大兴安岭和长白山地形影响东北夏季降水的数值模拟研究

地形对气候的影响一直是气候学研究领域的热点科学问题。对于东亚地区而言，青藏高原是最为特殊的一种地形，它可以显著影响亚洲以及全球气候（叶笃正和顾震潮, 1955; Manabe and Terpstra, 1974; Kutzbach et al., 1993; 钱云和钱永甫, 1996; 李吉均和方小敏, 1998; Liu and Yin, 2002; 吴国雄等, 2005; Jiang et al., 2008; An et al., 2011; Fallah et al., 2016）。其中，青藏高原隆升对亚洲地区季风—干旱气候的形成具有重要意义。高原隆升对亚洲夏季风的建立以及维持起到重要作用，从而使得东亚和南亚夏季降水偏多（Kutzbach et al., 1993; 钱云和钱永甫, 1996; Liu and Yin, 2002; Jiang et al., 2008）。同时，青藏高原隆升对西风的动力绕流作用及其热力强迫造成的高原周围补偿性下沉运动是形成中亚地区干旱气候的重要原因（钱正安等, 1998; 范广洲和程国栋, 2003a, 2003b）。此外，青藏高原不同子区域隆升对亚洲夏季风影响有所不同：青藏高原南部喜马拉雅山隆升显著增强南亚夏季风强度以及南亚季风降水，而青藏高原北部隆升显著增强东亚夏季风以及东亚北部夏季降水（张冉和刘晓东, 2010; 张冉等, 2012; Tang et al., 2013; Yu et al., 2018）。

除了青藏高原等大地形的作用外，一些研究也关注到了中小地形对降水的影响。例如，范广洲和吕世华（1999）研究表明，华北西部和北部地区山地地形对西太平洋副热带高压、东亚大槽等大气环流存在重要影响，进而可以导致华北夏季降水的变化。Xie et al.（2006）研究指出，南亚地区的小地形不但能够显著增强山脉局地迎风坡降水，还能够通过遥相关影响到中国南方的夏季降水。侯瑞钦等（2009）试验结果显示，太行山可以通过迎风坡抬升作用进而增强山脉南侧降水；随着太行山高度抬升，山前地形降水增强；山脉坡度越陡，山前地形降水越集中。Shi et al.（2019）研究发现，蒙古高原和云贵高原隆升对中亚降水存在抑制作用，使得中亚地区干旱加剧。可见在区域气候的形成过程中局地地形起着重要的作用。

东北是中国重要的粮食产区，夏季降水异常直接影响东北地区的农作物产量（孙力等, 2002; 廉毅等, 2007; 沈柏竹等, 2011）。大兴安岭和长白山作为东北地区最主要的地形，它们对东北夏季降水存在怎样的影响?这一问题目前关注的还相对较少。已有的少量相关研究也主要是从天气学角度，来探讨东北地形对局地天气过程的影响（郑秀雅等, 1992; 隋迎久等, 2010）。目前仍然缺乏东北地形气候效应的数值模拟研究。因此，本文拟利用高分辨率区域数值模式WRF开展模拟试验，分别研究大兴安岭和长白山地形对东北夏季降水以及大气环流的单独和共同影响。

在研究长白山和大兴安岭地形对东北夏季降水的影响时，本文采用了区域数值模式WRF-ARW（V3.9）（Skamarock and Klemp, 2008）。该模式现已被广泛应用于中国区域的气候模拟和预测研究中（Yu et al., 2010, 2018; Gao et al., 2015; Yang et al., 2018;周心河和熊喆, 2019）。本试验使用的初始和边界场资料为欧洲中期天气预报中心（ECMWF）发展的ERA-Interim大气再分析资料（Dee et al., 2011），该数据空间分辨率为0.75°（纬度）×0.75°（经度），时间分辨率为6 h；此外，该再分析资料还被用来评估WRF-ARW模式对东北地区大气环流的模拟性能。

