水汽风速放大计算可能最大暴雨方法

梁忠民+季俊杰+卜慧+刘甜+杨靖

摘要：我国可能最大暴雨（PMP）计算中，通常采用两种放大方法，即水汽效率放大和水汽风速放大，但一般认为水汽风速放大成果不稳定，结果往往偏大，所以通常只作参考，最后基本上都选取水汽效率的放大结果作为最终的设计成果。借鉴港口工程设计中“风玫瑰图”概念，对传统水汽风速放大方法进行改进，即先根据研究区域常风向对实测风速资料进行风向分组，对每组风向的典型暴雨进行放大，再从中选取最大值作为水汽风速的放大成果，为PMP计算提供了一种新的思路。以湖北省咸宁核电厂为例进行了应用研究，并与水汽效率放大方法和传统水汽风速放大方法结果进行了比较，提供了更为合理的分析成果。

关键词：可能最大暴雨PMP；水汽风速放大；水汽效率放大；风玫瑰图

中图分类号：P339文献标志码：A文章编号：1672-1683（2017）01-0014-04

Abstract：Generally，moisture and efficiency factor maximization or moisture and wind maximization are two approaches used to estimate the probable maximum precipitation （PMP） in China.But only the value obtained from the moisture and efficiency factor maximization is used as the PMP estimation in most cases，because the moisture and wind maximization approach regularly overestimates and therefore is usually taken as reference only.This paper presents a modified moisture and wind maximization method based on the "Wind Rose Diagram" applied in port engineering.First，measured wind speed and direction data are grouped according to the direction of prevailing wind in the studied area.Then，the high-efficiency storm in each group of wind direction is maximized.Finally，the maximum value among all groups is chosen to be the final result of moisture and wind maximization，that is PMP value.The new approach was tested on the Xianning nuclear power plant in Hubei Province，and generated a more reasonable PMP value compared with the traditional approaches.

Key words：probable maximum precipitation （PMP）；moisture and wind maximization；moisture and efficiency factor maximization；Wind Rose Diagram

可能最大暴雨/洪水（PMP/PMF）作為重要水库大坝的防洪设计标准，在世界范围内开展了大量的研究与应用[1]。1973年，世界气象组织（WMO）正式出版了可能最大降水估算手册[2]，随后分别于1986年和2009年对手册进行了修订完善[3-4]。我国开展PMP/PMF的研究始于20世纪50年代，“75.8”河南特大暴雨后，我国加快了PMP/PMF的研究和应用工作，其中，理论研究成果以詹道江和邹进上编著的《可能最大暴雨与洪水》[5]、王国安编著的《可能最大暴雨和洪水计算原理与方法》[6]最具代表性。目前，PMP/PMF已作为我国水利水电工程防洪设计的最高校核标准[7]，也是核电工程洪水的设防标准[8]。

近年来，国外学者在PMP的计算方法上取得了一些新进展。Ohara等利用区域气候模式MM5模拟历史极端暴雨，并通过调整模型的初始及边界条件实现暴雨放大以推求PMP[9]；Ishida等采用MM5模式与相对湿度最大化相结合的途径，计算了北加利福尼亚三个小流域的PMP[10]；Beauchamp等采用加拿大区域气候模式CGCM计算了流域的可降水量[11]。

目前我国工程实际中的PMP计算方法包括水汽效率放大和水汽风速放大两类。相较而言，水汽效率放大法推求的PMP结果相对稳定，而水汽风速放大推求PMP，由于风速的日变化较大，最大风速与最小风速的比值通常也较大，往往导致根据最大比值进行典型暴雨放大估算PMP的计算结果也偏大[12-13]。所以，很多实际工程中都以水汽效率放大方法的结果为主，水汽风速放大方法结果通常只作参考，限制了该方法的应用。水汽风速放大法结果偏大的原因，除了风速的日变化较大外，还由于该方法取所有方向上最大与最小风速的比值进行典型暴雨放大之故，而这种做法与一个地区实际的风向特点也不甚相符。本文借鉴海洋工程水文计算中“风玫瑰图”的概念[14]，先将一个地区的水汽风速资料按照常风向分为若干个主要的水汽入流方向，在每个方向上分别进行水汽风速的极大化及典型放大，再取所有方向数值中的最大值（即外包值）作为PMP的估算结果。以湖北咸宁核电厂PMP的估算为例进行了应用研究，通过与其它方法的对比分析，表明本文方法是合理可行的。

