松嫩流域两类降水过程中地形作用的数值试验研究

1、松嫩流域两类降水过程中地形作用的数值试验研究白人海 殷世平（黑龙江省天气气候开放实验室，哈尔滨，150030）摘 要：降水过程中的地形影响长期以来已经得到广泛地关注，松嫩流域的地形对降水落区和强度的改变已有一些相应的分析，但是多集中在天气分析方面。本文利用黑龙江省中尺度数值预报业务系统对两次暴雨个例进行了数值模拟和试验。试验采取降低地形高度和去掉地形两种方式。实验结果表明，降低高度后产生的影响不大，而没有地形时的结果与实况和数值模拟的结果有明显的区别；大兴安岭和小兴安岭的影响非常明显，地形的作用主要表现在对气流的抬升作用和阻挡作用。这个试验对预报主要降水的落区和强度有一定的指导意义。1 引 言

2、行星大气中的地形作用是气象工作者广泛关注的问题之一，其中又以地形对降水增减幅作用的研究更为重要。作者在20世纪80年代分析黑龙江省暴雨落区的集中位置时指出平原地区较少，而北部小兴安岭的腹地或边缘和东部张广才岭的边缘等地较多1；对于这个结论，谢安等对黑龙江省暴雨中心伊春的地形进行了数值试验，指出地形的抬升和绕流作用形成的地形强迫作用会导致在近地面层中有中尺度地形幅合带产生，暴雨中心往往与之相联系2。章名立在讨论地形对暴雨的影响时指出，地形对降水的增幅作用主要是迎风坡的抬升、喇叭口对气流的幅合、地形切变线等3。范广洲等用NCAR-RegCM2模式对华北地区夏季降水中的地形作用进行了数值模拟，指出华

3、北西部和北部的山脉对降水有重要的作用，降低高度后降水明显减少4。本文将利用美国PSU/NCAR研制的中尺度数值模式MM5为试验手段，对发生在松嫩流域两次不同特点天气系统产生的降水过程，进行地形作用的数值试验，讨论地形对降水量的增减幅作用。2 数值试验方案设计试验以黑龙江省中尺度数值预报业务系统为主要平台。所用的中尺度模式为MM5 V3-4，资助项目：本文得到黑龙江省天气气候开放实验室气开字2001第01号项目资助第一作者简介：白人海(1944-)，男，四川省成都市人，北京大学，本科生，研究员.分辨率为15km×15km，水平格点数88×82，覆盖面积1305km×

4、1215km，包括中国东北地区的中北部。模式采用两层嵌套，并以国家气象中心T213产品为初始场和6小时一次预报结果为侧边界。模式系统的详细情况见文献5。模式地形呈向南开口的坡状，西部为大兴安岭，北部为小兴安岭，东部为张广才岭、老爷岭和长白山。地形高度不超过2000m，绝大部分在1000m以下。为研究地形对降水的影响，设计了3种方案。试验1是控制试验(以下简称CTL)，采用模式地形进行积分做48小时的预报；试验2是将试验模式地形的高度控制在500m以内，即高度超过500m的格点均降为500m，其他不变；试验3是将试验模式地形的高度控制在50m以内，即高度超过50m的格点均降为50m，其他不变。除

5、地形高度予以改变外，其他参数均不变化。3 两类降水过程个例选取2002年8月22日和2005年7月28日两个降水过程进行试验。这两个天气系统的主要差别在于前者是自西向东移动的，而后者的位置是稳定的。3.1 移动型天气系统2002年8月2124日松嫩流域自西向东先后出现一次暴雨过程，其中22日有10个站24小时(21日08时至22日08时，北京时，以下同)降水量达到暴雨标准。主要降水区在黑龙江省和吉林省的中部形成一个西南东北向长的带状，包括黑龙江省齐齐哈尔市东部、绥化市北部、哈尔滨市东部、伊春市南部、佳木斯市西部和吉林省的长春、吉林、松源和白城市等地。最大降水出现在绥棱县，为89.3mm。23日

