青藏高原東北邊坡復雜地形重力波的數值模擬

摘要 基于2007年7月青海祁連站的野外加密探空資料，結合高分辨率的三維邊界層模式，模擬研究了青藏高原東北邊坡復雜地形條件下，邊界層對流引起的干動力過程對該地區地形重力波產生及傳播的影響機理。結果表明：在不同的背景場強迫下，高原東北邊坡復雜地形上空對流和重力波的空間結構存在較大差異。當背景風向與山體垂直時，隨著風速增加，山脊背風坡混合層頂附近大氣不穩定能量加強，激發了下游區域較強的重力波信號，此時對流線組織性增強、重力波波列較長，高水汽含量的空氣被波峰傳輸到較高的高度，為對流云發展提供了有利條件;當背景風向與山脊走向平行時，山頂上空對流發展旺盛，山脊背風坡混合層頂大氣狀態較穩定，激發的地形重力波信號較弱且波列較短，整個混合層頂附近水汽較少，對流云形成條件減弱;當背景大氣浮力頻率減小時，整個區域上空對流發展更加旺盛但組織性減弱，背風坡下游重力波向上傳輸的距離減小，信號不顯著，混合層頂附近水汽分布均勻且變化幅度較小，有利于層狀云發展。

關鍵詞青藏高原東北邊坡;邊界層結構;地形重力波;數值模擬

地球表面普遍存在不同尺度的非均勻下墊面（張強等，2017）。地形起伏較大的下墊面不僅可以通過影響太陽輻射作用改變區域水熱平衡（劉屹岷等，2020），而且還可以通過動力強迫作用改變區域風場和局地環流過程（付超等，2017）。地形對氣流的動力強迫主要表現為強迫性抬升和地形重力波，地形是重力波產生的一個重要來源。這種由復雜地形強迫激發的周期性大氣振蕩，其傳播和破碎過程中產生的動量垂直輸送和不穩定能量釋放，可以引起上下層大氣之間物質和能量交換（魏棟等，2016），甚至觸發中尺度強對流天氣過程（覃衛堅等，2013），從而影響降水強度和落區（鐘水新，2020）。

現實中，能夠激發地形重力波的復雜下墊面十分常見，主要分為中小尺度的丘陵及山谷、高原或大地形引起的復雜山地，以及不同尺度地形過渡處及內部地形陡變區。以往針對不同類型復雜地形強迫產生重力波的結構特征、形成機理及其對局地和區域強對流發展及降水的觸發機制等方面開展了大量的理論、探測和模擬研究。研究發現，地形引起的重力波一般可分為過山波和背風波，其中在海拔較低、尺度相對較小的山區上空邊界層中常常能夠觀測到振幅為10～70 dPa之間的重力波活動（李藝苑，2009），隨著背景風切變和大氣層結穩定度的不同，重力波在垂直方向的變化幅度可從幾百米到上千米（桑建國和李啟泰，1992）。另外，在地勢相對平坦的黃土高原典型塬區，夜間經常出現周期大約為60 ～110 s的地形重力波，這與該地區夜間1～3級的弱風速條件和穩定大氣層結有關（張署林等，2020）。利用高分辨率邊界層模式對我國西北地區復雜山區上空速度場的模擬結果顯示，對流混合層頂存在對流活動和地形重力波的相互作用，對流加強或減弱會受到重力波上升區的影響，同時重力波的走向很可能會影響到深對流系統的傳播路徑（黃倩等，2007）。事實上，中小尺度地形強迫產生的重力波不僅會影響山區邊界層的流場分布，還在突發性強降水過程中發揮著重要作用。謝家旭和李國平（2021）基于多資料融合對四川盆地西南部重力波活動的診斷結果表明：該地區獨特的地形和切變不穩定共同觸發了波長約150 km，持續時間約5 h的重力波，強降水落區和強度與重力波的傳播路徑以及破碎過程中釋放的不穩定能量大小有關。相比于中小尺度山谷和丘陵，高原或大地形引起的復雜下墊面對氣流的動力強迫抬升作用更加顯著，地形強迫產生的重力波的水平和垂直波長更長，維持時間更久（張靈杰，2010）。以往的研究發現，青藏高原獨特的地形導致其上空重力波非常活躍，強烈的波活動是該區域上對流層－下平流層（UTLS）之間物質和能量交換的關鍵機制。魏棟等（2016）對青藏高原北側上空重力波的模擬研究指出，該地區自西向東傾斜垂直上傳至平流層的地形重力波，導致了UTLS區域物質和能量的垂直輸送，重力波破碎引起了垂直方向強烈的湍流混合和對流層臭氧侵入平流層。不僅如此，高原大地形激發的重力波活動也是該區域夏季降水和冬季降雪等一些中尺度天氣過程觸發的重要因素。在青藏高原東北側，夏季強降水過程中重力波的動力作用下，其伴隨的上升運動和對流上升區的重合促進了強對流發展，使得降水加強（吳迪等，2016）。李馳欽等（2018）研究發現，青藏高原西部降雪之前對流層中高層存在水平波長300 km左右的西南－東北走向的重力波，與之對應的規則上升與下沉運動為中高層的水汽凝結和動力抬升提供了必要條件。青藏高原東北邊坡因地形陡峭度和山脈起伏更大，極易誘發地形重力波。但因該區域重力波生命史通常較短，此類現象過程及其災害性天氣很難被捕捉到，加之高原東北邊坡觀測站網稀疏，導致對其上空氣流場分布和重力波結構了解較少，對這種復雜地形條件下中尺度對流系統的觸發與維持機理認識不足（Aitken et al.，2014;Sun et al.，2020）。

