數(shù)值模式地形處理方法與地形降水影響模擬研究回顧

何光碧

（中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實驗室，成都 610072）

引言

地形對大氣環(huán)流和降水有著很重要的影響。由于各地海拔高度和地面受熱條件的不同，地形直接影響其地表和高空溫、壓、濕的分布。與此同時，地形作為大氣運(yùn)動的障礙物，通過對氣流阻擋而產(chǎn)生擾流和翻越運(yùn)動，對風(fēng)場的改變直接影響動量、熱量和水汽輸送，進(jìn)而影響人們最為關(guān)注的降水、溫度等氣象要素的變化。地形與暴雨的關(guān)系更為密切，暴雨發(fā)生的頻率、落區(qū)及強(qiáng)度等均受到地形的顯著影響[1?2]。

從20世紀(jì)50年代開始，就地形對天氣氣候的影響問題，氣象學(xué)家們從觀測分析、天氣學(xué)分析、理論研究、轉(zhuǎn)盤試驗、診斷分析、數(shù)值模擬等多個方面進(jìn)行研究，做了大量工作。從數(shù)值預(yù)報的觀點(diǎn)看，地形的表征作用體現(xiàn)在地形對大氣運(yùn)動的擾流和抬升動力作用，與地形相關(guān)的加熱、感熱、潛熱和動量輸送等熱力作用[3]。在數(shù)值模式中，處理好地形作用是一個很重要的問題。青藏高原對我國天氣氣候有著重大影響，在模式中處理好青藏高原大地形及其以東復(fù)雜地形的作用，更有其特殊意義。

本文從數(shù)值模式出發(fā)，主要針對模式中地形處理以及地形對降水影響等關(guān)鍵問題，系統(tǒng)性梳理數(shù)值模式中考慮地形影響的處理方法及地形影響數(shù)值模擬研究的相關(guān)成果，為進(jìn)一步開展數(shù)值模式地形處理及地形影響研究，促進(jìn)數(shù)值模式發(fā)展以及地形對天氣氣候影響機(jī)理的認(rèn)識提供科學(xué)參考。

1 考慮地形影響的模式地形處理方法

地形是大氣運(yùn)動重要的強(qiáng)迫源。對于地形影響的模式地形處理方法，本文主要回顧與高度相關(guān)的模式垂直坐標(biāo)系、與氣壓梯度力相關(guān)的計算方案設(shè)計、影響天氣氣候的模式地形構(gòu)造、地形參數(shù)化方案以及考慮地形影響的模式資料同化等研究成果。

1.1 模式垂直坐標(biāo)系

垂直坐標(biāo)直接關(guān)系到模式的邊界處理、守恒屬性、梯度計算誤差等。在區(qū)域模式或全球模式中采用什么類型垂直坐標(biāo)系一直是模式動力框架設(shè)計的關(guān)鍵和重點(diǎn)。丑紀(jì)范[3]分析概述了數(shù)值模式中處理地形影響的方法和問題，認(rèn)為通過選擇合適的垂直坐標(biāo)系統(tǒng)和改進(jìn)數(shù)值計算方法，無論在全球模式或有限區(qū)域模式中，都能對地形的動力作用進(jìn)行較好地描述。

數(shù)值模式中的垂直坐標(biāo)根據(jù)垂直方向物理量的不同而不同。Eliassen[4]開創(chuàng)了用氣壓作為數(shù)值模式的垂直坐標(biāo)。由于氣壓坐標(biāo)系在大氣的下邊界不是一個坐標(biāo)面而在地形附近存在計算的缺陷，Phillips[5]提出了Sigma（σ）坐標(biāo)，該坐標(biāo)是氣壓坐標(biāo)的變換形式，其坐標(biāo)面即地球表面。此后，σ坐標(biāo)及其變形在各類大氣數(shù)值模式中廣泛應(yīng)用。σ坐標(biāo)即為歸一化的坐標(biāo)。地形與最低的坐標(biāo)面相重合，復(fù)雜地形下墊面問題迎刃而解?！皻w一化”的思路還可用于高度或位溫。這類坐標(biāo)常統(tǒng)稱為“地形追隨坐標(biāo)”。在應(yīng)用中人們很快發(fā)現(xiàn)地形追隨坐標(biāo)所帶來的地形區(qū)氣壓梯度力（PGF）的計算問題[6?9]。傾斜的σ面所帶來的問題，促使Mesinger[10]提出另一類地形處理方法，即所謂“臺階地形”坐標(biāo)或η坐標(biāo)。山脈被表示為填滿的網(wǎng)格盒子，使一些不帶任何資料的網(wǎng)格盒子位于地表面以下。η坐標(biāo)面是準(zhǔn)水平面，無論地形多復(fù)雜，在地形追隨坐標(biāo)中氣壓梯度力計算的“大量小差”問題和其它水平差分量有關(guān)的誤差也會有所減小。η坐標(biāo)不僅保留了σ坐標(biāo)下邊界條件簡單的優(yōu)點(diǎn)，還克服了σ坐標(biāo)的缺點(diǎn)。

