何光碧

（中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072）

引言

地形對(duì)大氣環(huán)流和降水有著很重要的影響。由于各地海拔高度和地面受熱條件的不同，地形直接影響其地表和高空溫、壓、濕的分布。與此同時(shí)，地形作為大氣運(yùn)動(dòng)的障礙物，通過(guò)對(duì)氣流阻擋而產(chǎn)生擾流和翻越運(yùn)動(dòng)，對(duì)風(fēng)場(chǎng)的改變直接影響動(dòng)量、熱量和水汽輸送，進(jìn)而影響人們最為關(guān)注的降水、溫度等氣象要素的變化。地形與暴雨的關(guān)系更為密切，暴雨發(fā)生的頻率、落區(qū)及強(qiáng)度等均受到地形的顯著影響[1?2]。

從20世紀(jì)50年代開始，就地形對(duì)天氣氣候的影響問(wèn)題，氣象學(xué)家們從觀測(cè)分析、天氣學(xué)分析、理論研究、轉(zhuǎn)盤試驗(yàn)、診斷分析、數(shù)值模擬等多個(gè)方面進(jìn)行研究，做了大量工作。從數(shù)值預(yù)報(bào)的觀點(diǎn)看，地形的表征作用體現(xiàn)在地形對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的擾流和抬升動(dòng)力作用，與地形相關(guān)的加熱、感熱、潛熱和動(dòng)量輸送等熱力作用[3]。在數(shù)值模式中，處理好地形作用是一個(gè)很重要的問(wèn)題。青藏高原對(duì)我國(guó)天氣氣候有著重大影響，在模式中處理好青藏高原大地形及其以東復(fù)雜地形的作用，更有其特殊意義。

本文從數(shù)值模式出發(fā)，主要針對(duì)模式中地形處理以及地形對(duì)降水影響等關(guān)鍵問(wèn)題，系統(tǒng)性梳理數(shù)值模式中考慮地形影響的處理方法及地形影響數(shù)值模擬研究的相關(guān)成果，為進(jìn)一步開展數(shù)值模式地形處理及地形影響研究，促進(jìn)數(shù)值模式發(fā)展以及地形對(duì)天氣氣候影響機(jī)理的認(rèn)識(shí)提供科學(xué)參考。

1 考慮地形影響的模式地形處理方法

地形是大氣運(yùn)動(dòng)重要的強(qiáng)迫源。對(duì)于地形影響的模式地形處理方法，本文主要回顧與高度相關(guān)的模式垂直坐標(biāo)系、與氣壓梯度力相關(guān)的計(jì)算方案設(shè)計(jì)、影響天氣氣候的模式地形構(gòu)造、地形參數(shù)化方案以及考慮地形影響的模式資料同化等研究成果。

1.1 模式垂直坐標(biāo)系

垂直坐標(biāo)直接關(guān)系到模式的邊界處理、守恒屬性、梯度計(jì)算誤差等。在區(qū)域模式或全球模式中采用什么類型垂直坐標(biāo)系一直是模式動(dòng)力框架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和重點(diǎn)。丑紀(jì)范[3]分析概述了數(shù)值模式中處理地形影響的方法和問(wèn)題，認(rèn)為通過(guò)選擇合適的垂直坐標(biāo)系統(tǒng)和改進(jìn)數(shù)值計(jì)算方法，無(wú)論在全球模式或有限區(qū)域模式中，都能對(duì)地形的動(dòng)力作用進(jìn)行較好地描述。

數(shù)值模式中的垂直坐標(biāo)根據(jù)垂直方向物理量的不同而不同。Eliassen[4]開創(chuàng)了用氣壓作為數(shù)值模式的垂直坐標(biāo)。由于氣壓坐標(biāo)系在大氣的下邊界不是一個(gè)坐標(biāo)面而在地形附近存在計(jì)算的缺陷，Phillips[5]提出了Sigma（σ）坐標(biāo)，該坐標(biāo)是氣壓坐標(biāo)的變換形式，其坐標(biāo)面即地球表面。此后，σ坐標(biāo)及其變形在各類大氣數(shù)值模式中廣泛應(yīng)用。σ坐標(biāo)即為歸一化的坐標(biāo)。地形與最低的坐標(biāo)面相重合，復(fù)雜地形下墊面問(wèn)題迎刃而解。“歸一化”的思路還可用于高度或位溫。這類坐標(biāo)常統(tǒng)稱為“地形追隨坐標(biāo)”。在應(yīng)用中人們很快發(fā)現(xiàn)地形追隨坐標(biāo)所帶來(lái)的地形區(qū)氣壓梯度力（PGF）的計(jì)算問(wèn)題[6?9]。傾斜的σ面所帶來(lái)的問(wèn)題，促使Mesinger[10]提出另一類地形處理方法，即所謂“臺(tái)階地形”坐標(biāo)或η坐標(biāo)。山脈被表示為填滿的網(wǎng)格盒子，使一些不帶任何資料的網(wǎng)格盒子位于地表面以下。η坐標(biāo)面是準(zhǔn)水平面，無(wú)論地形多復(fù)雜，在地形追隨坐標(biāo)中氣壓梯度力計(jì)算的“大量小差”問(wèn)題和其它水平差分量有關(guān)的誤差也會(huì)有所減小。η坐標(biāo)不僅保留了σ坐標(biāo)下邊界條件簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，還克服了σ坐標(biāo)的缺點(diǎn)。

