南海暖季天氣系統(tǒng)與中尺度對(duì)流過程研究進(jìn)展

王東海 曾智琳 張春燕 楊帥 梁必騏

1 中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/廣東省氣候變化與自然災(zāi)害研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海519082

2 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海）， 珠海519082

3 中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

1 引言

南海作為全球海洋—大氣—陸地相互作用最活躍地區(qū)之一，中尺度對(duì)流活動(dòng)頻繁。在熱帶大氣環(huán)流和夏季風(fēng)背景下，受熱帶氣旋、赤道輻合帶等多尺度天氣系統(tǒng)影響，頻發(fā)的中尺度對(duì)流活動(dòng)易造成大風(fēng)、強(qiáng)降水等劇烈天氣，對(duì)海洋產(chǎn)業(yè)、航運(yùn)交通等帶來嚴(yán)重影響。在全球氣候變暖背景下，21 世紀(jì)以來南海的極端天氣氣候事件日益復(fù)雜，南海海洋天氣系統(tǒng)對(duì)于海洋漁業(yè)、貿(mào)易、運(yùn)輸和旅游的船舶航行的影響越來越大，面對(duì)南海海上生產(chǎn)活動(dòng)、交通運(yùn)輸和海洋氣象綜合應(yīng)用不斷發(fā)展的需求，需要不斷加強(qiáng)南海監(jiān)測與預(yù)報(bào)預(yù)警能力，進(jìn)一步提高對(duì)南海的天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展規(guī)律與大氣結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)知。近年來，“一帶一路”的國家發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)南海氣象保障能力提出了新的要求。因此，南海天氣系統(tǒng)及中尺度對(duì)流過程的研究在保障國家海洋經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展層面具有重要的戰(zhàn)略地位。

南海上空的熱帶大氣環(huán)流具有鮮明的地域性和季節(jié)性特征（Krishnamurti, 1979; 梁必騏, 1991），夏季風(fēng)活動(dòng)顯著，形成的天氣系統(tǒng)成員眾多，其中影響暖季中尺度對(duì)流發(fā)展的天氣系統(tǒng)主要包括南海熱帶氣旋、季風(fēng)低壓、熱帶波動(dòng)和中層氣旋等。在這些天氣系統(tǒng)影響下，南海中尺度對(duì)流活動(dòng)頻繁，過程極其復(fù)雜。早期關(guān)于南海中尺度對(duì)流過程的研究大多是基于1998 年5～6 月的南海季風(fēng)試驗(yàn)外場觀測（SCSMEX）所開展的，通過兩次外場加密觀測，在南海及周邊地區(qū)組建了大型氣象探測網(wǎng)絡(luò)，涵蓋66 個(gè)探空站、285 個(gè)地面站、20 多部氣象雷達(dá)、海洋觀測船、海島通量觀測、浮標(biāo)、無人機(jī)以及日本GMS-5（地球靜止軌道氣象衛(wèi)星）、美國NOAA（美國國家海洋和大氣管理局）與TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）衛(wèi)星觀測等（巢清塵和丁一匯, 1999; 丁一匯等, 2002）。該試驗(yàn)獲取了大量寶貴的觀測數(shù)據(jù)，隨后的研究較為清晰地認(rèn)識(shí)了南海季風(fēng)的活動(dòng)特征及其與海氣通量、熱量階段性變化的關(guān)系，從海氣—陸氣相互作用角度，揭示了南海季風(fēng)爆發(fā)機(jī)理，同時(shí)也初步揭示了南海北部季風(fēng)對(duì)流系統(tǒng)的云系結(jié)構(gòu)與演變等，取得了豐富的科研成果（Ding et al., 2004; 丁一匯等,2004），為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

熱帶海洋問題、低緯度問題和青藏高原問題是當(dāng)前大氣科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的三個(gè)宏觀難題，而南海中尺度對(duì)流過程的研究，涉及前面的兩大難題，低緯度熱帶海洋被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)全球天氣、氣候變化的最大熱機(jī)，但由于海洋觀測資料稀缺，導(dǎo)致南海中尺度對(duì)流過程的科研進(jìn)展和本地化的數(shù)值預(yù)報(bào)模式發(fā)展緩慢，這也限制了南海海洋氣象業(yè)務(wù)監(jiān)測預(yù)報(bào)的發(fā)展。南海季風(fēng)和中尺度對(duì)流的演變影響著我國降水及分布，對(duì)我國乃至東亞的水汽和熱量循環(huán)具有重要影響，因此也成為北半球天氣、氣候變化最敏感的 地 區(qū) 之 一（Yanai and Tomita, 1998; Ding and Chan, 2005）。為此，本文將著重回顧南海暖季大氣環(huán)流和夏季風(fēng)、及其影響下的南海熱帶天氣系統(tǒng)和中尺度對(duì)流過程的主要進(jìn)展及成果，并提出該領(lǐng)域的未來研究方向。

2 南海暖季大氣環(huán)流與南海夏季風(fēng)

2.1 南海暖季大氣環(huán)流特征

有利的南海夏季大氣環(huán)流形勢(shì)可為天氣尺度系統(tǒng)和中尺度對(duì)流的發(fā)生、發(fā)展提供背景場。由大尺度平均場合成得到南海暖季環(huán)流的基本特征為：暖季（以7 月份為例）對(duì)流層低層（850 hPa）南海大部盛行來自于印度洋、孟加拉灣的西南氣流及來自南海南部越赤道的偏南氣流（圖1a）。在南海東北部則為來自西太平洋副熱帶高壓南緣的東南氣流，與西南氣流相互作用形成熱帶輻合帶（Intertropical Convergence Zone，簡 稱ITCZ），在氣壓場上表現(xiàn)為季風(fēng)槽形勢(shì)。在對(duì)流層高層（100 hPa）南海處在南亞高壓東南側(cè)，受穩(wěn)定且較為一致的東到東北氣流控制（熱帶東風(fēng)急流，圖1b），其100 hPa 附近強(qiáng)風(fēng)中心在20°N 附近，在300 hPa 則位于15°N。這樣的高低層環(huán)流特征使南海及鄰近地區(qū)暖季處在越赤道的季風(fēng)經(jīng)圏環(huán)流中，南海地區(qū)為經(jīng)圏環(huán)流的上升支，其下沉支在南半球的澳大利亞附近（梁必騏, 1991）。

圖1 20 世紀(jì)70～80 年代多年平均的暖季（以7 月份為例）南海及附近地區(qū)（a）850 hPa 與（b）100 hPa 平均流場[改自梁必騏（1991）]Fig.1 Averaged streams at (a) 850 hPa and (b) 100 hPa in the warm season (take July as an example) over the South China Sea and its vicinity during 1970s–1980s [modified from Liang (1991)]

2.2 南海夏季風(fēng)

南海夏季風(fēng)是亞洲季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)的重要成員，與南海中尺度對(duì)流活動(dòng)密切相關(guān)。亞洲夏季風(fēng)系統(tǒng)涵蓋南印度洋馬斯克林反氣旋、東非索馬里急流、印度洋西南季風(fēng)、季風(fēng)槽、亞洲熱低壓和熱帶東風(fēng)急流等主要成員（Krishnamurti, 1979），南海處在印度洋西南季風(fēng)下游、季風(fēng)槽區(qū)域，若將其細(xì)分為南亞（印度）季風(fēng)區(qū)與東亞季風(fēng)區(qū)（Tao and Chen,1987），則南海夏季更多地從屬于東亞季風(fēng)區(qū)。東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)由澳大利亞高壓、印尼附近的越赤道氣流、赤道輻合帶、西太平洋副熱帶高壓和梅雨鋒等系統(tǒng)構(gòu)成，南海處于熱帶輻合帶（季風(fēng)槽）區(qū)域。

