松嫩流域兩類降水過程中地形作用的數(shù)值試驗研究

1、松嫩流域兩類降水過程中地形作用的數(shù)值試驗研究白人海 殷世平（黑龍江省天氣氣候開放實驗室，哈爾濱，150030）摘 要：降水過程中的地形影響長期以來已經(jīng)得到廣泛地關注，松嫩流域的地形對降水落區(qū)和強度的改變已有一些相應的分析，但是多集中在天氣分析方面。本文利用黑龍江省中尺度數(shù)值預報業(yè)務系統(tǒng)對兩次暴雨個例進行了數(shù)值模擬和試驗。試驗采取降低地形高度和去掉地形兩種方式。實驗結果表明，降低高度后產(chǎn)生的影響不大，而沒有地形時的結果與實況和數(shù)值模擬的結果有明顯的區(qū)別；大興安嶺和小興安嶺的影響非常明顯，地形的作用主要表現(xiàn)在對氣流的抬升作用和阻擋作用。這個試驗對預報主要降水的落區(qū)和強度有一定的指導意義。1 引 言

2、行星大氣中的地形作用是氣象工作者廣泛關注的問題之一，其中又以地形對降水增減幅作用的研究更為重要。作者在20世紀80年代分析黑龍江省暴雨落區(qū)的集中位置時指出平原地區(qū)較少，而北部小興安嶺的腹地或邊緣和東部張廣才嶺的邊緣等地較多1；對于這個結論，謝安等對黑龍江省暴雨中心伊春的地形進行了數(shù)值試驗，指出地形的抬升和繞流作用形成的地形強迫作用會導致在近地面層中有中尺度地形幅合帶產(chǎn)生，暴雨中心往往與之相聯(lián)系2。章名立在討論地形對暴雨的影響時指出，地形對降水的增幅作用主要是迎風坡的抬升、喇叭口對氣流的幅合、地形切變線等3。范廣洲等用NCAR-RegCM2模式對華北地區(qū)夏季降水中的地形作用進行了數(shù)值模擬，指出華

3、北西部和北部的山脈對降水有重要的作用，降低高度后降水明顯減少4。本文將利用美國PSU/NCAR研制的中尺度數(shù)值模式MM5為試驗手段，對發(fā)生在松嫩流域兩次不同特點天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的降水過程，進行地形作用的數(shù)值試驗，討論地形對降水量的增減幅作用。2 數(shù)值試驗方案設計試驗以黑龍江省中尺度數(shù)值預報業(yè)務系統(tǒng)為主要平臺。所用的中尺度模式為MM5 V3-4，資助項目：本文得到黑龍江省天氣氣候開放實驗室氣開字2001第01號項目資助第一作者簡介：白人海(1944-)，男，四川省成都市人，北京大學，本科生，研究員.分辨率為15km×15km，水平格點數(shù)88×82，覆蓋面積1305km×

4、1215km，包括中國東北地區(qū)的中北部。模式采用兩層嵌套，并以國家氣象中心T213產(chǎn)品為初始場和6小時一次預報結果為側邊界。模式系統(tǒng)的詳細情況見文獻5。模式地形呈向南開口的坡狀，西部為大興安嶺，北部為小興安嶺，東部為張廣才嶺、老爺嶺和長白山。地形高度不超過2000m，絕大部分在1000m以下。為研究地形對降水的影響，設計了3種方案。試驗1是控制試驗(以下簡稱CTL)，采用模式地形進行積分做48小時的預報；試驗2是將試驗模式地形的高度控制在500m以內(nèi)，即高度超過500m的格點均降為500m，其他不變；試驗3是將試驗模式地形的高度控制在50m以內(nèi)，即高度超過50m的格點均降為50m，其他不變。除

5、地形高度予以改變外，其他參數(shù)均不變化。3 兩類降水過程個例選取2002年8月22日和2005年7月28日兩個降水過程進行試驗。這兩個天氣系統(tǒng)的主要差別在于前者是自西向東移動的，而后者的位置是穩(wěn)定的。3.1 移動型天氣系統(tǒng)2002年8月2124日松嫩流域自西向東先后出現(xiàn)一次暴雨過程，其中22日有10個站24小時(21日08時至22日08時，北京時，以下同)降水量達到暴雨標準。主要降水區(qū)在黑龍江省和吉林省的中部形成一個西南東北向長的帶狀，包括黑龍江省齊齊哈爾市東部、綏化市北部、哈爾濱市東部、伊春市南部、佳木斯市西部和吉林省的長春、吉林、松源和白城市等地。最大降水出現(xiàn)在綏棱縣，為89.3mm。23日