針對(duì)我國(guó)復(fù)雜地形和暴雨預(yù)報(bào)問(wèn)題，宇如聰?shù)萚11]自主研發(fā)了一個(gè)能考慮陡峭地形的η坐標(biāo)預(yù)報(bào)模式（REM)，成功地模擬了受地形影響最為典型的暴雨現(xiàn)象“雅安天漏”。滕家謨等[12]利用引進(jìn)的美國(guó)NCEP業(yè)務(wù)模式之一的η坐標(biāo)模式，在不改變模式基本特性的情況下，對(duì)采用σ坐標(biāo)系和采用具有階梯形山脈地形的η坐標(biāo)系進(jìn)行了兩例數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，具有階梯山脈地形的η坐標(biāo)系，使模式能避免采用σ坐標(biāo)系可能出現(xiàn)的許多問(wèn)題，預(yù)報(bào)結(jié)果也與實(shí)況基本一致。當(dāng)然，η坐標(biāo)也存在不足。數(shù)值試驗(yàn)證實(shí)了η坐標(biāo)在陡峭地形附近的優(yōu)勢(shì)以及與地表邊界層處理有關(guān)的潛在缺陷[13]。由于準(zhǔn)水平的坐標(biāo)面會(huì)與地形相割，η坐標(biāo)帶來(lái)了內(nèi)邊界的處理問(wèn)題。由于人工修改地形，在臺(tái)階地形的轉(zhuǎn)角處，會(huì)造成虛假的渦度，進(jìn)而影響中小尺度地形背風(fēng)波的模擬效果[14]。對(duì)于水平尺度較寬的山，當(dāng)模式垂直分辨率不夠細(xì)時(shí)，σ類坐標(biāo)可能優(yōu)于η坐標(biāo)。Mesinger等[15]設(shè)計(jì)了一種傾斜η坐標(biāo)，能較好地清除原η階梯地形模式中存在于階梯轉(zhuǎn)角的虛假渦度。

地形追隨坐標(biāo)又分為高度地形追隨坐標(biāo)和氣壓地形追隨坐標(biāo)。如前所述，此類坐標(biāo)將帶來(lái)不可避免的PGF項(xiàng)計(jì)算誤差，且隨著模式分辨率提高，PGF誤差會(huì)進(jìn)一步增大[16]；同時(shí)，由于模式面的隆起，會(huì)造成大氣運(yùn)動(dòng)的歪曲。21世紀(jì)以來(lái)，發(fā)展性能良好的平滑-混合坐標(biāo)和減小高層模式面的隆起成為模式垂直坐標(biāo)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究的主流[17?21]。Schar等[17]提出一種新的平滑層垂直坐標(biāo)（SLEVE），通過(guò)平滑復(fù)雜地形以上Sigma坐標(biāo)面來(lái)提高計(jì)算精度。高度地形追隨坐標(biāo)和氣壓地形追隨坐標(biāo)對(duì)垂直速度和降水等模擬結(jié)果差異明顯，高度坐標(biāo)的預(yù)報(bào)能力要優(yōu)于質(zhì)量坐標(biāo)，高分辨率中尺度模式的模擬結(jié)果對(duì)垂直坐標(biāo)的選擇很敏感[22]。李超等[23]設(shè)計(jì)了一種以改進(jìn)的余弦函數(shù)為基函數(shù)的平緩-混合坐標(biāo)來(lái)減小計(jì)算誤差，提高計(jì)算穩(wěn)定度。平緩-混合坐標(biāo)的改進(jìn)效果比較明顯，平移的COS坐標(biāo)對(duì)風(fēng)場(chǎng)和降水場(chǎng)的模擬效果最佳[24]。

