关于华南沿海城市群夜间极端降水与低层旋转关联性的研究报道

本文旨在向国内同行介绍一项聚焦于华南沿海城市群，特别是粤港澳大湾区（GBA）夜间极端小时降水事件及其触发机制的最新研究。这项题为 “On nocturnal extreme rainfall associated with low-level rotation in the coastal urban agglomeration of south China: a case study” 的研究，由来自中国气象局广州热带海洋气象研究所、粤港澳气象研究院、南京大学、南京气象雷达重点实验室、中国气象局交通气象重点实验室以及北京大学等多家单位的联合研究团队完成，通讯作者为胡胜博士和赵坤教授。该研究成果已于2025年发表在《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》期刊上。

一、研究的学术背景

该研究的核心科学领域是强对流气象学与城市气象学的交叉。在全球气候变化的背景下，短时极端降水引发的城市内涝和山洪灾害在人口密集的超级城市群中造成的生命和经济损失日益严重。位于东亚季风区的华南沿海，地形复杂，且拥有粤港澳大湾区这一人口超8000万的巨型城市群，使其成为一个显著的区域性强降水中心。尽管前人研究已揭示了大湾区午后降水受城市热岛和海陆风影响的机制，但夜间极端降水的形成机理，特别是在强天气系统背景下，城市下垫面如何与中尺度系统相互作用进而加剧降水，仍是一个预报难点和科研前沿。因此，深入研究此类事件中风暴尺度的动力过程与微物理特征，对于提高定量降水预报的准确性和理解城市环境对天气的影响至关重要。

本研究选取了2020年5月22日凌晨发生在广州的一次极端降水过程作为典型案例进行分析。在当天02:00至03:00（当地时间，LST）期间，广州站（g9502）录得了167.8 mm/小时的历史第二高极端小时雨量，东莞站（g1994）更是在3小时内累计降雨307.7毫米，导致7人丧生。与2017年5月7日发生在暖区、由局地触发为主的极端降水事件不同，本次“5·22”事件受到了更强的大尺度强迫背景影响，包括中-β尺度涡旋和切变线。研究旨在探索在此类强背景强迫下，城市热岛、地形和冷池（cold pool）如何相互作用，共同增强对流并导致极端降水的发生。

二、研究的详细工作流程

本研究采用了从统计分析到高分辨率数据同化与诊断的综合性方法，其工作流程主要包含以下几个关键环节：

1. 极端降水气候统计与个例筛选：

   • 研究样本： 使用了2015至2020年每年4-6月（前汛期）华南地区超过2000个自动气象站（AWS）的质量控制后逐小时雨量数据。排除缺测率超过5%的站点后，最终纳入分析的站点为2062个。
   • 数据处理方法： 计算了所有站点在日间（08:00-20:00 LST）和夜间（20:00-08:00 LST）的第99百分位小时降水量，以此定义极端小时降水阈值，并绘制空间分布图。这一步骤旨在从气候统计角度识别大湾区极端降水，特别是夜间极端降水的热点区域。结果显示，大湾区的东北部城区是夜间极端小时降水的频发区，这为选择“5·22”这一发生在该区域的典型夜间极端事件提供了统计依据。

2. 高分辨率数据同化与再分析：

   • 核心技术与工具： 本研究的关键在于使用了美国国家大气研究中心（NCAR）开发的变分多普勒雷达分析系统（Variational Doppler Radar Analysis System, VDRAS）。这是一个基于四维变分（4D-Var）同化技术和云尺度模式及其伴随模式的数据同化系统。研究团队在其模型中集成了地形处理方案，使其能够有效解析复杂地形效应。VDRAS能够同化多部多普勒雷达的反射率和径向速度数据，并结合高密度的地面自动站观测，在短时间同化窗口内生成动力平衡的、高分辨率三维分析和预报场。
   • 输入数据：
     • 雷达数据： 来自广东地区的7部S波段双偏振雷达（广州、深圳、汕尾、阳江、河源、清远、韶关），时间分辨率为6分钟，采用VCP 21扫描模式。
     • 地面观测： 来自大湾区超过1000个自动气象站的2米温度和10米风观测，时间分辨率为5分钟，用于解析城市内部的精细风场和热力场。
     • 背景场： 空间分辨率为4公里的天气研究与预报模式（WRF）的逐小时模拟结果。
   • 运行设置： VDRAS分析域以广州雷达为中心，水平分辨率2公里，垂直层从离地150米开始，每300米一层。采用循环4D-Var方式，从5月21日19:00 LST运行至22日08:00 LST，每个周期包含9分钟同化窗口和6分钟预报。最终输出的分析产品包括了三维风场、扰动温度、相对湿度、雨水/冰水混合比以及众多与对流演变相关的诊断场，时间分辨率为6分钟，为后续的精细动力诊断提供了坚实基础。

