地形對(duì)降水影響的觀測與數(shù)值模擬

地形對(duì)降水影響的觀測與數(shù)值模擬

降水空間差異的形成，不僅與氣候?qū)W的物理過程密切相關(guān)，而且與地理環(huán)境等因素密切相關(guān)。根據(jù)不同的陸地形態(tài)，如大青藏高原和落基山脈、中尺度太行山脈和小比例尺南方山脈，對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了不同的動(dòng)力和熱量效應(yīng)。很多氣象學(xué)者還就地形對(duì)降水的影響進(jìn)行了大量觀測和數(shù)值模擬研究。近年來,中小尺度地形對(duì)降水,尤其是對(duì)對(duì)流降水的影響越來越受到氣象學(xué)家的關(guān)注,中小尺度地形通常對(duì)降水中心的落區(qū)、落點(diǎn)有著顯著的影響。周祖剛等指出,“兩湖”地區(qū)中尺度地形對(duì)“兩湖”氣旋的生成、發(fā)展有重要作用。同時(shí),暴雨洪澇及其引發(fā)的滑坡、泥石流等次生災(zāi)害不僅與降水量有關(guān),還與降水強(qiáng)度關(guān)系密切,為了規(guī)劃防災(zāi)抗災(zāi)和水利工程工作,政府部門迫切需要了解當(dāng)?shù)赜陱?qiáng)的分布特點(diǎn)以及最大降水強(qiáng)度值。岳陽位于湖南省東北部,北濱萬里長江,西抱洞庭湖,東倚幕阜山,納四水吞長江,地理?xiàng)l件獨(dú)特。東部山丘區(qū)山多、峰高、谷深、坡陡、平地少、水面小,自然條件具有明顯的垂直地帶性。中部丘崗區(qū)由高崗地向低崗地逐漸過渡,垅崗、淺切谷相間分布,地表起伏不大。西部平原區(qū)位于濱湖沿江地帶。獨(dú)特的水陸分布、地理特征和季節(jié)變化相結(jié)合,造成很多極端天氣氣候事件。本文選取岳陽具有典型中小尺度地形條件影響下的降水資料,揭示中小尺度地形對(duì)降水影響的若干事實(shí),為降水落區(qū)預(yù)報(bào)實(shí)踐和地形對(duì)降水影響的理論研究提供觀測依據(jù)。1內(nèi)部控制信息a報(bào)表使用的降水資料來源于岳陽市氣象局所轄的華容、岳陽、臨湘和平江氣象站A報(bào)表,站點(diǎn)基本信息見表1。由于2005年1月1日開始使用OSSMO-2004版測報(bào)業(yè)務(wù)新軟件,且基本站和一般站均開始有小時(shí)降水量記錄,故本文所用月、日和小時(shí)降水量資料時(shí)段均為2005~2011年。2臨湘地理單元華容縣地勢北高南低,北部為低山丘陵區(qū),間有溪谷平原,中南部丘崗隆起,東西低平開闊,微向東洞庭湖傾斜。華容氣象站位于中部平原,東洞庭湖西側(cè),地勢較低。岳陽氣象站是湖南唯一的濱湖氣象站,位于東洞庭湖濱湖。臨湘市北低南高,山湖交融,北臨長江,西傍洞庭,中部丘崗連綿,東南緊鄰藥菇山(主峰海拔1261m)、大云山(主峰海拔911m),群峰起伏。臨湘氣象站位于中部偏西地區(qū),是3個(gè)氣象站中地勢最高的氣象站。因此,華容、岳陽和臨湘緯度非常接近,經(jīng)度也差別不大,但地形特征不同。平江縣地勢東南部和東北部高,西南部低,以山地和丘陵為主,其中,連云山和幕阜山主峰海拔高度分別為1600m和1596m,平江氣象站位于中部略靠西南的地區(qū),地勢較高,與臨湘氣象站的經(jīng)度雖然較接近,僅緯度有一定差別,但地形特征存在明顯差異。3地形對(duì)降水的影響3.1年、月降水量特征表2中,因地理位置相對(duì)較近,為了分析降水日數(shù)的差別,將降水日數(shù)統(tǒng)計(jì)到小數(shù)點(diǎn)后一位,平均降水量和降水日數(shù)均為2005~2011年的平均值。