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华南双低空急流与强降水的关系研究：第二部分（对流触发机制）分析

作者及机构
本研究由中山大学季风与环境研究中心的Yu Du和Guixing Chen合作完成，发表于《Monthly Weather Review》2019年2月刊（DOI: 10.1175/MWR-D-18-0102.1）。

学术背景
本研究属于中尺度气象学领域，重点关注中国南方沿海强降水的触发机制。以往研究表明，低空急流（Low-Level Jets, LLJs）与强降水密切相关，但双急流系统（边界层急流BLJ和天气尺度急流SLLJ）协同作用对对流触发（Convection Initiation, CI）的影响尚不明确。2014年5月10-11日华南沿海的极端降水事件为探究这一问题提供了典型案例。研究目的是阐明双急流如何通过多尺度动力-热力过程触发对流，并量化地形等因素的作用。

研究流程与方法
1. 数值模拟设计
- 使用WRF-ARW（Weather Research and Forecasting Model）中尺度模式，设置双层嵌套网格（外层12km，内层4km），垂直51层。
- 采用对流解析模拟（Convective-Permitting Simulation），内层关闭对流参数化方案，直接解析深对流。
- 初始场采用NCEP FNL数据，物理过程包括YSU边界层方案、Thompson微物理方案等。

1. 观测数据验证

   • 对比CMORPH卫星降水资料和广东气象雷达组网反射率数据，验证模拟的对流触发位置、时间和波状结构。
     
   • 分析探空数据（如位温、CAPE对流有效位能、CIN对流抑制能），验证环境场模拟准确性。
     

2. 双急流动态分析

   • 通过水平风场（950hPa和700hPa）识别BLJ（风速>15m/s，厚度<1km）和SLLJ（风速>14m/s，位于700-850hPa）。
     
   • 计算散度场量化急流入口区（divergence）和出口区（convergence）的耦合效应。
     

3. 地形敏感性实验

   • 设计“无地形”（NoTer）对照组，将沿海地形替换为海表，对比原实验（CTRL）的CI时间、强度和位置差异。
     

主要结果
1. 双急流的协同抬升机制
- BLJ夜间增强导致其北端（海岸线附近950hPa）出现强辐合（~3×10⁻⁴ s⁻¹），SLLJ入口区（700hPa）产生辐散（~2×10⁻⁴ s⁻¹），两者垂直耦合形成次级环流，驱动上升运动（速度达0.5m/s）。

1. 中层增湿与小尺度扰动

   • 700hPa水汽混合比在CI前2小时内增加20%（从8.4g/kg至10.2g/kg），源于双急流引发的垂直输送（平均输送通量qw=0.12g/kg·m/s）和对流波动扰动（q’w’贡献占比30%）。
     
   • 雷达观测到波长~20km的波状对流簇，模拟中再现了该结构，但方位角存在10°偏差。
     

2. 地形的作用

   • NoTer实验表明，无地形时CI延迟2小时且降水减弱15%，但双急流的动力耦合仍可触发对流，说明地形通过增强BLJ辐合（海岸摩擦效应）放大CI强度而非决定其发生。
     

结论与价值
1. 理论贡献
- 首次量化了双急流系统（BLJ+SLLJ）通过“低层辐合-中层辐散”垂直配置触发对流的机制，弥补了暖区暴雨远离锋面强迫时的预报理论空白。

1. 应用意义
   
   • 为提高华南沿海强降水预报提供关键指标：需同时监测边界层和天气尺度急流的时空配置。
     

研究亮点
1. 创新性提出双急流协同作用的“抬升-增湿”概念模型（图21）；
2. 结合4km对流解析模拟与雷达观测，揭示了中小尺度波动在对流触发中的调制作用；
3. 通过地形敏感性实验澄清了海岸地形的“放大器”角色。

其他发现
- 中层绝对不稳定层（Ri<0.25）和地转调整过程（Rossby数>0.5）可能是波状对流发展的能量来源，需进一步研究重力波的作用。