暴雨中尺度過程研究進展

趙玉春

（中國氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點實驗室，武漢 430074）

暴雨中尺度過程研究進展

趙玉春

（中國氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點實驗室，武漢 430074）

對暴雨中尺度過程的幾個重要方面進行了簡要回顧，主要包括：（1）暴雨對流系統(tǒng)的組織特征和分類，以及不同組織類型對流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其形成機制，尤其是新對流單體再生和層狀降水形成的原因；（2）暴雨對流系統(tǒng)的啟動機制、組織和維持機理；（3）地形對暴雨對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展和降水效率的影響及其內(nèi)在的物理機制，線性理論的局限性以及地形影響的復(fù)雜性和非線性；（4）暴雨對流系統(tǒng)的日變化特征、區(qū)域性差異及其不同的形成機制等。最后對有待深入研究的主要科學(xué)問題進行了簡要的討論。

暴雨，對流，地形，日變化

1 引言

目前,我國乃至世界各國氣象預(yù)報中心的暴雨業(yè)務(wù)預(yù)報水平仍比較低,遠不能滿足暴雨洪澇防災(zāi)減災(zāi)的需求。數(shù)值模式的定時、定點和定量預(yù)報水平在很大程度上決定了暴雨業(yè)務(wù)預(yù)報水平,而目前數(shù)值模式(無論是全球模式還是區(qū)域模式)對暴雨,尤其是對流暴雨的定時、定點和定量的預(yù)報能力有限,歸根結(jié)底是因為數(shù)值模式還不能較為準確地預(yù)報出引發(fā)暴雨的中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展過程。數(shù)值模式要準確地預(yù)報出對流暴雨,必須準確地預(yù)報出暴雨中尺度對流系統(tǒng)的啟動、組織、發(fā)展和維持等過程。然而,由于大氣運動的復(fù)雜性和非線性,暴雨對流系統(tǒng)的多尺度特征,加之復(fù)雜地形和具有日變化的大氣輻射過程的影響,暴雨中尺度對流系統(tǒng)的啟動、組織、發(fā)展和維持等物理機制極為復(fù)雜,氣象學(xué)家們對暴雨中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展物理機制上的認識還遠不能滿足數(shù)值預(yù)報模式發(fā)展的需要,即數(shù)值預(yù)報模式還不能準確科學(xué)地刻畫出暴雨中尺度對流系統(tǒng)的啟動、組織、發(fā)展和維持等復(fù)雜的物理過程。因此,有必要加深暴雨中尺度過程研究。暴雨中尺度過程涉及暴雨中尺度對流系統(tǒng)的啟動、組織、發(fā)展、維持和消亡等過程,下面主要從暴雨對流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)與分類,暴雨對流系統(tǒng)的啟動、組織和維持,地形對暴雨對流系統(tǒng)的影響,暴雨對流系統(tǒng)的日變化及其形成機制等進行簡要的回顧,并提出有待進一步研究的主要科學(xué)問題。有必要指出的是,臺風暴雨有其特殊性,故本文主要內(nèi)容暫不包括臺風暴雨。

2 暴雨對流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)與分類

業(yè)務(wù)預(yù)報與研究中發(fā)現(xiàn),引發(fā)暴雨的中尺度對流

系統(tǒng)(MCS)在雷達回波圖像上呈現(xiàn)出一定的組織結(jié)構(gòu)形態(tài),可分為線狀和非線狀,其中線狀的MCS具有明顯的組織結(jié)構(gòu)特征,在雷達回波圖像上往往表現(xiàn)出線狀結(jié)構(gòu),而非線狀的MCS組織結(jié)構(gòu)不明顯,其在雷達圖像上往往表現(xiàn)為混合性降水回波,或者無組織結(jié)構(gòu)的對流單體嵌套在層狀降水回波中。對于線狀MCS,國外氣象學(xué)家根據(jù)雷達回波圖像上對流降水回波和層狀降水回波的組織特征、對流單體的產(chǎn)生以及單體移動的方向等,將其分為層狀前導(dǎo)MCS(LS)、尾隨層狀MCS(TS)和平行層狀MCS (PS)(圖1)[1-2]；之后,又有學(xué)者定義了兩類準靜止的MCS,即后向建立MCS(BB)和鄰接層狀MCS (TL/AS)[3-5]。王曉芳等[6]對長江流域暴雨中尺度對流系統(tǒng)通過雷達圖像的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),我國長江流域夏季除了國外提出的TS、LS、PS、BB、TL/AS等線狀對流系統(tǒng)外,還存在著一些新的線狀對流系統(tǒng),如嵌套線狀MCS(EL)等。Zheng等[7]通過研究我國中東部地區(qū)的MCS,認為除了TS、LS、PS和EL幾種類型的線狀對流系統(tǒng)外,弓狀回波(BE)和無層狀降水的對流線(NS)也屬于線狀對流系統(tǒng)。

