摘要:对三峡坝区地面平均风和雷雨大风的变化特征进行分析,发现坝区白天盛行偏东偏南风,夜间盛行偏北风,雷雨大风主要发生在3~8月,午后到傍晚集中多发特征显著。研究高空冷平流、低槽类雷雨大风天气系统特征,归纳出雷雨大风的预报指标。指出雷雨大风预报的复杂性,需多途径、多手段作好大风预防服务工作。
关键词:雷雨大风 气候分析 天气预报 三峡工程
三峡枢纽工程位于长江西陵峡中段,属亚热带大陆性季风气候。由于气候多变,地形复杂,坝区除暴雨、雷击等外,大风是又一多发而又危害严重的灾害性天气。大风预报也成为气象服务中的一个格外突出的项目。自1992年起,三峡坝区已有了风的连续监测资料,尤其是积累了重要的大风观测资料;三峡近坝区若干气象台站,有40多年的监测资料;2001年6月1日多卜勒天气雷达投入业务运行,准确捕获了今年发生在三峡坝区的对流风暴信息,为三峡工程大风预防提供了重要的技术保障。
1 观测资料说明
1.1 资料来源
坛子岭气象站,位于坛子岭公园内,观测场海拔高度206m,距坝址北端约1 500m,资料年限2000~2001年;三峡气象站,位于乐天溪桥头,海拔高度140.5m,资料年限1992~2001年;秭归、宜昌、兴山建站以来40多年资料。
1.2 观测方法
KN、EL型风向风速仪,感应部分距下垫面10.5m。观测项目包括各正点前10分钟的平均风向风速,02时、08时、14时、20时定时正点前2分钟的平均风向风速,24小时内任意时刻的瞬时风向风速。
2 平均风的变化规律
2.1 风向风速的日变化
统计三峡气象站2、8、14、20时风向频率分布,可以发现坝区风的日变化规律显著:夜间2时和早晨8时盛行偏北风,NNW、NW、NW N风向频率占75%;而白天盛行偏南、偏东风,14时南风分量占76%,20时东风分量占82%。
风速也具有日变化特征:日落以后风速渐小,日出以前风速达到最小,日出以后风速逐渐加大,傍晚前后达到最大。
2.2 阵风与时段平均风的关系
设在t0时刻时距为了的平均风速为:
| (1) |
式中为时段平均风速,V为阵风风速。由于风的阵性和脉动性,在某一给定时段内所测得的风速随时间的延长而变小。因此在同一时段内,下列不等式总是成立的:
10分钟平均风速≤2分钟平均风速≤最大平均风速≤瞬间极大风速
根据观测资料统计,在同一时间段内,就平均情况而言,大体上有如下关系:
2分钟平均风速≈10分钟平均风速X1.3
瞬间极大风速≈2分钟最大平均风速X1.25≈10分钟最大平均风速X1.63
2.3 风速随高度增加
风速随高度的增加而加大。其关系式如下:
式中V2、V1分别为Z2、Z1高度处的风速。p为参数,在平原、河谷、山区P值差异较大。由于缺少严格的摩擦层垂直风的观测,坝区的P值难以确切确定,经验表明,当发布的风力预报为4~5级,指的是近地层风,高空作业区应相应增大两个量级,如永久船闸等处的高架门机应以防6~7级大风为宜。另外,风具有狭管效应,即风由开阔地带进人狭长区域时,其流动速度要加快,这里不多述。
2.4 风向风速年变化
三峡坝区2分钟风速年平均为2.m/s,10分钟风速年平均为1.2m/s。统计坛子岭2000年逐月10分钟平均风速可知,一年中元月风速较大,为1.6m/s,说明即使有山脉屏障,冬季风对坝区仍有一定影响。盛夏7~8月风速较小,说明远距太平洋,受海洋季风的影响远不如同纬度的东部平原明显。4月和10月各有一个高值,进一步分析发现,它与气温日较差的峰值相对应,说明风除了受大范围季风环流影响外,下垫面局地热力属性的差异也有重要影响。
3 雷雨大风的气候特征
气象上将瞬间极大风速≥17.0m/s定为大风。按其性质分为雷雨大风、寒潮大风、台风、龙卷风等。影响三峡工程的大风以雷雨大风为主,因此,这里只研究雷雨大风。
