利用GPM-DPR观测到的伊犁河流域在不同低层风条件下的夏季地形降水垂直分布特征

《Atmospheric Research》：Vertical structures of summer orographic precipitation under different low-level wind conditions in the Ili River Valley observed by GPM-DPR

　　

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  利用GPM-DPR数据，从统计学角度研究了伊犁河流域降水的垂直结构。
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  量化了山谷风、山风、轻风和西北风在宏观和微观特性上的差异。
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  从统计上看，凝聚（破裂）过程在山谷风和西北风（以及山风和轻风）降水的低层垂直变化中占主导地位。

引言

地形降水包括降雨、降雪以及其他受湿气流与地形相互作用影响的降水形式（Roe, 2005; Houze, 2012; Wang et al., 2016; Amjad et al., 2020; Pan et al., 2021; Zhang et al., 2023; Robinson et al., 2025）。当湿润空气遇到山区地形时，地形强迫会产生重力波，从而在山脉上游和下游引起上升或下降的垂直运动。这些动态可以触发新的降水形成或改变现有的降水系统（PSs）（Neiman et al., 2002; Houze et al., 2014; Soderholm et al., 2014; Lu et al., 2021; Zhu et al., 2023, Li et al., 2024）。先前的研究表明，山区地形显著影响降水强度和空间分布，其影响程度取决于山脉的大小和形状、气流动态以及湿润空气的热力学变化（Galewsky and Sobel, 2005, Galewsky, 2008; Zhang et al., 2018; Morales et al., 2021; Lu et al., 2023）。在盛行风的条件下，地形抬升通常会使降水集中在迎风坡，从而增加山地峰附近的降雨量（对于层状云而言），而对于对流云来说，更多的降水可能发生在背风坡（Insel et al., 2010; Kirshbaum, 2011, Kirshbaum and Wang, 2014; Alexander et al., 2017; Veals et al., 2019; Agel and Barlow, 2020; Geerts et al., 2015）。

地表风在局部环流和地形降水的形成中起着关键作用（Rotunno and Houze, 2007; Yang et al., 2011; Akinsanola et al., 2020; Nicolas and Boos, 2025）。例如，Wu et al.（2007）将四川盆地和青藏高原东部的夜间降水峰值归因于高原与相邻低地之间的高程差异所驱动的大尺度山谷风环流。Barros and Lang（2003）强调了差异地表加热在产生山谷风环流中的作用，这种环流在山区和平原之间形成了不同的日变化降水模式。同样，Houze et al.（2007）也指出了这些环流在触发喜马拉雅山降水方面的重要性。Panziera and Germann（2010）进一步证明，风速对降雨率的影响比静态稳定性更强，这一发现得到了Jing et al.（2018, 2019）的证实，他们认为低层风速是塑造美国西部降水分布的主要因素。

伊犁河流域位于干旱的中亚天山山脉西部，其地形呈西部开口的喇叭形。这种配置引导西风的湿润气流，导致地形抬升、凝结和丰富的降水。已有少数研究探讨了伊犁河流域的区域降水特征、驱动系统和水分来源（Li et al., 2017, Li et al., 2021; Bothe et al., 2012; Yang et al., 2022）。例如，Li et al.（2017）将该流域高度異質的降水模式与热驱动的山谷风环流和地形汇聚联系起来。Li et al.（2021）表明，伊犁河谷的年降水量在平原地区为235至526毫米，而在山区则为600至800毫米，东部和南部斜坡的降水量更高。Bothe et al.（2012）基于ERA-40再分析数据指出，中亚天山地区的降水气候主要由中纬度西风提供的水分支撑，同时也有高纬度地区的水分补充。Li et al.（2020）的站台分析显示，夜间降水峰值是由地形抬升引起的，地表风速和水分输送在空间分布中起主导作用。