1.2 氣壓梯度力處理

實(shí)踐中，追隨地形坐標(biāo)所帶來(lái)的問(wèn)題很快就顯現(xiàn)出來(lái)。最早提出和研究最多的是地形區(qū)氣壓梯度力的計(jì)算問(wèn)題[6?8]。通過(guò)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)的差分格式、反插到p 面法以及扣除法等減小氣壓梯度力誤差的方法被陸續(xù)提出[16，25?36]。中國(guó)科學(xué)家就如何克服數(shù)值預(yù)報(bào)模式中地形的虛假影響做了大量富有成效的工作。早在1963年，曾慶存先生[26]就提出了標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)靜力扣除法，該方法把大氣運(yùn)動(dòng)表示為相對(duì)于一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)大氣”偏差的變化，減小由于陡峭地形的影響使得大氣運(yùn)動(dòng)方程組在數(shù)值計(jì)算中常見的“大項(xiàng)小差”所產(chǎn)生的計(jì)算誤差，從而提高計(jì)算精度。錢永甫等[35?36]根據(jù)大氣的各向異性特點(diǎn)及“差分?微分?差分相一致”的觀點(diǎn)推導(dǎo)出了一般坐標(biāo)變換公式，得到符合“差微差”一致性坐標(biāo)變換原理的氣壓梯度力計(jì)算公式，稱為經(jīng)典修正格式，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種計(jì)算陡峭地形區(qū)氣壓梯度力的新方法，即誤差扣除法。通過(guò)幾種氣壓梯度力的對(duì)比試驗(yàn)，誤差扣除法可在一定程度上改善模擬效果[37]。強(qiáng)學(xué)民等[38]將計(jì)算陡峭地形區(qū)氣壓梯度力的幾種方法用于云南中尺度模式中，數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)典修正法比其它方法計(jì)算精度高、運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足模式的預(yù)報(bào)要求，比模式原方案有顯著的改進(jìn)。黃泓等[39]在一個(gè)η坐標(biāo)暴雨模式的基礎(chǔ)上，對(duì)氣壓梯度力的計(jì)算進(jìn)行了改進(jìn)，推導(dǎo)了新的計(jì)算方案并改寫了對(duì)應(yīng)程序，效果檢驗(yàn)表明氣壓梯度力計(jì)算方案的改進(jìn)可部分地提高陡峭地形處暴雨雨強(qiáng)的預(yù)報(bào)。胡江林等[16]指出隨著模式分辨率提高和地形坡度的進(jìn)一步加大，氣壓梯度力的計(jì)算誤差問(wèn)題更加突出，提出了基于靜力方程訂正的回插等壓面改進(jìn)方案，理想場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果表明該方案的計(jì)算誤差可顯著減小，隨著模式分辨率的提高，該方案的計(jì)算誤差將逐步收斂到零。

國(guó)外數(shù)值預(yù)報(bào)專家也非常關(guān)注地形區(qū)，特別是陡峭地形區(qū)氣壓梯度力的計(jì)算問(wèn)題，做了大量的工作[6?8]，改進(jìn)了其計(jì)算精度，提供了更為有效的預(yù)報(bào)結(jié)果，取得了明顯的成效，這里不再贅述。

1.3 模式地形構(gòu)造

模式地形直接影響模式初值生成及模式模擬效果。不論地形是何種尺度和形狀，在數(shù)值模式中，首先遇到的問(wèn)題是如何描寫起伏的地形和不規(guī)則的計(jì)算區(qū)域。客觀上，可以得到高精度的地形資料，但模式只能刻畫與其格距相適應(yīng)的地形尺度對(duì)大氣的影響，最終得到的模式地形均是經(jīng)過(guò)一定平滑處理后的地形。

在模式地形構(gòu)造上，Wallace等[40]提出了“包絡(luò)地形”的概念，即在網(wǎng)格尺度平均地形之上，迭加次網(wǎng)格尺度地形對(duì)網(wǎng)格尺度平均地形的標(biāo)準(zhǔn)差。錢永甫等[41]在此基礎(chǔ)上提出了地形包絡(luò)度，即在網(wǎng)格尺度平均地形之上可以迭加不同倍數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，構(gòu)成不同的包絡(luò)地形，并且將包絡(luò)地形用于氣候模擬研究，發(fā)現(xiàn)采用較大包絡(luò)度的地形可在一定程度上改善氣候模擬結(jié)果，包絡(luò)度值要取得恰當(dāng)，否則反而不利。包絡(luò)地形增加了模式地形的高度和陡度，增強(qiáng)了地形的屏障作用。WRF模式提供了3種地形平滑方案，包絡(luò)地形、輪廓地形和平均地形。張凱等[42]利用WRF模式中提供的上述三種地形方案對(duì)暴雪過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明地形方案與降雪的時(shí)空分布有很大的相關(guān)性，地形越接近實(shí)際地形，降雪的時(shí)空分布越接近實(shí)況；降雪過(guò)程中有明顯的中尺度重力波活動(dòng)，重力波受地形影響很大，地形越不平滑，重力波的強(qiáng)度越強(qiáng)、移速越慢。何光碧等[43]在WRF模式中引入高分辨率的地形數(shù)據(jù)構(gòu)造模式地形，與WRF模式原地形處理方案作對(duì)比試驗(yàn)后指出，基于高分辨率的地理信息系統(tǒng)高程數(shù)據(jù)，構(gòu)造接近真實(shí)地形的模式地形研究將是改進(jìn)模式模擬效果的一個(gè)方面。