目前,已有一些理論和物理圖像提出來解釋不同類型線狀對流系統(tǒng)形成的原因。Smith等[8]觀測分析和數(shù)值模擬的結(jié)果表明,TS MCS的尾隨層狀降水的形成是中高層對流系統(tǒng)前部到尾部的上升氣流對水物質(zhì)輸送的結(jié)果。Parker等[9]認為中高層切變對于對流系統(tǒng)上升支的傾斜和LS MCS的結(jié)構(gòu)有著重要的作用,前導(dǎo)層狀降水的出現(xiàn)有利于對流系統(tǒng)的維持,因為對流線前部降水區(qū)的入流由于抬升以及蒸發(fā)和融化的垂直分布使得該區(qū)域變得不穩(wěn)定。Parker[10]進一步指出, PS MCS的后向建立和平行于對流線降水的發(fā)展很大程度上是由環(huán)境風垂直切變造成的,高層平行于對流線的氣流對水物質(zhì)的輸送是平行層狀降水形成的重要原因。最近的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),不同類型線狀對流系統(tǒng)的形成和傳播主要與風垂直切變、平均氣流、地面冷池和重力波等因子有關(guān),其中垂直和平行于對流線的低層風垂直切變在很大程度上決定線狀對流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)形態(tài),而對流降水系統(tǒng)形成的地面冷池和產(chǎn)生的重力波是激發(fā)新的對流單體的主要動力機制,因而對流系統(tǒng)的傳播方向在很大程度上由這兩個因子共同決定,而中低層的平均氣流的方向決定單體的移動方向,層狀降水回波的形成則與高空氣流對冰相粒子的平流輸送和老的對流單體減弱為層狀降水有關(guān)。

圖1 三種線狀中尺度對流系統(tǒng)理想生命周期的回波示意圖[1]，位相間的近似時間間隔為TS：3～4h（a），LS：2～3h（b），PS：2～3h（c），陰影級別對應(yīng)20，40，50dBz

3 暴雨對流系統(tǒng)的啟動、組織和維持

關(guān)于對流降水的啟動,大量研究揭示了大氣中多種動力效應(yīng)在對流降水啟動中的重要作用。如天氣尺度強迫[11]、重力波[12-13]、重力流[14]、海陸風[15]、低層中尺度切變線和輻合線[16]、冷邊界出流[17]和對流出流邊界[18]等。地形的動力和熱力效應(yīng)在對流的觸發(fā)中也扮演著重要的角色,如地形重力波和山脈背風波[19]、地面非均勻性誘生的熱力環(huán)流[20]、背風坡輻合[21]、地形阻擋急流[22]等。

對于具有明顯組織化特征的長生命史的中尺度對流系統(tǒng),國外也提出了天氣尺度急流[23]、水平風切變不穩(wěn)定[24]、干空氣侵入[25]、輻射與對流相互作用[26]、垂直風切變[27]、冷池[28]以及慣性重力波[29]等機制來進行解釋。

近年來的研究發(fā)現(xiàn),我國暴雨中尺度對流系統(tǒng)與北美發(fā)現(xiàn)的線性對流系統(tǒng)的組織特征存在著一定的差異[30],這意味著該地區(qū)對流系統(tǒng)的發(fā)展可能存在著不同的組織機制[31],國外現(xiàn)有的理論和研究成果可能并不能照搬來解釋我國夏季對流降水的組織和形成機制,暴雨中尺度對流系統(tǒng)(尤其是梅雨鋒上和華南暖區(qū)的暴雨中尺度對流系統(tǒng))的組織、維持和傳播機制還有待深入研究[32]。

