研究作者与发表信息

本文作者为Tetsuya Kawano和Ryuichi Kawamura，均来自九州大学地球与行星科学系。该研究发表于日本气象学会的开放获取期刊 *SOLA*，2022年第18卷，页码205–210，DOI为10.2151/sola.2022-033。

研究背景与目的

九州地区在日本梅雨季节期间频繁发生强降水事件，低层水汽的输送与积累在此类强降水的形成中具有关键作用。梅雨季节北太平洋副热带高压西伸增强，其西北缘的西南风加强，导致东海（East China Sea, ECS）海面蒸发增强，大量水汽被输送至九州地区。已有研究指出，东海的黑潮（Kuroshio）暖海表温度（sea surface temperature, SST）能够促进海面向大气的水汽供应并使低层大气不稳定化，从而影响局地对流活动。然而，东海黑潮暖SST对下游远距离地区强降水的影响机制尚不完全清楚。2020年7月3日，日本南九州发生了一次由准静止对流带持续13小时引发的极端强降水事件。本研究旨在利用天气研究与预报模型（Weather Research and Forecasting model, WRF），从拉格朗日视角出发，探究东海黑潮区暖SST对此次南九州强降水的远距离效应，重点关注低层水汽含量如何响应黑潮SST条件的变化及其对降水的远距离影响。

数值模拟与实验设计

本研究使用WRF版本3.9.1.1，设置了水平分辨率分别为3 km（D1）和1 km（D2）的双向嵌套区域（图1）。云微物理方案采用Milbrandt和Yau（2005）方案；Kain–Fritsch积云方案仅用于D1区域；边界层方案采用Mellor–Yamada–Nakanishi–Niino Level 3方案；陆面过程采用Chen和Dudhia（2001）方案；短波与长波辐射过程分别采用Dudhia（1989）和Mlawer等人（1997）方案。初始与边界大气条件来自日本气象厅的中尺度模式（MSM）客观分析资料，水平分辨率为0.1°×0.125°，时间间隔为6小时；100 hPa以上大气、土壤与SST条件由NCEP FNL全球分析资料提供，水平分辨率为1°×1°，时间间隔为6小时。模拟从2020年7月2日18 UTC开始，积分36小时至7月4日06 UTC，SST在积分过程中保持固定。该对照模拟称为CNTL。

为考察东海黑潮暖SST对南九州强降水的贡献，研究构建了两个修改SST分布的敏感性试验：将东海灰色框内超过27.0°C和26.5°C的SST分别降低至27.0°C和26.5°C，分别命名为SST270和SST265（图2）。通过对比CNTL与SST270、SST265的模拟结果，评估东海黑潮暖SST对降水的远距离影响。由于CNTL与SST270的对比在定性上与CNTL与SST265的对比一致，论文后续主要以SST265的结果进行展示。

模拟结果与拉格朗日分析

首先评估CNTL模拟对降水的再现性。2020年7月3日08 UTC至7月4日02 UTC共18小时累积降水观测显示，强降水集中在南九州地区。CNTL模拟的降水区域较观测偏窄，并向南偏移约20–30 km。在被选定的黑色矩形区域（129.5°E–131.5°E，31.5°N–32.5°N；区域A）内，CNTL模拟的区域平均降水量为170 mm，低于观测的233 mm；但CNTL模拟的最大18小时累积降水量为609 mm，约为日本气象厅雷达/雨量计分析值704 mm的87%，表明CNTL模拟总体上捕捉到了此次强降水的宏观特征。在SST270和SST265试验中，降水分布形态与CNTL相似，但整体向下游方向（北侧）偏移，这与Iizuka和Nakamura（2019）关于SST高低影响对流系统上、下游移动的结论一致。SST270与SST265的最大18小时累积降水量分别减少至452 mm和508 mm；区域A内的区域平均降水量分别相对CNTL减少9%（16 mm）和11%（19 mm）。这一结果表明，东海黑潮暖SST对2020年7月3日南九州强降水具有显著的远距离影响。

为分析低层水汽分布差异，研究比较了CNTL与SST265在地表至850 hPa垂直积分可降水量（precipitable water）上的差异（图4），时间选取强降水峰值时段的7月3日19 UTC。结果显示，东海黑潮区SST的修改不仅改变了修改区域内的低层水汽含量，其影响还扩展到下游广大区域，并一直延伸到强降水区。在强降水区上游，低层可降水量的差异超过1 mm。低层水汽量的变化进一步影响大气稳定度：在强降水区上游区域（128.5°E–130.5°E，30.5°N–31.5°N；区域B）内，CNTL的对流有效位能（convective available potential energy, CAPE）平均值为1849 J kg⁻¹，而SST265降低至1709 J kg⁻¹。这表明CNTL中因流入含有更多水汽的空气，大气稳定度降低，形成了更有利于积雨云生成与发展的环境场。

