基于气温链的南水北调中线工程冬季气温等级评价

摘要

寒冷区明渠冬季输水结冰是常见的自然现象。南水北调中线工程水面一旦形成冰盖其安全输水流量仅为设计流量的30%~50%,而气温是驱动冰盖形成的主要因子,如何科学评价冬季气温等级是冰期输水面临的关键问题之一。分析了沿线8座气象站1951—2021年冬季日平均气温和日最低气温数据,揭示了总干渠气温沿程和年际变化规律。基于拉格朗日质点跟踪法,结合沿线气温-水温-冰盖生成物理过程,提出了气温链概念并给出通用数学表达式。分别采用国标法、一月平均气温法和气温链法评价冬季气温等级,构建了71 a冬季气温位次。结果表明:①总干渠自南向北气温逐级下降速率为0.48℃/(100 km),保定站呈加速下降趋势,对冰盖生成贡献最大。②沿线冬季气温总体呈波动上升趋势,升温速率为0.37℃/(10 a),强暖冬出现在最近30 a,强冷冬出现在前30 a,气温的总体上升有利于减缓大范围冰盖生成。③对于冰盖生成预测,气温链法优于一月平均气温法,更优于国标法;不同时间尺度组合评价可获得更优的结果;全球持续变暖背景下,可采用一月平均气温法和北方2站6 d气温链法联合评价。④给出了北方2站6 d气温链法冬季等级的分界阈值,即强暖冬T_(C)≥-4.0℃,弱暖冬-5.7℃≤T_(C)<-4.0℃,正常-7.4℃