4 地形對暴雨對流系統(tǒng)的影響

我國屬暴雨頻發(fā)和多發(fā)地區(qū),暴雨引發(fā)的自然災(zāi)害往往給我國國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全帶來嚴重的威脅和損失。有關(guān)暴雨研究表明,暴雨尤其是(特)大暴雨的發(fā)生,往往與局地和周邊地形有著密切的關(guān)系[33]。高大地形,如青藏高原等在引發(fā)降水的大氣擾動,如背風氣旋及其強降水形成中的作用受到了氣象學(xué)家的廣泛關(guān)注,并取得了大量科

研成果[34]。近年來,中小尺度地形對天氣氣候的影響也逐漸受到重視[35]。國外開展了多項與地形有關(guān)的野外觀測計劃,如TAMEX[36]、COAST[37]、MAP[38]、CALJET[39]、IMPROVE[40]以及COPS[41]計劃等,并取得了大量研究成果。

山脈動力強迫抬升形成降水自然是氣象學(xué)家首先關(guān)注的科學(xué)問題。在估計山脈迎風坡降水方面,早期提出的簡單線性模型[42]可以用來解釋和預(yù)測地形降水,模型中降水率的大小主要由水汽混合比、正交于山脈的風速大小和地形梯度決定。之后,這種模型又得到了進一步的推廣[43],考慮了云微物理過程中云水—雨水的轉(zhuǎn)化時間、雨水下落時間對地形降水的影響。有關(guān)地形降水問題可以歸納為三個方面:一支流向山脈的潮濕大尺度氣流；中尺度地形強迫對大尺度氣流的抬升；以及凝結(jié)物質(zhì)向降水粒子的轉(zhuǎn)換。地形阻滯效應(yīng)限制了該模型的應(yīng)用[44-45]。除了動力直接抬升作用之外,地形還可從多個方面對降水造成影響,如喇叭口地形動力輻合產(chǎn)生的地形性垂直氣流增強降水[46]；山脈下坡風對降水的抑制和背風坡氣旋對降水的增強[47]；地形下墊面的摩擦差異造成的差動平流對降水系統(tǒng)的影響[48]；地形產(chǎn)生的山脈波或慣性重力波對降水分布的調(diào)整[49],山脈波又可被大氣邊界層所吸收[50]；山脈對對流層低層大氣阻擋形成的山前輻合和繞流對降水系統(tǒng)的影響[51],而地形阻滯氣流由地形無量綱參數(shù)Nh/U、水平地形特征比和羅斯貝形變半徑Nh/f 所決定[52],還受到穩(wěn)定度不均勻分布的影響；復(fù)雜地形造成的大氣低層繞流形成的多支氣流輻合[53]；地形對大氣邊界層的拖曳等[54]。地形還對熱帶氣旋的移動路徑造成影響[55]。

地形的熱力效應(yīng)及其日變化對降水有著重要的影響。首先,地形高度在太陽輻射作用下可以形成顯著的熱力差異(地形造成的加熱梯度),它可以驅(qū)動熱力環(huán)流,而這種熱力環(huán)流在適當?shù)乃麠l件下可以觸發(fā)對流誘生降水[56],并和降水天氣系統(tǒng)相互作用影響降水的強度和分布[57]。一般而言,在弱的層結(jié)和弱風下地面凈輻射增加的時候,熱力直接力管環(huán)流或者熱島環(huán)流在山脈上發(fā)展,伴隨著上坡氣流在山上輻合[58]。地形上空太陽輻射的日變化引起地形熱力環(huán)流的日變化,可以形成上坡風、下坡風和山谷風,其日變化具有明顯的非對稱性,可能與重力波的形成有關(guān)[59],并可以誘發(fā)峽谷、山坡或者山頂?shù)慕涤闧60],同時山坡、峽谷風/環(huán)流降水粒子融化和蒸發(fā)可以增強下坡/峽谷氣流[61],峽谷加熱中心的補償下沉又可進一步加大峽谷—平原的溫差對比。不僅如此,加熱山脈上空氣壓擾動可以驅(qū)動水平輻合和山脈上坡風,來維持對流和降水(圖2),而氣壓擾動又受到山脈入流層結(jié)氣流、對流邊界層(CBL)頂?shù)母叨群推淇臻g變化、CBL內(nèi)的溫度變化以及穿透濕對流的影響[62],當山脈尺度足夠大(≥100km)的時候,熱力氣流又受到科氏力的影響[63],地形山脈波還存在著日變化[64],這使得問題更加復(fù)雜化。其次,地形表面的屬性差異在太陽輻射及其日變化作用下也強迫出熱力環(huán)流,進而影響局地天氣氣候。海陸分布差異形成的海陸風環(huán)流是中尺度研究的經(jīng)典主題[65],海陸風環(huán)流形成后又和地形相互作用來觸發(fā)對流形成降水,如果對流深厚,降水誘發(fā)的下沉支將冷空氣引入到邊界層中,產(chǎn)生更為復(fù)雜的情形[66]。類似于海陸風的中尺度環(huán)流也可以由地面不均勻性來強迫,如麥收區(qū)和臨近的植被

