当地暴雨放大法推求可能最大暴雨的研究与应用

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072；2.仪征市气象局，江苏 仪征 211400)

可能最大暴雨(PMP)和可能最大洪水(PMF)的计算方法是推求高风险水库工程和其他重要工程设计洪水的重要方法[1]。根据《水电工程设计洪水计算规范》(NB/T 35046—2014)，可能最大暴雨的定义是：在现代气候条件下，设计流域给定历时内可能发生的最大暴雨。它是推算可能最大洪水的重要依据[2]。

本文以西藏林芝地区为例，对当地暴雨放大法进行研究和应用。

1 当地暴雨放大法简述

1.1 概述

当地暴雨放大法是选择设计流域实际发生的某一次大暴雨或者特大暴雨，根据暴雨形成和发生机制，选择相关的因素进行放大[3]。典型暴雨无论是从总量上还是时空分布形式上，对于特定工程而言，形成的洪水是峰高量大、洪水过程恶劣的。

暴雨的放大方法有水汽放大法、水汽效率放大法、水汽风速联合放大法及水汽输送率放大法等。根据典型暴雨的具体情况选择适当的放大方法[4]。

1.2 水汽放大法

水汽是降水形成的最基本条件之一。当选择高效暴雨作为典型暴雨时，暴雨的动力因子已经达到较高水平，此时可以只对水汽因子进行放大[5]。水汽放大法的公式如下：

(1)

式中Pm——可能最大暴雨降水量，mm；

P典型——高效暴雨降水量，mm；

Wm——可能最大暴雨的可降水，mm；

W——典型暴雨的可降水，mm。

1.3 水汽效率放大法

水汽因子和动力因子是降水的两个最基本的条件[6-8]。当水汽含量相同时，可以与不同的效率因子组成；当效率因子相同时，可以与不同的水汽因子组合。因此，当设计流域及其邻近地区没有实际发生的大暴雨或者特大暴雨时，可以采用历史发生的较大暴雨资料采用水汽效率放大法进行放大。

水汽效率放大法的公式如下：

(2)

(3)

式中ηm——最大效率，1/h；

η——典型暴雨降水效率，1/h；

ΔT——降水时段，h。

1.4 水汽风速联合放大法及水汽输送率放大法

当设计流域的入流指标与相应设计流域的面雨量存在正相关关系，并且暴雨发生时的风向和风速都比较稳定时，可以采用水汽风速联合放大法或水汽输送率放大法。

p=βVWΔT

(4)

式中P——ΔT时段的降水量，mm；

β——辐合因子；

VW——水汽输送量，m/s·mm。

上式表明，当辐合因子β=βm时，降水量的大小主要取决于VW的变化。

水汽风速联合放大法公式为：

(5)

水汽输送率放大公式为：

(6)

式中V典型——典型暴雨风速,m/s；

Vm——最大风速,m/s。

2 林芝地区暴雨特性分析

2.1 暴雨特性

根据林芝气象站统计，林芝地区多年平均降水量为692.6mm，5—10月降水量占全年降水量的88.8%；最大1日降水量为49.2mm，发生于1978年9月12日；多年平均降水日数为164.3d，日降水量超过10.0mm的多年平均日数为21.0d，日降水量超过25.0mm的多年平均日数为2.0d。整体而言，林芝地区具有降水量分配高度集中、降水较为频繁但雨强不大的特点。

2.2 暴雨成因分析

2.2.1 大气环流

影响林芝地区强降水的环流形势主要分为3种类型，即两槽一脊——副高阻塞型，一槽一脊——季风低压型以及伊朗高压、西太平洋副热带高压对峙型。

a.两槽一脊——副高阻塞型。500hPa图上乌拉尔山一线为长波槽，巴尔喀什湖——贝加尔湖为高压脊，东亚大槽建立，伊朗高压较弱在60°E以西，西太平洋副热带高压西伸至四川一带，脊线呈东西走向。西太平洋副热带高压长时间的稳定维持使得影响系统移动缓慢，有利于降水的维持。乌拉尔山长波槽加深东移南压，在东移的过程中不断分裂并携带冷空气南下侵入高原，与西太平洋副热带高压边缘的暖湿气流交汇，有利于形成大范围的降水。随着伊朗高压加强东伸，西太平洋副热带高压东退，东亚大槽快速东移，林芝地区被高压控制，降水过程结束。

b.一槽一脊——季风低压型。中高纬环流为一槽一脊，乌拉尔山有明显的高压脊建立，咸海至巴尔喀什湖维持深厚的低压中心，其短波槽不断侵入林芝地区，贝加尔湖附近为低值区。低纬度为强大的印度低压，低压位置偏北，西南季风气流强盛时，印度低压系统的水汽随气流北上影响林芝地区。受到强大的印度低压系统的挤迫，西太平洋副热带高压减弱东退，伊朗高压西撤。降水区主要位于西北气流与低压系统的冷暖空气交汇处。

c.伊朗高压、西太平洋副热带高压对峙型。伊朗高压脊线东伸至75°～85°E附近，控制高原西部；西太平洋副热带高压西伸至95°～100°E，控制高原东部地区。伊朗高压东侧的偏北气流和西太平洋副热带高压南侧的偏东或东南气流在林芝地区中游辐合，形成切变。随着两高压系统的加强贯通，林芝地区被高压控制，降水过程结束。