先前的研究表明，伊犁河流域的降水与低层风密切相关。然而，这些研究依赖于地面气象站，由于其分布稀疏，无法全面检测复杂地形中的降水系统（PSs），而且不同风条件下降水的垂直结构尚不明确。机载降水雷达，如GPM卫星上的双频降水雷达（DPR），通过捕捉降水系统的三维结构提供了强大的替代方案（Bhatt and Nakamura, 2005; Romatschke and Houze, 2010; Kumar and Bhat, 2017; Zhang et al., 2018）。也有研究使用GPM探讨了低层风对其他地区地形降水的影响。例如，Kumar et al.（2020）通过GPM-DPR观测发现，在850 hPa低层风和地形强迫的共同作用下，安第斯山脉东坡的降雨率和雨滴直径明显大于西坡。鉴于GPM在检测降水垂直结构方面的优势，本研究利用GPM-DPR数据分析了伊犁河流域不同低层风条件下的夏季降水特征，这有助于我们更好地理解该地区夏季降水的垂直结构。

在本研究中，我们利用GPM卫星上的先进降雨传感器，并结合地表风流动，分析了伊犁河流域的地形降水特征，以解决以下科学问题：在不同地表风方向（山谷风、山风、轻风、西北风）下，降水的宏观和微观特征存在哪些量化差异？伊犁河流域的地形如何与不同的风方向相互作用，从而改变水分输送、抬升位置和云内热力学，从而导致降水物理特征的差异？

本文的其余部分安排如下：第2节描述了数据和分类方法。第3.1节分析了四种降水系统的时空分布特征。第3.2节研究了近地表降水率、雷达反射率剖面、雨滴尺寸分布以及层状和对流降水系统的结构特征。第4节总结了主要研究结果。

章节摘录

GPM观测与降水系统的识别

GPM卫星配备了世界上首个机载双频降水雷达（DPR），该雷达包括一个Ku波段雷达（KuPR，13.6 GHz）和一个Ka波段雷达（KaPR，35.5 GHz）。与热带降雨测量任务（TRMM）上的降水雷达类似，KuPR可以在最低0.5 mm·h?1的降雨率下检测到降水，并且比KaPR更可靠地观测强降水（Kubota et al., 2014）。相比之下，KaPR对轻风的敏感度更高。

伊犁河流域降水的空间和时间变化

本节研究了与本研究调查的481个降水系统相关的平均日降水量（基于GPM/IMERG数据）和地表10米风场（基于ERA5再分析数据）。山谷风降水系统的空间分布及其相应的地表风场（图3a）表明，白天的地表加热使山坡比上方的山谷空气升温更快，从而形成一个低压中心，驱动暖湿空气沿山坡上升。

结论

为了更好地理解伊犁河流域的降水过程，本研究基于GPM/DPR V07A数据识别了降水系统，并根据ERA5再分析的10米地表风将其分为四类。通过案例研究和综合统计分析，研究了它们的水平分布、垂直结构以及与地形的关系，同时也讨论了触发机制。结果表明，不同的低层风条件会导致

CRediT作者贡献声明

王志敏：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。杨静：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、方法论、正式分析、概念化。尹艳：撰写——审稿与编辑、验证、方法论、调查。徐长春：撰写——审稿与编辑、验证、方法论、调查、数据管理。李媛媛：撰写——审稿与编辑、验证，

Fu et al., 2018

Szumowski et al., 1997

Szumowski et al., 1998

本研究得到了新疆人才发展基金会（XJRC-2025-ZZB-ZDXQ-018）、新疆维吾尔自治区自然科学基金（2022D01B182）、新疆自治区重点研发计划项目（2025B03029-1）、阿克苏地区夏季对流云播种的物理响应分析（2026RYKYZX-Z01）、国家自然科学基金（资助编号42230604、42475090）以及江苏省青兰计划的支持。

Zhimin Wang|Jing Yang|Yan Yin|Changchun Xu|Yuanyuan Li|Yujiang Fan|Baojun Chen|Tianliang Zhao