區(qū)[67],伐林區(qū)和林蓋區(qū)[68],干鹽湖面和非鹽湖面以及城市區(qū)和農(nóng)村間[69]形成的下墊面差異形成的熱力環(huán)流(陸面風)及其日變化可影響局地降水氣候特征,這已得到觀測和數(shù)值模擬結(jié)果的證實,同時,這種陸面風還可以和海陸風相互作用影響局地降水[70]。

圖2 靜風條件下加熱山脈上空熱力強迫環(huán)流的示意圖[62] （圖中紅線為等熵線，紫線為850hPa等壓面高度，灰線為對流邊界層頂，SH為地面熱通量）

國外大量研究表明,地形對云物理過程的改變是其影響降水強度和分布的一種重要機制,這主要包括地形云的播撒效應(yīng),即高層有非地形擾動形成的大尺度降水云,山脈在底層的抬升形成云蓋,當從高層云中下落的降水經(jīng)過地形云的時候,它們會積聚(通過碰并或者結(jié)晶過程)附加的水汽,山坡的降水得到增強[71],它的極端使用情形是地形觸發(fā)的深對流云能夠描述成一個播撒云(如下落的結(jié)晶粒子)和一個云水供給區(qū)(如云的低層暖區(qū))[72],下落水物質(zhì)的云水析出毫無疑問是地形降水的一個重要的過程,但它可能來自不同的環(huán)境。其次,地形可引起云中液態(tài)水分布以及降水粒子增長方式的改變[73]。地形降水中結(jié)晶過程在降水粒子增長過程中起到重要作用,即迎風坡前上升運動形成的過冷水滴能自身結(jié)合成降水粒子在迎風坡下落形成降水[74],而這種降水過程又很大程度上受到低層大氣熱力學(xué)特征和上游風狀況的影響,尤其是低層氣流遇到山脈時是否受到阻滯[75]。研究發(fā)現(xiàn),阿爾卑斯地形區(qū)受到和未受到地形阻滯的低層大氣云微物理過程存在著明顯差異,不穩(wěn)定未受阻滯情形下,低層氣流地形抬升參與的降水增強,而穩(wěn)定阻滯的情形下,低地形區(qū)的降水過程不能加到背景層狀降水中而受到限制(圖3)[12]。結(jié)晶過程可以使粒子變得更重,縮短了地形上升運動誘發(fā)新的云液態(tài)水粒子和到達地面形成降水之間的時間,因而地形降水分布對粒子下落軌跡非常敏感[76]。同時,低層雨滴的碰并過程有利于地形生成的凝結(jié)物快速下落。結(jié)晶過程在0℃層以上重要,而碰并過程在0℃層以下更為重要。地形誘發(fā)的山脈波還可以調(diào)節(jié)云液態(tài)水和雪的混合比來影響降水的分布[77]。