針對我國復(fù)雜地形和暴雨預(yù)報問題，宇如聰?shù)萚11]自主研發(fā)了一個能考慮陡峭地形的η坐標(biāo)預(yù)報模式（REM)，成功地模擬了受地形影響最為典型的暴雨現(xiàn)象“雅安天漏”。滕家謨等[12]利用引進(jìn)的美國NCEP業(yè)務(wù)模式之一的η坐標(biāo)模式，在不改變模式基本特性的情況下，對采用σ坐標(biāo)系和采用具有階梯形山脈地形的η坐標(biāo)系進(jìn)行了兩例數(shù)值預(yù)報對比試驗，結(jié)果表明，具有階梯山脈地形的η坐標(biāo)系，使模式能避免采用σ坐標(biāo)系可能出現(xiàn)的許多問題，預(yù)報結(jié)果也與實況基本一致。當(dāng)然，η坐標(biāo)也存在不足。數(shù)值試驗證實了η坐標(biāo)在陡峭地形附近的優(yōu)勢以及與地表邊界層處理有關(guān)的潛在缺陷[13]。由于準(zhǔn)水平的坐標(biāo)面會與地形相割，η坐標(biāo)帶來了內(nèi)邊界的處理問題。由于人工修改地形，在臺階地形的轉(zhuǎn)角處，會造成虛假的渦度，進(jìn)而影響中小尺度地形背風(fēng)波的模擬效果[14]。對于水平尺度較寬的山，當(dāng)模式垂直分辨率不夠細(xì)時，σ類坐標(biāo)可能優(yōu)于η坐標(biāo)。Mesinger等[15]設(shè)計了一種傾斜η坐標(biāo)，能較好地清除原η階梯地形模式中存在于階梯轉(zhuǎn)角的虛假渦度。

地形追隨坐標(biāo)又分為高度地形追隨坐標(biāo)和氣壓地形追隨坐標(biāo)。如前所述，此類坐標(biāo)將帶來不可避免的PGF項計算誤差，且隨著模式分辨率提高，PGF誤差會進(jìn)一步增大[16]；同時，由于模式面的隆起，會造成大氣運(yùn)動的歪曲。21世紀(jì)以來，發(fā)展性能良好的平滑-混合坐標(biāo)和減小高層模式面的隆起成為模式垂直坐標(biāo)設(shè)計及其應(yīng)用研究的主流[17?21]。Schar等[17]提出一種新的平滑層垂直坐標(biāo)（SLEVE），通過平滑復(fù)雜地形以上Sigma坐標(biāo)面來提高計算精度。高度地形追隨坐標(biāo)和氣壓地形追隨坐標(biāo)對垂直速度和降水等模擬結(jié)果差異明顯，高度坐標(biāo)的預(yù)報能力要優(yōu)于質(zhì)量坐標(biāo)，高分辨率中尺度模式的模擬結(jié)果對垂直坐標(biāo)的選擇很敏感[22]。李超等[23]設(shè)計了一種以改進(jìn)的余弦函數(shù)為基函數(shù)的平緩-混合坐標(biāo)來減小計算誤差，提高計算穩(wěn)定度。平緩-混合坐標(biāo)的改進(jìn)效果比較明顯，平移的COS坐標(biāo)對風(fēng)場和降水場的模擬效果最佳[24]。