4個(gè)氣象站點(diǎn)中,臨湘年平均降水量最多,其次為平江,華容最少。其中,臨湘較平江多59.5mm,較華容多268.8mm。各月平均降水量最多的站點(diǎn)基本出現(xiàn)在臨湘和平江,僅10月華容降水量最多。各月平均降水量最少的站點(diǎn)大多出現(xiàn)在華容,僅5月和10月出現(xiàn)在平江、7月和8月出現(xiàn)在岳陽。12個(gè)月中,臨湘月平均降水量有5個(gè)月為4個(gè)站點(diǎn)中最多,7個(gè)月為次多。平江月平均降水量有6個(gè)月為4個(gè)站點(diǎn)中最多,2個(gè)月為次多,2個(gè)月最少。華容月平均降水量有8個(gè)月為4個(gè)站點(diǎn)中最少,3個(gè)月為次少,1個(gè)月最多。年降水日數(shù)臨湘最多,其次為平江,華容最少,其中臨湘較平江多1d,較華容多13d。各月降水日數(shù)最多的站點(diǎn)也基本出現(xiàn)在平江和臨湘,僅10月和11月岳陽降水日數(shù)最多;各月平均降水日數(shù)最少的站點(diǎn)有6個(gè)月出現(xiàn)在華容,3個(gè)月出現(xiàn)在岳陽,3個(gè)月出現(xiàn)在平江。12個(gè)月中,臨湘月降水日數(shù)有4個(gè)月為4個(gè)站點(diǎn)中最多,6個(gè)月為次多。平江月降水日數(shù)有6個(gè)月為4個(gè)站點(diǎn)中最多,2個(gè)月為次多,3個(gè)月最少。華容月降水日數(shù)有6個(gè)月為4個(gè)站點(diǎn)中最少,3個(gè)月為次少。因此,從年、月平均降水量及降水日數(shù)來看,基本以臨湘和平江為多,華容最少?？梢?中小尺度地形對(duì)降水量和降水日數(shù)的影響不容忽視,中小尺度地形影響下的區(qū)域降水量和降水日數(shù)增加。3.2中小尺度區(qū)域日極端降水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,為188.7mm,出現(xiàn)在臨湘。其次為2011年6月10日,降水量為167.7mm,也出現(xiàn)在臨湘。2010年6月19日平江降水量為152.6mm,位列日降水量第三。因此,中小尺度地形影響下的區(qū)域容易出現(xiàn)日極端降水。表3中,2005~2011年4個(gè)氣象站的14個(gè)時(shí)段最大降水量中,有10個(gè)時(shí)段臨湘最大,3個(gè)時(shí)段平江最大,1個(gè)時(shí)段岳陽最大。14個(gè)時(shí)段次大降水量中,有6個(gè)時(shí)段平江最大,3個(gè)時(shí)段臨湘最大,5個(gè)時(shí)段岳陽最大。14個(gè)時(shí)段最大降水量中,基本以華容為最小。從90~1440min最大降水量中,均以臨湘最大,120~240min岳陽次大,360~1440min以平江為次大。可見,在不同時(shí)段的最大降水量中可以看出,臨湘降水強(qiáng)度最大,平江次之,華容最小。因此,從同樣的天氣氣候背景下,極端降水往往受中小尺度地形影響.3.3降水量時(shí)數(shù)的測算2005~2011年1h降水量在60mm以上有2次,均出現(xiàn)在臨湘,其中,2011年6月29日17:00降水量最大,為68.7mm,其次為6月10日00:00,降水量為68.1mm。