[科普中国]-山地气象学

定义

山地气象学是山地科学的一个重要分支学科，主要研究山地地形与大气及其运动、自然环境和人类活动之间相互作用的学科。在山地气象科学考察与试验的研究中，大气科学工作者除了专注于山地的地—气物理量交换、大气冷热源、大气环境、屏障作用与山谷通道作用等研究外，还与地理学、地球物理学、生物学、生态学、资源和环境科学等学科合作，探讨上述山地作用与自然环境和人类活动之间的关系1。虽然在中国“山地气象”常称为“高原气象”，但从学科属性及研究内容来看，“高原气象学”应该是“山地气象学”的重要组成部分。

研究范畴地形对大气的影响主要有以下几方面：

1）热力作用。同纬度地区，地势越高，气温越低。冷湖和暖带是垂直气候带中两个因地形作用而形成的局地现象。由山麓向上，随着高度的升高，通常在山坡存在一个温度相对较高的地带，称之为暖带；而冷湖是指冷空气从山地较高处向下流泄，在地势低洼的山谷汇集而成的冷空气湖。

2）动力作用（机械阻挡作用）。地形是气流运行的主要障碍，可形成阻挡、爬坡、绕流和狭管等四种效应，也可以改变季风的强度和方向。地形能够显著改变边界层的气流，如强风通过山脉时，在下风方向可形成一系列背风天气系统。地形的动力作用与山脉的特征关系密切，特别是地形的空间尺度对地形的动力作用影响很大。气象中的大地形指地球上水平尺度达数百到数千千米的山脉，如青藏高原、落基山、安第斯山、阿尔卑斯山等，其动力和热力作用可影响大范围地区的天气和环流。而中小尺度地形往往只影响局地的天气和环流，如山谷风、焚风、峡谷风和地形云（积状云、波状云或层状云）。

3）对降水的影响。山脉可使湿润气团的水分在迎风坡由于地形抬升形成大量降水（地形雨），背风坡则由于气流下沉导致少雨而变得异常干燥。所以山脉两侧的气候可以出现极大的差异，往往成为气候区域的分界线。如在冬半年，当冷暖气团势均力敌，或由于地形阻滞作用，锋面很少运动或在原地来回摆动，从而形成准静止锋（例如昆明准静止锋），对这些地区及其附近的天气产生很大影响。
4）对局地气候的影响。受海拔高度和山脉地形的影响，在山地地区形成的一种地方性气候，称为山地气候。随着高度的升高，大气成分中的二氧化碳、水汽、微尘和污染物质等逐渐减少，气压降低，风力增大，日照增强，气温降低，干燥度减小，气候垂直变化显著。在一定高度内，湿度大、多云雾、降水多。迎风坡降水多，背风坡降水少。在一定坡向、一定高度范围内，降水量随高度而加大，过了最大降水带之后，降水又随高度而减小。山地气候还因坡向、坡度及地形起伏、凹凸、显隐等局地条件不同，而具有“一山有四季，十里不同天”的显著差异性。