事實上，理論模型和模擬結果都表明，地形強迫的重力波分布及結構特征主要受到地形參數、大氣穩定度以及背景風場的影響（Koch and Golus，1988;楊國祥等，1991;Zhang and Fritsch，2002;程胡華，2017;張涵斌等，2022）。魏家瑞等（2019）基于大氣運動方程組建立的二維模式再現了地形重力波從產生、傳播到充分發展的整個過程，并分析了理想地形上空重力波產生和傳播過程中的動力機制，對比驗證了模擬與理論模型給出的各個階段重力波水平和垂直波長。郭欣等（2013）利用中尺度模式模擬研究了三維鐘形理想地形條件下，背景大氣的層流速度對濕條件不穩定大氣層結下地形重力波與云降水關系的影響，結果表明：當氣流爬山能力較弱時，地形的阻擋使得地形重力波主要產生在迎風坡，并向上游傳播，迎風坡云系由最初的層狀云逐漸發展為準穩定淺對流波狀云，迎風坡容易產生降水;當氣流爬山能力較強時，地形重力波主要形成在背風坡并向下游方向傳播，山頂附近會形成準穩定波狀云，緊靠山頂的背風坡一側容易產生降水。盡管，以往大量的研究有助于我們對地形強迫產生的重力波動力學理論、形成機理、及其對上、下游對流系統發展的影響有了較為清晰的認識（陳煒和李躍清，2018）。但總體來看，大多數研究集中于理想地形的模擬，對真實復雜下墊面強迫產生的重力波活動規律掌握較少;另外，一些針對實際地形的研究重點探討了地形重力波對云降水影響機理方面，對干動力過程在重力波形成發展中的作用關注較為欠缺（杜亮亮等，2012;解承瑩等，2015）。

從現有的模擬結果來看，高原邊坡的地形重力波過程對降水有顯著的影響（王文等，2011;王宇虹和徐國強，2017），而大多數中尺度模式中地形重力波拖曳參數化方案的阻尼系數往往是固定的，在地形坡度較大的高原東北邊坡這種模式參數誤差，致使該地區重力波上傳的最大高度及水平空間尺度難以準確預測，通常會造成高原東北邊坡的強對流降水預報頻次偏多、強度偏大（Zhao et al.，2017;Wang et al.，2018）。因此，對于大氣條件偏干的高原東北邊坡，厘清邊界層對流引起的干動力過程的影響機制，有助于提高青藏高原東北邊坡對流觸發機理的認識。鑒于此，本文利用高分辨率的三維邊界層模式，模擬了不同背景場強迫下，高原東北邊坡復雜地形上空對流和地形重力波較精細的空間結構特征，并探討了對流運動狀態對地形強迫重力波傳播，以及湍流和重力波相互耦合的動力輸送過程對水汽的影響。以期對今后更深入地認識和理解復雜地形條件下對流與重力波之間相互作用機理，以及改進和提高中尺度模式對高原東北邊坡強對流降水的預報預測能力提供一定的支撐。

1 模式和方法介紹

1．1 模式介紹

研究所用數值模式為英國氣象局開發的高分辨率三維邊界層模式BLASIUS（Boundary Layer Above Stationary，Inhomogeneous Uneven Surface Version3．03，模式詳細介紹見Tian and Parker，2002;王嬋，2011），該模式被廣泛應用于模擬復雜地形上空過山氣流、湍流分離以及地形重力波等。模式采用一階湍流閉合方案，這與Deardorff（1974）所用大渦模擬中湍流閉合方案思想類似。模式模擬的水平區域為200 km×200 km，垂直高度為10 km。模式采用地形追隨坐標，在水平方向采用1 km的均勻網格距（200×200個格點），垂直方向采用隨高度變化的伸縮網格（共30層，其中在5 km以下分辨率較高）。模式的運動方程和坐標轉換方程均采用有限差分格式進行離散化處理。模式水平方向為周期側邊界條件，垂直方向在23高度處加入瑞利阻尼層。模式初始場選取了2007年7月17日在青海祁連站07時GPS探空風、溫、濕、壓等資料，地形資料來源于1．8 km×1．8 km的高程數據（數據來源https：／／topex.ucsd.edu／WWW_html／mar_topo.html）。這里需要說明的是，本文所用的BLASIUS邊界層模式中沒有水汽相變相關的參數化方案，因此模擬過程也沒有考慮潛熱釋放對邊界層的作用，研究中所有試驗模擬的都是干對流過程。

