基于多尺度数值同化模式的泄洪雾化对天气环境影响的数值模拟研究

张 华，孙春雨，陈永访

（1.华北电力大学 水利与水电工程学院，北京 102206；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650000）

1 研究背景

近几十年来，我国相继修建了一大批高坝或超高坝，高海拔、低气压、河谷狭窄，加之有高水头大流量的泄洪需求，会产生严重的雾化现象，由此引发的问题也越来越凸显，不仅可能对两岸边坡的稳定、水电站机电设备的运行和库区的交通造成一定的影响，而且可能影响下游的生态环境［1-3］，使得泄洪雾化成为水电站设计和安全运行需要重点关注的问题。

学者们目前主要是利用原型观测、物理模型试验以及数值模拟三种方式来开展水电站泄洪雾化的研究［4-5］，对雾化的机理和分区、雾化范围的估计、水舌运动轨迹、雾化的地面降雨强度、工程防护措施等问题进行研究［6-13］。坝区局地天气要素的变化一直是泄洪雾化影响评价的重要组成部分，如何在微尺度下实现坝区局地气象场的数值模拟，已成为泄洪雾化数值模拟方面亟需解决的重要问题。

随着数值模拟技术的发展及运用，一些学者开始对水电站泄洪时下游局地天气进行研究［14-19］。张华［20-22］选取水滴运动过程中的4个典型物理量，通过建立水滴随机碰溅模型来研究水电站泄洪雾化，并验证计算了底流水电站泄洪时的温度、降雨强度及相对湿度等参数，计算结果均与原观值具有较好的一致性。彭燕祥等［23］利用数值预报模式WRF（Weather Research and Forecasting），耦合大涡模拟方法，模拟了山区地形地貌条件下的风场时空分布，并利用耦合模型对二滩水电站进行动力降尺度研究，得到了坝区平均风速、温度和相对湿度等非均匀物理场数据。王晶等［24］建立了水电站局地泄洪时间段的天气分型模型，确定了影响坝区泄洪雾化的显著天气环境变量。张华等［25］提出了以WRF模式为基础的松弛同化方法，即WRF/Nudging模式，来研究泄洪雾化对天气环境的影响，制定了泄洪雾化同化天气要素分类设置的参考值区域，并对大岗山水电站泄洪时的风速、温度和相对湿度等变量进行同化，结果表明模拟结果与原观数据的误差变小，说明该方法可有效提高模拟的准确性。张华等［26］为精细化解析河谷风场，在WRF/Nudging模式［25］的基础上，建立了WRF/Nudging/CALMET模式，即以WRF模式为基础，结合牛顿松弛同化方法，并耦合CALMET（California Meteorological Model）诊断模块进行动力降尺度的数值模拟方法，并设置了WRF、WRF/Nudging、WRF/CALMET、WRF/Nudging/CALMET等4组试验方案，针对河谷风场进行了数值模拟，WRF/Nudging/CALMET方案所得到的模拟结果更接近于实际观测值。

文献［25］应用WRF/Nudging模式，对坝区泄洪期间的天气环境要素进行了数值模拟计算，但水平分辨率为1 km，分辨率较低。文献［26］采用WRF/Nudging/CALMET模式，对河谷风场进行了数值模拟，水平分辨率已达到50 m，但其研究对象是自然风场。本文在文献［25-26］的研究基础上，应用WRF/Nudging/CALMET模式，针对泄洪雾化对天气环境的影响，开展高分辨率的精细数值模拟研究，并选取锦屏一级水电站的一次泄洪过程进行实例研究，模拟其未泄洪时/泄洪时的风速、温度和相对湿度等天气要素，得到坝区泄洪条件下天气要素的变化规律和影响范围。

2 研究方法

2.1 WRF模式设计 2014年8月24日，对锦屏一级水电站坝身泄洪雾化进行了原型观测［27］，分别在左岸1730 m平台和1785 m平台，以及右岸1661 m平台、1700 m平台、1760 m平台和1885 m平台共布置22个试验测点，其中左岸选取10个，右岸选取12个。对于表孔和深孔采用不同的闸门启闭方式进行坝身泄洪，上游水位均保持1880 m，具体原型观测工况如表1所示。

