普陀區(qū)域地形對(duì)降水分布的影響研究

中圖分類號(hào)：P461.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)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(xué)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(fù)雜性使得地形對(duì)降水的影響機(jī)理研究成為一個(gè)難點(diǎn)。通過地形的動(dòng)力和熱力作用可以對(duì)山地附近局地氣流和相應(yīng)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(duì)中、高層增溫和高層輻散加強(qiáng)十分有利，從而有利于地形垂直環(huán)流向上伸展和加強(qiáng)，形成正反饋，最終導(dǎo)致地形對(duì)降水的強(qiáng)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(dòng)中心與降水中心存在較好的對(duì)應(yīng)。冀春曉等研究指出地形能激發(fā)螺旋云帶中中尺度對(duì)流云團(tuán)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(fù)存在。而在動(dòng)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(jī)制，發(fā)現(xiàn)暖濕氣流通過大的山脈地形會(huì)造成回流降水天氣，大的山脈地形有利于風(fēng)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(gè)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(fēng)坡抬升，產(chǎn)生爬流；另一方面，如果山坡過高，氣流本身的動(dòng)能不足，只能繞山而過，便產(chǎn)生繞流。暖濕空氣受地形強(qiáng)迫抬升過程中，在迎風(fēng)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(qiáng)風(fēng)切變情況下，其可以觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流、傳輸能量、動(dòng)量，特別是大振幅的重力波能誘發(fā)強(qiáng)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(diǎn)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(yīng)用普陀區(qū)數(shù)字高程模型資料，從動(dòng)力抬升和海拔高度2個(gè)方面，分析在降水分布中地形起到的作用，以期對(duì)未來預(yù)報(bào)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(yùn)用ArcGis軟件平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行拼接和裁剪，進(jìn)一步對(duì)高程、坡向和坡度因子進(jìn)行提取。

1.2 自動(dòng)站降水?dāng)?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(tái)風(fēng)、西風(fēng)槽等大尺度系統(tǒng)引發(fā)，較長的持續(xù)時(shí)間，較廣的范圍（落區(qū)直徑在 200km 以上），相對(duì)均勻的降水分布是其主要特點(diǎn)，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(tái)汛期，普陀區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響較為嚴(yán)重，故選取普陀區(qū)6—9月的降水作為研究對(duì)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(diǎn)（該站遠(yuǎn)離本島，空間跨度過大)后通過條件對(duì)其進(jìn)行篩選，條件定義如下：將每天常規(guī)氣象觀測站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)記為一組，若日降水量大于等于 1.0mm 的站點(diǎn)比例大于等于 15% ，并且日降水量大于等于 5.0mm 的站點(diǎn)比例大于等于 10% ，則計(jì)為一次有效的降水過程，若日降水量大于等于 1.0mm 的站點(diǎn)比例大于等于 95% ，則記為大尺度降水過程，余下計(jì)入中小尺度降水過程。運(yùn)用上述方法對(duì)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)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(duì)降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行離差標(biāo)準(zhǔn)化，即對(duì)每組數(shù)據(jù)的每個(gè)站點(diǎn)日雨量求 r^*，r^*=(r-min)/(max-min) ，在一次降水過程中若該站點(diǎn)降水量越偏離平均值，則 r^* 越大，這表明地形對(duì)該地降水產(chǎn)生的增量越大，反之r^* 越小就表明地形對(duì)該站點(diǎn)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(duì)降水的影響包括地形強(qiáng)迫動(dòng)力抬升、地形的熱力作用，地形重力波等多個(gè)方面，在這其中動(dòng)力影響又可稱為直接影響，即在迎風(fēng)坡面的動(dòng)力抬升造成降水，而其他影響可劃分為間接影響。基于以上原因和現(xiàn)有自動(dòng)站觀測數(shù)據(jù)，本文只選取了動(dòng)力作用和站點(diǎn)海拔高度2個(gè)因素研究地形對(duì)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(gè)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值為 R_i，i 為降水過程；降水站點(diǎn)附近的地形動(dòng)力抬升值為 P_i; 降水站點(diǎn)的海拔高度為H_i° 計(jì)算每個(gè)降水站點(diǎn)不同地形下的動(dòng)力抬升值，讀取每個(gè)降水站點(diǎn)的海拔高度值，應(yīng)用擬合回歸的方法計(jì)算每次降水過程中這2個(gè)自變量對(duì)降水分布的影響系數(shù)，進(jìn)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(jì)學(xué)的角度表示地形(動(dòng)力抬升和海拔高度2個(gè)方面)對(duì)降水分布的影響程度。