6、主要降水區(qū)向東移動，暴雨出現(xiàn)在伊春市中部、佳木斯市西部和七臺河市。七臺河市24小時降水量達到78.1mm。吉林省也有降水，尤其是北部地區(qū)較大。圖1a是8月21日500hPa高度平均圖，從圖中可以清楚地看到歐亞大陸中高緯度環(huán)流平直有弱的冷槽向東移動，移動過程中逐漸加深。對應地面低壓也向東移動，造成松嫩流域自西向東的一次降水過程(圖1b)。根據(jù)降水系統(tǒng)的移動路徑可知是先翻越大興安嶺，進入松嫩平原，然后又跨越張廣才嶺、老爺嶺和長白山向東移出，是一次典型的移動性天氣系統(tǒng)。圖1 2002年8月21日500hPa高度平均圖(a)和海平面氣壓平均圖(b)(圖中A、B、C分別為21、22、23日低壓中心的位置

7、。資料來源于NOAA-CIRES/Climate Diagnostics Center，數(shù)據(jù)為1天4次的平均值)3.2 冷渦天氣系統(tǒng)2005年7月下旬松嫩流域受冷渦的影響連續(xù)出現(xiàn)較大降水，其中2730日為一個明顯降水階段，主要降水落區(qū)穩(wěn)定少動。降水最大的29日有7個站達到暴雨標準，主要位于東部的伊春市、鶴崗市、中部的綏化市中部和西部的齊齊哈爾市、大慶市的南部，暴雨中心鶴崗市24小時的降水量達到153.8mm。吉林省中西部降水較大。圖2a是7月28日500hPa高度平均圖，亞洲大陸為兩槽一脊形勢。貝加爾湖有一個減弱的阻塞高壓，巴爾喀什湖以北和中國東北為低渦控制。對應地面上，中國東北有由東亞沿海向

8、北伸出的倒槽，低壓中心一直維持在45°N、125°E附近(圖2b)，造成長時間的持續(xù)降水。圖2 2005年7月28日500hPa高度平均圖(a)和海平面氣壓平均圖(b)(說明同圖1)4 數(shù)值試驗結果分析 MM5對松嫩流域降水預報的能力在相關文獻中已有詳細分析67，這里僅簡要說明一下，不再對CTL的試驗結果進行分析。文獻分析認為：中尺度數(shù)值預報模式對松嫩流域降水過程的預報在開始結束時間、落區(qū)和強度方面都有相當?shù)膮⒖純r值；晴雨和降水的總體Ts評分分別可以達到0.7和0.5，48小時比24小時預報僅平均下降0.05。因此，可以認為CTL的試驗結果是令人滿意的。4.1 地形對降水的

9、影響分兩類天氣類型討論地形對降水的影響。4.1.1 移動型圖3分別給出以2002年8月21日12時為初始場的1224小時和2436小時的降水預報試驗結果。CTL的1224小時和2436小時降水預報效果都比較好，主要降水的落區(qū)與實況接近(圖3a、b、c、d)。試驗2與CTL的差別不大(圖略)。試驗3的1224小時降水預報與CTL有一定的差別(圖3e)。主要表現(xiàn)在：松嫩流域的西部，南邊降水增加北部降水減少；中東部降水落區(qū)向北移動了23個緯度，并且東部降水明顯增加。試驗3的2436小時降水預報與CTL也有一定的差別(圖3f)。主要表現(xiàn)在：松嫩流域的西南部降水增加；中部降水也明顯增加；東部降水落區(qū)向東

10、北移動12個緯度。降水區(qū)域發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)的趨勢。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)圖3 2002年8月21日移動型個例a. 1224小時降水實況(國內(nèi)部分，以下同)b. 2436小時降水實況cCTL的1224小時降水預報(色標為1、3、5、10、15、25mm)dCTL的2436小時降水預報e試驗3的1224小時降水預報f試驗3的2436小時降水預報4.1.2 冷渦型圖4分別給出以2005年7月27日12時為初始場的2436小時的降水預報試驗結果和相應時間的實況。從圖4a、b可以看出，CTL的預報結果與實況很接近，位于吉林省、黑龍江省西部交界(白城市北部、松原市北部、齊齊哈爾市南

