普陀區(qū)域地形對降水分布的影響研究

中圖分類號：P461.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0099-06

1，2，1（1.市普陀區(qū)氣象局，浙江 ；2.市定海區(qū)氣象局，浙江 316000）

Abstract:Usingglobaldigitalelevationmodeldatawithaspatialresolutionof3OM，altitude，aspect，andslopedata were extracted，andcombinedwithroutineobservationdatafromautomaticstations，theimpactoftopographyinPutuoareaon precipitation was explored. The following conclusions are drawn: ① The terrain of Putuo District isa typical island with low mountainsandhill.9O%oftheareaisbelow15Ometershigh.Theoverallterrainisgentle.Thecoastalareasaremainlyflat andgentleslopes.Mostofthemountainousareasinthecentral partoftheislandaresteepslopes，andtheproportionofsharp slopes and dangerous slopes is low. ② Affected by terrain undulation，the northeast and south winds play a positive lifting role at mostrainfallstations，andthenorthandsouthwestwindsplayanegativelitingroleatmostrainfallstations，whichisrelatedto the direction of the large mountain ranges in Putuo District. ③ Thedynamic lifting effect of the terrain in Putuo District and the correlationbetweenaltitudeandprecipitationarepoor.ThisisrelatedtothelowterrainofPutuoandtheinabilitytotransport watervaportothelitingcondensationheight，thescateredislandsintheregion，thesmalltotalmountainousarea，thelarge terainrange，thesmallscaleweathersystem，thespatialdiscontinuityofdatabetweenislands，andtheimpactoftheoceanon precipitation.

Keywords:Putuo District;terrindynamic lifting;aspectandslope；precipitationdistribution;digital elevationmodel

暴雨在災害性天氣預報中擁有舉足輕重的地位，因地形原因造成的暴雨降水更是眾多學者研究的內(nèi)容。地形高度和尺度的多樣性，地形形態(tài)和分布的復雜性使得地形對降水的影響機理研究成為一個難點。通過地形的動力和熱力作用可以對山地附近局地氣流和相應的天氣系統(tǒng)造成改變，由此改變局地的降水和云系[1-2]。在地形的熱力作用方面，高坤等研究發(fā)現(xiàn)潛熱釋放的作用對中、高層增溫和高層輻散加強十分有利，從而有利于地形垂直環(huán)流向上伸展和加強，形成正反饋，最終導致地形對降水的強烈增幅。何鈺和李國平研究表明，青藏高原的熱力作用有利于大氣定長波的形成，持續(xù)性的降水和穩(wěn)定的定長波有顯著關(guān)聯(lián)，波動中心與降水中心存在較好的對應。冀春曉等研究指出地形能激發(fā)螺旋云帶中中尺度對流云團的發(fā)生發(fā)展，如果將地形消除，那么中尺度氣旋性渦旋便不復存在。而在動力方面，李子良利用中尺度數(shù)值模式研究了地形降水的產(chǎn)生機制，發(fā)現(xiàn)暖濕氣流通過大的山脈地形會造成回流降水天氣，大的山脈地形有利于風切變臨界層的產(chǎn)生。廖菲等鐘水新研究發(fā)現(xiàn)，地形降水的一個重要原因是地形造成的氣旋式輻合。一方面，氣流沿著山坡的迎風坡抬升，產(chǎn)生爬流；另一方面，如果山坡過高，氣流本身的動能不足，只能繞山而過，便產(chǎn)生繞流。暖濕空氣受地形強迫抬升過程中，在迎風坡易形成氣旋式輻合從而成云降水。此外，壽紹文等研究指出，地形重力波經(jīng)常出現(xiàn)在逆溫層、不穩(wěn)定層和強風切變情況下，其可以觸發(fā)強對流、傳輸能量、動量，特別是大振幅的重力波能誘發(fā)強降水。基于現(xiàn)有的眾多研究成果，本文選取了市普陀區(qū)常規(guī)氣象觀測站點2020年6—9月的39次降水過程，根據(jù)降水的空間分布將其劃分為大尺度降水和中小尺度降水，應用普陀區(qū)數(shù)字高程模型資料，從動力抬升和海拔高度2個方面，分析在降水分布中地形起到的作用，以期對未來預報提供一定的啟示。

1數(shù)據(jù)來源與處理

1.1數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)

本文選取GDEMV330M空間分辨率的基礎(chǔ)高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云。得到原始數(shù)據(jù)后根據(jù)普陀區(qū)行政邊界，運用ArcGis軟件平臺對其進行拼接和裁剪，進一步對高程、坡向和坡度因子進行提取。

1.2 自動站降水數(shù)據(jù)

