地形对降水影响的观测与数值模拟

地形对降水影响的观测与数值模拟

降水空间差异的形成，不仅与气候学的物理过程密切相关，而且与地理环境等因素密切相关。根据不同的陆地形态，如大青藏高原和落基山脉、中尺度太行山脉和小比例尺南方山脉，对大气运动产生了不同的动力和热量效应。很多气象学者还就地形对降水的影响进行了大量观测和数值模拟研究。近年来,中小尺度地形对降水,尤其是对对流降水的影响越来越受到气象学家的关注,中小尺度地形通常对降水中心的落区、落点有着显著的影响。周祖刚等指出,“两湖”地区中尺度地形对“两湖”气旋的生成、发展有重要作用。同时,暴雨洪涝及其引发的滑坡、泥石流等次生灾害不仅与降水量有关,还与降水强度关系密切,为了规划防灾抗灾和水利工程工作,政府部门迫切需要了解当地雨强的分布特点以及最大降水强度值。岳阳位于湖南省东北部,北滨万里长江,西抱洞庭湖,东倚幕阜山,纳四水吞长江,地理条件独特。东部山丘区山多、峰高、谷深、坡陡、平地少、水面小,自然条件具有明显的垂直地带性。中部丘岗区由高岗地向低岗地逐渐过渡,垅岗、浅切谷相间分布,地表起伏不大。西部平原区位于滨湖沿江地带。独特的水陆分布、地理特征和季节变化相结合,造成很多极端天气气候事件。本文选取岳阳具有典型中小尺度地形条件影响下的降水资料,揭示中小尺度地形对降水影响的若干事实,为降水落区预报实践和地形对降水影响的理论研究提供观测依据。1内部控制信息a报表使用的降水资料来源于岳阳市气象局所辖的华容、岳阳、临湘和平江气象站A报表,站点基本信息见表1。由于2005年1月1日开始使用OSSMO-2004版测报业务新软件,且基本站和一般站均开始有小时降水量记录,故本文所用月、日和小时降水量资料时段均为2005~2011年。2临湘地理单元华容县地势北高南低,北部为低山丘陵区,间有溪谷平原,中南部丘岗隆起,东西低平开阔,微向东洞庭湖倾斜。华容气象站位于中部平原,东洞庭湖西侧,地势较低。岳阳气象站是湖南唯一的滨湖气象站,位于东洞庭湖滨湖。临湘市北低南高,山湖交融,北临长江,西傍洞庭,中部丘岗连绵,东南紧邻药菇山(主峰海拔1261m)、大云山(主峰海拔911m),群峰起伏。临湘气象站位于中部偏西地区,是3个气象站中地势最高的气象站。因此,华容、岳阳和临湘纬度非常接近,经度也差别不大,但地形特征不同。平江县地势东南部和东北部高,西南部低,以山地和丘陵为主,其中,连云山和幕阜山主峰海拔高度分别为1600m和1596m,平江气象站位于中部略靠西南的地区,地势较高,与临湘气象站的经度虽然较接近,仅纬度有一定差别,但地形特征存在明显差异。3地形对降水的影响3.1年、月降水量特征表2中,因地理位置相对较近,为了分析降水日数的差别,将降水日数统计到小数点后一位,平均降水量和降水日数均为2005~2011年的平均值。4个气象站点中,临湘年平均降水量最多,其次为平江,华容最少。其中,临湘较平江多59.5mm,较华容多268.8mm。各月平均降水量最多的站点基本出现在临湘和平江,仅10月华容降水量最多。各月平均降水量最少的站点大多出现在华容,仅5月和10月出现在平江、7月和8月出现在岳阳。12个月中,临湘月平均降水量有5个月为4个站点中最多,7个月为次多。平江月平均降水量有6个月为4个站点中最多,2个月为次多,2个月最少。华容月平均降水量有8个月为4个站点中最少,3个月为次少,1个月最多。年降水日数临湘最多,其次为平江,华容最少,其中临湘较平江多1d,较华容多13d。各月降水日数最多的站点也基本出现在平江和临湘,仅10月和11月岳阳降水日数最多;各月平均降水日数最少的站点有6个月出现在华容,3个月出现在岳阳,3个月出现在平江。