1．2 研究區概況

研究所選區域為青藏高原東北邊坡青海祁連站附近山體，大致范圍為100°E～102．5°E、38°N～40．5°N，研究區域整體地形及植被覆蓋，如圖1a所示。可見，該地區整體海拔較高且地形陡峭，下墊面特性極其復雜。區域內存在一個西北－東南走向的主山脊，其平均海拔接近2．6 km，區域內最大海拔高度超過4．0 km，位于區域西南角。圖1b給出了隨機抽取研究區500個格點上模式輸入的實際地形高度和輸出的模擬高度對比，總體來看模擬的地形高度與實際地形數據較為一致，只是在個別大于3 km的位置模式模擬高度偏低，但并不影響模式對高原東北邊坡復雜地形特征的刻畫。為了更清晰地看出該地區對流活動和重力波傳播隨著復雜地形起伏的發展變化過程，在后續的研究中主要選取了橫跨主山脊的38．8°N剖面進行分析。

1．3 數值試驗設計

該研究選用了2007年7月青海祁連站加密觀測的小球探空資料，利用試驗期間典型雨天7月17日07時風、溫、濕、壓作為模式初始場驅動了標準試驗A1（如表1）。之所以選擇雨天作為模擬對象，是因為復雜地形條件下雨天產生的重力波信號更容易捕捉。前期研究表明，對于給定的山體，重力波的形成發展主要受背景氣流速度、來向和大氣層結穩定度的影響。因此，為了進一步深入地了解不同背景場強迫下高原東北邊坡復雜地形上空對流活動和重力波傳播機制，這里分別設計了三組共9個試驗。其中，第一組為風向（220°，與山體垂直的西南風）和浮力頻率（N=0．012 s-1）與標準試驗相同，只改變背景風速的試驗（表1中的A1、A2和A3）;第二組為浮力頻率保持不變（N=0．012 s-1），風向為310°時（與山體平行），改變背景風速的試驗（表1中B1、B2和B3）;第三組為風向保持不變（220°，與山體垂直），浮力頻率減小為0．006 s-1時，改變背景風速的試驗（表1中的C1、C2和C3）。表1中列出了與試驗相關的一些主要參數。其中，Fr表示Froude數（Fr=U／（Nhmax），U為背景風速，N為浮力頻率，hmax為區域內山體的最大相對高度約2 407 m），是氣流過山理論中反映氣流爬山能力的關鍵因子。Fr數越大，氣流越容易越過山脊，當Fr數大于 1 時，背景大氣的水平流速大于地形強迫下重力波的傳播速度，此時氣流比較容易越過山脊并向山下游方向傳播;Fr數較小時，氣流爬坡較困難，部分氣流在山前迎風坡被阻塞或繞山分流，此時地形強迫的重力波速度大于背景大氣的流速。一般，當 Fr大于0．5時，氣流就具備了過山的能力（郭欣等，2013）。

2 模擬結果

2．1 模擬與實測結果對比

從標準試驗（表1中A1試驗）模擬的2007年7月17日位溫、比濕和風速隨高度的變化與實測資料對比可以看出（圖2），模式模擬的各變量與實測結果之間存在一些偏差，這不僅與高原東北邊坡復雜地形條件下氣象場的非均勻性較大有關，還與所用BLASIUS模式對邊界層湍流的模擬方法有關（該模式使用RANS方法模擬的湍流最終得到的是時間平均后的結果）。其中，模式對位溫的描述相對較好，而模擬的比濕整體偏大（這與該模式沒有與水汽相變相關的微物理過程有關），且風速在水平方向變化幅度較小。這里需要說明的是，為了將模擬結果與觀測廓線進行匹配對比，圖2中垂直坐標給出的是相對高度，即模擬高度減去祁連站的海拔高度（2．6 km）。盡管由于模式本身的設置及下墊面的復雜性，導致了模式對比濕和風速描述與實測之間存在一些偏差，但總體上來看，14和19時模擬與實測位溫垂直廓線的結構及分布較為一致，這說明該模式基本能夠反映出高原邊坡復雜地形上空大氣邊界層（Atmospheric Boundary Layer，簡稱ABL）的基本結構特征。在雨天，地表感熱通量較弱，且受到云覆蓋的影響，地表吸收的短波輻射減少，邊界層發展主要由低空急流導致的強風切變驅動。從圖2c中14和19時實測風速可以看出，14時近地面風速較大可達60 m／s（與復雜地形引起的地表摩擦速度較大有關），近地層湍流發展旺盛，隨著風速快速減小，湍流混合受到抑制，高原東北邊坡對流混合層高度約為0．8 km左右，且其上部有一層較為深厚的逆溫層覆蓋。盡管前一天是發展較為充分的晴天邊界層，但在雨天地表熱通量本來較低，近地層較大的風切變降低了地表對大氣的加熱效率，使得當天的對流混合層發展較緩慢，且主要以機械湍流占主導。到了19時，混合層高度繼續降低，已不足0．6 km，這與雨天沒有持續的地表熱量供應有關;且其上部覆蓋逆溫層越來越厚，這種ABL結構在后續地表熱量不足的前提下，很難發展為較深厚的對流層（王蓉等，2020）。