降水過程依據(jù)降水系統(tǒng)的空間尺度可以被分為大尺度降水和中小尺度降水。前者主要由臺風、西風槽等大尺度系統(tǒng)引發(fā)，較長的持續(xù)時間，較廣的范圍（落區(qū)直徑在 200km 以上），相對均勻的降水分布是其主要特點，與之相反，后者的落區(qū)范圍偏小，降水分布呈現(xiàn)局地性。根據(jù)歷史資料6一7月為普陀區(qū)的梅雨季，6月月平均降水量為全年最多，7一9月為臺汛期，普陀區(qū)受臺風影響較為嚴重，故選取普陀區(qū)6—9月的降水作為研究對象有較好的代表性。本文選取了普陀區(qū)2020年6一9月的日降水量資料，剔除東極站點（該站遠離本島，空間跨度過大)后通過條件對其進行篩選，條件定義如下：將每天常規(guī)氣象觀測站點的降水數(shù)據(jù)記為一組，若日降水量大于等于 1.0mm 的站點比例大于等于 15% ，并且日降水量大于等于 5.0mm 的站點比例大于等于 10% ，則計為一次有效的降水過程，若日降水量大于等于 1.0mm 的站點比例大于等于 95% ，則記為大尺度降水過程，余下計入中小尺度降水過程。運用上述方法對降水數(shù)據(jù)進行分類，普陀區(qū)2020年6—9月共存在39次有效的降水過程，其中大尺度降水過程有28次，中小尺度降水過程為11次(表1、表2）。

2 研究方法

本文對降水量數(shù)據(jù)進行離差標準化，即對每組數(shù)據(jù)的每個站點日雨量求 r^*，r^*=(r-min)/(max-min) ，在一次降水過程中若該站點降水量越偏離平均值，則 r^* 越大，這表明地形對該地降水產(chǎn)生的增量越大，反之r^* 越小就表明地形對該站點降水產(chǎn)生增量作用越小。通過這種處理消除不同過程下降水量數(shù)值帶來的差異，僅體現(xiàn)每次過程地形影響下降水增益的分布。

地形對降水的影響包括地形強迫動力抬升、地形的熱力作用，地形重力波等多個方面，在這其中動力影響又可稱為直接影響，即在迎風坡面的動力抬升造成降水，而其他影響可劃分為間接影響?；谝陨显蚝同F(xiàn)有自動站觀測數(shù)據(jù)，本文只選取了動力作用和站點海拔高度2個因素研究地形對降水的影響，提取GDEMV3資料中地形的坡向和坡度數(shù)據(jù)，定量研究其不同與降水分布之間的關(guān)聯(lián)。定義每一次降水過程中各個站點對應的數(shù)值為 R_i，i 為降水過程；降水站點附近的地形動力抬升值為 P_i; 降水站點的海拔高度為H_i° 計算每個降水站點不同地形下的動力抬升值，讀取每個降水站點的海拔高度值，應用擬合回歸的方法計算每次降水過程中這2個自變量對降水分布的影響系數(shù)，進而形成每次過程的函數(shù) R_i=F(P_i，H_i) 。求得的函數(shù)不存在明晰的物理意義，僅從統(tǒng)計學的角度表示地形(動力抬升和海拔高度2個方面)對降水分布的影響程度。

3 地形分析

高程反映一個地區(qū)地勢的高低。由圖1(a)可知，普陀區(qū)每個島嶼地形屬典型海島低山丘陵，基本呈現(xiàn)中部地勢高，四周沿海低的特點。全區(qū) 90% 的地區(qū)高度在 150m 以下，最高點位于桃花境內(nèi)安期峰。

坡度指地面傾斜度，能直觀表示地表陡緩程度。坡度值較低表明地勢較平坦，坡度值較高則地勢較陡峭，根據(jù)以往研究經(jīng)驗以及研究區(qū)的實際情況，將坡度分為8級。由圖1(b)可以看出，普陀區(qū)整體地勢平緩，沿海地區(qū)以平坦、緩坡為主，島嶼中部山地多為陡坡，急坡、險坡比例較低。

坡向也稱為坡面傾角，指地表面上一點的切平面的法線矢量在水平面的投影與過該點的正北方向上的夾角。在氣象上，不同坡向的地表對同一個方向吹來的風會形成不同的影響，

4個例分析

4.1 地形對水平風的動力抬升

根據(jù)周學云等[]、傅抱璞的研究可知，設(shè)任意一斜坡的坡度為 α ，坡向為 θ₁ ，水平風風向為 θ₂ ，風速為V ，將水平風分解為正對斜坡方向 V^′_n 和平行于斜坡方向的 兩個分量，后者不受山坡影響，不產(chǎn)生動力抬升，僅考慮前者的作用，故僅計算 V^′_n=Vcos(θ₁-θ₂)， 0受到斜坡的阻礙影響，該分量又可分解為沿著坡面向上吹的分速 V_s 和垂直坡面吹的分速 V_n ，由于 V_n 與坡面垂直，在和坡面的正面沖撞摩擦后其大部分動能都將被損耗，或轉(zhuǎn)化為渦動能，不再生成任意一方向的系統(tǒng)分速。由此可知，只有沿坡面向上吹的分速 V_s 能使氣流產(chǎn)生抬升作用， V_s 在垂直方向所產(chǎn)生的分速就是地形抬升速度 V_g