地形降水的形成還受到天氣背景和中尺度環(huán)境場的影響。研究發(fā)現(xiàn),有利于美國地形出現(xiàn)強降水[78]的天氣尺度環(huán)境為:一個弱的500hPa短波槽在長波槽內(nèi)向北旋轉(zhuǎn)并靠近風險區(qū)；弱的東南至南東南風出現(xiàn)在地形的對流層高層；緩慢移動或靜止的極鋒位于風險區(qū)南側(cè)；高濕區(qū)層次深厚等。同時還發(fā)現(xiàn)了有利的中尺度環(huán)境:風險區(qū)西側(cè)午后加熱和風暴區(qū)東側(cè)冷平流共同加強厚度和氣壓梯度；一個狹窄的條件不穩(wěn)定帶以及不尋常的濕空氣在極鋒后向南和向西運動；空氣團在700hPa存在著逆溫等。有利于阿爾卑斯山的強地形降水[79]的天氣和中尺度環(huán)境為:一個條件或位勢不穩(wěn)定的氣流流向山脈；非常潮濕的低空急流(LLJ)；陡峭的山脈有助于釋放條件不穩(wěn)定；對流層高層有深槽或者高位渦(PV)異常帶向風險區(qū)靠近；對流層高空準靜止的高氣壓脊使對流系統(tǒng)準靜止或者減緩它靠近風險區(qū)的進程。東亞地區(qū)地形強降水[27]的主要影響因子為:(1)條件或潛在不穩(wěn)定環(huán)境；(2)一支非常濕的低空急流；(3)準定常的天氣系統(tǒng)使影響該區(qū)域?qū)α飨到y(tǒng)變慢；(4)陡峭的山脈(山脈的幾何形狀)；(5)入流氣流的降水率；(6)強天氣系統(tǒng)在地形區(qū)強迫出強的上升氣流。

圖3 穩(wěn)定阻滯（a）和不穩(wěn)定無阻滯（b）氣流內(nèi)的地形降水機制示意圖[12] （圖b中虛框指示了嵌套的對流陣雨的位置，圖中顯示了每一種情形下水物質(zhì)的類型）

近年來,中小尺度地形對對流降水的作用成為國內(nèi)外氣象學(xué)家研究的熱點。研究表明,當不穩(wěn)定的氣團流向山脈時,會有對流云嵌套在層狀地形云中發(fā)展,降水量、降水強度以及降水效率很大程度上受到上游對流動力學(xué)的影響[80]。山脈對對流的觸發(fā)也得到

雷達探測資料的證實[81]。相對小的山脈通過云的播撒效應(yīng)來增強降水。地形通過激發(fā)出中尺度波動(中尺度重力波、山脈波、背風波等)來觸發(fā)對流或影響下游降水天氣[82]。地形細胞狀對流受到地形云蓋內(nèi)的靜力不穩(wěn)定度、山脈寬度、氣塊的云內(nèi)反彈時間、不穩(wěn)定云蓋厚度以及環(huán)境風切變的影響[83],云中不穩(wěn)定和云周圍強穩(wěn)定的干空氣有利于組織化對流發(fā)展[84]。小尺度山脈和峽谷激發(fā)的飽和背風波位相決定對流能否觸發(fā),一旦對流觸發(fā),水平浮力梯度生成的環(huán)流將雨帶排列與氣流方向平行,雨帶生成的位置對大尺度氣流條件和小地形相對于云前沿的位置非常敏感[85]。狹窄的山脊可以通過迎風坡上升、背風坡下沉和重力波來調(diào)整降水的強度和分布[86]。地形如何作用于MCS及其引發(fā)降水,還受到環(huán)境氣流的層結(jié)穩(wěn)定度、風垂直切變、風的大小、大氣水汽含量、CAPE,以及山脈高度、寬度和形狀等多方面因素的影響,不同屬性的過山氣流形成的MCS具有不同的活動特征[87]。

最近復(fù)雜中小尺度地形對降水影響的研究中發(fā)現(xiàn),東亞季風天氣背景和大氣垂直廓線下局地中小尺度地形對對流降水的影響與國外的研究結(jié)果并不完全一致,單一的地形動力參數(shù)不能完全決定地形對流降水的模態(tài)[88]。同時,在天氣系統(tǒng)發(fā)展的不同階段,地形相對于對流暴雨系統(tǒng)的位置不同,地形對暴雨對流系統(tǒng)的影響存在著差異[89]。風垂直切變對對流降水的分布影響很大,對流層中低層的風垂直切變在很大程度上決定地形對流降水的組織模態(tài)[90]。因此,地形對暴雨對流系統(tǒng)的影響還值得進一步研究。

