宏觀坡向?qū)Σ煌燃?jí)降水的影響

喬 淼, 曾 燕, 邱新法

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

降水對(duì)于人類賴以生存的自然環(huán)境具有重要的影響，是氣候、水文及洪澇干旱等自然災(zāi)害研究的必要數(shù)據(jù)。降水的形成和分布伴隨著復(fù)雜的過程，除與天氣條件因素有關(guān)外，地形對(duì)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(qū)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(tài)等，其中坡向?qū)邓挠绊懹葹轱@著[2]。以我國新疆天山為例，位于背風(fēng)坡的庫爾勒(海拔917.5 m)與位于迎風(fēng)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(duì)降水日數(shù)和強(qiáng)度的影響也十分顯著，烏魯木齊年降水日數(shù)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(nèi)外學(xué)者就坡向與降水之間的關(guān)系得到了一些一致的結(jié)論。Nordo[4]于1967年發(fā)現(xiàn)降水的空間分布與風(fēng)向和山體方位的相對(duì)位置密切相關(guān)；1979年Smith[5]提出了“迎風(fēng)坡降水機(jī)制”，指出“迎風(fēng)坡降水”可以使地形兩側(cè)產(chǎn)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(tǒng)計(jì)關(guān)系中，均采用了風(fēng)向與坡向的夾角作為其中重要的影響因子。我國學(xué)者章淹[1]通過長期的觀測資料發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)坡對(duì)潮濕氣流具有抬升作用；傅抱璞[2]則推導(dǎo)出了地形抬升速度的數(shù)學(xué)模式；史嵐[8]在研究長江流域降水空間分布時(shí)，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(xì)化估算模型。

事實(shí)上，由于不同等級(jí)降水的水汽條件不同，復(fù)雜下墊面的熱力和動(dòng)力作用具有顯著的差異[9]。比如，據(jù)文獻(xiàn)記載，南疆地區(qū)喀什河谷的喇叭口地形更易出現(xiàn)暴雨中心，而該地的小雨、中雨降水日數(shù)卻相對(duì)較少，這說明地形對(duì)不同等級(jí)的降水具有不同的影響[3]。研究表明，迎風(fēng)坡地形對(duì)降水的作用主要是通過增加雨強(qiáng)的形式實(shí)現(xiàn)，而背風(fēng)坡主要為減雨作用，大量的暴雨實(shí)例分析都提出了坡向?qū)邓畯?qiáng)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?qū)Χ嗄昶骄邓蚰炒谓邓^程的影響程度,缺少坡向影響降水強(qiáng)度的系統(tǒng)分析與定量表達(dá)。同時(shí)，由于降水的等級(jí)強(qiáng)度、時(shí)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(jù)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?qū)τ诓煌燃?jí)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(yàn)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?dāng)?shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)。

(1) 氣象站觀測降水?dāng)?shù)據(jù)。使用全國756個(gè)常規(guī)氣象站的日降水量數(shù)據(jù)，篩選出在1961—2000年具有40 a觀測資料的臺(tái)站共553個(gè)，并按照相應(yīng)的氣象標(biāo)準(zhǔn)分別統(tǒng)計(jì)了各站點(diǎn)不同等級(jí)降水的降水日數(shù)及總降水量。其中，采用中央氣象臺(tái)的降水劃分標(biāo)準(zhǔn)，將日降水量P劃分為四個(gè)等級(jí)，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(shù)據(jù)。選用空間分辨率為1 km×1 km的DEM數(shù)據(jù)。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(duì)固定，對(duì)降水的影響有一定規(guī)律且比較穩(wěn)定；小地形的坡向則各地不同、變化無窮，其對(duì)降水的影響錯(cuò)綜復(fù)雜且不穩(wěn)定。因此，在研究坡向?qū)邓挠绊憰r(shí)，通常將宏觀坡向與微觀坡向分離，著重研究宏觀坡向?qū)邓挠绊慬2]。本文采用7×7窗口對(duì)原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑及規(guī)范化處理，提取各氣象站點(diǎn)宏觀坡向。坡向的取值范圍為[-181，180)，其中-181°對(duì)應(yīng)平地，正南為0°，正東為-90°，正西為90°，正北為-180°。

