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极限降水与可能最大暴雨(原载深圳气象台)(2006-11-29 13:45:39)
在一定地点和一定时间内大气所产生的暴雨强度和降水总量必然具有上限。由于暴雨机制及其造雨效率和知识还不足以精确推算极大降水的极限值,因此,这个数字只是一种估计。求得的数值被认为是可能达到的上限雨量,因而称它为“可能最大降水” (Probable Maximum Precipta-tion,简称PMP)。1975年英国称这种数值为估算最大降水,在我国一般称为"可能最大暴雨"。

    把“可能最大降水”转化为洪水,即得“可能最大洪水”,可以看作是一种无风险的洪水。这是一种提供最大保护的政策性规定,以防最恶劣的洪水发生。我们国家规定,在设计重要的大中型水库,以及特别重要的小型水库,且大坝为土石坝时,必须以可能最大洪水为校核洪水,从而希望能保证工程永久不被洪水破坏。

    利用气象学方法来决定极限降水量,是本世纪三十年代中叶开始的。1962年美国规定,不允许失事的极重要工程,其溢洪道设计洪水应为可能最大洪水。我们国家是在“75.8”大暴雨之后,开始在全国范围内推行水文气象法计算可能最大暴雨的。

    用现行的水文气象法推求出的可能最大暴雨,一般是将典型暴雨(或暴雨模式)加以极大化(放大)而得。所谓典型暴雨,是指反映设计流域特大暴雨特征、所造成的洪水对水利工程防洪威胁最大的暴雨。所谓极大化,就是将影响暴雨的主要物理量(如水汽、动力等因素)加以放大。将典型暴雨进行放大,即得可能最大暴雨量。

    可能最大暴雨估算中,最常用的方法是暴雨物理因子放大、暴雨移置和暴雨组合。

    把决定暴雨强度大小的物理因子加以放大,从而把暴雨强度也放大,求出可能的最大雨量,叫做暴雨物理因子放大。例如,认为降雨必须具备水汽和动力两个条件,把降水量公式写成:
P=ηWt式中,P为t时段内的降水量;W为可降水量(毫米),η为降水效率。设有一典型暴雨,其降水量为P典,可降水量为Ws,效率为η,则水汽效率放大公式可写成,Pm=( )· ·P典式中,Pm即为所要估算的可能最大暴雨。Wm为可降水的极大值;ηm为降水效率的极大值。当典型暴雨被认为已经是效率足够高,不用再放大时,η=ηm,于是由上式得到水汽放大公式为:Pm= ·P典=K·F典Ws为典型暴雨的代表性可降水,它可以直接从暴雨期间的探空资料求得,Wm为最大可降水量,可由地面最大露点按饱和湿绝热直减率推求,也可以由各主要等压面露点极值换算成比湿,垂直积分来求。

    类似地,物理因子也可以用水汽入流指标,进行水汽入流指标放大,或其它的暴雨物理因子的放大。

    当设计流域缺少时空分布较严重的大暴雨资料时,则可以将邻近流域的特大暴雨搬移过来,加以必要的改正,作为典型暴雨,然后进行适当的放大以求得可能最大暴雨,此法称为暴雨移置法。例如,北京卢沟桥历史实测最大洪峰流量为4920立方米/秒。人们认为卢沟桥以上的永定河流域有可能会发生类似于“75.8”淮河上游的特大暴雨,经过把“75.8”暴雨移置改正以后,推算出这里的可能最大洪水为16000立方米/秒。为了确保北京市的防洪安全,有关部门以此作为卢沟桥以上永定河左堤的防洪设计标准。

    将两场或两场以上的暴雨,按天气气侯学原理,合理地组合在一起,可以构成一场新的暴雨,作为典型暴雨,再进行放大推求可能最大暴雨。组合方式可以从时间上或空间上进行组合。时间上组合,即将两场或两场以上的暴雨雨量过程线合理地衔接起来。衔接时注意保持一个时距,以便使自前一天气过程有可能演变为后一过程。空间上组合,即将两场或两场以上的等雨深线图合理地拼联在一起,以便使两个或两个以上的暴雨天气过程有可能在设计地区同时发生。例如澜烂江漫湾水电站在设计中要计算十天的可能最大降水,从1957~1978年实测的洪水资料系列中,对于中游区选取1966年8月下旬的暴雨洪水过程作为组合的典型年,这是22年中洪水最为严重的一年,主要由于西风带的三次低槽侵入,尔后转变为切变线或切变低涡,并与副热带高压和季风低压相互配合,形成了十天左右较强的降雨。在这三次暴雨中,以第一次暴雨较大,第二、三次暴雨较小、于是将二、三次暴雨过程用同类型的影响系统而暴雨量较大的相似过程,即用1955年7月下旬和1972年7月下旬两次较强的暴雨过程予以替换。将这三场暴雨组合之后,10天降雨量为177.1毫米。然后又使用了水汽入流指标放大法,把水汽输送率作为放大的物理因子,把10天降水量从177.1毫米放大到267.8~291.9毫米。又用其它一些放大方法,综合比较,最后选定10天可能最大暴雨为370毫米。
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