泄洪霧化對天氣環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 可再生能源學院，北京 102206）

1 研究背景

高壩泄洪霧化對環境影響的評價，一直是水電站設計和運行過程中重點關注的問題。高速水流泄流所引起的霧化現象，可能對水電站、下游山體、庫區交通和居民的生產生活環境有一定的影響，預防和減輕這些危害有著十分重要的意義[1]。泄洪過程中局地環境風場一般受到過壩高速水流引起的水舌風影響，溫度和相對濕度的變化受泄洪過程中降雨和雨霧擴散的影響。

泄洪霧化對環境的影響存在多個方面，主要影響因素有地形條件、環境背景場、水舌風和水霧擴散范圍[2-3]。目前，泄洪霧化的研究集中在霧源特性、水霧擴散、降雨分布和霧化范圍等方面，研究手段以數值模擬和實際觀測為主[4-7]。泄洪霧化的數值模擬和實際觀測存在的難題有兩個方面，（1）數值模擬過程中未對地形和環境背景場進行綜合考慮；（2）實際觀測數據中缺少泄洪期間對水舌風、壩區周邊溫度和相對濕度變化的觀測數據。

為解決泄洪霧化數值模擬目前面臨的兩個難題，現提出泄洪霧化對天氣環境影響的松弛同化方法。該方法基于WRF（The Weather Research and Forecasting Model）數值天氣預報模式[8-9]，運用牛頓松弛同化方法（Newton Nudging Assimilation Method）[10-12]，將高壩泄洪過程中的水舌風、溫度、相對濕度等數據同化模式的背景場中，結合模式中的地形條件和天氣環境背景場對泄洪過程進行模擬，量化泄洪霧化對天氣環境的影響大小和范圍，為泄洪霧化對天氣環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據同化，它是一種持續的數據同化形式。牛頓松弛同化的基本原理是在模型中引入了人工趨勢項，以逐步使模型數據向觀測數據逼近。魏蕾等[13]對牛頓松弛同化方法的原理進行了闡述：

式中：μ=phs-pht，phs為地面氣壓；pht為頂部氣壓；x、y為離格點的距離；α為模式預報變量；為模式預報變量插值到三維空間中的觀測位置；F為模式中所有物理過程變率；Gα為松弛逼近系數；γ為觀測質量因素；α0為對應時刻觀測值；W(x，t)為松弛后第t步預報值。

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

式中：R為影響半徑；D為離觀測點的距離。

式中τ為觀測值指定的時間窗口。

利用數值天氣預報模式，對2015年9月14日14∶00—20∶00時間內，大崗山水電站位置進行一次模擬分析，觀察大崗山水電站位置的背景場天氣要素情況，主要關注該時間段內風速、風向、溫度、壓強和相對濕度數據。基于牛頓松弛同化方法，將泄洪過程中的水舌風、高程點以及受泄洪霧化影響的溫度、相對濕度等天氣要素變化量加入到模式中，經過數據同化計算，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同化數據設置方法

高壩泄洪的主要觀測數據為降雨數據，但對壩體下游受降雨影響的溫度、相對濕度和壓強的變化鮮有觀測。為確定降雨過程中溫度和相對濕度的變化，現運用WRF對雅安2011年8月20—21日的一次降雨過程進行模擬[14]，研究此次降雨過程中大崗山水電站位置溫度、相對濕度和壓強的變化，類比泄洪期間霧化對天氣環境要素的影響。進而結合大崗山水電站原型觀測資料和相關研究成果，提出泄洪霧化的天氣參數同化數據分類設置方法。

3.1 模擬區域及參數化方案設置應用WRF數值天氣預報，以坐標29.44°N和102.21°E為中心，運用4層單向嵌套模擬區域，從外層到內層采用的水平分辨率分別為27、9、3和1 km，各嵌套層格點數分別為100×100、88×88、76×76、100×100，垂直層分為31層。使用初始場和邊界場資料為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°。研究區域4層嵌套圖和第4層嵌套范圍內地形圖，分別如圖1、圖2所示。