1 水汽风速放大推求PMP方法

1.1 传统的水汽风速放大方法

水汽风速放大方法分为按水汽W和风速V分别放大后再相乘，以及水汽入流指标（水汽与风速乘积VW）放大两种，但其基本假设是相同的，即认为降水P与V及W具有正相关关系[5]，该方法的主要步骤如下。

（1） 选取水汽入流方向，计算代表层风速。先根据流域气象条件规定水汽入流的大致方向，选取各气象站暴雨当天及前两天（具体选取时段视情况而定）的风向风速，合成每一天0 h和12 h两个时刻的风速，最后挑选出三天中合成风速最大且风向合理的风速作为典型暴雨的代表层风速Vd。

（2） 计算代表性可降水量。选取水汽入流方向上的露点代表站暴雨当天及前两天（具体选取时段视情况而定）的露点资料，计算地面持续12 h最大露点，并按饱和假绝热线化算到1 000 hPa，各站取平均即为代表露点，按此露点和流域平均高程推求典型暴雨可降水量Wd。

（3） 水汽风速或水汽输送率放大推求PMP。水汽风速放大的极大化指标为VmWm，水汽输送率放大的极大化指标为 （VW）m，放大公式如下：

1.2 改进的水汽风速放大方法

本文根据海岸工程中“风玫瑰图”的概念，提出一种改进的水汽风速放大计算PMP的思路。“风玫瑰图”也叫“风向频率玫瑰图”，它是根据某一地区多年平均统计的各个风向出现的频率，并按一定比例绘制，通常分为8个方向或16个方向，见图1。

现行的水汽风速放大推求PMP方法中，在利用公式（1）或（2）时，是由可能最大风速与所有方向上代表层风速中的最小风速相比，作为放大倍比，所以这个比值往往会很大，导致计算的PMP偏大。本文借鉴风玫瑰图概念，提出先将实测场次暴雨按常风向进行分组，划分成若干个水汽入流方向，再在每个方向上分别选取极大化指标VmWm或（VW）m进行放大，最后再取各方向的外包值作为PMP的结果。由于实测场次暴雨资料中最大风速与最小风速出现在一个方向的概率较小，使得计算的放大倍比不至于过大，可以避免推算PMP结果过大现象。

2 应用实例

2.1 流域基本情况

（1）基本情况。

咸宁核电厂位于湖北省咸宁市通山县大畈镇境内大坑村、官塘村附近的“狮子岩”，坐落在富水水库中部北岸之滨。厂址位于富水流域，富水为长江中游下段南岸一级支流，流域地势西南高东北低。

（2）暴雨及水汽来源。

研究区的暴雨一般多为涡切变暴雨，也有冷锋和台风暴雨，暴雨影响系统基本分为三类：一是盛夏台风在副热带高压南缘西行影响湖北省，二是低涡沿副高北缘的切变线东移造成暴雨，三是蒙古槽由贝加尔湖带来北路冷空气结合低层低涡沿副高外围形成暴雨带。

据暴雨天气分析，咸宁地区水汽来源及输送的形式主要包括：①西南季风。初夏时节，槽前西南气流送来孟加拉湾的暖湿空气，大暴雨常发生在鄂东和江汉平原东部；②东南水汽。盛夏，由于东风带系统活动频繁，水汽多来自东海，暴雨区集中在鄂西；③形成于东海或南海的台风裹挟大量水汽从我国东南沿海登陆，一路向西北深入内陆到达核电厂所在区域，并在地形作用下形成大暴雨。