山地大气观测试验外场观测试验是山地气象研究的重要手段。为进一步揭示和理解山地气象现象，观测试验是仍在广泛
使用的一种基本方法。牛生杰等2利用激光空气动力学粒子谱仪对贺兰山的大气气溶胶浓度和质量开展了观测研究。胡隐樵等3在初冬期对兰州皋兰山进行了近地面层风速和温度梯度的综合观测，分析得出山顶、山腰和河谷不同的小气候特征，发现由于山峰的辐射加热效应，山顶在白天会出现强绝热不稳定层结。2006—2007 年夏季，在祁连山开展了地形云、水汽、风场、雨滴谱和雨强的综合探测试验4，利用该试验资料，陈添宇等5分析了夏季西南气流背景下地形云的演化过程，给出了地形云发展演变的概念模型，认为每个山峰南北侧昼间的谷风会在山峰辐合抬升，众多山峰形成的群谷风抬升作用下容易形成沿山脊排列的β中对流云带，在高空西南气流的推动下移到北侧，是造成北侧降水比南侧大的原因之一。马学谦等6引入客观反映高空大气云和降水的表示方法，分析了祁连山区降水的云系特征，认为高层冷云和低层暖云是祁连山区形成降水的主要云系，高层冷云由天气尺度系统决定，而低层暖云则由地形阻挡和加热作用形成。不同的天气系统下，地形对降水的作用不同。在西南气流影响下易形成谷风环流，增强降水。在偏西风影响下易形成山风环流，将水汽从谷底向中高空输送，受主导气流抑制易形成浅薄的降水云层。近年来，新一代卫星资料在观测稀少的西南山地气象的研究中开始发挥日益重要的作用。大气红外探测器（AIRS）获取的温度、高度和水汽资料与西南涡加密观测试验获取的L波段秒级探空资料的比较分析表明，AIRS的位势高度、温度和混合比资料与L波段探空数据有很好的吻合度。其中，温度在高原地区的低层尚有较小偏差，在中高层一致性较高；AIRS的位势高度数据与探空资料相当一致；AIRS获取的混合比资料在低层略小于探空资料，在高层基本吻合。因此，AIRS资料在中国西南山地具有较好的适用性，能有弥补探空资料在该地区的覆盖不足7。对地处中国南方高山的峨眉山自动气象站运行以来遇到的因雷暴、雨雾凇冻结、连续高湿等高山气象问题，气象业务工作者提出了保证高山自动气象站正常运行的一些方法和技术措施8。导线覆冰在西南山区是常见的气象灾害，导线覆冰增长率与气象因子密切相关。对贵州覆冰区的外场观测资料的分析表明：山区南北向导线覆冰比东西向的覆冰多，导线覆冰增长率与空气水汽含量成正比；风速超过3m/s时，覆冰增长率与风速呈明显的正比关系9。用云凝结核计数器在黄山对云凝结核进行了梯度观测10，得出不同高度的云凝结核浓度随时间的变化趋势基本一致，而浓度随高度的升高而减小，山底受周边污染源的影响较山顶和山腰大。山顶和山底的日变化均呈双峰型（分别出现在午前和午后），与边界层高度和山谷风变化有关。根据南岭山地雾的观测及数值试验，分析出南岭浓雾和能见度的季节分布、雾滴谱微观特征与浓雾形成的物理概念图像11，认为冬春季南岭山地出现的雾是微物理过程、局地地形、水汽输送与天气影响系统等宏微观相互作用的结果，属于平流雾、爬坡雾。局地山地抬升冷却凝结对雾的形成有重要作用，迎风坡有利于成雾，海拔较低的迎风坡易于出现浓雾。雾体随环境风的平移过程中，不规则的爬越流动是造成雾体微结构不均匀、振荡变化的重要原因。另外，迎风坡出现雾的频率比背风坡高12。

山地大气边界层边界层与自由大气间的相互作用具有明显的非线性特征，这是经典Ekman理论不能描述的。因此，发展介于完全模式与经典Ekman理论之间的边界层动力学模式，对人们从理论上深入认识大气边界层动力学过程具有重要意义。伍荣生等13研究了西风急流通过一个椭圆形时，边界层顶垂直速度的分布特征。进一步利用地转动量近似理论分析出在地形与湍流交换系数的共同作用下，地形的影响是边界层顶垂直速度分布的主导性因素1415。因此，近年来发展的几类具有代表性的边界层改进模型可以较好揭示大气边界层动力学特征，对边界层动力学及其与自由大气相互作用以及兰州皋兰山地面湍流特征观测资料，分析了能量闭合度的日变化及各观测点的地表能量收支16。浙江丘陵山区边界层风、温实测资料的分析表明该地边界层急流具有频发性。丘陵山区地形热力差异导致的气层斜压性，起因于湍流强度日变化的惯性振荡以及湍流交换引起的动量下传，也是该地边界层急流形成与变化的重要机制17。利用贵州西南部复杂山地获取的近地层梯度风和三维超声测风仪观测资料，分析局地低层强风的平均和脉动特征，发现平均风场主要受当地深切峡谷地形影响，全年主导风向和最大风速出现的方向几乎完全沿峡谷走向18。

