祁连山地形对周边地区降水的影响

祁连山地形对周边地区降水的影响

祁连山是我国第二级阶梯和第三级阶梯的分界线也是甘肃省和青海省的分

界线。其地形作用对降水天气过程应该会有相当大的影响。本文利用WRFV3.6中尺度数值模式，对2003年7月24～27日发生在祁连山地区的大型降雨过程进行了数值模拟的控制实验。本文从环流背景、中小尺度天气系统、动力机制以及地形特征、等方面进行了对比分析，结果表明:低空急流及相对稳定的环流形势、“东高西低”切变辐合是沿祁连山区域性强降水产生的关键，加之特殊的地形地貌为增加祁连山区降水量提供了有利条件。祁连山地形对与降水过程中几个关键的天气要素都有重要的影响，例如：在祁连山地形对附近绕流气旋的产生、垂直运动、散度场、水汽通量散度都有促进、加强作用，对此次降水的产生以及降水的分布都起了相当重要的作用，对区域性的降水变化影响明显；由此表明，就该地区某些强降水天气过程而言，祁连山的存在，能够切断了水汽进一步向西输送，是大量水汽在祁连山地区下落成为降水，加强其周边地区的降水，使祁连山地区成为西北少数降水丰富地。而且由于地形的阻隔还造成了造成新疆地区的降水量稀少、沙漠化严重等现象。

引言

祁连山是亚洲中部高大的山系之一，呈西北～东南走向，介于甘肃、青海之间、北部以河西走廊为界，南邻柴达木盆地，西与阿尔金山相连，东延到黄河以西。青藏高原东北边缘的一个巨大山系，由一系列北西走向的高山和谷地组成。山体的高度一般在 4000～5000m，最高峰—团结峰位于山系的中心疏勒南山，海拔 5826.8m。祁连山北缘以 2000～3000m的巨大高差过渡到河西走廊；南侧柴达木盆地是青藏高原内部的一个大型的山间盆地，低于祁连山 1000～2000m。海拔4000m以上的山体占全山区面积的 30%左右。祁连山整个山系成一不规则的菱形地块，短轴靠近西段，大致在 97°E左右。在大地构造上，祁连山褶皱带西与阿尔金山块断带相接，东止于六盘山，全长超过 1000km。但在地貌上一般把其东端定在乌稍岭-哈拉古山附近（103°E），自当金山口至民和长约 810km。97°E

以西，山体宽展，酒泉至德令哈宽约 280km，向东逐渐缩窄，东段从古浪至贵德宽160km左右[1-2]。

图1 研究区位置图

Figure1 Location of the study area

平均海拔4000～4500 m ,许多地方终年积雪,发育着现代冰川，是我国现代冰川研究的发祥地[3] ,其在我国冰川研究中的地位堪比阿尔卑斯山在世界冰川研究中的地位。祁连山被誉为“冰源水库”，在祁连山上分布着 3000多条冰川，是我国西北干旱区重要的水源涵养地之一。河西走廊的石羊河流域、黑河流域、疏勒河流域等26条较大河流与80多条较小的支流皆发源于此，每年还为黄河流域提供水资源3.3亿m3然，而它不仅发育了河流，而且还有湖泊、宽广的谷地等都成为青海省的主要农业区；每年为河西走廊提供的水资源达73亿m3，其中冰川融水占年平均径流量的13%[4]，其余为森林涵养水，灌溉着河西走廊绿洲的70万hm2的肥沃良田，养育着河西走廊400多万人口。祁连山在水平地带性和垂直地带性的双重控制，景观分布在垂直地带性的控制下垫面景观分布复杂，其大部分是雪峰林立的高山带，仅海拔4000米以上的山地面积占整个山区的三分之一。对于水平地带性的控制，在海拔 2500～3000m 之间的坡地为原始森林与大片的草地，起着调蓄和涵养水源、保持水土、增加水量，调节气候的作用。由于山体、植被对降水的影响很大，祁连山的山体也改变了大气降水的分布，在相同纬度，祁连山区降水量达到400 mm以上,而祁连山下的平原地区，从南至北，降水量从250 mm 降到100 mm以下[5,6]。祁连山区受东亚季风、高原季风和西风带交汇影响[5],形成了复杂的气候。

这样的地形结构还使祁连山形成一个庞大而完备的生态系统。因此，河西走廊的生态状况，以致我国北部的生态状况，都与祁连山的生态状况有千丝万缕的联系。随着区域气候变化及人类活动加剧，该区生态环境也日趋恶化。森林、灌丛退化、冰川退缩、雪线上升、水资源短缺、生物多样性下降等现象严重影响到了当地周边地区及其下游的社会经济活动。因此对祁连山区以及其周边地区降水的研究具有重大意义。

