雷暴大风影响下深切峡谷的工程风特性研究

There are numerous deep-cutting gorges in Western China, where local severe convection events occur frequently. The large topographic relief and distinct temperature gradient of deep-cutting gorges often induce remarkable thermal circulations, which may interact with local convective systems such as thunderstorms. Such an interaction usually results in a damaging and complicated wind environment in the gorges, posing challenges to wind resistant design of construction, such as long-span bridges which straddle the gorge. However, the thermal circulations induced by topography and the thunderstorm impacts are rarely taken into consideration in current studies on wind characteristics in deep-cutting gorges.. This project introduces a mesoscale atmospheric numerical model, which includes thermal process of underlying surface to investigate wind characteristics in the gorge under the effects of thunderstorm-induced high wind. Statistical characteristics of thunderstorm-induced high wind events in deep-cutting gorges in western China will be analyzed based on multi-source historical observation data firstly. Then, taking Dadu River Bridge site located in a deep-cutting gorge as an example, the wind environment evolution associated with thermal and dynamical circulation in deep-cutting gorge under the effects of thunderstorm-induced high wind will be investigated by diagnostic analyses and numerical simulations. Finally, a numerical model for wind characteristic simulation in deep-cutting gorge associated with thunderstorm-induced high wind will be developed based on the WRF-LES numerical model to output fine wind characteristic parameters. This study will provide scientific references for engineering wind resistant design and risk assessment in deep-cutting gorge areas.

我国西部山区深切峡谷众多，雷暴大风等局地强对流天气频发。而深切峡谷地形落差大，温度梯度显著，热力环流明显，常与雷暴大风相互作用，造成破坏性强、复杂多变的工程风环境。给深切峡谷大跨度桥梁等工程的抗风设计带来挑战。而目前在山地峡谷风特性研究中对地形热力环流和雷暴大风的影响考虑不多。本项目引入成熟的包含下垫面热力过程的大气中尺度数值模式，以泸定大渡河桥桥址所处深切峡谷区为例，开展雷暴大风影响下深切峡谷的风特性研究。首先利用多年多源观测资料分析雷暴大风影响我国西部深切峡谷区的统计特征；然后通过动力诊断和数值试验，研究雷暴大风影响下深切峡谷热力、动力作用造成的局地环流变化及其风环境特征形成机制；并基于WRF-LES数值模式，建立雷暴大风下深切峡谷工程风特性模拟模型，计算并输出精细化风特性参数。为深切峡谷工程建设的抗风设计和风险评估提供科学依据。

在我国川藏高原深切峡谷区域，雷暴大风常造成复杂多变的工程风环境，对大跨桥梁、铁路工程等具有巨大威胁。开展雷暴大风影响下深切峡谷的工程风特性研究具有重要科学意义。项目基于地面观测历史资料，对比分析了川藏地区高原和盆地雷暴大风活动特征，发现二者具有明显差异。高原雷暴大风发生频数呈5-6月和9月双峰型分布，且主要在午后发生。盆地雷暴大风主要发生在夏季，7月达到峰值，在午后和夜间均较活跃。高原站雷暴大风发生的年均频次约为2次/站，而盆地站仅为0.4次/站。高原和盆地的雷暴大风平均强度相当，但高原上风速极值更大。基于雷达组网资料，将川藏深切峡谷地区雷暴大风的对流系统组织形态分为6类，统计发现高原或山区的雷暴大风主要由较小尺度风暴产生，而盆地雷暴大风主要由中尺度对流系统引起。雷暴大风发生前，其回波特征具有一定提前标识，如反射率因子质心下降等特征，但较小尺度雷暴单体更为明显。.进一步诊断分析川藏深切峡谷地区雷暴大风发生的环流背景，发现干、湿空气对高原强对流的具有重要作用。在高原西北部具有弱干冷平流而南部具有深厚水汽输送条件下，大气环境具有较高的对流有效位能以及较强垂直风切变，为雷暴大风发生发展提供有利条件。深切峡谷地区雷暴大风主要出现于对流单体移动方向的前侧，走向与对流云团移动方向相一致峡谷内雷暴大风发生频次及强度均大于走向与对流移动方向垂直的峡谷。深切峡谷内出现成对的剧烈上升、下沉运动区，且在垂直于地面风矢量的地形梯度大值区域更为显著。另一方面，雷暴大风影响下山峰和峡谷区温度迅速下降，二者间温差显著减小，从而影响局地热力环流。雷暴单体下击暴流和冷池是大风产生的一个重要原因，下击暴流内冰雹、大雨滴拖曳在其中也起着关键作用。而深切峡谷狭管效应和山谷走向对雷暴大风强度和分布具有重要影响。.项目基于全物理过程的气象中尺度数值模式，建立雷暴大风影响下深切峡谷的精细化风场模拟模型，分析了雷暴大风影响下深切峡谷的若干风工程特性参数。结果发现深切峡谷谷区阵风系数的大小及波动幅度均较山峰区大。且风攻角经常在±3°以上，超过建筑设计规范中高风速下的攻角推荐值。大攻角区主要分布于强对流中心区域及走向与雷暴移动方向垂直的峡谷内。谷区和山峰区的阵风系数均呈现一定程度地增大，但谷区增幅更大。雷暴大风影响下深切峡谷区域的工程风特性参数的不均匀性和特殊性，可为工程抗风设计和风险评估提供科学依据。