1. 引言
湖南地形复杂，北面为洞庭湖，其他三面环山，呈向东北开口的不对称马蹄型地形，受季风性气候的影响和特殊地形的作用，暴雨频发，山洪、泥石流、城市内涝等次生灾害，严重影响了人民的生命财产安全[1]。暴雨的发生与很多因素有关，其中地形因素起着关键作用。地形的动力作用可以迫使气流绕流和爬坡，影响水汽的输送和风的垂直切变[2]。大地形对降水的影响已经取得了丰硕的研究成果，艾真珍[2]等通过地形敏感性试验发现，青藏高原地形降低后扰流减弱阻挡水汽输送，导致降水位置偏移。黄楚惠[3]等发现弱天气背景下，暴雨发生时始终存在边界层地形抬升速度、水平辐合和气旋式涡度。近年来随着中尺度模式的发展和观测数据的时空分辨率的增加，中小尺度地形对暴雨的影响越来越受到科研人员的关注，童颖睿[4]等模拟了北雁荡山地形对“黑格比”台风暴雨的影响，发现地形降低会导致降水大幅减少，降水随地形升高大幅增加。梁钟清[5]等发现粤北的暴雨虽然受大尺度环流的影响，但南岭的地形对暴雨的落区起到很关键的影响。马思敏[6]等通过地形敏感性试验抬升六盘山地形发现，地形的强迫抬升使垂直上升气流和水汽的垂直输送加强。叶桂苓[7]等通过一系列地形敏感性试验发现，阳江地区地形的高度对暴雨的强度和位置有很大的影响。徐渊[8]等认为复杂地形地区天气尺度强迫的锋面对流，可以通过资料同化来降低初始场误差来减小预报误差。
邵阳地处湘西南，雪峰山附近，暴雨频发，过程雨量大，常造成较大人民生命财产损失。以往的研究主要集中于实况资料的分析，雪峰山地形在邵阳暴雨中所起的作用无法定量、定性分析。本文针对邵阳2020年7月9日至10日暴雨过程进行数值模拟，并设置改变地形高度的敏感性试验，探究雪峰山地形对邵阳暴雨的作用。
2. 资料和方法
2.1. 资料
本文所使用的数据有：邵阳市区域自动气象站逐小时降水资料和欧洲中心ERA5时间分辨率为1小时、空间分辨率0.25˚ × 0.25˚的再分析资料。本文以NCEP的时间间隔为6小时、空间分辨率为1˚ × 1˚的再分析资料为WRF模式的初始场和侧边界条件。以(26.5˚N~28N, 110˚E~111˚E)为中心，采用双层嵌套，水平分辨率分别为3 km和1 km，模式共积分28 h，初始积分时刻为2020年7月9日08时，结束时刻为2020年7月10日14时，模拟结果每1 h输出一次。选取的参数化方案主要有：Thompson云微物理参数化方案、RRTMG长波辐射参数化方案、Monin-Obukhov地面层参数化方案、Noah陆面层过程参数化方案、YSU行星边界层参数化方案。
2.2. 方法
本文基于再分析资料诊断分析了此次暴雨过程的大尺度环流条件、暴雨的出发条件和物理量。基于WRF4.0.1模式进行地形敏感性试验，探讨雪峰山地形对此次暴雨影响机制。
为研究雪峰山地形对此次暴雨过程的影响，设计了三组地形敏感性试验，在参数化方案不变的情况下，分别将雪峰山区域的地形降低至0 m、500 m和原地形的1/2，通过改变雪峰山地区地形的高度，从而影响环流形势场和物理量场的变化，进而影响降水的强度和落区，明确雪峰山地形在此类暴雨中的作用。
(1) 控制试验：保持原地形不变，对暴雨的数值模拟研究，记为CTRL。
(2) 地形高度降为0 m：将110~111˚E，26.5~28˚N区域内的地形高度降低到0 m，去掉雪峰山的影响，记为GEO-0 m。
(3) 地形高度降为500 m：将110~111˚E，26.5~28˚N区域内的地形高度降低到500 m，主要是测验地形高度对降水的作用，记为GEO-500 m。
(4) 地形高度降为1半：将110~111˚E，26.5~28˚N区域内的地形高度降为原地形的1/2，主要测验地形起伏对降水的作用，记为GEO-1-2。
3. 过程概况与天气形势分析
3.1. 暴雨过程概况
2020年7月9日08时~10月14日湖南邵阳地区出现一次暴雨、局地大暴雨过程，邵阳市全市共有301站降雨，平均降水73 mm，其中50~99.9 mm 117站，100~249.9 mm 77站(53乡镇)，隆回北山站和洞口江口站降水超过200 mm，最大降水205.6 mm (洞口县江口站)，大暴雨主要出现在邵阳西北部(图1(a))。最大小时雨强64.5 mm (隆回县北山站)。洞口县江口站降水(图1(b))时间长但雨强较隆回北山站弱，降水的主要时间段出现在7月9日08:00~09:00、9日23:00~10日01:00、10日06:00~12:00，最大小时雨强出现在09日08时，为36.6 mm/h。隆回北山站降水时段较为集中，强降水的主要时段为7月9日23:00~10日02:00，连续两个时次的小时雨强超过50 mm/h。洞口江口站因为处于初生对流和成熟对流系统经过的位置，因此降水断断续续，历时较长，但雨强较弱，最大小时雨强36.6 mm/h，降雨的主要时段出现在9日08：00~09：00、9日23：00~10日10：00。
