太行山地形影響下的新鄉(xiāng)市夏季降水分布特征

摘 要：為了揭示太行山復(fù)雜地形對(duì)新鄉(xiāng)市夏季降水分布的影響，本研究借助ArcGIS10.0軟件的克里金插值法、自然間斷點(diǎn)分級(jí)法等，對(duì)新鄉(xiāng)市近年來(lái)夏季平均降水量做了空間插值分析，并通過(guò)2016年7月19日的一次地形暴雨過(guò)程，具體闡述太行山地形對(duì)新鄉(xiāng)市降水落區(qū)的影響。結(jié)果表明：新鄉(xiāng)市夏季降水高值集中在西北部的太行山區(qū)，且降水量分布與地形變化呈現(xiàn)良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。地形是2016年7月19日新鄉(xiāng)市局地特大暴雨的重要觸發(fā)機(jī)制，低層?xùn)|南風(fēng)在山脈東側(cè)迎風(fēng)坡被迫抬升，大量水汽及不穩(wěn)定能量在新鄉(xiāng)市上空堆積并伴隨中尺度氣旋持續(xù)生成，地形使降水增幅明顯。本研究可以為提高新鄉(xiāng)市地形暴雨的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)服務(wù)水平提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：暴雨；落區(qū)；ArcGIS；太行山

中圖分類號(hào)：P458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170733187

引言

暴雨與地形關(guān)系密切，地形的陡然變化能夠?yàn)榇髿膺\(yùn)動(dòng)帶來(lái)不同的動(dòng)力、熱力效應(yīng)，因而時(shí)常引發(fā)天氣系統(tǒng)產(chǎn)生局部的異常天氣，給預(yù)報(bào)帶來(lái)很大難度。新鄉(xiāng)市處在太行山南麓與華北平原結(jié)合地帶，地勢(shì)自西北至東南呈階梯下降，高差顯著。由于太行山的復(fù)雜地形可明顯改變邊界層流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，因此即便在同一影響系統(tǒng)控制下，新鄉(xiāng)市各站降水量也有顯著差異。2016年7月18日22：00—19日8：00，新鄉(xiāng)市全區(qū)出現(xiàn)暴雨、局地特大暴雨，強(qiáng)降水主要集中在北部的太行山迎風(fēng)坡，最大值過(guò)程雨量357.6mm，為一次典型的地形暴雨。筆者將對(duì)新鄉(xiāng)市近年來(lái)夏季降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，借助ArcGIS10.0軟件繪制降水分布特征，并探索強(qiáng)降水局地高發(fā)的根本原因。此外，針對(duì)2016年7月19日這次典型的由地形引起的局地特大暴雨過(guò)程進(jìn)行成因分析。

1 新鄉(xiāng)市夏季降水分布特征

借助ArcGIS10.0軟件的克里金插值法、自然間斷點(diǎn)分級(jí)法等，對(duì)新鄉(xiāng)市2011—2016年夏季平均降水量進(jìn)行空間插值分析，結(jié)果如圖1所示。可見(jiàn)，跑馬嶺至寶泉水庫(kù)一線及其以北為平均降水量大于300mm的區(qū)域，且降水量自西北至東南呈遞減趨勢(shì)。將新鄉(xiāng)市DEM數(shù)據(jù)（圖2）與該降水量進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，夏季降水量高值集中在西北部太行山區(qū)，且降水量分布與地形變化呈現(xiàn)良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由此更證實(shí)，太行山復(fù)雜地形對(duì)新鄉(xiāng)市夏季降水產(chǎn)生了明顯的增幅作用。

2 地形對(duì)新鄉(xiāng)市夏季降水中的作用

太行山呈東北西南走向橫亙于新鄉(xiāng)市西北部，山區(qū)占新鄉(xiāng)市總面積的22%，復(fù)雜地形對(duì)新鄉(xiāng)市的天氣系統(tǒng)特別是暴雨有著重要影響。研究表明，地形對(duì)大氣環(huán)流及天氣氣候的主要影響可分為動(dòng)力效應(yīng)和熱力效應(yīng)[1]，下面將從這2方面展開詳細(xì)闡述。

2.1 動(dòng)力效應(yīng)

