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(guó)地勢(shì)第二級(jí)階梯與第一級(jí)階梯交界處橫斷山脈，地形復(fù)雜。受多種天氣系統(tǒng)影響，加之特殊復(fù)雜的下墊面，大風(fēng)天氣頻繁，平均每年發(fā)生7級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)達(dá)235 d，占全年總?cè)諗?shù)的64.2%。分別從時(shí)間、空間和氣候變化方面分析壩區(qū)新田自動(dòng)站氣象資料、NCEP格點(diǎn)資料大風(fēng)變化規(guī)律，具體分析了9級(jí)以上各級(jí)大風(fēng)個(gè)例特征、瞬時(shí)風(fēng)速、10 min最大風(fēng)速持續(xù)時(shí)間、壩區(qū)9級(jí)以上不同等級(jí)風(fēng)速持續(xù)時(shí)間等大風(fēng)預(yù)報(bào)指標(biāo)，旨在進(jìn)一步完善9級(jí)以上災(zāi)害性大風(fēng)的預(yù)報(bào)方法，提高電站災(zāi)害性大風(fēng)預(yù)警預(yù)報(bào)氣象服務(wù)水平。

關(guān)鍵詞 斜壓鋒生型；低層暖平流強(qiáng)迫型；高層冷平流強(qiáng)迫型；準(zhǔn)正壓型

中圖分類號(hào)：P425.6+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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(fēng)速較大，晴天午后易出現(xiàn)偏西大風(fēng)。極大風(fēng)速出現(xiàn)在2016年3月，達(dá)37.9 m/s（13級(jí)）。風(fēng)災(zāi)會(huì)嚴(yán)重影響大壩澆筑期的施工進(jìn)度和施工安全，特別是對(duì)大壩澆筑、纜機(jī)運(yùn)行、骨料傳輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行和施工人員的安全影響重大。9級(jí)以上大風(fēng)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確對(duì)工程質(zhì)量的保障有一定的作用，因此有必要進(jìn)一步研究9級(jí)以上大風(fēng)發(fā)生的環(huán)流形勢(shì)、大風(fēng)持續(xù)時(shí)間，并構(gòu)建大風(fēng)可預(yù)報(bào)性指標(biāo)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(jī)高程接近，觀測(cè)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(fēng)分析的代表站，以其他站點(diǎn)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(dòng)氣象站大風(fēng)資料。24 h逐時(shí)觀測(cè)資料中極大風(fēng)速≥10.8 m/s，定義為1個(gè)大風(fēng)日或大風(fēng)過程。

1.2 研究方法

1.2.1 線性傾向估計(jì) 即一元線性回歸。設(shè)定分析數(shù)據(jù)為（xi，yi） （i=1，2，…，n），xi為T639數(shù)值預(yù)報(bào)資料，yi為實(shí)況物理量場(chǎng)資料。

一元線性回歸的數(shù)學(xué)模型為：

y=a+bx+ε ε～N（0，σ2）（1）

即隨機(jī)變量y的數(shù)學(xué)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(jì)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(cè)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(shì)系數(shù)法 相關(guān)系數(shù)能反映數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度。

r =（8）

1.2.3 統(tǒng)計(jì)分析法 主要是使用定量統(tǒng)計(jì)分析法，即通過查閱傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)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(fēng)記錄資料，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并綜合統(tǒng)計(jì)白鶴灘地區(qū)的大風(fēng)氣候特征，診斷分析天氣個(gè)例。同時(shí)，使用時(shí)間序列方法，即根據(jù)時(shí)間序列方法的基本概念與理論基礎(chǔ)，分析白鶴灘壩區(qū)大風(fēng)的月、年和年際變化，找出其時(shí)空變化特征。

2 白鶴灘壩區(qū)的大風(fēng)特征

2.1 年內(nèi)大風(fēng)分布

以新田站為代表站，按照大風(fēng)定義標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速7級(jí)≥13.9 m/s；9級(jí)≥20.8 m/s的觀測(cè)分鐘數(shù)據(jù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。將時(shí)間間隔分為15、30、45、60、75、90、105、120 min，即8個(gè)檔次，為災(zāi)害性大風(fēng)的持續(xù)時(shí)間。在t0時(shí)刻時(shí)距為T的平均風(fēng)速為：

