天气型影响华南沿岸中尺度对流系统触发及降水特征
文摘
科学
2024-05-09 11:36
江苏
华南沿岸处于东亚季风区，暖季（5-9月）期间对流活跃、强降水频发，易造成洪水、城市内涝等自然灾害。其中，中尺度对流系统（Mesoscale Convective System，简称MCS）作为有组织的深对流，其连续降水面积超过100公里、可持续数小时或数十小时，对暖季降水和强降水事件具有重要贡献。因此，分析MCS触发、日变化及其降水特征，探究其相关影响环境，对于暖季对流降水的准确预报具有重要意义。南京大学大气科学学院赵坤教授课题组使用20年（2001-2020年）的全球高分辨率MCS识别与追踪资料和全球再分析数据集，基于大尺度客观天气分型方法，揭示了低层大尺度天气环流对华南沿岸暖季MCS及其降水特征的重要影响。客观天气分型结果表明，华南沿岸大部分暖季降水（>80%）发生在三种典型天气环流型下，分别为偏南季风型（P1）、西南季风型（P2）和低涡型（P3），如图1a-c所示。在各天气型下925 hPa向岸风场配置的主导下，暖季降水分布在海岸线附近和内陆迎风坡区域，表明海陆摩擦差异产生的沿岸辐合、海陆热力差异产生的海陆风和地形抬升辐合与大尺度盛行风相互作用对降水空间分布具有重要影响。基于高分辨率MCS识别与追踪资料，发现MCS是华南沿岸暖季的主导降水系统，贡献了约70%的总降水量，两类季风型下离岸区域的贡献比甚至超过80%（图1g-i）。![]()
图1. 三种典型天气型（第一行）及其对应华南暖季降水的空间分布与925 hPa风场（第二行）及MCS降水贡献的空间分布（第三行）。在三种典型天气型下，华南沿岸的降水日变化都表现为夜间增强、达到午后单峰的特征，主要由蓝色线表示的MCS降水所贡献（图2a-c）。MCS降水的日变化特征在三种典型天气型下存在一定的差异，也存在海陆区域差异，表明存在不同的日变化机制。图2d-f为MCS降水的日传播特征。MCS降水在海岸线附近触发，夜间至中午存在明显的向海上传播的信号，午后则从海岸线向陆上传播，形成午后的降水峰值。这一降水传播特征与海陆热力差异导致的夜间离岸陆风与午后向岸海风这一日变化机制密切相关。然而，在三种典型天气型下，MCS降水的离岸、向岸传播速度存在明显差异，受低层向岸风的影响。例如，P1偏南季风型下较强的向岸风速阻碍了离岸陆风的传播，故减慢了降水的离岸传播速度。
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图2. 典型天气型下总降水和MCS降水日变化特征（第一行）及MCS降水传播特征（第二行）。
MCS降水对华南沿岸暖季降水的时空特征具有决定性贡献，因此本研究进一步探究相关MCS的触发特征。在三种典型天气型下，MCS触发频次的大值中心位于海岸线附近，且在研究区域内部触发（即局地触发）的MCS对有效降水量的贡献显著大于外部触发的MCS，约占70%（图3a-c）。使用最大降水面积、最大小时降水率和最大小时强降水率以表征局地MCS的降水强度，如图3d-f所示，三种降水特征的概率分布均呈γ分布，即多数MCS的降水强度较小，其余MCS降水强度的分布范围很广。典型天气型也影响着降水特征分布，P1偏南季风型与P3低涡型的降水特征分布更偏左侧，尤其在值最小的第一组的概率明显高于P2西南季风型。局地MCS降水强度的分布特征需要进一步探究环境的潜在影响。![]()
图3. 典型天气型下降水贡献加权后MCS触发频率的空间分布（第一行）及局地MCS最大降水特征的概率分布（第二行）。MCS触发环境的合成场表明，三种典型天气型下都表现为增强的低层水汽输送和沿岸水汽辐合，有利于水汽含量和对流不稳定性的增加，从而导致局地MCS的触发（未展示）。进一步对MCS最大降水特征与动力、热力环境场进行相关性分析，图4以P1下的最大小时强降水率为例。如图4a所示，低层位势高度扰动场的配置表现为更强的西北-东南方向的位势高度梯度，叠加在偏南季风型平均环流上，则对应着更强的向岸水汽输送。这一关键环境因子的增强，有利于产生更强降水的局地MCS触发和发展。同时，离岸区域更高的水汽含量，上游区域更大的CAPE值、以及更强的深层（地面至400 hPa）垂直风切变，都可为局地MCS降水的增强提供有利的热力和动力条件。![]()
图4. P1型下局地MCS最大小时强降水率与环境场的相关性的空间分布，打点区域表示相关性显著。
本研究使用长时间的降水与MCS数据集，基于客观天气分型方法，揭示了三种典型低层环流型对华南沿岸暖季主要降水系统MCS的触发及降水时空特征与强度的重要影响，指出各天气型下的低层向岸风与水汽输送为关键影响环境因子。该研究成果《Synoptic Control on the Initiation and Rainfall Characteristics of Warm-season MCSs over the South China Coast》发表在大气科学领域国际知名期刊《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》（影响因子4.4）。论文第一作者为2018级博士研究生王晨丽，共同通讯作者为南京大学赵坤教授和美国宾州州立大学陈兴超助理教授，南京大学为论文通讯单位。本研究受到国家自然科学基金杰青项目等（42025501, 41875053和61827901）和灾害天气国家重点实验室开放课题（2021LASW-A01）的支持。
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