近25年來中國山地氣象研究進(jìn)展

李國平

（成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225）

近25年來中國山地氣象研究進(jìn)展

李國平

（成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225）

山地氣象學(xué)是研究山地與大氣之間相互作用的一門交叉學(xué)科，是山地科學(xué)的一個重要組成部分。近25年來，中國山地氣象研究取得了不少重要進(jìn)展。除繼續(xù)重視青藏高原的大氣科學(xué)試驗(yàn)及深入研究之外，還對天山、華山、秦嶺、橫斷山、峨眉山、哀牢山、婁山、巴山、大別山、太行山、長白山、黃山、九華山等主要山脈開展了地形與氣象關(guān)系的研究。針對與山地氣象相關(guān)的觀測試驗(yàn)、大氣邊界層、動力學(xué)理論、數(shù)值模擬、降水科學(xué)、氣候與氣候變化、氣候資源、環(huán)境氣象及氣象災(zāi)害等研究領(lǐng)域，本文分別對這些領(lǐng)域取得的研究成果進(jìn)行了梳理、總結(jié)，在此基礎(chǔ)上展望了中國山地氣象未來研究的主要科學(xué)問題與發(fā)展方向。

山地氣象，觀測，理論，資源，災(zāi)害

0　引言

世界上有一半的面積為山地，全球約一半的人口依靠山地資源而生存。山地是海拔在500m以上的高地，其地形特征為起伏大，坡度險(xiǎn)峻并且溝谷幽深，多呈脈狀分布。山地有別于單一的山或山脈，是一個多山所在的地域。在這個地域內(nèi)，具有能量、坡面物質(zhì)的梯度效應(yīng)，表現(xiàn)為氣候、生物、土壤等自然要素的垂直變化，是地球陸地表層系統(tǒng)中的一種特殊類型。山地最基本的特征是擁有較大的相對高度和較陡的坡度并有嶺谷的組合，垂直分布差異是山地科學(xué)研究的最基本問題。因此有學(xué)者把山地定義為“有一定海拔、相對高度及坡度的自然—人文綜合體”[1]，把山地科學(xué)研究對象確定為“作為自然—人文綜合體而存在的山地地域系統(tǒng)”[2]。當(dāng)前，國際上把山地視為全球變化的前哨。

根據(jù)山地的定義，高原是山地的一種突出形態(tài)，屬于高大地形。青藏高原作為中國和世界上最重要的高原山地，擁有全球最為復(fù)雜的垂直自然帶結(jié)構(gòu)。經(jīng)過1970—1980年代全面的綜合科學(xué)考察和全國性協(xié)作研究以及1990年代以來的系統(tǒng)性研究，青藏高原學(xué)在理論及應(yīng)用方面取得了許多重大突破，代表著中國山地科學(xué)研究的最高水平[3]。

山地氣象學(xué)是山地科學(xué)的一個重要分支學(xué)科，主要研究山地地形與大氣及其運(yùn)動、自然環(huán)境和人類活動之間相互作用的學(xué)科。在山地氣象科學(xué)考察與試驗(yàn)的研究中，大氣科學(xué)工作者除了專注于山地的地—?dú)馕锢砹拷粨Q、大氣冷熱源、大氣環(huán)境、屏障作用與山谷通道作用等研究外，還與地理學(xué)、地球物理學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、資源和環(huán)境科學(xué)等學(xué)科合作，探討上述山地作用與自然環(huán)境和人類活動之間的關(guān)系[4]。雖然在中國“山地氣象”常稱為“高原氣象”，但從學(xué)科屬性及研究內(nèi)容來看，“高原氣象學(xué)”應(yīng)該是“山地氣象學(xué)”的重要組成部分。由于青藏高原氣象學(xué)在中國已發(fā)展成為大氣科學(xué)中相對成熟并具有中國特色和世界影響的分支學(xué)科[5-7]，加之篇幅所限，本文所述內(nèi)容以涉及一般性地形的山地氣象問題為主，而不包括與大地形相關(guān)的青藏高原氣象問題。

1　山地氣象的研究范疇

地形對大氣的影響主要有以下幾方面：

1）熱力作用。同緯度地區(qū)，地勢越高，氣溫越低。冷湖和暖帶是垂直氣候帶中兩個因地形作用而形成的局地現(xiàn)象。由山麓向上，隨著高度的升高，通常在山坡存在一個溫度相對較高的地帶，稱之為暖帶；而冷湖是指冷空氣從山地較高處向下流泄，在地勢低洼的山谷匯集而成的冷空氣湖。

2）動力作用（機(jī)械阻擋作用）。地形是氣流運(yùn)行的主要障礙，可形成阻擋、爬坡、繞流和狹管等四種效應(yīng)，也可以改變季風(fēng)的強(qiáng)度和方向。地形能夠顯著改變邊界層的氣流，如強(qiáng)風(fēng)通過山脈時，在下風(fēng)方向可形成一系列背風(fēng)天氣系統(tǒng)。地形的動力作用與山脈的特征關(guān)系密切，特別是地形的空間尺度對地形的動力作用影響很大。氣象中的大地形指地球上水平尺度達(dá)數(shù)百到數(shù)千千米的山脈，如青藏高原、落基山、安第斯山、阿爾卑斯山等，其動力和熱力作用可影響大范圍地區(qū)的天氣和環(huán)流。而中小尺度地形往往只影響局地的天氣和環(huán)流，如山谷風(fēng)、焚風(fēng)、峽谷風(fēng)和地形云（積狀云、波狀云或?qū)訝钤疲?/p>