3 地形分析

高程反映一個(gè)地區(qū)地勢的高低。由圖1(a)可知，普陀區(qū)每個(gè)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(diǎn)。全區(qū) 90% 的地區(qū)高度在 150m 以下，最高點(diǎn)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(yàn)以及研究區(qū)的實(shí)際情況，將坡度分為8級(jí)。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(xiǎn)坡比例較低。

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

4個(gè)例分析

4.1 地形對(duì)水平風(fēng)的動(dòng)力抬升

根據(jù)周學(xué)云等[]、傅抱璞的研究可知，設(shè)任意一斜坡的坡度為 α ，坡向?yàn)?θ₁ ，水平風(fēng)風(fēng)向?yàn)?θ₂ ，風(fēng)速為V ，將水平風(fēng)分解為正對(duì)斜坡方向 V^′_n 和平行于斜坡方向的 兩個(gè)分量，后者不受山坡影響，不產(chǎn)生動(dòng)力抬升，僅考慮前者的作用，故僅計(jì)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(dòng)能都將被損耗，或轉(zhuǎn)化為渦動(dòng)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(fēng)向和坡向之間的夾角越小，水平風(fēng)風(fēng)速越大，則地形抬升速度越大，在垂直方向上的動(dòng)力抬升作用就越大。另一方面，當(dāng)?shù)匦纹教梗雌露葹?0^° 時(shí)， V_g=0 ，地形對(duì)氣流無法產(chǎn)生動(dòng)力抬升作用。當(dāng) α<45^° 時(shí)， V_g 隨 α 增大而增大，這表明坡越陡，地形對(duì)氣流的動(dòng)力抬升貢獻(xiàn)越大，但是當(dāng)坡度 α=45^° 時(shí)，

V_g 的值達(dá)到最大，當(dāng) α>45^° ， V_g 隨 α 增大而減小，可見地勢過于險(xiǎn)峻反而不利于氣流的向上抬升。當(dāng) α= 90^° 時(shí)， V_g=0 。當(dāng)山坡坡向與水平風(fēng)向的夾角超過 90^° 時(shí)， cos(θ₁-θ₂)<0 ，則 V_g<0 ，山坡就從迎風(fēng)坡變成了背風(fēng)坡，其對(duì)垂直方向上的動(dòng)力抬升運(yùn)動(dòng)反而起負(fù)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(fēng)的來向密切相關(guān)。依據(jù)上述方法，將風(fēng)速默認(rèn)為1個(gè)單位，模擬整層風(fēng)向?yàn)橐恢抡憋L(fēng)(0^°) ）、東北風(fēng) (45^° ）、東風(fēng) (90^° ）、東南風(fēng)( 135^° ）南風(fēng)（ 180^° ）、西南風(fēng)（ 225^° ）正西風(fēng) (270^° 和西北風(fēng) (315^°) ）時(shí)普陀地區(qū)常規(guī)氣象觀測站點(diǎn)的動(dòng)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(diǎn)所處地形對(duì)不同風(fēng)向的抬升作用比較復(fù)雜，僅從迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡的角度分析，東北風(fēng)、南風(fēng)在多數(shù)雨量站起到正抬升作用，北風(fēng)、西南風(fēng)在多數(shù)雨量站點(diǎn)起到負(fù)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(diǎn)對(duì)于所有風(fēng)向的水平風(fēng)正負(fù)抬升作用均較為顯著，魯家峙、展茅、馬跳頭站點(diǎn)對(duì)大多數(shù)風(fēng)向的水平風(fēng)正負(fù)抬升作用較為顯著(除正東、正西風(fēng))，小郭巨站點(diǎn)對(duì)大多數(shù)風(fēng)向的水平風(fēng)的正負(fù)抬升作用較為顯著(除西南風(fēng))，這說明上述站點(diǎn)的地形對(duì)不同風(fēng)向水平風(fēng)的抬升影響相對(duì)更強(qiáng)，這些地形可能對(duì)降水的影響作用相對(duì)其他地形更為明顯。

4.2 風(fēng)的計(jì)算

風(fēng)場的計(jì)算采用矢量平均法[12-13]。矢量平均風(fēng)向即平均時(shí)間內(nèi)風(fēng)矢量的合成方向，設(shè)風(fēng)向?yàn)?A （單位為 ° )，風(fēng)速為 s ，其計(jì)算方法為

式中： S_i 為第 i 個(gè)樣本風(fēng)速矢量的模； X 為風(fēng)在 x 方向(東一西)的平均風(fēng)速矢量; Y 為矢量風(fēng)在 y 風(fēng)向(南一北)平均風(fēng)速矢量。

