金沙江下游白鹤滩水电站“6·28”极端强降雨特征研究

陶 丽,黄 瑶,袁 梦，2

(1.四川省气象服务中心，成都 610072；2.四川省农村经济综合信息中心，成都 610072)

引言

白鹤滩水电站是金沙江下游干流河段梯级开发的第二个梯级电站，坝址位于四川省凉山彝族自治州宁南县和云南省昭通市巧家县境内，上游距巧家县城约41km，距乌东德坝址约180km；下游距离溪洛渡水电站约195km，距离宜宾市河道里程约380km。坝址控制流域面积43.03万km2，正常蓄水位为820m，相应库容179亿m3；水库死水位为760m时，死库容79亿m3，调节库容达100亿m3。该电站以满足发电为主，兼顾防洪等综合利用要求，其建成后将成为仅次于三峡水电站的中国第二大水电站[1-2]。

近年来，随着白鹤滩水电站的建设，气象服务的关注重点以及服务内容也在不断提升[3-4]。张成稳等[5]就提出关于白鹤滩水电站建设期的气象保障服务思考，发现白鹤滩水电站易滑易塌的地质结构决定了其施工期气象保障服务任务艰巨，拟定了气象保障服务策略和实施思路。秦剑等[6]指出影响金沙江流域水电工程的气象要素有气温、寒潮、降水、雷暴、大风及雾等，灾害天气主要是暴雨、雷暴、寒潮、大风和雾，并就其分布特征、形成机制、预报思路、可能危害等做了详细论述。凉山州气象局深入白鹤滩水电站做现场服务，主要针对大风灾害做了深入的统计研究分析，范维、张煜婷、陈文龙等[7-9]就通过白鹤滩坝区极端大风统计对比等方法分析山谷风生消规律及其特征，这对及时发布预警信息，选取最佳施工时段提供有效帮助。但针对金沙江下游流域内多个大型水电站的短期预报准确度仍有待提高。在白鹤滩水电站工程筹备伊始，就出现了“白鹤滩水电站暴雨灾害”，2012 年6月28日白鹤滩暴雨诱发的山洪泥石流灾害造成41人遇难或失踪[4，10]。灾害发生前的连续降雨及强降雨是此次泥石流暴发的主要原因之一。因此对白鹤滩水电站的现场气象服务要做好灾害性天气的预报预警非常有必要，本文首先利用1960～2019年宁南、巧家地面气象站降水日值数据，通过百分位阈值法等定义白鹤滩水电站极端降水指数，得到白鹤滩极端降水阈值并分析了各指数的变化趋势以及分布规律。使用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)开发的新一代ERA5再分析资料，时间分辨率为1h，水平分辨率0.5°×0.5°，CIMISS逐小时降水资料，通过“6·28”典型白鹤滩暴雨进行诊断综合分析，旨在为提高水电站暴雨灾害天气的预报和服务提供技术支撑。

1 白鹤滩水电站极端降水特征

采用百分位阈值法来定义，即将某地一段时间超过某个阈值的值称为极值，将超过阈值的事件称为极端事件[10-12]。一般国家巨型水电站工程建设从开始筹建到投产发电需要10年左右时间，并且水电站往往建在离气象部门气象观测站较远的“处女地”，不可能有该地的历史气象资料积累[13]。因此，选取离白鹤滩水电站最近的宁南、巧家两个国家站，并对其60年(1960～2019年)日降水量资料按时间序列排序，定义站点的第99百分位数为该地极端降水阈值，超过这个阈值的降水定义为极端降水。在此基础上，进一步定义了极端降水量(全年日降水量大于第99百分位数的降水总量)、极端降水日数(全年极端降水大于第99百分位数的降水日数)、极端降水强度(全年极端降水量与极端降水日数的比值)、极端降水比率(全年极端降水量与全年降水总量的百分比)。

表1 白鹤滩周边站点极端降水指数

根据对极端降水的定义，可得到宁南和巧家的极端降水阈值(如表1)：宁南42.9mm、巧家36.9mm。可见宁南降水强度较大，表明该地容易发生强降水。从多年极端降水量最大值来看，宁南县为93.07mm，巧家县为95.3mm，有致灾隐患。通过对两县极端降水比率的长时间序列分析，发现宁南和巧家年平均极端降水比率一样，均为15.93%(如表1)。从历史极端降水比率最大值来看，宁南比巧家大，达36.13%，由此可见白鹤滩周边站点极端降水在全年降水中扮演极其重要的角色。分别统计宁南、巧家1960～2019年极端降水量变化，从多年平均来看，宁南：156.1mm，巧家：132.7mm，将两站极端降水量年变化作线性拟合(如图1(a))，可以看出宁南、巧家两个地区极端降水量均呈不同程度增加的趋势。计算两站气候倾向率，发现宁南极端降水量以8.9mm/10a的速度增加，巧家以11.5mm/10 a的速度增加。分别统计两站极端降水日数的月分布状况(如图1(b))，宁南极端降水都是从1月开始，2、4、12月没有极端降水记录。其中极端降水日数最多的月份是6月，60年期间总共51天；巧家极端降水都是从3月开始，1、2、5月没有极端降水记录。其中极端降水日数最多的月份也是6月，60年期间总共48天；可见6月是极端降水发生的高峰期，其次是7月，预报服务过程中应重点关注。

