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中国暖区暴雨研究综述

期刊:advances in atmospheric sciencesDOI:10.1007/s00376-019-9021-1

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关于《中国暖区暴雨研究综述》的学术报告

本文题为《A review of research on warm-sector heavy rainfall in China》,由孙建华*1,2、张元春1、刘瑞霞3、傅慎明1、田付友4共同撰写。作者单位包括:1. 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室(北京 100029);2. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心(南京 210044);3. 北京市气象台(北京 100089);4. 中国气象局国家气象中心(北京 100081)。该综述发表于《Advances in Atmospheric Sciences》期刊2019年12月第36卷第12期(第1299-1307页)。

本文系统回顾了中国暖区暴雨(Warm-Sector Heavy Rainfall, WSHR)研究的主要进展,并展望了未来的研究方向。暖区暴雨是一种发生在锋面暖区、距离地面锋面约200-300公里,或位于西南风与东南风汇合区,甚至无风切变的西南气流中,且不受台风等热带系统直接影响的一种特殊强降雨类型。其特点是降水强度大、局地性强、突发性高,常导致严重洪涝灾害,且数值模式预报和主观预报难度大,具有重要的科研与业务应用价值。

论文主要观点阐述如下:

第一,明确了暖区暴雨的定义并建立了客观识别标准。 早期研究基于华南地区的天气实践定义了暖区暴雨,但缺乏客观的识别判据。Liu等人(2019)基于34年华南强降水数据集,提出了量化的识别标准:1)在垂直剖面上无锋面系统出现,降水区受对流层中低层南风影响,且距离地面北风超过200公里;或2)当垂直剖面上出现锋面系统时,降水与锋面的距离需大于200公里。应用此标准,他们在1982-2015年间共识别出177次暖区暴雨过程,约占所选强降水事件的16.86%。研究发现,暖区暴雨主要发生在4月至9月,峰值在6月(前汛期),与早期研究一致。空间分布上,广东和广西是主要发生地,且沿海地区的发生频率和降水强度普遍高于内陆,广东沿海的降水强度为四个主要区域中最强。

第二,系统归纳了华南暖区暴雨的天气型分类及其环境特征。 基于业务预报经验和大量个例研究,暖区暴雨的天气形势主要可归纳为四类:切变线型、低涡型、南风型和回流型。统计显示,切变线型和低涡型暴雨主要集中于6月和7月;南风型在4月至7月发生频率相近;回流型则主要出现在4月至5月中旬。不同的天气型影响华南的不同区域,例如低涡型主要影响广西沿海,而回流型则常出现在春季的广东珠江三角洲沿海地区。这些天气型为暖区暴雨的发生提供了有利的大尺度环流背景,通常伴随着高的对流有效位能(CAPE,大于800 J kg⁻¹)、充沛的水汽和深厚的对流不稳定层结。其中,低涡型的CAPE最强,而回流型最弱,可能与回流型多发生在动力强迫作用更强的春季有关。

第三,深入探讨了暖区暴雨的中尺度对流系统及其触发机制。 暖区暴雨通常由中尺度对流系统(MCSs)产生,其触发机制是预报难点和关键科学问题。触发机制主要可分为两类:1)非均匀下垫面的影响,如地形和/或海陆对比引起的波动或抬升效应;2)大气扰动不稳定性、密度流和重力波等。华南地形复杂,北高南低,山脉、丘陵和曲折海岸线交错,地形阻挡、抬升作用以及沿海丰富的水汽使得触发机制非常复杂。研究表明,沿海地区的海陆风环流及其与地形的相互作用对暖区暴雨的触发和增强有重要影响,降水具有显著的日变化特征。此外,低空急流(LLJ)或边界层急流(BLJ)及其耦合、边界层内的中尺度辐合线以及其他扰动(如由降水产生的冷池、中尺度出流边界)也被证实对暖区对流的触发和维持有关键作用。然而,由于暖区暴雨通常不受明显天气尺度强迫和/或冷空气直接影响,其数值模式可预报性较低,初始场中水汽输送和湿度的误差对对流系统的可预报性有巨大影响。

第四,概述了中国其他地区(华南以外)暖区暴雨的研究现状。 近年来观测发现,暖区暴雨不仅发生在华南,也出现在长江中下游、江淮乃至华北等夏季降水集中区。例如,2012年7月21日北京极端暴雨事件中就包含暖区降水和锋面降水。在长江以南地区,暖区暴雨常发生在距离地面冷锋或850 hPa暖式切变线约100-300公里、西太平洋副热带高压边缘的环境中,其强降水中心分散,多出现在山区、山-平原交界处及湖泊边界。在华北地区,有研究指出条件性对称不稳定可能是平行暖区雨带形成的原因。总体而言,对这些地区暖区暴雨的时空特征、触发和维持机制的认识仍存在不足,给业务预报带来了很大困难。

第五,总结现有研究不足并提出了未来三大研究方向。 尽管对华南暖区暴雨已进行了数十年的系统研究,但由于其强度大、局地性强和微-中尺度特征明显,数值模式和主观预报仍面临挑战。未来需在以下三方面加强研究:1)深化机理认识:需要厘清环境条件、地形、海陆对比、边界层急流和低空急流等多种因素在暖区暴雨触发和发展中的具体作用及其在不同天气背景下的相互影响,从而更好地理解对流的触发、维持和组织机制。2)拓展研究区域:需利用高时空分辨率资料,分析长江-淮河流域和华北等地区暖区暴雨的分布和环境条件,比较不同区域暖区暴雨触发和维持机制的异同。3)改进数值预报:需基于多源观测资料,加深对暖区暴雨机制的理解,并改进数值模式的初始条件和物理过程,特别是对流触发过程的描述和微物理参数化方案,以提高其数值预报能力。

本文的意义与价值: 这篇综述首次系统性地梳理了中国暖区暴雨研究的历史脉络、主要成果和关键科学问题,具有重要的承上启下作用。它不仅为气象科研人员,特别是青年学者和研究生,提供了全面而清晰的研究背景和知识框架,指明了该领域当前的认识边界和核心挑战;同时也为业务预报人员深化对暖区暴雨天气概念模型的理解提供了理论支撑。文章提出的未来三个研究方向,紧扣业务预报的迫切需求和学科发展的前沿,对推动中国暖区暴雨的机理研究、观测实验设计和数值预报技术发展具有明确的指导意义。通过总结已有经验并指出未来路径,该文有助于凝聚科研共识,引导研究资源投向关键科学问题,最终服务于提升对暖区暴雨这类高影响、低可预报性天气的监测预警能力。

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