宏觀坡向對不同等級降水的影響

喬 淼, 曾 燕, 邱新法

(1.南京信息工程大學 地理與遙感學院, 南京210044; 2.江蘇省氣候中心,南京 210009; 3.南京信息工程大學 應用氣象學院, 南京210044)

降水對于人類賴以生存的自然環境具有重要的影響，是氣候、水文及洪澇干旱等自然災害研究的必要數據。降水的形成和分布伴隨著復雜的過程，除與天氣條件因素有關外，地形對降水有著極其顯著的影響。大量的觀測資料與研究表明，許多區域的降水都具有明顯的地形特征[1]。影響降水的地形因子包括海拔高度、坡向、坡度和地形形態等，其中坡向對降水的影響尤為顯著[2]。以我國新疆天山為例，位于背風坡的庫爾勒(海拔917.5 m)與位于迎風坡的烏魯木齊(海拔917.9 m)海拔基本相同，但年降水量僅為50.1 mm，與烏魯木齊277.6 mm的年降水量相差懸殊[3]。坡向不僅影響降水總量的大小，對降水日數和強度的影響也十分顯著，烏魯木齊年降水日數比庫爾勒多60.4 d，中、大雨日分別多5.7，0.8 d。

通過長期的研究，國內外學者就坡向與降水之間的關系得到了一些一致的結論。Nordo[4]于1967年發現降水的空間分布與風向和山體方位的相對位置密切相關；1979年Smith[5]提出了“迎風坡降水機制”，指出“迎風坡降水”可以使地形兩側產生非常顯著的降水差異；近年來，Renard[6]、Didier[7]等在探究降水量與地形因子的統計關系中，均采用了風向與坡向的夾角作為其中重要的影響因子。我國學者章淹[1]通過長期的觀測資料發現迎風坡對潮濕氣流具有抬升作用；傅抱璞[2]則推導出了地形抬升速度的數學模式；史嵐[8]在研究長江流域降水空間分布時，將地形抬升降水增量作為重要的因子得到了起伏地形下降水量精細化估算模型。

事實上，由于不同等級降水的水汽條件不同，復雜下墊面的熱力和動力作用具有顯著的差異[9]。比如，據文獻記載，南疆地區喀什河谷的喇叭口地形更易出現暴雨中心，而該地的小雨、中雨降水日數卻相對較少，這說明地形對不同等級的降水具有不同的影響[3]。研究表明，迎風坡地形對降水的作用主要是通過增加雨強的形式實現，而背風坡主要為減雨作用，大量的暴雨實例分析都提出了坡向對降水強度具有重要的影響[10-14]。但在以往的研究中,較多為分析坡向對多年平均降水或某次降水過程的影響程度,缺少坡向影響降水強度的系統分析與定量表達。同時，由于降水的等級強度、時空分布是由水汽與地形條件等共同作用的，故不同地貌、干濕條件下的降水也具有顯著的不同。本文根據邱新法提出的主次降水方位算法，利用地面降水觀測資料，基于不同地貌與干濕條件，定量分析宏觀坡向對于不同等級降水的影響，可為雨量定量估算中地形因子模型的建立提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 資料與處理

本文所用資料包括氣象站觀測降水數據及DEM數據。

(1) 氣象站觀測降水數據。使用全國756個常規氣象站的日降水量數據，篩選出在1961—2000年具有40 a觀測資料的臺站共553個，并按照相應的氣象標準分別統計了各站點不同等級降水的降水日數及總降水量。其中，采用中央氣象臺的降水劃分標準，將日降水量P劃分為四個等級，分別是小雨：0.1 mm≤P<10 mm；中雨：10 mm≤P<25 mm；大雨：25 mm≤P<50 mm；暴雨：P≥50 mm。