Figure 1. (a) Precipitation at Shaoyang regional automatic station from 08:00 on July 9th to 14:00 on July 10th, 2020; (b) Jiangkou station rainfall time series diagram
图1. (a) 2020年7月9日08时~10日14时邵阳区域自动站降水实况。(b) 江口站雨量时序图
3.2. 天气形势分析
Figure 2. 500 hPa height and 850 hPa wind at 08:00, 14:00, 20:00 on July 9, 2020, and 08:00 on July 10, 2020
图2. 2020年7月9日08时、14时、20时、10日08时500 hPa高度场和850 hPa风场
如图2所示，7月9日08时东亚地区对流层中层500 hPa北支槽较深，位于东北至东部沿海一带，南支槽上多短波东移，副热带高压位于台湾岛以东洋面上，850 hPa流场上，湖南中部至浙江北部受槽后偏北气流影响，有弱冷空气南下，湖南中部–江西中部–浙江北部为强劲的西南气流控制，两广至华东沿海明显的急流发展，急流速度达到20 m/s，邵阳地区位于南、北气流的交汇区，处于冷式切变线的控制，此时降雨开始加强。到9日14时，北支槽稳定少动，槽后开始转为东南气流控制，湖南中部–江西中部–浙江沿海的西南气流减弱，海面西南气流加强到20 m/s，邵阳地区处于暖式切变线控制，降水范围和强度明显减小。9日20时，北支槽已移入东海，南支槽加深，湖南处于南支槽前，西南气流迅速加强，邵阳位于西南急流的左侧，且有明显的风速辐合，此时的降水又开始加强。10日08时北支槽东移消失，副热带高压加强，副高脊线西移至华南沿海，南支槽缓慢东移至湖南东部，降水主雨带也随之东移。
4. 敏感性试验结果分析
对比实况与模式模拟(图3)出的28个小时降水量可以发现，控制试验模拟降水的强度和雨带的位置、强降水中心的位置、雨带的形状与实况比较一致，较好地模拟出了湘西南和湘东北两个强降雨中心，但控制试验未能模拟出湘东南的局地强降水，湘西南的强降水中心范围较实况稍小。控制试验的小时降水(图略)能较好地模拟出7月9日10时以前的冷式切变线降水，也能刻画出10时以后降水减弱的趋势，20时以后南风气流对流的加强也能准确模拟出来。当敏感性试验中雪峰山的地形降为0 m时，湘西南的强降水中心消失，湘东北降水中心范围扩大，降水加强；雪峰山地形降到500 m时，降水雨带和南北两个强降水中心都模拟出来，但强降水中心范围减小；地形降到一半时，湘西南降水中心西移。由此可见，雪峰山地形对湘西南地区的降雨强度和落区有重要影响。
Figure 3. Accumulated precipitation in real-time and mode from 08:00 to 14:00 on July 9, 2020
图3. 2020年7月9日08时~10日14时实况和模式累计降水
本文选取了受地形影响最大的典型站点江口站(27.18˚N, 110.40˚E)进行了深入分析。由图1(b)的北上站的降水时序图可见，北上站的强降水在7月9日09时、10日01时、06时和12时分别存在降水峰值，因此本文重点分析这几个关键时间点的降水特征和物理量变化特征。从模式模拟控制试验的降水分布图(图4)可知，7月9日降水较为集中，主要分布在雪峰山侧区域，而7月10日01时之后，随着对流云团向东北方向移动，在雪峰上的地形背景影响下，小时降水 ≥ 20 mm的强降水中心主要围绕雪峰山呈现不规则分布，主要分布在其西侧、南侧和东侧区域。通过本文的地形敏感性试验可以看出，当雪峰山降为1/2 (GEO-1-2)，移平为500米(GEO-500 m)和0米(GEO-0 m)后，强降水的落区和强度发生了较大变化，而值得注意的是，当雪峰山降为1/2 (GEO-1-2)、移平为500米(GEO-500 m)时，在雪峰山区域(图中红色虚线)内虽然强降水中心的落区发生了改变，但是仍然存在明显的强降水中心，而雪峰山地形移平为0米(GEO-0 m)后，除7月10日01时在雪峰山区域的南侧有几个强降水中心以外，强降水中心主要分布在雪峰山的下游地区。以上分析表明，说明雪峰山地形对此次典型强降水的落区和强度有重要的影响，尤其是当地形移平为0米以后，强降水中心主要位于其下游地区。
