类型a：学术研究报告

华南沿海暖季极端局地中尺度对流系统研究

作者及机构
本研究由Chenli Wang（南京大学大气科学学院；中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室；中国气象局雷达气象重点实验室）、Xingchao Chen（宾夕法尼亚大学气象与大气科学系及高级数据同化与预测技术中心）和Kun Zhao（南京大学大气科学学院）合作完成，成果发表于2025年1月23日的《Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society》（DOI: 10.1002/qj.4959）。

学术背景
华南沿海（South China Coast, SCC）是东亚暖季（5-9月）的降水中心，频繁遭受持续性暴雨影响。中尺度对流系统（Mesoscale Convective Systems, MCSs）是该区域主要的降水系统，贡献了约65%的暖季降水量。其中，局地生成的MCSs（尤其是近海岸线触发者）对极端降水事件具有关键作用。然而，针对这些极端MCSs的系统性研究仍存在空白。本研究基于20年卫星追踪数据集，首次揭示了极端MCSs的时空特征、环境控制机制及其对区域降水的贡献，旨在提升暴雨预报能力。

研究流程与方法
1. 数据来源与预处理
- 使用Feng等（2021）开发的全球0.1°×0.1°逐时MCS数据集（2001-2020年暖季），结合NOAA地球静止卫星红外亮温（TB）与GPM-IMERG降水数据识别MCSs。定义标准包括：生命周期>4小时、最大冷云面积>4×10⁴ km²、降水特征主轴长度>100 km等。
- 采用ERA5再分析数据（0.25°分辨率）分析动力/热力环境，包括925 hPa位势高度、比湿、对流有效位能（CAPE）等。
- 排除热带气旋（TCs）影响日期（573天），使用IBTrACS台风最佳路径数据集进行筛选。

1. 极端MCS定义与分类

   • 采用百分位阈值法（70th percentile）定义极端MCSs，筛选标准包括：有效降雨量、生命期、最大降雨面积、最大雨强及总降雨量五项指标均超过阈值。
     
   • 基于总降雨空间分布，将极端MCSs主观分为四类：陆地主型（20例）、海岸型（23例）、离岸型（51例）及其他型（10例）。

2. 环境场分析

   • 对比无MCS日（1987天）的气候背景场，计算非极端与极端MCS日的环境异常。
     
   • 重点分析MCS生成前3.5小时的925 hPa风场、水汽输送（moisture transport）及总柱水汽（TCWV）空间配置。

主要结果
1. MCS降水贡献与局地性特征
- SCC暖季降水中心与MCS高频区重合，沿海岸线日平均雨量>9 mm，其中MCS贡献占比达65%-70%（图1）。
- 局地生成MCSs（占总数23.2%）贡献了43%的MCS总降水，其初始位置集中于阳江附近海岸线（图2b），最大启动频率达17.2次/0.6°网格。

1. 极端MCS的演化特征

   • 极端MCSs（占局地MCSs的11.6%）生命期达32.4小时（非极端为14.7小时），最大降雨面积扩展速率高1.5倍（图5a）。
     
   • 离岸型极端MCSs的峰值雨强（53.56 mm/h）显著高于其他类型，其总降雨量中位数达8,965 mm·km²（图8d），主要归因于更高的平均雨强（3.53 vs 2.53 mm/h）。

2. 环境控制机制

   • 极端MCSs发展时，南海北部存在强低空位势高度梯度（异常±110 m），驱动0.12 m·kg·s⁻¹·kg⁻¹的西南风水汽输送（图6l），使沿海TCWV增加8.7 kg/m²。
     
   • 离岸型对应副热带高压（WPSH）南移（15°N），导致上游水汽输送减弱，但近岸辐合增强（图9h-i）；陆地主型则受WPSH西北脊影响，水汽辐合中心偏北（图11a-c）。

结论与价值
本研究首次系统揭示了华南沿海极端MCSs的多尺度调控机制：
1. 科学价值：阐明低空位势高度梯度通过调制水汽输送辐合，决定极端MCSs的降雨空间分型，为“海-陆-地形”相互作用理论提供实证。
2. 应用价值：离岸型MCSs的高雨强特性（占极端事件49%）提示需加强夜间至清晨的海洋监测，改进数值模式中边界层过程的参数化。

研究亮点
1. 创新性地采用百分位多指标阈值法定义极端MCSs，克服了传统个例研究的局限性。
2. 揭示WPSH经向位置差异通过改变低空急流轴，调控水汽辐合中心位移（图10），这一发现被用于解释2021年郑州“7·20”暴雨的类似机制（Zhang et al. 2022）。
3. 开发的MCS客观分类流程可推广至全球季风区极端降水研究。

其他发现
深垂直风切变（deep-layer wind shear）在极端MCSs中呈现正异常（+2 m/s），与非极端事件的负异常（-1.4 m/s）形成对比（图6o），暗示其对组织化对流的维持作用需进一步验证。