1h降水量在50~60mm量級(jí)僅在華容出現(xiàn)過1次,時(shí)間為2006年6月22日20:00,降水量為53.5mm,因此,本文主要分析1h降水量為1,5,10mm和25mm以上量級(jí)的降水強(qiáng)度。降水量級(jí)為1mm以上平均降水量,即為2005~2011年間,1h降水量中略去了所有1h降水量小于1mm降水量之后的算術(shù)平均降水量,降水時(shí)數(shù)為降水量級(jí)在1mm以上的小時(shí)次數(shù)之和(下同)。表4中,各量級(jí)以上平均降水量均以臨湘為最大,華容最小,1,5,10mm和25mm以上降水量級(jí)最大和最小平均降水量差值分別為0.5,1.6,1.9mm和1.8mm。各量級(jí)以上降水時(shí)數(shù)以臨湘和平江最多,華容最少,1,5,10mm和25mm以上降水量級(jí)最多和最少降水時(shí)數(shù)差值分別為278,95,58d和13d?？梢?臨湘降水強(qiáng)度最大,華容最小,臨湘和平江降水時(shí)間較多,華容最少。因此,中小尺度地形對(duì)降水強(qiáng)度和降水持續(xù)時(shí)間產(chǎn)生影響,加劇該區(qū)域降水強(qiáng)度,并使降水持續(xù)時(shí)間延長。3.4降水量特征及標(biāo)準(zhǔn)差分析2005~2011年1h降水量超過1mm的量級(jí)在1d中各時(shí)次出現(xiàn)幾率波動(dòng)幅度較小,華容17:00、岳陽21:00、臨湘和平江22:00最小,為2.8%~3.0%,華容05:00~10:00、岳陽05:00~08:00、臨湘06:00~08:00、平江06:00~07:00最大,為5.0%~6.2%;1h降水量超過5mm的量級(jí)在1d中各時(shí)次出現(xiàn)幾率波動(dòng)幅度加大,最小幾率出現(xiàn)時(shí)段為華容18:00~19:00(1.8%)、岳陽14:00(1.9%)、臨湘09:00(2.4%)、平江24:00(2.0%),華容05:00~09:00(6.3%~6.9%)、岳陽06:00~08:00時(shí)(6.6~8.8%)、臨湘06:00~07:00(7.0%~7.3%)、平江07:00(7.1%)幾率最大,均超過6%;1h降水量超過10mm的量級(jí)在1d中各時(shí)次出現(xiàn)幾率波動(dòng)幅度最大,最小幾率出現(xiàn)時(shí)段比較分散,華容04:00、10:00、12:00、19:00均為1.2%,岳陽03:00、10:00、13:00均為1.8%,臨湘09:00為1.4%,平江21:00為0.8%;最大幾率為8.0%以上的時(shí)段為華容03:00和08:00(10.0%)、岳陽07:00(8.0%)、臨湘07:00(8.3%)、平江06:00(9.4%)。從以上分析可知,1h降水量在1d中各時(shí)次出現(xiàn)幾率中,量級(jí)越大波動(dòng)幅度越大,量級(jí)越小波動(dòng)幅度越小,且各量級(jí)在06:00~08:00前后降水幾率最大。2005~2011年1h降水量超過25mm的量級(jí)中,因次數(shù)較少,不做幾率統(tǒng)計(jì)。華容、岳陽、臨湘和平江分別為11次、19次、23次和24次,華容03:00、平江09:00均出現(xiàn)3次,其他時(shí)段均出現(xiàn)0~2次。標(biāo)準(zhǔn)差反映了數(shù)據(jù)相對(duì)于平均值的離散程度。