Figure 4. Simulated hourly precipitation on July 9th at 09:00, 10th at 01:00, 10th at 06:00, and 10th at 12:00, 2020
图4. 2020年7月9日09时、10日01时、10日06时和10日12时的模拟小时降水
为了分析天气条件对雪峰山降水分布的影响，本文重点分析了对此次降水有重要影响的风场、散度和水汽通量散度的分布特征。图5为850 hPa风场和散度的平面图，从控制试验(ctrl)看出，7月9日09时，有弱的偏北冷空气进入雪峰山地区，与西南暖湿气流汇合，并在雪峰山崎岖不平的地形附近形成辐合，并形成降水，在沿江口站附近存在强的降水峰值。当地形降为1/2 (GEO-1-2)之后，有利于更多冷空气进入雪峰山地区，但是由于地形高度的下降，850 hPa的散度相比控制试验(ctrl)更弱，而在雪峰山地形相对高的迎风坡位置仍存在显著的辐合区，而相比之下，将地形移平为500米(GEO-500 m)之后，雪峰山地形相对高的迎风坡位置的未存在明显的辐合区，说明雪峰山地形的高度和陡度对气流的辐合均有重要的影响；相较于存在地形的区域，地形移平为0米(GEO-0 m)之后的辐合中心较为均匀。而10日01时、06时和12时，控制试验(ctrl)的雪峰山区域主要受西南气流影响，尤其是10日的06时和12时，西南气流更为强盛，更多的暖湿气流进入雪峰山区域，强降水中心附近存在显著的气流辐合区。尤其是，将地形移平为0米(GEO-0 m)之后，强的西南气流进入雪峰山地区并在其下游辐合，这也是降水中心主要分布在雪峰山下游的原因。
Figure 5. The 850 hPa wind field (vector arrows, unit: m s−1) and divergence (highlighted, unit: 10−4 s−1) at 09:00 on July 9, 01:00 on July 10, 06:00 on July 10, and 12:00 on July 10, 2020. Among them, the black area in the figure represents the terrain
图5. 2020年7月9日09时、10日01时、10日06时和10日12时的850 hPa风场(矢量箭头，单位：m s−1)和散度(填色，单位：10−4 s−1)。其中，图中黑色区域为地形
通过进一步分析此次强降水的水汽通量散度的典型时刻(图略)表明，模式控制试验(ctrl)的水汽辐合区和降水中心位置基本一致。当地形降为1/2 (GEO-1-2)和500米(GEO-500 m)时，水汽辐合区较控制试验(ctrl)明显减弱，而地形降为0米(GEO-0 m)之后，尤其是10日01时、06时和12时的水汽辐合区除在雪峰山区域的南侧存在水汽辐合中心外，主要分布在雪峰山的下游地区，这也与强降水中心的分布较为一致。说明了雪峰山地形影响了水汽辐合的强度和位置，进而影响降水中心的分布。
为了进一步探究雪峰山特殊地形对此次典型强降水的作用，本文将垂直速度沿江口站(27.18˚N, 110.40˚E)进行了经向剖面(图6)，从控制试验(ctrl)可以看出，7月9日08时，江口站附近受雪峰山地形影响已经存在较强的垂直上升运动中心，强的垂直上升运动中心主要位于雪峰山的迎风坡和山顶附近，当气流越过雪峰山之后，受雪峰山崎岖不平的地形影响，又能在雪峰山的东侧被激发出新的弱上升运动，上升运动中心受崎岖不平的地形影响，随气流方向呈震荡式传播；而将雪峰山降为1/2后(GEO-1-2)和降为500米(GEO-500 m)，垂直上升运动明显减弱，尤其是将雪峰山地形整体降为500米(GEO-500 m)之后，由于雪峰山的崎岖地形陡度被削弱，气流向雪峰山下游移动，在其下游(东侧)形成明显的垂直上升中心；而地形降为0米(GEO-0 m)之后，江口站附近存在一个900 hPa以下的近地面为弱的上升运动区，相对强的上升运动中心位于850 hPa以上的中高层大气。