V^′_n=Vcos(θ₁-θ₂) ，

根據(jù)公式分析，風向和坡向之間的夾角越小，水平風風速越大，則地形抬升速度越大，在垂直方向上的動力抬升作用就越大。另一方面，當?shù)匦纹教?，即坡度?0^° 時， V_g=0 ，地形對氣流無法產(chǎn)生動力抬升作用。當 α<45^° 時， V_g 隨 α 增大而增大，這表明坡越陡，地形對氣流的動力抬升貢獻越大，但是當坡度 α=45^° 時，

V_g 的值達到最大，當 α>45^° ， V_g 隨 α 增大而減小，可見地勢過于險峻反而不利于氣流的向上抬升。當 α= 90^° 時， V_g=0 。當山坡坡向與水平風向的夾角超過 90^° 時， cos(θ₁-θ₂)<0 ，則 V_g<0 ，山坡就從迎風坡變成了背風坡，其對垂直方向上的動力抬升運動反而起負作用。綜上可知，地形雨一般都發(fā)生在地形變化較大的地方，并且與風的來向密切相關(guān)。依據(jù)上述方法，將風速默認為1個單位，模擬整層風向為一致正北風(0^°) ）、東北風 (45^° ）、東風 (90^° ）、東南風( 135^° ）南風（ 180^° ）、西南風（ 225^° ）正西風 (270^° 和西北風 (315^°) ）時普陀地區(qū)常規(guī)氣象觀測站點的動力抬升系數(shù)（圖2)，分析可知，普陀地區(qū)常規(guī)氣象觀測站點所處地形對不同風向的抬升作用比較復雜，僅從迎風坡和背風坡的角度分析，東北風、南風在多數(shù)雨量站起到正抬升作用，北風、西南風在多數(shù)雨量站點起到負抬升作用，這與普陀區(qū)大的山脈走向有關(guān)。其中東港站點對于所有風向的水平風正負抬升作用均較為顯著，魯家峙、展茅、馬跳頭站點對大多數(shù)風向的水平風正負抬升作用較為顯著(除正東、正西風)，小郭巨站點對大多數(shù)風向的水平風的正負抬升作用較為顯著(除西南風)，這說明上述站點的地形對不同風向水平風的抬升影響相對更強，這些地形可能對降水的影響作用相對其他地形更為明顯。

4.2 風的計算

風場的計算采用矢量平均法[12-13]。矢量平均風向即平均時間內(nèi)風矢量的合成方向，設(shè)風向為 A （單位為 ° )，風速為 s ，其計算方法為

式中： S_i 為第 i 個樣本風速矢量的模； X 為風在 x 方向(東一西)的平均風速矢量; Y 為矢量風在 y 風向(南一北)平均風速矢量。

合成的平均風向 A_v 為

A=(270-atan2(Y，X)×180.0/π)%360.0°

式中： atan2(Y，X) 為計算復數(shù)的輻角函數(shù)； % 表示取余數(shù)。

平均風速 S_v 為

選取每個站點的小時最大風速和風向數(shù)據(jù)，選取主要降水時段對應的風的數(shù)據(jù)，利用該方法可以求出該時段內(nèi)地形對水平風的動力抬升值。對該值做離差標準化處理，消除單位對數(shù)據(jù)的影響，得到抬升值 P_i°

4.3 海拔高度

地形對降水的影響顯然和海拔高度之間密切相關(guān)，提取每個站點的海拔高度數(shù)據(jù)，同樣進行離差標準化處理，去除單位對數(shù)據(jù)的影響，得到高度值 H_i 這一統(tǒng)計變量。

4.4個例統(tǒng)計

利用上述方法統(tǒng)計每次個例過程的 P_i 值和 H_i 值，與每次過程的 R^* 值做多元線性回歸，分析它們之間的相關(guān)性。仔細觀察結(jié)果可知，對于中小尺度降水個例，多元線性回歸自變量的 Ψ_tΨ_t 檢驗大多無法通過顯著性檢驗，自變量對因變量基本不存在影響。對于大尺度降水個例，即使剔除6月4日降水主要集中在湖泥、桃花，6月27日降水集中在展茅、東港，9月14日降水集中在六橫地區(qū)等降水分布有明顯局地性的個例，自變量通過顯著性檢驗的比例仍然不高。綜上可知，普陀地區(qū)的地形動力抬升作用和海拔高度與降水量之間相關(guān)性較差，降水量的多少更多依賴于其本身降水回波的分布。表3、表4僅展示通過 χ_t 檢驗的方程標準系數(shù)和 P 值。