2．2 不同背景場強迫對ABL垂直結構的影響

從圖3中各敏感性試驗模擬的14時位溫廓線對比可以看出，在不同背景場強迫下，ABL垂直結構及分布存在一定的差異。當風向和浮力頻率與標準試驗相同，只改變背景風速的大小時，隨著風速增加（A組試驗），對流混合層中低層（0．7 km以下）變冷，這主要是由于地表熱量較低時，風速增加會降低地表對大氣的加熱效率造成的。盡管風速增加不利于混合層低層加熱，但混合層高度卻有所增加，這與增大風速加快了對流混合層頂部夾卷過程有關，上部暖空氣與混合層頂附近空氣之間交換更加頻繁，因此A3和A2試驗中混合層頂附近（0．9 km和0．88 km）空氣也較A1試驗中更暖，同時A3試驗中呈現更為清晰的混合層。當浮力頻率保持不變，背景風向為310°時（B組試驗），與風向為220°時相比（A組試驗），整體上對流混合層發展高度稍高，但此時混合層更接近于中性層結，其中低層相對更暖，而頂部相對更冷，這說明風向對ABL內物理量分布起著重要的作用。相比之下，當背景風向保持不變，而浮力頻率減小時（C組試驗），ABL結構發生了明顯的變化，即浮力頻率減小造成的大氣穩定度降低加速了ABL發展，此時對流混合層位溫明顯升高且厚度增大，其中C2試驗混合層可以達到1．3 km，比A2試驗增加了近0．42 km左右。這說明背景大氣浮力頻率減小更有利于ABL在垂直方向的混合和貫通。

2．3 不同背景場強迫對對流和重力波過程的影響

2．3．1 不同背景場強迫下對流和重力波的垂直結構特征

為了直觀地反映出不同背景場強迫下青藏高原東北邊坡復雜地形上空對流和重力波的垂直結構特征，圖4給出了各敏感性試驗模擬的14時垂直速度和位溫的垂直剖面。總體來看，圖4中垂直氣流有明顯的上升和下沉間隔分布，這與陰雨天較小的地表加熱和較大的風切變（圖2c）導致了排列規則的邊界層對流有關，正好符合邊界層對流卷形成的條件，此時邊界層湍流主要是機械湍流。另外，從圖4a可以看出，由于標準試驗（A1試驗）中Fr數較小僅為0．27，迎風坡（山體的西邊）的氣流很難越過山脊到達整個區域上空，地形動力抬升作用使得模擬區域內較高山脊的迎風坡（y=-100 km至-80 km區域）存在一個較強的輻合上升區，而在較高山脊的背風坡（山體的東邊）（y=-70 km至-50 km區域）出現了明顯的補償性輻散下沉區。當部分氣流繞過較高的山脊后，繼續爬升一個較低的山脊，較低山脊的迎風坡和山頂上空對應著較弱的上升氣流區，并在過山后的下游區域出現了大范圍的補償性下沉氣流區。此時，在第二個較低山脊下游區域出現了信號較弱，水平波長約為35 km左右，垂直方向可上傳至5．5 km高度的重力波。

當背景風向和浮力頻率保持不變的前提下（A組試驗），隨著風速增加，Fr數逐漸增大，迎風坡氣流越容易越過山脊，也更容易在下游區域產生重力波信號。這從圖4a、b和c對比可以清晰地看出，在A2和A3試驗中，模擬區域第二個較低山脊下游區域混合層內上升和下沉運動排列得更加規則（重力波的波列），且混合層頂上部位溫等值線變化幅度增大，說明地形強迫的重力波傾斜向上東傳越明顯。此外，背景風速增加，地形重力波信號在較高的第一個山脊上游區域逐漸減弱，而在較低的第二個山脊下游區域信號越來越明顯，振幅明顯增大（位溫等值線變密且波動幅度更大），尤其是A3試驗中海拔3．3 km存在顯著的重力波波列。

當背景大氣的浮力頻率保持不變，而風向改變與山脊走向平行時（B組試驗），總體上模擬區域上空對流發展的平均高度與A組試驗中相差不大，但整個ABL內對流的強度有明顯增強（用垂直速度最大值表示對流的強度），這表明當風向與山脊平行時更有利于山地上空對流的混合，尤其是風速較大時（B2和B3試驗，圖4e和f）混合更加劇烈。另外，相比于A組試驗，B組試驗中模擬區域第一個較高山脊上游區域和第二個山脊下游區域輻合上升氣流有所增強，但重力波的信號明顯減弱，這說明當風向與山脊平行時，高大地形的動力抬升作用加強但重力波信號卻有所減弱，此時有利于ABL內部能量和物質的混合，而不利于ABL與其上部的交換。