1.2 氣壓梯度力處理

實踐中，追隨地形坐標(biāo)所帶來的問題很快就顯現(xiàn)出來。最早提出和研究最多的是地形區(qū)氣壓梯度力的計算問題[6?8]。通過設(shè)計協(xié)調(diào)的差分格式、反插到p 面法以及扣除法等減小氣壓梯度力誤差的方法被陸續(xù)提出[16，25?36]。中國科學(xué)家就如何克服數(shù)值預(yù)報模式中地形的虛假影響做了大量富有成效的工作。早在1963年，曾慶存先生[26]就提出了標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)靜力扣除法，該方法把大氣運(yùn)動表示為相對于一個“標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)大氣”偏差的變化，減小由于陡峭地形的影響使得大氣運(yùn)動方程組在數(shù)值計算中常見的“大項小差”所產(chǎn)生的計算誤差，從而提高計算精度。錢永甫等[35?36]根據(jù)大氣的各向異性特點(diǎn)及“差分?微分?差分相一致”的觀點(diǎn)推導(dǎo)出了一般坐標(biāo)變換公式，得到符合“差微差”一致性坐標(biāo)變換原理的氣壓梯度力計算公式，稱為經(jīng)典修正格式，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種計算陡峭地形區(qū)氣壓梯度力的新方法，即誤差扣除法。通過幾種氣壓梯度力的對比試驗，誤差扣除法可在一定程度上改善模擬效果[37]。強(qiáng)學(xué)民等[38]將計算陡峭地形區(qū)氣壓梯度力的幾種方法用于云南中尺度模式中，數(shù)值試驗結(jié)果表明，經(jīng)典修正法比其它方法計算精度高、運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足模式的預(yù)報要求，比模式原方案有顯著的改進(jìn)。黃泓等[39]在一個η坐標(biāo)暴雨模式的基礎(chǔ)上，對氣壓梯度力的計算進(jìn)行了改進(jìn)，推導(dǎo)了新的計算方案并改寫了對應(yīng)程序，效果檢驗表明氣壓梯度力計算方案的改進(jìn)可部分地提高陡峭地形處暴雨雨強(qiáng)的預(yù)報。胡江林等[16]指出隨著模式分辨率提高和地形坡度的進(jìn)一步加大，氣壓梯度力的計算誤差問題更加突出，提出了基于靜力方程訂正的回插等壓面改進(jìn)方案，理想場的計算結(jié)果表明該方案的計算誤差可顯著減小，隨著模式分辨率的提高，該方案的計算誤差將逐步收斂到零。

國外數(shù)值預(yù)報專家也非常關(guān)注地形區(qū)，特別是陡峭地形區(qū)氣壓梯度力的計算問題，做了大量的工作[6?8]，改進(jìn)了其計算精度，提供了更為有效的預(yù)報結(jié)果，取得了明顯的成效，這里不再贅述。

1.3 模式地形構(gòu)造

模式地形直接影響模式初值生成及模式模擬效果。不論地形是何種尺度和形狀，在數(shù)值模式中，首先遇到的問題是如何描寫起伏的地形和不規(guī)則的計算區(qū)域?？陀^上，可以得到高精度的地形資料，但模式只能刻畫與其格距相適應(yīng)的地形尺度對大氣的影響，最終得到的模式地形均是經(jīng)過一定平滑處理后的地形。

在模式地形構(gòu)造上，Wallace等[40]提出了“包絡(luò)地形”的概念，即在網(wǎng)格尺度平均地形之上，迭加次網(wǎng)格尺度地形對網(wǎng)格尺度平均地形的標(biāo)準(zhǔn)差。錢永甫等[41]在此基礎(chǔ)上提出了地形包絡(luò)度，即在網(wǎng)格尺度平均地形之上可以迭加不同倍數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，構(gòu)成不同的包絡(luò)地形，并且將包絡(luò)地形用于氣候模擬研究，發(fā)現(xiàn)采用較大包絡(luò)度的地形可在一定程度上改善氣候模擬結(jié)果，包絡(luò)度值要取得恰當(dāng)，否則反而不利。包絡(luò)地形增加了模式地形的高度和陡度，增強(qiáng)了地形的屏障作用。WRF模式提供了3種地形平滑方案，包絡(luò)地形、輪廓地形和平均地形。張凱等[42]利用WRF模式中提供的上述三種地形方案對暴雪過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明地形方案與降雪的時空分布有很大的相關(guān)性，地形越接近實際地形，降雪的時空分布越接近實況；降雪過程中有明顯的中尺度重力波活動，重力波受地形影響很大，地形越不平滑，重力波的強(qiáng)度越強(qiáng)、移速越慢。何光碧等[43]在WRF模式中引入高分辨率的地形數(shù)據(jù)構(gòu)造模式地形，與WRF模式原地形處理方案作對比試驗后指出，基于高分辨率的地理信息系統(tǒng)高程數(shù)據(jù)，構(gòu)造接近真實地形的模式地形研究將是改進(jìn)模式模擬效果的一個方面。