3）對降水的影響。山脈可使?jié)駶櫄鈭F(tuán)的水分在迎風(fēng)坡由于地形抬升形成大量降水（地形雨），背風(fēng)坡則由于氣流下沉導(dǎo)致少雨而變得異常干燥。所以山脈兩側(cè)的氣候可以出現(xiàn)極大的差異，往往成為氣候區(qū)域的分界線。如在冬半年，當(dāng)冷暖氣團(tuán)勢均力敵，或由于地形阻滯作用，鋒面很少運(yùn)動或在原地來回?cái)[動，從而形成準(zhǔn)靜止鋒（例如昆明準(zhǔn)靜止鋒），對這些地區(qū)及其附近的天氣產(chǎn)生很大影響。

4）對局地氣候的影響。受海拔高度和山脈地形的影響，在山地地區(qū)形成的一種地方性氣候，稱為山地氣候。隨著高度的升高，大氣成分中的二氧化碳、水汽、微塵和污染物質(zhì)等逐漸減少，氣壓降低，風(fēng)力增大，日照增強(qiáng)，氣溫降低，干燥度減小，氣候垂直變化顯著。在一定高度內(nèi)，濕度大、多云霧、降水多。迎風(fēng)坡降水多，背風(fēng)坡降水少。在一定坡向、一定高度范圍內(nèi)，降水量隨高度而加大，過了最大降水帶之后，降水又隨高度而減小。山地氣候還因坡向、坡度及地形起伏、凹凸、顯隱等局地條件不同，而具有“一山有四季，十里不同天”的顯著差異性。

下面，根據(jù)山地氣象的研究對象、方法，重點(diǎn)對近25年以來中國山地氣象研究的進(jìn)展及成果按不同領(lǐng)域進(jìn)行梳理、總結(jié)。

2　山地大氣觀測試驗(yàn)

外場觀測試驗(yàn)是山地氣象研究的重要手段。為進(jìn)一步揭示和理解山地氣象現(xiàn)象，觀測試驗(yàn)是仍在廣泛使用的一種基本方法。

牛生杰等[8]利用激光空氣動力學(xué)粒子譜儀對賀蘭山的大氣氣溶膠濃度和質(zhì)量開展了觀測研究。胡隱樵等[9]在初冬期對蘭州皋蘭山進(jìn)行了近地面層風(fēng)速和溫度梯度的綜合觀測，分析得出山頂、山腰和河谷不同的小氣候特征，發(fā)現(xiàn)由于山峰的輻射加熱效應(yīng)，山頂在白天會出現(xiàn)強(qiáng)絕熱不穩(wěn)定層結(jié)。2006—2007 年夏季，在祁連山開展了地形云、水汽、風(fēng)場、雨滴譜和雨強(qiáng)的綜合探測試驗(yàn)[10]，利用該試驗(yàn)資料，陳添宇等[11]分析了夏季西南氣流背景下地形云的演化過程，給出了地形云發(fā)展演變的概念模型，認(rèn)為每個山峰南北側(cè)晝間的谷風(fēng)會在山峰輻合抬升，眾多山峰形成的群谷風(fēng)抬升作用下容易形成沿山脊排列的β中對流云帶，在高空西南氣流的推動下移到北側(cè)，是造成北側(cè)降水比南側(cè)大的原因之一。馬學(xué)謙等[12]引入客觀反映高空大氣云和降水的表示方法，分析了祁連山區(qū)降水的云系特征，認(rèn)為高層冷云和低層暖云是祁連山區(qū)形成降水的主要云系，高層冷云由天氣尺度系統(tǒng)決定，而低層暖云則由地形阻擋和加熱作用形成。不同的天氣系統(tǒng)下，地形對降水的作用不同。在西南氣流影響下易形成谷風(fēng)環(huán)流，增強(qiáng)降水。在偏西風(fēng)影響下易形成山風(fēng)環(huán)流，將水汽從谷底向中高空輸送，受主導(dǎo)氣流抑制易形成淺薄的降水云層。