2.2.2 天气系统

林芝地区强降水影响系统分为三种类型，分别为切变线、低涡和低槽。由于林芝地势较高，水汽条件较差，一个孤立的天气系统很难形成强降水，强降水一般都是上述系统相互作用的产物，且主要以南北系统相互作用为主。

a.切变线。切变线是林芝地区发生暴雨的主要影响系统之一，多出现在5—9月。切变线上空对流层整层都是上升气流，配合高原地区不稳定层结和西南气流输送的水汽，从而产生降水。

按照生成位置分为准东西向准静止的横切变线和准南北向移动性的竖切变线，横切变线发生的频率是竖切变线的2倍多[2]，且对林芝地区降水的影响远大于竖切变线。横切变线横贯林芝地区，长度可达1000km，厚度在3km左右，常生成于两个高压之间，通常可维持1～3d，90%以上的横切变降水出现在切变线附近或南面。切变线示意图见图1。

图1 林芝地区切变线示意图

切变线对高原低涡的形成亦发挥着重要的作用，切变线西南段区域内为上升运动区且气流的气旋性涡旋处于发展阶段，切变线东北段区域内为下沉运动区且气流的反气旋性涡旋处于发展阶段，是低涡形成的前期条件[9]。

b.低涡。高原低涡是生成于青藏高原主体上的一种次天气尺度低压涡旋[10]，是林芝地区夏季的主要降水系统，其垂直厚度一般在400hPa以下，平均水平尺度为400～500km，多数为暖性结构，生命期1～3d。低涡常在高原西部生成，并与北部南移的横切变线结合，沿切变线东移，在东移过程中，在切变线上产生强烈扰动，在低涡前部形成对流云系，产生强降水天气，绝大多数低涡在高原东部地形的下坡处减弱、消失[11]。林芝地区低涡示意图见图2。

图2 林芝地区低涡示意图

c.西风槽。中纬度西风带经过青藏高原时被分作两支，其北段一边东移，一边北缩减弱为短波槽移过贝加尔湖之后又加深南伸，其南段则被阻于高原的西侧，或切断为冷涡在高原西部边缘徘徊，或停滞一段时间后蜕变为短波越过高原。因此西风急流也被分为南北两支，简称北支槽和南支槽。5—6月和9—10月是南支槽趋向沉寂或活跃的转换期，6月西太平洋副热带高压加强西伸，与东伸的伊朗副高间形成稳定的孟加拉湾低槽，称为印缅槽。夏季，北支槽常强烈发展加深，使得冷空气入侵高原，高原南侧印缅槽前的西风气流给林芝地区带来高温高湿的能量条件，配合高原低涡或切变线，造成强降水。

2.3 水汽通道

林芝地区主要的水汽通道是：先沿布拉马普特拉河向东北，后经雅鲁藏布江下游向北运移，再自雅鲁藏布江大拐弯折向西北输送至林芝地区。

3 当地暴雨放大法推求林芝气象站1日PMP

3.1 典型暴雨

根据林芝气象站1953—2016年12月逐日降水量资料，按照降水量级由大到小排序，并对其进行天气学分析，选择排序靠前的10个暴雨个例作为典型暴雨。典型暴雨个例见表1。

表1 暴雨个例

3.2 水汽放大

a.典型暴雨可降水。为合理反映暴雨过程中水汽的主要来源、补充和变化特点，根据不同场次典型暴雨过程天气成因等特点，选择在各次暴雨水汽入流方向上、大雨区边缘若干气象站作为露点代表站；各代表站代表性露点在主雨日及主雨日前24h内选取，订正至1000hPa后的群站同期平均值作为此次暴雨的代表性露点。

b.最大可降水。根据代表性露点选定原则，在暖湿气流入流方向上大雨区边缘选择林芝、米林、加查作为可能最大露点代表站。采用两种方法计算可能最大露点：从历史资料中选择各代表站持续12h最大露点(排除晴好天气)，订正至1000hPa后群站平均值作为可能最大露点；分别对各代表站露点进行频率分析，得出50年一遇的数值，并对其订正至1000hPa后群站平均值作为可能最大露点。各测站可能最大露点计算成果见表2。