山地气象理论当气流翻越山脊后常在背风区低层产生背风坡风暴，而在高层出现重力波破碎和晴空湍流，气流过山形成的背风系统（包括背风波、背风槽、背风涡及背风气旋）的研究一直占居重要地位。通过建立反映大别山地形作用的简化数学模型并数值计算分析出，当有移动性的暴雨区移至大别山定常背风波的适当位置时，江淮梅雨期间暴雨会增强19。当地转风速较小时，气流往往被山峰阻塞在迎风坡造成地形强迫和辐合抬升，从而易在迎风坡触发深对流活动；在背风坡则由于迎风坡的绕流重新辐合也可以出现垂直运动。当地转风速较大时，气流容易越过山脊，地形重力波易于在山地下游被激发20。通过分析三维多层流经过孤立山地产生的三维山地重力波和大气船舶波的物理机制及其表现特征，可揭示多层流过孤立地形产生背风波的若干气象条件21。对具有底面地形坡度缓变的沿岸山地，用摄动法分析出沿岸山地俘获波可近似看作是非频散的经典Kelvin波。沿岸底面地形高度越高，地形坡度越大，扰动位势高度廓线的变化就越剧烈22。

山地气象未来研究应关注的科学问题与展望中国山地气象研究在近25年虽然取得了不少成果，但也折射出山地气象的基础理论尚未取得突破性进展，山地气象中尚有不少未来应关注的科学问题，例如山地与对流发生及强度的关系，山地天气系统的中尺度结构及发生发展过程，山地波动形成及其对强天气的具体影响，山地造就的地形云、地形环流和降水日变化的精细结构，山地对水汽、能量循环的作用，山区强降水的触发机理与演变规律，基于多源资料分析的山地气候学特征，山地对雾霾天气及大气污染物输送的影响机理，气候变化对山地气象灾害的影响，全球变化与山地系统的响应及反馈，山地边界层气象过程与影响机制，多系统耦合的山地大气动力学，山地天气气候演变的动力学机理，基于山地灾害形成机理的气象预报方法等。对于山地气象今后的研究工作与发展动向，做出如下展望：
1）在现有高原高山气象观测台站的基础上，应进一步补充和完善观测内容和加密必要的观测站点，开展复杂地形边界层与自由大气热量和水分交换的场地定量观测试验，尤其应关注诸如湍流、地形强迫流、山区风的日变化、热力风系、地形云系、地形降水、空气污染扩散、大气局地循环等现象和过程的观测研究。注重加强高山地区对全球变化响应快速而强烈的山地特征“线”的连续监测，为全球变化的研究提供重要依据。
2）在山地气象研究方法和技术手段方面，要重视山地气象基础理论研究（如复杂地形边界层大气结构、山地对气流的动力影响、山地大气动力过程及参数化方案等），应用高性能和云计算等技术手段动态仿真模拟山地天气气候系统，充分吸收利用现代理论、新型探测资料和先进技术，例如适合山地复杂地形的高分辨率数值模式、3S技术、数据挖掘、大数据分析、图像识别、数据可视化、虚拟现实（VR）技术、客观识别、降尺度、新一代卫星观测资料、全球降水测量（GPM）卫星资料及其全球近实时降水图产品（GSMaP）等，深化山地天气气候研究，丰富山地天气气候的分析预报方法。特别应注意用现代气候系统的观点来研究山地气象过程及其对全球气候变化和
生态环境的影响。
3）应加强研究山地区域的气象资源、气象致灾因子及其时空分布特征（特别是强对流和雷电活动），气象条件和成灾环境要素耦合分析的山地灾害气象预报方法，山地气象资源的评估、利用技术，山地气象灾害及次生灾害的发生发展规律与灾害风险评价技术，山区气象灾害预警指标与气象灾害风险等级的预警技术，研发山地气象防灾减灾适用技术及应急管理系统，并积极推进山地气象业务及服务工作。