近年來，新一代衛(wèi)星資料在觀測稀少的西南山地氣象的研究中開始發(fā)揮日益重要的作用。大氣紅外探測器（AIRS）獲取的溫度、高度和水汽資料與西南渦加密觀測試驗(yàn)獲取的L波段秒級探空資料的比較分析表明，AIRS的位勢高度、溫度和混合比資料與L波段探空數(shù)據(jù)有很好的吻合度。其中，溫度資料在高原地區(qū)的低層尚有較小偏差，在中高層一致性較高；AIRS的位勢高度數(shù)據(jù)與探空資料相當(dāng)一致；AIRS獲取的混合比資料在低層略小于探空資料，在高層基本吻合。因此，AIRS資料在中國西南山地具有較好的適用性，能有效彌補(bǔ)探空資料在該地區(qū)的覆蓋不足[13]。對地處中國南方高山的峨眉山自動氣象站運(yùn)行以來遇到的因雷暴、雨霧凇凍結(jié)、連續(xù)高濕等高山氣象問題，氣象業(yè)務(wù)工作者提出了保證高山自動氣象站正常運(yùn)行的一些方法和技術(shù)措施[14]。導(dǎo)線覆冰在西南山區(qū)是常見的氣象災(zāi)害，導(dǎo)線覆冰增長率與氣象因子密切相關(guān)。對貴州覆冰區(qū)的外場觀測資料的分析表明：山區(qū)南北向?qū)Ь€覆冰比東西向的覆冰多，導(dǎo)線覆冰增長率與空氣水汽含量成正比；風(fēng)速超過3m/s時，覆冰增長率與風(fēng)速呈明顯的正比關(guān)系[15]。

用云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器在黃山對云凝結(jié)核進(jìn)行了梯度觀測[16]，得出不同高度的云凝結(jié)核濃度隨時間的變化趨勢基本一致，而濃度隨高度的升高而減小，山底受周邊污染源的影響較山頂和山腰大。山頂和山底的日變化均呈雙峰型（分別出現(xiàn)在午前和午后），與邊界層高度和山谷風(fēng)變化有關(guān)。

根據(jù)南嶺山地霧的觀測及數(shù)值試驗(yàn)，分析出南嶺濃霧和能見度的季節(jié)分布、霧滴譜微觀特征與濃霧形成的物理概念圖像[17]，認(rèn)為冬春季南嶺山地出現(xiàn)的霧是微物理過程、局地地形、水汽輸送與天氣影響系統(tǒng)等宏微觀相互作用的結(jié)果，屬于平流霧、爬坡霧。局地山地抬升冷卻凝結(jié)對霧的形成有重要作用，迎風(fēng)坡有利于成霧，海拔較低的迎風(fēng)坡易于出現(xiàn)濃霧。霧體隨環(huán)境風(fēng)的平移過程中，不規(guī)則的爬越流動是造成霧體微結(jié)構(gòu)不均勻、振蕩變化的重要原因。另外，迎風(fēng)坡出現(xiàn)霧的頻率比背風(fēng)坡高[18]。

3　山地大氣邊界層

邊界層與自由大氣間的相互作用具有明顯的非線性特征，這是經(jīng)典Ekman理論不能描述的。因此，發(fā)展介于完全模式與經(jīng)典Ekman理論之間的邊界層動力學(xué)模式，對人們從理論上深入認(rèn)識大氣邊界層動力學(xué)過程具有重要意義。伍榮生等[19]研究了西風(fēng)急流通過一個橢圓形時，邊界層頂垂直速度的分布特征。進(jìn)一步利用地轉(zhuǎn)動量近似理論分析出在地形與湍流交換系數(shù)的共同作用下，地形的影響是邊界層頂垂直速度分布的主導(dǎo)性因素[20-21]。因此，近年來發(fā)展的幾類具有代表性的邊界層改進(jìn)模型可以較好揭示大氣邊界層動力學(xué)特征，對邊界層動力學(xué)及其與自由大氣相互作用以及蘭州皋蘭山地面湍流特征觀測資料，分析了能量閉合度的日變化及各觀測點(diǎn)的地表能量收支[22]。浙江丘陵山區(qū)邊界層風(fēng)、溫實(shí)測資料的分析表明該地邊界層急流具有頻發(fā)性。丘陵山區(qū)地形熱力差異導(dǎo)致的氣層斜壓性，起因于湍流強(qiáng)度日變化的慣性振蕩以及湍流交換引起的動量下傳，也是該地邊界層急流形成與變化的重要機(jī)制[23]。利用貴州西南部復(fù)雜山地獲取的近地層梯度風(fēng)和三維超聲測風(fēng)儀觀測資料，分析局地低層強(qiáng)風(fēng)的平均和脈動特征，發(fā)現(xiàn)平均風(fēng)場主要受當(dāng)?shù)厣钋袓{谷地形影響，全年主導(dǎo)風(fēng)向和最大風(fēng)速出現(xiàn)的方向幾乎完全沿峽谷走向[24]。

4　山地氣象理論

當(dāng)氣流翻越山脊后常在背風(fēng)區(qū)低層產(chǎn)生背風(fēng)坡風(fēng)暴，而在高層出現(xiàn)重力波破碎和晴空湍流，氣流過山形成的背風(fēng)系統(tǒng)（包括背風(fēng)波、背風(fēng)槽、背風(fēng)渦及背風(fēng)氣旋）的研究一直占居重要地位。

