白鶴灘水電站極端大風天氣成因分析

陳文龍

(涼山州氣象臺，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個巨型梯級水電站之一，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，當有冷空氣南下、熱低壓發展或強雷暴活動時，由于風在峽谷內受狹管效應作用，風速突增，易形成大風。據統計，白鶴灘電站年平均7級及以上大風日數為237d，其中7級日數73.0d，8級日數80.0d，9級日數58.3d，10級日數21.8d，11級日數3.5d。有70%以上的大風是由冷空氣 (冷鋒)引起，熱低壓大風和雷暴大風次之。本文利用NCEP/NCAR 1°×1°的再分析資料分析環流形勢和物理量特征；利用NASA＆NIMA的SRTMDEM 90m分辨率原始高程數據繪制地形高程圖，并結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”計算。

1 天氣實況

2018年5月22日，受過境冷鋒影響，白鶴灘電站壩區出現一次大風天氣，共有11個自動氣象站均出現了大風 (表1)，其中右岸834平臺站7級及以上大風維持了13h左右 (圖2)，風速極值為34.0m/s(12級，ENE)，出現在13：02(北京時，下同)。22號夜間，壩區還出現了小雨，各站雨量在1～3mm。

2 環流背景

在高空圖 (圖2a，b，c)上，深厚的冷槽從外蒙古東移到我國東北地區，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河西走廊南下后轉為東北氣流，并迅速南下到四川盆地南部，最大風速超過12m/s，風向與等溫線幾乎呈90°夾角。在槽后的強冷平流的引導下，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到甘肅一帶，強度超過1030hPa。同時，冷鋒也快速南壓到四川盆地南部，西南地區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29～34°N范圍內的最大氣壓達到了15hPa。22日12： 0014：00時，冷鋒過境白鶴灘電站，產生了12級大風。冷鋒過境后，其后部的氣壓梯度和高空冷平流仍很強。

表1 2018年5月22日壩區部分自動氣象站極大風速

圖2 2018年5月22日08：00高低層環流形勢 (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)，冷暖氣團和鋒區的垂直特征非常顯著。鋒區主要存在于500hPa以下，近地面單位緯度內的θse差值最大超過了20℃。在中低層，30°N附近變性冷氣團內的θse最低值僅有44℃，而南方暖氣團的內θse最高值達到了92℃。冷暖氣團強烈的溫度差和顯度差，鋒區非常狹窄。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，冷平流非常強盛，700hPa以上等θse線向北方迅速傾斜，而偏南風與偏北風的交界面也隨等θse線向北傾斜。暖空氣在鋒面上斜升運動，促進低層對流發展，也有利于近地面大風的產生。

圖4直觀地顯示了大風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間的變化情況。在大風開始前的北京時21日14：00 22日06：00，300hPa以下出現了2個顯著正渦度中心，與此對應的是低層700hPa以下表現出顯著的輻合，最強輻合超過了-3·s-1，而600hPa以上存在3個輻散中心；500hPa以下的上升運動也很強烈，21日20：00左右，600hPa附近的上升運動達到了9Pa/s，此時低層有一定的水汽輻合。隨著冷鋒逼近，低層的負渦度和輻散開始增強，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至4×10-6g/(cm2·hPa·s)，但低層并沒有表現出上升運動，反而隨著時間的推移，下沉運動增強。冷鋒過境 (22日13：0014：00)后，低層出現了非常顯著的負渦度和下沉運動，渦度值達到-3·s-1，下沉速度達到了0.8 Pa/s，強烈的下沉運動有利于高空動量下傳，進而使地面風速增大。此時，低層的水汽輻合迅速減小至消失；而中層出現了弱的正渦度和弱的輻合。在持續較強的下沉氣流和地面的強氣壓梯度的配合下，大風得以較長時間維持。

圖3 2018年5月22日沿102.9°E的假相當位溫θse(等值線和陰影，單位：℃)和風場 (風羽，單位：m/s)的垂直剖面 (橫軸下方的實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間—垂直剖面圖 (圖中橫軸時間為世界時，橫軸下方的橫線標注大風持續時段)

4 狹管效應

當氣流由開闊地帶流入地形構成的峽谷時，由于空氣質量不能大量堆積，于是加速流過峽谷，風速增大；當流出峽谷時，空氣流速又會減緩。這種地形峽谷對氣流的影響，稱為 “狹管效應”。

在利用狹管效應進行計算時，需假定在近地面不厚的氣層內，無空氣的輻合、輻散以及壓縮，也不考慮高低層空氣質量的交換，根據流體的連續方程，流體在單位時間內通過體積的質量相等，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為流動時間。可知，在上述假定條件下，不同點處的流體速度與容器寬度成反比。利用該結論，可以粗略估算狹谷對風的 “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，河谷受偏北風控制，故把VI號站和I號站分別做為入口和出口，并選取河谷內海拔高度700～900m的部分進行狹管效應討論.VI號站處的河谷寬度約1200m，大壩附近的河谷寬度約740m，VI號站的極大風速為19.6m/s。利用關系式計算得到大壩附近的極大風速為31.8m/s，風速增加率為62.2%；而大壩附近III號、IV號和V號站的實際極大風速分別為24.4m/s、34.0m/s、24.2m/s，風速增加率分別為 24.5%、73.5%、23.5%，出口附近的 I號站極大風速為18.7m/s，計算值與實測最大值相差很小。另外，河谷右岸較左岸更加筆直和少突起，這樣使右岸河谷對空氣的摩擦力減小，也更有利于大風的出現。

圖5 白鶴灘電站壩區地形

5 小結

本文從環流背景、物理量以及地形對風的 “狹管效應”對白鶴灘電站大風產生和維持的原因進行了分析和討論，得出以下結論：

高空冷槽東移，槽后的強冷平流引導青藏高原東側的地面冷鋒和強冷空氣下南下直接導致了白鶴灘電站12級大風的產生，而冷鋒后的強氣壓梯度是大風維持的關鍵因素。

鋒區兩側冷暖氣團的θse值達到了47℃，鋒區內的等θse線非常密集，700hPa以上的鋒區向冷區顯著傾斜，鋒后有很強的冷平流。冷鋒到來前，低層的有明顯的正渦度場、輻合場、弱水汽輻合以及顯著的上升運動，高層有明顯的負渦度場和輻散場；冷鋒逼近后，低層的正渦度輻合和中高層的負渦度輻散減弱，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，低層強烈下沉運動引起的動量下傳也促進了大風的形成和維持。

根據 “狹管效應”，在海拔700～900m高度的河谷內，代入入口區的極大風速進行計算，大壩附近的理論極大風速為31.8m/s，這與實際的極大風速很接近；更加筆直和少突起的右岸比左岸風速更大。