張 華，孫春雨，陳永訪(fǎng)

（1.華北電力大學(xué) 水利與水電工程學(xué)院，北京 102206；2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000）

1 研究背景

近幾十年來(lái)，我國(guó)相繼修建了一大批高壩或超高壩，高海拔、低氣壓、河谷狹窄，加之有高水頭大流量的泄洪需求，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的霧化現(xiàn)象，由此引發(fā)的問(wèn)題也越來(lái)越凸顯，不僅可能對(duì)兩岸邊坡的穩(wěn)定、水電站機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行和庫(kù)區(qū)的交通造成一定的影響，而且可能影響下游的生態(tài)環(huán)境［1-3］，使得泄洪霧化成為水電站設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

學(xué)者們目前主要是利用原型觀測(cè)、物理模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬三種方式來(lái)開(kāi)展水電站泄洪霧化的研究［4-5］，對(duì)霧化的機(jī)理和分區(qū)、霧化范圍的估計(jì)、水舌運(yùn)動(dòng)軌跡、霧化的地面降雨強(qiáng)度、工程防護(hù)措施等問(wèn)題進(jìn)行研究［6-13］。壩區(qū)局地天氣要素的變化一直是泄洪霧化影響評(píng)價(jià)的重要組成部分，如何在微尺度下實(shí)現(xiàn)壩區(qū)局地氣象場(chǎng)的數(shù)值模擬，已成為泄洪霧化數(shù)值模擬方面亟需解決的重要問(wèn)題。

隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展及運(yùn)用，一些學(xué)者開(kāi)始對(duì)水電站泄洪時(shí)下游局地天氣進(jìn)行研究［14-19］。張華［20-22］選取水滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的4個(gè)典型物理量，通過(guò)建立水滴隨機(jī)碰濺模型來(lái)研究水電站泄洪霧化，并驗(yàn)證計(jì)算了底流水電站泄洪時(shí)的溫度、降雨強(qiáng)度及相對(duì)濕度等參數(shù)，計(jì)算結(jié)果均與原觀值具有較好的一致性。彭燕祥等［23］利用數(shù)值預(yù)報(bào)模式WRF（Weather Research and Forecasting），耦合大渦模擬方法，模擬了山區(qū)地形地貌條件下的風(fēng)場(chǎng)時(shí)空分布，并利用耦合模型對(duì)二灘水電站進(jìn)行動(dòng)力降尺度研究，得到了壩區(qū)平均風(fēng)速、溫度和相對(duì)濕度等非均勻物理場(chǎng)數(shù)據(jù)。王晶等［24］建立了水電站局地泄洪時(shí)間段的天氣分型模型，確定了影響壩區(qū)泄洪霧化的顯著天氣環(huán)境變量。張華等［25］提出了以WRF模式為基礎(chǔ)的松弛同化方法，即WRF/Nudging模式，來(lái)研究泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境的影響，制定了泄洪霧化同化天氣要素分類(lèi)設(shè)置的參考值區(qū)域，并對(duì)大崗山水電站泄洪時(shí)的風(fēng)速、溫度和相對(duì)濕度等變量進(jìn)行同化，結(jié)果表明模擬結(jié)果與原觀數(shù)據(jù)的誤差變小，說(shuō)明該方法可有效提高模擬的準(zhǔn)確性。張華等［26］為精細(xì)化解析河谷風(fēng)場(chǎng)，在WRF/Nudging模式［25］的基礎(chǔ)上，建立了WRF/Nudging/CALMET模式，即以WRF模式為基礎(chǔ)，結(jié)合牛頓松弛同化方法，并耦合CALMET（California Meteorological Model）診斷模塊進(jìn)行動(dòng)力降尺度的數(shù)值模擬方法，并設(shè)置了WRF、WRF/Nudging、WRF/CALMET、WRF/Nudging/CALMET等4組試驗(yàn)方案，針對(duì)河谷風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，WRF/Nudging/CALMET方案所得到的模擬結(jié)果更接近于實(shí)際觀測(cè)值。