V=（9）

由于風(fēng)的陣性和脈動(dòng)性，在某一給定時(shí)段內(nèi)所測(cè)得的風(fēng)速隨時(shí)間的延長(zhǎng)而變小，因此在同一時(shí)刻內(nèi)下列不等式是成立的，即10 min平均風(fēng)速≤2 min平均風(fēng)速≤最大平均風(fēng)速≤瞬時(shí)極大風(fēng)速；2 min平均風(fēng)速≈10 min平均風(fēng)速×1.3；瞬時(shí)極大風(fēng)速≈2 min最大平均風(fēng)速×1.25≈10 min最大平均風(fēng)速×1.63。

選取白鶴灘水電站新田自動(dòng)站2012年1月—2016年8月的觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)2012—2015年新田站觀測(cè)到的極大風(fēng)速為32.4 m/s（偏西風(fēng)11級(jí)），出現(xiàn)在2013年1月2日20：42。馬脖子站出現(xiàn)過1次12級(jí)大風(fēng)，極大風(fēng)速為33.9 m/s（北風(fēng)），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(fēng)速7級(jí)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(jí)以上的日極大風(fēng)速主要集中在干季，11級(jí)的日極大風(fēng)速全部出現(xiàn)在1—4月。

2.2 風(fēng)力等級(jí)分布

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

2.3 極大風(fēng)速風(fēng)向分布

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

2.4 金沙江流域大風(fēng)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(dá)1 000～2 000 m；水面寬為100～200 m），日極大風(fēng)速的風(fēng)向絕大多數(shù)為北風(fēng)和偏北風(fēng)，基本沿著河流方向，出現(xiàn)的平均概率為76.3%。其中以北風(fēng)最多，出現(xiàn)的平均概率為41.4%；其次是南風(fēng)和偏南風(fēng)，出現(xiàn)的平均概率為14.1%；其余風(fēng)向的合計(jì)占9.6%。

2.5 分鐘數(shù)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)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(fēng)級(jí)數(shù)越高發(fā)生的時(shí)間越短，防范更加困難。2014—2016年中7級(jí)大風(fēng)發(fā)生的小時(shí)數(shù)為3 342 h；8級(jí)為1 638 h；9級(jí)423 h；10級(jí)52 h；11級(jí)9 h；2015年各級(jí)大風(fēng)都高于其他年份。

2.6 9級(jí)以上大風(fēng)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(fēng)力＞9級(jí)（20.8 m/s）的個(gè)例374個(gè)；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(jì)出干季偏北風(fēng)244次，占比為78.2%；偏南風(fēng)66次，占比為21.8%。雨季偏北風(fēng)47次，占比為73.4%；偏南風(fēng)17次，占比為26.6%。

2.7 大風(fēng)分類

經(jīng)過個(gè)例反查與分析，影響壩區(qū)的大風(fēng)分為雷雨大風(fēng)、梯度型大風(fēng)和動(dòng)量下傳型大風(fēng)。其中雷雨大風(fēng)出現(xiàn)45次，主要出現(xiàn)在4月到8月；梯度型大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)最多為249次，主要出現(xiàn)在11至翌4月；動(dòng)量下傳型大風(fēng)出現(xiàn)46次，主要出現(xiàn)在1—4月。造成大風(fēng)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(fēng)急流。

（1）雷雨大風(fēng)。雷雨大風(fēng)常出現(xiàn)在強(qiáng)烈冷鋒前面的雷暴高壓中，雷暴高壓是一個(gè)存在于雷暴區(qū)附近地面氣象場(chǎng)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(gè)下沉氣流與上升氣流之間，存在著一條狹窄的風(fēng)向切變帶，為雷雨大風(fēng)發(fā)生處，它過境時(shí)帶來極強(qiáng)的暴風(fēng)雨。大氣中不穩(wěn)定能量的釋放、強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)和下沉運(yùn)動(dòng)是與大風(fēng)天氣產(chǎn)生的重要因素。