3. 偏振雷达微物理特征反演：

   • 数据与方法： 专门利用广州S波段双偏振雷达（GZRD）的数据，在严格质量控制后，反演了表征降水微物理特征的参数。
     • 雨滴谱（DSD）反演： 采用约束伽马（C-G）模型，并利用中国季风区两年的二维视频雨滴谱仪（2DVD）观测数据拟合得到的μ-λ约束关系。反演的参数包括瞬时雨强（R）、液态水含量（LWC）、质量加权平均直径（Dm）和广义截距参数（Nw）。
     • 水凝物识别（HID）： 使用模糊逻辑算法，基于反射率（Zh）、差分反射率（Zdr）、比差分相位（Kdp）、相关系数（ρhv）和温度五个变量，识别每个雷达采样体积中的主导水凝物类型（如毛毛雨、雨、大滴、冰晶、霰、冰雹等）。
   • 对流降水识别： 为了专门研究对流降水的微物理特征，使用基于反射率纹理的方法，将雷达观测的降水区划分为对流性和层云性降水。

4. 风暴尺度动力与涡度收支诊断：

   • 垂直动量收支分析： 基于VDRAS输出，对垂直动量预报方程的各项进行诊断。将垂直加速度分解为平流项、总浮力加速度项（AccB）和总动力加速度项（AccD）。其中，AccD又可进一步分解为线性动力加速度和非线性动力加速度。非线性动力加速度与旋转（涡度）的平方成正比，是连接低层旋转与垂直上升运动强化的关键物理量。研究通过在关键时刻和关键高度（如750米）计算这些项的水平分布和区域平均值，量化了不同动力过程对低层垂直速度加速的贡献。
   • 垂直涡度收支分析： 同样基于VDRAS数据，计算垂直涡度方程的各项，包括平流项、倾斜项（tilting term）、拉伸项（stretching term）、力管项等。这项分析旨在揭示低层中-γ尺度涡旋（垂直涡度）产生和维持的机制，区分是低层强烈辐合导致的涡度拉伸占主导，还是垂直风切变（VWS）导致的涡度倾斜效应占主导。

三、研究的主要结果

1. 城市热岛调制冷池出流，引导风暴路径改变： 高分辨率的VDRAS分析清晰地揭示了风暴移动路径受局地环流调制的全过程。在事件初期，对流受中高层（700-500 hPa）西北风引导总体向东东南方向移动。然而，当前期对流在山地发展并产生冷池后，城市热岛（温度高于29°C）与逼近的冷池（温度低于26°C）之间形成了强烈的局地温度梯度。这一增强的温度梯度显著强化了冷池的东北侧出流，在离地150米高度产生了超过14 m/s的强东北风。这股强东北出流与背景的偏南风在大湾区东北部城市上空形成了一条强辐合线。尽管风暴整体仍受高层引导向东南移动，但其内部的强对流单体在此辐合线的吸引下转向西南，直接扑向广州、东莞等城市区域，导致了极端降水在城市上空的集中爆发。地面温度观测和风场分析共同证实了这一“热岛-冷池”相互作用机制。

2. 低层中-γ尺度旋转与极端雨强的直接关联： 在最强小时降水发生前和发生时（02:12 LST至02:42 LST），垂直剖面显示，在城市南部的强辐合区上空，1至2.5公里高度发展出一个显著的低层中-γ尺度涡旋，垂直涡度峰值达到约2.5 × 10⁻³ s⁻¹。与此同时，低层的垂直上升运动急剧增强，在1公里高度超过2 m/s，在3公里高度达到约6 m/s。垂直动量收支诊断表明，在强上升运动区南侧，非线性动力加速度起到了关键的加速和维持作用。这直接证实了低层旋转通过产生负扰动压力（即“旋转降压效应”），有效地增强并维持了低层的垂直上升运动，从而将更多的水汽抬升凝结，为产生极端雨强提供了核心动力。