此外，本文根據(jù)前人的研究[15-16]，利用DEM數(shù)據(jù)與計(jì)算得到的地形起伏度數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，將我國的地貌形態(tài)按海拔高度和地形起伏度劃分為三個(gè)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(jié)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(fēng)坡的降水量明顯大于背風(fēng)坡。傅抱璞[2]根據(jù)迎、背風(fēng)坡降水差異的物理機(jī)制，提出降水時(shí)盛行風(fēng)向與坡向之間的夾角是判別迎風(fēng)坡與背風(fēng)坡的重要標(biāo)志，當(dāng)其夾角的絕對(duì)值小于等于90°時(shí)為迎風(fēng)坡，大于90°為背風(fēng)坡。其中，降水時(shí)的盛行風(fēng)向由于其多變性與不確定性，在前人的研究中多用經(jīng)驗(yàn)值、氣象站風(fēng)向、經(jīng)緯向風(fēng)再分析資料替代盛行風(fēng)向，但均無法直接準(zhǔn)確地確定降水時(shí)的盛行風(fēng)向，也無法系統(tǒng)的分析坡向與降水之間的定量關(guān)系。邱新法在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了替代降水時(shí)盛行風(fēng)向的普適性方法，引入主次降水方位、主次方位降水差兩個(gè)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(shí)的盛行風(fēng)向，并通過主次方位降水差定量的分析坡向?qū)邓挠绊憽?/p>

具體算法為[17]：對(duì)于任一氣象站，將其設(shè)定為目標(biāo)氣象站，設(shè)定任意方位θi，根據(jù)氣象站所處宏觀地形的地理坡向β，可將目標(biāo)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(duì)值小于等于90°的所有臺(tái)站為θi方位的迎風(fēng)坡臺(tái)站，夾角絕對(duì)值大于90°的所有臺(tái)站為θi方位的背風(fēng)坡臺(tái)站?？紤]到我國極大部分地區(qū)水汽主要來源于東南太平洋，故將θi在[-90°，90°)(-90°對(duì)應(yīng)正東，90°對(duì)應(yīng)正西)半圓內(nèi)按一定的間距Δ旋轉(zhuǎn)，即：

θi=-90+i·Δθi=0，1，2，3，…

(1)

統(tǒng)計(jì)方位θi時(shí)迎風(fēng)坡臺(tái)站與背風(fēng)坡臺(tái)站的平均降水量差DPi，其中平均降水量差絕對(duì)值最大者，即DPmax=max(∣DPi∣)，對(duì)應(yīng)的方位即為目標(biāo)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?qū)邓挠绊懗潭取＿@里將由主次降水方位與坡向確定的迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡分別稱為主、次降水坡。

高婷[17]、潘虹[18]等應(yīng)用該算法，將中國月平均降水量數(shù)據(jù)計(jì)算得到的主次降水方位分別與FNL盛行風(fēng)向和地方氣候?qū)ＶM(jìn)行了對(duì)比分析，表明主次降水方位宏觀分布與FNL盛行風(fēng)向基本吻合，且區(qū)域上更能反映各地降水的氣候特征。證明該算法可行，結(jié)果可靠。

為分析坡向?qū)Σ煌燃?jí)降水的影響，本文利用氣象站不同等級(jí)降水日數(shù)與降水總量數(shù)據(jù)替代平均降水量應(yīng)用于該算法中，提出主次方位降水日數(shù)差與主次方位降水總量差，結(jié)合坡向影響系數(shù)定量的表達(dá)坡向?qū)Σ煌燃?jí)降水的影響，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡向影響系數(shù)

為比較坡向?qū)Ω鞯燃?jí)降水的影響，本文利用湯懋蒼[19]提出的坡向影響系數(shù)I以評(píng)價(jià)坡向?qū)邓南鄬?duì)影響，其定義為：

(2)

式中：Pw，Pl分別為迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡降水量。考慮到本文在主降水坡與次降水坡臺(tái)站數(shù)量不一定相同的情況，進(jìn)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(diǎn)個(gè)數(shù)；Pw，Pl分別為主降水坡和次降水坡的降水日數(shù)(降水量)。坡向影響系數(shù)I代表了不同等級(jí)降水，主、次降水坡的降水日數(shù)差(降水量差)與總降水日數(shù)(總降水量)的比值，其值在0～1之間變化，I越大說明坡向?qū)邓挠绊懺矫黠@。表1為全國不同等級(jí)降水各站點(diǎn)基于降水日數(shù)與降水總量的坡向影響系數(shù)均值。

