基于FNL资料的地形抬升降水空间建模

论文总字数：18486字

目 录

1 引言 1

2研究区域与资料 2

2.1研究区域概况 2

2.2资料介绍与处理 3

3研究方法 4

3.1模型的建立 4

3.1.1地形抬升降水增量模型的建立 4

3.1.2凝结高度的求解 5

3.1.3降水增量的修正 5

3.1.4地形起伏下降水总量空间分布模型的建立 5

3.1.5模型精度检验 6

3.2研究方法 6

3.2.1建立降水增量模型 6

3.2.2建立凝结高度修正降水增量模型 7

3.2.3建立地形起伏下降水量空间分布模型 8

4结果分析 8

4.1坡向修正因子的空间分布 8

4.2降水增量的空间分布 11

4.3 凝结高度修正降水增量的空间分布 14

4.4 地形抬升作用下降水总量空间分布 16

5误差分析 17

6结论与展望 18

参考文献 19

致谢 21

基于FNL资料的地形抬升降水空间建模

王琼

，China

Abstract：Based on the ArcGIS software platform，used the FNL reanalysis data of 1 ° × 1 °，1km × 1km resolution digital elevation model data and the ground-based station data，the paper firstly built the model to estimate the precipitation increment caused by orographic lifting，which have considered precipitation condensation level．And then a regression model was established combining with the TRMM precipitation data to simulate the spatial distribution of average precipitation over the rugged terrain in research area during the summer from 2001 to 2010．After verifying the accuracy used the ground-based station data，the result of spatial distribution of precipitation indicated that the model could simulate the total amount of precipitation caused by orographic lifting and could provide a new attempt for estimating the precipitation increment and the total precipitation distribution in mountain area．

Key words: Final Operational Global Analysis Data；Rugged Terrain；Precipitation Increment Model；Condensation Level；Total Precipitation Mode

1 引言

地球72%的表面被水覆盖，地球的水资源不光为我们的生产生活提供了基本需求，并且也是经济发展不可或缺的重要自然资源。降水是地球水资源不可缺少的一部分，而内陆水资源中，最为充足的地区便是山区。我国是一个地形复杂、多样的国家，山区面积较大。山区降水对水资源的开发利用极为重要，因此，研究复杂地形对降水的影响具有重要意义^[1]。降水的影响因子有很多，除了地理因子如海拔高度、经度、纬度等之外，地形对于大气的热力、动力效应也会影响降水过程^[2~6]。地形对降水的最大影响来自于迎风坡对气流的抬升，从而凝结降水^[6]。因此，研究复杂地形下的降水分布需要综合考虑地理因子、地形因子对降水分布的影响^[1~6]。

目前，国内外对降水的研究一般有三种方法。第一种方法是从统计学角度出发，利用统计学探讨降水和地理、地形因子的关系，利用回归分析建立降水影响因子与降水量的数学模型，对降水的空间分布进行定量化研究。

美国学者Christopher Daly^[7]建立的 PRISM 模型是多元回归分析方法在估算降水分布方面的重要应用，此模型综合概括了地形因子对降水分布的影响。Nalder^[8]等提出梯度距离平方反比法，主要归纳了距离权重、气象要素随着经度、纬度以及海拔高度的梯度变化，该方法的不足之处是没有考虑到地形对气象要素的影响。目前，不仅国外在应用数学模型对降水分布研究中有广泛地影响^[9~11]，国内应用此法也颇多^[12]。罗琦^[13]等建立的降水量与地理因子——经度、纬度、海拔高度，与地形因子——坡度、坡向、开放度等之间的数学模型也是利用了逐步回归分析方法。舒守娟^[14~15]等利用DEM数据、气象站点观测资料数据，综合考虑了地理因子——经度、纬度、高程，地形因子——地形坡度、地形坡向、地形遮蔽度之间的关系，采用基于PLS的多元回归分析方法，估算了其研究区域降水量的分布。

数学模型法虽然能够定量表示较为真实的降水空间分布，但是没有从物理机制对地形的影响角度考虑降水分布问题。于是，学者们提出了第二种估算降水的方法，即物理模型估算方法，弥补了数学模型的不足。在考虑影响降水过程的物理机制基础上，建立直接估算降水量的物理模型。

把物理模型法应用于研究复杂地形下降水的空间分布已经有较长的历史。在国外，Smith^[16]提出了一种有效地“迎风坡降水机制”，并认为迎风坡、背风坡的降水很是不同。物理模型法也被我国很多学者用来研究降水空间分布。冯强^[17]等利用MM4模式研究了江淮地区暴雨情况，表明：改变地形高度的降水分布很是接近真实的降水分布。陈潜^[18]等也利用了MM5V3模式通过改变大别山、黄山的地形高度以研究降水的分布。徐昕^[19]等也研究了迎风坡降水对中国东南地区降水的贡献。