在模式分辨率一定的條件下，一些相對(duì)較小尺度的實(shí)際地形模式的模擬效果并不理想，需要采取適當(dāng)?shù)臄?shù)值濾波處理，這樣，一方面濾除給定分辨率的模式所不能很好描述的小尺度實(shí)際地形，同時(shí)盡量降低對(duì)模式能夠準(zhǔn)確描述的較大尺度實(shí)際地形的影響[44]。地形在垂直方向過(guò)度平滑及在水平方向過(guò)度擴(kuò)張，均會(huì)造成在模擬不同尺度系統(tǒng)動(dòng)力效應(yīng)時(shí)出現(xiàn)失真，從而導(dǎo)致預(yù)報(bào)誤差的增大[45]。模式地形尺度的選擇對(duì)模式預(yù)報(bào)能力有著非常重要的影響[46]，6倍以下尺度的地形對(duì)基于試驗(yàn)?zāi)Ｊ紾RAPES的預(yù)報(bào)能力是有害的，應(yīng)該濾除，或通過(guò)次網(wǎng)格尺度地形參數(shù)化加以調(diào)整。引入數(shù)值濾波器及水平擴(kuò)散方案分別對(duì)地形及計(jì)算噪音進(jìn)行處理，選擇性地過(guò)濾由地形坡度引起的不同尺度噪音，并控制由數(shù)值擴(kuò)散、非線性不穩(wěn)定及不連續(xù)物理過(guò)程引起的小尺度噪音，此方法能改進(jìn)降水預(yù)報(bào)，使山區(qū)降雨分布更真實(shí)[47]。屠妮妮等[48]采用切比雪夫多項(xiàng)式展開濾波獲取區(qū)域模式地形，試驗(yàn)表明切比雪夫多項(xiàng)式展開處理地形的敏感性試驗(yàn)不能對(duì)暴雨的強(qiáng)度和落區(qū)做出改善，但總體的降水評(píng)分高于模式自身形成的模式地形控制試驗(yàn)的結(jié)果。

地形分布與氣象要素觀測(cè)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)具有極大的相關(guān)性，氣壓和溫度場(chǎng)與地形就有著直接的聯(lián)系。修正模式地形的伴隨同化系統(tǒng)的同化原理主要是依據(jù)觀測(cè)要素場(chǎng)的分布對(duì)地形資料進(jìn)行修正，如通過(guò)地面氣壓場(chǎng)的修正情況計(jì)算出地形高度的修正量，然后修改模式的地形高度。將伴隨模式同化系統(tǒng)應(yīng)用于修正模式地形誤差，能很好地對(duì)地形進(jìn)行修正，反演出與初始?xì)庀笠貓?chǎng)分辨率相匹配、與模式更協(xié)調(diào)的地形場(chǎng)[49]。通過(guò)模式最優(yōu)初始?xì)鈮簣?chǎng)對(duì)模式地形進(jìn)行修正，從而改善了模式對(duì)強(qiáng)降水中心及降水區(qū)域的預(yù)報(bào)[50?51]。

在模式地形構(gòu)造方面，模式地形基本構(gòu)造方法主要體現(xiàn)在基于較模式格點(diǎn)更高分辨率的高程數(shù)據(jù)，采用包絡(luò)地形、輪廓地形和平均地形以及采用不同數(shù)值濾波器，形成模式地形，或考慮模式地形與氣象要素場(chǎng)的協(xié)調(diào)性，使得模式地形得到有效修正。不同的模式地形，對(duì)預(yù)報(bào)效果的影響不一樣。在陡峭復(fù)雜地形區(qū)，通常模式地形與實(shí)際地形存在較大差異。采用伴隨模式同化系統(tǒng)來(lái)修正模式地形誤差可以獲得較好的模擬效果。對(duì)一個(gè)確定分辨率的數(shù)值模式，在保持穩(wěn)定計(jì)算的前提下，如何引入更真實(shí)的地形，提高模式模擬效果，相關(guān)研究工作還有待深入開展。