通過建立反映大別山地形作用的簡化數(shù)學(xué)模型并數(shù)值計(jì)算分析出，當(dāng)有移動性的暴雨區(qū)移至大別山定常背風(fēng)波的適當(dāng)位置時，江淮梅雨期間暴雨會增強(qiáng)[25]。當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)風(fēng)速較小時，氣流往往被山峰阻塞在迎風(fēng)坡造成地形強(qiáng)迫和輻合抬升，從而易在迎風(fēng)坡觸發(fā)深對流活動；在背風(fēng)坡則由于迎風(fēng)坡的繞流重新輻合也可以出現(xiàn)垂直運(yùn)動。當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)風(fēng)速較大時，氣流容易越過山脊，地形重力波易于在山地下游被激發(fā)[26]。通過分析三維多層流經(jīng)過孤立山地產(chǎn)生的三維山地重力波和大氣船舶波的物理機(jī)制及其表現(xiàn)特征，可揭示多層流過孤立地形產(chǎn)生背風(fēng)波的若干氣象條件[27]。對具有底面地形坡度緩變的沿岸山地，用攝動法分析出沿岸山地俘獲波可近似看作是非頻散的經(jīng)典Kelvin波。沿岸底面地形高度越高，地形坡度越大，擾動位勢高度廓線的變化就越劇烈[28]。

5　山地降水學(xué)

千差萬別的山區(qū)地形造成了山區(qū)降水等具有明顯地域差別。地形對降水的增幅作用是其中備受關(guān)注的問題，如燕山、秦嶺、巴山等山區(qū)的降水具有“夜雨”特點(diǎn)，與山地對流場的作用密切相關(guān)。夏季山區(qū)局地對流性暴雨過程在凌晨及午夜多發(fā)，這剛好對應(yīng)山地環(huán)流輻合的時間點(diǎn)[29]。強(qiáng)降水發(fā)生前，山區(qū)風(fēng)場變化明顯，且風(fēng)場發(fā)生改變與強(qiáng)降水的開始和增強(qiáng)有一定的時間對應(yīng)關(guān)系，風(fēng)垂直切變的維持與強(qiáng)降水時段也有較好的相關(guān)性。

山地對暖濕氣流的強(qiáng)迫抬升和輻合引發(fā)的暴雨過程，是最早被人們所認(rèn)識的地形作用。當(dāng)山地走向與背景風(fēng)向交角較大時，暖濕氣流沿坡爬升，使對流旺盛，雨量加大，在迎風(fēng)坡形成降雨中心。同時，地形阻擋使降水系統(tǒng)移速減慢，降水過程延長。山區(qū)復(fù)雜下墊面的熱力和動力作用可影響暴雨的觸發(fā)、加強(qiáng)或削弱、消亡，地形性強(qiáng)迫抬升和輻合是觸發(fā)暴雨并使之加強(qiáng)的重要機(jī)制，背風(fēng)波暴雨過程在西北、華北的冷鋒天氣過程中較為多見，祁連山大氣水汽、降水和降水轉(zhuǎn)化率與海拔高度和坡向以及環(huán)流影響區(qū)密切相關(guān)[30]。山區(qū)降水量分布受地形影響很大，迎風(fēng)坡及喇叭口雨量偏多，不同高度上雨量分布也有差異。

地形作用形成的風(fēng)場輻合影響強(qiáng)降水和強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展，氣流過山造成的氣流加強(qiáng)效應(yīng)有利于低空急流的加強(qiáng)和維持。對于華北太行山東側(cè)低空東風(fēng)氣流背景下不同垂直分布?xì)饬鲗邓鋮^(qū)的影響，研究表明當(dāng)垂直于山體的氣流隨高度減小時，地形的作用表現(xiàn)為迎風(fēng)坡上水平輻合，造成氣旋式渦度增加，產(chǎn)生風(fēng)場切變，因此對迎風(fēng)坡降水產(chǎn)生明顯的增幅作用[31]。黃山的日雨量和短時雨量極值分布也與地形關(guān)系密切。降水系統(tǒng)經(jīng)過黃山時，擾動加強(qiáng)是降雨增幅的主要原因。擾動風(fēng)場輻合與地形高度配合形成的地形抬升速度是降雨增幅的主要動力因子，地形抬升導(dǎo)致的水汽垂直通量和水平通量輻合是降雨增幅的直接原因[32]。九華山山區(qū)降水量明顯多于周邊丘陵地區(qū)，其雨量分布具有明顯的山區(qū)地形雨特征[33]。皖南山區(qū)和大別山中尺度地形對暴雨強(qiáng)度和分布亦有明顯影響，其構(gòu)成的中尺度組合地形效應(yīng)是皖南特大暴雨形成的重要原因[34]。同樣，大別山地形對熱帶氣旋降水的增幅影響明顯，并可改變降水增幅的中心位置[35]。此外，橫斷山脈的中西部降水具有獨(dú)特的季節(jié)變化特征，這與該地區(qū)獨(dú)特地形下風(fēng)場的季節(jié)演變密不可分[36]。

