华南沿岸的中尺度对流系统是怎么长起来的？

旋风天地转，急雨江河翻。 这样的暴风骤雨，常常是由中尺度对流系统这个“大魔王”带来的。 一个小不点新生对流，需要什么条件才能成长为大魔王？

在前汛期，华南沿岸暴雨以中尺度对流系统 (MCS) 带来的对流性降水为主，具有尺度小、雨强大、突发性强、致灾能力强的特征，且常常发生在无明显天气强迫的暖区中，影响因素复杂，预报难度极大。对流触发与升尺度发展是MCS生命史中的关键阶段，其中新生对流能否升尺度发展成为MCS，对暴雨及其衍生气象灾害的发生与否尤为重要。然而，华南沿岸新生对流的这种升尺度发展为MCS需要的动力和热力条件目前并不清楚。另外，不同位置、时间触发的对流，所需要的发展条件是否有差别？中山大学苏琳课题组基于2013–2019年华南对流触发数据集 (Bai et al., 2020)，通过追踪华南沿岸前汛期新生对流的发展演变过程，针对这些问题展开了深入探讨。

根据对流的触发时间和位置，本工作将华南沿岸 (海岸线100 km范围内) 前汛期新生对流分为四类：(1) 白天于陆面触发；(2) 夜间于陆面触发；(3) 白天于海面触发；(4) 夜间于海面触发。在此基础上，分别统计了各类型新生对流发展为MCS的概率，以及相关的降水和环境条件特征。2013–2019年前汛期，在华南沿岸共识别孤立新生对流1273个，其中约44% (559个) 能够升尺度发展为MCS。陆面对流触发及发展主要位于雷州半岛至阳江一带，而海面对流触发及发展则多发生于北部湾及阳江至珠江口海面。白天陆面触发及发展至MCS的对流个数最多 (640个新生对流中276个发展为MCS)，但夜间海面触发的对流发展为MCS的几率最大 (53%)。

四种类型新生对流发展而来的MCS的合成降水场差异显著 (图1)。白天陆面触发的MCS降水范围最大，降水主要位于华南内陆地区，中心在粤西及珠三角北部；夜间陆面触发MCS降水范围相对较小，降水中心分布在粤西沿海、粤东沿海及珠三角北部；白天海面触发的MCS降水强度是所有类型中最强的，降水中心位于粤东沿海；夜间海面触发的MCS降水强度则是所有类型中最弱的，降水呈带状分布在粤西沿海。可见，不论MCS在陆面还是海面触发，都会给华南沿岸乃至内陆地区带来强降水，这是由于在背景西南气流的引导下，绝大部分新生对流在发展过程中向东北方向移动。

图1 华南沿岸 (a) 白天陆面、(b) 夜间陆面、(c) 白天海面及 (d) 夜间海面触发的MCS的平均触发后3小时降水强度。

对能与不能发展为MCS的新生对流相关的动力场的对比分析显示，除了白天陆面触发的情况，对流触发均与华南沿岸边界层偏南风的加强密切相关 (图2j-l)，其中夜间陆面的对流触发需要的偏南风增量最大 (图2j)。这是由于夜间陆面边界层较稳定，对流触发需要更强的动力抬升条件。而白天陆面对流触发则由太阳短波辐射加热提供抬升条件，对于动力抬升条件的要求较低。海面的水汽条件较陆面更好，且海面夜间的热力条件也较陆面夜间好，因此不论是白天还是夜间，海面的对流触发需要的偏南风增量介于陆面白天和夜间两种情况之间。

低层及中层的动力条件是新生对流能否发展为MCS的关键因素。不能发展为MCS的新生对流，其对应的风场在500 (图2a-d) 和700 hPa (图2e-h) 上均表现为华南沿岸一致的偏东风异常，其中整个华南地区在700 hPa则呈现反气旋式异常。较弱的低层辐合和中层辐散条件不利于新生对流进一步发展。相反，能发展为MCS的新生对流的合成风场在500 hPa上表现为华南沿岸一致的偏西风异常 (图3a-d)，强盛的西风急流对应着良好的辐散条件， 700 (图3e-h) 和950hPa (图3i-l) 上整个华南则表现为显著的气旋式异常，提供了优越的辐合条件，形成了由边界层至中层的深厚上升运动，对流一旦触发，就很容易发展为MCS。

