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研究作者与机构

本研究的主要作者包括Qiqing Liu、Ang Zhou、Kun Zhao、Xin Xu和Hao Huang。他们分别来自南京大学中尺度灾害性天气教育部重点实验室、中国气象局雷达气象学重点实验室以及南京大学关键地球物质循环前沿科学中心。该研究发表于2025年的《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》期刊。

学术背景

本研究聚焦于2019年4月11日发生在华南地区的一次弓形回波（bow echo）事件中的强降雨（heavy rainfall, HR）过程。强降雨事件对生命和财产安全构成重大威胁，因此一直是气象学研究的热点。尽管过去几十年在机制探索和预测能力方面取得了显著进展，但由于气候背景的变化以及多尺度降水过程的复杂性，许多问题仍未解决。特别是近年来极端降水事件的频率增加，进一步凸显了深入研究的必要性。本研究旨在探讨弓形回波事件中两个不同强降雨阶段的微物理特征，并分析中尺度涡旋（mesoscale vortex, MV）对微物理过程的影响，尤其是其对冰相过程的增强作用。

研究流程

1. 数据与方法
   研究使用了广州雷达（GZRD）的观测数据，包括反射率因子（Zh）、差分反射率（Zdr）和比差分相位（Kdp）等极化雷达变量。数据通过变分多普勒雷达分析系统（VDras）进行处理，并结合ERA5再分析数据和香港站的探空观测数据。研究还利用了一种基于模糊逻辑的水凝物识别算法（Hydrometeor Identification, HID）来识别降水中的水凝物类型。

2. 案例概述
   研究分析了2019年4月11日发生在华南地区的一次弓形回波事件，该事件引发了两次强降雨过程。第一次降雨过程（HR1）主要由暖雨过程（warm-rain processes）主导，而第二次降雨过程（HR2）则与冰相过程（ice-phase processes）的增强密切相关。HR2导致了深圳市的严重洪涝灾害，造成11人死亡。

3. 微物理过程分析
   研究通过极化雷达数据分析了两个降雨阶段的微物理特征。HR1阶段的降水主要由碰撞-合并（collision-coalescence）和吸积（accretion）等暖雨过程主导，而HR2阶段则涉及更多的冰相过程，如冻结（freezing）、凇附（riming）和融化（melting）。研究还发现，HR2阶段的冰相过程增强与低层中尺度涡旋（MV）的发展密切相关。

4. 中尺度涡旋的动力学影响
   研究进一步探讨了中尺度涡旋对垂直速度的增强作用及其对微物理过程的影响。通过分析非线性动力学垂直扰动压力梯度力（NLD-VPPGF），研究发现MV通过增强垂直速度，将更多的水汽和过冷水提升到冻结层以上，从而促进了冰相过程的发展。

主要结果

1. HR1与HR2的微物理特征差异
   HR1阶段的降水主要由暖雨过程主导，其反射率因子（Zh）和差分反射率（Zdr）较高，表明存在大量大水滴。HR2阶段的降水则表现出更强的冰相过程，其Zh和Zdr的区域平均值更高，表明冰相粒子（如霰和冰雹）的生成更为活跃。

2. 中尺度涡旋对垂直速度的增强作用
   研究发现，MV通过非线性动力学垂直扰动压力梯度力（NLD-VPPGF）显著增强了垂直速度。这种增强作用在HR2阶段尤为明显，垂直速度峰值出现在MV强度达到峰值后约30分钟，并与HR2阶段的强降雨峰值时间一致。

3. 冰相过程对极端降雨的贡献
   HR2阶段的冰相过程通过融化作用生成了大量大水滴，从而显著提高了降雨率。研究还发现，冰相过程的增强与MV的发展密切相关，表明MV在极端降雨事件中扮演了重要角色。

结论

本研究通过分析弓形回波事件中的两个强降雨阶段，揭示了暖雨过程和冰相过程在不同阶段的贡献差异，并阐明了中尺度涡旋通过增强垂直速度对冰相过程的促进作用。研究结果表明，MV在极端降雨事件中具有重要的动力学和微物理效应，为理解极端降雨的形成机制提供了新的视角。

研究亮点

1. 重要发现
   研究首次系统分析了弓形回波事件中两个不同强降雨阶段的微物理特征，揭示了MV对冰相过程的增强作用及其对极端降雨的贡献。

2. 方法创新
   研究利用极化雷达数据和变分多普勒雷达分析系统（VDras）对微物理过程进行了高分辨率分析，提供了对极端降雨事件的深入理解。

3. 研究对象的特殊性
   本研究聚焦于华南地区的一次极端降雨事件，该事件导致了严重的洪涝灾害，具有重要的实际应用价值。

其他有价值的内容

研究还提出了未来研究的方向，包括通过数值模拟进一步量化MV和微物理过程的贡献，以及将MV效应纳入极端降雨的预测模型中，以提高预测精度。