圖1　WRF模擬的2010年7月16日北京時15時沿104°E的風(fēng)場（其中垂直速度放大20倍）和垂直速度大?。?0］（陰影區(qū)，單位：m/s）（a）控制試驗(yàn)；（b）降低橫斷山脈、云貴高原地形Fig. 1 The wind vector （u， 20×ω） and vertical wind speed （shaded， units：m/s） simulated by WRF for time 15：00 in Beijing Time， 16 July 2010， along 104°E［40］. （a） CTR experiment， （b） reduced heights of Hengduan Cordillera and of Yunnan-Guizhou Plateau

6　山地大氣數(shù)值模擬

地形高度變化對水平和垂直流場有較大影響。地形高度增加有利于迎風(fēng)坡水平風(fēng)場輻合和垂直上升運(yùn)動發(fā)展，這對云的垂直和水平發(fā)展影響很大，尤其是對中高層云的發(fā)展影響最明顯，并且能明顯擴(kuò)大降水的范圍，降水量也有所增多[37]。

中國西北一個復(fù)雜山區(qū)進(jìn)行的理想數(shù)值模擬揭示了在不同天氣條件下，山區(qū)上空的垂直速度場分布和對流特征，地形對熱力對流活動的影響以及與地形有關(guān)的對流觸發(fā)機(jī)制[38]。另一個地形敏感性試驗(yàn)的數(shù)值分析得出，秦嶺使大巴山和漢江河谷、陜北降水增加，使秦嶺本身降水減少，秦嶺山脈對降水的影響主要是通過地形產(chǎn)生的次級環(huán)流實(shí)現(xiàn)的[39]。最近利用WRF 模式對發(fā)生在四川盆地的一次西南低渦暴雨過程的模擬以及地形高度的敏感性試驗(yàn)表明[40]，秦嶺、大巴山山脈對西南低渦的形成并不具決定性影響，但對西南低渦的維持和發(fā)展具有非常重要的作用；而橫斷山脈、云貴高原對西南低渦的生成、強(qiáng)度以及移動路徑均十分重要（圖1—2）。模式中引入更真實(shí)地形可使降水強(qiáng)度增大、強(qiáng)降水中心位置和發(fā)生時間的模擬有所改善，對流層中低層上升運(yùn)動和氣旋切變顯著增加，低渦位置的模擬有所改善，由此使強(qiáng)降水和落區(qū)的模擬效果也改善[41]。

圖2　降低橫斷山脈、云貴高原地形后WRF模擬的2010年7月16日北京時21時風(fēng)場［40］（a）（矢量，單位：m/s，陰影為風(fēng)速大?。┖透叨葓觯╞）（單位：dagpm）Fig. 2 The wind vector［40］（a） （shaded： wind speed， units： m/s） and geopotential heights （b） （units： dagpm） simulated by WRF for time 21：00 in Beijing Time， 16 July 2010， after reducing heights of Hengduan Cordillera and of Yunnan-Guizhou Plateau

大別山地形對低渦路徑的南北繞行、低渦強(qiáng)度的山前減弱和山后加強(qiáng)以及水汽輻合的強(qiáng)弱有直接影響。山脈南部迎風(fēng)坡的強(qiáng)輻合抬升以及山脈北部弧形背風(fēng)處對氣流的拉伸輻合匯聚，使大別山地形有利于水汽輻合上升[42]。地形敏感性試驗(yàn)可分析地形對鞍型場和低空急流的影響，概括出鄂東地區(qū)β中尺度低渦及特大暴雨形成的概念模型[43]，以及局地中尺度地形（如大別山）對暴雨過程的影響及其機(jī)理[44]。中尺度地形通過動力場和水汽場的擾動對降水落區(qū)和強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響，地形和切變線的相對位置是造成這一影響的關(guān)鍵所在[45]，強(qiáng)降水中心一般位于地形附近[46]。在一定的系統(tǒng)配置條件下，大別山地區(qū)的地形可以影響淮河流域梅雨鋒暴雨的發(fā)生發(fā)展[47]。臺風(fēng)登陸期間，地形對臺風(fēng)降雨量有明顯的增幅作用。由地形強(qiáng)迫產(chǎn)生的降雨量和地形走向一致，迎風(fēng)坡降雨量增加，背風(fēng)坡降雨量減少，地形的強(qiáng)迫作用有利于在低層臺風(fēng)眼的西北側(cè)形成明顯的輻合帶，高層為明顯的輻散區(qū)；地形的影響有利于臺風(fēng)中心西北側(cè)低層中尺度氣旋性渦旋系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，從而激發(fā)中尺度對流云團(tuán)，形成中尺度雨團(tuán)，造成臺風(fēng)中心南北雨區(qū)和雨量的不對稱分布[48]。阿爾泰—薩彥嶺山地通過對低層冷空氣的阻滯使山地上空等熵面更為陡立，加強(qiáng)對流層低層的斜壓強(qiáng)迫，從而使渦度增長向低層聚集，加強(qiáng)蒙古氣旋的發(fā)展[49]。華南地區(qū)數(shù)百米的低矮山地仍可使對流層中上層環(huán)流發(fā)生變化，該山區(qū)常見的喇叭口、迎風(fēng)坡地形可對暴雨產(chǎn)生影響[50]。