2 “6·28”暴雨特征分析

2.1 过程概况

2012年6月27～28日白鹤滩水电站出现局地强降水过程，此次过程24h降水量超极端降雨阈值(42.9mm/d)1.82倍，暴雨诱发的山洪泥石流灾害造成41人遇难或失踪[7,10]，严重影响水电站施工，因此作为典型极端个例做研究。

统计白鹤滩周边宁南、白鹤滩、跑马乡新田、西瑶乡、新村镇、新华乡等16个站点24h降水量、小时降水强度、降水时数和出现位置，分析得出此次降水中心跑马乡新田站24h累计降水量达78.3 mm，小时最大降水量达23.3mm，历时11 h。另有新村镇和白鹤滩站24h降水超过30mm，降水分别历时8h和9h。强降水集中出现的主要时段为28日06～07时(见表2)。此次降水主要特点是，强降水中心持续降水时间较长，小时雨强较大，因此易诱发泥石流灾害。

表2 2012年6月27～28日白鹤滩坝区关键气象站点降雨统计

2.2 “6.28”暴雨过程分析

2.2.1 环流形势

在暴雨发生前，6月27日08时500hPa(图略)欧亚中高纬地区为两脊一槽环流形势，长波槽东移过程中分裂短波槽南下，此时有冷中心位于新疆一带，同时温度场落后于高度场，槽后有冷平流南下补充到槽内，使短波槽加深发展并东移南压。27日20时(图略)低槽主要位于四川省川西高原北部，白鹤滩水电站所在地宁南县处于槽前的西南气流中，槽前的正涡度平流产生气流的水平辐散，同时在200hPa(图略)上对应明显的辐散区，高层抽吸作用使得低层辐合加强，短波槽在移动过程中逐渐加强。28日08时(图略)长波槽呈东北西南向稳定在东北至河套一带，且位于新疆的脊移动较快，使槽加深，白鹤滩坝区正处在槽前偏南气流中，槽前涡度平流加大，地面气旋系统加深发展，对暴雨发展有利。

分析700hPa风场，暴雨发生前27日08时(如图2a)，四川省攀西地区有气旋性涡旋产生，暴雨中心主要位于气旋性涡度区前侧，有正涡度；低层850hPa(如图2c)白鹤滩水电处在风场辐合区，相对湿度场上水电站区域基本处在90%的高湿闭合中心，到28日08时(如图2d)相对湿度基本都处在90%～100%，这种西南暖湿气流携带充沛的水汽，北上与冷空气汇合极易发生强对流天气；700hPa风场28日08时(如图2b)，西南辐合气流仍强盛，辐合中心北移，西南水汽输送通道打通。整个暴雨过程期间这一支较强盛的西南暖湿气流始终维持，白鹤滩水电站位于西南气流前侧。这对此次暴雨的形成起到三方面的作用：(1)从低层向高层输送热量和水汽建立对流不稳定层结；(2)正切变涡度区非常有利于对流活动的发生，对于强降水起到了关键作用；(3)在西南暖湿急流中存在着多种尺度的扰动，这些扰动对应着各种不同水平尺度的雷暴或暴雨区的形成和发展。这都为白鹤滩“6·28”发生强对流天气提供了有利的条件。

2.2.2 水汽条件

充足的水汽是暴雨形成的最基本条件之一。判断一个地区的水汽条件可以通过计算水汽通量和水汽通量散度的变化来实现。水汽通量是表示水汽输送强度的物理量，而水汽通量散度则是水汽集中程度的物理量[14-15]，它表示在单位时间里，单位体积(底面积1cm2，高1hPa)内回合进来或辐散出去的水汽质量，单位体积的水汽通量散度计算公式为

当A>0，则水汽通量是辐散的(水汽因输送出去而减少)；若A<0，水汽通量是辐合的(水汽因输送进来而增加)。

从26日20时850hPa水汽通量矢量和水汽通量散度图上(如图3a)可以看出，暴雨发生前，白鹤滩水电站处在水汽辐合区边缘处，辐合中心水汽通量散度为-2×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1，表明在降雨发生之前，白鹤滩水电站已经有一定的水汽累积。暴雨发生过程中，28日08时(图略)水汽输送略有加强，到28日14时(如图3b)白鹤滩水电站水汽辐合区域明显增大，中心强度达到-4×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1，为降雨发生发展提供充足的水汽条件。28日20时(图略)，暴雨区上空水汽通量散度辐合区消失，暴雨明显减弱。这说明暴雨形成、加强、减弱与暴雨上空850hPa的水汽通量的辐合区变化密切相关。结合850hPa相对湿度的分析可得，此次降雨的水汽来源主要是局地水汽含量。