南海夏季風(fēng)的爆發(fā)、傳播與演變過程，一直是國內(nèi)和國際的研究熱點(diǎn)（李崇銀和張利平, 1999）。關(guān)于亞洲夏季風(fēng)爆發(fā)源地的研究已取得很多成果，但其中部分觀點(diǎn)存在一些分歧。20 世紀(jì)80～90 年代，有些學(xué)者認(rèn)為亞洲夏季風(fēng)最早爆發(fā)于南海，從赤道逐漸傳播到南海中部，隨后西傳至孟加拉灣（Tao and Chen, 1987; Chen et al., 1996）。21 世 紀(jì)初期，一些研究認(rèn)為季風(fēng)對(duì)流最早爆發(fā)是在孟加拉灣或中南半島，再向東傳播至南海地區(qū)（梁建茵和吳 尚 森, 2000; 何 金 海 等, 2001; 錢 維 宏 和 朱 亞 芬,2001）。關(guān)于南海夏季風(fēng)爆發(fā)和變動(dòng)機(jī)制，20 世紀(jì)90 年代以來取得系列研究進(jìn)展，如季風(fēng)熱動(dòng)力學(xué)研究（Huang et al., 2003, 2012），有研究認(rèn)為海陸熱力差異，如青藏高原大地形的加熱和強(qiáng)迫作用（Ueda and Yasunari, 1998; Wu and Zhang, 1998）、中南半島—南海之間的緯向感熱差異（王世玉和錢永甫, 2001），對(duì)夏季風(fēng)環(huán)流建立有重要影響（Murakami et al., 1986; So and Chan, 1997），張立鳳等（2008）通過計(jì)算分析球面Rossby 波發(fā)展型波包的演變，波包向低緯度傳播激發(fā)熱帶地區(qū)的積云對(duì)流，積云對(duì)流的爆發(fā)并向季風(fēng)區(qū)傳播，加速了大氣環(huán)流調(diào)整，最終促使南海夏季風(fēng)的爆發(fā)。南海夏季風(fēng)的爆發(fā)是局地現(xiàn)象，但其爆發(fā)原因卻是全球性的。此外，從海氣相互作用角度，袁媛和李崇銀（2009）指出熱帶海溫異常對(duì)南海夏季風(fēng)爆發(fā)有顯著影響，南?！魈窖筝^大的緯向溫度梯度是南海夏季風(fēng)爆發(fā)早于南亞季風(fēng)的原因之一（謝安等,1999）。從中低緯度環(huán)流系統(tǒng)相互作用的角度，中緯度西風(fēng)槽與冷鋒活動(dòng)是南海夏季風(fēng)的觸發(fā)機(jī)制之一（Chang and Chen, 1995; 吳池勝等, 2001），即較深的西風(fēng)槽東移配合一定強(qiáng)度的鋒面系統(tǒng)南下促使西太平洋副熱帶高壓東退，進(jìn)而有助于南海夏季風(fēng)建立。南海夏季風(fēng)活動(dòng)也與大氣低頻振蕩有密切關(guān)系，表明熱帶天氣系統(tǒng)的活動(dòng)可能有調(diào)節(jié)作用（溫之平等, 2006; 陳尚鋒等, 2011; Huangfu et al.,2018）。溫之平等（2016）從局地經(jīng)向環(huán)流異常的角度，分析影響季風(fēng)爆發(fā)的相應(yīng)天氣過程與貢獻(xiàn)機(jī)制，局地經(jīng)向環(huán)流異常呈現(xiàn)為“Hadley 環(huán)流”形態(tài)，非均勻潛熱加熱對(duì)這種異常的貢獻(xiàn)作用最為顯著，其次是溫度平流和西風(fēng)動(dòng)量輸送過程。

3 影響暖季南海中尺度對(duì)流過程的重要天氣系統(tǒng)

20 世紀(jì)80 年代，梁必騏（1985）逐步開展南海地區(qū)熱帶大氣環(huán)流系統(tǒng)的研究，較為全面地歸納了南海夏季環(huán)流系統(tǒng)的成員構(gòu)成（包括南海ITCZ、東風(fēng)波、熱帶氣旋與季風(fēng)低壓等）、活動(dòng)和結(jié)構(gòu)特征等，指出了南海地區(qū)夏季熱帶環(huán)流結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并存在各種不同尺度的天氣系統(tǒng)相互作用，如行星尺度的ITCZ、熱帶東風(fēng)急流，天氣尺度的東風(fēng)波、熱帶氣旋以及熱帶云團(tuán)，次天氣尺度的中層氣旋、季風(fēng)低壓以及赤道反氣旋等，多尺度天氣系統(tǒng)相互作用使得南海地區(qū)的天氣現(xiàn)象多樣且復(fù)雜。本節(jié)將概述性回顧暖季影響南海地區(qū)的重要天氣系統(tǒng)。

3.1 南海熱帶輻合帶（ITCZ）

作為暖季南海地區(qū)最常見的行星尺度系統(tǒng)，南海ITCZ 主要是由于暖季西太平洋副熱帶高壓位置北移，其南緣低層的偏東氣流或東北氣流與來自孟加拉灣的西南季風(fēng)氣流、110°E 印尼附近低層向北的越赤道氣流形成的寬闊帶狀輻合區(qū)，其對(duì)應(yīng)在氣壓場上表現(xiàn)為準(zhǔn)東西向的赤道低壓槽。按氣流來源方向分類，ITCZ 可分為季風(fēng)輻合帶和信風(fēng)輻合帶，南海暖季的ITCZ 屬于典型的季風(fēng)輻合帶（陳世訓(xùn)和柯史創(chuàng), 1987）。

南海ITCZ 具有明顯的季節(jié)性移動(dòng)特征，在南海附近隨季節(jié)變化南北擺動(dòng)（圖2），其活動(dòng)主要由大尺度流場決定（黃小燕等, 2017），每年7～9月份主要在南海東部、巴士海峽一帶擺動(dòng)，輻合強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，輻合帶形態(tài)最清晰，其最北可推進(jìn)至25°N 附近。蔣全榮和余志豪（1984）統(tǒng)計(jì)1973～1979 年南海及鄰近地區(qū)ITCZ 頻數(shù)表明，ITCZ 平均生命史為7～8 d，平均出現(xiàn)日數(shù)（18.9 d）、過程頻次（2.4 次）均在8 月份達(dá)到全年峰值，而過程平均持續(xù)日數(shù)最長（10.2 d）則出現(xiàn)在9 月份。10 月份南海ITCZ 向南撤退至15°N 以南。由于暖季西太平洋副熱帶高壓較為強(qiáng)盛，因此南海ITCZ的活躍程度主要受西南季風(fēng)、越赤道氣流影響，當(dāng)南半球冬季風(fēng)勢(shì)力增強(qiáng)，印度洋西南季風(fēng)及印尼附近向北的越赤道氣流隨之增強(qiáng)，南海ITCZ 會(huì)形成強(qiáng)烈的氣流輻合，形成大面積的熱帶對(duì)流云團(tuán)，并產(chǎn)生一些氣旋性渦旋（沈如金等, 1978）。此外，南海ITCZ 的強(qiáng)度與位置有準(zhǔn)雙周的周期性振蕩（蔣全榮和余志豪, 1984; 陳世訓(xùn)和柯史創(chuàng), 1987）與明顯的年際變化特征（李崇銀和潘靜, 2007; 黃小燕等, 2017）。

圖2 1979～2013 年逐月的南海熱帶輻合帶（ITCZ）向外長波輻射值（單位：W m?2）的緯度—時(shí)間演變，經(jīng)度范圍取110°～120°E 平均[引自黃小燕等（2017）]Fig.2 Latitude–time cross section for the outgoing longwave radiation (units: W m?2) of the ITCZ (Intertropical Convergence Zone) with one-month interval over the South China Sea from 1979 to 2013, the average longitude range is from 110°E to 120°E [cited from Huang et al. (2017)]

關(guān)于南海ITCZ 的結(jié)構(gòu)特征，大多數(shù)情況下其在垂直方向上隨高度向南傾斜或近乎垂直，呈現(xiàn)低層輻合—高層輻散、中低層正—高層弱正或負(fù)渦度的結(jié)構(gòu)；濕度場呈舌狀形態(tài)分布，南側(cè)的濕度高于北側(cè)；溫度場上無明顯的水平溫度梯度，南北兩側(cè)溫度小于3°C，其在垂直方向上表現(xiàn)出低層冷、中高層暖且對(duì)流層頂附近存在冷中心的特征（梁必騏等, 1976; 蔣全榮和余志豪, 1984），這種垂直方向上的風(fēng)溫結(jié)構(gòu)特征表明第二類條件不穩(wěn)定可能是南海ITCZ 形成與維持的重要機(jī)制（梁必騏, 1985），但這與南亞地區(qū)ITCZ（Sawyer, 1947）、中美洲ITCZ 以及大西洋、東太平洋ITCZ（Estoque, 1975;Frank, 1983; Fernandez-Paptagas and Estoque, 1985）的垂直溫度結(jié)構(gòu)都有較為明顯的差異。