在模式分辨率一定的條件下，一些相對較小尺度的實際地形模式的模擬效果并不理想，需要采取適當(dāng)?shù)臄?shù)值濾波處理，這樣，一方面濾除給定分辨率的模式所不能很好描述的小尺度實際地形，同時盡量降低對模式能夠準(zhǔn)確描述的較大尺度實際地形的影響[44]。地形在垂直方向過度平滑及在水平方向過度擴(kuò)張，均會造成在模擬不同尺度系統(tǒng)動力效應(yīng)時出現(xiàn)失真，從而導(dǎo)致預(yù)報誤差的增大[45]。模式地形尺度的選擇對模式預(yù)報能力有著非常重要的影響[46]，6倍以下尺度的地形對基于試驗?zāi)Ｊ紾RAPES的預(yù)報能力是有害的，應(yīng)該濾除，或通過次網(wǎng)格尺度地形參數(shù)化加以調(diào)整。引入數(shù)值濾波器及水平擴(kuò)散方案分別對地形及計算噪音進(jìn)行處理，選擇性地過濾由地形坡度引起的不同尺度噪音，并控制由數(shù)值擴(kuò)散、非線性不穩(wěn)定及不連續(xù)物理過程引起的小尺度噪音，此方法能改進(jìn)降水預(yù)報，使山區(qū)降雨分布更真實[47]。屠妮妮等[48]采用切比雪夫多項式展開濾波獲取區(qū)域模式地形，試驗表明切比雪夫多項式展開處理地形的敏感性試驗不能對暴雨的強(qiáng)度和落區(qū)做出改善，但總體的降水評分高于模式自身形成的模式地形控制試驗的結(jié)果。

地形分布與氣象要素觀測場的結(jié)構(gòu)具有極大的相關(guān)性，氣壓和溫度場與地形就有著直接的聯(lián)系。修正模式地形的伴隨同化系統(tǒng)的同化原理主要是依據(jù)觀測要素場的分布對地形資料進(jìn)行修正，如通過地面氣壓場的修正情況計算出地形高度的修正量，然后修改模式的地形高度。將伴隨模式同化系統(tǒng)應(yīng)用于修正模式地形誤差，能很好地對地形進(jìn)行修正，反演出與初始?xì)庀笠貓龇直媛氏嗥ヅ?、與模式更協(xié)調(diào)的地形場[49]。通過模式最優(yōu)初始?xì)鈮簣鰧δＪ降匦芜M(jìn)行修正，從而改善了模式對強(qiáng)降水中心及降水區(qū)域的預(yù)報[50?51]。

在模式地形構(gòu)造方面，模式地形基本構(gòu)造方法主要體現(xiàn)在基于較模式格點(diǎn)更高分辨率的高程數(shù)據(jù)，采用包絡(luò)地形、輪廓地形和平均地形以及采用不同數(shù)值濾波器，形成模式地形，或考慮模式地形與氣象要素場的協(xié)調(diào)性，使得模式地形得到有效修正。不同的模式地形，對預(yù)報效果的影響不一樣。在陡峭復(fù)雜地形區(qū)，通常模式地形與實際地形存在較大差異。采用伴隨模式同化系統(tǒng)來修正模式地形誤差可以獲得較好的模擬效果。對一個確定分辨率的數(shù)值模式，在保持穩(wěn)定計算的前提下，如何引入更真實的地形，提高模式模擬效果，相關(guān)研究工作還有待深入開展。