因此，可将研究区的水汽入流方向大致分为东南、南和西南三个方向，见图2。

2.2 资料选用

（1）历年最大24 h雨量资料。

本次选取了选择暴雨资料完整、代表性较好、离厂址较近的官塘站作为控制站，官塘站建站时间为1973年，其附近的阳辛站（距官塘约13 km）的建站年份比官塘站略早（但资料间断）。根据《水利水电工程设计洪水规范》（SL 44-2006），当雨量站相距较近时，可直接将邻站资料移用于设计站。因此，将1961年-1972年阳辛站资料移用于官塘站，最终得到1961年-2013年共53年的历年最大24 h雨量资料系列。设计流域雨量站位置及水系见图3。

（2）气象资料。

高空气象站选取衢州、南昌、赣州、长沙和贵阳5个站，选定项目包括1961年-2013年的风向风速资料及1961年-1980年的高空露点资料，因核电厂厂址周围露点平均高程约为85 m，因此选取850 hPa高空的风向风速作为代表层资料。其中，东南方向上的高空气象代表站是衢州站和南昌站，正南方向上是南昌站和赣州站，西南方向上是长沙站和贵阳站，高空气象站分布见图4。地面露点站选南昌、修水、宜春、岳阳和长沙5个站，选定项目为1980年-2013年的地面露點，其中，东南方向上的代表站是南昌站，正南方向上是修水站和宜春站，西南方向上是岳阳站和长沙站，地面露点站分布见图5。

2.3 水汽风速放大推求PMP

（1）代表露点和最大可降水计算。

计算持续12 h最大露点，按饱和假绝热化算到1 000 hPa，在水汽入流方向上各站取平均，即为各场降雨的代表露点。由于露点比较稳定，一般在30年以上记录中的持续最大露点所相应的水汽含量就接近PMP时的水汽含量。所选择的地面气象站南昌、修水、宜春、岳阳、长沙均具有30年以上的地面露点资料，从各站历年1000 hPa露点资料中选取持续12 h最大Tdm，南昌站为28.1 ℃、修水站为26.6 ℃、宜春站为27.2 ℃、岳阳站为27.9 ℃、长沙站为27.8 ℃，均小于本流域的水汽源地西太平洋的海洋表面水温。考虑工程安全，故可能最大露点取六站的最大值Tdm=28.1 ℃，按此露点计算出咸宁核电厂厂址周围露点平均高程85 m至12 000 m高空的可降水101.7 mm，即为最大可降水Wm。

（2）代表层风速及水汽风速放大推求PMP。

根据前述分析，咸宁核电厂所在地区的水汽入流共分为东南、正南和西南三个方向，在每个方向上分别逐年确定年最大24 h暴雨当天、前2 d共72 h，0时和12时的合成风速，再从多年风速系列中选取最大值作为该方向的历史最大风速。由于本次的资料系列较长（53年），可以将历史最大风速近似作为该方向上的可能最大风速。据此，可以求得各水汽入流方向上的可能最大风速。

分别选取极大化指标VmWm和（VW）m，按传统水汽风速放大方法和本文的改进方法推求咸宁核电厂可能最大24 h暴雨，计算结果见表1。

结果表明，改进的水汽风速或水汽输送率放大方法计算的PMP比传统方法的结果降低较多。根据频率分析结果，咸宁核电厂址24 h万年一遇设计暴雨为505.5 mm，本文改进方法推求的可能最大24 h暴雨为576.7 mm，其与万年一遇的比值为1.14，该比值与我国大部分地区PMP与万年一遇比值介于1.1～1.2的认识较为一致；而根据水汽效率放大方法推求的24 h PMP成果为391 mm，小于万年一遇设计值。因此，建议采用改进的水汽输送率放大计算的PMP结果作为当地暴雨放大法的PMP成果，即24 h PMP为576.7 mm。当然，咸宁核电厂址最终PMP值还需结合移置暴雨放大后综合确定。

3 结论

本文借鉴“风玫瑰图”的概念，对可能最大降水PMP计算中的水汽风速放大方法进行改进。先根据暴雨天气系统形成机制，确定研究区的主要水汽入流方向，并对实测场次暴雨资料进行水汽入流方向分组；在每个水汽入流方向上，分别确定水汽风速放大指标VmWm或（VW）m，再取各方向上的最大值以推求PMP。由于是先在各水汽入流上进行极大化然后再取外包，所以改进方法可避免目前水汽风速方法结果往往偏大的问题。在湖北咸宁核电厂的应用表明，本文方法推求的结果与目前相应方法相比，更具合理性。

