华南暖区暴雨及其WRF模拟评估：基于低空急流的视角

作者及机构
本研究的通讯作者为北京大学物理学院大气与海洋科学系气候与海气研究实验室的张沐荣（Murong Zhang）和孟智勇（Zhiyong Meng），论文于2019年12月发表在《Monthly Weather Review》期刊上。

学术背景
华南前汛期（4-6月）是东亚夏季风早期的重要降水阶段，其降水量约占华南年降水量的50%。暖区暴雨（warm-sector heavy rainfall）是这一时期的典型天气现象，指发生在锋面以南数百公里或无锋面环境中的强降水，具有突发性强、预报难度大的特点。此类降水与低空急流（Low-Level Jet, LLJ）密切相关，但两者关系的系统性研究仍较缺乏。同时，区域高分辨率WRF模式对暖区暴雨的预报能力尚未充分评估。本研究基于2013-2014年华南45次暖区暴雨事件，从LLJ视角分析其气候特征，并评估WRF模式的降水预报技巧，旨在揭示LLJ与暖区暴雨的关系及模式预报的局限性。

研究流程与方法
1. 数据与暴雨事件筛选
- 观测数据：使用广东省气象局的1394个自动雨量站逐小时降水数据，空间插值为0.1°×0.1°网格；结合中国气象局（CMA）天气图与NCEP GFS分析数据（0.5°分辨率）识别天气系统。
- 筛选标准：
- 6小时累积降水≥50 mm，且连续降水区域至少50 km；
- 降水中心距锋面≥200 km，排除冷空气南下或热带气旋影响的个例；
- 根据LLJ定义（风速≥10 m/s，垂直风速递减≥3 m/s）将事件分为LLJ型（64%）与非LLJ型（36%）。

1. LLJ分类与复合分析

   • LLJ分型：根据高度分为边界层急流（BLJ, ≤900 hPa）和天气系统相关急流（SLLJ, >900 hPa），进一步细分双急流型（DLLJ, 21例）、纯SLLJ型（6例）和纯BLJ型（2例）。
     
   • 复合分析：对LLJ型与非LLJ型事件的低层风场、水汽通量、对流有效位能（CAPE）等进行合成，对比其动力与热力差异。
     

2. WRF模式模拟与评估

   • 模式配置：采用WRF-ARW v3.9.1.1，三重嵌套网格（27 km、9 km、3 km），使用WSM5微物理方案、YSU边界层方案，无积云参数化。
     
   • 验证方法：
     
     • 定量降水预报（QPF）技巧：采用公平威胁评分（ETS）和偏差评分（BS），结合邻域验证（半径0.5°）降低位移误差影响；
       
     • LLJ预报评估：通过风速ETS和平均误差（ME）分析模式对LLJ位置与强度的捕捉能力。
       

主要结果
1. 暖区暴雨的气候特征
- LLJ型降水：沿海地区降水强度显著高于内陆，与925 hPa BLJ的终端辐合相关。复合分析显示，LLJ型事件中800 hPa急流核心位于粤西，925 hPa存在北部湾和南海双急流，沿海辐合中心（~1.8×10⁻⁵ s⁻¹）与强降水区吻合。
- 非LLJ型降水：降水分布均匀，可能与海陆风日变化有关。
- 日变化：LLJ型降水在凌晨（0200-0800 LST）频次更高，与非LLJ型的午后峰值（1400-2000 LST）形成对比。

1. WRF模拟的局限性
   
   • 降水低估：LLJ型沿海降水被严重低估（ETSr=5在50 mm阈值下接近0），而非LLJ型内陆降水模拟较好。
     
   • LLJ预报偏差：
     
     • 925 hPa急流北偏：模式高估南海急流在内陆的延伸（ME达+1.18 m/s），削弱沿海辐合；
       
     • 800 hPa急流强度偏低（ME约-0.5 m/s）。
       
   • 关键关联：925 hPa风场预报准确性与QPF技巧显著相关（Spearman秩相关系数>0.3），表明BLJ的模拟误差是降水低估的主因。
     

结论与意义
1. 科学价值：
- 首次系统揭示了华南暖区暴雨与LLJ的统计关系，提出DLLJ型（双急流共存）为最主要类型，其沿海降水机制与925 hPa急流终端辐合直接相关。
- 明确了WRF模式对暖区暴雨的预报瓶颈：边界层风场偏差（如925 hPa急流北偏）通过削弱沿海辐合导致降水低估，为模式改进提供靶点。

1. 应用价值：
   
   • 预报实践中需重点关注925 hPa急流的位置与强度，同化风场观测（如风廓线雷达）可能提升QPF技巧；
     
   • 研究指出的“低层风-辐合-降水”链可为其他季风区暴雨机制研究提供参考。
     

研究亮点
1. 多尺度分析框架：将气候统计（45例事件）、天气尺度合成分析与高分辨率模拟验证结合，全面解析了暖区暴雨的LLJ影响机制。
2. 创新性方法：采用邻域验证（ETSr=5）降低对流降水空间位移的惩罚，更客观评估WRF技巧。
3. 关键发现：提出925 hPa急流预报准确性对降水技巧的支配作用，突破了以往仅关注水汽输送的局限。

其他有价值内容
- 研究揭示了BLJ的日变化（凌晨增强）与沿海降水的关系，建议预报员关注夜间至清晨时段的急流演变；
- 模式对CAPE的高估未能弥补动力条件的不足，表明暖区暴雨的触发更依赖动力强迫而非热力不稳定。