馬琳輝，袁 敏

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院，廣漢 618307）

0 引言

我國(guó)暴雨主要發(fā)生在5～8 月［1］，不同尺度地形對(duì)暴雨系統(tǒng)的影響不同［2］。四川地區(qū)位于青藏高原東南側(cè)，地形復(fù)雜，四川東部是盆地，西部是高原，地表起伏大，地勢(shì)懸殊，發(fā)生暴雨的頻次較高［3-5］，顯著的地形特點(diǎn)影響了降水的分布狀況。

楊麗杰等［6］對(duì)隴東黃土高原的降水進(jìn)行分析。丁麗佳等［7］研究了潮州市氣象站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)果表明地形地勢(shì)對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生影響較大，且多出現(xiàn)在迎風(fēng)坡。陳芳麗等［8］分析了強(qiáng)降水過(guò)程與地形走勢(shì)一致的原因，闡述了地形對(duì)氣流的抬升、阻截等作用。曾禮等［9］對(duì)華東地區(qū)降水尺度效應(yīng)進(jìn)行研究，表明在不同季節(jié)，地形因子對(duì)降水的影響程度不同。曠蘭等［10］用重慶地區(qū)的逐小時(shí)降水站點(diǎn)資料對(duì)FAST 和FRT 產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估，可以為站點(diǎn)較少地區(qū)的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。劉維成等［11］將地形因子加入雷達(dá)降水估測(cè)，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)訂正后的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)更為接近。馬文倩等［12］對(duì)一次強(qiáng)降水事件進(jìn)行分析，結(jié)果表明在迎風(fēng)坡，海拔與降水的正相關(guān)性更好。因此，研究四川地形對(duì)不同降水云的影響，能夠加深對(duì)地形對(duì)暴雨系統(tǒng)影響的了解。

GPM（Global Precipitation Measurement）衛(wèi)星于2014年發(fā)射，是美國(guó)NASA 和日本JAXA 發(fā)起的全球降水觀測(cè)計(jì)劃，其上搭設(shè)雙頻降水雷達(dá)DPR（Dual-Frequency Precipitation Radar），DPR雙頻分別是Ka 通道和Ku 通道。多位學(xué)者對(duì)GPM 衛(wèi)星資料精度進(jìn)行評(píng)估，并利用GPM 衛(wèi)星資料研究了不同地區(qū)的降水結(jié)構(gòu)特征。楊汪洋等［13］利用陜西省氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與GPM 降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。施麗娟等［14］以中國(guó)所有地面氣象站點(diǎn)為基準(zhǔn)，分析GPM 降水產(chǎn)品的準(zhǔn)確性，錢祝慶［15］對(duì)通過(guò)與2014—2019 年地面實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果表明GPM 降水產(chǎn)品整體觀測(cè)能力較優(yōu)，可以反映地區(qū)實(shí)際降水狀況。王智敏等［16］利用GPM/DPR 衛(wèi)星資料對(duì)新疆降雪的水平、垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析。王立羽等［17］利用GPM 數(shù)據(jù)分析了北太平洋區(qū)域降水結(jié)構(gòu)特征。鄧欣柔等［18］利用GPM 探測(cè)資料分析了臺(tái)風(fēng)降水的水平結(jié)構(gòu)特征與降水率分布狀況。以上較少針對(duì)四川強(qiáng)降水事件與地形因子進(jìn)行結(jié)合分析，因此，本文利用GPM/DPR L2A 與IMERG 降水產(chǎn)品結(jié)合地形因子對(duì)一次四川強(qiáng)降水事件進(jìn)行研究。

1 降水概況

四川地區(qū)在2018 年5 月21 日（世界時(shí)，下同）發(fā)生了一次強(qiáng)降水事件，圖1 給出了本次降水的總降水量分布（由GPM/IMERG 觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制），此次降水達(dá)到了國(guó)家氣象局頒布的降水強(qiáng)度等級(jí)中的暴雨—大暴雨等級(jí)（暴雨—大暴雨等級(jí)為24 小時(shí)降水量范圍75.0～174.9 mm）。本次降水的降水率在15:30—16:30 達(dá)到最大值（降水率≥40 mm/h），范圍集中在104°E、29°N附近。

圖1 5月21日降水總量分布（單位:mm）

2 坡度與云高

此次降水過(guò)程中，GPM 衛(wèi)星共經(jīng)過(guò)四川地區(qū)2 次，僅在15:31 時(shí)掃描軌道與此次降水的強(qiáng)降水區(qū)匹配較好，且15:31 是此次強(qiáng)降水事件中降水率最大值時(shí)間范圍，表明此次掃描數(shù)據(jù)能夠較好地表征此次降水結(jié)構(gòu)特征。DPR 通過(guò)雷達(dá)回波將探測(cè)的降水云分為三類［19］:當(dāng)檢測(cè)到0℃亮帶時(shí)，定義為層狀云降水；若在0℃亮帶附近檢測(cè)到雷達(dá)回波大于39 dBZ 或風(fēng)暴頂下雷達(dá)回波大于39 dBZ，則定義為對(duì)流云降水，其余則為其他降水（其他降水樣本量較少，故此次不考慮其他降水）。對(duì)流云樣本1129，層狀云樣本2218，對(duì)流云與層狀云樣本比例約為1∶2，說(shuō)明層狀云降水發(fā)展范圍遠(yuǎn)大于對(duì)流云降水發(fā)展范圍。