文獻(xiàn)［25］應(yīng)用WRF/Nudging模式，對(duì)壩區(qū)泄洪期間的天氣環(huán)境要素進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，但水平分辨率為1 km，分辨率較低。文獻(xiàn)［26］采用WRF/Nudging/CALMET模式，對(duì)河谷風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，水平分辨率已達(dá)到50 m，但其研究對(duì)象是自然風(fēng)場(chǎng)。本文在文獻(xiàn)［25-26］的研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用WRF/Nudging/CALMET模式，針對(duì)泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境的影響，開(kāi)展高分辨率的精細(xì)數(shù)值模擬研究，并選取錦屏一級(jí)水電站的一次泄洪過(guò)程進(jìn)行實(shí)例研究，模擬其未泄洪時(shí)/泄洪時(shí)的風(fēng)速、溫度和相對(duì)濕度等天氣要素，得到壩區(qū)泄洪條件下天氣要素的變化規(guī)律和影響范圍。

2 研究方法

2.1 WRF模式設(shè)計(jì) 2014年8月24日，對(duì)錦屏一級(jí)水電站壩身泄洪霧化進(jìn)行了原型觀測(cè)［27］，分別在左岸1730 m平臺(tái)和1785 m平臺(tái)，以及右岸1661 m平臺(tái)、1700 m平臺(tái)、1760 m平臺(tái)和1885 m平臺(tái)共布置22個(gè)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)，其中左岸選取10個(gè)，右岸選取12個(gè)。對(duì)于表孔和深孔采用不同的閘門(mén)啟閉方式進(jìn)行壩身泄洪，上游水位均保持1880 m，具體原型觀測(cè)工況如表1所示。

表1 錦屏一級(jí)原型觀測(cè)工況

壩身泄洪原型觀測(cè)的結(jié)果表明［27］，右岸霧化降雨強(qiáng)度要明顯大于左岸。工況7和工況8兩種情況下，兩岸邊坡霧化雨強(qiáng)最大，工況8時(shí)，樁號(hào)0+300.00 m測(cè)點(diǎn)處左岸最大雨強(qiáng)為160.56 mm/h，而在右岸對(duì)應(yīng)位置處的最大雨強(qiáng)為534.00 mm/h，相比之下，右岸霧化降雨較左岸大的多。

利用WRF對(duì)錦屏一級(jí)水電站泄洪時(shí)段的局部氣象場(chǎng)進(jìn)行研究，選取時(shí)間段為2014年8月23日12∶00至8月25日6∶00，共計(jì)42 h。以坐標(biāo)緯度28.18613°N和經(jīng)度101.63284°E為中心，采用單向四層嵌套方案，從最外層嵌套到最內(nèi)層嵌套的水平分辨率依次為27 km、9 km、3 km、1 km，各層嵌套網(wǎng)格數(shù)分別為100×100、88×88、76×76、100×100，垂直方向分為31層。利用NCEP FNL再分析資料作為初始場(chǎng)和邊界場(chǎng)，資料的水平分辨率為1°×1°，模擬區(qū)域地形和模式嵌套如圖1所示。

圖1 WRF模擬區(qū)域示意圖

利用WRF進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，物理參數(shù)化方案選取如表2所示。

表2 WRF物理參數(shù)化方案選取

2.2 牛頓松弛同化方法 根據(jù)錦屏一級(jí)水電站的原型觀測(cè)資料，在WRF基礎(chǔ)上對(duì)電站沿順河谷下游方向進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，時(shí)段與WRF模式計(jì)算時(shí)段保持一致，共計(jì)42 h。泄洪時(shí)霧化主要影響壩區(qū)下游范圍，故從壩址處開(kāi)始，設(shè)置8個(gè)數(shù)據(jù)同化點(diǎn)，同化點(diǎn)間隔為200 m，如圖2所示。

圖2 錦屏一級(jí)水電站同化點(diǎn)示意圖

考慮水舌風(fēng)對(duì)霧化的影響，對(duì)第四層嵌套范圍內(nèi)的風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度和壓強(qiáng)進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，其數(shù)據(jù)同化設(shè)置參考文獻(xiàn)［25］，具體數(shù)據(jù)設(shè)置情況如表3所示。