数值模拟的区域中心位于（42.5°N，110°E），水平分辨率为15 km，经向和纬向的网格数分别为420和504；垂直方向采用σ坐标，共27层，模式层顶为50 hPa。该试验中WRF微物理过程方案为New Thompson方案、行星边界层方案为Mellor-Yamada-Janjic TKE方案、积云对流参数化方案为Tiedtke方案、近地面层方案为MM5 similarity方案、陆面过程方案为NoahMP方案、辐射传输方案为RRTMG方案。

为了分别研究长白山和大兴安岭地形对东北夏季降水以及大气环流的单独和共同影响，本文共设计了4组数值试验，包括1组参照试验和3组敏感性试验。其中，试验1为参照试验（简称CON）：在该试验中模式采用真实地形。从图1a可以看出，东北地区西侧、北侧和东侧地势较高，整体上构成一个“倒U型”的地形结构。试验2为去掉长白山地形的敏感性试验（简称CHB）：在试验中将长白山区域地形高度降为100 m（图1b）。试验3为去掉大兴安岭地形的敏感性试验（简称XIN）：在该试验中将大兴安岭地区地形高度降低为100 m（图1c）。试验4为同时去掉长白山和大兴安岭地形的敏感性试验（简称ALL）：在该试验中将大兴安岭和长白山区域地形高度均降低为100 m（图1d）。敏感性试验与参照试验除地形差异外，其他模式设置和初边值等均保持一致。

参照试验和敏感性试验均从1986年1月1日连续积分至1996年1月1日，第一年为模式的spin-up时间，1987～1995年的模拟结果用于分析。其中，夏季为6～8月的平均值。参照试验与敏感性试验的差值（参照试验减去敏感性试验）用来表征不同地形的气候效应。差异的显著性检验使用学生t检验。为了检验模式对东北地区夏季降水的模拟性能，本文还用到了两套格点化的降水资料。其中一套为CN05.1降水资料，该资料是基于中国2416台站观测降水资料构建的高分辨率格点数据，时间范围为1961～2014年，水平分辨率为0.25°（纬度）×0.25°（经度）（吴佳和高学杰, 2013）；另外一套降水资料为CRU TS v3.23（Climatic Research Unit Time Series version 3.23），该资料的时间范围为1901～2014年，水平分辨率为0.5°（纬度）×0.5°（经度）（Harris et al., 2014）。

在开展敏感性试验之前，我们首先对模式的模拟性能进行了评估。图2给出了CON试验和两套降水资料中1987～1995年夏季平均降水的空间分布。两套观测降水资料显示，该地区夏季平均降水呈现由东南向西北递减的空间分布格局。其中，朝鲜半岛到东北南部为降水的大值中心；此外，在高分辨率的CN05.1资料中，大兴安岭东侧地区也存在一个降水的次中心。CON试验模拟的夏季平均降水空间分布与观测基本一致，也呈现从东南向西北递减的特征；此外，在大兴安岭东侧地区和朝鲜半岛到东北南部地区存在两个降水大值中心。定量分析结果表明，CON试验模拟的夏季平均降水与CN05.1观测结果在中国东北（38°N以北、120°E以东）区域的空间相关系数为0.76，可以通过99%的置信度检验。但是相较于CN05.1的观测结果，CON试验模拟的夏季平均降水量偏大。在中国东北地区（38°N以北、120°E以东），CON试验模拟的区域平均降水量比CN05.1观测值偏多1.23 mm d－1，偏多幅度为30 %。

图3给出了CON试验和ERA-Interim再分析中1987～1995年夏季平均的850 hPa水平风场。再分析资料表明，受来自低纬地区偏南气流的影响，东北地区夏季主要盛行西南风；此外，来自蒙古地区的西北风也能影响到东北西部部分地区。CON试验模拟的夏季平均850 hPa风场与再分析资料的结果基本一致：东北地区表现为西南气流，主要受到来自低纬地区西南风的影响。但相比于再分析资料结果，COM模拟中来自蒙古地区的西北风偏弱。