1.4 次網(wǎng)格地形參數(shù)化

數(shù)值模式中一些無法準(zhǔn)確描述的相對較小尺度的實際地形應(yīng)該被過濾掉，從而得到模式有效地形，而被過濾掉的地形被稱為次網(wǎng)格尺度地形，其效應(yīng)只能通過參數(shù)化技術(shù)來考慮[52]。次網(wǎng)格地形的參數(shù)化過程是描述地形作用的主要手段和方法。目前，大多數(shù)中尺度模式都使用平均地形來描述格點(diǎn)可分辨山脈地形，往往過于低估山脈對氣流的拖曳作用，可通過引入相應(yīng)的次網(wǎng)格尺度地形參數(shù)化方案對其進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，從而更好地描述地形與模式層相交時產(chǎn)生的對流層低層的阻礙作用和次網(wǎng)格尺度重力波的動量傳輸過程[53?55]。

當(dāng)穩(wěn)定的氣流越過不規(guī)則的下墊面時，起伏不平的地形可能激發(fā)出向上傳播的重力波，重力波所引起的垂直擾動動量通量在垂直方向分布不均勻，在一定條件下對大尺度氣流起到總體耗散作用，從而引起風(fēng)場發(fā)生變化。次網(wǎng)格地形觸發(fā)的重力波拖曳對維持大氣環(huán)流的動量、能量守恒過程具有非常重要的作用[56?57]。將地形重力波參數(shù)化方案引入數(shù)值模式，能相當(dāng)有效地緩解因數(shù)值模式不能精確分辨次網(wǎng)格地形而造成的“西風(fēng)偏差”和“冷極”問題[58?59]，一定程度改善模式的模擬性能。引進(jìn)地形重力波拖曳過程，可以改變地形區(qū)域的風(fēng)場，使預(yù)報的流場更接近于大氣真實狀態(tài)，從而提高模式預(yù)報準(zhǔn)確率。重力波拖曳作用可在一定程度上改善模式的模擬性能，使模擬結(jié)果更符合大氣實況，且隨著積分時間增長，對模擬結(jié)果的影響程度增大[60?61]。在區(qū)域GRAPES模式中，考慮地形湍流拖曳力方案對模式預(yù)報具有改善作用，尤其是局地低層風(fēng)場的改進(jìn)效果顯著[62]。引起降水預(yù)報誤差的主要原因在于模式初值中未包含地形強(qiáng)迫造成的小尺度局地擾動信息，阻塞流拖曳力強(qiáng)度明顯強(qiáng)于地形重力波拖曳，它有可能導(dǎo)致雨帶位置偏離實況，山區(qū)上空對流層中低層風(fēng)場擾動增量對改進(jìn)降水預(yù)報效果的影響最關(guān)鍵[63]?？紤]次網(wǎng)格地形對網(wǎng)格內(nèi)大氣強(qiáng)迫量的影響，陳廣宇等[64]將輸入的大氣強(qiáng)迫量根據(jù)其與地形高度的關(guān)系進(jìn)行修訂，提出次網(wǎng)格地形的新參數(shù)化方案，并引入到WRF模式中進(jìn)行數(shù)值試驗，發(fā)現(xiàn)區(qū)域地形越復(fù)雜，次網(wǎng)格地形的影響越大，新方案對中國西部復(fù)雜地形區(qū)地表氣溫的模擬有較大改善。鐘水新[65]利用GRAPES模式檢驗了新簡化線性地形降水參數(shù)化方案的應(yīng)用情況，指出簡化的線性方案可較好地模擬出地形降水，可一定程度上改善模式模擬的非對流性降水偏低的情況。