1.4 次網(wǎng)格地形參數(shù)化

數(shù)值模式中一些無(wú)法準(zhǔn)確描述的相對(duì)較小尺度的實(shí)際地形應(yīng)該被過(guò)濾掉，從而得到模式有效地形，而被過(guò)濾掉的地形被稱為次網(wǎng)格尺度地形，其效應(yīng)只能通過(guò)參數(shù)化技術(shù)來(lái)考慮[52]。次網(wǎng)格地形的參數(shù)化過(guò)程是描述地形作用的主要手段和方法。目前，大多數(shù)中尺度模式都使用平均地形來(lái)描述格點(diǎn)可分辨山脈地形，往往過(guò)于低估山脈對(duì)氣流的拖曳作用，可通過(guò)引入相應(yīng)的次網(wǎng)格尺度地形參數(shù)化方案對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，從而更好地描述地形與模式層相交時(shí)產(chǎn)生的對(duì)流層低層的阻礙作用和次網(wǎng)格尺度重力波的動(dòng)量傳輸過(guò)程[53?55]。

當(dāng)穩(wěn)定的氣流越過(guò)不規(guī)則的下墊面時(shí)，起伏不平的地形可能激發(fā)出向上傳播的重力波，重力波所引起的垂直擾動(dòng)動(dòng)量通量在垂直方向分布不均勻，在一定條件下對(duì)大尺度氣流起到總體耗散作用，從而引起風(fēng)場(chǎng)發(fā)生變化。次網(wǎng)格地形觸發(fā)的重力波拖曳對(duì)維持大氣環(huán)流的動(dòng)量、能量守恒過(guò)程具有非常重要的作用[56?57]。將地形重力波參數(shù)化方案引入數(shù)值模式，能相當(dāng)有效地緩解因數(shù)值模式不能精確分辨次網(wǎng)格地形而造成的“西風(fēng)偏差”和“冷極”問(wèn)題[58?59]，一定程度改善模式的模擬性能。引進(jìn)地形重力波拖曳過(guò)程，可以改變地形區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)，使預(yù)報(bào)的流場(chǎng)更接近于大氣真實(shí)狀態(tài)，從而提高模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。重力波拖曳作用可在一定程度上改善模式的模擬性能，使模擬結(jié)果更符合大氣實(shí)況，且隨著積分時(shí)間增長(zhǎng)，對(duì)模擬結(jié)果的影響程度增大[60?61]。在區(qū)域GRAPES模式中，考慮地形湍流拖曳力方案對(duì)模式預(yù)報(bào)具有改善作用，尤其是局地低層風(fēng)場(chǎng)的改進(jìn)效果顯著[62]。引起降水預(yù)報(bào)誤差的主要原因在于模式初值中未包含地形強(qiáng)迫造成的小尺度局地?cái)_動(dòng)信息，阻塞流拖曳力強(qiáng)度明顯強(qiáng)于地形重力波拖曳，它有可能導(dǎo)致雨帶位置偏離實(shí)況，山區(qū)上空對(duì)流層中低層風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)增量對(duì)改進(jìn)降水預(yù)報(bào)效果的影響最關(guān)鍵[63]?？紤]次網(wǎng)格地形對(duì)網(wǎng)格內(nèi)大氣強(qiáng)迫量的影響，陳廣宇等[64]將輸入的大氣強(qiáng)迫量根據(jù)其與地形高度的關(guān)系進(jìn)行修訂，提出次網(wǎng)格地形的新參數(shù)化方案，并引入到WRF模式中進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)區(qū)域地形越復(fù)雜，次網(wǎng)格地形的影響越大，新方案對(duì)中國(guó)西部復(fù)雜地形區(qū)地表氣溫的模擬有較大改善。鐘水新[65]利用GRAPES模式檢驗(yàn)了新簡(jiǎn)化線性地形降水參數(shù)化方案的應(yīng)用情況，指出簡(jiǎn)化的線性方案可較好地模擬出地形降水，可一定程度上改善模式模擬的非對(duì)流性降水偏低的情況。