3.2 南海熱帶氣旋

南海地區(qū)是全球熱帶氣旋活動(dòng)最頻繁的海區(qū)之一（梁必騏, 1985），影響南海的熱帶氣旋有兩類，一類起源于西北太平洋，另一類在南海海域生成，南海作為熱帶氣旋影響我國華南的“海上關(guān)鍵區(qū)”，一直以來備受重視與關(guān)注。20 世紀(jì)50 年代，李憲之（1956）對(duì)國際上關(guān)于熱帶氣旋生成的不同學(xué)說與批判進(jìn)行了歸納與整理，較為全面系統(tǒng)地解答了當(dāng)時(shí)讓我國許多學(xué)者困惑的基本問題，并形成了熱帶氣旋生成的綜合學(xué)說，強(qiáng)調(diào)了大氣熱力學(xué)穩(wěn)定度與冷空氣觸發(fā)作用對(duì)熱帶氣旋初生的重要性。后來，南海熱帶氣旋的基本特點(diǎn)開始被逐漸認(rèn)識(shí)（趙亞民, 1959）。韋有暹等（1965）對(duì)南海熱帶氣旋發(fā)生、發(fā)展問題進(jìn)行了初步探索，并構(gòu)建了南海熱帶氣旋是否發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)判別式，開創(chuàng)了我國對(duì)南海熱帶氣旋預(yù)報(bào)研究的先河。

西北太平洋和南海存在三個(gè)熱帶氣旋生成源高頻中心（圖3），其中南海東北部海域是熱帶氣旋生成源地的高頻中心之一，其生成密度僅次于菲律賓呂宋島東南部西北太平洋（柳龍生等, 2019）。然而，相較于西北太平洋洋面生成的熱帶氣旋，南海熱帶氣旋總體具有尺度偏小、強(qiáng)度較弱、生命史較短和生成緯度偏北等特點(diǎn)（梁必騏, 1985）。因暖季南海高層受熱帶東風(fēng)急流影響，低層盛行西南季風(fēng)，這種高低層風(fēng)場與系統(tǒng)配置使南海熱帶氣旋具有明顯的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性，云系結(jié)構(gòu)的螺旋性形態(tài)也較西北太平洋熱帶氣旋差，因此其造成的降水亦有不均勻性（梁必騏, 1991），這種結(jié)構(gòu)差異也體現(xiàn)在熱帶氣旋內(nèi)部動(dòng)力結(jié)構(gòu)上，例如其螺旋結(jié)構(gòu)自下而上明顯向外傾斜，這在散度場結(jié)構(gòu)上較為顯著（徐燚等, 2007），又如對(duì)流層高低層散度、渦度之差與南海熱帶氣旋發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系密切，這與西北太平洋的熱帶氣旋有較大差異（楊松和梁必騏, 1988）。南海熱帶氣旋活動(dòng)期間存在顯著的海氣界面熱量交換（吳迪生等, 2001），蔣迪等（2012）指出南海熱帶氣旋形成過程中，海洋向大氣釋放的熱通量是逐日遞增的，熱帶氣旋中心南側(cè)的海洋為其發(fā)展提供主要能量來源，熱通量沿順時(shí)針方向向熱帶氣旋北側(cè)傳播，表明熱帶氣旋外圍渦旋具有羅斯貝波的能量頻散特征。

圖3 1949～2018 年西北太平洋和南海臺(tái)風(fēng)生成源地密度分布（等值線，單位：個(gè)π?1 R?2，R=250 km）與2018 年臺(tái)風(fēng)生成位置[引自柳龍生等（2019）]Fig.3 Density distribution (isolines, units: incident π?1 R?2, R=250 km) of typhoon formation over the western North Pacific and South China Sea from 1949 to 2018 and formation positions (red typhoon symbol) of typhoons in 2018 [cited from Liu et al. (2019)]

影響南海地區(qū)的熱帶氣旋，其生命史和路徑較之其他地區(qū)，特色鮮明（黃忠和林良勛, 2004; 廖菲等, 2019）。崔志強(qiáng)等（1992）統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，一般強(qiáng)度越弱的南海熱帶氣旋生命史越長，其中最長生命史的南海熱帶氣旋多位于海南島東南方海面。然而，西北太平洋和南海熱帶氣旋出現(xiàn)復(fù)雜路徑的概率并不低，且蛇形路徑、突然偏折及打轉(zhuǎn)等路徑更多地發(fā)生在南海地區(qū)，成因可能與南海上空復(fù)雜的大尺度熱帶環(huán)流系統(tǒng)有關(guān)（韋有暹和朱慶圻,1985），而路徑快速轉(zhuǎn)向主要出現(xiàn)在近海岸地區(qū)和南海中北部的偏東區(qū)域（廖菲等, 2019）。此外，鋒面渦旋、西南渦等外圍天氣系統(tǒng)也會(huì)對(duì)南海熱帶氣旋的發(fā)生、發(fā)展及移動(dòng)路徑產(chǎn)生影響（包澄瀾,1981; 李崇銀, 1983; 徐夢(mèng)婷等, 2016）。

3.3 南海熱帶波動(dòng)

赤道波亦稱熱帶波或低緯波，是熱帶波動(dòng)的統(tǒng)稱，其中對(duì)流層高層的混合Rossby 重力波、Kelvin 波與低緯度Rossby 波等是影響熱帶低緯度地區(qū)的三種主要波動(dòng)類型。經(jīng)典的東風(fēng)波（即低緯度Rossby 波）最早是在20 世紀(jì)50 年代被Riehl（1958）首先提出，作為影響南海地區(qū)的主要天氣波動(dòng)，從20 世紀(jì)70 年代以來一直被廣泛研究。Burpee（1972）與Shapiro（1977）認(rèn)為東風(fēng)波有三類形成機(jī)制，第一類是中低緯度地區(qū)對(duì)流層高層的高空冷渦系統(tǒng)逐漸向下發(fā)展，從而在對(duì)流層中低層形成波動(dòng)；第二類是由于西風(fēng)帶中的Rossby 波槽加深，伸入熱帶地區(qū)而產(chǎn)生；第三類是ITCZ 的擾動(dòng)移至北半球副熱帶高壓南側(cè)的東風(fēng)氣流，氣流發(fā)生彎曲形成。不同類型東風(fēng)波的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)有明顯的差異：經(jīng)典東風(fēng)波的波槽一般隨高度略向東傾斜，在水平方向呈南北走向，槽前為東北風(fēng)，槽后為東南風(fēng)，東風(fēng)隨高度減弱，槽后輻合上升，因此對(duì)流性降水天氣多發(fā)生在槽后；疊加在低層西南季風(fēng)之上的東風(fēng)波一般在5～12 km，東風(fēng)風(fēng)速隨高度增強(qiáng)，槽前低層輻合，高層輻散，所以對(duì)流天氣主要發(fā)生在槽前及槽線附近（梁必騏, 1985）。

早期有研究認(rèn)為南海地區(qū)暖季盛行西南季風(fēng)，東風(fēng)波難以在南海地區(qū)活動(dòng)，但業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中發(fā)現(xiàn)，低空西南季風(fēng)上部經(jīng)常疊加?xùn)|風(fēng)波（朱抱真等,1966），可影響南海及我國華南地區(qū)中尺度對(duì)流的發(fā)生、發(fā)展。梁必騏等（1984, 1985）歸納了影響華南地區(qū)不同東風(fēng)波類型，分別是發(fā)生在深厚東風(fēng)氣流層中的東風(fēng)波（經(jīng)典型）、對(duì)流層中低層的東風(fēng)波以及疊加在西南季風(fēng)上的東風(fēng)波，不同類型的東風(fēng)波造成的降水落區(qū)有明顯不同。

單純的東風(fēng)波通常會(huì)給南海及華南地區(qū)造成對(duì)流性降水天氣，但當(dāng)其與低渦疊加、與西南季風(fēng)等其他天氣系統(tǒng)相互作用，產(chǎn)生的降水強(qiáng)度會(huì)明顯增大（梁必騏, 1991）。在南海地區(qū)東風(fēng)波與西南季風(fēng)的相互作用經(jīng)常發(fā)生，來自孟加拉灣的強(qiáng)盛西南季風(fēng)或印尼附近較強(qiáng)的越赤道氣流與南海地區(qū)對(duì)流層中低層的東風(fēng)波相結(jié)合，增加?xùn)|風(fēng)波的低層輻合，同時(shí)水平風(fēng)切變加強(qiáng)，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下可發(fā)展為熱帶氣旋。另外，東風(fēng)波也可與切變東風(fēng)基流、絕熱加熱、赤道西風(fēng)與熱帶氣旋等相互作用進(jìn)而影響南海及華南地區(qū)的天氣（呂克利, 1985; 劉伯漢,1991; 陳瑞閃等, 1995; 吳陽和周毅, 2005）。