模擬時間為北京時間2011年8月19日20∶00至2011年8月22日08∶00降雨時間段。積分時間步長為60 s，積分時長60 h。物理過程參數化方案做如下處理：

長波輻射選用RRTM方案[15]，短波輻射采用Dudhia方案[16]，微物理過程選用Lin云微物理方案，積云對流采用Grell-Devenyi集合方案，如表1所示：

圖1 大崗山模擬區域嵌套圖

圖2 第4層嵌套范圍內地形圖

表1 模式降雨模擬的基本物理方案選取

3.2 模擬結果分析由于模擬過程中存在多個降雨時間段，故選取變化效果顯著的2011年8月21日00∶00—23∶00時間段進行說明。通過雅安降雨過程的模擬結果，分析降雨過程中大崗山位置上降雨量、溫度、相對濕度和壓強的變化情況。詳細變化情況如表2所示。

表2 2011年8月21日雅安模擬降雨過程天氣參數變化情況

由圖3可知，9∶00時刻降雨過程開始，溫度下降了4℃，相對濕度上升了12%。在降雨過程中，溫度始終在20℃左右變化，相對濕度始終在80%左右變化，其中壓強受到的影響最小。溫度和相對濕度在降雨開始時變化劇烈，一段時間后趨于穩定。泄洪霧化導致的溫度和相對濕度變化，由于缺少自然降雨的先天天氣條件，會在泄洪一段時間后出現變化，高壩在泄洪過程中降雨強度大，故溫度和相對濕度在強暴雨區和暴雨區內的變化幅度也大。王繼剛[17]等人對大崗山水電站2015年9月14日15∶30—16∶40泄洪期間，泄洪洞出口觀測點觀測數據進行了匯總，如表3所示。

圖3 大崗山水電站位置累計雨量、溫度和相對濕度變化圖

由表2所示，雨強和相對濕度皆隨時間先增加后減小，溫度是先降低后升高，壓強一直保持在86.5 kPa左右。在8月21日16∶00時，降雨強度變化達到最大，為5.077 mm/h；10∶00時，溫度變化值達到最大，下降3.914℃；13∶00時，相對濕度變化值最大，上升12.365%。泄洪霧化導致的降雨對溫度和相對濕度的影響，可以以此次降雨過程作為參考，再通過觀測資料進行修正。其中累計雨量、溫度和相對濕度的變化圖，如圖3所示。

表3 泄洪洞出口各測點觀測數據匯總

3.3 泄洪霧化的天氣參數同化數據設置方法以表3的觀測數據和張華[18]、張旻[19]對泄洪霧化過程的數值模擬為參考，高壩泄洪霧化過程中，環境場風速受水舌風影響，實際風速可達20 m/s，溫度受降雨強度影響低于環境場達4℃，相對濕度受霧化影響可達到90%以上。結合大崗山降雨過程中降雨量、溫度、相對濕度和壓強的模擬情況，依據雨強的分類，提出泄洪霧化的天氣參數同化數據設置方法，如表4所示。

4 泄洪霧化對天氣環境影響的松弛同化方法在大崗山水電站泄洪中的應用

所謂泄洪霧化對天氣環境影響的松弛同化方法，即在數值天氣模式中，應用牛頓松弛同化方法，結合泄洪霧化的天氣參數同化數據設置方法，來評價泄洪霧化對天氣環境影響的一種方法。根據雅安降雨過程中大崗山水電站位置降雨過程中溫度、相對濕度和壓強的變化，結合大崗山泄洪洞出口各測點的觀測數據，現運用泄洪霧化對天氣環境影響的松弛同化方法，對大崗山水電站泄洪期間的天氣參數影響情況進行模擬研究。

4.1 參數化方案設置大崗山水電站位于四川省大渡河中游雅安市境內，樞紐泄洪洞位于大壩右岸，為無壓泄洪洞，進口為開敞式，出口采用挑流消能。2015年9月14日，水庫泄洪，泄洪流量為1344 m3/s。現選取2015年9月14日14∶00—9月14日20∶00時間段，對大崗山水電站泄洪期間順河流方向數據進行同化，同化位置點從壩址開始，同化點數為6個，受同化位置點經緯度轉換精度限制，同化點距離間隔設置為200 m。物理參數化方案如表5所示。