1.5 考慮地形影響的模式資料同化

在復(fù)雜地形區(qū)，地面資料的同化面臨著極大挑戰(zhàn)。模式地形與觀測站地形高度差異是地面觀測資料同化方案設(shè)計中存在的一個比較難以解決的問題，而模式與實際觀測站地形高度差異對地面觀測資料同化效果有較大影響[66?68]。目前的數(shù)值預(yù)報模式還不能完全反映真實地形，這必將影響資料同化結(jié)果，進(jìn)而影響模式模擬效果。地面資料使用率低下，究其原因是模式地形與實際觀測站高度存在較大差異，致使觀測數(shù)據(jù)與模式觀測相當(dāng)量存在很大偏差，以及觀測量屬于近地面層內(nèi)的要素，其空間變化受到邊界層物理過程的支配，同化系統(tǒng)難以與之匹配[69]。在地面觀測資料同化方案設(shè)計試驗方面，Ruggiero等[70]在考慮模式地形與實際觀測站高度有差異的情況下，提出利用近地層相似理論設(shè)計同化方案，考慮測站高度是否大于模式最低層高度，進(jìn)而考慮是否將地面觀測資料作為高空資料進(jìn)入模式，或?qū)⒃撜军c(diǎn)資料剔除不用，或利用背景場信息將該站點(diǎn)觀測資料反演到模式最低層。Guo[71]假定所有測站的資料都是位于模式地面，利用相似理論建立地面要素觀測算子及相應(yīng)的切線和伴隨模式，使地面觀測資料得到充分利用，一定程度改進(jìn)了同化效果。Devenyi等[72]、Benjamin等[73?74]通過采用局地遞減率將地面觀測氣壓、溫度和濕度由觀測站地形訂正到模式地形高度的方法，解決地面觀測資料同化中模式地形和觀測站地形高度差異問題。徐枝芳等[68]研究發(fā)現(xiàn)有探空資料參與同化分析時，采用增加觀測誤差方法比溫度訂正法改進(jìn)的郭永潤同化方案[71]同化地面資料的效果更好，且加入地面資料同化對所有量級降水預(yù)報均有所改善?；诘匦胃叨炔町悓?fù)雜地形下的地面觀測資料進(jìn)行訂正，對氣象要素和暴雨落區(qū)強(qiáng)度的模擬都有提高[75]，西部地區(qū)地面觀測資料經(jīng)地形高度訂正后再同化到數(shù)值模式中能改進(jìn)模式對我國東部暴雨的模擬效果[76]。

資料同化過程中，考慮地形影響采用的不同誤差訂正同化方案，使得地面資料在同化中得到充分應(yīng)用，不同程度改進(jìn)了模式初始場與模式模擬效果。當(dāng)今地面觀測站點(diǎn)越來越密集的情況下，復(fù)雜地形條件下如何有效地同化地面資料仍是值得研究的課題。

2 地形降水?dāng)?shù)值模擬研究

2.1 中小尺度地形影響

我國地形分布較為復(fù)雜，針對復(fù)雜地形，如江淮地區(qū)、皖南山區(qū)、魯中山區(qū)、黃山、大別山、云貴高原、南嶺-武夷山等，通過地形敏感性數(shù)值試驗研究不同地形對降水影響的工作較多。翟國慶等[77]為了了解地形對降水的增幅，在控制試驗的基礎(chǔ)上，將浙西黃山和皖南天目山山地高度削減到環(huán)境平均高度，對大暴雨過程進(jìn)行地形敏感性試驗，指出強(qiáng)降水中心位于山地附近，地形的動力及屏障作用對氣流有明顯影響。高坤等[78]通過消減華東地區(qū)東部黃山、天目山及大別山等特定山地高度的敏感性試驗，指出地形引起的小時降水增幅高達(dá)總降水的90%以上，中尺度地形作為一種外界迫動，使得地形垂直環(huán)流加強(qiáng)并向上伸展，降水、潛熱釋放與地形垂直環(huán)流之間出現(xiàn)一種正反饋機(jī)制，導(dǎo)致地形對降水的強(qiáng)烈增幅。馮強(qiáng)等[79]在不改變大尺度環(huán)境的各要素場的基礎(chǔ)上，人為地將模式地形中長江中游的大別山及其緊鄰地域的海拔高度降為50m以下，結(jié)果表明地形的改變使中尺度暴雨中心位置和強(qiáng)度發(fā)生了變化，但是局地地形的改變也只會在有限區(qū)域內(nèi)對局地中尺度降水系統(tǒng)產(chǎn)生影響。臧增亮等[80]只考慮江淮地區(qū)的理想地形，設(shè)計控制試驗是無地形，對比試驗分別為單獨(dú)考慮黃山、幕阜山、大別山地形以及上述三個地區(qū)的所有地形，數(shù)值試驗表明各個地形對降水的影響是不同的，同一個地形在不同時段對降水的影響也是不同的，地形和切變線的相對位置是造成這一影響的關(guān)鍵所在。魯中山區(qū)地形數(shù)值試驗[81]表明，迎風(fēng)坡可引起低層氣流和水汽的輻合上升運(yùn)動增強(qiáng)，降水量增加；山頂可引起低層輻合上升運(yùn)動減弱，輻散下沉運(yùn)動增強(qiáng)，降水量減??；背風(fēng)坡可引起低層氣流和水汽的輻合上升運(yùn)動增強(qiáng)，降水量增加。中尺度地形（大別山地區(qū)和皖東南地區(qū)）在一定的系統(tǒng)配置條件下，不僅影響局地降水，也影響較遠(yuǎn)地區(qū)降水[82]。地形高度引起江淮流域降水變化主要在地形變化的附近，特別是山的迎風(fēng)面，降水有明顯增加，地形還起到了改變落區(qū)和強(qiáng)度的作用[83]。云貴高原地形對高原西側(cè)迎風(fēng)坡降水有顯著影響，對高原中東部地區(qū)暴雨的分布、強(qiáng)度和對流云系的持續(xù)時間有重要影響[84]。地形對云的發(fā)展和降水的形成有明顯影響，當(dāng)降低地形高度后，云水量減少，暖云過程減弱，同時也影響了霰粒子的增長過程[85]。模式中若忽略了地區(qū)復(fù)雜地形對初始場的影響，將最終導(dǎo)致降水預(yù)報出現(xiàn)較明顯的漏報現(xiàn)象，模式中能否正確反映小尺度局地擾動信息對山區(qū)降水有重要影響[63]。趙玉春等[86]通過理想數(shù)值試驗進(jìn)一步證實了我國東南沿岸的復(fù)雜山地地形熱力環(huán)流對對流降雨的觸發(fā)以及海陸風(fēng)環(huán)流在山地對流雨帶組織發(fā)展中的作用，環(huán)境溫濕廓線以及風(fēng)垂直廓線對熱對流降水日峰值強(qiáng)度以及日峰值出現(xiàn)的時間具有重要影響。