3.4 南海季風(fēng)低壓

季風(fēng)低壓一般是指發(fā)生在ITCZ 內(nèi)的天氣尺度氣旋性環(huán)流系統(tǒng)，因在氣壓場上表現(xiàn)為處在季風(fēng)槽內(nèi)部的閉合性低壓系統(tǒng)，且與西南季風(fēng)聯(lián)系密切，因此稱之為季風(fēng)低壓。季風(fēng)低壓實(shí)質(zhì)上屬于熱帶低壓的一種，但其與西南季風(fēng)相結(jié)合，這是它與狹義上的熱帶低壓的主要區(qū)別。當(dāng)暖季南海有季風(fēng)槽活動(dòng)，且西南季風(fēng)較為強(qiáng)盛時(shí)，季風(fēng)槽內(nèi)部會(huì)發(fā)展出季風(fēng)低壓，南海季風(fēng)低壓不僅直接影響南海海洋上的天氣，也會(huì)影響中南半島以及我國華南地區(qū)的天氣。

對(duì)南海季風(fēng)低壓的研究主要從20 世紀(jì)80 年代開始，但在此之前（20 世紀(jì)70 年代），關(guān)于印度（孟加拉灣）季風(fēng)低壓的研究取得了不少成果，為南海季風(fēng)低壓的研究提供了借鑒，包括其動(dòng)力結(jié)構(gòu)與能量診斷（Krishnamurti et al., 1975, 1976; Nitta and Masuda, 1981）、渦度與動(dòng)量收支（Daggupaty and Sikka, 1977; 江敦春, 1987; 孔期等, 2005）、形成機(jī)理（Shukla, 1978）等。1973～1987 年5～10月份關(guān)于南海季風(fēng)低壓數(shù)量的統(tǒng)計(jì)表明，南海季風(fēng)低壓年平均生成4.3 個(gè)，其中有57%作為初始擾動(dòng)發(fā)展加強(qiáng)為熱帶氣旋（梁必騏, 1991）。南海季風(fēng)低壓的生命史在3 d 左右，一般向西或西北方向移動(dòng)，移速約為每天3～4 個(gè)經(jīng)距。關(guān)于南海季風(fēng)低壓的活動(dòng)與結(jié)構(gòu)特征（梁必騏等, 1985）、演變與渦度收支以及潛熱釋放的反饋?zhàn)饔茫罕仳U和劉四臣, 1988, 1989; 劉四臣和梁必騏, 1993）不斷有新的研究結(jié)論。此外，劉四臣和梁必騏（1988）還探討了南海季風(fēng)低壓的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制，發(fā)現(xiàn)以積云對(duì)流所造成的潛熱加熱、水平溫度平流與渦度平流對(duì)季風(fēng)低壓的形成與發(fā)展起重要作用。季風(fēng)低壓的發(fā)展與大氣中水汽含量密切相關(guān)，積云對(duì)流過程及其潛熱的釋放對(duì)季風(fēng)低壓發(fā)展有顯著影響（容廣塤和譚銳志, 1991）。然而，與南海熱帶氣旋比較發(fā)現(xiàn)，南海季風(fēng)低壓無論是在垂直渦度和散度結(jié)構(gòu)、環(huán)境場條件，還是在對(duì)稱性特征等方面都存在明顯差異（鄒美恩和梁必騏, 1984）。

南海季風(fēng)低壓是華南地區(qū)暖季尤其是華南后汛期（7～9 月）的重要暴雨系統(tǒng)（梁必騏等, 1993）。蔣建瑩等（2007）針對(duì)華南一次季風(fēng)低壓大暴雨過程開展詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)季風(fēng)低壓具有上暖下冷的熱力層結(jié)分布，對(duì)流層中低層具有對(duì)流不穩(wěn)定特征，動(dòng)力結(jié)構(gòu)方面則表現(xiàn)出低層輻合且伴隨有氣旋性渦度、高層輻散并伴有反氣旋性渦度的特點(diǎn)（圖4），低壓中心軸線隨高度向東南方向傾斜，這種結(jié)構(gòu)與南亞季風(fēng)低壓和梅雨鋒低壓均有較大不同。2018年8 月末在南海季風(fēng)低壓提供的顯著天氣尺度系統(tǒng)強(qiáng)迫背景下（圖5），華南沿海出現(xiàn)了一次持續(xù)性大范圍強(qiáng)降水，最大24 小時(shí)降水量為1056.7 mm，刷新了廣東省歷史極值（Li et al., 2020; 曾智琳等,2020），表明季風(fēng)低壓可產(chǎn)生不亞于熱帶氣旋的暴雨強(qiáng)度。蔡景就等（2019）分析指出，暴雨盛期低壓環(huán)流的渦度大值中心位置逐漸升高，季風(fēng)低壓的強(qiáng)度演變與暴雨落區(qū)范圍大小的逐日分布是同步的，但與日最大降水量的逐日演變僅在低壓加強(qiáng)階段保持一致?；贖ysplit 后向軌跡模式追蹤該季風(fēng)低壓的水汽來源，發(fā)現(xiàn)主要水汽來自于印度洋，季風(fēng)低壓可使華南沿岸成為北半球最強(qiáng)的水汽匯合區(qū)（郭姿佑等, 2019）。

圖4 2005 年8 月19～20 日華南季風(fēng)低壓的三維結(jié)構(gòu)概略模型[引自蔣建瑩等（2007）]Fig.4 Schematic of the three-dimensional monsoon depression over South China on 19–20 August 2005 [cited from Jiang et al. (2007)]

圖5 2018 年8 月30～31 日與南海季風(fēng)低壓相關(guān)的華南極端降水事件的多尺度概念模型[引自曾智琳等（2020）]Fig.5 Multiscale schematic diagram for the extreme rainfall event associated with the monsoon depression over South China during 30–31 August 2018 [cited from Zeng et al. (2020)]

3.5 南海中層氣旋

南海地區(qū)（尤其是南海北部）暖季有類似副熱帶氣旋的氣旋性環(huán)流活動(dòng)，由于在對(duì)流層中層（700～500 hPa）最為明顯，因此稱為中層氣旋。許寧等（1976）研究發(fā)現(xiàn)，南海中層氣旋與在東北太平洋發(fā)現(xiàn)的副熱帶氣旋有差異，實(shí)際上中層氣旋與季風(fēng)低壓、熱帶低壓本質(zhì)是類似的，但其有別于后兩者的是尺度相對(duì)較小、氣旋性環(huán)流和最強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)都發(fā)生在對(duì)流層中層。中層氣旋的移動(dòng)規(guī)律也頗為復(fù)雜，不同過程的中層氣旋的移動(dòng)方向不一樣，但整體移速偏慢（15～20 km/h），部分呈現(xiàn)準(zhǔn)靜止的狀態(tài)（梁必騏, 1991）。根據(jù)對(duì)南海中層氣旋的合成分析研究顯示，中層氣旋也具有上暖下冷的結(jié)構(gòu)特征，這與季風(fēng)低壓類似，但低層冷心較為深厚，氣旋性旋轉(zhuǎn)軸隨高度向暖心一側(cè)傾斜，氣旋性輻合最強(qiáng)在700 hPa 附近，較季風(fēng)低壓要更高（許寧等, 1976; 鄒美恩和梁必騏, 1982）。