表2 可能最大露点计算成果

由表2可以看出，两种方法计算所得的可能最大露点相同，均为26.1℃，小于水汽来源地印度洋和西太平洋的月平均海表温度。由可能最大露点26.1℃计算林芝气象站(高程范围为2992m～200hPa)的最大可降水为35.1mm。

c.放大成果。水汽放大倍比为最大可降水与各次典型暴雨可降水的比值，由典型暴雨量和水汽放大倍比即可推求1日PMP。水汽放大法推求1日PMP成果见表3。

3.3 水汽效率放大

计算典型暴雨降水效率，最大值为9.00(%1/h)，采用9.00(%1/h)作为1日最大降水效率。

表3 林芝气象站水汽放大法推求1日PMP成果

表4为水汽效率放大法推求1日PMP成果。由该表可以看出，各次典型暴雨推求的1日PMP成果相同。由公式(2)和公式(3)可知，水汽效率公式可表达为公式(7)，由此式可以看出，当采用水汽效率法进行放大时，PMP值只与选取的最大可降水和最大降水效率以及降水时段有关，与暴雨典型无关，因此无论采用何种典型暴雨进行放大，其PMP成果相同。

Pm=ηmWmΔT (7)

3.4 水汽输送率放大

a.入流代表站的确定。研究表明，位于印度的Guwahati站居青藏高原外围各处向青藏高原输送水汽量之冠。因此，Guwahati站初选为入流代表站，另外，位于水汽通道的Netaji Subhash Chandra Bose站作为备选站。经分析，Guwahati站水汽入流指标优于Netaji Subhash Chandra Bose站，因此选择Guwahati站作为代表站。

b.极大化指标的选择。统计Guwahati站1971—2012年5—10月逐月各旬最大风速及相应露点；分别将5—10月逐月各旬最大入流风速及露点乘积系列进行频率分析，50年一遇的值作为(WV)2%；由以上数据分别可得到Guwahati站(WV)2%的季变化曲线。

c.放大成果。受资料条件限制，并且排除一部分入流方向与本次水汽入流放大指标不符合的典型暴雨，共对5次典型暴雨进行放大水汽输送率放大法推求1日PMP成果(见表5)。

表5 林芝气象站水汽输送率放大法推求1日PMP成果

4 成果确定及合理性分析

水汽放大法1日PMP成果范围为14.9～38.8mm，水汽效率放大法的1日PMP成果为41.6mm，水汽输送率放大法的1日PMP成果范围为29.3～75.4mm。各放大方法推求1日PMP成果见表6。推荐水汽效率放大法推求的75.8mm作为林芝气象站1日PMP成果。

表6 林芝气象站不同放大方法推求1日PMP成果

林芝气象站位于青藏高原，海拔较高，暴雨天气成因复杂，从整体上来看，降水量级偏小，高效暴雨较为少见，因此仅采用水汽放大成果可能偏小。水汽输送率放大法适用于入流指标WV与相应的雨量有正相关趋势，且暴雨期间入流风向和风速较为稳定的情况，而林芝气象站暴雨量与Guwahati站入流指标相关关系不是很好，入流风速和风向亦不够稳定，因此不推荐该法推求的PMP成果。水汽效率放大法对水汽和效率同时进行放大，最大可降水为水汽通道上各代表站可能最大露点的平均值，可能最大暴雨效率为实测典型暴雨推求效率的最大值，因此采用水汽效率放大法推求的PMP成果同时具有可能性和极大性，成果基本合理。

5 结 论

当地暴雨放大法是我国可能最大暴雨计算广泛应用的方法。本文通过对当地暴雨放大法的研究及在林芝地区的应用，得出以下结论：

a.当地暴雨放大法无论采用何种放大方法，均涉及可降水的推求。可降水是露点温度的单值函数，因此暴雨代表性露点的选择至关重要，典型暴雨的露点在时间和空间上应具有代表性。

b.当典型暴雨为高效暴雨时，可采用水汽放大；当典型暴雨不属于高效暴雨时，可采用水汽和效率同时放大。由于典型暴雨是否属于高效暴雨不易准确判断，而水汽效率放大法同时考虑了水汽含量和降水效率，包含了降水的两个最基本条件——水汽条件和动力条件，物理意义比较明晰，且计算成果偏安全。因此一般采用水汽效率放大法计算成果作为推荐成果。

c.水汽风速放大法极大化指标的前提条件是，假定V与W关系是相互独立的。西南地区的许多测站实测资料表明：随着风速的增加，露点增加到一定数值后开始减少。因此采用该方法时，需首先论证W2%与V2%同时出现的可能性。

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