喇叭口地形對降水的影響已在實踐中有所認(rèn)識，諸多地形數(shù)值試驗也驗證了喇叭口地形對降水的增幅作用。喇叭口地形結(jié)構(gòu)對云南強(qiáng)降水的落區(qū)和降水強(qiáng)度均有著不可忽視的作用[87]。喇叭口地形使甘谷降水增加明顯，抬高地形對迎風(fēng)坡上空低層輻合及上升運(yùn)動有顯著的加強(qiáng)作用，且其動力抬升作用主要體現(xiàn)在降水發(fā)生前和發(fā)生時[88]。大巴山地形使得西南暖濕氣流所帶來的水汽和熱量在迎風(fēng)坡堆積，從而在迎風(fēng)坡和山頂出現(xiàn)較強(qiáng)的降水中心[89]。李強(qiáng)等[90]基于WRF模式，在模式下墊面中嵌入長江水體并改變地形高度，指出在局地喇叭口和峽谷地形作用下，近地面河谷風(fēng)增加，三峽地區(qū)下游段在峽谷地形的“狹管”效應(yīng)作用下，河谷偏東風(fēng)增加，水汽向西輸送增強(qiáng)并與偏南風(fēng)北上水汽在喇叭口地形末端匯合，促使水汽輻合上升，遭遇高空的干冷空氣，造成層結(jié)不穩(wěn)定，釋放潛熱不穩(wěn)定能量，導(dǎo)致了該地區(qū)的降水量增加。

這些研究工作從多方面證實地形對暴雨具有重要影響，其中迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡地形的增幅作用、喇叭口地形的輻合作用尤為重要。地形可以通過改變某些物理過程對降水產(chǎn)生增幅作用，進(jìn)而影響降水強(qiáng)度和中心位置的分布以及局地環(huán)流等，但影響的范圍有限。中尺度地形在一定的系統(tǒng)配置下才能影響較遠(yuǎn)地區(qū)降水。因此，有必要加強(qiáng)地形在不同天氣影響系統(tǒng)及環(huán)流的配置下是如何影響局地和較遠(yuǎn)地區(qū)降水的數(shù)值模擬研究。