图2 华南沿岸 (a, e, i) 白天陆面、(b, f, j) 夜间陆面、(c, g, j) 白天海面及 (d, h, l) 夜间海面发展为MCS的新生对流对应的500，700和950 hPa风场异常 (相对于华南前汛期气候平均)。

进一步对比发现，白天尤其是白天海面的新生对流发展为MCS需要的动力条件较其他三种情况更强，对应着最强的低层气旋式异常和中层西风异常。一方面，白天陆面的太阳短波辐射加热及海面较好的水汽条件使得对流就算在很不利的低层 (图2e, i, g, k) 和中层 (图2a, c) 环境条件下也比较容易触发。但对流在触发后，需要克服这些不利的条件，即需要更强的低层辐合 (图3e, i, g, k) 和中层辐散 (图3a, c) 条件，才能进一步发展为MCS。尤其是白天华南沿岸海陆温差引起的海面低层的下沉运动会抑制对流发展，在这种情况下，只有极强的低层辐合和中层辐散条件才能使海面的新生对流发展成为MCS，这也解释了为什么白天海面触发的MCS导致的降水是最强的。

夜间陆面同样受海陆温差导致的低层下沉运动控制，但由于水汽条件较海面弱，具有较好的低层和中层动力条件时对流才能触发，表现为对应的边界层南风异常最强 (图2j)，而不利于对流发展的低层反气旋 (图2f) 和中层东风异常 (图2b) 最弱；一旦对流触发，仅需要较少的低层辐合 (图3f, j) 和中层辐散 (图3b) 增量，就可以进一步发展为MCS。类似地，夜间海面对流需要较好的低层 (图2h, l) 和中层 (图2d) 动力条件才能触发，但由于水汽和不稳定条件都较夜间陆面好，一旦触发仅需要很弱的低层辐合 (图3 h, l) 和中层辐散 (图3d) 增量就可以发展为MCS，因此夜间海面触发的MCS导致的降水是最弱的。

图3 华南沿岸白天陆面(a, e, i)、夜间陆面(b, f, j)、白天海面(c, g, j)及夜间海面(d, h, l)发展为MCS的新生对流对应的500, 700和950 hPa风场异常 (相对于未发展为MCS的新生对流对应风场)。

本工作揭示了华南沿岸新生对流发展为MCS的动力机制及其昼夜和海陆差异。对流的触发与边界层抬升条件密切相关，但与低层至中层的动力条件关系不大；而新生对流发展为MCS则需要低层至中层深厚的大尺度上升运动配合。如图4的概念图所示，白天，尤其是白天海面的新生对流发展为MCS需要极强的低层辐合和中层辐散条件 (图4a, c)，因此导致的降水也更强；夜间由于缺少热力抬升条件，需要较好的低层和中层动力条件才能触发对流，因此仅需要较低的低层辐合和中层辐散增量就能进一步发展为MCS (图4b, d)，对于热力、水汽和不稳定条件较好的夜间海面尤为如此，这使得夜间海面触发的MCS产生的降水强度较弱。

图4 华南沿岸 (a) 陆面白天，(b) 陆面夜间，(c) 海面白天及 (d) 海面夜间对流发展概念图。

上述研究工作已在2025年5月发表在大气科学权威期刊《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》上，第一作者和通讯作者为中山大学的苏琳副教授，中山大学杜宇教授为共同通讯作者，合作者包括佛山龙卷中心白兰强博士、应急管理部国家自然灾害防治研究院张思嘉博士、以及中山大学陈桂兴教授。

论文信息 >

https://doi.org/10.1029/2024JD042643

参考文献 >

Bai, L., G. Chen, and L. Huang, 2020: Convection initiation in monsoon coastal areas (South China). Geophys. Res. Lett., 47, e2020GL087035, https://doi.org/10.1029/2020GL087035.