表1 全國各等級(jí)降水坡向影響系數(shù)均值

比較全國基于降水日數(shù)與降水總量得到的各等級(jí)降水的坡向影響系數(shù)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(shù)在一定程度上反映了坡向?qū)邓植加绊懙南鄬?duì)程度，故可以得到坡向?qū)Σ煌燃?jí)降水的相對(duì)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(duì)暖濕氣流造成的強(qiáng)迫抬升，對(duì)其是有直接影響的，即當(dāng)坡向與盛行風(fēng)向交角較大時(shí)，暖濕氣流沿坡爬升，必然會(huì)產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，使對(duì)流加強(qiáng)，雨量加大，同時(shí)地形阻擋也使降水系統(tǒng)移速減慢，雨時(shí)延長[10]。劉裕祿等[12]分析了長期的降水實(shí)況，結(jié)果顯示當(dāng)降水系統(tǒng)經(jīng)過山脈時(shí)，因地形抬升出現(xiàn)了較強(qiáng)的擾動(dòng)，使得降雨增幅，其增幅量與擾動(dòng)和降水強(qiáng)度呈正相關(guān)，即雨強(qiáng)越大，地形抬升作用越明顯，這與本文通過坡向影響系數(shù)得到的定量結(jié)論一致。

此外，分別統(tǒng)計(jì)了位于天山和長白山的氣象站點(diǎn)各等級(jí)降水的坡向影響系數(shù)均值，見表2。林之光[3]在《地形降水氣候?qū)W》中提到長白山迎、背風(fēng)坡降水氣候差異的特點(diǎn)與天山不同。天山地區(qū)由于氣候干旱，兩坡降水量均不多，山脈對(duì)降水氣候影響最大的是降水日數(shù)。但對(duì)于氣候較為濕潤的長白山，山脈影響主要表現(xiàn)在降水總量，兩側(cè)年降水量相差可達(dá)400 mm。結(jié)合表2可以看出，天山地區(qū)基于降水日數(shù)得到的坡向影響系數(shù)均大于基于降水總量的坡向影響系數(shù)，而長白山地區(qū)恰恰相反，說明了坡向?qū)τ谔焐降貐^(qū)降水的影響在降水日數(shù)方面更加顯著，長白山地區(qū)則是更加體現(xiàn)在降水總量上，這與林之光的結(jié)論是一致的。

2.2 不同地貌下坡向?qū)Σ煌燃?jí)降水的影響分析

為驗(yàn)證主、次降水坡站點(diǎn)的降水日數(shù)及總量是否具有顯著差異，即坡向是否顯著影響不同等級(jí)的降水，本文采用單邊t檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)計(jì)算得出的各站點(diǎn)主次方位降水日數(shù)差/總量差是否具有顯著性，以明確其統(tǒng)計(jì)意義。具體做法是[18]：按照每個(gè)站的主次降水方位，將周邊站點(diǎn)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(jì)算兩組臺(tái)站降水日數(shù)差/總量差的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)t檢驗(yàn)計(jì)算式得到各站t統(tǒng)計(jì)值，查找t統(tǒng)計(jì)分布表，得出各站不同降水等級(jí)主次方位降水日數(shù)差/總量差的顯著性置信水平。附圖4為各等級(jí)降水主次方位降水日數(shù)差顯著性檢驗(yàn)站點(diǎn)分布圖，通過對(duì)比可以看出，不同等級(jí)降水通過0.05及以上顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)主要分布于山地地區(qū)，如天山山脈、大興安嶺山脈、哀牢山脈等地。此外，對(duì)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(qū)，通過0.05及以上顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)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(qū)未通過0.05顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)顯著較多。

表2 天山、長白山各等級(jí)降水坡向影響系數(shù)

表3分別統(tǒng)計(jì)了位于平原、丘陵、山地地貌下，基于降水日數(shù)和降水總量的通過0.05及以上顯著性水平檢驗(yàn)的臺(tái)站占臺(tái)站總數(shù)的百分比。此外，表4給出了不同地貌下各等級(jí)降水主次方位降水日數(shù)/總量差絕對(duì)值，其值越大，說明主、次降水坡降水日數(shù)和總量相差越大，坡向?qū)Σ煌燃?jí)降水的影響程度和實(shí)際產(chǎn)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(yàn)的站點(diǎn)比例與主次方位降水日數(shù)/總量差絕對(duì)值均為山地地區(qū)最大，丘陵次之，平原最小，說明在地形起伏較大的山區(qū)坡向?qū)邓挠绊戄^為明顯，而地勢平坦地區(qū)則影響相對(duì)較小，這與實(shí)際降水情況相符。