为进一步追踪低层气块的来源及水汽演变，研究进行了后向轨迹分析。以500 m高度、位于区域B内的气块为对象，从7月3日19 UTC开始向后追踪14小时，使用RIP4后处理软件计算轨迹，时间步长为2分钟。结果表明，在CNTL和SST265中，大多数气块在7月3日05 UTC位于修改SST区域的南部（图5a、5b），气块路径相似，均向东北方向移动并经过修改SST区域。这说明SST修改对环境低层风场的影响很小。然而，CNTL中气块的水汽含量方差远大于SST265：在修改SST区域上空，CNTL中既存在许多来自较高高度、水汽含量较低的气块，也存在许多在低层被暖SST加湿的气块。CNTL气块在经过东海黑潮暖SST区域时水汽含量增加，随后有所下降或保持不变；SST265中气块水汽含量在到达约29.5°N之前几乎没有变化，但在轨迹后段北部有所增加。因此，在强降水区上游，CNTL与SST265之间存在水汽含量差异。时间序列分析（图6a、6b）显示，在修改SST区域初始时刻，两者的平均水汽混合比差异较小，但CNTL中具有极端高水汽含量的气块数量明显更多。在19 UTC（即强降水区上游），CNTL的平均水汽混合比比SST265高约0.3 g kg⁻¹，且CNTL中极端高水汽含量气块数量仍显著较多。

研究还进行了前向轨迹分析以进一步确认东海黑潮区SST修改对低层气块水汽变化的贡献。目标气块在7月3日05 UTC被放置在修改SST区域南部、高度300 m处（123°E–126.5°E，25.7°N–27.2°N；区域C），前向追踪16小时（图5c、5d）。结果表明，SST修改对低层风场影响较小，但CNTL与SST265在气块初始位置的水汽含量已存在差异。气块在经过东海暖SST区域时，两者水汽含量差异增大，随后差异有所减小，但一直保持到气块在强降水区开始上升。时间序列（图6c、6d）显示，初始时刻CNTL的平均水汽混合比比SST265高约0.9 g kg⁻¹。SST265中气块水汽混合比缓慢增加，至约14 UTC达到约19.3 g kg⁻¹（上升开始时刻为16:40 UTC）；CNTL中气块水汽含量主要在12 UTC之前增加，随后逐渐下降，上升开始前的平均值约为19.6 g kg⁻¹。尽管平均水汽混合比差异不大，但CNTL中持有极端高水汽量的气块数量远多于SST265。研究认为，CNTL与SST265在东海黑潮区地表潜热通量的差异是造成低层气块水汽演变不同的主要原因。这一低层气团变性过程与Kunoki等人（2015）和Sato等人（2016）关于东海黑潮暖SST修改海洋大气边界层的研究结果一致。研究进一步指出，即使进入强降水区的低层水汽含量平均差异较小，但降水对低层水汽的微小变化非常敏感，这与Schumacher（2015）及Schumacher和Peters（2017）的结论相符。

研究结论与意义

本研究表明，东海黑潮区的暖SST对2020年7月3日南九州极端强降水事件具有显著的远距离影响。CNTL模拟较好地再现了此次强降水的整体特征；降低东海黑潮区SST的敏感性试验显示，SST降低对低层风场影响很小，但18小时累积降水的最大值和区域平均值均显著减小，说明东海黑潮SST对此次强降水的降水量具有重要的远距离调制作用。尽管进入强降水区的平均水汽含量在CNTL与降低SST试验之间差异不大，但CNTL中保留了更多源自东海黑潮区的极端高水汽含量气块，这些气块在上升过程中为强降水提供了更充足的水汽来源，导致CNTL产生显著更多的降水。研究强调，准确测量东海黑潮区的SST和低层大气水汽含量对于提高梅雨季节九州强降水的预报能力具有重要意义。

研究亮点

本研究的亮点在于：第一，从拉格朗日视角出发，利用后向与前向轨迹分析方法，系统追踪了低层气块从东海黑潮区到南九州强降水区的水汽演变过程，揭示了暖SST通过增加极端高水汽含量气块数量从而增强远距离降水的物理机制；第二，通过对比不同SST修改试验，量化了东海黑潮暖SST对强降水量的远距离贡献，并指出平均水汽含量差异虽小但降水响应显著的非线性特征；第三，研究将海气相互作用、低层气团变性与中尺度对流系统降水过程联系起来，为梅雨季节九州强降水的预报改进提供了明确的观测与模拟依据。