(2) DEM(Digital Elevation Model)數據。選用空間分辨率為1 km×1 km的DEM數據。在坡向影響降水的研究中，有宏觀坡向與微觀坡向之分。大地形的坡向相對固定，對降水的影響有一定規律且比較穩定；小地形的坡向則各地不同、變化無窮，其對降水的影響錯綜復雜且不穩定。因此，在研究坡向對降水的影響時，通常將宏觀坡向與微觀坡向分離，著重研究宏觀坡向對降水的影響[2]。本文采用7×7窗口對原始DEM數據進行平滑及規范化處理，提取各氣象站點宏觀坡向。坡向的取值范圍為[-181，180)，其中-181°對應平地，正南為0°，正東為-90°，正西為90°，正北為-180°。

此外，本文根據前人的研究[15-16]，利用DEM數據與計算得到的地形起伏度數據進行疊加分析，將我國的地貌形態按海拔高度和地形起伏度劃分為三個宏觀類型：平原(起伏度0～20 m)；丘陵(海拔<500 m且起伏度>20 m；海拔>500 m且起伏度為20～150 m)；山地(海拔500～800 m且起伏度>150 m；海拔>800 m)，地貌劃分結果見圖1。

圖1中國地貌類型分類圖

1.2 研究方法

受地形抬升等作用的影響，迎風坡的降水量明顯大于背風坡。傅抱璞[2]根據迎、背風坡降水差異的物理機制，提出降水時盛行風向與坡向之間的夾角是判別迎風坡與背風坡的重要標志，當其夾角的絕對值小于等于90°時為迎風坡，大于90°為背風坡。其中，降水時的盛行風向由于其多變性與不確定性，在前人的研究中多用經驗值、氣象站風向、經緯向風再分析資料替代盛行風向，但均無法直接準確地確定降水時的盛行風向，也無法系統的分析坡向與降水之間的定量關系。邱新法在前人研究的基礎上，提出了替代降水時盛行風向的普適性方法，引入主次降水方位、主次方位降水差兩個概念，直接利用地面降水觀測資料確定主次降水方位替代降水時的盛行風向，并通過主次方位降水差定量的分析坡向對降水的影響。

具體算法為[17]：對于任一氣象站，將其設定為目標氣象站，設定任意方位θi，根據氣象站所處宏觀地形的地理坡向β，可將目標氣象站周圍附近的若干氣象站分為兩組，即氣象站地理坡向β與方位角θi夾角絕對值小于等于90°的所有臺站為θi方位的迎風坡臺站，夾角絕對值大于90°的所有臺站為θi方位的背風坡臺站。考慮到我國極大部分地區水汽主要來源于東南太平洋，故將θi在[-90°，90°)(-90°對應正東，90°對應正西)半圓內按一定的間距Δ旋轉，即：

θi=-90+i·Δθi=0，1，2，3，…

(1)

統計方位θi時迎風坡臺站與背風坡臺站的平均降水量差DPi，其中平均降水量差絕對值最大者，即DPmax=max(∣DPi∣)，對應的方位即為目標氣象站的主次降水方位，由降水量大值方位指向小值方位，與水汽來源方位相一致；DPmax即為主次方位降水差，用以定量表征坡向對降水的影響程度。這里將由主次降水方位與坡向確定的迎風坡、背風坡分別稱為主、次降水坡。

高婷[17]、潘虹[18]等應用該算法，將中國月平均降水量數據計算得到的主次降水方位分別與FNL盛行風向和地方氣候專著進行了對比分析，表明主次降水方位宏觀分布與FNL盛行風向基本吻合，且區域上更能反映各地降水的氣候特征。證明該算法可行，結果可靠。

為分析坡向對不同等級降水的影響，本文利用氣象站不同等級降水日數與降水總量數據替代平均降水量應用于該算法中，提出主次方位降水日數差與主次方位降水總量差，結合坡向影響系數定量的表達坡向對不同等級降水的影響，并對結果進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 坡向影響系數

為比較坡向對各等級降水的影響，本文利用湯懋蒼[19]提出的坡向影響系數I以評價坡向對降水的相對影響，其定義為：

(2)

式中：Pw，Pl分別為迎風坡和背風坡降水量。考慮到本文在主降水坡與次降水坡臺站數量不一定相同的情況，進行歸一化處理，改寫公式為：

(3)