4.5 累計雨量統(tǒng)計和結(jié)果分析

為避免個例的隨機性，統(tǒng)計普陀區(qū)2017—2022年存在連續(xù)雨量及風數(shù)據(jù)的自動站站點的累計降水量，統(tǒng)計上述站點的海拔高度，根據(jù)上文方法計算該時段內(nèi)的地形動力抬升值，對上述數(shù)據(jù)均進行歸一化處理，做多元線性回歸，結(jié)果自變量的 Φ_t 檢驗的顯著性仍然較差，這就說明了普陀區(qū)整體地形的動力抬升作用和海拔高度與降水量之間相關(guān)性較差。從地理位置可知，普陀區(qū)由眾多海島組成，島嶼之間都是海洋，缺乏自動站數(shù)據(jù)，這讓數(shù)據(jù)缺少了空間連續(xù)性，另外部分島嶼面積小，島上站點少，更增加了數(shù)據(jù)的偶然性，同時島嶼之間的洋面也會給降水的發(fā)展帶來一定影響。顯然上述原因都會對研究帶來一定的干擾，但從天氣學的角度來說，水汽抬升凝結(jié)形成云滴，大小云滴在運動中碰撞并聚合，不斷增大，大氣無法支持，最后落到地面，形成降水。盡管大氣的抬升凝結(jié)高度與溫度、濕度多種因素相關(guān)，但普陀區(qū) 90% 的地區(qū)山脈高度都在 150m 以下，整體地勢較低，地形的抬升作用有限，無法將水汽輸送到抬升凝結(jié)高度，也就無法對降水形成助力。另一方面，普陀區(qū)屬于海島低山丘陵，山地面積少，山地陡坡少，急坡、險坡比例更低，對比大型山脈如太行山，普陀區(qū)的地形對天氣尺度過程來說范圍較小，無法形成長期的作用。此外地形對降水的影響還包括熱力作用，由于地面加熱不均勻或氣層冷暖平流等原因?qū)е麓怪狈较蛏系拇髿忪o力不平衡而產(chǎn)生局地性系統(tǒng)，由于缺少觀測資料，本文未對其進行研究，今后可以作為一個方向繼續(xù)進行探討。

5 結(jié)論

普陀區(qū)的地貌呈現(xiàn)典型的海島低山丘陵特征，海拔低于 150m 的面積占全區(qū)比例的 90% ，地勢總體平緩，急坡、險坡很少出現(xiàn)，中部山地多為陡坡，向四周海岸線發(fā)展則越發(fā)平坦，以緩坡為主。

由于地形存在起伏，普陀區(qū)域地形對不同方向的風的作用較為復雜，東北風、南風在多數(shù)雨量站點為正抬升，北風、西南風在多數(shù)雨量站點為負抬升，區(qū)域內(nèi)大的山脈走向與這個結(jié)論有較好的對應。東港、魯家崎、展茅和馬跳頭站點對大多數(shù)風向的水平風正負抬升作用較為顯著，這說明上述站點的地形對不同風向水平風的抬升影響相對更強，這些區(qū)域地形可能對降水的影響作用相對更為明顯。

普陀區(qū)全區(qū)降水量分布與地形的海拔高度、地形的動力抬升作用關(guān)聯(lián)性較弱，從地勢因素分析，全區(qū)海拔高度普遍較低，水汽無法通過地形的強迫抬升到達抬升凝結(jié)高度，從地形格局分析，島嶼分布分散且山地總面積有限，地形尺度相比大尺度天氣系統(tǒng)較小。此外由于島嶼間存在洋面使得數(shù)據(jù)在空間尺度上存在不連續(xù)性，同時洋面本身也對降水存在一定的影響，待觀測資料更為豐富完善后，地形的熱力作用是未來的探討方向。

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(上接98頁）

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已知坐標比較，可知 X 坐標較差為 0.009m，Y 坐標較差為 -0.003m ，轉(zhuǎn)換精度質(zhì)量較高，詳見表8。

3結(jié)論

1)已知公共點（不少于3個）坐標和CGCS2000坐標投影參數(shù)的情況下，利用HGO軟件可解算獨立坐標系投影參數(shù)。

2)利用HGO軟件和公共點(不少于3個）坐標，可進行獨立坐標系和2000國家大地坐標系坐標換算。

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