當(dāng)來(lái)自海上的暖濕不穩(wěn)定氣流向太行山東側(cè)迎風(fēng)坡吹送時(shí)，其中一部分氣流被迫抬升，產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，一部分氣流則呈不規(guī)則折向，產(chǎn)生氣旋性輻合。新鄉(xiāng)市夏季低空盛行西南風(fēng)至偏東風(fēng)，當(dāng)暖濕氣流遇到地形抬升時(shí)，常在迎風(fēng)坡形成位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)。研究表明，中尺度低渦伴隨強(qiáng)烈的水汽輻合及位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)，并具有大尺度上升運(yùn)動(dòng)，容易產(chǎn)生強(qiáng)降水。新鄉(xiāng)市地形特點(diǎn)復(fù)雜，尤其是輝縣市北部近似兩面環(huán)山的直角地形，有利于中尺度擾動(dòng)發(fā)生。當(dāng)氣流進(jìn)入該區(qū)域后，地形影響給予氣流的氣旋性曲率容易形成地形切變線，而它能為中尺度低渦或輻合線的發(fā)展創(chuàng)造有利條件[2]。

2.2 熱力效應(yīng)

地形的熱力效應(yīng)主要體現(xiàn)在2方面：由于不同下墊面受熱而產(chǎn)生的熱力對(duì)流；氣流被迫抬升時(shí)所引起大氣潛熱釋放。當(dāng)?shù)蛯哟髿獯嬖谒?、熱量集中或氣旋性輻合時(shí)，將有利于垂直環(huán)流發(fā)展。地形引發(fā)的上升運(yùn)動(dòng)雖然僅限于低層，但伴隨水汽在向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中逐漸凝結(jié)進(jìn)而釋放潛熱的機(jī)理，可導(dǎo)致中、高層大氣升溫，從而促進(jìn)垂直環(huán)流伸展更高。由于這種正反饋的作用，最終將導(dǎo)致降水出現(xiàn)顯著增幅[3-5]。新鄉(xiāng)市西北部山區(qū)在夏季夜晚常有對(duì)流回波生成，這也與地形的熱力效應(yīng)息息相關(guān)。夜晚時(shí)，地表釋放輻射能會(huì)使溫度降低，而這將導(dǎo)致迎風(fēng)坡上正的氣壓擾動(dòng)增強(qiáng)。研究表明，氣壓擾動(dòng)可以提高地形的阻塞作用，進(jìn)一步加強(qiáng)氣流在迎風(fēng)坡的被迫抬升。

3 由地形引起的一次局地特大暴雨過(guò)程分析

3.1 降水概況

2016年7月18日22：00—20日8：00，受低渦和地面氣旋東移北上共同影響，新鄉(xiāng)市普降暴雨，局地特大暴雨。其中，降水量超過(guò)100mm的共52個(gè)站點(diǎn)，超過(guò)250mm的共5個(gè)站點(diǎn)。強(qiáng)降水主要集中在北部山區(qū)，最大過(guò)程降水量357.6mm出現(xiàn)在輝縣市陳家院鄉(xiāng)。

3.2 天氣形勢(shì)分析

7月18—19日，500hPa天氣圖上東部沿海穩(wěn)定的高壓脊與北抬的副熱帶高壓相互疊加，形成穩(wěn)定的高壓壩。加之青藏高壓顯著增強(qiáng)，因此兩高之間形成對(duì)峙，逐漸切斷出低渦影響新鄉(xiāng)市。700～925hPa天氣圖上急流軸持續(xù)北抬，新鄉(xiāng)市位于東南風(fēng)急流最大風(fēng)速中心前方，與太行山走向接近正交的暖濕氣流源源不斷向其東側(cè)迎風(fēng)坡吹送。

