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地形对气候的影响，是极其显著的。仅以降雨而言，地形不仅以海拔高度、坡向等一般规律影响降水，而且还可通过天气系统的移动，局地性天气系统的发生发展和消亡来影响降水，出现风格迥异的地形降水分布。
地形，究竟如何影响降水？本期策划，带你深入了解。
因何触发？
地形降水形成之多样性
从巍峨挺拔的山脉到广袤无垠的平原，从深邃幽暗的峡谷到波光粼粼的湖泊，形态各异的地形不仅塑造了美轮美奂的景观，更是影响大气环流与降水分布的重要“推手”。
首先需要明确的是，地形对降水的触发过程并不是只有一种机制在起作用，气象上通常将其作动力机制和热力机制区分。在动力影响机制下，三种常见的典型地形降水为：迎风坡降水、山前平原降水，以及翻山或绕流降水。
简单来说，迎风坡降水就是暖湿气流遇到山脉抬升，进而成云致雨的现象。进一步解释，就是当稳定持续的暖湿气流遇到山脉，受到阻挡，暖湿气流随地形被迫抬升，空气温度下降，导致水汽凝结成云，进而形成降水。这一过程在山脉的迎风坡尤为显著，因为暖湿气流在山前的抬升凝结易形成云层并导致降水。
迎风坡降水示意动画
我们熟知的喇叭口地形降水，便喜欢与这一动力影响机制相“结合”。喇叭口地形，通常是指逐渐收紧的河谷地形。当多股气流进入喇叭口地形时，气流一方面在此会迅速产生汇流辐合效应，另一方面汇合的气流又沿着地形形成较强的爬升气流。若暖湿气流持续输送至喇叭口狭管地形中，此处便容易产生强降水。
喇叭口地形降水示意动画
山前平原降水则是，当气流通过山脉，有时并不会严格沿着地形的起伏前进，反而会受地形阻塞和地面摩擦影响，形成风速很小或者静风区域。这一区域会产生类似于气垫的作用，使得山前较远距离处气流还未到山跟前，便开始不同程度地上升。当气流足够湿润，且具有不稳定层结等其他有利条件时，就会在山前出现云量增加或降水现象。
山前地形降水示意动画
此外，气流受到山脉屏障阻挡，在水平或垂直方向也会产生局部逆流，在逆流与大尺度气流间又可能形成局地辐合线。只要气流足够湿润，辐合强度足够大，也会在山前引起降水。
绕流降水示意动画
翻山或绕流降水，则主要表现为强降水中心在山后，山前降水反而不强。这常与气流的稳定度有关。如果气流相对稳定，当遇到山峦起伏时，会直接翻山而过，并在山后产生背风重力波，进而下沉，在一段时间后又继续上升。同时，气流的强度也决定了迎风坡的动力属性，如果气流相对较弱，在面对尺度较大的高山时，可能无法翻越地形，便会出现绕山而行的情况。如青藏高原长期出现的南北两支绕流，正是因为高原高大地形的影响。
除了上述动力机制影响降水外，热力机制也会影响降水。以山谷风为例，白天，山坡上近地面空气与同一高度山谷中的空气相比，增温多，于是山坡上暖空气不断上升，并在上层由山坡流向山谷，谷底的空气则沿山坡向山顶补充，这样便在山坡和山谷间形成了一个热力环流，下层风由谷底吹向山坡，形成谷风。上坡风使得暖湿的空气上升并在山顶或山后形成云层从而导致降水。夜间，山坡上的空气受山坡辐射冷却影响，空气降温多，而谷底上空同高度空气由于离地面较远，降温较少。山坡上的较冷空气密度大，顺山坡流入谷底，形成山风。山区空气下沉、平原空气上升形成温度梯度，通过大气热成风作用，增强低空急流，进而有利于谷地夜雨的产生。
差异如何？
地形降水分布之复杂性
不同的地形会造成降水分布差异，这听起来似乎很简单，但实际上却是一个极其复杂的过程。地形本身特征、所处纬度位置、多地貌之间的嵌套等都会对降水产生深远影响，因此，实际的地形降水往往比理论模型更为复杂。
我国地形分布图 审图号：GS（2019）1822
