長，就會不斷分裂小高壓或者強冷空氣沿西北氣流東移南壓，隨著新冷空氣在前端冷鋒后部不斷向前推進，前后兩部分冷空氣會使壩區(qū)附近維持30～40 hPa的氣壓梯度，造成壩區(qū)連續(xù)性大風。

研究過程中，挑選了4次不同類型的持續(xù)性過程對高空、地面及物理量場進行平均，綜合分析梯度大風成因，分別為2012年1月30日—2月2日小槽發(fā)展型大風，2014年2月7—18日大槽東移型大風，2015年2月6-10日低空切變型大風，2015年3月7—13日橫槽轉(zhuǎn)豎型大風。

（3）動量下傳型大風。動量下傳大風特指晴空偏南大風，其并非簡單意義上的動量下傳造成大風，在某種程度上更是高低空動力強迫造成的結(jié)果，是大氣三維質(zhì)量和動量的調(diào)整，造成了這種大風的形成。梯度大風更多關注的是地面氣壓場水平方向梯度造成的梯度風，而動量下傳除了關注地面熱低壓，還要關注高低空系統(tǒng)的強度和配置。動量下傳大風多發(fā)生于春夏季，特點是中午開始風速加大，以南風為主，夜間風速減小，偶有個例夜間南風維持7級以上，有明顯的日變化規(guī)律。此類大風多由高空動量下傳引起，一種為風速直接下傳，另一種由于動量下傳改變垂直動量結(jié)構，引起近地面氣壓梯度加大，造成大風。

反查個例動量下傳型的偏南大風為46次，選取2012年3月1—3日、2012年3月14—16日、2015年3月16—19日、2015年3月31日—4月5日幾次連續(xù)性偏南大風過程進行分析，對要素場進行平均，尋找共同點。

3 結(jié)論

（1）查閱2012—2016年歷史資料，共找出極大風力＞9級（20.8 m/s）的個例374個，其中干季有310次，占比為82.8%；雨季有64次，占比為17.1%。分別統(tǒng)計出干季偏北風244次，占比為78.2%；偏南風66次，占比為21.8%。雨季偏北風47次，占比為73.4%；偏南風17次，占比為26.6%。在干季（10月至翌年4月）出現(xiàn)＞7級的大風分鐘數(shù)逐月遞增，3—4月達到峰值。雨季月份7級以上大風明顯減少。24 h瞬時風速＞7級出現(xiàn)了2個峰值，第1個時段為14：55～16：09，最多出現(xiàn)在16：09，為23次；第二個時段為21：27～22：23，谷底位于05：00～09：00。

（2）白鶴灘壩區(qū)9級以上大風天氣學分型主要分為雷雨大風型、梯度風型、動量下傳型。其中梯度型大風出現(xiàn)次數(shù)最多為249次，主要出現(xiàn)在11月到至翌年4月；動量下傳型出現(xiàn)46次，主要出現(xiàn)在1—4月；雷雨大風出現(xiàn)45次，主要出現(xiàn)在4—8月。造成大風天氣的影響系統(tǒng)可分為高原低槽東移、下滑槽南壓、南支槽、中低空切變、高原渦、西風急流。

（3）雷雨大風：根據(jù)強對流天氣發(fā)生的高低空天氣系統(tǒng)的配置可分為斜壓鋒生型、低層暖平流強迫型、高層冷平流強迫型和準正壓型。分析白鶴灘壩區(qū)的45個雷暴大風個例，發(fā)現(xiàn)斜壓鋒生型有30個，高空冷平流強迫有6個，低空暖平流強迫型有8個，準正壓型有1個。

（4）梯度型大風：根據(jù)大風天氣發(fā)生的高低空天氣系統(tǒng)的配置及冷空氣原地和路徑可分為小槽發(fā)展型、低槽東移型和橫槽轉(zhuǎn)豎型。在對白鶴灘壩區(qū)的249個梯度型大風個例進行天氣學分析后發(fā)現(xiàn)，小槽發(fā)展有52次，144 d；低槽東移型有29次，60 d；橫槽轉(zhuǎn)豎過程有11次，39 d；其他類型有6 d。

（5）動量下傳型：動量下傳大風多發(fā)生于春夏季，特點是中午開始風速加大，以南風為主，夜間風速減小，偶有個例夜間南風維持7級以上，有明顯的日變化規(guī)律。此類大風多由高空動量下傳引起，一種為風速直接下傳，另一種由于動量下傳改變垂直動量結(jié)構，引起近地面氣壓梯度加大，造成大風。

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