Carr（1977）依據(jù)天氣學(xué)分析，認(rèn)為中層氣旋可分為熱帶輻合帶類、切斷低渦類、東風(fēng)擾動(dòng)類和季風(fēng)擾動(dòng)類，張愛華和蔣伯仁（1983）則將其分為切斷類氣旋、東風(fēng)類氣旋、南風(fēng)類氣旋與輻合類氣旋等四類，不同類型（形成方式）的南海中層氣旋對(duì)華南地區(qū)影響程度不同。在中層氣旋發(fā)生、發(fā)展階段，中層氣旋首先在中層形成，隨后向上、下層逐漸延伸發(fā)展，在地面一般無明顯反映，這與南海季風(fēng)低壓、熱帶氣旋自下而上發(fā)展過程、地面有相應(yīng)的閉合中心有顯著區(qū)別（梁必騏等, 1976）。南海地區(qū)發(fā)展型和非發(fā)展型中層氣旋的結(jié)構(gòu)特征有著明顯的區(qū)別，發(fā)展型中層氣旋的中心渦度逐漸增大，并同時(shí)向高層和低層發(fā)展，其中低層輻合維持得較好（黃輝軍等, 2012）?；趯?duì)南海中層氣旋的溫濕結(jié)構(gòu)分析表明，南海中層氣旋的發(fā)展維持不完全依賴于潛熱釋放的反饋?zhàn)饔?，邊界層摩擦輻合不明顯，其發(fā)生、發(fā)展也不完全符合第二類條件不穩(wěn)定機(jī)制，結(jié)合其環(huán)境流場配置發(fā)現(xiàn)其垂直風(fēng)切變比較大，因此相較于熱帶天氣系統(tǒng)通常依賴于正壓不穩(wěn)定機(jī)制，斜壓不穩(wěn)定對(duì)南海中層氣旋的發(fā)生、發(fā)展與維持的作用更為重要（梁必騏, 1985; 張愛華和蔣伯仁, 1983）。

4 南海中尺度對(duì)流活動(dòng)

南海暖季中尺度對(duì)流活動(dòng)頻繁，活躍的對(duì)流除了具備中尺度對(duì)流系統(tǒng)（Mesoscale convective system, 簡稱MCS）的一般特性，其對(duì)流組織、發(fā)生、發(fā)展還具備地域獨(dú)特性。MCS 通常被廣泛定義為包含對(duì)流核的云團(tuán)，尺度不小于100 km，在這種系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)強(qiáng)烈天氣現(xiàn)象，如強(qiáng)雷暴、大風(fēng)、暴雨、冰雹等（Houze, 2004; Schumacher and Johnson, 2005），這些中尺度過程是地球大氣產(chǎn)生降水的主要形式。關(guān)于MCS 的研究進(jìn)展，Houze（2018）對(duì)最近100 年的MCS 的研究進(jìn)行了詳細(xì)的回顧及總結(jié)。然而，關(guān)于南海中尺度對(duì)流過程的研究成果更多地來源于1998 年5～6 月開展的南海季風(fēng)試驗(yàn)（SCSMEX），期間收集了豐富的雷達(dá)、探空和海洋觀測數(shù)據(jù)集，并被用于研究與南海季風(fēng)爆發(fā)有關(guān)的對(duì)流系統(tǒng)與環(huán)境（Lau et al., 2000）、對(duì)流的組織和傳播特征、對(duì)流結(jié)構(gòu)和降水微物理、對(duì)流區(qū)域變化、對(duì)流加熱廓線及其日變化演變等（Chan et al., 2000; Johnson and Ciesielski, 2002;Wang, 2004; Johnson et al., 2005; Wang and Carey,2005; Ciesielski and Johnson, 2006; Aves and Johnson, 2008）。

本文第3 節(jié)回顧了暖季影響南海地區(qū)的ITCZ、季風(fēng)低壓、中層氣旋等主要天氣系統(tǒng)的研究成果，而在這些不同類型系統(tǒng)的天氣背景影響下，MCS的發(fā)生、發(fā)展、移動(dòng)演變具有不同的活動(dòng)特征（梁必騏, 1991）。例如，南海ITCZ 下的對(duì)流云區(qū)寬達(dá)數(shù)百公里，最活躍對(duì)流位于地面ITCZ 以南3～6 個(gè)緯距；移入南海的東風(fēng)波伴隨有MCS 逐漸西移，且不同類型東風(fēng)波的MCS 所產(chǎn)生的壞天氣分別可能出現(xiàn)在槽后、槽前以及槽線附近等不同位置；而對(duì)于南海熱帶氣旋相關(guān)的中尺度對(duì)流，除了熱帶系統(tǒng)本體旺盛的對(duì)流以外，熱帶氣旋外圍螺旋雨帶的MCS 可發(fā)展為線狀形態(tài)甚至颮線（臺(tái)前颮線），這種颮線多發(fā)生在熱帶氣旋移動(dòng)路徑前方或右后方，造成雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、龍卷等劇烈天氣現(xiàn)象。

4.1 南海中尺度對(duì)流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征與活動(dòng)規(guī)律

基于SCSMEX 的研究成果，南海地區(qū)的對(duì)流組織與其他熱帶海洋系統(tǒng)具有相似特征，但在不同垂直風(fēng)切變的大氣結(jié)構(gòu)下有本地獨(dú)特的組織模態(tài)，即切變平行形態(tài)（shear-parallel bands），其成因可能是南海地區(qū)對(duì)流與中緯度副熱帶鋒面系統(tǒng)相互作用的結(jié)果（Johnson et al., 2005）。然而，在鋒面的前側(cè)與鋒后位置對(duì)流的發(fā)展強(qiáng)度、垂直伸展高度以及降水微物理等有較大差異（Wang, 2004; Wang and Carey, 2005）。

許多研究表明，季風(fēng)活躍期與間歇期的對(duì)流強(qiáng)度 和 結(jié) 構(gòu) 存 在 明 顯 差 異（Williams et al., 1992;Cifelli and Rutledge, 1998; Petersen and Rutledge,2001; Xu and Zipser, 2012）。例如，在熱帶低緯度的亞馬遜地區(qū)，低層盛行西風(fēng)時(shí)的對(duì)流與在盛行東風(fēng)期間有很大不同（Cifelli et al., 2002; Williams et al., 2002）。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)季風(fēng)間歇期和低層盛行東風(fēng)期期間的對(duì)流更加強(qiáng)烈（Petersen et al., 2002）。季風(fēng)爆發(fā)后南海的閃電比例較季風(fēng)爆發(fā)前減少，降水系統(tǒng)的垂直發(fā)展強(qiáng)度減弱（Yuan and Qie, 2008）。南海季風(fēng)區(qū)在夏季風(fēng)爆發(fā)前后熱帶深對(duì)流的傳播具有顯著的多向性特征，其傳播受南半球熱帶地區(qū)與北半球中緯度地區(qū)天氣系統(tǒng)共同影響，因而其對(duì)流活動(dòng)遠(yuǎn)比孟加拉灣季風(fēng)區(qū)復(fù)雜（高輝, 2009）。在對(duì)流強(qiáng)度方面，南海地區(qū)的對(duì)流也表現(xiàn)出不同階段的強(qiáng)度差異特征，雖然季風(fēng)爆發(fā)后，MCS 的云水含量顯著增加（Johnson et al., 2005），但季風(fēng)爆發(fā)前的對(duì)流強(qiáng)度明顯高于季風(fēng)爆發(fā)后，其主要表現(xiàn)是具有更高的閃電比率（Yuan and Qie, 2008）。在季風(fēng)爆發(fā)初期，由于對(duì)流層上層相對(duì)較干冷，層結(jié)不穩(wěn)定特征更為顯著，因而南海北部的降水系統(tǒng)主要為深對(duì)流（Ciesielski and Johnson, 2006），其層云面積相對(duì)熱帶其他區(qū)域比例偏少（Johnson et al.,2005; Lee et al., 2013），而南海南部的降水系統(tǒng)主要表現(xiàn)為婆羅洲西邊海岸線周期性的、層云降水比重較大的MCS 和淺的對(duì)流云（Ciesielski and Johnson, 2006）。然而，杜爽等（2020）基于雙頻星載雷達(dá)對(duì)比分析了南海與華南地區(qū)對(duì)流發(fā)展高度特征，發(fā)現(xiàn)南海海洋對(duì)流回波頂高普遍低于華南陸地（圖6），無明顯季節(jié)性變化，但無論層云降水還是對(duì)流性降水，其回波頂高頻率在3.5 km 與5.5 km 高度處存在峰值（圖7）。此外，基于SCSMEX 學(xué)者們也開展了大量個(gè)例研究，并從中尺度角度分析研究了南海對(duì)流的結(jié)構(gòu)特征與演變過程（Johnson and Ciesielski, 2002; Lin and Kuch,2003）以及與大尺度天氣系統(tǒng)的關(guān)系（柳艷菊等,2005; 柳艷菊和丁一匯, 2005）。

圖6 2014～2018 年華南與南海地區(qū)（a）春季、（b）夏季、（c）秋季和（d）冬季的雷達(dá)回波頂高度[引自杜爽等（2020）]Fig.6 Top height of radar echo for (a) spring, (b) summer, (c) autumn, and (d) winter over South China and the South China Sea during 2014–2018[cited from Du et al. (2020)]