當背景風向保持不變，而浮力頻率減小時（C組試驗），模擬區域上空對流發展比A組試驗中更加充分，其中對流發展的高度和強度都有明顯增大。尤其是在風速較大時（C2和C3試驗，圖4h和i），研究區第一個較高山脊迎風坡的輻合上升氣流顯著增強，在合適的水汽條件下該區域強烈的動力抬升作用極易誘發深對流系統并形成對流性降水。此外，相比于A組試驗，隨著大氣靜力穩定度減小，產生重力波的條件得不到滿足，不管是山前迎風坡還是山后下游區域重力波信號都越來越弱。此時復雜地形上空垂直運動的隨機性增大，對流分布也會變得更加不規則，這可以進一步從垂直速度的水平空間分布（圖5和圖6）更加清晰地看出。

通過對比可以看出，不同的背景場強迫下，高原東北邊坡復雜地形上空對流活動與重力波在垂直方向的分布存在較大差異。其中當風向與山脊走向垂直、且風速較大時，迎風坡氣流更容易越過山脊，并在山脊下游以重力波的形式進行傳播，從而影響下游地區的天氣變化。

2．3．2 不同背景場強迫下對流和重力波的水平結構特征

隨著地表加熱大氣，對流泡逐漸從地面開始向上發展，并形成對流混合層，其上部仍為相對較穩定的層結，在該層大氣內重力波清晰可見。當對流充分發展時，其上部的穩定層結逐漸消失，地形強迫的重力波逐漸與地面失去聯系而消失。因此，對流混合層頂是低層熱力對流與地形強迫下的重力波相互作用的關鍵界面（黃倩等，2007）。從圖3中各試驗模擬的位溫垂直廓線可以看出，三組試驗中對流混合層頂大約在相對高度0．6～1．4 km，即海拔高度3．2～4．0 km左右。因此，為了更清晰地呈現不同背景場強迫下對流活動和重力波的水平空間結構，圖5和6分別給出了對流混合層內部（3．0 km）和對流混合層頂附近（3．5 km，均為海拔高度）垂直速度的水平剖面。其中，3．0 km剖面可以反映出熱力對流的細微結構特征，3．5 km剖面能夠反映出重力波波列較為清晰的分布。

從標準試驗（A1試驗）模擬的兩個水平剖面上垂直速度的空間分布可以看出（圖5a和6a），當Fr數較小僅為0．27時，氣流相對不容易越過高大山脊，模擬區域第一個較高山脊上游區域對流混合層內（3．0 km，圖5a）對流活動發展非常旺盛，其形式主要表現為環狀對流泡;隨著高度的增加，在對流混合層頂附近（3．5 km，圖6a），部分環狀對流泡的強度有所減弱，并逐漸發展成線狀對流（x=-100～-80 km，y=-60～-20 km），此時重力波波列非常明顯。當部分氣流爬山后與繞流氣流匯合并在較高山脊的背風坡形成了下沉氣流，同時氣流二次爬坡后在較低山脊的背風坡出現了大范圍的補償性下沉氣流，并在下游區域出現了信號較弱，波列較短的重力波信號（圖6a中x為40～80 km，y為20～80 km）。隨著背景風速增大，Fr數逐漸增大，氣流爬坡變得相對越來越容易，較高山脊上游的熱力對流強度明顯增強（圖5b和c），第二個較低山脊下游區域上空的重力波信號增強且波列長度明顯增大（圖6b和c）。

當背景大氣浮力頻率保持不變，模擬區域風向與山脊走向平行（B組試驗）時，整體上模擬區域上空熱力對流強度較A組試驗有所增強，尤其是在對流混合層內部（3．0 km高度）的第二個山脊下游區域（圖5d、e和f，x為0 ～60 km，y為-20～60 km）更為明顯。隨著背景風速增加，對流混合層頂附近（3．5 km）對流活動仍以環狀對流泡為主，僅在小范圍出現了線狀對流，此時重力波信號較弱，且波列較短（圖6 d、e和f，x=60～100 km，y=-100～-20 km）。

當背景風向保持不變，減小模擬區域的浮力頻率時（C組試驗），Fr數明顯增大，氣流相對更加容易越過山脊，此時模擬區域第一個較高山脊上游區域上升氣流范圍減小而對流強度卻明顯增強，混合層內（3．0 km）的對流主要以熱對流泡為主（圖5h、i和j）。同時，大氣穩定度減小使得研究區上空混合層內對流發展更加旺盛，此時混合頂附近（3．5 km，圖6h、i和j）有明顯的對流線存在，但重力波信號卻較A組試驗中變弱。隨著背景風速增加，Fr數逐漸超過1．0，此時氣流很容易越過山脊，因此研究區較低山脊的下游區域（x=20～100 km，y=-60～40 km）對流活動也有所增強，但對流的組織性卻減弱，不管是對流混合層內部（3．0 km）還是其頂部附近（3．5 km）對流的隨機性增大，且整個區域上空重力波的信號變得不明顯，波列較短。