5 暴雨對流系統(tǒng)的日變化和形成機制

降水日變化是地球大氣最主要的振蕩現(xiàn)象之一[91],它的形成往往與大氣中的各種日變化現(xiàn)象相聯(lián)系,如溫度、相對濕度、水汽(大氣可降水量)[92]、大氣行星邊界層[93]、低空急流(LLJ)[94]、層積云[95]、近地面流場[96]、對流[97]、城市熱島[98],甚至大尺度季風環(huán)流[99]的日變化等。對流降水也存在明顯的日變化。目前大氣數(shù)值預(yù)報模式對降水日變化的模擬水平還很低,尤其是夏季對流降水日變化的模擬。對流降水日變化也一直是大氣科學(xué)領(lǐng)域研究的焦點之一。一方面,人們對對流降水日變化的形成機理還沒有完全弄清,尤其是具有復(fù)雜地形分布的陸地上的對流降水[100]；另一方面,對流降水日變化的模擬在很大程度上已成為制約數(shù)值天氣預(yù)報模式精細化預(yù)報水平提高的瓶頸之一,因為模式對太陽輻射加熱強迫誘生的大氣熱力動力因子的日變化造成的對流降水啟動的時間、地點及降水強度模擬的準確與否,直接影響模式對降水落時、落區(qū)預(yù)報的好壞。對降水日變化尤其是對流降水日變化模擬的好壞,已成為衡量一個數(shù)值預(yù)報模式和氣候模式性能以及相關(guān)模式物理方案好壞的重要途徑和方式之一[101]。

我國是對流暴雨災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)之一,尤其是當東亞夏季風爆發(fā)后向北推進的時候,極為頻繁的對流活動往往造成強烈的降水,給我國尤其是東部地區(qū)造成洪澇災(zāi)害[102],而我國自主研發(fā)的數(shù)值模式對該流域?qū)α鲝娊邓哪M和預(yù)報水平還很低[103],這在很大程度上歸咎于對流降水,尤其是大氣日變化造成的對流降水啟動與否,以及啟動時間和地點在模式中不能得到很好地模擬和預(yù)報。以往的研究揭示了降水存在日變化的事實,并指出了地面輻射加熱差異造成的午后至傍晚的對流爆發(fā)可以解釋該時段降水極大值的形成,而清晨降水極大值的形成與夜間LLJ的增強有關(guān)[104],也有研究認為LLJ的增強是對流降水釋放大量凝結(jié)潛熱反饋的結(jié)果,而不是夜間降水極大值的原因[105],可能由其他原因造成。Yu等[106]研究發(fā)現(xiàn),中國中東部在午后具有降水峰值,而青藏高原及其東側(cè)鄰近地區(qū)的降水峰值在午夜。Zhou等[100]通過觀測研究進一步揭示了長江中下游地區(qū)降水日變化具有兩個峰值,分別發(fā)生在午后和清晨,不同于青藏高原東側(cè)的午夜降水峰值。鄭永光等[107]對我國中尺度對流系統(tǒng)的統(tǒng)計研究也得到類似的結(jié)果。Yu等[108]認為,這一地區(qū)午后降水峰值往往由生命期較短(小于3h)的對流活動造成,而夜間至清晨降水峰值由生命史長(大于6h)的對流系統(tǒng)的活動有關(guān)。最近,Chen等[109]的研究結(jié)果指出長江流域夜間降水峰值是大尺度強迫與青藏高原地形共同作用的結(jié)果。但是這些研究大多通過氣候分析獲得,對于這一地區(qū)對流降水日變化形成的內(nèi)在物理機制方面的研究還有待充分展開。

在對流降水日變化方面,國內(nèi)外氣象學(xué)家已開展了大量研究。研究發(fā)現(xiàn),海洋上降水峰值大多出現(xiàn)在夜間至清晨[110],而陸地上大多地區(qū)的降水峰值出現(xiàn)在午后至傍晚[111]。同時,海洋上的降水日變化存在著區(qū)域差異。例如東大西洋的降水峰值出現(xiàn)在午后[112]；西太平洋的深對流在06:00—09:00(地方時,以下簡稱LST)增強至最大[113],暖池上空有組織的對流在黎明前達到峰值[114]；中東太平洋熱帶輻合區(qū)(ITCZ)的降水峰值發(fā)生在早晨；東太平洋熱帶地區(qū)的降水在午后有最大值,黎明附近出現(xiàn)次大值[115]；南太平洋區(qū)的降水最大值出現(xiàn)在午后[116]等。陸地上的日降水模態(tài)也存在著明顯的空間變化,其日變化振幅往往比海洋上要大得多。沿著喜馬拉雅山南面山腳尼泊爾境內(nèi)的

