白鹤滩水电站极端大风天气成因分析

陈文龙

(凉山州气象台，四川西昌615000)

引言

金沙江下游位于青藏高原和云贵高原向四川盆地的过渡地带，地形起伏很大，多深切割的河谷地貌，蕴藏的水能资源非常丰富。在建的白鹤滩电站是金沙江下游4个巨型梯级水电站之一，其位于四川省凉山州宁南县与云南省昭通市巧家县之间陡峭的金沙江河谷中[1，2](图1)。白鹤滩电站处在南北向河谷的最窄处，当有冷空气南下、热低压发展或强雷暴活动时，由于风在峡谷内受狭管效应作用，风速突增，易形成大风。据统计，白鹤滩电站年平均7级及以上大风日数为237d，其中7级日数73.0d，8级日数80.0d，9级日数58.3d，10级日数21.8d，11级日数3.5d。有70%以上的大风是由冷空气 (冷锋)引起，热低压大风和雷暴大风次之。本文利用NCEP/NCAR 1°×1°的再分析资料分析环流形势和物理量特征；利用NASA＆NIMA的SRTMDEM 90m分辨率原始高程数据绘制地形高程图，并结合白鹤滩水电站拱坝平面布置图估算河谷在特定高度上的宽度，用于 “狭管效应”计算。

1 天气实况

2018年5月22日，受过境冷锋影响，白鹤滩电站坝区出现一次大风天气，共有11个自动气象站均出现了大风 (表1)，其中右岸834平台站7级及以上大风维持了13h左右 (图2)，风速极值为34.0m/s(12级，ENE)，出现在13：02(北京时，下同)。22号夜间，坝区还出现了小雨，各站雨量在1～3mm。

2 环流背景

在高空图 (图2a，b，c)上，深厚的冷槽从外蒙古东移到我国东北地区，从700hPa到200hPa都能看到该冷槽500hPa上，温度槽与高度槽基本重合，冷中心温度低至-32℃，等温线与等高线非常密集.700hPa上，温度槽还落后于高度槽，高度槽后的西北气流在经河西走廊南下后转为东北气流，并迅速南下到四川盆地南部，最大风速超过12m/s，风向与等温线几乎呈90°夹角。在槽后的强冷平流的引导下，地面冷空气快速南下 (图3d)，冷高压中心从外蒙古西部整体移动到甘肃一带，强度超过1030hPa。同时，冷锋也快速南压到四川盆地南部，西南地区东部的热低压则向贵州收缩。冷锋后的气压梯度非常大，青藏高原东侧29～34°N范围内的最大气压达到了15hPa。22日12： 0014：00时，冷锋过境白鹤滩电站，产生了12级大风。冷锋过境后，其后部的气压梯度和高空冷平流仍很强。

表1 2018年5月22日坝区部分自动气象站极大风速

图2 2018年5月22日08：00高低层环流形势 (黄色阴影为海拔3000 m以上地形)

3 物理量分析

在θse剖面图上 (图3)，冷暖气团和锋区的垂直特征非常显著。锋区主要存在于500hPa以下，近地面单位纬度内的θse差值最大超过了20℃。在中低层，30°N附近变性冷气团内的θse最低值仅有44℃，而南方暖气团的内θse最高值达到了92℃。冷暖气团强烈的温度差和显度差，锋区非常狭窄。22日14：00，冷锋正在过境，27°N从近地层到600hPa都为一致的东北风，冷平流非常强盛，700hPa以上等θse线向北方迅速倾斜，而偏南风与偏北风的交界面也随等θse线向北倾斜。暖空气在锋面上斜升运动，促进低层对流发展，也有利于近地面大风的产生。

