太行山地形影響下的新鄉市夏季降水分布特征

摘 要：為了揭示太行山復雜地形對新鄉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、自然間斷點分級法等，對新鄉市近年來夏季平均降水量做了空間插值分析，并通過2016年7月19日的一次地形暴雨過程，具體闡述太行山地形對新鄉市降水落區的影響。結果表明：新鄉市夏季降水高值集中在西北部的太行山區，且降水量分布與地形變化呈現良好的對應關系。地形是2016年7月19日新鄉市局地特大暴雨的重要觸發機制，低層東南風在山脈東側迎風坡被迫抬升，大量水汽及不穩定能量在新鄉市上空堆積并伴隨中尺度氣旋持續生成，地形使降水增幅明顯。本研究可以為提高新鄉市地形暴雨的監測和預報服務水平提供參考依據。

關鍵詞：暴雨；落區；ArcGIS；太行山

中圖分類號：P458 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170733187

引言

暴雨與地形關系密切，地形的陡然變化能夠為大氣運動帶來不同的動力、熱力效應，因而時常引發天氣系統產生局部的異常天氣，給預報帶來很大難度。新鄉市處在太行山南麓與華北平原結合地帶，地勢自西北至東南呈階梯下降，高差顯著。由于太行山的復雜地形可明顯改變邊界層流場結構，因此即便在同一影響系統控制下，新鄉市各站降水量也有顯著差異。2016年7月18日22：00—19日8：00，新鄉市全區出現暴雨、局地特大暴雨，強降水主要集中在北部的太行山迎風坡，最大值過程雨量357.6mm，為一次典型的地形暴雨。筆者將對新鄉市近年來夏季降水量進行統計匯總，借助ArcGIS10.0軟件繪制降水分布特征，并探索強降水局地高發的根本原因。此外，針對2016年7月19日這次典型的由地形引起的局地特大暴雨過程進行成因分析。

1 新鄉市夏季降水分布特征

借助ArcGIS10.0軟件的克里金插值法、自然間斷點分級法等，對新鄉市2011—2016年夏季平均降水量進行空間插值分析，結果如圖1所示。可見，跑馬嶺至寶泉水庫一線及其以北為平均降水量大于300mm的區域，且降水量自西北至東南呈遞減趨勢。將新鄉市DEM數據（圖2）與該降水量進行對比后發現，夏季降水量高值集中在西北部太行山區，且降水量分布與地形變化呈現良好的對應關系。由此更證實，太行山復雜地形對新鄉市夏季降水產生了明顯的增幅作用。

2 地形對新鄉市夏季降水中的作用

太行山呈東北西南走向橫亙于新鄉市西北部，山區占新鄉市總面積的22%，復雜地形對新鄉市的天氣系統特別是暴雨有著重要影響。研究表明，地形對大氣環流及天氣氣候的主要影響可分為動力效應和熱力效應[1]，下面將從這2方面展開詳細闡述。

2.1 動力效應

當來自海上的暖濕不穩定氣流向太行山東側迎風坡吹送時，其中一部分氣流被迫抬升，產生上升運動，一部分氣流則呈不規則折向，產生氣旋性輻合。新鄉市夏季低空盛行西南風至偏東風，當暖濕氣流遇到地形抬升時，常在迎風坡形成位勢不穩定層結。研究表明，中尺度低渦伴隨強烈的水汽輻合及位勢不穩定層結，并具有大尺度上升運動，容易產生強降水。新鄉市地形特點復雜，尤其是輝縣市北部近似兩面環山的直角地形，有利于中尺度擾動發生。當氣流進入該區域后，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展創造有利條件[2]。

2.2 熱力效應

地形的熱力效應主要體現在2方面：由于不同下墊面受熱而產生的熱力對流；氣流被迫抬升時所引起大氣潛熱釋放。當低層大氣存在水汽、熱量集中或氣旋性輻合時，將有利于垂直環流發展。地形引發的上升運動雖然僅限于低層，但伴隨水汽在向上運動的過程中逐漸凝結進而釋放潛熱的機理，可導致中、高層大氣升溫，從而促進垂直環流伸展更高。由于這種正反饋的作用，最終將導致降水出現顯著增幅[3-5]。新鄉市西北部山區在夏季夜晚常有對流回波生成，這也與地形的熱力效應息息相關。夜晚時，地表釋放輻射能會使溫度降低，而這將導致迎風坡上正的氣壓擾動增強。研究表明，氣壓擾動可以提高地形的阻塞作用，進一步加強氣流在迎風坡的被迫抬升。

3 由地形引起的一次局地特大暴雨過程分析

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，新鄉市普降暴雨，局地特大暴雨。其中，降水量超過100mm的共52個站點，超過250mm的共5個站點。強降水主要集中在北部山區，最大過程降水量357.6mm出現在輝縣市陳家院鄉。

3.2 天氣形勢分析

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

3.3 地面中尺度分析

由于中低空較強暖濕氣流向北輸送，促使地面圖上四川東部至河南西部的黃淮暖倒槽發展。18日夜間，地面暖倒槽頂部到達河北南部，從地面中尺度分析圖上（圖3a）可以發現，自河北有偏北風攜帶弱冷空氣擴散至豫北，與盛行的偏東風在新鄉市東部交匯，形成一條輻合線。太行山沿線露點溫度相差約5℃，兩側干濕分布不均易導致大氣層結不穩定。加之925hPa的10m/s超低空偏東風急流與山脈正交，暖濕氣流持續向山脈迎風坡吹送，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，在山區不斷觸發中小尺度強對流系統，產生了第一階段極高的降水效率。14：00（圖3b），太行山東側出現了一條輻合線和一條干線，后部干冷空氣緩慢向東推進。在博愛與武陟之間生成了一個中尺度氣旋，其自西向東移動過程中，給新鄉市南部帶來了大范圍降水。17：00—20：00，該中尺度氣旋在封丘縣附近長時間滯留，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生成的關鍵因素。

4 小結

本研究通過整理新鄉市轄區內131個自動雨量站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，清晰展現出降水分布特征。降水高值集中在西北部太行山區，其分布特征與地形變化呈現良好的對應關系。由此證實，太行山的復雜地形對新鄉市夏季降水產生了明顯的增幅作用。

太行山地形是新鄉市夏季強降水的重要觸發機制，這也是西北部山區平均降水量偏高的主要原因。地形影響主要分為動力效應、熱力效應。動力效應表現在：輝縣市北部近似兩面環山的直角地形可使暖濕氣流在迎風坡形成位勢不穩定層結，從而為中尺度低渦或輻合線的發展創造有利條件。熱力效應表現為：山區復雜的下墊面在受熱后易產生熱力對流，氣流被迫抬升時大氣的潛熱釋放能促進垂直環流伸展到更高的高度。

2016年7月19日新鄉市局地特大暴雨過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坡，致使低空形成位勢不穩定層結，在山區持續觸發中小尺度強對流系統。此外，由于地形影響給予氣流的氣旋性曲率，導致中尺度氣旋持續生成并在封丘縣附近長時間滯留，帶來極高的降水效率。

參考文獻

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

[2]陶詩言.中國之暴雨[M].北京：科學出版社，1980：13-23.

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

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

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

作者簡介：田曉璐（1988-），女，河南新鄉人，助理工程師，本科，主要從事短期天氣預報方面的研究。