圖7（a）華南（黑色矩形）區(qū)域、南海區(qū)域及其附近區(qū)域地形。2014～2018 年（b）華南陸地對(duì)流性降水、（c）華南陸地層狀性降水、（d）南海海洋對(duì)流性降水、（e）南海海洋層狀性降水不同季節(jié)回波頂高度的概率密度函數(shù)（PDF）分布[引自杜爽等（2020）]Fig.7 (a) Topography (units: m) of South China landmass (the black frame), the South China Sea, and their vicinities. Probability density functions(PDF) of convective precipitation over the (b) South China landmass, (d) South China Sea and stratiform precipitation over the (c) South China landmass, (e) South China Sea during 2014–2018 [cited from Du et al. (2020)]

在南海對(duì)流與季節(jié)尺度振蕩的關(guān)系方面，Ho et al.（2008）研究了熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩（ISO）與熱帶對(duì)流活動(dòng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)與ISO 活躍期（西風(fēng)環(huán)境條件下）相比，ISO 非活躍期（東風(fēng)環(huán)境條件下）在天氣雷達(dá)圖上顯現(xiàn)出的對(duì)流更為強(qiáng)烈。此外，ISO 非活躍期南海附近的對(duì)流多觸發(fā)于午后的陸地，夜間逐漸地向近海遷移。Xu and Rutledge（2018）采用TRMM 衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究了南海和鄰近陸地對(duì)流云系特征與北半球夏季季節(jié)內(nèi)振蕩（BSISO）的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)南海上空在BSISO 不活躍期存在著淺積云、濃積云和深對(duì)流三種不同對(duì)流模態(tài)，而陸地對(duì)流只表現(xiàn)為濃積云和深對(duì)流兩種模態(tài)。在BSISO活躍期，南海上空的淺積云明顯減少，但造成降水對(duì)流系統(tǒng)尺度更大，亦含有較大比例的層狀降水。此外，BSISO 非活躍期陸地（中南半島及菲律賓）對(duì)流發(fā)展得更高，混合相態(tài)的微物理過程更明顯（圖8），南海在BSISO 活躍期與不活躍期的對(duì)流結(jié)構(gòu)差異不明顯，亦無顯著的日變化特征（Xu and Rutledge, 2018）。

圖8 1998～2013 年北半球夏季季節(jié)內(nèi)振蕩（BSISO）（a）不活躍階段（對(duì)流抑制階段）、（c）活躍階段雨帶區(qū)域（中南半島、南海與菲律賓）對(duì)流結(jié)構(gòu)與微物理特征的概念模型，（b）BSISO 不活躍階段、（d）BSISO 活躍階段對(duì)流性降水區(qū)域內(nèi)距離地面6 km 以上30 dBZ以上反射率因子發(fā)生頻率的日變化[引自Xu and Rutledge（2018）]Fig.8 Conceptual model of convective structures and microphysical properties across the BSISO rainband region (i.e., Indonesia, the South China Sea, and the Philippines) during (a) inactive and (c) active BSISO (Boreal Summer Intraseasonal Oscillation) periods, diurnal variations on the 30 dBZ occurrence frequency above 6 km in convective precipitation areas during (b) inactive and (d) active BSISO periods during 1998–2013 [cited from Xu and Rutledge (2018)]

4.2 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理

在大尺度天氣背景下，MCS 及降水的形成需具備有利的海洋和大氣環(huán)境條件和要素，如適當(dāng)?shù)暮Ｑ蟾袩釢摕?，這些有利條件通過引起海面溫鹽異常和熱通量異常，進(jìn)而影響MCS 的形成（Sun et al., 2016; 謝旭丹等, 2018; Zu et al., 2019; Qiu et al.,2019）。來自孟加拉灣與副熱帶高壓西側(cè)的西南氣流可為南海北部提供大量水汽，形成該區(qū)深厚的濕層和強(qiáng)水汽輻合（王立琨等, 2001），進(jìn)而促使MCS 發(fā)生、發(fā)展。在季風(fēng)爆發(fā)初期，華南和南海北部對(duì)流層低層較高的假相當(dāng)位溫、對(duì)流不穩(wěn)定性、潛熱加熱可增大至季風(fēng)爆發(fā)前的兩倍（Li et al.,2013a, 2013b），低層西南風(fēng)輻合和高層的輻散（柳艷菊等, 2005）使得大氣濕層變得深厚，為季風(fēng)槽的維持和MCS 的發(fā)展提供有利的大尺度熱力、動(dòng) 力 和 水 汽 條 件（蒙 偉 光 等, 2004, 2007, 2014,2019），其中水汽的持續(xù)輸送補(bǔ)充作用尤為重要（Tao et al., 2003）。另外，南海北部的冷空氣活動(dòng)是對(duì)流發(fā)生的重要觸發(fā)機(jī)制之一，其作用是加速對(duì)流不穩(wěn)定能量的迅速釋放與對(duì)流爆發(fā)（柳艷菊和丁一匯, 2005），由季風(fēng)環(huán)流觸發(fā)的風(fēng)切變有利于強(qiáng)對(duì)流云的維持與發(fā)展。Wang and Carey（2005）分析了SCSMEX 期間MCS 造成的一次持續(xù)10 h的颮線過程，指出該颮線具有較高雷達(dá)反射率，層狀云降水較小且位于對(duì)流區(qū)前側(cè)，而強(qiáng)上升區(qū)位于后側(cè)的特征，這與典型熱帶海洋颮線有所不同，與中緯度地區(qū)的颮線結(jié)構(gòu)（Tollerud and Esbensen,1985）也有很大差異。

與一般的熱帶海洋對(duì)流（40%～50%）相比，南海北部降水系統(tǒng)中的層狀降雨比例（25%）要小得多，這可能與南海北部大氣不穩(wěn)定程度、海表溫度較高以及對(duì)流層上部相對(duì)干燥的環(huán)境條件有關(guān)（Wang and Carey, 2005; Johnson et al., 2005）。Choudhury and Krishnan（2011）針對(duì)南亞季風(fēng)槽研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MCS 以層云降水為主時(shí)其加熱可更有效地促進(jìn)季風(fēng)槽氣旋性環(huán)流的向上發(fā)展，而當(dāng)MCS 以深對(duì)流降水加熱為主時(shí)，中層的響應(yīng)則僅限于某些局部區(qū)域。這從側(cè)面說明MCS 的發(fā)生、發(fā)展對(duì)大尺度環(huán)流有重要的反饋?zhàn)饔?。然而SCSMEX 主要關(guān)注的是5～6 月南海季風(fēng)爆發(fā)之前和爆發(fā)期間發(fā)生的對(duì)流，對(duì)于華南后汛期（7～9 月）與季風(fēng)槽相關(guān)的MCS 研究比較有限。

在對(duì)流發(fā)生、發(fā)展的微物理方面，Park et al.（2007）認(rèn)為南海上空的對(duì)流發(fā)展比菲律賓海附近的更強(qiáng)，通常表現(xiàn)在前者更強(qiáng)烈的雷達(dá)反射率結(jié)構(gòu)和微波冰散射特征。南海上空對(duì)流的發(fā)生、發(fā)展既有大陸性對(duì)流的特征，也具有熱帶海洋性對(duì)流的特征，屬于典型的海洋性大陸對(duì)流，其成因可能與來自鄰近大陸、海洋島嶼的氣溶膠有關(guān)，也與對(duì)流系統(tǒng)從周邊陸地觸發(fā)、隨后移進(jìn)南海地區(qū)有關(guān)（Takayabu et al., 2006; Park et al., 2007; Ho et al.,2008）。而對(duì)南海上空來說，F(xiàn)u et al.（2011）的研究結(jié)果表明，冰相態(tài)的微物理效應(yīng)主要受輻射過程而不是微物理本身來控制的。此外，冰云還可以導(dǎo)致中高層大氣變暖變干，并使層結(jié)變得穩(wěn)定，從而抑制對(duì)流的進(jìn)一步發(fā)展。

