本文属于类型a，即单一原创研究的学术论文。以下是根据该文档内容生成的学术报告：

华南沿海暖区极端强降水边界层非地转风辐合机制研究

作者与发表信息

本研究由国防科技大学气象海洋学院的夏凡（Fan Xia）、黄小刚（Xiaogang Huang）、费建芳（Jianfang Fei）、王举（Ju Wang）、程小平（Xiaoping Cheng）以及中国人民解放军93886部队的张驰（Chi Zhang）共同完成。通讯作者为黄小刚和费建芳。该论文于2023年发表于《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》第128卷，文章编号为e2022JD038472，DOI为10.1029/2022JD038472。

学术背景

华南是中国雨季（4月至6月）的强降水中心之一，其降水量占全年总量的40%至60%，同时也是气象灾害高发区。华南前汛期强降水按照天气尺度强迫的强弱可分为暖区强降水（warm-sector heavy rainfall，WSHR）和锋面强降水两类。暖区强降水通常发生在地面锋前200公里以外的区域，或发生在弱天气尺度强迫环境下，具有强度更大、空间更集中、突发性更强和可预报性更低的特点。广东沿海是暖区强降水的主要发生区域。

已有研究表明，华南76%的暖区强降水事件与低空急流（low-level jets，LLJs）有关，其中沿海暖区强降水更多地与925 hPa的边界层急流（boundary layer jets，BLJs）密切相关。边界层急流具有显著的昼夜变化特征，其机制主要可用Blackadar机制（边界层摩擦昼夜变化引起的惯性振荡）和Holton机制（地形热力强迫引起的压力梯度力昼夜变化）来解释。Huang等人（2022）将华南沿海极端持续性强降水（extreme persistent heavy rainfall，EPHR）事件中950 hPa非地转风的辐合模态分为对峙型辐合（confrontational confluence）和渐近型辐合（asymptotic confluence）两类，发现对峙型辐合对应的边界层急流更强、降水强度更大、持续时间更长、降水范围更广，但并未揭示非地转风及其强辐合的形成机制。

本研究旨在回答以下科学问题：影响非地转风的主要因素有哪些？华南沿海暖区强降水过程中边界层非地转风强辐合的物理机制是什么？西南海洋边界层急流和海陆热力强迫是否以及如何影响非地转风及其辐合？

研究流程

本研究的工作流程包括以下几个步骤：

第一步，客观天气分型。作者利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第五代再分析资料（ERA5）的925 hPa位势高度场，采用T模态斜交旋转主成分分析（obliquely rotated principal component analysis in T mode，PCT）方法，对Huang等人（2022）所识别的65个极端持续性强降水个例进行客观天气学分型。结果显示，前三种典型天气型占总个例的93.8%，其中第一型（Pattern 1）出现频率最高，其特点为研究区域受西南气流影响而位势梯度指向东南方向。作者将研究重点聚焦于第一型的个例。

第二步，典型个例选取。在属于第一型的30个个例中，14个为渐近型辐合、8个为对峙型辐合。作者根据降水强度和分布、925 hPa位势高度场、海洋边界层急流以及925 hPa非地转风场四个方面的相似性标准，选取了2013年5月21至22日的暖区强降水事件作为对峙型辐合个例（Case 1），并选取2015年5月17日的事件作为渐近型辐合个例（Case 2）。

第三步，数据与方法。降水分析采用中国气象数据服务中心（CMDC）提供的逐小时台站-卫星融合降水产品，水平分辨率为0.1°×0.1°。环流环境分析和风场诊断则使用ERA5逐小时再分析资料，水平分辨率为0.25°×0.25°。非地转风的分离通过Barnes低通滤波方法实现，设置参数g=0.3、c=30,000，以滤除500公里以下的波动并保留1000公里以上的地转运动。

第四步，非地转风诊断方程的推导与计算。作者从p坐标系中的水平动量方程出发，将总风分解为地转风和非地转风两部分，推导出非地转风的诊断方程。方程右侧包含五个项：局地变化项（local tendency，LT，表示总风的局地倾向）、惯性平流项（inertial advection，IA，表示总风平流引起的非地转分量）、斜压效应项（baroclinic effects，BE，表示温度梯度与垂直运动共同作用引起的非地转分量）、边界层摩擦项（boundary layer friction，BLF）以及非地转风垂直输送项。其中第五项经计算可忽略，本文主要关注前四项。由于BLF项没有直接的计算公式，作者先利用再分析资料计算LT、IA、BE三项及垂直输送项，然后将BLF项作为动量方程的残差项反算得到。计算中利用900 hPa和950 hPa的资料来获取925 hPa处的垂直变化。

第五步，二维线性水平动量方程模型。为了探讨边界层风昼夜变化的机制，作者在Du和Rotunno（2014）一维线性模型的基础上，建立了同时考虑纬向和经向风与气压梯度力的二维模型。模型中的摩擦系数α具有昼夜变化特征，在地方时13时达到最大、01时达到最小。利用ERA5逐小时再分析资料计算动量方程中的各项倾向，获取逐小时的摩擦系数。通过单独引入Blackadar机制或Holton机制进行敏感性模拟，以分析两种机制对边界层急流昼夜变化的相对贡献。

主要结果

第一，天气尺度环境方面。两个个例均受中低层槽影响，但Case 1的500 hPa槽更深，西太平洋副热带高压延伸至南海，广东处于槽与副高之间，西南急流更强；Case 2仅有广西东部的短波槽，西南气流较弱。两个个例在850 hPa和925 hPa的位势高度场分布相似，均无明显锋面影响，但Case 1的925 hPa边界层急流范围更大、强度更强，急流轴风速普遍超过12 m/s，而Case 2的急流主要局限于珠江口以南区域。