采用水汽风速放大推求PMP，其前提条件是降水量与风速或水汽输送率应具有正相关关系，但在实际工作中这种正相关达到多大时才能使用水汽风速方法，尚无定论，需要对相关问题进行深入研究，以提高PMP计算的可靠性。

参考文献（References）：

[1] 王国安.国内外PMP /PMF的发展和实践[J].水文，2004，24（5）：5-9，47.（WANG Guo-an.Worldwide development and practice of PMP /PMF[J].Journal of China Hydrology，2004，24（5）：5-9，47.（in Chinese））

[2] World Meteorological Organization （WMO）.Manual for estimation of probable maximum precipitation[M].Geneva.No.332，1973.

[3] World Meteorological Organization （WMO）.Manual for Estimation of Probable Maximum Precipitation[M].2nd Edition，Geneva.No.332，1986.

[4] World Meteorological Organization （WMO）.Manual for estimation of probable maximum precipitation[M].Geneva.No.1045，2009.

[5] 詹道江，邹进上.可能最大暴雨与洪水[M].北京：水利电力出版社，1983.（ZHAN Dao-jiang，ZOU Jin-shang.Probable maximum precipitation and flood[M].Beijing：Water Resources and Electric Power Press，1983.（in Chinese））

[6] 王国安.可能最大暴雨和洪水计算原理和方法[M].北京：中国水利水电出版社，郑州：黄河水利出版社，1999.（WANG Guo-an.Principles and methods of PMP/PMF calculations[M].Beijing：China Water & Power Press，Zhengzhou：The Yellow River Water Conservancy Press，1999.（in Chinese））

[7] 中华人民共和国水利部.《防洪标准》-GB50201-94[M].北京：中国计划出版社，1994.（The Ministry of Water Resources of the People′s Republic of China.Flood control standard-GB50201-94[M].Beijing：China Planning Press.1994.（in Chinese））

[8] 国家核安全局.滨河核电厂厂址设计基准洪水的确定 HAD101/08，核安全导则汇编 （上册）[M].北京：中国法制出版社，2000.（National Nuclear Safety Administration.The design basis flood Determination of Riverside Nuclear Power Plant site HAD101/08，Nuclear Safety Guide compilation （Vol 1）[M].Beijing：China Legal Publishing House，2000.（in Chinese））

[9] N Ohara，M L Kavvas，S Kure，et al.Physically based estimation of maximum precipitation over American river watershed[J].Journal of Hydraulic Engineering.2011，16 （4）：351-361.

[10] K Isdida，M L Kavvas，S Jiang，et al.Physically Based Estimation of Maximum Precipitation over Three Watersheds in Northern California：Relative Humidity Maximization Method[J].Journal of Hydraulic Engineering.2015，10.1061/（ASCE）HE.1943-5584.0001175，04014052.

[11] J Beauchamp，R Leconte，M Trudel，et al.Estimation of the summer-fall PMP and PMF of a northern watershed under a changed climate[J].Water Resources Research.2013，49 （6）：3852-3862.

[12] 華家鹏，杨辉，王达雨，等.江坪河水电站可能最大暴雨研究[J].河海大学学报：自然科学版，2004（5）：523-525.（HUA Jia-peng，YANG Hui，WANG Da-yu，et al.Study on probable maximum storm at Jiangping River hydropower station[J].Journal of Hohai University：Natural Sciences，2004（5）：523-525.（in Chinese））

[13] 梁忠民，钟平安，华家鹏.水文水利计算（第2版）[M].北京：中国水利水电出版社，2008.（LIANG Zhong-min，ZHONG Pin-an，Hua Jia-peng.Hydrological design and water conservancy calculation （Second Edition）[M].Beijing：China Water & Power Press，2008.（in Chinese））

[14] 邱大洪.工程水文学[M].北京：人民交通出版社，1999.（QIU Da-hong.Engineering Hydrology[M].Beijing：China Communications Press，1999.（in Chinese））