通過對比可以看出，不同的背景場強迫下，高原東北邊坡復雜地形上空對流和重力波在水平方向的空間結構存在顯著差異。其中當風向與山脊走向垂直、且風速較大時，山脊背風坡上空重力波信號較強且波列較長;當風向與山脊走向平行時，山脊背風坡上空重力波信號減弱且波列較短;減小大氣靜力穩定度時，雖然背風坡上空重力波信號不明顯，但研究區域上空對流線可以延伸展至較高的高度且強度較強，這說明穩定度較小時更有利于對流層與其上部大氣的混合貫通。

2．3．3 不同背景場強迫下對流活動對重力波的影響

理查森數（Ri）作為表征湍流強弱的一個重要參數，同時包含了熱力和動力因子對湍流發展的影響，不僅是反應對流運動狀態的綜合性指標，也能在一定程度上診斷重力波（壽紹文等，2009）。根據Irwin（1979）的分類標準，可以將Ri細分為6個等級：1）當Rilt;-3．433時，表示極不穩定狀態;2）當-3．433≤Rilt;-1．375時，表示不穩定狀態;3）當-1．375≤Rilt;-0．233時，表示弱不穩定狀態;4）當-0．233≤Rilt;0．145時，表示中性狀態;5）當0．145≤Rilt;0．636時，表示弱穩定狀態;6）當Ri≥0．636時，表示穩定狀態。

當背景風向與山脊走向垂直時（A組試驗，圖7a、b和c），隨著背景風速增加，模擬區域第一個高大山脊迎風坡Ri數逐漸增大，大氣由不穩定向穩定狀態轉變的區域變大，且上升氣流的強度和范圍都有所減小，因此激發重力波的垂直風切變減弱，山脊上游區域重力波信號變弱。同時，隨著背景風速增加，模擬區域第二個較低山脊下游區域上升氣流的強度和范圍明顯增大，且上升和下沉氣流排列更加規則，此時混合層頂附近大氣由弱穩定狀態向弱不穩定和不穩定狀態轉變的比例增大，該層大氣變得更加不穩定，垂直風切變加強，氣流的擾動動能加大，因此激發了向下游區域傳播的較強重力波信號。

當浮力頻率固定不變，而背景風向與山脊走向平行時（B組試驗，圖7d、e和f），總體上整個區域上升氣流發展的平均高度與A組試驗中相差不大，但模擬研究區上空上升氣流的強度較強，尤其是在第一個較高山脊上游和第二個較低山脊下游區域。另外，此時模擬區域的上升和下沉氣流尺度較大、排列變得不規則，且邊界層頂附近Ri數較A組試驗中明顯變大，其中弱穩定和穩定狀態大氣的比例大于弱不穩定和不穩定大氣，使得混合頂附近垂直風切變減小，因此不利于地形重力波的產生和傳播。

當背景大氣的浮力頻率減小時（C組試驗，圖7g、h和i），整個研究區域上空上升氣流平均發展高度和強度較A組試驗中更大，且對流混合層內Ri數明顯減小，極不穩定和不穩定狀態所占大氣的比例更高（尤其是C2和C3試驗中較為明顯），說明此時對流混合層內大氣運動非常劇烈。另外，和A組試驗相比，盡管穩定度減小有利于低層大氣的混合，但混合層頂附近較大的Ri數使得該層大氣不穩定能量較低，不利于地形強迫產生的重力波向上傳播，因此整個區域上空的重力波信號減弱。

通過對比可以看出，不同背景場強迫下，高原東北邊坡復雜地形上空對流運動狀態對地形強迫下產生的重力波傳播過程有著非常重要的影響。只有當風向與山脊走向垂直，且背景風速較大時，邊界層頂附近不穩定大氣狀態產生的較大垂直風切變，才更有利于地形重力波向下游區域傳播。當然，重力波活動也可以反過來影響到對流的發展，可以預期，如果對流上升區正好與重力波波峰相重合，那么該區域的垂直上升運動將會得到增強。反之，如果對流上升區正好與重力波波谷相重合，那么該區域的垂直上升運動將會被減弱。

2．3．4 不同背景場強迫下重力波對水汽分布的作用

地形的阻擋和動力抬升可以引起氣流運動特性的改變，進而影響到水汽循環的熱、動力效應（智協飛和霍自強，2023）。從上述分析可以看出，在不同的背景場強迫下，高原東北邊坡復雜地形上空對流和重力波在垂直和水平方向都存在顯著的差異，這會進一步造成水汽分布和輸送特征不同，從而導致該地區云和降水產生機理變得更為復雜。