1h降水量超過1mm的量級(jí)在1d中分布幾率的標(biāo)準(zhǔn)差,華容、岳陽、臨湘和平江分別為1.0%,0.9%,0.7%和0.6%;超過5mm量級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.5%,1.6%,1.2%和1.3%;超過10mm的量級(jí)標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.5%,1.6%,1.9%和2.0%;超過25mm的量級(jí)標(biāo)準(zhǔn)差分別為6.6%,4.1%,3.5%和3.9%。因此,1小時(shí)降水量超過1mm和5mm的量級(jí)在1d中的分布華容和岳陽相對(duì)離散,臨湘和平江相對(duì)集中,而超過10mm量級(jí)在1d中的分布華容離散度最大,岳陽最為集中,超過25mm量級(jí)在1d中的分布華容離散度最大,臨湘最為集中。總體來說,1h降水量在1d中各時(shí)次分布華容最為離散,岳陽次之,臨湘和平江比較集中,且量級(jí)越大越離散,越小越集中。因此,中小尺度地形對(duì)降水的時(shí)間分布產(chǎn)生影響,使降水在1d的時(shí)間分布更加集中。3.5典型案例與原因分析3.5.11年5月5日華容、岳陽、臨湘和東南角氣象站降水特征2011年6月9日晚至10日凌晨,一場特大暴雨突襲臨湘市,其中賀畈鄉(xiāng)6月10日01:00~07:00降水量為267.3mm,強(qiáng)降雨引發(fā)特大山洪泥石流災(zāi)害,詹橋鎮(zhèn)觀山村毛家組30多戶人家,有24戶被泥石流吞噬,造成20人死亡、8人失蹤。2011年1~5月,4個(gè)氣象站總降水量均偏少5~6成,其中臨湘站總降水量僅292.7mm,較歷年偏少57%。6月10日,華容、岳陽、臨湘和平江氣象站降水量(20:00至次日20:00)分別為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的岳陽和臨湘。表5中,雨團(tuán)9日22:00從位于東洞庭湖西部的華容開始,東移至洞庭湖畔的岳陽加強(qiáng),至臨湘明顯增幅,這種狀況一直維持到10日05:00,1h降水量均以臨湘為最大。3.5.2暴雨發(fā)生的湖陸效應(yīng)分析地形與降雨的關(guān)系很密切,在同樣的天氣氣候背景下,迎風(fēng)坡由于動(dòng)力強(qiáng)迫抬升、局地輻合輻散及降雨微物理作用,降雨強(qiáng)度要比其他地區(qū)偏大。此次過程的落區(qū)主要位于洞庭湖東北部到東部山區(qū)的臨湘市和岳陽縣一帶,6月9日20:00~10日08:00,臨湘市賀畈鄉(xiāng)、羊樓司鎮(zhèn)、桃林鎮(zhèn)、長塘鎮(zhèn)、定湖鎮(zhèn)、忠防水庫、桃礦、團(tuán)灣水庫、源潭鎮(zhèn)、岳陽縣相思鄉(xiāng)、月田鎮(zhèn)降水量均達(dá)200mm以上,其中賀畈鄉(xiāng)、羊樓司鎮(zhèn)、相思鄉(xiāng)、月田鎮(zhèn)達(dá)250mm以上,地形強(qiáng)迫抬升在這次特大暴雨過程中起了明顯的增幅作用。由于湖、陸地表性質(zhì)不同,夏季容易形成湖陸溫差(湖陸鋒)。岳陽氣象站位于洞庭湖東畔,臨湘氣象站位于岳陽東北側(cè),相距50km,5~8月14:00,臨湘站比岳陽站高0℃~0.5℃,在暴雨發(fā)生前的1~2d,溫差達(dá)1℃以上,最大可達(dá)6℃以上,這種湖陸鋒在高空槽前西南氣流引導(dǎo)下,逐漸向東北發(fā)展,成為臨湘暴雨的一種觸發(fā)機(jī)制。這種溫差使暖區(qū)空氣上升,冷區(qū)空氣下沉,形成小型垂直環(huán)流,白天(09:00~18:00)風(fēng)從湖面吹向陸地,持續(xù)約9h,