祁連山地形對大范圍降雪落區(qū)無明顯影響，但對祁連山北坡降雪中心的形成有直接影響[51]。地形敏感性試驗(yàn)表明，橫斷山脈和南嶺山脈及鄰近山區(qū)對凍雨的形成和維持具有重要影響，這種影響是通過改變鋒區(qū)特征來實(shí)現(xiàn)的[52]。而湖南獨(dú)特的地形對冰凍天氣過程也有明顯影響，敏感性試驗(yàn)表明隨著南嶺山脈地形高度的降低會導(dǎo)致南嶺北部上空的大氣垂直溫度層結(jié)發(fā)生變化，進(jìn)而抑制湖南南部凍雨的發(fā)生[53]。另外，南嶺山地濃霧的數(shù)值研究結(jié)果顯示大范圍層狀云系在山頭接地形成了地面的濃霧[54]。

根據(jù)氣候系統(tǒng)模式（CCSM3）的模擬輸出結(jié)果，劉曉東等[55]認(rèn)為隨著大氣CO2含量的增加，中低緯高原山地氣候會顯著變暖。地面溫度的增加以最低氣溫最大，其次是平均氣溫，而最高氣溫最?。缓浼竟?jié)的增溫大于溫暖季節(jié)。氣候變暖對海拔高度具有明顯的依賴性，即增溫幅度通常隨海拔高度的增加而增大。

相比于氣候模式和中尺度氣象模式，計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT可以更為精確地描述復(fù)雜的局地地形特征，因而能夠在小尺度范圍內(nèi)得到分辨率更高、且更為準(zhǔn)確的復(fù)雜地形上近地層風(fēng)場模擬結(jié)果[56]。

7　山地氣候和氣候變化

由于山的高度、大小、坡度、坡向等因素影響而具有獨(dú)特的氣候狀態(tài)，稱為山地氣候，它是最為復(fù)雜的氣候類型之一。山地氣候的主要特點(diǎn)有：1）氣壓隨海拔高度增加而降低。白天的直接輻射和夜間的有效輻射都隨海拔高度升高而增大，散射輻射隨高度增加而減少；不同坡面（包括不同坡向和坡度）接受到的日照和輻射強(qiáng)度不同；2）氣溫隨海拔高度的增加而降低。氣溫直減率在一年中以夏季最大，冬季最小。山頂和山坡的年變化和日變化都較小，秋溫高于春溫；山谷和山間盆地的年變化和日變化比較劇烈，且春溫高于秋溫；3）降水隨高度的分布，先是隨高度升高而增加，到達(dá)一定高度，降水又隨高度的升高而減少，即存在一個最大降水高度，并且最大降水高度隨地區(qū)和季節(jié)不同。氣候愈潮濕，大氣愈不穩(wěn)定，最大降水高度愈低。降水還隨山的坡向、坡度不同，迎風(fēng)坡上的降水量和降水強(qiáng)度遠(yuǎn)大于背風(fēng)坡，坡度愈大，這種差別亦愈大。山地地形也影響降雨量的日變化，山頂以日雨為主，而山谷盆地則以夜雨為主；4）風(fēng)速隨山地海拔升高而增大。山頂、山脊以及峽谷風(fēng)口處的風(fēng)速大，盆地、谷底和背風(fēng)處的風(fēng)速小。山頂、山脊的風(fēng)速一般夜間大、白天小，午后最小，而山麓、山谷則相反。山地還能產(chǎn)生一些局地環(huán)流，如山谷風(fēng)、布拉風(fēng)、焚風(fēng)、坡風(fēng)、冰川風(fēng)等；5）水汽壓隨海拔高度增加而降低。一般山地上部因氣溫低、云霧多，相對濕度高于下部；但冬季高山區(qū)也有相反情況，山頂冬季云霧較少而相對濕度小。山谷和盆地相對濕度日變化大，夜高而晝低，午后最低；而山頂相對濕度的日變化不明顯。

采用模型模擬方法可對山地氣候開展氣象學(xué)和生態(tài)學(xué)的交叉研究，已用于溫度、降水、濕度、太陽輻射和風(fēng)場等方面的研究。溫度場的模擬主要是以多元回歸法為主，降水模擬的方法主要有地形因子相關(guān)法和趨勢面法，濕度一般用濕度—輻射循環(huán)法來模擬，太陽輻射主要以直接輻射、散射輻射、反射輻射和總輻射分別加以模擬，風(fēng)場主要模擬方法有診斷方法和預(yù)報(bào)方法[57]。以地理信息系統(tǒng)為支撐，在常規(guī)統(tǒng)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，利用地形的坡度、坡向因子進(jìn)行山區(qū)氣溫小尺度模擬的地形調(diào)節(jié)統(tǒng)計(jì)模型，可為山區(qū)任一地域的氣溫空間分布提供快速計(jì)算[58]。山區(qū)水庫庫面氣象要素受周圍地形的影響很大，由經(jīng)度、緯度、海拔高度和大地形影響等因子建立的多元方程擬合效果顯著，可有效揭示山區(qū)月平均溫度和太陽輻射的時空變化[59]。