2.2.3 动力条件

垂直速度表示气流的上升或下沉运动，一定强度的上升运动是形成降水的条件之一[16]。2012年6月26日08时～29日08时暴雨中心区域(26°～27°N、102°～103°E)平均垂直速度的时间—高度剖面图(如图4a)，从图中可以看出垂直速度负大值区，即为气流强上升运动区，从垂直高度上看，800hPa低层从26日12时～28日18时始终维持上升运动，中心位置垂直速度为-0.15 Pa/s，对应的时间是26日20时前后及27日10时前后，28日00～12时从垂直高度上看，垂直速度从低层至高层保持一致的负值，28日12时强度较大中心分别：在850hPa为-0.1Pa/s，400hPa上为-0.25Pa/s，300hPa上为-0.65Pa/s，垂直结构最完整，这说明暴雨发生期间有较强的垂直上升气流。这从28日02时暴雨中心白鹤滩所在地的垂直速度剖面图上(如图4b)也可看出，垂直上升运动维持，暴雨发展强盛。

2.2.4 热力不稳定条件

假相当位温(θse)是表征大气温湿特征的物理量，其值大小反映显热能和潜热能的高低，其高值中心反映大气能量的积累；θse随高度变化还反映大气层结稳定度状况，它在大气的干绝热和湿绝热变化中都是守恒的[17-19]。用假相当位温随高度的变化(∂θse/∂p)表示稳定度时，当(∂θse/∂p)>0，对流不稳定，即假相当位温随高度降低；当(∂θse/∂p)<0，对流稳定，即假相当位温随高度升高；(∂θse/∂p)=0为中性。

暴雨开始之前27日20时，从850hPa θse场(如图5a)可见，与西南暖湿气流相对应，有一θse大值高能中心位于(27°N、102.5°E)附近(θse≥360K)，此处正是暴雨中心位置，而(30°N、97°E)附近存在一个低能中心(θse≤335K)，这两支不同性质气流之间有一条东北西南向能量锋区在高能舌与低能中心之间建立，且能量锋区梯度较大。暴雨中心白鹤滩水电站位于两层能量锋区靠近高能侧。700hPa θse场(如图5b)同样可见能量锋区，但中心位置偏北偏西，白鹤滩水电站附近θse减弱为374K，强度减弱。说明暴雨中心θse随高度减小，有不稳定能量存在，只要有冷空气入侵，极易释放不稳定能量，造成强降水。

从暴雨中心θse随高度变化上可看出(如图6)，28日00～20时低层800hPa以下始终维持高能，中心值达364 K。800hPa以上28～29日假相当位温对高度减小，即(∂θse/∂p)>0，对流不稳定，有不稳定能量存在，易发生强对流天气。

3 结论和讨论

通过白鹤滩周边站极端降雨统计分析得出：宁南和巧家两县极端降水量、极端降水日数和极端降水比率均呈上升趋势。宁南极端降水阈值为42.9 mm，是最容易发生强降水的地区。宁南、巧家平均每年极端降水日数相近，为2～3天。极端降水发生峰值期相同，6月是极端降水发生的高峰期，其次是7月，因此在白鹤滩气象预报服务过程中应重点关注6、7两月。

通过白鹤滩“6·28”强降雨环流背景分析得出：500hPa高原短波槽东移加强，槽前的正涡度平流诱发低层气旋性涡度增加，低层辐合高层辐散为暴雨的维持提供了很好的动力条件，配合低层西南暖湿气流源源不断向白鹤滩地区输送水汽和能量，为暴雨发生提供了高能高湿条件，低层大气层结极不稳定，同时受高层北方南下的冷空气影响，触发白鹤水电站局地暴雨天气。

通过白鹤滩“6·28”强降雨物理量诊断分析得出：过程发生期间，白鹤滩水电站对流层低层水汽通量辐合较强，水汽的积聚对暴雨的维持提供条件。垂直速度场表现为较强的垂直上升运动，同时对流层低层随高度降低，反映了该处大气的不稳定性，为白鹤滩水电站地区产生强对流性降水天气提供了有利条件。

通过对白鹤滩水电站极端暴雨天气特征研究，对气象服务的启示是：面对局地突发暴雨，气象服务要从单纯重视“过程前”的预报服务模式向关注“过程中”的跟踪式预报服务模式转变，特别要加强“过程中”气象服务的及时跟进。