圖2（a）和圖2（b）分別為對(duì)流云、層狀云坡度與凍結(jié)層高度散點(diǎn)圖，二者凍結(jié)層高度都聚集在4.8～5.5 km，說(shuō)明凍結(jié)層所在高度與降水云類型關(guān)系不大。在圖2（a）中坡度與凍結(jié)層高度的擬合曲線表明：隨著坡度的增長(zhǎng)，凍結(jié)層高度呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.166，表明二者相關(guān)程度較大，且呈線性變化，但顯著性遠(yuǎn)小于0.1。在圖2（b）層狀云坡度與凍結(jié)層散點(diǎn)圖中，二者的擬合曲線表明隨著坡度的增長(zhǎng)，凍結(jié)層高度呈緩慢下降趨勢(shì)，呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.028，表明層狀云坡度與凍結(jié)層高度的相關(guān)性小于對(duì)流云坡度與凍結(jié)層高度的相關(guān)性。

圖2 坡度與凍結(jié)層高度散點(diǎn)圖

圖3是坡度與凍結(jié)層高度箱線圖，箱線圖都?jí)蜉^好表明不同坡度下凍結(jié)層高度的變化。圖3（a）是對(duì)流云坡度與凍結(jié)層高度箱線圖，隨著坡度的增大，對(duì)流云凍結(jié)層高度的中位數(shù)、平均數(shù)、上邊界值與上四分之一數(shù)、下四分之一數(shù)皆有明顯減小趨勢(shì)，而下邊界值卻有增大趨勢(shì)，說(shuō)明地形越陡，對(duì)動(dòng)力、熱力抬升作用越大，凍結(jié)層所在位置越高［20］。而隨著高度的升高，地形因素的熱力抬升作用減小，凍結(jié)高度層值逐漸減小。圖3（b）是層狀云坡度與凍結(jié)層高度箱線圖，圖中中位數(shù)、平均數(shù)、上邊界值與上四分之一數(shù)、下四分之一數(shù)皆無(wú)明顯變化趨勢(shì)，層狀云坡度與凍結(jié)層高度二者相關(guān)性不強(qiáng)，但下邊界值卻有增大趨勢(shì)，與對(duì)流云凍結(jié)層高度下邊界值變化趨勢(shì)一致，且層狀云凍結(jié)層高度在相同坡度范圍的上邊界值都大于對(duì)流云凍結(jié)層高度。

圖3 坡度與凍結(jié)層高度箱線圖

圖4（a）和圖4（b）分別為對(duì)流云、層狀云坡度與雷暴云頂高散點(diǎn)圖。對(duì)流云和層狀云降水的雷暴云頂高范圍分別集中在2～17 km 和4～15 km，對(duì)流云的雷暴云發(fā)展高度和范圍明顯大于層狀云，說(shuō)明對(duì)流降水雷暴云體內(nèi)垂直的對(duì)流活動(dòng)更加劇烈。對(duì)流云坡度與雷暴頂高呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.187；層狀云坡度與雷暴頂高呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.050，與坡度和凍結(jié)高度層關(guān)系類似，與層狀云相比，對(duì)流云的坡度與雷暴頂高相關(guān)性更大。

圖4 坡度與雷暴云頂高散點(diǎn)圖

圖5（a）和圖5（b）分別為對(duì)流云、層狀云坡度和雷暴云頂高箱線圖。對(duì)流云整體雷暴云頂高上邊界值高于層狀云雷暴云頂高上邊界值，且對(duì)流云箱線圖上四分位數(shù)變動(dòng)較小，說(shuō)明對(duì)流云水平范圍不大，整體較為集中，其余數(shù)值無(wú)明顯變化規(guī)律，說(shuō)明對(duì)流云雷暴云頂高受坡度影響較小，受對(duì)流垂直活動(dòng)影響大。而層狀云上四分位數(shù)、均值、中位數(shù)、下四分位數(shù)皆隨坡度的增大而減小，說(shuō)明層狀云垂直活動(dòng)相對(duì)較弱，云頂發(fā)展高度受坡度影響較大，且呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。

圖5 坡度與雷暴云頂高箱線圖

3 海拔與云高

圖6（a）和圖6（b）分別為對(duì)流云、層狀云的海拔和凍結(jié)層高度散點(diǎn)圖。二者凍結(jié)層高度范圍差異不大，與圖3類似，說(shuō)明凍結(jié)層所在高度與降水云類型關(guān)系不大。對(duì)流云海拔和凍結(jié)層高度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.057；層狀云海拔與凍結(jié)層高度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.102，與坡度和凍結(jié)層高度的相關(guān)性變化一致，但此次層狀云海拔與凍結(jié)層高度的相關(guān)性大于對(duì)流云，說(shuō)明對(duì)層狀云來(lái)說(shuō)海拔對(duì)凍結(jié)層高度的影響大于坡度對(duì)凍結(jié)層高度的影響，與對(duì)流云剛好相反。