10日01时，垂直上升运动有所减弱，主要位于地势较高的山顶附近，此时降水中心也较为零散；地形降为1/2 (GEO-1-2)和500米(GEO-500 m)之后，还存在弱的上升运动中心；而地形移平为0米(GEO-0 m)之后，上升运动中心显著减弱。到了10日06~12时，雪峰山附近的垂直上升运动又开始增强，促使雪峰山附近又开始出现新的降水峰值。说明，雪峰山地形有利于气流抬升，强的垂直上升运动中心在雪峰山的迎风坡和山顶附近较为显著，尤其是雪峰山崎岖地形陡度改变后，垂直上升运动中心位于其下游。
Figure 6. Vertical velocity (unit: Pa. s−1) profile along Jiangkou Station at 27.18 N on July 9, 2020 at 09:00, 01:00, 06:00, and 12:00 on July 10, 2020
图6. 沿江口站27.18 N的2020年7月9日09时、10日01时、10日06时和10日12时的垂直速度(单位：Pa. s−1)剖面图
假相当位温是一个综合物理量，它考虑了气压、温度以及水汽等的影响，是分析大气稳定度的重要工具之一。本文通过结合了水汽通量散度和假相当位温(图略)来探究在不同的雪峰山地形背景下，雪峰山地形附近的水汽和大气稳定度状况。7月9日09时、10日06时和10日12时，控制试验中(ctrl)雪峰山近地面存在假相当位温大值区，且雪峰山的迎风坡和山顶附近存在强的水汽辐合中心，说明这些时刻雪峰山的迎风坡和山顶附近近地面具有大气不稳定特征且有较强的水汽辐合，触发了雪峰山区域内的强降水，江口站降水在这些时刻达到峰值。而当雪峰山地形降为地形降为1/2 (GEO-1-2)之后，由于阻挡水汽的雪峰山地形降低，在雪峰山的山顶仍然存在辐合中心和不稳定特征，随后水汽向雪峰山下游输送并形成辐合中心。当将地形统一移平为500米(GEO-500 m)之后，与垂直上升运行中心相匹配，由于雪峰山的崎岖地形陡度被削弱，在雪峰山山顶无强的水汽辐合中心，而是在其下游地区。地形降为0米之后(GEO-0 m)之后，雪峰山区域内900 hPa以下大气层结较为稳定，且无明显的水汽辐合中心。说明，雪峰山地形的高度和陡度对其附近的大气层结稳定度和水汽的辐合均有影响。
通过假相当位温和相对湿度的剖面(图略)也可以看出，控制试验(ctrl)中降水强度较强的7月9日09时、10日06时和10日12时的雪峰山附近的相对湿度均在90%以上，而降水量相对弱的10日01时650 hPa以下的相对湿度也在80%左右，说明此次降水过程雪峰山附近的水汽较为充沛。从10日01时的相对湿度特征可以看出，当地形降为1/2 (GEO-1-2)和移平为500米(GEO-500 m)之后，相对湿度大值中心向雪峰山下游移动，尤其是当雪峰山降为0米(GEO-0 m)后，雪峰山近地面的相对湿度下降20%。说明，雪峰山地形影响了水汽的输送和聚集，进而影响了大气的湿度。
5. 结论与讨论
本文利用区域自动气象站降水资料和欧洲中心ERA5再分析资料，分析2020年7月9日至10日邵阳大暴雨过程，并利用WRF模式探讨了雪峰山地形对此次暴雨过程影响机理，得到以下结论：
(1) 控制试验能较好的模拟出降水的强度和雨带的位置、强降水中心的位置、雨带的形状。地形敏感试验中，地形高度的改变，可以改变降水中心的强度和降水中心的位置。
(2) 本文分析了对此次降水有重要影响的风场、散度和水汽通量散度的分布特征。雪峰山地形的高度和陡度对气流的辐合均有重要的影响；相较于存在地形的区域，地形移平为0米之后的辐合中心较为均匀。
(3) 模式控制试验的水汽辐合区和降水中心位置基本一致。当地形下降时，水汽辐合区较明显减弱，雪峰山地形影响了水汽辐合的强度和位置，进而影响降水中心的分布。
(4) 雪峰山地形有利于气流抬升，强的垂直上升运动中心在雪峰山的迎风坡和山顶附近较为显著，尤其是雪峰山崎岖地形陡度改变后，垂直上升运动中心位于其下游。
资金项目
湖南省气象局重点课题XQKJ21a002湖南气象局创新发展专项：CXFZ2022-fzzx05。