类型a：学术研究报告

作者及发表信息

本研究由中山大学大气科学学院的Yuhan Luo和Yu Du*（通讯作者）及其合作团队完成，研究机构包括中山大学、南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）、广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室以及教育部热带大气-海洋系统重点实验室。论文题为《The roles of low-level jets in “21·7” Henan extremely persistent heavy rainfall event》，于2023年3月发表在《Advances in Atmospheric Sciences》（《大气科学进展》）期刊上，DOI为https://doi.org/10.1007/s00376-022-2026-1。

学术背景

本研究聚焦气象学领域，尤其是极端持续性降水事件的动力学机制。2021年7月17日至22日，中国河南省遭遇了极端持续性暴雨（简称“21·7”事件），6天累积降水量超过1000毫米，远超当地年均降水量，造成严重灾害。尽管已有研究讨论了地形、中尺度对流系统等因素的作用，但对低空急流（Low-Level Jets, LLJs）在这一事件中的动态与热力学效应缺乏系统分析。低空急流通常分为边界层急流（Boundary-Layer Jets, BLJs）和天气系统相关急流（Synoptic-Weather-System-Related LLJs, SLLJs），二者通过输送水汽和驱动垂直运动影响降水。本研究的核心目标是阐明LLJs的维持机制及其与降水时空变化的关联，具体问题包括：（1）LLJs的方向与强度变化如何调控降水的强度和位置；（2）LLJs的持续性机制。

研究流程与方法

数据与预处理

研究使用了两类数据：
1. 地面观测数据：中国中北部约21,763个站点的小时降水数据，通过自然邻域插值法转化为0.1°×0.1°网格数据。
2. 再分析数据：欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5和MERRA-2数据集，水平分辨率分别为0.25°和0.5°，用于分析LLJs的三维结构及其环境场。
为验证再分析数据的可靠性，作者对比了ERA5、MERRA-2与探空站（如徐州、阜阳、郑州）的风速和风向垂直廓线，结果显示再分析数据与观测吻合良好（风速偏差<1.5 m/s，风向偏差<15°）。

LLJs的定义与分类

• LLJs定义：700 hPa以下风速最大值超过10 m/s，且向上600 hPa范围内风速减小至少3 m/s。
  
• BLJs：急流核心位于900 hPa以下，具有显著昼夜变化。
  
• SLLJs：急流核心位于850–700 hPa，受天气系统（如低涡、副热带高压）驱动。
  

动力学与热力学分析

1. 动态效应：通过计算垂直速度、散度场和涡度场，量化LLJs驱动的低层辐合与上升运动。
   
2. 热力学效应：利用比湿、相当位温（θₑ）和对流有效位能（CAPE）分析水汽输送和不稳定能量分布。
   
3. 动量收支分析：基于方程（4）的动量收支分解，评估压力梯度力（PGF）、科氏力（CF）和摩擦力的相对贡献。
   

数值模型应用

采用Du-Rotunno一维模型，分离并量化Blackadar机制（边界层惯性振荡）和Holton机制（地形热力强迫）对BLJs昼夜变化的贡献。模型输入包括压力梯度力的日变化（基于MERRA-2数据）和摩擦系数。

主要结果

LLJs与降水的时空关联

1. 方向变化与降水南移：17–19日，BLJs由东南风转为东风，降水随之南移至35°N；20–21日BLJs增强且垂直扩展为双层急流（BLJs+ SLLJs），降水在郑州附近达到峰值（图2）。
   
2. 极端性统计：20–21日，950 hPa东南风分量和BLJs覆盖范围均超过历史7月数据的99%分位数（图7），水汽通量达20 kg m⁻² s⁻¹，来自台风”烟花”（In-Fa）的流出气流。
   

动力学效应

1. BLJs的地形强迫：BLJs在太行山迎风坡触发强辐合（<-5×10⁻⁵ s⁻¹）和上升运动（>4 cm/s），20日辐合区扩展至整个河南（图8d）。
   
2. 双层急流的协同作用：20日，SLLJs的低涡左侧正涡度与BLJs的辐合共同增强垂直运动（图9g）；21日，SLLJs入口区的中层辐散（>12×10⁻⁵ s⁻¹）与BLJs的底层辐合耦合，维持强上升支（图9h）。
   

热力学效应

1. 水汽输送：垂直积分的水平水汽通量（VIMFC）显示，台风”烟花”是主要水汽源，其西北象限的强流出气流（>500 g m⁻¹ s⁻¹）通过LLJs输送至河南（图10a）。
   
2. 不稳定能量：950 hPa的θₑ夜间峰值（>349 K）与BLJs的夜间强化同步（图11c），CAPE值（>2400 J kg⁻¹）在降水区下游释放（图11b）。
   

LLJs的维持机制

1. SLLJs与低涡的协同：SLLJs始终位于低涡东侧，二者强度正相关（图13b）。副热带高压（WPSH）西伸增强气压梯度，使SLLJs在20日达12 m/s（图12d）。
   
2. BLJs的昼夜 cycle：动量收支显示，持续性PGF（-2 m s⁻¹ h⁻¹）维持了BLJs的天气尺度背景；Du-Rotunno模型表明，Blackadar机制（惯性振荡）和Holton机制（地形热力环流）共同导致BLJs夜间峰值（图18）。
   

结论与价值

本研究揭示了”21·7”河南极端暴雨中LLJs的多尺度作用：
1. 科学价值：首次阐明双层急流（BLJs+SLLJs）的动态配置如何通过低层辐合-中层辐散耦合增强降水；揭示了地形与热力强迫对BLJs昼夜变化的联合调控。
2. 应用价值：成果可为极端降水预报提供物理依据，尤其是低空急流与地形相互作用的定量指标（如弗劳德数时的阻塞效应）。

亮点

1. 创新发现：提出”南-北降水偏移与边界层急流方向变化同步”的概念模型（图S1）；发现20–21日双层急流的不同动力配置（低-中层辐合 vs. 低层辐合-中层辐散）。
   
2. 方法创新：结合ERA5/MERRA-2多源再分析数据与Du-Rotunno模型，分离了BLJs的天气尺度强迫与局地昼夜过程。
   

延伸讨论

1. 台风远程效应：除”烟花”外，台风”查帕卡”（Cempaka）对水汽输送的贡献较弱，但二者与WPSH的相互作用可能调制LLJs的持续性（图3a–c）。
   
2. 数据局限性：ERA5在1700 LST（北京时）存在人工突变，需结合MERRA-2校验昼夜 cycle（图15a）。