当地形相对小且孤立时，会影响其周边局地降水的分布；而当地形尺度很大时，则会改变更大范围的天气系统背景。青藏高原是典型的大尺度地形，它直接影响了整个纬度带上全球降水的分布。例如冬天时，青藏高原作为冷源，其南侧的温度梯度加强，导致南支的西风急流加强，在我国的昆明、贵阳与南下的冷空气相遇，形成昆明准静止锋，进而使得四川、云南、贵州一带更容易出现降水。
昆明准静止锋降水示意图
实际上，地形降水并不由单一过程发挥作用。现实生活中，我们可能会看到绕流后的空气又遇到小山坡，再次发生抬升作用。
纬度也是影响地形雨分布的重要因素。同样高的山，如果位于不同的纬度带，迎风坡降水就会不同。比如，云南大理著名的旅游胜地苍山与洱海，两者的相对高度差约2100米，在年降水量方面，苍山顶部可达洱海的两倍；而在华北地区，太行山一带与华北平原的相对高度差约1500米，这里的降水却只集中在太行山东侧300米到500米高的山坡上，山顶的降水量并不大。这是因为水汽在大气中的分布并不均匀，通常越接近地面，水汽含量越高。在低纬度地区，由于温度较高，蒸发作用强，更多的水汽进入大气中，在相同的海拔高度，低纬度地区大气中的水汽含量就会比高纬度地区更多。因此，位于较低纬度的苍山，其顶部也能够出现丰沛的降水。
自然界往往是多种地形地貌并存，当不同地形对气流的影响叠加在一起时，也增加了地形降水的复杂性。例如，在江西省与湖北省的分界处，自北向南坐落着幕阜山和九岭山，二者之间有一片沟谷，它们的西边是洞庭湖，东边是鄱阳湖。多样的地形组合对周边降水影响非常大。一方面在山和谷之间存在日夜循环的山谷风环流，另一方面在湖泊与陆地之间还存在湖陆风环流。湖陆风和海陆风的原理类似，由于地表和水面加热效率不同，白天陆面温度高于湖面，风从湖面吹向陆面（湖风）；夜晚陆面温度低于湖面，风从陆地吹向湖面（陆风）。因此在夜晚，当陆风和山风相叠加，从山上吹向湖面的风将大大加强，在山脚下形成很强的辐合抬升，从而有利于对流性降水的产生。
另外，华北地区在冬天容易出现回流降水现象。这是因为，冷空气从西北方向南下到太行山时，当低层的冷空气还堆积在山前时，高层的天气系统已经移过了山顶。高层的冷空气随之越过山后下沉，在地面形成一个高压，产生与原先冷空气方向相反的气流，同时带动渤海湾的水汽输送，形成降水，称之为回流降水。
难点何在？
地形降水预报之挑战性
当前，地形强降水预报面临多重挑战。首先，由于数值预报模式的时空分辨率有限，制约了地形降水预报能力。如中小尺度地形的高度、坡度及下垫面等细微差异往往以百米级甚至米级变化为单位，而预报业务中使用的主流数值模式水平空间分辨率最高在1千米至3千米左右，难以精细刻画中小尺度地形的百米级变化，而这些变化恰恰是降水精细化时空分布的关键因素，也就限制了地形降水预报的精确度。
其次，地形区有限的观测站网以及站点代表性受限也会导致降水资料缺失。再加上降水过程本身复杂多变，地形不仅通过抬升作用促进云雨形成，还可能触发并影响对流系统的发展，尤其是在对流系统与地形影响交织时，预报偏差显著增大。
极端降水事件与地形降水紧密相关，其背后隐藏着诸多未解的物理过程，如地形区边界层内的复杂相互作用、云物理过程等，这些均是当前预报中的难题。
中国气象报社 出品
作者/制图：黄琬婷 穆俊宇 李倩 王晓凡
专家顾问：中国气象科学研究院研究员 孙继松 陈昊明
高程数据来源：SRTMDEMUTM 90M 分辨率数字高程数据产品
原标题：《深度 | 地形，究竟如何影响降水？》
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