3. 低层涡旋生成的两种机制： 垂直涡度收支分析进一步阐明了低层涡旋的来源。研究发现，涡旋的生成存在空间异质性：在强降水区域的南部，涡度主要归因于拉伸效应，即沿冷池出流边界产生的强低层辐合（水平风散度达 -40 × 10⁻³ s⁻¹以上）将背景涡管拉伸，从而增强了垂直涡度。而在强降水区域的西部，倾斜效应则占据主导，这与该区域强烈的0-3公里垂直风切变（VWS）有关。强的垂直风切变提供了丰富的水平涡度，这些水平涡度被对流上升运动倾斜转化为垂直涡度。这两种机制的共同作用，塑造和维持了与极端降水相伴的低层中尺度旋转。

4. 主导的微物理过程： 偏振雷达反演结果指出，本次极端降水过程中的高雨强主要由活跃的暖雨过程（warm-rain processes）驱动。雨滴谱特征表现为中等尺寸雨滴（Dm）的浓度较高，类似于海洋性对流的特点，而冰相过程特征较弱。水凝物识别也显示，主导的降水粒子是雨滴和少量的大滴，高层虽有冰相粒子但占比不高。这与该团队之前对2017年“5·7”极端降水事件的微物理特征分析结论一致，进一步强调了在华南沿海暖湿环境中，高效率的暖雨碰并过程是产生短时极端降水的重要微物理机制。

四、结论与意义

本研究通过对2020年5月22日粤港澳大湾区一次极端夜间降水事件的高分辨率、多角度剖析，得出核心结论：在强天气系统背景下，城市热岛效应通过放大局地热力对比，显著增强了冷池出流，进而调制了低层风场和风暴路径，使强对流移向并滞留在城市上空；而低层由强烈辐合和垂直风切变共同促发的中-γ尺度旋转，通过非线性动力过程（旋转降压）有效强化并维持了低层上升运动；结合高效率的暖雨微物理过程，最终共同导致了本次极端小时降水的发生。

该研究的科学价值在于：首先，它将城市下垫面影响（热岛）与中尺度对流动力学（旋转、冷池、垂直风切变）和微物理学进行了深度融合分析，提供了一个理解城市环境下极端降水生成机制的完整物理图像。其次，研究精细化地量化了不同动力项在垂直加速中的作用，明确了低层旋转的关键贡献，深化了对旋转相关动力在极端降水，特别是夜间稳定层结下极端降水中作用的认识。在应用价值上，该研究强调了在高分辨率数值预报模式中，准确表征城市热岛效应及其与冷池的相互作用、以及低层风切变和辐合结构的重要性，为改进华南沿海城市群的短临预报预警提供了具体的物理依据和诊断思路。

五、研究的亮点

1. 方法的先进性与综合性： 研究巧妙地将长期气候统计、高分辨率雷达资料同化（VDRAS）、偏振雷达微物理反演以及精细的动力/涡度收支诊断等多种方法融为一体，形成了从气候背景到个例机理的完整证据链。
2. 对“旋转”动力作用的精细量化： 不仅识别出低层中-γ尺度旋转的存在，更通过垂直动量收支方程分解，首次在该区域的案例中定量证明了非线性动力加速度（与旋转直接相关）在维持低层强上升运动中的关键作用。
3. 揭示了城市环境与中尺度系统互动的具体路径： 清晰阐释了“热岛增强温度梯度→强化特定方向冷池出流→改变低层辐合线与风暴路径→引导对流袭击城市”这一完整的动力链，超越了以往对城市热岛仅影响对流触发的简单认识。
4. 明确了华南沿海极端降水的微物理“指纹”： 再次通过双偏振雷达观测证实，活跃的暖雨过程是华南沿海城市极端短时强降水的一种代表性微物理特征，这对于利用偏振雷达进行实时监测和识别潜在极端降水具有指示意义。