6、主要降水区向东移动，暴雨出现在伊春市中部、佳木斯市西部和七台河市。七台河市24小时降水量达到78.1mm。吉林省也有降水，尤其是北部地区较大。图1a是8月21日500hPa高度平均图，从图中可以清楚地看到欧亚大陆中高纬度环流平直有弱的冷槽向东移动，移动过程中逐渐加深。对应地面低压也向东移动，造成松嫩流域自西向东的一次降水过程(图1b)。根据降水系统的移动路径可知是先翻越大兴安岭，进入松嫩平原，然后又跨越张广才岭、老爷岭和长白山向东移出，是一次典型的移动性天气系统。图1 2002年8月21日500hPa高度平均图(a)和海平面气压平均图(b)(图中A、B、C分别为21、22、23日低压中心的位置

7、。资料来源于NOAA-CIRES/Climate Diagnostics Center，数据为1天4次的平均值)3.2 冷涡天气系统2005年7月下旬松嫩流域受冷涡的影响连续出现较大降水，其中2730日为一个明显降水阶段，主要降水落区稳定少动。降水最大的29日有7个站达到暴雨标准，主要位于东部的伊春市、鹤岗市、中部的绥化市中部和西部的齐齐哈尔市、大庆市的南部，暴雨中心鹤岗市24小时的降水量达到153.8mm。吉林省中西部降水较大。图2a是7月28日500hPa高度平均图，亚洲大陆为两槽一脊形势。贝加尔湖有一个减弱的阻塞高压，巴尔喀什湖以北和中国东北为低涡控制。对应地面上，中国东北有由东亚沿海向

8、北伸出的倒槽，低压中心一直维持在45°N、125°E附近(图2b)，造成长时间的持续降水。图2 2005年7月28日500hPa高度平均图(a)和海平面气压平均图(b)(说明同图1)4 数值试验结果分析 MM5对松嫩流域降水预报的能力在相关文献中已有详细分析67，这里仅简要说明一下，不再对CTL的试验结果进行分析。文献分析认为：中尺度数值预报模式对松嫩流域降水过程的预报在开始结束时间、落区和强度方面都有相当的参考价值；晴雨和降水的总体Ts评分分别可以达到0.7和0.5，48小时比24小时预报仅平均下降0.05。因此，可以认为CTL的试验结果是令人满意的。4.1 地形对降水的

9、影响分两类天气类型讨论地形对降水的影响。4.1.1 移动型图3分别给出以2002年8月21日12时为初始场的1224小时和2436小时的降水预报试验结果。CTL的1224小时和2436小时降水预报效果都比较好，主要降水的落区与实况接近(图3a、b、c、d)。试验2与CTL的差别不大(图略)。试验3的1224小时降水预报与CTL有一定的差别(图3e)。主要表现在：松嫩流域的西部，南边降水增加北部降水减少；中东部降水落区向北移动了23个纬度，并且东部降水明显增加。试验3的2436小时降水预报与CTL也有一定的差别(图3f)。主要表现在：松嫩流域的西南部降水增加；中部降水也明显增加；东部降水落区向东

10、北移动12个纬度。降水区域发生逆时针旋转的趋势。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)图3 2002年8月21日移动型个例a. 1224小时降水实况(国内部分，以下同)b. 2436小时降水实况cCTL的1224小时降水预报(色标为1、3、5、10、15、25mm)dCTL的2436小时降水预报e试验3的1224小时降水预报f试验3的2436小时降水预报4.1.2 冷涡型图4分别给出以2005年7月27日12时为初始场的2436小时的降水预报试验结果和相应时间的实况。从图4a、b可以看出，CTL的预报结果与实况很接近，位于吉林省、黑龙江省西部交界(白城市北部、松原市北部、齐齐哈尔市南