表4 泄洪霧化的天氣參數同化數據分類設置表

表5 大崗山電站大氣模擬的基本物理方案選取

表6 同化數據參數設置情況

高壩泄洪期間的暴雨區內，風速受水舌風影響，速度增至20 m/s以上，風向順河谷下游方向；溫度值低于周圍環境場溫度4℃；相對濕度受霧化影響保持在95%以上，壓強影響較小，保持與周圍環境場一致。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。同化數據參數設置情況如表6所示。

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

圖6 16∶00同化后50 m高度風場變化

圖4 16∶00未同化50 m高度風速

圖5 16∶00未同化50 m高度風向

4.2.1 風場 2015年9月14日16∶00第四層嵌套范圍內50 m高度風場和同化后風場變化情況，分別如圖4—圖6所示。

通過圖4—圖6可知，大崗山水電站在2015年9月14日16∶00時，50 m高度的風速為1.88 m/s，同化后大崗山水電站位置50 m高度風速為6.88 m/s。不考慮風向條件下，同化前后風速差值為5 m/s。在風向由向上游的東南風變為向下游的西北風條件下，風速實際變化了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50 m高度溫度場和同化后溫度場變化情況，如圖7、圖8所示。

通過圖7、圖8可知，大崗山水電站在2015年9月14日16∶00時，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℃，其中影響區域縱向范圍約2 km，橫向約1 km。

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

通過圖9、圖10可知，大崗山水電站在2015年9月14日16∶00時，50 m高度的相對濕度為84.08%。同化后大崗山水電站位置50 m高度相對濕度為92.79%。相比同化前相對濕度升高了8.71%，其中影響區域縱向約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高度相對濕度變化

4.2.4 同化計算結果的分析評價 運用泄洪霧化對環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、溫度和相對濕度等參數進行了同化計算，現選取16：00時刻的同化結果進行對比分析，結果如表7所示。

表7 16:00時刻同化計算對比

由表7可知，泄洪霧化對環境影響的松弛同化方法，可以實現模擬高壩泄洪過程中，泄洪霧化對區域天氣要素的影響。同化后的風速、溫度和相對濕度數據均趨近于觀測數據，模擬結果符合高壩泄洪對天氣環境影響的基本規律。

5 結論

通過研究泄洪霧化對天氣環境影響的松弛同化方法，本文得到了以下結論：

（1）建立了泄洪霧化對天氣環境影響的松弛同化方法。以數值天氣預報系統為基礎，建立了泄洪霧化對天氣環境影響的松弛同化方法，以風速、風向、溫度和相對濕度為主要天氣環境同化數據，運用松弛同化法，求得泄洪霧化對水電站區域天氣環境變量的變化和影響范圍，為泄洪霧化的數值模擬提供了新的研究方法。

（2）確立了泄洪霧化同化數據分類設置的參考值范圍。以雅安一次降雨過程為例，模擬了大崗山位置降雨時間段的雨強與溫度和相對濕度的變化。結合泄洪的觀測資料，確定了泄洪期間風速、溫度和相對濕度的同化值范圍。暴雨區以內風速受水舌風影響，風速在15 m/s以上，相對濕度90%以上，溫度低于環境場溫度2～4℃。具體參數設置需要結合模擬電站位置的天氣環境場參數情況。

（3）確定了大崗山水電站泄洪對天氣環境的影響情況。運用泄洪霧化對天氣環境影響的松弛同化方法，對大崗山水電站泄洪期間的天氣環境變量進行了同化計算。由于大崗山水電站僅有2015年9月14日15∶30—16∶40泄洪數據，選取2015年9月14日16∶00時刻模擬數據分析得到，在考慮風向變化的條件下，風速變化值為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；相對濕度升高了8.71%，縱向影響范圍約2.8 km。模擬結果表明，風速受水舌風影響風向改變、風速升高，溫度受泄洪霧化降雨影響降低，相對濕度受雨霧蒸發影響升高。同化模擬的結果均向觀測數據趨近，模擬結果符合實際的觀測情況。