上述结果表明，与再分析大气环流资料和观测降水资料相比，数值模拟结果尽管在量值上还存在一定的偏差，但是WRF-ARW模式基本可以模拟出观测和再分析资料中降水与大气环流的空间分布。因此，利用该模式开展东北地区地形影响的模拟研究是可行的。

为了考察大兴安岭地形对东北夏季降水的影响，图4a给出了CON试验和XIN试验夏季平均降水的差值场。可以看到，大兴安岭地形的存在可以显著影响东北地区的夏季降水，在东北西部到蒙古东部地区造成显著的东—西向偶极降水异常模态。其中，大兴安岭东侧到松嫩平原地区夏季降水显著增加，该区域（44°N ～51°N，118°E ～123°E）平均降水增加约1.09 mm d－1，相较CON试验模拟结果增加约30%。与此相反，大兴安岭西侧到蒙古东部地区夏季降水显著减少，区域（45°N～50°N，112°E～118°E）平均降水减少约0.69 mm d−1，相较CON模拟结果减少约24%。

长白山地形也能显著地影响东北地区的夏季降水，但影响的区域主要位于东北东部到朝鲜半岛地区（图4b）。该地形可以造成显著的南—北向偶极降水异常模态。其中，长白山南侧到朝鲜半岛地区夏季降水显著增加，区域（37°N～41°N，125°E～130°E）平均降水增加约1.76 mm d−1，相较CON模拟结果增加约26%。长白山地形的存在可以使其北侧三江平原地区夏季降水显著减少，区域（42°N ～50°N，129°E～135°E）平均降水减少约0.81 mm d−1，较CON模拟的模拟结果减少约22%。

当长白山和大兴安岭地形同时存在时，两个地形造成的降水异常分布有些类似于它们单独影响的叠加，但降水的面积和强度有所不同（图4c）。在东北西部到蒙古地区，夏季降水仍然呈现东—西向偶极异常模态：大兴安岭东侧到松嫩平原地区降水显著增加，区域平均降水增加约0.78 mm d−1，相较CON试验模拟结果增加约21%；大兴安岭西侧到蒙古东部地区降水显著减少，区域平均降水减少约0.55 mm d−1，相较CON试验模拟结果减少约19%。相比于大兴安岭地形单独存在的影响，两个地形同时存在时东北西部到蒙古地区降水异常的范围和强度均有所减小。在东北东部到朝鲜半岛地区，夏季降水仍然呈现南—北向偶极异常模态：长白山南侧到朝鲜半岛地区降水显著增加，区域平均降水增加约1.02 mm d−1，相较CON试验模拟结果增加约15%；三江平原地区降水显著减少，区域平均降水减少约1.13 mm d−1，相较CON试验模拟结果减少31%。相比于长白山单独存在的影响，两个地形同时存在时长白山南侧到朝鲜半岛地区降水增加幅度减小，而三江平原地区降水的变化幅度增大。上述结果表明，长白山和大兴安岭地形对蒙古东部、大兴安岭东侧到松嫩平原地区和长白山南侧到朝鲜半岛地区夏季降水的影响存在相互抵消作用，而对三江平原地区的降水存在协同增强作用。