1.5 考慮地形影響的模式資料同化

在復(fù)雜地形區(qū)，地面資料的同化面臨著極大挑戰(zhàn)。模式地形與觀測(cè)站地形高度差異是地面觀測(cè)資料同化方案設(shè)計(jì)中存在的一個(gè)比較難以解決的問(wèn)題，而模式與實(shí)際觀測(cè)站地形高度差異對(duì)地面觀測(cè)資料同化效果有較大影響[66?68]。目前的數(shù)值預(yù)報(bào)模式還不能完全反映真實(shí)地形，這必將影響資料同化結(jié)果，進(jìn)而影響模式模擬效果。地面資料使用率低下，究其原因是模式地形與實(shí)際觀測(cè)站高度存在較大差異，致使觀測(cè)數(shù)據(jù)與模式觀測(cè)相當(dāng)量存在很大偏差，以及觀測(cè)量屬于近地面層內(nèi)的要素，其空間變化受到邊界層物理過(guò)程的支配，同化系統(tǒng)難以與之匹配[69]。在地面觀測(cè)資料同化方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)方面，Ruggiero等[70]在考慮模式地形與實(shí)際觀測(cè)站高度有差異的情況下，提出利用近地層相似理論設(shè)計(jì)同化方案，考慮測(cè)站高度是否大于模式最低層高度，進(jìn)而考慮是否將地面觀測(cè)資料作為高空資料進(jìn)入模式，或?qū)⒃撜军c(diǎn)資料剔除不用，或利用背景場(chǎng)信息將該站點(diǎn)觀測(cè)資料反演到模式最低層。Guo[71]假定所有測(cè)站的資料都是位于模式地面，利用相似理論建立地面要素觀測(cè)算子及相應(yīng)的切線和伴隨模式，使地面觀測(cè)資料得到充分利用，一定程度改進(jìn)了同化效果。Devenyi等[72]、Benjamin等[73?74]通過(guò)采用局地遞減率將地面觀測(cè)氣壓、溫度和濕度由觀測(cè)站地形訂正到模式地形高度的方法，解決地面觀測(cè)資料同化中模式地形和觀測(cè)站地形高度差異問(wèn)題。徐枝芳等[68]研究發(fā)現(xiàn)有探空資料參與同化分析時(shí)，采用增加觀測(cè)誤差方法比溫度訂正法改進(jìn)的郭永潤(rùn)同化方案[71]同化地面資料的效果更好，且加入地面資料同化對(duì)所有量級(jí)降水預(yù)報(bào)均有所改善?；诘匦胃叨炔町悓?duì)復(fù)雜地形下的地面觀測(cè)資料進(jìn)行訂正，對(duì)氣象要素和暴雨落區(qū)強(qiáng)度的模擬都有提高[75]，西部地區(qū)地面觀測(cè)資料經(jīng)地形高度訂正后再同化到數(shù)值模式中能改進(jìn)模式對(duì)我國(guó)東部暴雨的模擬效果[76]。

資料同化過(guò)程中，考慮地形影響采用的不同誤差訂正同化方案，使得地面資料在同化中得到充分應(yīng)用，不同程度改進(jìn)了模式初始場(chǎng)與模式模擬效果。當(dāng)今地面觀測(cè)站點(diǎn)越來(lái)越密集的情況下，復(fù)雜地形條件下如何有效地同化地面資料仍是值得研究的課題。

2 地形降水?dāng)?shù)值模擬研究

2.1 中小尺度地形影響

我國(guó)地形分布較為復(fù)雜，針對(duì)復(fù)雜地形，如江淮地區(qū)、皖南山區(qū)、魯中山區(qū)、黃山、大別山、云貴高原、南嶺-武夷山等，通過(guò)地形敏感性數(shù)值試驗(yàn)研究不同地形對(duì)降水影響的工作較多。翟國(guó)慶等[77]為了了解地形對(duì)降水的增幅，在控制試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將浙西黃山和皖南天目山山地高度削減到環(huán)境平均高度，對(duì)大暴雨過(guò)程進(jìn)行地形敏感性試驗(yàn)，指出強(qiáng)降水中心位于山地附近，地形的動(dòng)力及屏障作用對(duì)氣流有明顯影響。高坤等[78]通過(guò)消減華東地區(qū)東部黃山、天目山及大別山等特定山地高度的敏感性試驗(yàn)，指出地形引起的小時(shí)降水增幅高達(dá)總降水的90%以上，中尺度地形作為一種外界迫動(dòng)，使得地形垂直環(huán)流加強(qiáng)并向上伸展，降水、潛熱釋放與地形垂直環(huán)流之間出現(xiàn)一種正反饋機(jī)制，導(dǎo)致地形對(duì)降水的強(qiáng)烈增幅。馮強(qiáng)等[79]在不改變大尺度環(huán)境的各要素場(chǎng)的基礎(chǔ)上，人為地將模式地形中長(zhǎng)江中游的大別山及其緊鄰地域的海拔高度降為50m以下，結(jié)果表明地形的改變使中尺度暴雨中心位置和強(qiáng)度發(fā)生了變化，但是局地地形的改變也只會(huì)在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)局地中尺度降水系統(tǒng)產(chǎn)生影響。臧增亮等[80]只考慮江淮地區(qū)的理想地形，設(shè)計(jì)控制試驗(yàn)是無(wú)地形，對(duì)比試驗(yàn)分別為單獨(dú)考慮黃山、幕阜山、大別山地形以及上述三個(gè)地區(qū)的所有地形，數(shù)值試驗(yàn)表明各個(gè)地形對(duì)降水的影響是不同的，同一個(gè)地形在不同時(shí)段對(duì)降水的影響也是不同的，地形和切變線的相對(duì)位置是造成這一影響的關(guān)鍵所在。魯中山區(qū)地形數(shù)值試驗(yàn)[81]表明，迎風(fēng)坡可引起低層氣流和水汽的輻合上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，降水量增加；山頂可引起低層輻合上升運(yùn)動(dòng)減弱，輻散下沉運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，降水量減?。槐筹L(fēng)坡可引起低層氣流和水汽的輻合上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，降水量增加。中尺度地形（大別山地區(qū)和皖東南地區(qū)）在一定的系統(tǒng)配置條件下，不僅影響局地降水，也影響較遠(yuǎn)地區(qū)降水[82]。地形高度引起江淮流域降水變化主要在地形變化的附近，特別是山的迎風(fēng)面，降水有明顯增加，地形還起到了改變落區(qū)和強(qiáng)度的作用[83]。云貴高原地形對(duì)高原西側(cè)迎風(fēng)坡降水有顯著影響，對(duì)高原中東部地區(qū)暴雨的分布、強(qiáng)度和對(duì)流云系的持續(xù)時(shí)間有重要影響[84]。地形對(duì)云的發(fā)展和降水的形成有明顯影響，當(dāng)降低地形高度后，云水量減少，暖云過(guò)程減弱，同時(shí)也影響了霰粒子的增長(zhǎng)過(guò)程[85]。模式中若忽略了地區(qū)復(fù)雜地形對(duì)初始場(chǎng)的影響，將最終導(dǎo)致降水預(yù)報(bào)出現(xiàn)較明顯的漏報(bào)現(xiàn)象，模式中能否正確反映小尺度局地?cái)_動(dòng)信息對(duì)山區(qū)降水有重要影響[63]。趙玉春等[86]通過(guò)理想數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了我國(guó)東南沿岸的復(fù)雜山地地形熱力環(huán)流對(duì)對(duì)流降雨的觸發(fā)以及海陸風(fēng)環(huán)流在山地對(duì)流雨帶組織發(fā)展中的作用，環(huán)境溫濕廓線以及風(fēng)垂直廓線對(duì)熱對(duì)流降水日峰值強(qiáng)度以及日峰值出現(xiàn)的時(shí)間具有重要影響。