從圖8所示的各試驗模擬的14時比濕和位溫的垂直分布來看，在標準試驗中（試驗A1，圖8a），風向與山脊走向垂直，隨著地形高低起伏，比濕和位溫表現出不均勻的分布特征，其中在研究區域第一個較高山脊的迎風坡（x=-100～-80 km）和第二個較低山脊的背風坡下游區域（x=60～100 km）存在比濕的高值區。這與高大地形山前的阻擋形成了水汽強烈的輻合抬升和山脊背風坡下游顯著的下沉氣流導致的絕熱增溫抬升效應有關。隨著背景風速增加（試驗A2和A3，圖8b和c），地形重力波振幅逐漸增大，很明顯重力波波峰處所對應的比濕較大（尤其是A3中特別明顯），這說明隨著重力波向上傳播的過程低層的水汽被輸送到高空，為原有云系的增強或新云系的生成提供了有利條件。

當背景風向與山脊平行時（B組試驗，圖8d、e和f），整體上研究區域兩個比濕的高值區大致范圍沒有發生明顯的變化，但由于此時重力波信號減弱，高水汽含量的空氣被傳輸的高度有所降低，且上層低水汽含量的空氣向下混合較多，使得整個對流混合層頂附近（3．5～4．0 km）空氣較A組試驗偏干。特別是在研究區兩個山脊的背風坡及其下游區域（x為-70～-60 km和-40～100 km），這種現象在風速較大的B2和B3試驗（圖8e和f）中更為明顯，這不利于該區域午后對流云的發展。

當背景大氣的浮力頻率減小時（C組試驗，圖8g，h和i），總體上研究區域仍然是在較高山脊的迎風坡和較低山脊的下游區域存在兩個比濕的高值區，但整個混合層（3．5 km高度以下）內比濕的分布較A組試驗中更加均勻，這與大氣穩定度降低造成的混合層對流發展更加充分有關。但是，由于隨著重力波信號的減弱，高水汽含量的空氣向上輸送受到限制，低層大范圍水汽的抬升在混合層頂附近造成了堆積，使得比濕分布在整個混合層頂附近（3．5～4．0 km）變化幅度減小，此時有利于大范圍層狀云系的發展。

總體來看，高原東北邊坡復雜地形對水汽分布、強度及強中心的位置等有著顯著的影響。而在不同背景強迫下，地形對水汽的影響主要體現在不同高度水汽的分布和水汽增幅效應上。對比發現，當風向與山脊走向垂直，且背景風速較大時，隨著重力波的傳播過程，高水汽含量的空氣被波峰傳輸到較高的高度，為對流云的發展提供了有利條件;當風向與山脊平行時，整個混合層頂附近水汽較少，對流云形成的條件減弱;當降低大氣的穩定度后，山脊背風坡及下游區域混合層頂附近水汽分布均勻且變化幅度較小，為層狀云的發展提供了有利條件。

3 結論與討論

本文基于青藏高原東北邊坡復雜地形條件下雨天野外加密探空觀測資料，利用高分辨率的三維邊界層模式，通過不同背景場強迫的敏感性試驗，模擬研究了高原東北邊坡復雜地形上空對流和地形重力波較精細的空間結構特征，探討了對流運動狀態對地形重力波產生和傳播的影響，以及湍流和重力波相互耦合的動力輸送過程對水汽分布的作用，揭示了邊界層對流引起的干動力過程對該地區地形重力波產生及傳播的影響機理。主要結論如下：

1）盡管由于模式本身的設置及下墊面的復雜性，導致了模式對ABL比濕和風速描述與實測之間存在一些偏差，但總體上模擬的各時次位溫與實測結果較為一致，這說明該模式基本能夠反映出高原東北邊坡復雜地形上空ABL總體結構和大氣層結的分布特征。

2）在不同背景場強迫下，高原東北邊坡復雜地形上空ABL垂直結構及分布存在一定的差異。當背景風向和浮力頻率保持不變時，隨著背景風速增加，不僅對流混合層中低層變冷，且混合層發展高度有所增加。改變背景風向不能顯著地改變ABL整體結構，但對ABL內部物理量分布起著重要的作用。背景大氣浮力頻率的減小更有利于ABL在垂直方向的混合和貫通。

3）在不同背景場強迫下，高原東北邊坡復雜地形上空對流和重力波的空間結構明顯不同。當背景風向和浮力頻率保持不變時，隨著風速增加，迎風坡氣流更容易越過山脊，山前迎風坡重力波信號減弱但對流強度增強，山脊背風坡下游區域重力波信號增強、振幅增大，其上空對流線組織性較強。當背景風向發生變化與山脊走向平行時，高大地形的動力抬升作用加強，混合層內對流泡的強度增強，混合層頂附近對流線強度減弱，山脊背風坡重力波信號較弱且波列較短。背景大氣浮力頻率減小，使得對流發展高度和強度都增大，混合層內對流分布變得不規則，其上空對流泡和混合層頂附近對流線的組織性減弱，山脊背風坡下游區域上空重力波信號不顯著且傳輸的距離減小。