4.3 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的形成與增長機(jī)制

南海MCS 的形成與增長機(jī)制與有利的天氣尺度強(qiáng)迫密不可分（Tao and Chen, 1987; Chen et al,1996; 史學(xué)麗和丁一匯, 2000; Ding and Liu, 2001; 柳艷菊等, 2005）。特別是在南海季風(fēng)爆發(fā)期，南海地區(qū)對(duì)流強(qiáng)烈發(fā)展，積云與積雨云在短時(shí)間內(nèi)迅速增多（梁必騏, 1991）。來自熱帶海洋的暖濕空氣提高了大氣的濕靜力能，同時(shí)來自孟加拉灣的西南季風(fēng)擴(kuò)展至南海，在急流出口區(qū)一方面加強(qiáng)垂直風(fēng)切變，另一方面引起輻合，可為MCS 的對(duì)流增長提供有利的動(dòng)力和熱力條件。SCSMEX 外場觀測與研究表明，1998 年5 月15～17 日的強(qiáng)對(duì)流首先在南海北部突然爆發(fā)，降水迅速加強(qiáng)，季風(fēng)雨季在這個(gè)地區(qū)開始建立（Lau et al., 2000; Ding and Liu,2001; Johnson and Ciesielsk, 2002）。南海季風(fēng)帶來充沛的水汽，有利于降水的產(chǎn)生，而降水期間對(duì)流的潛熱釋放會(huì)進(jìn)一步促成新的中尺度擾動(dòng)的發(fā)展（Lin and Kuch, 2003），可見水汽凝結(jié)潛熱加熱對(duì)MCS 的增長有重要作用，但如何量化潛熱對(duì)MCS 的反饋仍具有較大不確定性。例如，基于數(shù)值模擬與衛(wèi)星觀測反演的加熱廓線有較大差異，這影響數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)熱帶對(duì)流系統(tǒng)的預(yù)報(bào)效果（Krishnamurti et al., 2010）。此外，在南海及鄰近地區(qū)，包括我國東南沿海、華南地區(qū)，MCS 和暴雨的發(fā)生與低空急流和邊界層急流等天氣尺度或次天氣尺度系統(tǒng)密切相關(guān)（Chen and Yu, 1988; Chen,1992; Du and Rotunno, 2014; Du and Chen, 2018,2019），而急流的發(fā)展是季風(fēng)加強(qiáng)的表現(xiàn)形式之一，它引起的動(dòng)量水平輸送與中低緯度鋒面、低渦或切變線的等天氣尺度強(qiáng)迫有關(guān)（Uccellini and Johnson,1979; Uccellini, 1980; 高守亭和孫淑清, 1984）。

在適宜的大尺度環(huán)境條件下，MCS 是在南海季風(fēng)槽、相應(yīng)的風(fēng)場切變線和中尺度低渦中不斷組織發(fā)展的，生命期為6～10 h 或更長（柳艷菊等,2005）。南海MCS 在全天都較為活躍，午夜形成最多，平均持續(xù)時(shí)間7.5 h。在10°N 附近（南海南部）MCS 活 躍 期 為 后 半 夜 至 白 天（Shu et al.,2013），而在20°N 附近（南海北部），對(duì)流則在早晨[0500～0800 LST（Local Solar Time）]海岸線附近頻繁出現(xiàn)，并以10～15 m/s 的速度東移至南海北部的中心區(qū)域，1400 LST 達(dá)到峰值而后逐漸 消 亡（Ciesielski and Johnson, 2006; Aves and Johnson, 2008）。在華南后汛期（7～9 月）由于處在西太平洋副熱帶高壓南側(cè)的東風(fēng)帶，南海地區(qū)的MCS 以西移為主，移速較中緯度西風(fēng)帶中的MCS 明顯偏慢，對(duì)流層中低層的垂直風(fēng)切變?cè)贛CS 的移動(dòng)中具有主導(dǎo)作用（Johnson et al., 2005）。

總體來說，在有利的環(huán)境條件下南海MCS 往往向著更有利的環(huán)境條件持續(xù)增長，然而缺乏像中緯度斜壓強(qiáng)迫、多層不同天氣系統(tǒng)的配置作用，熱帶對(duì)流發(fā)展與維持機(jī)制更依賴于潛熱釋放（Luo and Yanai, 1983, 1984; Yanai and Tomita, 1998; 柳艷菊和丁一匯, 2005）。專門針對(duì)南海海洋上MCS發(fā)生發(fā)展的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征、中尺度過程及增長機(jī)理方面的研究仍然比較少，對(duì)這方面的認(rèn)識(shí)依然非常有限。

很多研究表明，在熱帶低緯度海洋或受海洋調(diào)節(jié)影響的大陸地區(qū)，季風(fēng)活躍與非活躍階段的對(duì)流表現(xiàn)出不同特征，如在南美洲的亞馬遜河流域，盛行東風(fēng)期間的中尺度對(duì)流通常伴隨強(qiáng)烈的多相態(tài)混合過程，這可能與大氣對(duì)流有效位能（CAPE）較高以及上升氣流較強(qiáng)有關(guān)，從而導(dǎo)致頻繁的閃電現(xiàn)象（Mohr and Zipser, 1996; Petersen and Rutledge,2001; Williams and Stanfill, 2002; Xu and Zipser,2012），但該區(qū)域在季風(fēng)期間（盛行西風(fēng)）對(duì)流則類似于海洋對(duì)流，其特征是對(duì)流強(qiáng)度多為弱到中等強(qiáng)度（閃電活動(dòng)明顯減少），表現(xiàn)為顯著的“暖雨”過程，僅伴隨有弱的混合相態(tài)降水增長（Petersen and Rutledge, 2001; Williams and Stanfill, 2002; Xu and Zipser, 2012），這些特征與南海地區(qū)的對(duì)流相似，如果以雷達(dá)反射率20 dBZ為閾值表征云頂高度，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)云頂高度在3～6 km 的占比可超過40%（Xu and Rutledge, 2018）。此 外，Ho et al.（2008）、Xu and Rutledge（2018）分別研究南海對(duì)流活動(dòng)與ISO、BSISO 的關(guān)系亦發(fā)現(xiàn)類似特征。BSISO 活躍期南海的對(duì)流可發(fā)展為尺度更大降水系統(tǒng)，且層狀降水更多、閃電密度亦增加（圖9），這種現(xiàn)象是由BSISO 活躍期南海對(duì)流層中層具有更強(qiáng)的垂直風(fēng)切變和更濕的環(huán)境條件所致（Xu and Rutledge, 2018）。上述關(guān)于南海對(duì)流強(qiáng)度增長、混合相態(tài)的微物理特征在不同階段表現(xiàn)出的差異，一方面可歸因于熱帶低緯度大氣中低層的熱動(dòng)力條件 的 變 化（Williams et al., 1992; Rosenfeld and Lensky, 1998; Petersen and Rutledge, 2001），另 一方面與氣溶膠數(shù)量有關(guān)（Rosenfeld and Lensky,1998; Williams and Stanfill, 2002），或取決于二者協(xié)同作用（Williams and Stanfill, 2002; Stolz et al.,2015）。此外，大氣中不同類型潛熱（如冰相相變、凝華潛熱、碰凍潛熱）的釋放過程可通過影響海面熱通量、大氣穩(wěn)定度的變化，最終影響南海MCS的降水（付丹紅和郭學(xué)良, 2016）。

圖9 1998～2013 年BSISO 周期的（a、c）非活躍期（5～7 位相）和（b、d）活躍期（1～3 位相）平均（a、b）降水量（彩色陰影，單位：mm d?1）、850 hPa 風(fēng)場（箭頭，單位：mm s?1），（c、d）閃電密度（單位：fl km?2 a?1）[引自Xu and Rutledge（2018）]Fig.9 Mean (a, b) rainfall (shadings, units: mm d?1), 850-hPa winds (arrows, units: mm s?1）), (c, d) lightning flash density (units: fl km?2 a?1) during(a, c) inactive (Phases 1–3) and (b, d) active (Phases 5–7) BSISO periods during 1998–2013 [cited from Xu and Rutledge (2018)]

5 當(dāng)前研究的局限性、機(jī)遇與挑戰(zhàn)