合成的平均風(fēng)向 A_v 為

A=(270-atan2(Y，X)×180.0/π)%360.0°

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

平均風(fēng)速 S_v 為

選取每個(gè)站點(diǎn)的小時(shí)最大風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，選取主要降水時(shí)段對(duì)應(yīng)的風(fēng)的數(shù)據(jù)，利用該方法可以求出該時(shí)段內(nèi)地形對(duì)水平風(fēng)的動(dòng)力抬升值。對(duì)該值做離差標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除單位對(duì)數(shù)據(jù)的影響，得到抬升值 P_i°

4.3 海拔高度

地形對(duì)降水的影響顯然和海拔高度之間密切相關(guān)，提取每個(gè)站點(diǎn)的海拔高度數(shù)據(jù)，同樣進(jìn)行離差標(biāo)準(zhǔn)化處理，去除單位對(duì)數(shù)據(jù)的影響，得到高度值 H_i 這一統(tǒng)計(jì)變量。

4.4個(gè)例統(tǒng)計(jì)

利用上述方法統(tǒng)計(jì)每次個(gè)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(xì)觀察結(jié)果可知，對(duì)于中小尺度降水個(gè)例，多元線性回歸自變量的 Ψ_tΨ_t 檢驗(yàn)大多無法通過顯著性檢驗(yàn)，自變量對(duì)因變量基本不存在影響。對(duì)于大尺度降水個(gè)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(gè)例，自變量通過顯著性檢驗(yàn)的比例仍然不高。綜上可知，普陀地區(qū)的地形動(dòng)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(yàn)的方程標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)和 P 值。

4.5 累計(jì)雨量統(tǒng)計(jì)和結(jié)果分析

為避免個(gè)例的隨機(jī)性，統(tǒng)計(jì)普陀區(qū)2017—2022年存在連續(xù)雨量及風(fēng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)站站點(diǎn)的累計(jì)降水量，統(tǒng)計(jì)上述站點(diǎn)的海拔高度，根據(jù)上文方法計(jì)算該時(shí)段內(nèi)的地形動(dòng)力抬升值，對(duì)上述數(shù)據(jù)均進(jìn)行歸一化處理，做多元線性回歸，結(jié)果自變量的 Φ_t 檢驗(yàn)的顯著性仍然較差，這就說明了普陀區(qū)整體地形的動(dòng)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(dòng)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(diǎn)少，更增加了數(shù)據(jù)的偶然性，同時(shí)島嶼之間的洋面也會(huì)給降水的發(fā)展帶來一定影響。顯然上述原因都會(huì)對(duì)研究帶來一定的干擾，但從天氣學(xué)的角度來說，水汽抬升凝結(jié)形成云滴，大小云滴在運(yùn)動(dòng)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(duì)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(xiǎn)坡比例更低，對(duì)比大型山脈如太行山，普陀區(qū)的地形對(duì)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(duì)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(duì)其進(jìn)行研究，今后可以作為一個(gè)方向繼續(xù)進(jìn)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(xiǎn)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(duì)不同方向的風(fēng)的作用較為復(fù)雜，東北風(fēng)、南風(fēng)在多數(shù)雨量站點(diǎn)為正抬升，北風(fēng)、西南風(fēng)在多數(shù)雨量站點(diǎn)為負(fù)抬升，區(qū)域內(nèi)大的山脈走向與這個(gè)結(jié)論有較好的對(duì)應(yīng)。東港、魯家崎、展茅和馬跳頭站點(diǎn)對(duì)大多數(shù)風(fēng)向的水平風(fēng)正負(fù)抬升作用較為顯著，這說明上述站點(diǎn)的地形對(duì)不同風(fēng)向水平風(fēng)的抬升影響相對(duì)更強(qiáng)，這些區(qū)域地形可能對(duì)降水的影響作用相對(duì)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(dòng)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(qiáng)迫抬升到達(dá)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(shí)洋面本身也對(duì)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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已知坐標(biāo)比較，可知 X 坐標(biāo)較差為 0.009m，Y 坐標(biāo)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(diǎn)（不少于3個(gè)）坐標(biāo)和CGCS2000坐標(biāo)投影參數(shù)的情況下，利用HGO軟件可解算獨(dú)立坐標(biāo)系投影參數(shù)。

2)利用HGO軟件和公共點(diǎn)(不少于3個(gè)）坐標(biāo)，可進(jìn)行獨(dú)立坐標(biāo)系和2000國家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)換算。

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