相比于基于统计学的数学模型，物理模型法理论基础较强。但是因为降水过程过于复杂，缺乏数据，计算手段受限，使得研究所得的地形特征与真实地形特征不能完全统一。学者们在综合考虑了物理模型法和数学模型法的不足后，提出了模拟降水空间分布的第三种方法，即半经验数学模型。在具有明确降水物理理论依据的基础上，该模型充分利用相关的观测事实来反映降水过程中的不确定性因素，以此提高估算复杂地形下的降水分布的精度。

1992 年，傅抱璞^[6、20]不仅指出了风向、坡向两者之间的夹角对降水分布的影响，而且进一步计算了其几何关系。他综合考虑了迎风坡、背风坡对降水分布的显著性差异和其他地形因子，建立了半经验数学模型。史岚^[21~22]在傅抱璞的研究基础上，分别建立了考虑物理机制的降水量背景场模型和考虑地形因子的地形抬升降水增量模型。最后，通过线性回归分析建立了估算降水量空间分布的半经验数学模型。

半经验数学模型通过把大气物理中的降水形成机制和统计学中的数理方法结合起来，精确地估算起伏地形下降水量的空间分布。半经验数学模型的建立对复杂地形下降水空间分布的研究极为重要。但是其模型复杂，即使考虑相同的降水影响因子，但由于因子间的几何关系不同，导致建立的模型对降水的估算结果也可能不同。

在综合分析了上述三种估算降水空间分布的方法后，本文拟采用半经验数学模型。该模型考虑了地形抬升下的比湿、坡度、风速、坡向修正因子等降水影响因子，并利用了FNL分层资料中的经向风、纬向风、比湿数据和研究区域数字高程模型数据建立地形起伏下的降水增量模型。该降水增量模型认为水柱中凝结的水汽均降落到地面，但实际上，只有高于凝结高度的水汽才会凝结降落^[23]。所以，本文拟求算研究区域夏季（6月、7月、8月）的降水凝结高度，判断每网格是否存在地形引起的降水增量，以修正地形抬升下降水增量模型。最后，在以上模型基础上，结合TRMM背景场降水数据^[24~25]模拟研究区域2001年－2010年10年平均夏季地形抬升下降水总量的空间分布，并利用气象站点实测降水数据验证模拟精度。

2研究区域与资料

2.1研究区域概况

研究区域主要包括太行山主山脉和燕山山脉、七老图山、华北平原、汾河、汾河河谷，吕梁山。太行山^[26]作为我国东部极其重要的山脉，整体上呈东北－西南走向。太行山脉东西向横谷众多，全长400余公里。太行山东部地区较陡峭，西部相对比较平缓，北部海拔较高、南部海拔较低，大部分山脉的海拔高度超过1200米。太行山7月降水最多，背风坡降水少，迎风坡降水多，从而形成暴雨区。太行山的海拔高度最低为-3米，最高为2942米，太行山脉的东侧相对海拔高差达1500米至2000米。最高的也有超过2000米山峰。在太行山北侧的燕山山脉整体上呈东－西走向，北部地势平缓，南部地势陡峭。海拔高度是西北部较高，东南部较低。海拔高度较低的地区形成了丘陵，且山脉中有很多的沟谷和盆地。很多沟谷是由降水冲出来的，而且较狭窄。作为燕山山脉支脉，七老图山为西北－东南走向。山脉东北和西南坡地势陡峭，北坡较为平缓。太行山山脉西侧的汾河谷地、太行山脉东侧小五台山为东北－西南走向。小五台山不仅海拔较高，高差较大，而且沟壑众多，大多山脊的北坡地势陡峭，地形抬升明显，而南坡山势相对平缓。位于汾河河谷西侧的吕梁山呈北－北－东走向，较高的海拔对局部区域降水有显著地影响。因水系的分割作用，山体呈放射状。太行山南侧地区为南阳盆地，盆地边缘分布有波状起伏岗地，盆地海拔较低，地势较为平缓。

由此可见，研究区域具有范围广、连绵起伏的地形特点，所以，研究地形复杂的降水分布对山区水资源的合理开发利用具有重要意义。而降水最丰沛的季节即为夏季，所以，本文拟估算研究区域夏季地形抬升下降水空间分布。

2.2资料介绍与处理

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：18486字

相关图片展示：