3.3 地面中尺度分析

由于中低空較強(qiáng)暖濕氣流向北輸送，促使地面圖上四川東部至河南西部的黃淮暖倒槽發(fā)展。18日夜間，地面暖倒槽頂部到達(dá)河北南部，從地面中尺度分析圖上（圖3a）可以發(fā)現(xiàn)，自河北有偏北風(fēng)攜帶弱冷空氣擴(kuò)散至豫北，與盛行的偏東風(fēng)在新鄉(xiāng)市東部交匯，形成一條輻合線。太行山沿線露點(diǎn)溫度相差約5℃，兩側(cè)干濕分布不均易導(dǎo)致大氣層結(jié)不穩(wěn)定。加之925hPa的10m/s超低空偏東風(fēng)急流與山脈正交，暖濕氣流持續(xù)向山脈迎風(fēng)坡吹送，促使地形性上升速度加大。因此，大量水汽在輝縣市上空凝結(jié)，在山區(qū)不斷觸發(fā)中小尺度強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)，產(chǎn)生了第一階段極高的降水效率。14：00（圖3b），太行山東側(cè)出現(xiàn)了一條輻合線和一條干線，后部干冷空氣緩慢向東推進(jìn)。在博愛(ài)與武陟之間生成了一個(gè)中尺度氣旋，其自西向東移動(dòng)過(guò)程中，給新鄉(xiāng)市南部帶來(lái)了大范圍降水。17：00—20：00，該中尺度氣旋在封丘縣附近長(zhǎng)時(shí)間滯留，降水效率極高。而地形影響給予氣流的氣旋性曲率，是第二階段中尺度氣旋持續(xù)生成的關(guān)鍵因素。

4 小結(jié)

本研究通過(guò)整理新鄉(xiāng)市轄區(qū)內(nèi)131個(gè)自動(dòng)雨量站2011—2016年夏季平均降水量，并借助ArcGIS10.0軟件做空間插值分析后，清晰展現(xiàn)出降水分布特征。降水高值集中在西北部太行山區(qū)，其分布特征與地形變化呈現(xiàn)良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由此證實(shí)，太行山的復(fù)雜地形對(duì)新鄉(xiāng)市夏季降水產(chǎn)生了明顯的增幅作用。

太行山地形是新鄉(xiāng)市夏季強(qiáng)降水的重要觸發(fā)機(jī)制，這也是西北部山區(qū)平均降水量偏高的主要原因。地形影響主要分為動(dòng)力效應(yīng)、熱力效應(yīng)。動(dòng)力效應(yīng)表現(xiàn)在：輝縣市北部近似兩面環(huán)山的直角地形可使暖濕氣流在迎風(fēng)坡形成位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)，從而為中尺度低渦或輻合線的發(fā)展創(chuàng)造有利條件。熱力效應(yīng)表現(xiàn)為：山區(qū)復(fù)雜的下墊面在受熱后易產(chǎn)生熱力對(duì)流，氣流被迫抬升時(shí)大氣的潛熱釋放能促進(jìn)垂直環(huán)流伸展到更高的高度。

2016年7月19日新鄉(xiāng)市局地特大暴雨過(guò)程為一次典型的地形暴雨。與太行山走向近乎正交的暖濕氣流源源不斷吹向太行山迎風(fēng)坡，致使低空形成位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)，在山區(qū)持續(xù)觸發(fā)中小尺度強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)。此外，由于地形影響給予氣流的氣旋性曲率，導(dǎo)致中尺度氣旋持續(xù)生成并在封丘縣附近長(zhǎng)時(shí)間滯留，帶來(lái)極高的降水效率。

參考文獻(xiàn)

[1]廖菲，洪延超，鄭國(guó)光.地形對(duì)降水的影響研究概述[J].氣象科技，2007（03）：309-316.

[2]陶詩(shī)言.中國(guó)之暴雨[M].北京：科學(xué)出版社，1980：13-23.

[3]柴東紅，景華，孟凱，等.地形暴雨的多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)分析[J].氣象科學(xué)，2010（03）：366-372.

[4]高坤，翟國(guó)慶，俞樟孝，等.華東中尺度地形對(duì)浙北暴雨影響的模擬研究[J].氣象學(xué)報(bào)，1994（02）：157-164.

[5]陳志昆，張書余.地形在降水天氣系統(tǒng)中的作用研究回顧與展望[J].干旱氣象，2010（04）：460-466.

作者簡(jiǎn)介：田曉璐（1988-），女，河南新鄉(xiāng)人，助理工程師，本科，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)方面的研究。