12个月中,临湘月降水日数有4个月为4个站点中最多,6个月为次多。平江月降水日数有6个月为4个站点中最多,2个月为次多,3个月最少。华容月降水日数有6个月为4个站点中最少,3个月为次少。因此,从年、月平均降水量及降水日数来看,基本以临湘和平江为多,华容最少。可见,中小尺度地形对降水量和降水日数的影响不容忽视,中小尺度地形影响下的区域降水量和降水日数增加。3.2中小尺度区域日极端降水2005~2011年日最大降水量(20:00至次日20:00)在150mm以上有3次,其中,2010年7月9日降水量最大,为188.7mm,出现在临湘。其次为2011年6月10日,降水量为167.7mm,也出现在临湘。2010年6月19日平江降水量为152.6mm,位列日降水量第三。因此,中小尺度地形影响下的区域容易出现日极端降水。表3中,2005~2011年4个气象站的14个时段最大降水量中,有10个时段临湘最大,3个时段平江最大,1个时段岳阳最大。14个时段次大降水量中,有6个时段平江最大,3个时段临湘最大,5个时段岳阳最大。14个时段最大降水量中,基本以华容为最小。从90~1440min最大降水量中,均以临湘最大,120~240min岳阳次大,360~1440min以平江为次大。可见,在不同时段的最大降水量中可以看出,临湘降水强度最大,平江次之,华容最小。因此,从同样的天气气候背景下,极端降水往往受中小尺度地形影响.3.3降水量时数的测算2005~2011年1h降水量在60mm以上有2次,均出现在临湘,其中,2011年6月29日17:00降水量最大,为68.7mm,其次为6月10日00:00,降水量为68.1mm。1h降水量在50~60mm量级仅在华容出现过1次,时间为2006年6月22日20:00,降水量为53.5mm,因此,本文主要分析1h降水量为1,5,10mm和25mm以上量级的降水强度。降水量级为1mm以上平均降水量,即为2005~2011年间,1h降水量中略去了所有1h降水量小于1mm降水量之后的算术平均降水量,降水时数为降水量级在1mm以上的小时次数之和(下同)。表4中,各量级以上平均降水量均以临湘为最大,华容最小,1,5,10mm和25mm以上降水量级最大和最小平均降水量差值分别为0.5,1.6,1.9mm和1.8mm。各量级以上降水时数以临湘和平江最多,华容最少,1,5,10mm和25mm以上降水量级最多和最少降水时数差值分别为278,95,58d和13d。可见,临湘降水强度最大,华容最小,临湘和平江降水时间较多,华容最少。因此,中小尺度地形对降水强度和降水持续时间产生影响,加剧该区域降水强度,并使降水持续时间延长。3.4降水量特征及标准差分析2005~2011年1h降水量超过1mm的量级在1d中各时次出现几率波动幅度较小,华容17:00、岳阳21:00、临湘和平江22:00最小,为2.8%~3.0%,华容05:00~10:00、岳阳05:00~08:00、临湘06:00~08:00、平江06:00~07:00最大,为5.0%~6.2%;1h降水量超过5mm的量级在1d中各时次出现几率波动幅度加大,最小几率出现时段为华容18:00~19:00(1.8%)、岳阳14:00(1.9%)、临湘09:00(2.4%)、平江24:00(2.0%),华容05:00~09:00(6.3%~6.9%)、岳阳06:00~08:00时(6.6~8.8%)、临湘06:00~07:00(7.0%~7.3%)、平江07:00(7.1%)几率最大,均超过6%;1h降水量超过10mm的量级在1d中各时次出现几率波动幅度最大,最小几率出现时段比较分散,华容04:00、10:00、12:00、19:00均为1.2%,岳阳03:00、10:00、13:00均为1.8%,临湘09:00为1.4%,平江21:00为0.8%;最大几率为8.0%以上的时段为华容03:00和08:00(10.0%)、岳阳07:00(8.0%)、临湘07:00(8.3%)、平江06:00(9.4%)。