式中：n1，n2分別為主降水坡、次降水坡的站點個數；Pw，Pl分別為主降水坡和次降水坡的降水日數(降水量)。坡向影響系數I代表了不同等級降水，主、次降水坡的降水日數差(降水量差)與總降水日數(總降水量)的比值，其值在0～1之間變化，I越大說明坡向對降水的影響越明顯。表1為全國不同等級降水各站點基于降水日數與降水總量的坡向影響系數均值。

表1 全國各等級降水坡向影響系數均值

比較全國基于降水日數與降水總量得到的各等級降水的坡向影響系數均值，總體趨勢一致，均為暴雨最大，大雨、中雨次之，小雨最小。由于坡向影響系數在一定程度上反映了坡向對降水分布影響的相對程度，故可以得到坡向對不同等級降水的相對影響程度為暴雨>大雨>中雨>小雨。暴雨作為一種中小尺度天氣過程，地形對暖濕氣流造成的強迫抬升，對其是有直接影響的，即當坡向與盛行風向交角較大時，暖濕氣流沿坡爬升，必然會產生上升運動，使對流加強，雨量加大，同時地形阻擋也使降水系統移速減慢，雨時延長[10]。劉裕祿等[12]分析了長期的降水實況，結果顯示當降水系統經過山脈時，因地形抬升出現了較強的擾動，使得降雨增幅，其增幅量與擾動和降水強度呈正相關，即雨強越大，地形抬升作用越明顯，這與本文通過坡向影響系數得到的定量結論一致。

此外，分別統計了位于天山和長白山的氣象站點各等級降水的坡向影響系數均值，見表2。林之光[3]在《地形降水氣候學》中提到長白山迎、背風坡降水氣候差異的特點與天山不同。天山地區由于氣候干旱，兩坡降水量均不多，山脈對降水氣候影響最大的是降水日數。但對于氣候較為濕潤的長白山，山脈影響主要表現在降水總量，兩側年降水量相差可達400 mm。結合表2可以看出，天山地區基于降水日數得到的坡向影響系數均大于基于降水總量的坡向影響系數，而長白山地區恰恰相反，說明了坡向對于天山地區降水的影響在降水日數方面更加顯著，長白山地區則是更加體現在降水總量上，這與林之光的結論是一致的。

2.2 不同地貌下坡向對不同等級降水的影響分析

為驗證主、次降水坡站點的降水日數及總量是否具有顯著差異，即坡向是否顯著影響不同等級的降水，本文采用單邊t檢驗方法檢驗計算得出的各站點主次方位降水日數差/總量差是否具有顯著性，以明確其統計意義。具體做法是[18]：按照每個站的主次降水方位，將周邊站點分為兩組，一組為主降水坡站(其坡向與主次降水方位夾角小于或等于90°)，另一組為次降水坡站(其坡向與主次降水方位夾角大于90°)，分別計算兩組臺站降水日數差/總量差的平均值與標準差，根據t檢驗計算式得到各站t統計值，查找t統計分布表，得出各站不同降水等級主次方位降水日數差/總量差的顯著性置信水平。附圖4為各等級降水主次方位降水日數差顯著性檢驗站點分布圖，通過對比可以看出，不同等級降水通過0.05及以上顯著性檢驗的站點主要分布于山地地區，如天山山脈、大興安嶺山脈、哀牢山脈等地。此外，對于地形起伏較大的平原、丘陵與山地的交界處，如塔里木盆地、東北平原的邊界地區，通過0.05及以上顯著性檢驗的站點同樣較多。而位于華北平原、東北平原中心地勢較為平坦的地區未通過0.05顯著性檢驗的站點顯著較多。