降水主要出現(xiàn)在夜間[117]；美國東南部的40%的降水主要集中在白天時段的14:00—19:00LST；美洲中部大陸上存在夜間降水峰值；南美內(nèi)陸降水最大值出現(xiàn)在18:00LST附近[118]；哥倫比亞的日降水峰值發(fā)生在午后,而科羅拉多的日降水最大值出現(xiàn)在午夜[119]；青藏高原及其東側(cè)地區(qū)的日最大降水傾向于出現(xiàn)在夜間至清晨[106]等。另外,海洋島嶼、沿海岸地區(qū)、內(nèi)陸地區(qū)的降水日變化模態(tài)也存在明顯差異。

有關(guān)海洋和陸地上降水日變化及其不同模態(tài)和空間變率的成因,已提出多種物理機制來對其加以解釋。對于海洋上的降水日變化,提出的主要物理機制有:(1)云輻射加熱差異機制,即云和周圍無云區(qū)間輻射加熱差異的動力結(jié)果在水平散度場內(nèi)產(chǎn)生的日變化可以調(diào)整對流[120]。(2)云輻射垂直穩(wěn)定度機制,即對流云氈高空部分的短波輻射吸收增加云區(qū)的靜力穩(wěn)定度,減弱垂直運動,從而導(dǎo)致午后海洋降水的最小值；相反,夜間的長波冷卻減小穩(wěn)定度,導(dǎo)致對流增強[121]。(3)云輻射相對濕度機制,即夜間長波冷卻充分地增加每一個地方的相對濕度,導(dǎo)致卷入效應(yīng)減小,云的發(fā)展在夜間得到增強[122]。(4)海面溫度日變化機制,即由于海洋表面層存在日變化,其午后最大值造成洋面上新對流的生成,由于局地濕靜力能的消耗和海洋上短波通量的遮蓋,使得第二天在對流尾流區(qū)出現(xiàn)對流極小值[123]。(5)大氣氣壓潮機制,即認為大氣氣壓潮可能是低層輻合和降水的日調(diào)整因子[124],但受到質(zhì)疑[125]。這些機制很難解釋陸地上對流降水日變化模態(tài)和空間差異。

陸地上對流降水日變化的形成機制極為復(fù)雜。海陸風環(huán)流是沿岸陸地和水域上的對流降水日變化的驅(qū)動因子[126],海陸風與局地熱力環(huán)流相互作用后可調(diào)節(jié)局地降水日變化,如巴西北部的降水日變化受到海陸風和山谷風環(huán)流的影響[127]。高大山脈地區(qū)的日對流降水系統(tǒng)形成后有規(guī)律地向下游移動,可引起下游地區(qū)夜間降水極大值。如落基山地形峰在午后形成對流降水最大值,向東傳播造成密西西比河—俄亥俄州峽谷清晨降水最大值[128],這種傳播系統(tǒng)在南美安第斯山、中國喜馬拉雅山以及非洲的埃塞俄比亞高原等地也存在[129]。也有研究認為山脈地形區(qū)白天加熱形成的混合邊界層激發(fā)的重力波傳播可以解釋離岸地區(qū)的日對流降水(圖4)[128],也關(guān)注了重力波對日變化強迫的響應(yīng)[130]。另外大量研究發(fā)現(xiàn),具有不同加熱屬性的地表在白天和晚上加熱差異強迫的邊界層力管環(huán)流可能是一些地區(qū)降水日變化形成的重要原因,如干鹽湖與非鹽湖面[131]、陸水面和土壤濕度梯度[132]、植被覆蓋對比[133],以及城區(qū)與鄉(xiāng)村對比[134]等。局地山脈地形高度不均勻性造成的地面加熱高度差異驅(qū)動的熱力環(huán)流,如山坡力管環(huán)流在白天產(chǎn)生上坡氣流,晚上產(chǎn)生下坡氣流,這種局地熱力環(huán)流產(chǎn)生降水日變化[135]。

6 討論

(1)暴雨對流系統(tǒng)的組織和維持機理是一個值得深入探索的課題。目前,數(shù)值預(yù)報模式對暴雨中尺度對流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)模態(tài)幾乎沒有模擬能力,而對流系統(tǒng)中對流和層狀降水分布的差異,直接造成大氣加熱場的不同,從而影響中小尺度過程向天氣和次天氣尺度系統(tǒng)的反饋過程,導(dǎo)致天氣尺度背景模擬和預(yù)報存在偏差,最終造成暴雨落區(qū)甚至整個雨帶存在著明顯偏差。其次,數(shù)值模式對暴雨MCS的維持時間的模擬和預(yù)報往往存在著明顯的偏差。因此,有必要加強對流暴雨系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)形態(tài)及其形成和維持機制的研究,為數(shù)值模式準確模擬出對流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)模態(tài)提供相關(guān)科學(xué)線索。