表1 锦屏一级原型观测工况

坝身泄洪原型观测的结果表明［27］，右岸雾化降雨强度要明显大于左岸。工况7和工况8两种情况下，两岸边坡雾化雨强最大，工况8时，桩号0+300.00 m测点处左岸最大雨强为160.56 mm/h，而在右岸对应位置处的最大雨强为534.00 mm/h，相比之下，右岸雾化降雨较左岸大的多。

利用WRF对锦屏一级水电站泄洪时段的局部气象场进行研究，选取时间段为2014年8月23日12∶00至8月25日6∶00，共计42 h。以坐标纬度28.18613°N和经度101.63284°E为中心，采用单向四层嵌套方案，从最外层嵌套到最内层嵌套的水平分辨率依次为27 km、9 km、3 km、1 km，各层嵌套网格数分别为100×100、88×88、76×76、100×100，垂直方向分为31层。利用NCEP FNL再分析资料作为初始场和边界场，资料的水平分辨率为1°×1°，模拟区域地形和模式嵌套如图1所示。

图1 WRF模拟区域示意图

利用WRF进行数值模拟时，物理参数化方案选取如表2所示。

表2 WRF物理参数化方案选取

2.2 牛顿松弛同化方法 根据锦屏一级水电站的原型观测资料，在WRF基础上对电站沿顺河谷下游方向进行数据同化，时段与WRF模式计算时段保持一致，共计42 h。泄洪时雾化主要影响坝区下游范围，故从坝址处开始，设置8个数据同化点，同化点间隔为200 m，如图2所示。

图2 锦屏一级水电站同化点示意图

考虑水舌风对雾化的影响，对第四层嵌套范围内的风速、温度、相对湿度和压强进行数据同化，其数据同化设置参考文献［25］，具体数据设置情况如表3所示。

表3 锦屏一级水电站数据同化天气参数设置情况表

在泄洪期间的暴雨区内，由于水舌风的作用，同化风速最高达21 m/s，并从暴雨区沿坝下游减小，最终和环境场风速保持一致，同化风向沿坝下游方向。相对湿度同化值最大为100%，从暴雨区向毛毛雨区逐渐减小至84%；温度同化数据变化规律则相反，从10℃增大至18℃。泄洪期间，整个坝区范围内压强变化较小，故同化压强设为与环境场压强一致，为86.1 kPa。高程选取观测数据中暴雨区监测点高程，泄洪时段其与下游水位相差约120 m。

2.3 CALMET模块设计 泄洪雾化对天气环境的影响仅限于坝区周围，属于微小尺度的范围。因WRF模式的最小水平分辨率是1 km，难以达到计算模拟要求，本文应用WRF/Nudging/CALMET多尺度耦合模式，以达到降尺度的目的。利用CALMET模块，对输入的WRF模式气象场根据斜坡流效应、阻塞效应、地形动力作用和边界层陆面及水面的微气象过程，进行客观分析和参数化处理，体现出坝区周围地形变化产生的局部地表气流特征，得到坝区微尺度下的气象场。

利用CALMET模块对锦屏一级水电站泄洪时段局部气象场进行诊断分析，模拟时段为 2014年 8月 24日 2∶00至 20∶00共18 h，选用UTM坐标投影，大地基准面选为WGS-84。模拟区域范围为6 km×6 km，横向和纵向分辨率均为40 m，垂直方向分为10层，起始点经纬度坐标为（28.157°N，101.6°E），对应UTM坐标为（755316，3117323），模拟区域如图3所示。

图3 锦屏一级水电站CALMET模拟区域地形图

3 模拟结果分析

3.1 风场 选取2014年8月24日14∶00时刻，分析比较WRF模式是否做数值同化的两种方案，即WRF、WRF/Nudging风场情况，如图4所示。

由图4可知，在14∶00时，锦屏一级水电站120 m高度的WRF风速模拟值约为1.0 m/s，风向为东北风，进行同化后，风速增加6.3 m/s，即WRF/Nudging情况下风速为7.3 m/s，风向转为向下游的西南风。