第二，辐合与垂直运动方面。Case 1在广东沿海存在强辐合带，水平散度在2013年5月22日07时地方时达到最小值，且其最小值的绝对值远大于Case 2，表明Case 1的辐合范围更广、强度更强。垂直运动分析显示，Case 1中许多格点的最大垂直速度出现在700 hPa，最大值超过0.3 m/s，而Case 2的最大垂直速度不超过0.2 m/s。强辐合导致了更强的上升运动和更重的降水。

第三，非地转风空间分布与昼夜变化。诊断结果表明，两个个例中陆地上（第一和第二象限）的非地转风主要为东北风或东风，风向昼夜变化不明显。差异主要集中在海洋上的第三和第四象限。Case 1中海上非地转风在入夜后呈现明显的顺时针旋转趋势，从降水发展期的东南风转为成熟期的西南风，与陆地上的东北风形成对峙型辐合，角度在03—15时地方时期间大多超过120°，在09时和12时甚至接近180°，对应着最强的降水时段。Case 2中海上非地转风的风向变化不明显，主要维持东南风，与陆上东北风之间的夹角小于120°，形成渐近型辐合。

第四，诊断方程各项的贡献。在陆地上，两个个例中BLF项均主导了东北和东风的非地转风分量，LT项贡献了一定的昼夜变化，但风速较弱。在海上，Case 1中LT项的贡献很强，其风向在入夜后呈现显著的顺时针旋转，与总非地转风的变化一致；IA项在第三象限贡献了南风和西风分量，对总非地转风有正贡献；BE项较弱，主要为南风；BLF项与LT项相当。Case 2中海上LT项和BLF项的贡献相当，但均弱于Case 1，且LT项的昼夜变化不如Case 1显著；IA和BE项均可忽略。因此，Case 1中对峙型辐合的形成主要归因于海上LT项（即边界层急流的昼夜变化）的强贡献，而Case 2中海上LT项只能贡献东南风非地转风，因而形成渐近型辐合。

第五，边界层急流昼夜变化的机制差异。二维模型结果表明，Case 1中纯Blackadar机制能很好地模拟两个方向上的风速昼夜循环，入夜后边界层解耦现象明显，说明Case 1中边界层急流的昼夜变化主要受Blackadar机制（惯性振荡）控制，使得经向风分量在凌晨达到最大值。Case 2中边界层夜间解耦不显著，纯Holton机制的模拟结果更接近实况，说明Case 2中边界层急流的昼夜变化主要受Holton机制（海陆热力强迫）控制，经向风分量在午后至傍晚达到峰值。两米温度分析进一步验证，Case 1中强降水期间海陆温差平均值达4.58 K，而Case 2仅为2.56 K，说明Case 2中海陆热力对比对边界层急流昼夜变化的相对贡献更大。

第六，IA、BE和BLF项的机制。IA项与总风速度及其梯度成正比，Case 1中第三象限大部分位于急流核内，流线曲率和风速沿流线变化的差异使得该区域产生西风和西北风的非地转风分量；Case 2中急流范围较小，第三象限多位于急流轴东南侧，导致IA项的贡献较弱。BE项与等压面上的温度梯度和垂直速度有关，华南沿海5月温度普遍较高，温度梯度较小，大气斜压性不显著，因此该项贡献有限。BLF项在陆地上主要受地表摩擦和边界层湍流摩擦控制，由于总风在陆地上几乎为南风和东南风，摩擦引起的非地转风分量为东风和东北风。

结论与意义

本研究的主要结论如下：海陆对比导致了华南沿海暖区极端强降水区非地转风的强辐合。陆地上边界层摩擦主导了东北向非地转风，而海洋上边界层急流的昼夜变化主导了非地转风及其昼夜变化。边界层急流昼夜变化可贡献西南或东南向非地转风，海陆之间的非地转风相位差分别形成对峙型或渐近型辐合。不同强度、范围和昼夜变化特征的边界层急流可导致不同的非地转风型态及其辐合方式。海陆热力对比既可以直接影响非地转风，也可以通过改变边界层急流的昼夜变化间接影响非地转风及其辐合方式。

本研究的科学价值在于：首次利用诊断方程定量揭示了华南沿海暖区强降水中非地转风各组成项的物理来源和相对贡献，明确了边界层摩擦、局地风场演变、惯性平流和斜压效应等因子在非地转风形成中的不同作用；同时阐明了边界层急流通过影响非地转风进而调制低层辐合强度的物理机制。在应用价值方面，该研究加深了对华南沿海暖区强降水触发机制的理解，为改进此类极端降水的预报和预警提供了理论依据。研究结果强调了边界层急流和海陆热力强迫在暖区强降水过程中的重要性，这对于提高暖区强降水的预报准确率具有重要意义。

研究亮点

本研究的亮点包括：第一，建立了适用于边界层和有摩擦条件下的非地转风诊断方程，突破了传统准地转近似在华南沿海暖区强降水中的不适用性限制；第二，通过Barnes滤波与残差法相结合的方式，实现了对边界层摩擦项的非直接求解；第三，发展了二维线性水平动量方程模型，能够在同一框架下分别和联合检验Blackadar机制与Holton机制对边界层急流昼夜变化的贡献；第四，揭示了不同辐合型态（对峙型与渐近型）背后不同的动力与热力控制机制，为理解暖区强降水的强度差异提供了物理解释。