图4直观地显示了大风开始前后白鹤滩电站垂直方向涡度、散度、垂直速度和水汽通量散度的随时间的变化情况。在大风开始前的北京时21日14：00 22日06：00，300hPa以下出现了2个显著正涡度中心，与此对应的是低层700hPa以下表现出显著的辐合，最强辐合超过了-3·s-1，而600hPa以上存在3个辐散中心；500hPa以下的上升运动也很强烈，21日20：00左右，600hPa附近的上升运动达到了9Pa/s，此时低层有一定的水汽辐合。随着冷锋逼近，低层的负涡度和辐散开始增强，而高层的辐散则逐渐减弱。22日08：0014：00，700hPa以下的低层水汽辐合增强至4×10-6g/(cm2·hPa·s)，但低层并没有表现出上升运动，反而随着时间的推移，下沉运动增强。冷锋过境 (22日13：0014：00)后，低层出现了非常显著的负涡度和下沉运动，涡度值达到-3·s-1，下沉速度达到了0.8 Pa/s，强烈的下沉运动有利于高空动量下传，进而使地面风速增大。此时，低层的水汽辐合迅速减小至消失；而中层出现了弱的正涡度和弱的辐合。在持续较强的下沉气流和地面的强气压梯度的配合下，大风得以较长时间维持。

图3 2018年5月22日沿102.9°E的假相当位温θse(等值线和阴影，单位：℃)和风场 (风羽，单位：m/s)的垂直剖面 (横轴下方的实心三角形为白鹤滩电站位置)

图4 2018年5月21日08： 0023日08：00白鹤滩电站多要素时间—垂直剖面图 (图中横轴时间为世界时，横轴下方的横线标注大风持续时段)

4 狭管效应

当气流由开阔地带流入地形构成的峡谷时，由于空气质量不能大量堆积，于是加速流过峡谷，风速增大；当流出峡谷时，空气流速又会减缓。这种地形峡谷对气流的影响，称为 “狭管效应”。

在利用狭管效应进行计算时，需假定在近地面不厚的气层内，无空气的辐合、辐散以及压缩，也不考虑高低层空气质量的交换，根据流体的连续方程，流体在单位时间内通过体积的质量相等，即，再假定相同体积且横截面为矩形的柱状流体高相同，而宽和长不同。前式可进行如下变换：

其中，ρ为流体密度，V为流体体积，l为流体长度，d为流体宽度，h为流体高度，v为流速，t为流动时间。可知，在上述假定条件下，不同点处的流体速度与容器宽度成反比。利用该结论，可以粗略估算狭谷对风的 “加速”作用。

从图5中可以看到，白鹤滩电站的大坝正好建在该段金沙江河谷最窄的地方。冷空气南下时，河谷受偏北风控制，故把VI号站和I号站分别做为入口和出口，并选取河谷内海拔高度700～900m的部分进行狭管效应讨论.VI号站处的河谷宽度约1200m，大坝附近的河谷宽度约740m，VI号站的极大风速为19.6m/s。利用关系式计算得到大坝附近的极大风速为31.8m/s，风速增加率为62.2%；而大坝附近III号、IV号和V号站的实际极大风速分别为24.4m/s、34.0m/s、24.2m/s，风速增加率分别为 24.5%、73.5%、23.5%，出口附近的 I号站极大风速为18.7m/s，计算值与实测最大值相差很小。另外，河谷右岸较左岸更加笔直和少突起，这样使右岸河谷对空气的摩擦力减小，也更有利于大风的出现。

图5 白鹤滩电站坝区地形

5 小结

本文从环流背景、物理量以及地形对风的 “狭管效应”对白鹤滩电站大风产生和维持的原因进行了分析和讨论，得出以下结论：

高空冷槽东移，槽后的强冷平流引导青藏高原东侧的地面冷锋和强冷空气下南下直接导致了白鹤滩电站12级大风的产生，而冷锋后的强气压梯度是大风维持的关键因素。

锋区两侧冷暖气团的θse值达到了47℃，锋区内的等θse线非常密集，700hPa以上的锋区向冷区显著倾斜，锋后有很强的冷平流。冷锋到来前，低层的有明显的正涡度场、辐合场、弱水汽辐合以及显著的上升运动，高层有明显的负涡度场和辐散场；冷锋逼近后，低层的正涡度辐合和中高层的负涡度辐散减弱，而低层的水汽辐合陡增；冷锋过境，低层的水汽辐合迅速减弱，低层强烈下沉运动引起的动量下传也促进了大风的形成和维持。

根据 “狭管效应”，在海拔700～900m高度的河谷内，代入入口区的极大风速进行计算，大坝附近的理论极大风速为31.8m/s，这与实际的极大风速很接近；更加笔直和少突起的右岸比左岸风速更大。