圖6 海拔和凍結(jié)層高度散點(diǎn)圖

在研究不同海拔下的凍結(jié)層與雷暴云高度時(shí)，將海拔分為3 類：低海拔（小于1 km），中海拔（1～2 km），亞高海拔（2～4 km）［21］。由于GPM 衛(wèi)星此次掃描區(qū)域海拔最大值為4.059 km，且大于4 km 的樣本點(diǎn)個(gè)數(shù)為4，故將這4個(gè)點(diǎn)在繪圖時(shí)并入2～4 km 中。圖7（a）和圖7（b）分別為對(duì)流云、層狀云海拔與凍結(jié)層高度箱線圖，二者上邊界值與上四分位數(shù)呈拋物線變化，在海拔為1～2 km處達(dá)到最大值，中位數(shù)與下四分位數(shù)都隨著海拔的升高而減??；而下邊界值也有微弱的拋物線趨勢(shì)，在1～2 km 處達(dá)到最大值，說(shuō)明不同海拔對(duì)凍結(jié)層高度影響不同，需要進(jìn)行進(jìn)一步探討。

圖7 海拔與凍結(jié)層高度箱線圖

圖8（a）和圖8（b）分別為對(duì)流云、層狀云海拔與雷暴頂高散點(diǎn)圖，海拔的增加對(duì)對(duì)流云雷暴云頂高有抬升作用，相關(guān)系數(shù)為0.079；而與層狀云雷暴云頂高呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.108，層狀云的相關(guān)系數(shù)大于對(duì)流云的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明海拔對(duì)層狀云雷暴云頂高的影響大于對(duì)對(duì)流云雷暴云頂高的影響。且對(duì)層狀云來(lái)說(shuō)，海拔對(duì)雷暴云頂高的影響大于坡度對(duì)雷暴云頂高的影響，而對(duì)對(duì)流云來(lái)說(shuō)，海拔和坡度對(duì)雷暴云頂高的發(fā)展影響都不顯著。

圖8 海拔與雷暴云頂高散點(diǎn)圖

圖9（a）和圖9（b）分別是對(duì)流云、層狀云海拔與雷暴云頂高箱線圖，二者上邊界值都呈拋物線出現(xiàn)，且皆在1～2 km處出現(xiàn)峰值，與海拔和凍結(jié)層最大值出現(xiàn)位置一致；在2～4 km的位置，雷暴頂高的最大值、上四分位數(shù)、中位數(shù)、平均值、下四分位數(shù)、最小值都有明顯的下降趨勢(shì)，說(shuō)明海拔越高，雷暴云頂高越低；且層狀云的雷暴頂高下降趨勢(shì)大于對(duì)流云，說(shuō)明海拔對(duì)層狀云的雷暴云頂高發(fā)展影響更大。

圖9 海拔與雷暴云頂高箱線圖

4 結(jié)語(yǔ)

研究四川地區(qū)地形因子對(duì)暴雨的影響，可以對(duì)四川氣象站點(diǎn)較少區(qū)域進(jìn)行降水?dāng)?shù)據(jù)的補(bǔ)充，或?qū)ξ磥?lái)暴雨預(yù)警技術(shù)有一定意義與價(jià)值。本文利用GPM 衛(wèi)星資料對(duì)2018 年5 月21 日強(qiáng)降水事件結(jié)合地形因子進(jìn)行了分析，得到了以下結(jié)論：

（1）此次強(qiáng)降水達(dá)到了暴雨—大暴雨等級(jí)，降水量大于125 mm，主要降水區(qū)域集中在104°E、29°N附近，最大小時(shí)降水率大于40 mm/h。

（2）對(duì)流云降水的坡度和凍結(jié)層高度、坡度和雷暴云頂高都呈線性變化，且呈正相關(guān)趨勢(shì)，層狀云降水的坡度和凍結(jié)層高度、坡度和雷暴云頂高都呈負(fù)相關(guān)線性變化，且對(duì)流云的相關(guān)系數(shù)都大于層狀云的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明對(duì)流云坡度和凍結(jié)層高度、坡度與雷暴頂高相關(guān)性大于層狀云坡度，坡度對(duì)對(duì)流云的云高影響較大。

（3）對(duì)流云降水的海拔和凍結(jié)層高度、海拔和雷暴云頂高都呈微弱的正相關(guān)趨勢(shì)，層狀云降水的海拔和凍結(jié)層高度、海拔和雷暴云頂高都呈負(fù)相關(guān)線性變化，層狀云降水的海拔和凍結(jié)層高度、海拔和雷暴云頂高相關(guān)性都大于對(duì)流云，海拔對(duì)于層狀云的云高影響較大。

一次強(qiáng)降水事件和地形因子的結(jié)合偶然性較大，僅具有統(tǒng)計(jì)意義，未來(lái)將對(duì)5～10年內(nèi)的強(qiáng)降水事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將其降水結(jié)構(gòu)特征與地形因子結(jié)合分析，進(jìn)一步了解地形因子對(duì)暴雨的影響。