(2)對流降水的啟動在中尺度數(shù)值模式預(yù)報中至關(guān)重要,因為對流降水的啟動預(yù)報正確與否直接影響到暴雨的定時定點預(yù)報。但是目前數(shù)值模式對對流降水的啟動預(yù)報能力還很低,這直接影響到對流暴雨的預(yù)報準確率。因此有必要開展對流啟動的觀測試驗和研究,深入認識我國不同地域?qū)α鲉拥闹饕锢頇C制,為改進數(shù)值模式的對流降水啟動模擬和預(yù)報提供科學(xué)支撐。

圖4 山脈地形區(qū)混合層激發(fā)的日重力波及其相關(guān)的深對流示意圖[128]

(3)復(fù)雜地形對引發(fā)暴雨的MCS的影響還有待深入研究。由于天氣尺度氣流具有重要的時空變化,而真實地形是三維不規(guī)則的,這使得地形對降水的影響更加具有多樣性、復(fù)雜性和非線性；另外,地形作用在數(shù)值預(yù)報模式中描述的好壞,在很大程度上決定了復(fù)雜地形區(qū)定量降水預(yù)報的好壞。因此,地形研究

對于提高暴雨預(yù)報具有舉足輕重的作用,有關(guān)對地形擾動及其引發(fā)降水機制的認識必須繼續(xù)走向深入。復(fù)雜地形分布在不同天氣尺度背景和不同熱力學(xué)屬性的氣流下具有什么樣的動力學(xué)性質(zhì),又具有什么樣的熱力作用,在什么樣的天氣尺度和中尺度環(huán)境場下復(fù)雜地形容易在局地觸發(fā)對流形成暴雨,不同的環(huán)境場下地形作用又有何差異,復(fù)雜地形的動力、熱力效應(yīng)對我國不同區(qū)域MCS的形成、發(fā)展、移動、氣流結(jié)構(gòu)、云微物理過程及降雨效率產(chǎn)生什么樣的影響?這些都是地形研究中要弄清楚的科學(xué)問題。

(4)我國地處東亞季風區(qū),既受到海陸熱力差異和東亞季風的影響,又受到青藏高原大地形的影響,降水日變化特征顯著,不同地域降水日變化存在著明顯的差異,現(xiàn)有的降水日變化形成物理機制對于解釋我國不同地區(qū)對流降水日變化還有待大量研究和觀測驗證,因為不同尺度和高度的地形的動力和熱力效應(yīng)在日對流降水的形成中究竟具有什么作用,兩者的相對重要性如何,這些都不是十分清楚。數(shù)值模式對高原大地形影響下的對流降水日變化的預(yù)報能力還很弱,因而有必要加強對流降水尤其是對流暴雨的日變化特征及其形成機制研究,為數(shù)值模式的改進提供依據(jù)。

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Research Progress on Mesoscale Processes of Heavy Rain

Zhao Yuchun
(Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research, Institute of Heavy Rain, China Meteorological Administration, Wuhan 430074)

A preliminary review is conducted on the mesoscale processes of heavy rain, mainly including: (1) the organizational features and classification of heavy-rain-producing convective system, the structure and formation mechanism of different convective systems, especially the cause of new convective cell regeneration and stratiform precipitation formation; (2) the initiation, organization and maintenance mechanism of heavy-rain-producing convective system; (3) the effects of the topography on the initiation and development of heavy-rain-producing convective system and its precipitation eff i ciency, the related internal physical principles, the limitation of topographical linear theory and the nonlinearity and complexity of topographical effects; (4) the diurnal features, regional differences and its different formation mechanisms of heavy-rain-producing convective system. Lastly, the main scientif i c issues needed to be further investigated are discussed.

heavy rain, convection, topography, diurnal variation

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.02.004

2013年9月30日；

2014年1月20日

趙玉春（1972—），Email: zhaoych@cma.gov.cn

資助信息：公益性氣象行業(yè)專項（GYHY201206003，GYHY201106003）；國家自然科學(xué)基金項目（41075038，40930951）