复杂地形对贵州夏季强降水过程的动力作用个例分析

论文总字数：17412字

目 录

1. 引言 5

2. 降水过程概述 6

2. 1 地形 6

2. 2 环流形势 9

2. 3 区域强降水过程 9

3. 模拟方案 10

4. 结果分析 11

4. 1 模拟降水分布 11

4. 2 过山气流经行山脉的动力机制 14

4.2.1 重力波破碎 14

4.2.2 气流分离 16

4.3 背风波在复杂地形下的转子机制 18

4.3.1 中尺度水平风场、流场特征 18

4.3.2 背风波型转子、水跃型转子 21

5. 总结 24

6. 讨论 24

参考文献 24

致 谢 26

复杂地形对贵州夏季强降水过程的动力作用个例分析

邵禹晨

, China

Abstract: A strong convective precipitation took place in Guizhou Changshun from day 27 to 28, August, 2015. This article discusses the dynamics mechanism of complex terrain on this heavy precipitation through meso-scale numerical model WRF. The result shows that this process is mainly affected by three terrain introduced nonlinear dynamic mechanism: gravity wave breaking, flow splitting and rotors. Gravity wave breaking and flow splitting produces turbulent flow and complex potential vorticity. And the strong convection and strong ascending motions caused by the rotors mechanism is the key to the local heavy rain in complex terrain.

Key words: Complex terrain; Dynamics; Heavy precipitation; Guizhou

1. 引言

陆地上有着从大尺度到中小尺度等各种各样的或简单或复杂的地形，大尺度地形如世界屋脊青藏高原，中小尺度地形如我国西南地区连绵起伏的山丘，都会对大气运动产生各种不同的影响，这些影响包括动力过程、热力过程以及各类复杂的微物理过程。而更为复杂的是，各类地形与各尺度的大气运动过程经常相互促进或抑制，从而以种种方式对一次次的具体降水过程造成影响。这其中，地形，尤其是中小尺度的地形对局部天气的作用是空前的，也是无法忽视的。从各类降水的气候分布上我们都可以看出其与地形的联系，特别是一些特大的灾害性暴雨天气，往往都是依靠地形的影响使得整个降水过程中的最强降水区在某一地区滞留几小时甚至十几小时而造成的，若是没有受到特殊的地形影响，也很难会发生这种强烈的局地性异常灾害性天气，至少其强度远远不会达到如此极端的程度^[1]。因此，地形作为一个降水过程中的主要影响因素，气象工作者们就不得不在预报工作中考虑、研究地形对降雨带来的影响。

承上所述，地形对天气过程尤其是降水的影响是巨大的，但同时也是复杂而多样的。不同尺度的地形对降水和天气过程有着不同方式、不同性质的作用。大尺度地形如青藏高原、落基山脉，他们可以直接影响大气运动的大尺度环流及行星波活动，从而间接地对降水的气候分布和产生降水的天气系统造成影响。它们甚至对于年季气候尺度的大气运动都有深厚的间接影响及遥相关作用，前人有许多在这方面的研究，如Bao等^[2]所研究的青藏高原异常变暖与我国西南地区冬季风暴的相关作用。而中小尺度地形的影响则往往是对于一次具体的降水天气过程，其带来的影响通常是主要而直接的。尤其是对于我国西南地区的崎岖群山，中小尺度的起伏山丘通过各种动力、热力与微物理过程促进了强对流天气的发展，使得这一类地区的降水有着很强的局地性。

中尺度地形对于这一类短时强对流强降水天气过程的影响无疑是决定性的，然而目前针对这一领域的研究尚有缺乏和不足，尤其是复杂地形对于降水的引发机制方面缺少足够的理论与实例研究。尽管如此，在地形对天气的影响上，国内外仍然有着许多卓越的研究成果。自20世纪以来，山地复杂地形气象学发展迅速，在中小尺度上尤以过山气流动力学为主，地形对气流主要的动力作用有狭管(channeling)、屏障(barrier)和强迫抬升(forced ascents)三种。20世纪四十年代，Lyra^[3]、Queney等^[4]将流体力学中均质且不可压的有限厚度绕流问题扩展，并将其表面波解应用到中小尺度气流过山的大气动力问题中；20世纪五十年代，Scorer等^[5]求出大气中一定条件限制下中小尺度过山气流的解析解，并以此为依据提出了无粘山脉波理论；20世纪后期，Smith^[6]、Durran^[7]和Baines^[8]等则深入研究了在不同大气条件下，气流经过各种孤立山峰和连绵长山脊的问题；21世纪，Tucker等^[11]通过数值模式研究认为：由于背风波可以导致气旋式涡度生成，因而比较可能产生降水天气，当风暴的长轴平行于风向时会更有利于降水天气发展。我国从20世纪50年代后期开始也逐渐开始了中小尺度山地地形这一方面的理论研究，叶笃正^[12]早在1956年就对比性地总结了背风波研究的各种理论；1964年巢纪平^[13]则初步研究了两层模式中中小尺度地形所引起的波动；1994年，傅抱璞^[22]通过计算得出，当风向与迎风坡的夹角接近0°，而迎风坡坡度接近45°时，地形对降水的影响是最大的；21世纪初，林必元等^[1]则总结性地认为山体的高度和宽度常常对地形抬升的对流云发展有着很大的影响，山的高度和坡度愈大，动力抬升作用愈强，则愈有利于强对流的发生发展；臧增亮^[26]等也提出了背风波动的三层理论模型。这些国内外的研究在地形动力性影响方面立足于线性理论，而对于近年来更受关注的非线性作用则更依赖于高时空分辨率的数值模式研究，其研究方向也逐渐由定性分析向定量预报过渡，因此针对各尺度的复杂山地地形进行高时空分辨率的研究就很有必要。