5.1 當(dāng)前研究的局限性

盡管早期通過南海季風(fēng)試驗(yàn)獲取了較多寶貴的觀測資料，并取得了一系列科研成果，仍不足以全面認(rèn)識(shí)南海的天氣系統(tǒng)，尤其是時(shí)空尺度較小的中尺度對(duì)流系統(tǒng)?？傮w來看，當(dāng)前研究的局限性包括：一是近10 年關(guān)于南海天氣系統(tǒng)的研究進(jìn)展明顯放緩；二是未有專門針對(duì)南海MCS 的系統(tǒng)性研究，且研究大多是基于個(gè)例，對(duì)南海MCS 的發(fā)生頻率、活動(dòng)特征等氣候態(tài)特征與發(fā)生機(jī)理等問題仍然不太清晰。這一方面造成了對(duì)南海重要天氣系統(tǒng)的基本科學(xué)認(rèn)識(shí)仍然停留于20 世紀(jì)80～90 年代，另一方面是與南海中尺度對(duì)流系統(tǒng)相關(guān)的研究主要是基于20 多年前的SCSMEX 外場觀測資料。最近10多年來該領(lǐng)域的研究未能取得科學(xué)認(rèn)識(shí)上的新突破，這種窘境很大程度上是由南海海洋觀測資料稀缺所致。另外，我國現(xiàn)有的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式及與中尺度對(duì)流系統(tǒng)相關(guān)的主客觀預(yù)報(bào)技術(shù)與分析方法偏重于我國陸地，關(guān)于南海中尺度過程及對(duì)流系統(tǒng)至今未有系統(tǒng)地形成有針對(duì)性的預(yù)報(bào)理論、技術(shù)與方法。

5.2 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

作為中國近海中面積最大、水深最深的海區(qū)，南海在我國經(jīng)濟(jì)和軍事中具有重要地位。近年來，“一帶一路”的國家發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)南海氣象保障能力提出了新的要求，迫切需要加快提升對(duì)南海熱帶大氣環(huán)流與天氣系統(tǒng)的新認(rèn)識(shí)，尤其亟需提高對(duì)那些容易產(chǎn)生暴雨、大風(fēng)等對(duì)海洋航運(yùn)、漁業(yè)與交通運(yùn)輸?shù)劝踩绊懙闹谐叨葘?duì)流系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)識(shí)?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀，未來該領(lǐng)域研究的挑戰(zhàn)包括：

（1）南海海洋地面觀測受限。受到海島地理位置限制，海島站、浮標(biāo)站的空間分布不均勻，難以滿足探測南海區(qū)域所有中尺度對(duì)流系統(tǒng)的需求；垂直觀測探空觀測欠缺。目前我國常規(guī)探空業(yè)務(wù)一天僅觀測2 次，且分布在海洋島嶼探空極為稀少，南海海區(qū)探空觀測除西沙永興島外，其余均分布在周邊的陸地海岸地區(qū)。因此，南海海區(qū)現(xiàn)有垂直觀測的時(shí)空尺度較粗，與中尺度系統(tǒng)生命史（多為數(shù)小時(shí)）相比，這無法完整刻畫出中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展過程和三維立體結(jié)構(gòu)。

（2）近地層海氣梯度通量探測空白。?！?dú)馔枯斔蛷?qiáng)烈影響大氣邊界層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響大氣環(huán)流并造成不同尺度的天氣與氣候變化。然而，關(guān)于南海?！?dú)馔块_展的研究依然局限于1998 年SCSMEX 獲取得到的非常有限的資料（閆俊岳等,2007）。

但隨著氣象科技的發(fā)展與進(jìn)步，近年來可供研究海洋區(qū)域的數(shù)據(jù)亦日益豐富，為加深認(rèn)識(shí)南海重要天氣系統(tǒng)以及中尺度對(duì)流系統(tǒng)提供更多的可能性與機(jī)遇：

（1）各類再分析資料和新一代衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用。近年來全球再分析資料（如ERA5、JRA-55 等）、較高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)[如我國的風(fēng)云4號(hào)衛(wèi)星（FY–4）、日本的葵花8 號(hào)衛(wèi)星（Himawari–8）、GPM 等]迅速發(fā)展，為日后研究南海地區(qū)天氣系統(tǒng)及中尺度對(duì)流系統(tǒng)提供了可用的、時(shí)空分辨率較為精細(xì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）南海海洋氣象探測能力的發(fā)展。近年來，在南海區(qū)域已初步建成了包括海岸、海島、塔臺(tái)（海上石油鉆井平臺(tái)）自動(dòng)氣象觀測站，海上錨錠浮標(biāo)觀測站、志愿觀測船等自動(dòng)站加密觀測，以及以沿岸海域?yàn)橹鞯暮Ｑ笥^測、高空觀測、氣象雷達(dá)和氣象衛(wèi)星遙感觀測等構(gòu)成的海洋氣象觀測系統(tǒng)。

目前中國氣象局在南海及華南沿岸的常規(guī)地面觀測設(shè)備包括沿岸天氣雷達(dá)、海島自動(dòng)站、石油平臺(tái)（塔臺(tái)）、浮標(biāo)觀測站。2019 年中國氣象局三沙海洋氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地掛牌成立，試驗(yàn)基地包括由海南島及周邊海域觀測區(qū)（六道嶺基地）、西沙觀測區(qū)（永興島基地）、南沙觀測區(qū)（美濟(jì)礁基地）等三大綜合氣象觀測區(qū)。在南海北部、中部和南部同時(shí)具備了地面與高空、天氣雷達(dá)、衛(wèi)星接收、太陽輻射、酸雨、閃電定位、紫外線強(qiáng)度、對(duì)流層風(fēng)廓線、氣溶膠、GNSS/MET 水汽等11 種氣象觀測能力。南海海洋氣象探測資料的時(shí)空分辨率不斷得到提升，為日后加深認(rèn)識(shí)南海熱帶大氣環(huán)流以及中尺度對(duì)流系統(tǒng)活動(dòng)與結(jié)構(gòu)特征提供必要的觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

6 總結(jié)與展望

本文對(duì)南海暖季重要天氣系統(tǒng)及中尺度過程的研究進(jìn)展進(jìn)行了概述性回顧，初步總結(jié)了最近幾十年關(guān)于暖季南海熱帶大氣環(huán)流的主要特征、影響南海的重要天氣系統(tǒng)以及南海中尺度過程（尤其是中尺度對(duì)流系統(tǒng)）的活動(dòng)規(guī)律、結(jié)構(gòu)特征和形成機(jī)理等?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，早前關(guān)于南海大氣環(huán)流系統(tǒng)尤其是中尺度過程的研究很大程度上受限于海洋觀測稀缺，亦是當(dāng)前及未來一段時(shí)間該領(lǐng)域研究的需要直面的挑戰(zhàn)之一。此外，南海海洋氣象觀測網(wǎng)絡(luò)日漸發(fā)展與完善，海洋氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地的成立等為未來研究南海中尺度對(duì)流系統(tǒng)提供了必要的基礎(chǔ)條件。未來需要繼續(xù)加強(qiáng)關(guān)于南海天氣系統(tǒng)與中尺度對(duì)流系統(tǒng)的研究主要包括：

（1）從熱帶大氣環(huán)流和關(guān)鍵天氣系統(tǒng)的角度，在前人對(duì)南海季風(fēng)低壓、南海中層氣旋、南海熱帶波動(dòng)等天氣系統(tǒng)基本特征研究的基礎(chǔ)上，采用更高時(shí)空分辨率的再分析數(shù)據(jù)與多源衛(wèi)星觀測資料，開展更為細(xì)致的統(tǒng)計(jì)分析與研究，進(jìn)一步提升對(duì)海洋天氣系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

（2）實(shí)施專門針對(duì)南海中尺度對(duì)流過程的大型外場觀測試驗(yàn)，構(gòu)建空—天—海的多源稠密觀測網(wǎng)絡(luò)。加深認(rèn)識(shí)南海中尺度過程及MCS 的發(fā)生、發(fā)展，充分提煉并歸納在季風(fēng)低壓、ITCZ、熱帶波動(dòng)等不同類型天氣系統(tǒng)影響下南海中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變的多尺度天氣學(xué)特征。研究南海中尺度對(duì)流系統(tǒng)活動(dòng)特征與規(guī)律、中小尺度過程、云微物理過程，以及在海洋下墊面獨(dú)立影響下其發(fā)生、發(fā)展過程與陸地中尺度對(duì)流系統(tǒng)的差異，揭示南海中尺度對(duì)流系統(tǒng)的三維熱動(dòng)力特征及多尺度相互作用的過程與機(jī)理。

（3）發(fā)展具有針對(duì)性的南海高分辨率區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)系統(tǒng)，優(yōu)化與改進(jìn)適用于南海熱帶地區(qū)的模式物理參數(shù)化方案和資料同化技術(shù)，提升對(duì)南海中尺度對(duì)流系統(tǒng)及其降水的預(yù)報(bào)能力。