表3 不同地貌下主次方位降水日數(shù)差/總量差通過0.05及以上顯著性水平檢驗(yàn)的站點(diǎn)比例 %

表4 不同地貌下各降水等級(jí)主次方位降水日數(shù)/總量差絕對(duì)值比較

2.3 不同干濕條件下坡向?qū)Σ煌燃?jí)降水的影響分析

表5分別統(tǒng)計(jì)了干旱、半干旱、半濕潤、濕潤地區(qū)的氣象站主次方位降水日數(shù)差及總量差絕對(duì)值的均值，結(jié)合附圖5不同干濕分區(qū)下各等級(jí)降水主次方位降水日數(shù)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(shù)差大值區(qū)呈現(xiàn)逐漸由干旱區(qū)向濕潤區(qū)東移的現(xiàn)象，即小雨的大值區(qū)主要分布于干旱區(qū)，主降水坡與次降水坡年平均小雨日數(shù)相差可達(dá)40 d以上；中雨和大雨的大值區(qū)則由干旱區(qū)逐漸向半干旱區(qū)、半濕潤區(qū)移動(dòng)，主降水坡與次降水坡年平均中雨、大雨日數(shù)分別相差可達(dá)8 d和6 d左右；暴雨主要分布于濕潤區(qū)，該大值區(qū)年平均暴雨日數(shù)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(qū)下坡向?qū)Ρ┯杲邓龇挠绊?，提出濕潤區(qū)與半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)迎風(fēng)坡對(duì)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(wěn)定能量多，空氣中水汽條件充沛，在一定對(duì)流過程觸發(fā)下，降水的絕對(duì)增加量相當(dāng)可觀，后者則相對(duì)較弱，以至坡向?qū)Ρ┯甑挠绊戯@著體現(xiàn)在濕潤地區(qū)，而對(duì)大雨、中雨、小雨的最大影響區(qū)域逐漸由濕潤地區(qū)向干旱地區(qū)移動(dòng)。

同時(shí)，附圖5中對(duì)于不同等級(jí)的降水，哀牢山、武夷山地區(qū)都出現(xiàn)了區(qū)域大值，此外對(duì)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(xiàn)了區(qū)域大值。而四川盆地各等級(jí)降水均出現(xiàn)局部小值。這也說明了山脈對(duì)主次方位降水日數(shù)差影響顯著，翁篤鳴[20]在《山區(qū)地形氣候》中提到盆地地形始終處于氣流的下風(fēng)側(cè)，由于氣流的下沉和輻散，最不利于系統(tǒng)性降水的形成，所以盆地降水主要是依靠熱對(duì)流過程降水，受地形影響遠(yuǎn)不及周圍山區(qū)。

表5 不同干濕條件下各降水等級(jí)主次方位降水日數(shù)/總量差絕對(duì)值均值比較

3 結(jié) 論

(1) 通過坡向影響系數(shù)的對(duì)比，可以得到坡向?qū)Σ煌燃?jí)降水的相對(duì)影響程度為暴雨>大雨>中雨>小雨。

(2) 坡向?qū)Σ煌燃?jí)降水的影響顯著地體現(xiàn)在降水日數(shù)和降水總量兩個(gè)方面，但對(duì)于某些地區(qū)(如天山)在降水日數(shù)方面影響的更加顯著，而對(duì)于長白山等地則更體現(xiàn)在降水總量上。

(3) 坡向?qū)Σ煌燃?jí)降水的影響受到地貌和干濕條件的共同作用。山地地區(qū)坡向?qū)邓挠绊懽顬轱@著，丘陵次之，平原最小。坡向?qū)Ρ┯甑挠绊戯@著體現(xiàn)在濕潤地區(qū)，對(duì)大雨、中雨、小雨的最大影響區(qū)域則由濕潤地區(qū)逐漸向干旱地區(qū)移動(dòng)。

本文基于地形抬升影響迎、背風(fēng)坡降水差異的物理機(jī)制，應(yīng)用主次降水方位算法得到主次方位降水日數(shù)差/總量差，通過顯著性檢驗(yàn)及文獻(xiàn)的對(duì)比分析，該結(jié)果能夠很好的表征坡向?qū)Σ煌燃?jí)降水的影響，算法較可靠。但由于坡向?qū)邓挠绊懯謴?fù)雜，除本文考慮較為主要的地形抬升作用外，也會(huì)受到地形摩擦、輻合等作用的影響，在今后的研究中還需進(jìn)一步分析坡向?qū)邓绊懙奈锢頇C(jī)制，得到更加科學(xué)準(zhǔn)確的定量表達(dá)。

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