降水的变化受到大气环流的直接影响，因此我们进一步通过分析地形引起的大气环流异常来探讨降水变化的物理机制。图5首先给出了不同试验中东北地区夏季平均的地面到850 hPa垂直积分水汽通量。在CON试验中，夏季东北地区的水汽输送路径主要为来自低纬地区的西南气流，表明东北夏季降水与东亚夏季风联系密切，这与前人利用再分析资料得到的结果一致（Sun et al., 2007, 2017）。在3个地形敏感性试验中，东北地区夏季也都为西南水汽输送路径所主导。这个结果表明，大兴安岭和长白山地形不会改变东北地区的水汽输送路径。图6给出了参照试验和敏感性试验相减的夏季海平面气压场和850 hPa水平风差值图。可以看到，当只有大兴安岭地形存在时，由于地形对来自低纬地区偏南气流的阻挡作用，地形上空及其东侧（迎风坡）出现空气的堆积；表现在环流场上，在大兴安岭东侧区域存在一个显著的高压异常；相反，在其西侧表现出一个弱的低压异常（图6a）。由于偏南气流为暖湿气流，其在大兴安岭东侧的堆积，会造成该地区水汽辐合、大气含水量增加（图7a），这有利于该地区降水的增加（图4a）。由于暖湿空气被阻挡在大兴安岭的东侧，因此其西侧蒙古东部地区夏季大气含水量有所减少（图7a），这与该地区降水的减少相一致（图4a）。但不同的是，蒙古东部地区夏季降水显著减少，但是大气含水量的减少并不显著，这说明水汽对于该地区降水的变化有贡献，但是贡献较弱。

当只有长白山地形存在时，来自低纬的偏南暖湿气流被地形所阻挡，在长白山地形迎风坡一侧（南侧）堆积，形成一个高压异常（图6b），水汽汇聚从而增加长白山南侧到朝鲜半岛地区的水汽含量（图7b），进而有利于该地区夏季降水的增加（图4b）。由于地形的阻挡作用，大量水汽被截留在长白山的迎风坡一侧，因此其背风坡的三江平原地区夏季含水量则减少（图7b），这有利于该地区降水的减少。与蒙古西部地区类似，地形引起的水汽异常在三江平原地区也不显著，说明水汽变化也不是造成图4b中该地区降水显著减少的主要原因。

当大兴安岭与长白山同时存在时，两个地形的联合效应也会造成大兴安岭东侧和长白山南侧暖湿空气的堆积，由此造成这两个地区为显著的高压异常（图6c）、大气含水量显著增多（图7c）。但是，从图7c中也可以看到，蒙古东部和三江平原地区的水汽含量变化较弱，这与图4c中这两个地区夏季降水的显著变化也有所不同。

上述结果表明，大兴安岭和长白山地形虽然不会改变东北地区的水汽输送路径，但是两个地形可以通过对西南气流的阻挡作用，在地形迎风坡造成水汽堆积增多、背风坡水汽减少，从而影响东北地区的大气水汽含量和降水的变化。但是，另一方面我们也可以看到，地形引起的水汽变化和降水异常的变化还存在一些不一致的地方。这说明，其他因子在降水的变化可能起到更为重要的作用。

众所周知，地形不但可以阻挡水汽，从而改变大气含水量的分布，而且还可以引起迎风坡和背风坡大气垂直运动的变化，进而改变降水所需的动力抬升条件。为了考察两个地形对东北地区垂直运动的影响，我们分别以正交于大兴安岭和长白山进行纬向和经向垂直剖面。纬向和经向剖面位置如图1a中的水平和垂直线段所示。从图8a中可以看到，当只有大兴安岭存在时，地形会阻挡其东侧的偏南风，从而在地形东侧呈现大范围向西倾斜的上升运动，这样的显著上升运动可以一直延伸到300 hPa，为降水的发生提供了必要的动力条件；该地区上升运动与偏多的水汽有利于大兴安岭东侧总云量增加（图9a），进而有利于该地区降水的显著增加。相反，在地形的西侧存在显著的下沉运动（图8a），下沉运动和偏少的水汽条件不利于该地区云的形成（图9a），因此在蒙古东部地区降水显著减少。

长白山地形存在可以阻挡其南侧的偏南风，进而在地形南侧迎风坡造成显著的上升运动（图8b），水汽辐合上升造成长白山南侧到朝鲜半岛地区总云量增加（图9b），进而有利于该地区降水增加。然而，在地形的北侧背风坡，有大范围的下沉运动，从而不利于三江平原地区云的形成（图9b），因此地区降水显著减少。