11、部、大慶市南部等地，低渦中心西北部的第四象限)、黑龍江省中南部(綏化市)和中北部(伊春市、鶴崗市)等地的主要降水區(qū)域(位于低渦中心附近和第一象限的切變線上)都能夠?qū)Ｔ囼?的結果與CTL比較基本一致(圖4c)。兩處不大的差別分別主要是是：原來位于吉林省西部的主要降水區(qū)向南擴大了；位于黑龍江省中北部的降水范圍也略向南壓縮了。試驗3的結果與CTL比較差別較大(圖4d)。圍繞低渦中心附近西南方的主要降水區(qū)顯著向東南移動；原來位于切變線的降水明顯減少并向西北方旋轉(zhuǎn)移動；原來吉林省和黑龍江省西端降水空白地帶出現(xiàn)狹長的較強降水帶，并在內(nèi)蒙古自治區(qū)沿大興安嶺出現(xiàn)另一條降水帶。 (a) (b) (c) (d

12、)圖4 2005年7月28日冷渦型個例a2436小時降水實況bCTL的2436小時降水預報c試驗2的2436小時降水預報d試驗3的2436小時降水預報 以上結果表明地形存在與否對某些地方的降水確實是有一定影響的。4.2 地形作用的物理機制地形對降水的影響可以有兩方面的作用，一是動力作用，二是熱力作用。熱力作用包括同期作用和滯后作用，最典型的是關于青藏高原對天氣氣候影響的研究。在本例研究中，由于地表熱源的變化率相當小，故不作為研究的重點。集中討論地形對降水的動力作用影響，且以阻擋作用，即對氣流三維方向的改變?yōu)橹鳌?.2.1 地形抬升和下沉對垂直運動的影響 當氣流遇到山脈時受到機械抬升，在迎風坡上

13、造成上升運動，在背風坡上造成下沉運動。如果氣流到達山脈之前的水平速度為v，山脈的坡度為tg ，風向與山脈的法線方向的交角為，則因抬升而造成的上升運動為 v cos tg 。這個關系說明地形抬升作用取決于風速大小、風向與山脈走向正交程度和山脈坡度等三個因素8。計算區(qū)域的西部為南北走向的大興安嶺山脈，當西風氣流跨越大興安嶺時，在西側迎風坡地形的抬升作用會使上升運動加強；在背風坡上氣流下沉會使上升運動減弱。這個作用在2002年8月21日1224小時的數(shù)值試驗中表現(xiàn)得很明顯。圖5中西南部偏西氣流(圖中標記A附近)翻越大興安嶺時產(chǎn)生地形的抬升，因此造成圖3c中這一帶迎風坡降水很明顯，而背風坡降水很少。將

14、地形高度去掉后即試驗3的結果就沒有這種現(xiàn)象出現(xiàn)(圖3e)。上述大興安嶺山脈對西風氣流抬升作用所引起的降水分布變化，對松嫩流域西部地區(qū)降水的影響很大，造成齊齊哈爾、白城等地經(jīng)常出現(xiàn)干旱現(xiàn)象。圖5 地面流場2002年8月21日18時預報結果4.2.2 對氣流的阻擋作用地形對氣流不僅有抬升作用，而且還會有阻擋作用，并影響系統(tǒng)的移動。在試驗的兩例中都有顯著的表現(xiàn)。2002年8月21日個例地面低壓中心位于計算區(qū)域中南部，位置相對穩(wěn)定，氣流逆時針繞中心旋轉(zhuǎn)。對比圖3c和e、d和f的東部雨區(qū)范圍，可以看出由于小興安嶺的對氣流的阻擋(圖5標記B附近)，沒有地形時雨區(qū)北部邊界大約向北推進12個緯度。同樣，200

15、5年7月27日個例中，雨區(qū)的西北方向也有因為大興安嶺和小興安嶺的阻擋，雨區(qū)的邊界要比沒有地形時向后大約退縮200km。5 討論影響降水的因素很多，地形的作用僅是其中的一個，這一點已經(jīng)被理論和實踐充分證明了。本文應用中尺度數(shù)值模式對兩個日常業(yè)務中的個例進行分析的結果也充分說明了這一點。但是，地形的作用會因為每一次影響系統(tǒng)的差異會有不同的表現(xiàn)，特別是移動的路徑很關鍵，實時預報服務時應當慎重分析。參考文獻：1 白人海、郭家林.黑龍江省暴雨的季節(jié)變化及地形的影響.黑龍江氣象科技，1984.1:15-172 謝安、白人海.關于地形繞流作用的數(shù)值模擬.北京大學學報(自然科學版)，1995,31(1):77-833 章名立.地形對暴雨的影響.暴雨文集，吉林人民出版社，長春，1978，58-644 范廣州、呂世華.地形對華北