有學(xué)者分析了中國天山區(qū)域氣候效應(yīng)及其基本變化過程[60]，以及祁連山北坡中部氣候特征和森林生態(tài)系統(tǒng)的主要?dú)庀笠卮怪狈植糩61]。受全球變暖的影響，近50年甘肅疏勒河山區(qū)氣候持續(xù)向暖濕轉(zhuǎn)化，且各季氣溫均呈持續(xù)的上升趨勢，山區(qū)降水量總體亦呈增加趨勢，但年際波動較為劇烈[62]。利用NOAA氣象衛(wèi)星資料，提取植被、積雪等信息，可分析祁連山植被和積雪的空間分布及其變化特征[63]。秦嶺南北坡半個世紀(jì)氣溫與降水的分析顯示，1993年后秦嶺地區(qū)氣候變暖趨勢明顯，并且秦嶺北坡氣候有暖濕化趨勢[64]。中國東南部的地形對降水分布具有氣候影響，表現(xiàn)在浙閩山區(qū)的東西兩側(cè)山坡各有一條多雨帶，南嶺南北兩側(cè)山坡附近各有一個多雨區(qū)[65]。

8　山地氣候資源與山地環(huán)境氣象

山地具備有利于發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣候潛力，稱為山地農(nóng)業(yè)氣候資源。近25年來，中國開展了大量山地氣候資源的研究與評價(jià)工作，凡有山地分布的地域都開展了調(diào)查、評價(jià)與開發(fā)規(guī)劃的研究。其中，既有典型山體氣候垂直變化規(guī)律及氣候潛力的觀測與研究，又有典型山地區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候資源的水平分異與垂直變化及區(qū)劃方法的研究[66]。研究方法也從過去野外考察、設(shè)站觀測，到現(xiàn)在大量采用遙感等新技術(shù)對山地氣候特點(diǎn)進(jìn)行解析[67-68]。

山地使得氣候要素重新分配，其特點(diǎn)主要是水、熱、風(fēng)、光要素隨海拔高度的增加而發(fā)生顯著變化，造成與山地生態(tài)氣候環(huán)境相適應(yīng)的農(nóng)林業(yè)結(jié)構(gòu)也具有顯著的高度地帶性。馬友鑫等[69]對哀牢山地農(nóng)業(yè)氣候帶層進(jìn)行了劃分，并且探討其與中國東部水平氣候帶之間的農(nóng)林特征差異。統(tǒng)一訂正高度可消除山區(qū)地形海拔高度的影響，更清楚地揭示巴山南北氣候的差異[70]。高大山體及其造成的大氣對流與高山冰川和高山植被共同作用可產(chǎn)生高山增水效應(yīng)，并形成良性增水系統(tǒng)。山體愈高大，增水效應(yīng)愈明顯，這對內(nèi)陸干旱山區(qū)科學(xué)開發(fā)利用高山水資源具有指導(dǎo)意義[71]。

9　山地氣象災(zāi)害

山地自然災(zāi)害是山區(qū)常見的自然現(xiàn)象，廣義的山地災(zāi)害指發(fā)生于山地的各種自然災(zāi)害，包括水土流失、泥石流、滑坡、崩塌、冰雪害、凍土以及發(fā)生在山區(qū)的地震、冰雹等災(zāi)害。它包含山地氣象災(zāi)害、山地水文災(zāi)害、山地地質(zhì)災(zāi)害、山地水土災(zāi)害、山地生物災(zāi)害和山地人為自然災(zāi)害等。其中，山地氣象災(zāi)害包括干旱、洪澇、冰雪、低溫和風(fēng)沙災(zāi)害等。

當(dāng)前對山區(qū)洪水、暴風(fēng)雪等山地氣象災(zāi)害的研究及業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)取得了一定進(jìn)展。如提出山地等價(jià)雨量概念和計(jì)算方法，以使滑坡泥石流預(yù)警指標(biāo)可借用國家暴雨預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)[72]。利用常規(guī)氣象資料以及衛(wèi)星亮溫資料、多普勒天氣雷達(dá)資料，對“8·8”舟曲特大山洪泥石流災(zāi)害開展了研究[73]。在分析浙江山地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生規(guī)律的基礎(chǔ)上，探討了地質(zhì)災(zāi)害氣象等級預(yù)報(bào)（預(yù)警） 模型的應(yīng)用[74]。通過分析山地旅游景區(qū)的氣象、環(huán)境、地理特征及山地旅游景區(qū)雷電災(zāi)害特點(diǎn)，歸納出山地旅游景區(qū)雷電災(zāi)損類型，提出了景區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估的基本方法[75]。

