华南双低空急流相关强降水研究：基于集合预报的分析

一、研究团队与发表信息
本研究由中山大学季风与环境研究中心、大气科学学院及广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室的Yu Du和Guixing Chen共同完成，论文题为“Heavy rainfall associated with double low-level jets over southern China. Part I: Ensemble-based analysis”，发表于《Monthly Weather Review》2018年11月刊。

二、学术背景与研究目标
华南地区5-6月前汛期强降水常表现为两种类型：锋面强降水（与准静止锋相关）和暖区强降水（发生在锋面以南数百公里的暖区）。后者因缺乏明显的天气尺度边界（如锋面），预报难度显著高于前者。尽管已有研究指出低空急流（Low-Level Jets, LLJs）对两类降水的作用，但关于边界层急流（Boundary Layer Jet, BLJ）和天气系统相关低空急流（Synoptic-System-Related LLJ, SLLJ）对两类降水的差异影响机制尚不明确。本研究利用ECMWF（欧洲中期天气预报中心）的全球集合预报数据，结合观测资料，旨在阐明两类低空急流对华南强降水的调控机制，并评估其可预报性差异。

三、研究流程与方法
1. 数据来源与预处理
- 观测数据：采用CPC MORPHing技术（CMORPH）高分辨率降水数据（空间分辨率8 km，时间分辨率30分钟）及华南地区4633个地面雨量站数据。
- 集合预报数据：使用ECMWF的150个集合成员（3个初始化时间×50成员）的全球集合预报，水平分辨率50 km，垂直62层，重点关注6小时累积降水。
- 再分析数据：NCEP FNL（Final Operational Global Analysis）用于环流背景验证。

1. 事件选取与区域划分
   以2014年5月10-11日华南强降水事件为案例，划分两个降水核心区：

   • 内陆锋面雨带（紫色框）：与冷锋直接相关。
     
   • 沿海暖区雨带（黑色框）：距锋面数百公里，机制复杂。
     

2. 集合预报分析

   • 相关性分析：计算降水与低层风场（925 hPa、850 hPa、700 hPa）的线性相关系数，统计显著性阈值0.16（95%置信水平）。
     
   • 成员分类：根据降水预报准确性分为“优成员”（30个高降水预报成员）和“差成员”（30个低降水预报成员），对比其环流场差异。
     
   • 动力诊断：将风场分解为地转风和非地转风，分析BLJ的昼夜变化机制。
     

3. 统计与合成方法

   • 采用集合平均、均方根误差（RMSE）评估预报不确定性。
     
   • 通过合成分析揭示关键系统（如低涡、短波槽）对BLJ的调控作用。
     

四、主要研究结果
1. 降水可预报性差异
- 锋面降水：集合平均偏差小（12.8 mm vs. 观测12.9 mm），成员离散度低（RMSE=3.3），可预报性较高。
- 暖区降水：集合平均显著低估（10.9 mm vs. 观测15 mm），离散度大（RMSE=4.0），可预报性低。

1. 低空急流的作用机制

   • SLLJ（850-700 hPa）：与内陆锋面雨带强相关，尤其是其经向风分量。冷锋强度与SLLJ强度正相关，更强的西南急流向锋区输送暖湿空气，促进降水。
     
   • BLJ（925 hPa）：主导沿海暖区降水，其核心位于南海北部，夜间风速最大（可达16 m/s）。BLJ的变异主要受上游地面低压及高空短波槽影响，地表低压东南侧气压梯度增大可加速BLJ。
     

2. 动力过程解析

   • BLJ的昼夜变化：地转风午后最强（因海陆热力对比），夜间非地转风因惯性振荡（Blackadar机制）转向南风，两者叠加导致BLJ在凌晨达到峰值。
     
   • 敏感区定位：锋面降水的关键敏感区位于陆地上空（中低层），暖区降水的敏感区则集中在南海北部边界层。
     

五、结论与价值
1. 科学意义
- 首次通过集合预报定量区分了BLJ和SLLJ对华南两类强降水的差异影响，揭示了暖区降水低可预报性的根源（边界层过程及海洋观测不足）。
- 提出BLJ的“地转-非地转协同机制”，弥补了传统惯性振荡理论在复杂地形区的适用性局限。

1. 应用价值
   
   • 为改进暖区降水预报提供了明确靶点：需优化边界层参数化方案，并加强南海北部观测数据同化。
     
   • 研究结果可推广至其他季风区低空急流相关暴雨的机理分析。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：首次将ECMWF集合预报与高分辨率观测结合，构建“观测-预报-再分析”三位一体诊断框架。
2. 理论突破：阐明双急流的协同作用机制，提出SLLJ的“经向风主导假说”和BLJ的“上游低涡调控理论”。
3. 典型性：所选案例（2014年5月10-11日）为华南前汛期“双雨带”事件的代表性个例，结论具有普适性。

七、其他发现
- 沿海暖区降水的触发还与地形抬升（如华南海岸线）和冷池相互作用有关，这将在后续高分辨率模拟研究（Part II）中深入探讨。
- 集合敏感性分析表明，低层西南风水汽输送是华南降水的关键天气尺度因子，与Huang and Luo (2017)的结论一致。

（注：专业术语如“Blackadar机制”“地转风”等首次出现时标注英文，后续直接使用中文表述。）