4）在不同背景場強迫下，高原東北邊坡復雜地形上空對流運動狀態對地形重力波的產生和傳播有著非常重要的影響。當背景風向和浮力頻率保持不變時，隨著背景風速增加，山前迎風坡Ri數逐漸增大，大氣變得穩定，激發重力波的垂直風切變減小，重力波信號變弱。山后下游區域混合層頂附近大氣的不穩定狀態加強，擾動動能加大，更容易激發向下游區域傳播的較強重力波信號。當背景風向發生變化與山脊走向平行時，研究區混合層頂附近Ri數整體上增大，大氣狀態偏穩定，混合頂附近垂直風切變減小，不利于地形重力波向上傳播。背景大氣浮力頻率減小，有利于低層大氣的充分混合，但混合層頂附近較大的Ri數使得該層大氣不穩定能量較低，不利于地形強迫產生的重力波向上傳播，整個區域上空重力波信號減弱。

5）在不同背景場強迫下，高原東北邊坡復雜地形對水汽的影響主要體現在不同高度水汽的分布和水汽增幅效應上。當背景風向和浮力頻率保持不變時，隨著背景風速增加，重力波振幅增大，高水汽含量的空氣被波峰傳輸到較高的高度，為對流云發展提供了有利條件;當背景風向發生變化與山脊走向平行時，整個混合層頂附近水汽較少，對流云形成條件減弱;背景大氣浮力頻率減小，山脊背風坡及下游區域混合層頂附近水汽分布均勻且變化幅度較小，有利于層狀云發展。

上述研究通過改變背景大氣的風速、風向和浮力頻率的敏感性試驗，模擬了不同背景場強迫對高原東北邊坡復雜地形上空對流活動和重力波傳播過程的影響。這里需要指出的是，為了摸清邊界層對流引起的干動力過程對地形重力波的作用，本研究采用了不包含水汽相變參數化方案的高分辨邊界層模式來分離積云對流引起濕過程對重力波的影響，因此該結果很難描述淺對流逐漸發展和演變成深對流的過程。在后續的研究中，將進一步結合中尺度云模式來補充和完善對高原東北邊坡復雜地形條件下重力波過程引起的降水機理的深入認識。當然，該模式對于該地區氣流場精細結構的刻畫，包括對流的泡狀或線狀特征，以及重力波的波列和長度等信號的捕捉能力是一些中尺度模式所不能及的，因此該結果對于高原東北邊坡對流與重力波相互作用機理的理解，以及中尺度模式對該地區強對流降水預報預測能力的提高具有一定的參考價值。

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·ARTICLE·

Numerical simulation of gravity waves in complex terrain on the northeast slope of the Qinghai－Tibet Plateau

WANG Rong1，2，WU Xixi3，YUE Ping4，HUANG Qian1，CHOU Yan5，ZHANG Fengwei6

Abstract In this study，we conduct a numerical simulation of the dry dynamical processes induced by boundary layer convection on the generation and propagation of gravity waves on the northeastern slope of the Qinghai－Tibet Plateau under complex terrain conditions.This simulation is based on field－observed sounding data from the Qilian station in July 2007，coupled with a high－resolution 3D boundary layer model.The results reveal significant variations in the spatial structure of convection and gravity waves over the complex terrain of the northeastern plateau slope，contingent on different background forcing scenarios.Specifically，when the background wind direction is perpendicular to the mountain，an increase in wind speed enhances atmospheric instability energy near the top of the mixed layer on the leeward slope of the ridge，thereby exciting a more pronounced gravity wave signal in the downstream region.In contrast，when the background wind direction aligns parallel to the ridge，vigorous convection develops over the summit，resulting in a more stable atmospheric state at the top of the mixed layer on the leeward ridge slope.This，in turn，weakens the topographic gravity wave signal，yielding a shorter wave train.Additionally，there is less water vapor near the top of the entire mixed layer，diminishing the conditions conducive to convective cloud formation.Also，decreased background atmospheric buoyancy frequency leads to more vigorous yet less organized convection across the region，reducing the upward transmission distance of gravity waves downstream of the leeward slope and yielding in less significant signals.Furthermore，under these conditions，there is a uniform distribution of water vapor near the top of the mixed layer with minimal amplitude changes，which mitigates conditions conducive to convective cloud formation.

Keywords northeast slope of Qinghai－Tibet Plateau;boundary－layer structure;topographic gravity wave;numerical simulation

doi：10．13878／j.cnki.dqkxxb.20230208001

（責任編輯：劉菲）

2023－02－08收稿，2023－04－06接受

國家自然科學基金資助項目（U2142208;41905011;42175088）;甘肅省自然科學基金（21JR7R712）;國家重點研發計劃（2019YFC1510302）