基于多尺度數(shù)值同化模式的泄洪霧化對天氣環(huán)境影響的數(shù)值模擬研究

張 華，孫春雨，陳永訪

（1.華北電力大學(xué) 水利與水電工程學(xué)院，北京 102206；2.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650000）

1 研究背景

近幾十年來，我國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，會產(chǎn)生嚴(yán)重的霧化現(xiàn)象，由此引發(fā)的問題也越來越凸顯，不僅可能對兩岸邊坡的穩(wěn)定、水電站機電設(shè)備的運行和庫區(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)計和安全運行需要重點關(guān)注的問題。

學(xué)者們目前主要是利用原型觀測、物理模型試驗以及數(shù)值模擬三種方式來開展水電站泄洪霧化的研究［4-5］，對霧化的機理和分區(qū)、霧化范圍的估計、水舌運動軌跡、霧化的地面降雨強度、工程防護措施等問題進行研究［6-13］。壩區(qū)局地天氣要素的變化一直是泄洪霧化影響評價的重要組成部分，如何在微尺度下實現(xiàn)壩區(qū)局地氣象場的數(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題。

隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展及運用，一些學(xué)者開始對水電站泄洪時下游局地天氣進行研究［14-19］。張華［20-22］選取水滴運動過程中的4個典型物理量，通過建立水滴隨機碰濺模型來研究水電站泄洪霧化，并驗證計算了底流水電站泄洪時的溫度、降雨強度及相對濕度等參數(shù)，計算結(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)場時空分布，并利用耦合模型對二灘水電站進行動力降尺度研究，得到了壩區(qū)平均風(fēng)速、溫度和相對濕度等非均勻物理場數(shù)據(jù)。王晶等［24］建立了水電站局地泄洪時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，來研究泄洪霧化對天氣環(huán)境的影響，制定了泄洪霧化同化天氣要素分類設(shè)置的參考值區(qū)域，并對大崗山水電站泄洪時的風(fēng)速、溫度和相對濕度等變量進行同化，結(jié)果表明模擬結(jié)果與原觀數(shù)據(jù)的誤差變小，說明該方法可有效提高模擬的準(zhǔn)確性。張華等［26］為精細化解析河谷風(fēng)場，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）診斷模塊進行動力降尺度的數(shù)值模擬方法，并設(shè)置了WRF、WRF/Nudging、WRF/CALMET、WRF/Nudging/CALMET等4組試驗方案，針對河谷風(fēng)場進行了數(shù)值模擬，WRF/Nudging/CALMET方案所得到的模擬結(jié)果更接近于實際觀測值。

文獻［25］應(yīng)用WRF/Nudging模式，對壩區(qū)泄洪期間的天氣環(huán)境要素進行了數(shù)值模擬計算，但水平分辨率為1 km，分辨率較低。文獻［26］采用WRF/Nudging/CALMET模式，對河谷風(fēng)場進行了數(shù)值模擬，水平分辨率已達到50 m，但其研究對象是自然風(fēng)場。本文在文獻［25-26］的研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用WRF/Nudging/CALMET模式，針對泄洪霧化對天氣環(huán)境的影響，開展高分辨率的精細數(shù)值模擬研究，并選取錦屏一級水電站的一次泄洪過程進行實例研究，模擬其未泄洪時/泄洪時的風(fēng)速、溫度和相對濕度等天氣要素，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 2014年8月24日，對錦屏一級水電站壩身泄洪霧化進行了原型觀測［27］，分別在左岸1730 m平臺和1785 m平臺，以及右岸1661 m平臺、1700 m平臺、1760 m平臺和1885 m平臺共布置22個試驗測點，其中左岸選取10個，右岸選取12個。對于表孔和深孔采用不同的閘門啟閉方式進行壩身泄洪，上游水位均保持1880 m，具體原型觀測工況如表1所示。

表1 錦屏一級原型觀測工況

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

利用WRF對錦屏一級水電站泄洪時段的局部氣象場進行研究，選取時間段為2014年8月23日12∶00至8月25日6∶00，共計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和邊界場，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進行數(shù)值模擬時，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)錦屏一級水電站的原型觀測資料，在WRF基礎(chǔ)上對電站沿順河谷下游方向進行數(shù)據(jù)同化，時段與WRF模式計算時段保持一致，共計42 h。泄洪時霧化主要影響壩區(qū)下游范圍，故從壩址處開始，設(shè)置8個數(shù)據(jù)同化點，同化點間隔為200 m，如圖2所示。

圖2 錦屏一級水電站同化點示意圖

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

表3 錦屏一級水電站數(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21 m/s，并從暴雨區(qū)沿壩下游減小，最終和環(huán)境場風(fēng)速保持一致，同化風(fēng)向沿壩下游方向。相對濕度同化值最大為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，整個壩區(qū)范圍內(nèi)壓強變化較小，故同化壓強設(shè)為與環(huán)境場壓強一致，為86.1 kPa。高程選取觀測數(shù)據(jù)中暴雨區(qū)監(jiān)測點高程，泄洪時段其與下游水位相差約120 m。

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

利用CALMET模塊對錦屏一級水電站泄洪時段局部氣象場進行診斷分析，模擬時段為 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，起始點經(jīng)緯度坐標(biāo)為（28.157°N，101.6°E），對應(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 選取2014年8月24日14∶00時刻，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)場情況，如圖4所示。

由圖4可知，在14∶00時，錦屏一級水電站120 m高度的WRF風(fēng)速模擬值約為1.0 m/s，風(fēng)向為東北風(fēng)，進行同化后，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 錦屏一級第四層嵌套范圍內(nèi)120 m高度風(fēng)場

將同化前后的模擬結(jié)果分別進行CALMET動力降尺度處理，得到的風(fēng)場結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可看出， 2014年8月24日14∶00時，在120 m高度，錦屏一級水電站（圖中黑點處）WRF/CALMET模式得到的風(fēng)速為0.8 m/s，風(fēng)向為向上游的東北風(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 錦屏一級水電站8月24日14:00降尺度處理后120 m高度的風(fēng)場情況

3.2 溫度 錦屏一級水電站2014年8月24日14∶00時刻在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，錦屏一級水電站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)果分別進行CALMET動力降尺度處理，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，在120 m高度，錦屏一級水電站（圖中黑點處）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 相對濕度 錦屏一級水電站2014年8月24日14∶00時刻在120 m高度WRF、WRF/Nudging的相對濕度變化情況，如圖8所示。

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

圖8 錦屏一級水電站第四層嵌套范圍內(nèi)120 m高度相對濕度

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

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

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

4 結(jié)論

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

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

（2）利用WRF/Nudging/CALMET模型對錦屏一級水電站泄洪時段的天氣要素進行數(shù)值同化研究。根據(jù)錦屏一級水電站泄洪霧化原型觀測資料和泄洪時段下泄流量等實際情況，將水舌風(fēng)、風(fēng)向、溫度、相對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際的模擬結(jié)果作為輸入CALMET模塊的初始條件。

（3）通過對比降尺度前后天氣要素的變化情況，得到壩區(qū)泄洪時段天氣要素的影響范圍。將水舌風(fēng)等要素同化到背景場中，并進行降尺度處理后，在120 m高度，錦屏一級水電站處風(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，錦屏一級水電站處相對濕度增加了7.7%，相對濕度增加3%的縱向影響區(qū)域約為4.5 km，橫向約為3.4 km。