表3 錦屏一級(jí)水電站數(shù)據(jù)同化天氣參數(shù)設(shè)置情況表

在泄洪期間的暴雨區(qū)內(nèi)，由于水舌風(fēng)的作用，同化風(fēng)速最高達(dá)21 m/s，并從暴雨區(qū)沿壩下游減小，最終和環(huán)境場(chǎng)風(fēng)速保持一致，同化風(fēng)向沿壩下游方向。相對(duì)濕度同化值最大為100%，從暴雨區(qū)向毛毛雨區(qū)逐漸減小至84%；溫度同化數(shù)據(jù)變化規(guī)律則相反，從10℃增大至18℃。泄洪期間，整個(gè)壩區(qū)范圍內(nèi)壓強(qiáng)變化較小，故同化壓強(qiáng)設(shè)為與環(huán)境場(chǎng)壓強(qiáng)一致，為86.1 kPa。高程選取觀測(cè)數(shù)據(jù)中暴雨區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程，泄洪時(shí)段其與下游水位相差約120 m。

2.3 CALMET模塊設(shè)計(jì) 泄洪霧化對(duì)天氣環(huán)境的影響僅限于壩區(qū)周?chē)?，屬于微小尺度的范圍。因WRF模式的最小水平分辨率是1 km，難以達(dá)到計(jì)算模擬要求，本文應(yīng)用WRF/Nudging/CALMET多尺度耦合模式，以達(dá)到降尺度的目的。利用CALMET模塊，對(duì)輸入的WRF模式氣象場(chǎng)根據(jù)斜坡流效應(yīng)、阻塞效應(yīng)、地形動(dòng)力作用和邊界層陸面及水面的微氣象過(guò)程，進(jìn)行客觀分析和參數(shù)化處理，體現(xiàn)出壩區(qū)周?chē)匦巫兓a(chǎn)生的局部地表氣流特征，得到壩區(qū)微尺度下的氣象場(chǎng)。

利用CALMET模塊對(duì)錦屏一級(jí)水電站泄洪時(shí)段局部氣象場(chǎng)進(jìn)行診斷分析，模擬時(shí)段為 2014年 8月 24日 2∶00至 20∶00共18 h，選用UTM坐標(biāo)投影，大地基準(zhǔn)面選為WGS-84。模擬區(qū)域范圍為6 km×6 km，橫向和縱向分辨率均為40 m，垂直方向分為10層，起始點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)為（28.157°N，101.6°E），對(duì)應(yīng)UTM坐標(biāo)為（755316，3117323），模擬區(qū)域如圖3所示。

圖3 錦屏一級(jí)水電站CALMET模擬區(qū)域地形圖

3 模擬結(jié)果分析

3.1 風(fēng)場(chǎng) 選取2014年8月24日14∶00時(shí)刻，分析比較WRF模式是否做數(shù)值同化的兩種方案，即WRF、WRF/Nudging風(fēng)場(chǎng)情況，如圖4所示。

由圖4可知，在14∶00時(shí)，錦屏一級(jí)水電站120 m高度的WRF風(fēng)速模擬值約為1.0 m/s，風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，進(jìn)行同化后，風(fēng)速增加6.3 m/s，即WRF/Nudging情況下風(fēng)速為7.3 m/s，風(fēng)向轉(zhuǎn)為向下游的西南風(fēng)。

圖4 錦屏一級(jí)第四層嵌套范圍內(nèi)120 m高度風(fēng)場(chǎng)

將同化前后的模擬結(jié)果分別進(jìn)行CALMET動(dòng)力降尺度處理，得到的風(fēng)場(chǎng)結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可看出， 2014年8月24日14∶00時(shí)，在120 m高度，錦屏一級(jí)水電站（圖中黑點(diǎn)處）WRF/CALMET模式得到的風(fēng)速為0.8 m/s，風(fēng)向?yàn)橄蛏嫌蔚臇|北風(fēng)，WRF/Nudging/CALMET模式得到的風(fēng)速為4.5 m/s，增大3.7 m/s，風(fēng)向變?yōu)檠貕蜗掠蔚奈髂巷L(fēng)，風(fēng)速增加1 m/s的縱向影響區(qū)域約為2.6 km，橫向約為3.7 km。