3.1 雷雨大风的日变化
以邻近的宜昌气象台为代表(坝区资料年限较短),分析雷雨大风逐时发生频次的规律。以其33年大风发生时间的观测资料作出图1。图中示出,雷雨大风发生时间集中在下午2点到傍晚7点,占总次数的79.2%,其中16~17时是显著多发时段。而后半夜到次日上午,雷雨大风几乎不发生。 表明雷雨大风与热力日变化显著相关,有明显的日变化特征。
3.2 雷雨大风的季节变化 三峡近坝区三站(秭归归州、兴山高阳、宜昌晓溪塔气象站)有气象记录至1992年雷雨大风的月际分布表明,3月热力条件较差,雷雨大风少发生;4月、5月随着气温增高,雷雨大风逐渐增多;6月在雨季,以降水为主,雷雨大风相对较少;7月、8月雷雨大风明显增多,8月达到全年最多。7月后期至8月,梅雨结束,副热带高压或大陆高压控制本地,天气晴热高温,遇高空冷平流或地面冷空气影响,极易出现雷雨大风天气。 3.3 三峡近坝区雷雨大风的地域特征 |
图1 雷雨大风时次布图 |
三峡工程地处雷雨大风集中多发地区。应用近坝区若干气象站长序列气象资料统计,该地3~8月雷雨大风年均4.0~7.5次,比邻近的长阳、五峰等地明显偏多,构成显著的高值中心,这与该地处神农架阳坡的大地形特征有关。位于兴山、宜昌县北部的冰雹、大风窝子(风暴源地)产生的对流云团常可影响三峡坝区。
3.4 雷雨大风移动路径
雷雨大风除局地生消外,常由周围移至发生。依据大区域性雷雨大风过程逐次逐站大风发生时间、山脉及其走向、高空引导气流,尤其是天气雷达连续监测,并依据较大范围雷雨大风移动具有 定的连续性进行综合分析,一般性得到对三峡工程有重要影响的西路、西南路和东北路三条雷雨大风移动路径。
西路:在西风基本气流引导下,源于神农架南坡兴山的对流风暴沿香溪河南下转沿长江向东移,或源于巴东方向的对流风暴沿长江东移,影响三峡工程。
西南路:引导气流为西南风,源于三峡坝区西南部的对流风暴可向东北方向移动影响坝区。
东北路:对流层内为一致的偏北风,源于东北部或偏东的对流风暴可快速影响三峡工程。
3.5 雷雨大风伴随的天气现象
统计三峡气象站1992年~2001年和坛子岭气象站2000~2001年10分钟平均风速≥10.0m/s,或瞬间风速≥17.0m/s大风日,可以看出坝区雷雨大风的风向呈多方位性,主要与雷雨大风对应的天气系统和本地地形有关。高空冷平流类大风风向偏北,低槽类大风风向多偏西偏南。
雷雨大风生成时间都在下午2~8点,更多的是在午后4~7点,这与上文所述的雷雨大风日变化特征相吻合。
雷雨大风发生时均有雷暴、阵雨天气相伴,最大雨强达50.0mm/h,因而表明雷雨大风天气过程的复杂性和剧烈性。
4 雷雨大风预报
4.1 三峡坝区雷雨大风天气类型及预报指标
对影响三峡工程较多、预报技术相对成熟的高空冷平流类、低槽类雷雨大风进行分析,归纳出预报指标。其中高空冷平流类又分为偏北和偏西两种子型。
4.1.1 偏北冷平流类
本地处在高空冷涡或沿海槽后,对流层整层偏北风,冷平流显著。500hPa河套东部气流有气旋性弯曲,地面为暖区或变性高压控制。本地上空垂直气柱内下暖上冷,具有显著的不稳定层结,A指数或σ指数显著上升。主要指标有:
(1)500hPa兰州、安康北风或西北风;
(2)宜昌850hPa与500hPa垂直温差△t850 500≥24.0℃;
(3)500hPa重庆与西安水平温差△T500≥3.0℃;
(4)宜昌500hPa降温△t500>0℃;
(5)宜昌850hPa温度t850>19.O℃;
(6)宜昌A指数或σ指数由负转正。
4.1.2偏西冷平流类
高空锋区主要位于青海湖东侧,与东路冷平流类大风相比,其降温区偏西,但兰州至西安间有低槽引导冷平流快速东移。其预报指标有:
(1)500hPa兰州至西安间有低槽;