由于站点在复杂地形上的设立并不容易，在复杂地形区域站点资料也较为稀疏，在实际观测资料无法满足研究的精细要求的情况下，采用中尺度模式模拟天气过程帮助分析线性理论无法研究的地形的非线性作用就显得很有必要。为研究中尺度复杂地形对于强对流降水天气过程的影响机制，本文选取了2015年8月27日-28日贵州长顺地区的一次局地性极端强降水过程，并借助WRF中尺度模式模拟来主要分析复杂地形对局地性强对流降雨的动力影响。

2. 降水过程概述

2. 1 地形

贵州位于云贵高原的东部，其地貌多以高原山地为主，山地与丘陵面积占97%，平均海拔1100米，素有“八山一水一分田”的说法。其地势总体上西高东低，自西向东，自中向南、北三个方向倾斜，而以西部高耸的乌蒙山为贵州地势最高，而贵州整个地势正如一个倒扣的簸箕背。由于贵州崎岖起伏的陡峭山势，地形复杂且极具梯度性。贵州西部地处云贵高原，海拔高度可达2900米，是整个贵州海拔最高的地区，属于贵州海拔最高的第一梯度；而贵州的北部与中部海拔在1400米上下，尤其是北部的大娄山、武陵山，其海拔高度较中部区域还要更高一些，这部分区域与第一梯度的海拔高度差超过了1200米，属于贵州地势的第二梯度。贵州的东南部的海拔则在700-800米之间，属于贵州地势的第三梯度。而在贵州总体三个梯度的地势中，尤以第二梯度中部连绵起伏的山丘地形最为复杂，其地势在山峰的海拔上最高可超过1500米，而在河谷流域的低海拔区海拔又可以低至接近600米，岩溶中山和中低山、峰丛陆地和谷地、孤峰波地和峡谷、溶丘洼地、中低山河谷、丘陵宽谷谷地等各种地形相互倾轧，对天气过程的作用也相互影响、呼应，使得天气过程更为复杂多变，降水天气局地性极端性大大增加，也给具体研究带来了极大的挑战^[30]。

本次选取的2015年8月27日-28日的强降水过程降水最大值所在的长顺地区即属于贵州海拔的第二梯度地区，其位于贵州省中南部，黔南西部。这一块地处黔中两级剥夷向广西丘陵倾斜的斜面上，分属苗岭山系，地形极为复杂，亦可分为三个梯度。第一级梯度位于长顺北部新寨乡、种获乡、摆塘乡以北一线，多山地丘陵，地势陡峭复杂，海拔1250-1579.5米；第二级梯度则位于中坝乡南部一线，多起伏山丘，海拨1100-1400米；第三级梯度位于代化镇以东以南，海拔660-1200米，开始出现较大片河谷地区，其南部边缘格凸河谷与罗甸交界处的河边为长顺海拔最低处。同时，因为长顺北部山丘延绵崎岖、东南部靠近河谷的复杂地形，属于中亚热带季风湿润气候区的长顺相对湿度极高，年平均相对湿度达81%，冬无严寒，夏无酷暑，湿润多雨，年降水量达1300毫米，是强对流天气频繁发生发展的地段^[30]。

由图1可以较为明显的看出长顺位于涟江河谷以西的南北走向复杂连绵的群山地形中。以长顺和紫云为界的三角形地区中，是由数条低谷划分出的连绵不绝的复杂山脉区，落差从1600米到1000米，沟壑纵横，是这次过程气流行经的最为复杂的地区；以涟江河谷为界，其以东地区的山脉较涟江河谷以西的复杂山脉地形海拔更高一些，但同时也没有涟江河谷以西地区复杂小地形的复杂多变性。长顺、紫云为界的复杂山脉地形以北有一片地势较为平坦海拔约1300米-1400米的地区，是气流通过乌蒙山脉之后到达下游的尾流地区。而涟江河谷南部的罗甸地区则是整个贵州省海拔最低的地区，是多个河谷交汇的低海拔地区，海拔平均约400米，罗甸地区向东南又有陡峭的山脉阻挡，海拔直升到800-1000米。这整个长顺周边地区的地势复杂多变，可以同时产生数种地形波机制并相互影响，甚至可能还拥有一些特殊复杂小地形的独特地形波机制。而这些复杂地形机制中多以动力作用为主，其动力影响又尤以长顺与紫云为界的三角形复杂小地形地区为最，因此本文将重点分析这一地区可能蕴含的动力影响机制。

图 1 贵州中南部地区长顺周边地形图

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