华南前汛期极端降水成因和中尺度对流系统组织结构研究

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华南前汛期(4-6月)华南地区强降水事件频发,人口密集且经济发展程度高的华南区域已被列为全球暴雨灾害的最高风险区之一,因此华南前汛期极端降水是我国暴雨灾害研究的重点。本文围绕华南前汛期华南极端降水事件,首先对比分析了多次事件中内陆和沿海双雨带形成的关键动力因子。在此基础上,针对2014年5月11日广东沿海暖区极端降水事件,分析了中尺度对流系统(MCS)的对流触发与发展机制,详细剖析了此次极端降水事件中MCS的多中尺度雨带(MRB)对流组织结构特征,建立了此类沿海暖区MCS的组织结构和维持发展的概念模型,并深入分析了MRB型MCS内部弓形回波的形成机制,建立了此类弓形回波分裂和重建的概念模型。主要结论如下:(1)基于2011-2017年5-6月地面自动站观测降水资料,挑选了8个同时具有沿海暖区雨带和内陆强天气尺度强迫雨带的双雨带降水事件。基于ECMWF全球集合预报资料,进行敏感性分析,结果表明双低空急流(LLJs)是华南地区双雨带形成的关键动力因子。内陆雨带主要与和天气尺度低值系统相关的低空急流(SLLJ)关系密切,尤其是地转经向风,更强的SLLJ有利于在锋面/切变线的南侧造成更强的内陆雨带。沿海暖区极端降水产生的关键动力因子主要位于边界层内,边界层急流(BLJ)中更强的非地转经向风有利于在海岸线附近形成风的辐合,在沿海区域造成更强的降水。(2)2014年5月11日,珠海和深圳一带(称为“关键区”)24小时累积降水台站纪录高达451mm,为当年华南前汛期日降水之冠。此次极端降水过程主要由两个准线状、长生命史的MCS(MCS1和MCS2)造成。两个MCS先后在阳江沿海形成,随后沿着海岸线向东偏北方向移动,相续影响珠海和深圳一带。两个MCS位于华南暖区沿海,大气环境有利于对流的初生和发展。这两个MCS的初生都与沿海中尺度地形抬升有关。龙高山(鹅凰嶂)持续抬升来自洋面的暖湿东南气流,不断触发对流新生,在迎风坡形成一条中-β尺度雨带,继而发展为MCS1(MCS2)。此外,MCS1的初生还与一条地面中尺度出流边界(MOB)有关。该MOB位于前日降水形成的冷池的南侧,持续抬升来自海上的偏南暖湿气流,造成对流连续新生,与地形抬升触发的雨带合并发展为MCS1。MCS1和MCS2的维持与另一条地面MOB有关。两个MCS先后移入关键区后,产生的降水在地面形成厚度约800m的冷池和MOB。边界两侧温差约2-4°C,有偏北冷出流和偏南暖湿海洋气流辐合。这条浅薄的MOB足以抬升来自海上的偏南暖湿空气到达其自由对流高度,继而连续触发对流,对流降水蒸发冷却进一步维持或增强冷池和MOB。这种正反馈过程有利于MCS在关键区内准静止维持,产生极端降水。(3)MCS1与MCS2中不同尺度的对流元素排列共同造成“5.11”暖区极端降水事件。MOB附近连续新生的对流单体在中层西南气流的引导下形成单体排列,依次经过相同的地面站造成局地强降水。对流单体排列过程中,产生的雨滴直径减小,数浓度显著增加。由于MOB上辐合分布不均,沿着MOB形成多条中-β尺度雨带,它们沿着海岸线近似平行排列,缓慢地向东偏北方向移动。雨带排列和单体排列共同造成关键区内的持续强降水。此外,MCS2中先后两次出现弓形雨带,东移过程中弓形雨带的南端与MOB持续相交。MOB上对流快速新生使弓形回波的南段准静止维持,低层强后向入流使得弓形回波中段快速东移,南段和中段的移动差异使得弓形回波断裂。断裂后弓形雨带的中段与MOB再次相交,使得中尺度雨带重建。至此弓形雨带的快速断裂并重建过程(RSRE)结束,形成两条新的中尺度雨带,有利于雨带数目增多以及雨带排列的形成。由于MOB准静止维持,RSRE过程可连续多次发生,直到弓形雨带的后向入流消失,或者弓形雨带彻底离开MOB。(4)“5.11”暖区极端降水事件中,MCS2内部先后出现的两个弓形回波(BE1和BE2)及其后方向前的入流(简称“后向入流”)对于RSRE过程的形成具有重要作用。弓形回波的形成与偏西后向入流的形成与发展密切相关,低层后向入流主要由弓形回波南侧的反气旋涡旋所造成。BE1形成前,对流雨带的西南侧形成反气旋涡旋,贡献了后向入流的54%。BE1发成熟后,在BE1的南北两侧出现两个涡旋对。南侧的反气旋贡献了58%的后向入流,北侧的气旋对于后向入流几乎没有贡献,南侧反气旋中的负涡度主要由拉伸项所贡献。BE2的北侧没有气旋存在,仅有南侧的反气旋。在BE2的初生阶段,反气旋对后向入流的贡献达到62%。反气旋主要由水平平流项以及倾斜项共同作用造成。BE2发展成熟时,水平平流项以及拉伸项共同造成BE2南侧的反气旋,贡献了约52%的后向入流。
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