表2 天山、長白山各等級降水坡向影響系數

表3分別統計了位于平原、丘陵、山地地貌下，基于降水日數和降水總量的通過0.05及以上顯著性水平檢驗的臺站占臺站總數的百分比。此外，表4給出了不同地貌下各等級降水主次方位降水日數/總量差絕對值，其值越大，說明主、次降水坡降水日數和總量相差越大，坡向對不同等級降水的影響程度和實際產生的降水效果也越明顯。通過表3和表4可以明顯看出通過0.05及以上顯著性檢驗的站點比例與主次方位降水日數/總量差絕對值均為山地地區最大，丘陵次之，平原最小，說明在地形起伏較大的山區坡向對降水的影響較為明顯，而地勢平坦地區則影響相對較小，這與實際降水情況相符。

表3 不同地貌下主次方位降水日數差/總量差通過0.05及以上顯著性水平檢驗的站點比例 %

表4 不同地貌下各降水等級主次方位降水日數/總量差絕對值比較

2.3 不同干濕條件下坡向對不同等級降水的影響分析

表5分別統計了干旱、半干旱、半濕潤、濕潤地區的氣象站主次方位降水日數差及總量差絕對值的均值，結合附圖5不同干濕分區下各等級降水主次方位降水日數差空間分布圖，可以看出，小雨、中雨、大雨、暴雨的主次方位降水日數差大值區呈現逐漸由干旱區向濕潤區東移的現象，即小雨的大值區主要分布于干旱區，主降水坡與次降水坡年平均小雨日數相差可達40 d以上；中雨和大雨的大值區則由干旱區逐漸向半干旱區、半濕潤區移動，主降水坡與次降水坡年平均中雨、大雨日數分別相差可達8 d和6 d左右；暴雨主要分布于濕潤區，該大值區年平均暴雨日數在主、次降水坡相差約為3 d。陳明等[10]分析了不同干濕分區下坡向對暴雨降水增幅的影響，提出濕潤區與半濕潤區、半干旱區迎風坡對暴雨影響的重要差別在于前者由于氣候潮濕，大氣潛在不穩定能量多，空氣中水汽條件充沛，在一定對流過程觸發下，降水的絕對增加量相當可觀，后者則相對較弱，以至坡向對暴雨的影響顯著體現在濕潤地區，而對大雨、中雨、小雨的最大影響區域逐漸由濕潤地區向干旱地區移動。

同時，附圖5中對于不同等級的降水，哀牢山、武夷山地區都出現了區域大值，此外對于中雨的長白山脈，大雨、暴雨的大興安嶺山脈等地也都出現了區域大值。而四川盆地各等級降水均出現局部小值。這也說明了山脈對主次方位降水日數差影響顯著，翁篤鳴[20]在《山區地形氣候》中提到盆地地形始終處于氣流的下風側，由于氣流的下沉和輻散，最不利于系統性降水的形成，所以盆地降水主要是依靠熱對流過程降水，受地形影響遠不及周圍山區。

表5 不同干濕條件下各降水等級主次方位降水日數/總量差絕對值均值比較

3 結 論

(1) 通過坡向影響系數的對比，可以得到坡向對不同等級降水的相對影響程度為暴雨>大雨>中雨>小雨。

(2) 坡向對不同等級降水的影響顯著地體現在降水日數和降水總量兩個方面，但對于某些地區(如天山)在降水日數方面影響的更加顯著，而對于長白山等地則更體現在降水總量上。

(3) 坡向對不同等級降水的影響受到地貌和干濕條件的共同作用。山地地區坡向對降水的影響最為顯著，丘陵次之，平原最小。坡向對暴雨的影響顯著體現在濕潤地區，對大雨、中雨、小雨的最大影響區域則由濕潤地區逐漸向干旱地區移動。

本文基于地形抬升影響迎、背風坡降水差異的物理機制，應用主次降水方位算法得到主次方位降水日數差/總量差，通過顯著性檢驗及文獻的對比分析，該結果能夠很好的表征坡向對不同等級降水的影響，算法較可靠。但由于坡向對降水的影響十分復雜，除本文考慮較為主要的地形抬升作用外，也會受到地形摩擦、輻合等作用的影響，在今后的研究中還需進一步分析坡向對降水影響的物理機制，得到更加科學準確的定量表達。

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