从以上分析可知,1h降水量在1d中各时次出现几率中,量级越大波动幅度越大,量级越小波动幅度越小,且各量级在06:00~08:00前后降水几率最大。2005~2011年1h降水量超过25mm的量级中,因次数较少,不做几率统计。华容、岳阳、临湘和平江分别为11次、19次、23次和24次,华容03:00、平江09:00均出现3次,其他时段均出现0~2次。标准差反映了数据相对于平均值的离散程度。1h降水量超过1mm的量级在1d中分布几率的标准差,华容、岳阳、临湘和平江分别为1.0%,0.9%,0.7%和0.6%;超过5mm量级的标准差分别为1.5%,1.6%,1.2%和1.3%;超过10mm的量级标准差分别为2.5%,1.6%,1.9%和2.0%;超过25mm的量级标准差分别为6.6%,4.1%,3.5%和3.9%。因此,1小时降水量超过1mm和5mm的量级在1d中的分布华容和岳阳相对离散,临湘和平江相对集中,而超过10mm量级在1d中的分布华容离散度最大,岳阳最为集中,超过25mm量级在1d中的分布华容离散度最大,临湘最为集中。总体来说,1h降水量在1d中各时次分布华容最为离散,岳阳次之,临湘和平江比较集中,且量级越大越离散,越小越集中。因此,中小尺度地形对降水的时间分布产生影响,使降水在1d的时间分布更加集中。3.5典型案例与原因分析3.5.11年5月5日华容、岳阳、临湘和东南角气象站降水特征2011年6月9日晚至10日凌晨,一场特大暴雨突袭临湘市,其中贺畈乡6月10日01:00~07:00降水量为267.3mm,强降雨引发特大山洪泥石流灾害,詹桥镇观山村毛家组30多户人家,有24户被泥石流吞噬,造成20人死亡、8人失踪。2011年1~5月,4个气象站总降水量均偏少5~6成,其中临湘站总降水量仅292.7mm,较历年偏少57%。6月10日,华容、岳阳、临湘和平江气象站降水量(20:00至次日20:00)分别为15.1,145.5,167.7mm和18.4mm,降雨主要集中在6月9日23:00~10日04:00的岳阳和临湘。表5中,雨团9日22:00从位于东洞庭湖西部的华容开始,东移至洞庭湖畔的岳阳加强,至临湘明显增幅,这种状况一直维持到10日05:00,1h降水量均以临湘为最大。3.5.2暴雨发生的湖陆效应分析地形与降雨的关系很密切,在同样的天气气候背景下,迎风坡由于动力强迫抬升、局地辐合辐散及降雨微物理作用,降雨强度要比其他地区偏大。此次过程的落区主要位于洞庭湖东北部到东部山区的临湘市和岳阳县一带,6月9日20:00~10日08:00,临湘市贺畈乡、羊楼司镇、桃林镇、长塘镇、定湖镇、忠防水库、桃矿、团湾水库、源潭镇、岳阳县相思乡、月田镇降水量均达200mm以上,其中贺畈乡、羊楼司镇、相思乡、月田镇达250mm以上,地形强迫抬升在这次特大暴雨过程中起了明显的增幅作用。由于湖、陆地表性质不同,夏季容易形成湖陆温差(湖陆锋)。岳阳气象站位于洞庭湖东畔,临湘气象站位于岳阳东北侧,相距50km,5~8月14:00,临湘站比岳阳站高0℃~0.5℃,在暴雨发生前的1~2d,温差达1℃以上,最大可达6℃以上,这种湖陆锋在高空槽前西南气流引导下,逐渐向东北发展,成为临湘暴雨的一种触发机制。这种温差使暖区空气上升,冷区空气下沉,形成小型垂直环流,白天(09:00~18:00)风从湖面吹向陆地,持续约9h,