圖5 錦屏一級(jí)水電站8月24日14:00降尺度處理后120 m高度的風(fēng)場(chǎng)情況

3.2 溫度 錦屏一級(jí)水電站2014年8月24日14∶00時(shí)刻在120 m高度WRF、WRF/Nudging的溫度變化情況，如圖6所示。

從圖6中可得，在14∶00時(shí)，錦屏一級(jí)水電站120 m高度的WRF模擬溫度18℃，同化后溫度為16℃，溫度降低約2℃。

圖6 錦屏一級(jí)第四層嵌套范圍內(nèi)120 m高度溫度

將同化前后的模擬結(jié)果分別進(jìn)行CALMET動(dòng)力降尺度處理，得到的溫度變化情況如圖7所示。

從圖7中可得，2014年8月24日14∶00時(shí)，在120 m高度，錦屏一級(jí)水電站（圖中黑點(diǎn)處）WRF/CALMET模式得到的溫度為22℃，WRF/Nudging/CALMET模式得到的溫度為18.8℃，降低了3.2℃。溫度降低1℃的縱向影響區(qū)域約為4.5 km，橫向約為2.2 km。

圖7 錦屏一級(jí)水電站8月24日14:00降尺度處理后120 m高度的溫度

3.3 相對(duì)濕度 錦屏一級(jí)水電站2014年8月24日14∶00時(shí)刻在120 m高度WRF、WRF/Nudging的相對(duì)濕度變化情況，如圖8所示。

由圖8可知，在14∶00時(shí)，錦屏一級(jí)水電站120 m高度的WRF模擬相對(duì)濕度為51%，同化后相對(duì)濕度為58%，相對(duì)濕度增加7%。

圖8 錦屏一級(jí)水電站第四層嵌套范圍內(nèi)120 m高度相對(duì)濕度

將同化前后的模擬結(jié)果分別進(jìn)行CALMET動(dòng)力降尺度處理，得到的相對(duì)濕度變化情況如圖9所示。

從圖9可得，2014年8月24日14∶00時(shí)，在120 m高度，錦屏一級(jí)水電站（圖中黑點(diǎn)處）WRF/CALMET模式得到的相對(duì)濕度為48.8%，WRF/Nudging/CALMET模式得到的相對(duì)濕度為56.5%，增加了7.7%。相對(duì)濕度增加3%的縱向影響區(qū)域約為4.5 km，橫向約為3.4 km。

圖9 錦屏一級(jí)水電站8月24日14:00降尺度處理后120 m高度的相對(duì)濕度

4 結(jié)論

應(yīng)用WRF/Nudging/CALMET數(shù)值模擬方法，對(duì)錦屏一級(jí)水電站泄洪霧化對(duì)局地天氣影響范圍進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

（1）利用WRF/Nudging/CALMET模型對(duì)錦屏一級(jí)水電站泄洪時(shí)段的天氣要素進(jìn)行的精細(xì)化數(shù)值模擬研究，將水電站泄洪霧化數(shù)值計(jì)算的水平分辨率從1000 m提高到40 m，得到微小尺度下水電站未泄洪時(shí)/泄洪時(shí)的氣象場(chǎng)。

（2）利用WRF/Nudging/CALMET模型對(duì)錦屏一級(jí)水電站泄洪時(shí)段的天氣要素進(jìn)行數(shù)值同化研究。根據(jù)錦屏一級(jí)水電站泄洪霧化原型觀測(cè)資料和泄洪時(shí)段下泄流量等實(shí)際情況，將水舌風(fēng)、風(fēng)向、溫度、相對(duì)濕度等天氣要素同化到WRF數(shù)值模式中，同化后得到的更加接近實(shí)際的模擬結(jié)果作為輸入CALMET模塊的初始條件。

（3）通過(guò)對(duì)比降尺度前后天氣要素的變化情況，得到壩區(qū)泄洪時(shí)段天氣要素的影響范圍。將水舌風(fēng)等要素同化到背景場(chǎng)中，并進(jìn)行降尺度處理后，在120 m高度，錦屏一級(jí)水電站處風(fēng)速增大3.7 m/s，風(fēng)向從向上游的東北風(fēng)變?yōu)橄蛳掠蔚奈髂巷L(fēng)，風(fēng)速增加1 m/s的縱向影響區(qū)域約為2.6 km，橫向約為3.7 km；在120 m高度，錦屏一級(jí)水電站處溫度降低了3.2℃，溫度降低1℃的縱向影響區(qū)域約為4.5 km，橫向約為2.2 km；在120 m高度，錦屏一級(jí)水電站處相對(duì)濕度增加了7.7%，相對(duì)濕度增加3%的縱向影響區(qū)域約為4.5 km，橫向約為3.4 km。