华南两类强降水与低空急流的统计关系研究学术报告

作者及机构
本研究的通讯作者为Yu Du（邮箱：duyu7@mail.sysu.edu.cn），第一作者为Xiaoqing Li，两人均来自中山大学大气科学学院、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及教育部热带大气-海洋系统重点实验室。研究于2021年11月1日发表在《Journal of Climate》，标题为“Statistical Relationships Between Two Types of Heavy Rainfall and Low-Level Jets in South China”，DOI编号10.1175/JCLI-D-21-0121.1。

学术背景

科学领域与背景知识
华南前汛期（4-6月）强降水是影响该地区的主要气象灾害，占年降水量的50%。根据大尺度强迫的强弱，华南强降水可分为两类：暖区强降水（warm-sector heavy rainfall, WR）和锋面强降水（frontal heavy rainfall, FR）。WR多发生于沿海地区，与弱天气尺度强迫相关，具有突发性强、预报难度大的特点；FR则与冷锋或准静止锋等天气系统相关，主要出现在内陆区域。两类降水均与低空急流（low-level jets, LLJs）密切相关，但具体机制存在差异。

研究动机与目标
尽管已有案例研究探讨了LLJs对强降水的作用，但缺乏系统性统计分析。本研究旨在利用TRMM降水数据和ERA5再分析数据，定量揭示两类强降水与两类LLJs（边界层急流BLJ和天气系统相关低空急流SLLJ）的统计关系，重点解决以下问题：
1. 两类强降水与LLJs的时空分布、频率及相对位置的异同；
2. 不同区域（沿海与内陆）中LLJs如何调制降水。

研究流程与方法

1. 数据与研究方法
- 数据来源：
- TRMM 3B42V7降水数据（0.25°×0.25°，3小时间隔，1998-2019年前汛期）。
- ERA5再分析数据（0.25°×0.25°，37个气压层，时间分辨率1小时，协调为3小时间隔以匹配TRMM）。
- 强降水事件定义：3小时累积降水≥30 mm，排除热带系统（如台风）影响的事件。
- 分类方法：
- WR：距离锋面200 km以上或无锋面影响的强降水。
- FR：锋面200 km范围内的强降水。
- 通过假相当位温（θse）梯度和风切变确认锋面位置（图1示例）。

2. LLJs识别标准
- BLJ：950 hPa风速≥10 m/s，且核心风速大于850 hPa，风向为90°–270°（具南风分量）。
- SLLJ：850 hPa风速≥12 m/s，核心风速大于700 hPa，风向同上。

3. 统计与合成分析
- 计算LLJs与强降水的空间共现频率、相对位置（如急流出口区、左侧等）。
- 通过Welch’s t检验（90%置信水平）评估差异显著性。

主要结果

1. 两类强降水的特征对比
- 空间分布：WR集中于沿海（如广西防城港、广东阳江和汕尾），FR多见于内陆（如广西北部和广东中部）（图2）。
- 环境背景：WR期间850 hPa西南风更强，θse高值区北伸；FR则伴随锋面及冷暖气团交汇（图2c,d）。
- 日变化：WR峰值在凌晨（0500–1100 LST），与BLJ和陆风耦合导致的低层辐合相关；FR在内陆的日变化受地形和太阳辐射调制（图3）。

2. LLJs的关联性
- 发生频率：76%的WR和62%的FR事件与LLJs相关，其中47%的WR和32%的FR由双急流（BLJ+SLLJ）共同作用（图6）。
- 动力机制：
- BLJ通过夜间加速与陆风相互作用，增强沿海辐合（图5）；其出口区（51% WR）和SLLJ入口区（37% WR）是WR高发区（图13）。
- SLLJ左侧（59% FR）因正涡度利于FR发展（图13b），且其抬升作用与锋面协同增强内陆降水（图14b）。

3. 区域差异
- 沿海WR的强度与BLJ位置和强度密切相关（如北部湾和南海北部的BLJ核心）；内陆FR则受SLLJ西风分量和锋面位置影响（图12）。

结论与价值

科学意义
1. 首次系统统计了华南两类强降水与LLJs的定量关系，揭示了BLJ和SLLJ在不同降水类型中的差异化作用。
2. 明确了WR的凌晨峰值机制（BLJ-陆风耦合）及FR的锋面-SLLJ协同效应，为改进预报模型提供理论依据。

应用价值
1. 提升华南前汛期强降水的预报准确性，尤其是暖区突发性降水的预警能力。
2. 急流相对位置（如出口区、左侧）可作为降水落区诊断的参考指标。

研究亮点

1. 方法创新：结合高分辨率TRMM和ERA5数据，提出客观的WR/FR分类标准和LLJs识别方案。
   
2. 发现新颖性：揭示双急流（BLJ+SLLJ）对沿海WR的协同增强机制，以及SLLJ左侧对FR的优先触发作用。
   
3. 区域特异性：阐明了不同子区域（如防城港vs.汕尾）降水与急流结构的细微差异。
   

其他价值
研究还指出，未来需结合密集观测和高分辨率模拟进一步分析LLJs与地形、冷池等因子的相互作用。数据可通过TRMM（https://doi.org/10.5067/TRMM/TMPA/3H/7）和ERA5（https://cds.climate.copernicus.eu）公开获取。