喇叭口地形對(duì)降水的影響已在實(shí)踐中有所認(rèn)識(shí)，諸多地形數(shù)值試驗(yàn)也驗(yàn)證了喇叭口地形對(duì)降水的增幅作用。喇叭口地形結(jié)構(gòu)對(duì)云南強(qiáng)降水的落區(qū)和降水強(qiáng)度均有著不可忽視的作用[87]。喇叭口地形使甘谷降水增加明顯，抬高地形對(duì)迎風(fēng)坡上空低層輻合及上升運(yùn)動(dòng)有顯著的加強(qiáng)作用，且其動(dòng)力抬升作用主要體現(xiàn)在降水發(fā)生前和發(fā)生時(shí)[88]。大巴山地形使得西南暖濕氣流所帶來(lái)的水汽和熱量在迎風(fēng)坡堆積，從而在迎風(fēng)坡和山頂出現(xiàn)較強(qiáng)的降水中心[89]。李強(qiáng)等[90]基于WRF模式，在模式下墊面中嵌入長(zhǎng)江水體并改變地形高度，指出在局地喇叭口和峽谷地形作用下，近地面河谷風(fēng)增加，三峽地區(qū)下游段在峽谷地形的“狹管”效應(yīng)作用下，河谷偏東風(fēng)增加，水汽向西輸送增強(qiáng)并與偏南風(fēng)北上水汽在喇叭口地形末端匯合，促使水汽輻合上升，遭遇高空的干冷空氣，造成層結(jié)不穩(wěn)定，釋放潛熱不穩(wěn)定能量，導(dǎo)致了該地區(qū)的降水量增加。

這些研究工作從多方面證實(shí)地形對(duì)暴雨具有重要影響，其中迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡地形的增幅作用、喇叭口地形的輻合作用尤為重要。地形可以通過(guò)改變某些物理過(guò)程對(duì)降水產(chǎn)生增幅作用，進(jìn)而影響降水強(qiáng)度和中心位置的分布以及局地環(huán)流等，但影響的范圍有限。中尺度地形在一定的系統(tǒng)配置下才能影響較遠(yuǎn)地區(qū)降水。因此，有必要加強(qiáng)地形在不同天氣影響系統(tǒng)及環(huán)流的配置下是如何影響局地和較遠(yuǎn)地區(qū)降水的數(shù)值模擬研究。

