[分享]水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨

发表于2019-11-07     46人浏览     1人跟帖     总热度:132  


水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_2

水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨

梁忠民1,2,季俊杰1,3,卜慧1,刘甜1,杨靖11. 
1.河海大学 水文水资源学院,南京 210098;2. 水安全与水科学协同创新中心,南京 210098;3.江苏省水利厅,南京 210098

作者简介
通讯作者:
梁忠民(1962-), 男, 辽宁凤城人, 教授, 博导, 主要从事水文水资源方面研究。

引用格式

梁忠民,季俊杰,卜慧,刘甜,杨靖. 水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨[J] . 南水北调与水利科技, 2017, 15(1) : 14-17,24.

水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_3
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_4
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_5
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_6
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_7
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。本文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

水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_8

可能最 大 暴 雨/洪 水( PMP / PMF) 作 为 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
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_9
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。

2011年 全 市 工 农 业 生 产 和 生 活 总 供 水 量 为7.82 亿 m 3, 其中地表水源供水量3.07 亿 m 3, 地下水源供水量4.75 亿 m 3, 分别占供水总量的39.2%和60.8%, 城市供水以地下水为主。在地表水源供水量中, 蓄水工程、 引水工程和提水工程供水量分别占地表水源供水量的26.2%、 72.5% 和1.3%。地下水源供水量中, 浅层地下水和深层地下水供水量分别占地下水源供水量的96.9%和3.1%。

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0h 和12h 两 个 时刻的风速, 最后挑选出三天中合成风速最大且风向
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_10

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12h 最 大露点, 并按饱和假绝热线化算到1000hPa, 各站取平均即为代表露点, 按此露点和流域平均高程推求
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_11

3
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_12

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。

水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_13

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
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_14

3
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_15
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24h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13km) 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》( SL44-2006), 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24h雨量资料系列。设计流域雨量站位置及水系见图3。

水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_16
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_17

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85m, 因此选取850hPa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年的地面露点, 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。

水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_18
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_19

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12h最大露点, 按饱和假绝热化算到1000hPa, 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1000hPa露点资料中选取持续12h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
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_20

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24h 暴 雨 当 天、 前2d 共72h, 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。
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_21

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24h万年一遇设计暴雨为505.5mm, 本 文 改 进 方 法 推 求 的 可 能 最 大24h 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24hPMP成果为391mm, 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24hPMP为576.7mm。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。

水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_22

3
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_23
结论

01
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
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_24
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。

02
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。

水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_25
水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_26

来源:水利    微信公众号    南水北调与水利科技
仅作分享交流
扫码加入筑龙学社  ·  水利工程微信群 为您优选精品资料,扫码免费领取
分享至

分享到微信朋友圈 ×

打开微信"扫一扫",扫描上方二维码
请点击右上角按钮 ,选择 

 发表于2019-11-08   |  只看该作者       筑龙币+10

2

水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨

水汽风速放大计算可能最大暴雨方法探讨_1

你是我的心跳

  | 水利水电

3 关注

0 粉丝

0 发帖

0 荣誉分

该博主未添加简介

猜你爱看

添加简介及二维码

简介

还可输入70字

二维码(建议尺寸80*80)

发站内信息

还可输入140字
恭喜您已成功认证筑龙E会员 点击“下载附件”即可
分享
入群
扫码入群
马上领取免费资料包
2/20