（2）梯度型大風(fēng)。梯度大風(fēng)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(fēng)的統(tǒng)稱。此類型的大風(fēng)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?yàn)槔淇諝獾呐R近越來越密集，海平面氣壓梯度加大，風(fēng)力逐漸加大。如果北部強(qiáng)冷高壓穩(wěn)定少動(dòng)，持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，就會(huì)不斷分裂小高壓或者強(qiáng)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(jìn)，前后兩部分冷空氣會(huì)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(fēng)。

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

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

反查個(gè)例動(dòng)量下傳型的偏南大風(fēng)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(fēng)過程進(jìn)行分析，對(duì)要素場(chǎng)進(jìn)行平均，尋找共同點(diǎn)。

3 結(jié)論

（1）查閱2012—2016年歷史資料，共找出極大風(fēng)力＞9級(jí)（20.8 m/s）的個(gè)例374個(gè)，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(jì)出干季偏北風(fēng)244次，占比為78.2%；偏南風(fēng)66次，占比為21.8%。雨季偏北風(fēng)47次，占比為73.4%；偏南風(fēng)17次，占比為26.6%。在干季（10月至翌年4月）出現(xiàn)＞7級(jí)的大風(fēng)分鐘數(shù)逐月遞增，3—4月達(dá)到峰值。雨季月份7級(jí)以上大風(fēng)明顯減少。24 h瞬時(shí)風(fēng)速＞7級(jí)出現(xiàn)了2個(gè)峰值，第1個(gè)時(shí)段為14：55～16：09，最多出現(xiàn)在16：09，為23次；第二個(gè)時(shí)段為21：27～22：23，谷底位于05：00～09：00。

（2）白鶴灘壩區(qū)9級(jí)以上大風(fēng)天氣學(xué)分型主要分為雷雨大風(fēng)型、梯度風(fēng)型、動(dòng)量下傳型。其中梯度型大風(fēng)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(dòng)量下傳型出現(xiàn)46次，主要出現(xiàn)在1—4月；雷雨大風(fēng)出現(xiàn)45次，主要出現(xiàn)在4—8月。造成大風(fēng)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(fēng)急流。

（3）雷雨大風(fēng)：根據(jù)強(qiáng)對(duì)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(qiáng)迫型、高層冷平流強(qiáng)迫型和準(zhǔn)正壓型。分析白鶴灘壩區(qū)的45個(gè)雷暴大風(fēng)個(gè)例，發(fā)現(xiàn)斜壓鋒生型有30個(gè)，高空冷平流強(qiáng)迫有6個(gè)，低空暖平流強(qiáng)迫型有8個(gè)，準(zhǔn)正壓型有1個(gè)。

（4）梯度型大風(fēng)：根據(jù)大風(fēng)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(duì)白鶴灘壩區(qū)的249個(gè)梯度型大風(fēng)個(gè)例進(jìn)行天氣學(xué)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(dòng)量下傳型：動(dòng)量下傳大風(fēng)多發(fā)生于春夏季，特點(diǎn)是中午開始風(fēng)速加大，以南風(fēng)為主，夜間風(fēng)速減小，偶有個(gè)例夜間南風(fēng)維持7級(jí)以上，有明顯的日變化規(guī)律。此類大風(fēng)多由高空動(dòng)量下傳引起，一種為風(fēng)速直接下傳，另一種由于動(dòng)量下傳改變垂直動(dòng)量結(jié)構(gòu)，引起近地面氣壓梯度加大，造成大風(fēng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 閔晶晶.京津冀地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣特征和預(yù)報(bào)技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)， 2012.

[2] 嚴(yán)仕堯，李昀英，齊琳琳，等，華北產(chǎn)生雷暴大風(fēng)動(dòng)力熱力綜合指標(biāo)分析及運(yùn)用[J]暴雨災(zāi)害，2013，32（1）：17-23.

[3] 秦麗，李耀東，高守亭.北京地區(qū)雷暴大風(fēng)的天氣：氣候?qū)W特征研究[J].氣候與環(huán)境研究，2006（6）：754-762.

[4] 廖曉農(nóng)，于波，盧麗華.北京雷暴大風(fēng)氣候特征及短時(shí)臨近預(yù)報(bào)方法[J].氣象， 2009，35（9）：18-28，130.