2.2 不同分辨率地形影響

Riphagen等[91]指出模式中地形本身分辨率的提高也有助于提高降水預(yù)報的準(zhǔn)確率?；诓煌匦畏直媛蕯?shù)據(jù)，描述的模式地形是有差異的。就地形的不同處理（以地形的平滑程度即平滑掃描的范圍來反映小地形的作用）對降水預(yù)報的影響，地形分辨率的提高能補(bǔ)報出雨量的多中心，同時又不改變雨區(qū)范圍，中尺度摸式中應(yīng)當(dāng)盡可能精確地描述地形[92]。張朝林等[93]進(jìn)行了不同地形分辨率對降水影響的敏感性試驗，指出北京獨(dú)特的地形特征和復(fù)雜的地勢變化對“00.7”北京特大暴雨的強(qiáng)度和落區(qū)有重要影響。姚昊等[94]研究指出地形平滑方案與降水的時空分布有很大的相關(guān)性，地形越接近實際地形，降水的時空分布越接近實況；地形高度對降水的強(qiáng)度及落區(qū)影響較大。周天軍等[95]研究指出地形對模式降水的影響主要體現(xiàn)在降水增幅效應(yīng)和降水區(qū)分布結(jié)構(gòu)上，即模式地形增高，降水適度增加，雨區(qū)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。姜勇強(qiáng)等[96]研究了地形對1998 年7 月鄂東特大暴雨鞍型場影響，發(fā)現(xiàn)模式地形越真實，對中尺度低渦、鞍型流場以及降水的模擬越接近實況。殷蕾[97]通過對華東一次颮線過程進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)地形分辨率對降水影響比較大，高分辨率地形模擬降水更符合實況。

以上研究一致表明，模式地形越接近實際地形，模擬的效果就越好。模式本身的分辨率或形成模式地形的地形數(shù)據(jù)分辨率提高，有助于提高對預(yù)報區(qū)域的地形特征描述的準(zhǔn)確性。因此，可利用地理信息系統(tǒng)提供的高分辨率高程數(shù)據(jù)提取地形參數(shù)，以便形成更精細(xì)的模式地形，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究地形對降水影響，以提高精細(xì)化的降水預(yù)報水平。

3 結(jié)論

本文從數(shù)值模式出發(fā)，圍繞地形對天氣氣候影響，從垂直坐標(biāo)系選擇、減小氣壓梯度力誤差計算方案、地形參數(shù)化方案、地形區(qū)地面資料同化方案、模式地形構(gòu)造方法以及地形數(shù)值試驗等方面，回顧了數(shù)值模式中地形影響的處理方法、地形對天氣氣候影響及其作用機(jī)制的主要研究成果，并對其進(jìn)行了系統(tǒng)性梳理，主要結(jié)論如下：

（1）數(shù)值模式，無論是全球模式還是區(qū)域模式，對青藏高原及其周邊地區(qū)的數(shù)值天氣預(yù)報準(zhǔn)確率普遍低于同時期對其它地區(qū)的預(yù)報，其主要原因是該地區(qū)地形極為陡峭復(fù)雜。因此，在中國，特別是中國西部地區(qū)，提高數(shù)值模式的預(yù)報能力，與地形相關(guān)的垂直坐標(biāo)系與計算方案、地面資料同化方案、地形參數(shù)化方案、模式地形構(gòu)造等應(yīng)是關(guān)注和研究的重點(diǎn)。

（2）地形對暴雨的影響非常重要，地形的增幅效應(yīng)十分顯著。模式地形越接近實際地形，對大氣環(huán)流、天氣系統(tǒng)和氣象要素的模擬效果就越好。事實上，在陡峭復(fù)雜地形區(qū)，通常模式地形與實際地形存在較大差異。對一個確定分辨率的數(shù)值模式，在保持穩(wěn)定計算的前提下，如何考慮地形效應(yīng)，構(gòu)造接近真實地形的模式地形，進(jìn)而提高模式模擬效果的研究還相對較少。開展地形在不同天氣影響系統(tǒng)及環(huán)流的配置下如何影響局地和較遠(yuǎn)地區(qū)降水的數(shù)值模擬研究，將是揭示地形降水影響機(jī)制的另一重點(diǎn)。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)在數(shù)值模式中考慮地形影響的模式地形處理和地形影響機(jī)制的數(shù)值試驗研究，將有助于促進(jìn)數(shù)值模式進(jìn)一步發(fā)展，加深地形對天氣氣候影響機(jī)理的認(rèn)識，從而提高對天氣氣候的預(yù)報預(yù)測能力。