11、部、大庆市南部等地，低涡中心西北部的第四象限)、黑龙江省中南部(绥化市)和中北部(伊春市、鹤岗市)等地的主要降水区域(位于低涡中心附近和第一象限的切变线上)都能够对应。试验2的结果与CTL比较基本一致(图4c)。两处不大的差别分别主要是是：原来位于吉林省西部的主要降水区向南扩大了；位于黑龙江省中北部的降水范围也略向南压缩了。试验3的结果与CTL比较差别较大(图4d)。围绕低涡中心附近西南方的主要降水区显著向东南移动；原来位于切变线的降水明显减少并向西北方旋转移动；原来吉林省和黑龙江省西端降水空白地带出现狭长的较强降水带，并在内蒙古自治区沿大兴安岭出现另一条降水带。 (a) (b) (c) (d

12、)图4 2005年7月28日冷涡型个例a2436小时降水实况bCTL的2436小时降水预报c试验2的2436小时降水预报d试验3的2436小时降水预报 以上结果表明地形存在与否对某些地方的降水确实是有一定影响的。4.2 地形作用的物理机制地形对降水的影响可以有两方面的作用，一是动力作用，二是热力作用。热力作用包括同期作用和滞后作用，最典型的是关于青藏高原对天气气候影响的研究。在本例研究中，由于地表热源的变化率相当小，故不作为研究的重点。集中讨论地形对降水的动力作用影响，且以阻挡作用，即对气流三维方向的改变为主。4.2.1 地形抬升和下沉对垂直运动的影响 当气流遇到山脉时受到机械抬升，在迎风坡上

13、造成上升运动，在背风坡上造成下沉运动。如果气流到达山脉之前的水平速度为v，山脉的坡度为tg ，风向与山脉的法线方向的交角为，则因抬升而造成的上升运动为 v cos tg 。这个关系说明地形抬升作用取决于风速大小、风向与山脉走向正交程度和山脉坡度等三个因素8。计算区域的西部为南北走向的大兴安岭山脉，当西风气流跨越大兴安岭时，在西侧迎风坡地形的抬升作用会使上升运动加强；在背风坡上气流下沉会使上升运动减弱。这个作用在2002年8月21日1224小时的数值试验中表现得很明显。图5中西南部偏西气流(图中标记A附近)翻越大兴安岭时产生地形的抬升，因此造成图3c中这一带迎风坡降水很明显，而背风坡降水很少。将

14、地形高度去掉后即试验3的结果就没有这种现象出现(图3e)。上述大兴安岭山脉对西风气流抬升作用所引起的降水分布变化，对松嫩流域西部地区降水的影响很大，造成齐齐哈尔、白城等地经常出现干旱现象。图5 地面流场2002年8月21日18时预报结果4.2.2 对气流的阻挡作用地形对气流不仅有抬升作用，而且还会有阻挡作用，并影响系统的移动。在试验的两例中都有显著的表现。2002年8月21日个例地面低压中心位于计算区域中南部，位置相对稳定，气流逆时针绕中心旋转。对比图3c和e、d和f的东部雨区范围，可以看出由于小兴安岭的对气流的阻挡(图5标记B附近)，没有地形时雨区北部边界大约向北推进12个纬度。同样，200

15、5年7月27日个例中，雨区的西北方向也有因为大兴安岭和小兴安岭的阻挡，雨区的边界要比没有地形时向后大约退缩200km。5 讨论影响降水的因素很多，地形的作用仅是其中的一个，这一点已经被理论和实践充分证明了。本文应用中尺度数值模式对两个日常业务中的个例进行分析的结果也充分说明了这一点。但是，地形的作用会因为每一次影响系统的差异会有不同的表现，特别是移动的路径很关键，实时预报服务时应当慎重分析。参考文献：1 白人海、郭家林.黑龙江省暴雨的季节变化及地形的影响.黑龙江气象科技，1984.1:15-172 谢安、白人海.关于地形绕流作用的数值模拟.北京大学学报(自然科学版)，1995,31(1):77-833 章名立.地形对暴雨的影响.暴雨文集，吉林人民出版社，长春，1978，58-644 范广州、吕世华.地形对华北