由于其地区的重要性，多年来，不少气象方面的学者对祁连山地区进行了比较系统的研究，对该地区所产生的气候效应以及降水分布都有大量研究。祁连山北坡陡峭地形的抬升作用是祁连山云系降水的主要动力机制[7]；祁连山地形作用下云和降水的微物理结构随云的不同发展阶段呈现出不同的特征[8]。2012年黄波等人利用1961～2010年的气象站观测资料，分析了祁连山地区过去50年的气候变化事实；其次，基于西营河流域祁连山地区的降水与地形数据，研究了降水分布规律，分析了降水量与地形因子之间的相互关系[9]（并通过WRF3.1中尺度模式的数值模拟试验,研究探讨了降水发生、发展过程中热力、动力因子对降水分布的影响）。就我国祁连山地区，朱守森等(1996)利用多年资料统计发现该地区存在2km和4km两个最大降水高度带，并分析祁连山地区的降水资料发现祁连山地区的最大降水高度为2.0~2.2km[10]；张杰(2004)认为祁连山中段黑河流域的最大降水高度海拔为2.2km[11]；王宁练等(2009)分析该地区2006.06-2008.09的降水量指出4.5~4.7km为该地区的最大降水高度带[12]。还有研究表明在半干旱的过渡区中往往存在下垫面的非均匀性,而非均匀的下垫面之间的热力差异会导致的二级环流,并会与背景风场形成复杂的交互影响。半干旱过渡区内中尺度地形会在背景风场上导致复杂的绕流,而地形绕流与热力二级环流相互作用又会导致的水汽的输送变化,从而影响到半干旱区的降水与气候。

祁连山脉对该地区以及周边的降水气候等都有着明显的影响，足见其地理位置的重要性和研究意义。但由于祁连山地区地形地貌复杂，尤其对周边地区降雨影响较大，。本文通过天气分析和数值模拟方法，研究祁连山脉地形等参数对周边地区降水量及分布的影响。

二数据来源及方法

2.1数值模拟方案设计以及数据来源

本文采用WRFV3.6中尺度模式，应用两重嵌套，均以37.740N、97.370E为中心。第一重嵌套范围为32～420N、90～1100E，母网格格点数为34×74，格距为30km；第二重范围为35～400N、93～1030E，嵌套网格格点数为55×112，格距为10km。两重网格垂直方向均为29层，时间积分步长分别为：3h、1h。两重网格均选取以下物理过程参数化方案：微物理过程采用Ferrier(new-Eta) 微物理方案，积云采用浅对流Kain-Fritsch(new-Eta）方案，长波辐射采用RTTM方案，短波辐射采用Dudhia方案，行星边界层采用YSU方案，陆面过程采用Noah 方案，近地面层采用Monin-Obukhov方案。资料来源于祁连山地区测站门源、祁连、托勒、野牛沟、武威、乌鞘岭等六个站点2001～2010年的降水资料分析站点十年内的降水变化情况。还采用NCEP提供的10×10、每6h一次的FNL资料为WRFV3.6中尺度数值模式提供初始条件及边界条件。积分时间从2003年7月24日08:00到27日00:00，共积分90小时，每1h输出一次资料。模式运行结果作为控制试验。

2.2区域划分

祁连山区(94～104oE，36～39oN)位于亚欧大陆腹地,地处甘肃省西部,与青海省交界,东起天祝县的乌鞘岭,西止阿克塞的当金山口,海拔高度在1700~5808m之间,地形高程相差较大。山麓南接青藏高原,北临河西走廓[13]。祁连山是一个庞大的山系，大致位于青藏高原的东北部,是一组大致平行的呈西北—东南走向的山脉群。这组山脉群长达1000多公里，宽达300多公里，青海湖也在祁连山的范围内，甚至青海湖南边的青海南山也是祁连山系的一条山脉。

祁连山从东向西可分为三段，祁连山的三段各有不同的景观，即森林、草原、荒漠。这三种景观基本上是由气候(主要是由降雨)决定的。东祁连山在祁连山的东部西宁那一带，主要受到从东部移动过来的季风影响，这里降雨丰富，因此祁连山的东部生长着茂密的森林。季风继续向西吹送，影响力越来越弱，所带的水汽越来越少，因此祁连山的中段(哈拉湖以东，青海湖以西)降雨减弱，森林稀少，以草原发育为主。哈拉湖以西为西祁连山，包含有几列大山，从北向南有党河南