2.2 不同分辨率地形影響

Riphagen等[91]指出模式中地形本身分辨率的提高也有助于提高降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率?；诓煌匦畏直媛蕯?shù)據(jù)，描述的模式地形是有差異的。就地形的不同處理（以地形的平滑程度即平滑掃描的范圍來(lái)反映小地形的作用）對(duì)降水預(yù)報(bào)的影響，地形分辨率的提高能補(bǔ)報(bào)出雨量的多中心，同時(shí)又不改變雨區(qū)范圍，中尺度摸式中應(yīng)當(dāng)盡可能精確地描述地形[92]。張朝林等[93]進(jìn)行了不同地形分辨率對(duì)降水影響的敏感性試驗(yàn)，指出北京獨(dú)特的地形特征和復(fù)雜的地勢(shì)變化對(duì)“00.7”北京特大暴雨的強(qiáng)度和落區(qū)有重要影響。姚昊等[94]研究指出地形平滑方案與降水的時(shí)空分布有很大的相關(guān)性，地形越接近實(shí)際地形，降水的時(shí)空分布越接近實(shí)況；地形高度對(duì)降水的強(qiáng)度及落區(qū)影響較大。周天軍等[95]研究指出地形對(duì)模式降水的影響主要體現(xiàn)在降水增幅效應(yīng)和降水區(qū)分布結(jié)構(gòu)上，即模式地形增高，降水適度增加，雨區(qū)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。姜勇強(qiáng)等[96]研究了地形對(duì)1998 年7 月鄂東特大暴雨鞍型場(chǎng)影響，發(fā)現(xiàn)模式地形越真實(shí)，對(duì)中尺度低渦、鞍型流場(chǎng)以及降水的模擬越接近實(shí)況。殷蕾[97]通過(guò)對(duì)華東一次颮線過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)地形分辨率對(duì)降水影響比較大，高分辨率地形模擬降水更符合實(shí)況。

以上研究一致表明，模式地形越接近實(shí)際地形，模擬的效果就越好。模式本身的分辨率或形成模式地形的地形數(shù)據(jù)分辨率提高，有助于提高對(duì)預(yù)報(bào)區(qū)域的地形特征描述的準(zhǔn)確性。因此，可利用地理信息系統(tǒng)提供的高分辨率高程數(shù)據(jù)提取地形參數(shù)，以便形成更精細(xì)的模式地形，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究地形對(duì)降水影響，以提高精細(xì)化的降水預(yù)報(bào)水平。

3 結(jié)論

本文從數(shù)值模式出發(fā)，圍繞地形對(duì)天氣氣候影響，從垂直坐標(biāo)系選擇、減小氣壓梯度力誤差計(jì)算方案、地形參數(shù)化方案、地形區(qū)地面資料同化方案、模式地形構(gòu)造方法以及地形數(shù)值試驗(yàn)等方面，回顧了數(shù)值模式中地形影響的處理方法、地形對(duì)天氣氣候影響及其作用機(jī)制的主要研究成果，并對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)性梳理，主要結(jié)論如下：

（1）數(shù)值模式，無(wú)論是全球模式還是區(qū)域模式，對(duì)青藏高原及其周邊地區(qū)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率普遍低于同時(shí)期對(duì)其它地區(qū)的預(yù)報(bào)，其主要原因是該地區(qū)地形極為陡峭復(fù)雜。因此，在中國(guó)，特別是中國(guó)西部地區(qū)，提高數(shù)值模式的預(yù)報(bào)能力，與地形相關(guān)的垂直坐標(biāo)系與計(jì)算方案、地面資料同化方案、地形參數(shù)化方案、模式地形構(gòu)造等應(yīng)是關(guān)注和研究的重點(diǎn)。

（2）地形對(duì)暴雨的影響非常重要，地形的增幅效應(yīng)十分顯著。模式地形越接近實(shí)際地形，對(duì)大氣環(huán)流、天氣系統(tǒng)和氣象要素的模擬效果就越好。事實(shí)上，在陡峭復(fù)雜地形區(qū)，通常模式地形與實(shí)際地形存在較大差異。對(duì)一個(gè)確定分辨率的數(shù)值模式，在保持穩(wěn)定計(jì)算的前提下，如何考慮地形效應(yīng)，構(gòu)造接近真實(shí)地形的模式地形，進(jìn)而提高模式模擬效果的研究還相對(duì)較少。開展地形在不同天氣影響系統(tǒng)及環(huán)流的配置下如何影響局地和較遠(yuǎn)地區(qū)降水的數(shù)值模擬研究，將是揭示地形降水影響機(jī)制的另一重點(diǎn)。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)在數(shù)值模式中考慮地形影響的模式地形處理和地形影響機(jī)制的數(shù)值試驗(yàn)研究，將有助于促進(jìn)數(shù)值模式進(jìn)一步發(fā)展，加深地形對(duì)天氣氣候影響機(jī)理的認(rèn)識(shí)，從而提高對(duì)天氣氣候的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)能力。