图4 锦屏一级第四层嵌套范围内120 m高度风场

将同化前后的模拟结果分别进行CALMET动力降尺度处理，得到的风场结果如图5所示。

从图5中可看出， 2014年8月24日14∶00时，在120 m高度，锦屏一级水电站（图中黑点处）WRF/CALMET模式得到的风速为0.8 m/s，风向为向上游的东北风，WRF/Nudging/CALMET模式得到的风速为4.5 m/s，增大3.7 m/s，风向变为沿坝下游的西南风，风速增加1 m/s的纵向影响区域约为2.6 km，横向约为3.7 km。

图5 锦屏一级水电站8月24日14:00降尺度处理后120 m高度的风场情况

3.2 温度 锦屏一级水电站2014年8月24日14∶00时刻在120 m高度WRF、WRF/Nudging的温度变化情况，如图6所示。

从图6中可得，在14∶00时，锦屏一级水电站120 m高度的WRF模拟温度18℃，同化后温度为16℃，温度降低约2℃。

图6 锦屏一级第四层嵌套范围内120 m高度温度

将同化前后的模拟结果分别进行CALMET动力降尺度处理，得到的温度变化情况如图7所示。

从图7中可得，2014年8月24日14∶00时，在120 m高度，锦屏一级水电站（图中黑点处）WRF/CALMET模式得到的温度为22℃，WRF/Nudging/CALMET模式得到的温度为18.8℃，降低了3.2℃。温度降低1℃的纵向影响区域约为4.5 km，横向约为2.2 km。

图7 锦屏一级水电站8月24日14:00降尺度处理后120 m高度的温度

3.3 相对湿度 锦屏一级水电站2014年8月24日14∶00时刻在120 m高度WRF、WRF/Nudging的相对湿度变化情况，如图8所示。

由图8可知，在14∶00时，锦屏一级水电站120 m高度的WRF模拟相对湿度为51%，同化后相对湿度为58%，相对湿度增加7%。

图8 锦屏一级水电站第四层嵌套范围内120 m高度相对湿度

将同化前后的模拟结果分别进行CALMET动力降尺度处理，得到的相对湿度变化情况如图9所示。

从图9可得，2014年8月24日14∶00时，在120 m高度，锦屏一级水电站（图中黑点处）WRF/CALMET模式得到的相对湿度为48.8%，WRF/Nudging/CALMET模式得到的相对湿度为56.5%，增加了7.7%。相对湿度增加3%的纵向影响区域约为4.5 km，横向约为3.4 km。

图9 锦屏一级水电站8月24日14:00降尺度处理后120 m高度的相对湿度

4 结论

应用WRF/Nudging/CALMET数值模拟方法，对锦屏一级水电站泄洪雾化对局地天气影响范围进行了研究，得到如下结论：

（1）利用WRF/Nudging/CALMET模型对锦屏一级水电站泄洪时段的天气要素进行的精细化数值模拟研究，将水电站泄洪雾化数值计算的水平分辨率从1000 m提高到40 m，得到微小尺度下水电站未泄洪时/泄洪时的气象场。

（2）利用WRF/Nudging/CALMET模型对锦屏一级水电站泄洪时段的天气要素进行数值同化研究。根据锦屏一级水电站泄洪雾化原型观测资料和泄洪时段下泄流量等实际情况，将水舌风、风向、温度、相对湿度等天气要素同化到WRF数值模式中，同化后得到的更加接近实际的模拟结果作为输入CALMET模块的初始条件。

（3）通过对比降尺度前后天气要素的变化情况，得到坝区泄洪时段天气要素的影响范围。将水舌风等要素同化到背景场中，并进行降尺度处理后，在120 m高度，锦屏一级水电站处风速增大3.7 m/s，风向从向上游的东北风变为向下游的西南风，风速增加1 m/s的纵向影响区域约为2.6 km，横向约为3.7 km；在120 m高度，锦屏一级水电站处温度降低了3.2℃，温度降低1℃的纵向影响区域约为4.5 km，横向约为2.2 km；在120 m高度，锦屏一级水电站处相对湿度增加了7.7%，相对湿度增加3%的纵向影响区域约为4.5 km，横向约为3.4 km。