(2)成都500hPa偏北风,或偏西风时风速V500>12.0m/s;
(3)500hPa成都与兰州间温差△T500>4.0℃;
(4)宜昌500hPa降温△t500<0℃。
4.1.3 低槽类
与高空冷平流类大风相比,低槽类大风高空图上无显著的冷平流,但其低气压槽深厚,地面冷锋明显。其预报指标有:
(1)500hPa、700hPa、850hPa三层天气图上影响区内至少有二层有低槽;
(2)700hPa重庆与西安间温差△T700>2.0℃,或850hPa宜昌与达县间温差△T850>3.0℃。若500hPa、700 hPa、850hPa三层均有低槽,相应的南北温差可降低1℃;
(3)700hPa武都或汉中偏北风,或850hPa秦岭附近有三站以上偏北风。
4.2 预报检验
2001年三峡坝区雷雨大风过程频繁发生,且风力巨大,成灾严重。2001年几次大风过程预报指标反映情况列于表1。5次过程中除2001年7月24日500hPa宜昌指标不符合以外,其余基本上满足,较好地反映出与风暴的对应关系。
多卜勒雷达监测其回波强度均在40dbz以上,回波顶高达9km以上,其移动方向、移速、移动中回波强度的演变等可直观反映出来,在强对流天气监视、预测中发挥了重要作用。
依据上述预报指标作出的预报,其预见期小于12小时(指天气图起始时刻08时至雷雨大风发生时)。由于雷雨大风的复杂性,归纳的预报方法有空报和漏报情况,大风天气一般是在天气雷达捕获到对流风暴云团后跟踪监视,再发布大风警报,因此预报提前量一般在2~3时之内,甚至在几十分钟之内。
5 结束语
三峡坝区地面平均风和雷雨大风具有显著的日变化、年变化规律,掌握其规律有助于雷雨大风的预报与防御。由于三峡近坝区地形的复杂性,大风天气类型的多样性、多变性,使得大风预报提前量有限,所研制的预报方法也只是一个侧面,必须依据天气图方法提供警戒信息,适时进行加密地面气象实时监测、多卜勒雷达监视,及时发布警报,才能做好预报服务工作。
表1 2001年7、8月若干次雷雨大风气象指标值 |
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过程日期 | 天气 类型 | 08时天气指标 | 多卜勒雷达回波 | 风暴 移向 |
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DD700 | FF700 (m/s) | △T500 (℃) | △T500 (℃) | △T700 (℃) | △T850 (℃) | △T850-500 (℃) | 强度 (dbz) | 顶高 (km) |
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7月2日 | 偏西 | SW | 6 | 0 | -5 | -- | 23 | 28 | 40-45 | 11-12 | SW-NE |
7月14日 | 偏西 | EN | 2 | -3 | -4 | -- | 19 | 25 | 40-45 | -- | NE-SW |
7月21日 | 偏西 | WSW | 4 | -- | -- | -1 | 22 | -- | 40-45 | 11-12 | SW-NE |
7月24日 | 偏西 | SW | 8 | 1 | -3 | -- | 22 | 25 | 40-45 | 9-11 | SW-NE |
8月7日 | 偏西 | NNW | 2 | -- | -- | -4 | 26 | -- | 45-50 | 12-13 | SSW-N |
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