10　山地氣象未來研究應(yīng)關(guān)注的科學(xué)問題與展望

如上綜述，中國山地氣象研究在近25年雖然取得了不少成果，但也折射出山地氣象的基礎(chǔ)理論尚未取得突破性進(jìn)展，山地氣象中尚有不少未來應(yīng)關(guān)注的科學(xué)問題，例如山地與對流發(fā)生及強(qiáng)度的關(guān)系，山地天氣系統(tǒng)的中尺度結(jié)構(gòu)及發(fā)生發(fā)展過程，山地波動形成及其對強(qiáng)天氣的具體影響，山地造就的地形云、地形環(huán)流和降水日變化的精細(xì)結(jié)構(gòu)，山地對水汽、能量循環(huán)的作用，山區(qū)強(qiáng)降水的觸發(fā)機(jī)理與演變規(guī)律，基于多源資料分析的山地氣候?qū)W特征，山地對霧霾天氣及大氣污染物輸送的影響機(jī)理，氣候變化對山地氣象災(zāi)害的影響，全球變化與山地系統(tǒng)的響應(yīng)及反饋，山地邊界層氣象過程與影響機(jī)制，多系統(tǒng)耦合的山地大氣動力學(xué)，山地天氣氣候演變的動力學(xué)機(jī)理，基于山地災(zāi)害形成機(jī)理的氣象預(yù)報(bào)方法等。

對于山地氣象今后的研究工作與發(fā)展動向，做出如下展望：

1）在現(xiàn)有高原高山氣象觀測臺站的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步補(bǔ)充和完善觀測內(nèi)容和加密必要的觀測站點(diǎn)，開展復(fù)雜地形邊界層與自由大氣熱量和水分交換的場地定量觀測試驗(yàn)，尤其應(yīng)關(guān)注諸如湍流、地形強(qiáng)迫流、山區(qū)風(fēng)的日變化、熱力風(fēng)系、地形云系、地形降水、空氣污染擴(kuò)散、大氣局地循環(huán)等現(xiàn)象和過程的觀測研究。注重加強(qiáng)高山地區(qū)對全球變化響應(yīng)快速而強(qiáng)烈的山地特征“線”的連續(xù)監(jiān)測，為全球變化的研究提供重要依據(jù)。

2）在山地氣象研究方法和技術(shù)手段方面，要重視山地氣象基礎(chǔ)理論研究（如復(fù)雜地形邊界層大氣結(jié)構(gòu)、山地對氣流的動力影響、山地大氣動力過程及參數(shù)化方案等），應(yīng)用高性能和云計(jì)算等技術(shù)手段動態(tài)仿真模擬山地天氣氣候系統(tǒng)，充分吸收利用現(xiàn)代理論、新型探測資料和先進(jìn)技術(shù)，例如適合山地復(fù)雜地形的高分辨率數(shù)值模式、3S技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析、圖像識別、數(shù)據(jù)可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)、客觀識別、降尺度、新一代衛(wèi)星觀測資料、全球降水測量（GPM）衛(wèi)星資料及其全球近實(shí)時降水圖產(chǎn)品（GSMaP）等，深化山地天氣氣候研究，豐富山地天氣氣候的分析預(yù)報(bào)方法。特別應(yīng)注意用現(xiàn)代氣候系統(tǒng)的觀點(diǎn)來研究山地氣象過程及其對全球氣候變化和生態(tài)環(huán)境的影響。

3）應(yīng)加強(qiáng)研究山地區(qū)域的氣象資源、氣象致災(zāi)因子及其時空分布特征（特別是強(qiáng)對流和雷電活動），氣象條件和成災(zāi)環(huán)境要素耦合分析的山地災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)方法，山地氣象資源的評估、利用技術(shù)，山地氣象災(zāi)害及次生災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展規(guī)律與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)，山區(qū)氣象災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)與氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級的預(yù)警技術(shù)，研發(fā)山地氣象防災(zāi)減災(zāi)適用技術(shù)及應(yīng)急管理系統(tǒng)，并積極推進(jìn)山地氣象業(yè)務(wù)及服務(wù)工作。

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Progress and Prospects in Research of Mountain Meteorology in China During the Past 25 Years

Li Guoping
（College of Atmospheric Sciences， Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225）

The mountain meteorology is an interdisciplinary study of the interaction between the mountains and the atmosphere, and is an important composition of the Mountains Sciences. During the past 25 years, a lot of important progress has been made in research of mountain meteorology in China. Besides continue organizing experiments and in-depth studing atmospheric science around the Tibetan Plateau, the researches of relationship between meteorology and topography have been down around other major mountains in China, such as around the Tianshan, Huashan, Qinling, Hengduanshan, Emeishan, Ailaoshan, Loushan, Bashan, Dabieshan, Taihangshan, Changbaishan, Huangshan, Jiuhuashan, and so on. This paper summarizes main research results in the mountain meteorology in China since 1990s, it includes the observation experiments, the topics on atmospheric boundary layer, fundamental theory, numerical simulation, precipitation science, climate and climate change, climate resources, environmental meteorology and meteorological hazards etc. Furthermore, we propose some suggestions that are worthy to pay more attention in research of mountain meteorology in the future.

mountain meteorology, observation, theory, resource, hazards

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.016

2014年7月14日；

2014年11月8日

李國平（1963—），Email: liguoping@cuit.edu.cn

資助信息： 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB417200） ；公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201206042）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（91337215，41175045）