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在华南前汛期，我们经常发现锋面前方的暖区内、离锋面有一定距离的位置突然有对流系统发展，并造成暴雨天气，给人民生活生产带来严重影响。我们称这类暴雨为暖区暴雨，区别于在锋面的强抬升作用下在锋面附近产生的锋面暴雨。由于暖区暴雨离锋面距离太远，锋面抬升并不能直接触发暖区对流。那么，这两种相隔数百公里以上的降水系统之间究竟是否存在某种联系？
2014年5月10–11日，在华南地区同时存在两个主雨带，分别是锋面暴雨和暖区暴雨（图1a）。该暖区暴雨事件的日降水量超过200mm，给该地区社会经济带来了严重损失。基于探空数据，我们发现在暖区对流触发前，对流层低层存在显著的对流抑制能量（CIN），不利于对流的发展。然而，临近暖区对流触发时，对流中层（750-500 hPa）环境明显改善，伴随相对湿度的显著增加和大气不稳定性（CAPE）的增强现象。虽然先前已有研究指出双低空急流（边界层急流和天气尺度急流）在触发该个例中的重要作用（Du and Chen, 2019），但这种对流中层环境的改善很难完全通过已有的急流或地形辐合等机制进行解释。考虑到相对较高的作用高度，一种有可能的机制是对流性重力波。![]()
图1 (a)3小时观测累积降水量(FR和WR分别表示锋面降水和暖区降水)， (b)WRF模拟的20时雷达反射率，(c-h)垂直速度沿AB线的垂直分布，两个n=2波分布用W1和W2表示。围绕该科学问题，本研究利用高分辨率的WRF模式探讨了锋面暴雨和暖区暴雨之间是否存在对流性重力波的信号。首先对两类雨带连线（AB）上的垂直运动场进行了分析（图1）。我们发现，在锋面暴雨前方的暖区内存在2次对流性重力波的传播（W1和W2），主要表现为n=2模态的波动，在对流层下部为上升运动，对流层上部为下沉运动。当第2次n=2波动传过暖区暴雨位置后，对流触发（图1g）。不同高度垂直速度的距离—时间哈默图更清楚地显示了这两次重力波传播（图2）。波动在对流高层和低层具有相反的垂直运动，并且垂直运动与温度变化不同相位，证明其为重力波（图2a-d）。W1和W2的传播速度约24 m/s，与理论重力波相速度非常接近（n=2波的特征速度约为20 m/s，沿AB连线的环境风约为6.2 m/s）。![]()
图2 锋面雨带与暖区雨带之间沿线上的(a)3 km高度垂直速度，(b)9km高度垂直速度，(c)3 km高度位温扰动，(d)9km高度位温扰动，(e) 2-4 km高度平均相对湿度(填色)和水汽混合比(等值线)， (f) 2-4 km高度平均CIN(填色)和CAPE(等值线)随时间的变化。两次n=2重力波相继由锋面向海岸（西南方向）快速传播，其在对流层中低层的绝热冷却效应显著改善了中尺度对流环境：在W1和W2的综合作用下，对流层中层相对湿度增加约25%，CAPE增加300-500 J/kg，CIN减少约20 J/kg（图2e, f）。通过敏感性试验，我们发现当W1波动振幅变得足够大时，对流环境的改善程度更明显，有利于更早触发对流。因此，锋面前方的n=2波能够远距离传播，进而影响暖区的对流发生发展。另一个有趣的问题是波动是如何生成的？我们进一步诊断了n=2对流性重力波的生成过程与锋面对流的联系。事实上，在暖区对流发生前，锋面对流显著发展。从1200 UTC到1700 UTC之间，锋面雨带不断向西延伸发展，强降水的蒸发作用在对流层中低层引起了强冷却，其中在(110°E, 26°N)附近发展出一个显著的冷中心（图3a-c）。锋面降水的垂直温度变化廓线呈现低层冷却，高层加热的特点，有利于n=2波动的生成（图3d）。![]()
图3 (a-c)850 hPa扰动位温(填色)和小时降水量分布，其中橙色框表示锋面降水的冷中心；(d)CTRL和INIT06实验中冷中心区域在12-19时的平均垂直温度廓线；(e)冷中心区域局地非绝热变化率(线条)的n=2傅立叶系数以及蒸发冷却(填色)、冻结冷却(绿线)、凝华冷却(灰线)的时间演变。对锋面降水强冷却区域的局地非绝热率进行傅立叶分解，对应的n=2系数随时间变化中呈现1330和1700 UTC两个谷值（图3e）。这意味着锋面降水的剧烈冷却作用引起了两次n=2对流性重力波的生成。随后，我们通过敏感性实验探讨了锋面的发展对生成波动的影响，发现当锋面发展较稳定时，低层温度变化不显著时，将不利于对流性波动的生成。因此，锋面降水的发展将极大影响其前方波动的生成，从而调控后续暖区暴雨的活动。该研究创新地揭示了锋面暴雨通过对流性重力波影响暖区暴雨的过程（图4）。在锋面降水发展过程中，其微物理过程驱动的强低层冷却会产生在对流层下层上升，上层下沉的n=2重力波。随后， n=2重力波向华南近海地区快速传播，增湿了锋面降水前方的中低层大气，并增强了大气不稳定性，为暖区对流触发提供了有利环境。在海岸附近，配合双低空急流的中尺度抬升作用和地形等作用最终触发暖区暴雨。![]()
上述研究工作已在8月1日发表在地学权威期刊《Geophysical Research Letters》上，第一作者为中山大学大气科学学院博士生杨洪沛，通讯作者为杜宇教授，文章合作者还包括陈子健博士生和中国气象局广州热带海洋气象研究所助理研究员方俊颖。![]()
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https://doi.org/10.1029/2024GL110430
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