图8c和8d为两个地形同时存在的影响。可以看到，当大兴安岭与长白山同时存在时，垂直环流的异常分布与两个地形单独影响的分布基本类似，但强度有所改变。相比于大兴安岭单独存在时，两个地形的联合效应使得大兴安岭东西两侧的垂直环流异常均有所减弱、显著性范围明显减小（图8c），云量异常也有所减小（图9c），这与前面提到的两个地形联合效应会削弱大兴安岭对其东西两侧降水的影响相一致。

相比于长白山单独存在时，两个地形的联合效应使得长白山南侧迎风坡一侧的上升运动有所减弱（图8d），相对应朝鲜半岛地区的云量和降水异常较长白山的单独影响也有所减少（图9c和图4c）。然而，在长白山北侧背风坡一侧三江平原地区，两个地形的联合效应使得该地区下沉运动较长白山的单独影响有所增强、显著性范围明显增加（图8d）。因此，当两个地形同时存在时，三江平原地区的降水偏少异常要明显大于长白山的单独影响（图4c）。

参照试验与敏感性试验的差值结果表明，大兴安岭和长白山地形可以通过改变东北地区大气环流和水汽条件进而影响到东北及其周边地区夏季降水。在相对贡献中，地形效应所引起的垂直运动变化对降水异常的贡献要大于水汽变化的贡献。这两个地形的存在对于东亚当代夏季降水模态的形成具有重要意义。

本文基于WRF-ARW（V3.9）模式，设计了4组数值试验研究了东北地区两大山脉地形对该地区夏季降水的单独以及共同影响，并通过分析地形引起的大气环流、水汽和云量等要素的变化，探究了地形影响降水的物理过程。得到如下主要结论：

（1）大兴安岭的存在可以显著影响蒙古东部到松嫩平原地区的夏季降水。地形的存在可以增加大兴安岭东侧到松嫩平原地区夏季降水约30%，而减少蒙古东部地区夏季降水约24%。因此，大兴安岭的存在对于东北当代气候格局的形成具有重要意义。如果缺少大兴安岭的存在，松嫩平原的降水大幅减少，会严重制约该地区的工农业生产和生态环境建设。

（2）长白山的存在可以显著影响朝鲜半岛到三江平原地区的夏季降水。地形的存在使得朝鲜半岛夏季降水增加约26%，而三江平原地区夏季降水减少约22%。可见，长白山地形的存在有力保障了朝鲜半岛到中国东北南部的夏季降水，同时地形的阻挡也减少了三江平原地区夏季洪涝的发生。

（3）大兴安岭与长白山同时存在时，两个地形对降水的影响在蒙古东部、松嫩平原和朝鲜半岛地区有相互抵消的作用。两个地形联合效应引起上述3个地区夏季降水的变化两分别减少为21%、19%和15%，明显小于两个地形的单独影响。相反，两者的联合效应会增强三江平原地区夏季降水的响应，其减少幅度可以达到31%，明显高于长白山单独影响的22%。

（4）大兴安岭和长白山影响降水的主要物理过程是地形的阻挡效应。夏季东北地区以偏南风为主，大兴安岭地形将偏南的暖湿气流阻挡在东侧迎风坡，在该地区形成较强的水汽辐合、上升运动和偏多的云量，进而导致该地区降水增多。相反，受地形阻挡，大兴安岭西侧盛行异常偏北风，水汽含量降低并伴随有下沉运动和偏少的云量，由此导致该地区降水减少。长白山地形的阻挡作用使得偏南气流在地形南侧迎风坡堆积，造成局地水汽增加和上升运动增强，进而有利于该地区降水的显著增加；而在地形北侧背风坡为异常偏北风，局地水汽减少并伴随下沉运动，不利于该地区降水的增加。当两个地形同时存在时，其联合效应可以减弱大兴安岭东西两侧的大气环流异常，造成松嫩平原和蒙古东部降水异常相比于大兴安岭单独存在时减弱。同时，地形的联合作用使得大气环流异常在长白山南侧减弱，而在长白山北侧增强；因此，相比于长白山单独存在时，朝鲜半岛降水异常减弱，而三江平原降水异常增强。