华南地区海陆风日变化及其相关降水的研究

作者与机构
本研究由南京大学的Xingchao Chen、The Pennsylvania State University的Fuqing Zhang以及南京大学的Kun Zhao共同完成，并于2016年12月发表在*Journal of the Atmospheric Sciences*上。

学术背景
海陆风（land-sea breeze）是由陆地和海洋之间的昼夜温差驱动的局地环流现象，在全球沿海地区普遍存在。华南沿海地区在暖季（尤其是梅雨季节）是中国降水最多的区域之一，其降水日变化受复杂的地形、海陆对比和季风气流的影响。尽管已有研究通过雷达和卫星观测揭示了华南沿海降水的日变化特征，但其与海陆风环流的具体关系及物理机制仍需进一步探讨。本研究旨在通过高分辨率数值模拟，揭示华南沿海地区梅雨季节海陆风及其相关降水的日变化规律，并重点分析沿海地形、冷池动力学（cold pool dynamics）和潜热释放（latent heating）对海陆风及降水的影响。

研究流程
1. 模型与实验设计
- 使用WRF（Weather Research and Forecasting）模型进行高分辨率（4 km网格）数值模拟，覆盖华南沿海地区。
- 实验分为控制实验（cntl）和理想化实验（ideal），后者通过平滑海岸线和简化下垫面类型以减少复杂性。
- 初始和边界条件基于2007–2009年梅雨季节（5月11日至6月24日）的平均再分析数据，采用周期性边界条件以过滤大尺度天气变化，突出日变化信号。
- 设计了三个敏感性实验：
- half：地形高度减半，以研究沿海地形的影响；
- fakedry：关闭所有潜热加热和冷却过程；
- novap：仅关闭液态水蒸发的冷却效应，以研究冷池的作用。

1. 数据验证

   • 将模拟结果与广州雷达（GZRD）的3年观测数据、地面自动气象站（AWS）数据以及CMORPH卫星降水数据进行比较，验证模拟的准确性。
     

2. 分析方法

   • 通过水平风场、垂直环流、降水分布等参数分析海陆风的日变化特征。
     
   • 利用Hovmöller图和垂直剖面揭示海陆风环流的三维结构及其与降水的相互作用。
     

主要结果
1. 夜间离岸降水
- 模拟成功再现了观测中夜间沿海的离岸降水线，其由陆地风（land breeze）与低层季风气流（monsoonal wind）的辐合线触发。
- 沿海地形显著影响降水强度：地形较高的区域（如沿海山脉）因山地-平原环流（mountain-plain solenoid, MPS）与陆地风的叠加作用，夜间辐合更强，降水更剧烈（图10）。

1. 白天向岸降水

   • 白天，海风（sea breeze）向内陆推进，其前沿的抬升作用引发降水。
     
   • 沿海山脉会减缓海风的内陆传播速度，而冷池（由降水蒸发冷却形成）则加速其传播。
     
   • 潜热释放（latent heating）显著增强降水强度，而蒸发冷却（evaporative cooling）通过冷池动力学进一步影响海风的传播（图11-13）。
     

2. 地形与动力过程的相互作用

   • 敏感性实验表明，沿海地形通过MPS环流增强夜间离岸辐合，而冷池对海风传播的影响在平坦区域更为显著。
     

结论与意义
本研究通过高分辨率数值模拟，系统揭示了华南沿海梅雨季节海陆风及其相关降水的日变化机制，主要贡献包括：
1. 科学价值：阐明了沿海地形、冷池和潜热释放对海陆风环流及降水的调控作用，弥补了观测数据的局限性。
2. 应用价值：为华南沿海降水预报提供了物理机制支持，尤其是对夜间离岸降水和白天内陆降水传播的预测。

研究亮点
1. 创新方法：采用周期性边界条件的理想化实验设计，有效分离了日变化信号与大尺度天气干扰。
2. 重要发现：
- 沿海地形与陆地风的协同作用是夜间强降水的主要驱动；
- 冷池和潜热释放对海风传播及降水强度具有相反效应。

其他有价值内容
未来研究可进一步探讨低空急流（low-level jet）等大尺度环流对海陆风降水的影响，并提高模型分辨率以更好地解析弱强迫环流（如水平对流滚轴）。