双低空急流影响下华南初夏降水日变化的时空分布特征

智协飞 李佳 张玲

摘要 利用2010—2016年5—6月ERA5逐小时再分析数据集和国家气象信息中心逐小时降水量融合产品，对影响华南地区的低空急流事件进行筛选和分类，并分析天气系统相关的低空急流（Synoptic-system-related Low-Level Jet，SLLJ）和边界层急流（Boundary Layer Jet，BLJ）的日变化及其影响下的华南降水日变化的时空分布特征。结果表明，BLJ和SLLJ在白天减弱、夜间增强，并在凌晨达到峰值，其日变化主要与边界层惯性振荡引起的非地转风的顺时针旋转有关。双急流日华南地区降水量显著增加，且降水日变化有明显的区域差异，这与双急流的演变和配置密切相关。广西中北部主要为SLLJ左前方发生的夜间山区降水，且降水量仅有凌晨的单峰。广西沿海和广东地区存在早晨和午后两个峰值，BLJ出口区辐合和SLLJ入口区辐散的维持有利于降水频率的增大，从而导致午后峰值的出现，而早晨的峰值除了受双急流有利配置的影响外，主要归因于早晨降水强度的增加。

关键词华南;边界层急流;天气尺度低空急流;降水日变化;惯性振荡

低空急流（Low-Level Jets，LLJs）是一种在世界范围内经常观测到的天气现象，多出现在平原、高大山脉附近或海陆热力差异明显的地区，因其对空气污染传输、对流活动以及降水等方面的影响而受到广泛关注（Stensrud，1996;Rife et al.，2010;刘鸿波等，2014）。低空急流是影响我国南方夏季降水的关键因子，有两类基本作用：一是热力作用，作为大气低层的水汽输送通道提供不稳定的暖湿空气;二是动力作用，急流出口区辐合增强强迫抬升、加大水平和垂直切变（朱乾根等，1985;Augustine and Caracena，1994;Tuttle and Davis，2006）。一些学者利用逐6 h再分析资料（Liu et al.，2012;王东阡和张耀存，2012;Wang et al.，2013;赛瀚和苗峻峰，2015）或风廓线雷达观测资料（Du et al.，2012;陈楠等，2014;Miao et al.，2018;Shu et al.，2018）进行统计分析，着重关注急流本身的结构、季节变化、日变化特征及其形成和发展机制。但总体而言，我国多数研究是针对速度峰值位于850～700 hPa的这一类低空急流，且受到观测数据和再分析数据时空分辨率的限制。Du et al.（2014）使用2006—2011年5—7月高分辨率WRF中尺度模拟数据集，总结了中国低空急流的客观分类、时空分布特征和形成机理，此数据集也应用于沿海边界层急流的相关研究中（Du et al.，2015;Zhang et al.，2018）。上述研究表明，中国主要存在两类低空急流，一类是出现在1～4 km之间，与天气系统（或次天气系统）相关的低空急流，也称为天气尺度低空急流（SLLJ）;另一类是出现在1 km以下的边界层急流（BLJ），同时受边界层过程和大尺度天气系统的影响。两类低空急流的特征、成因以及对降水的影响都存在差异，且各地的BLJ均表现出明显的日变化，而SLLJ的日变化则因地区而异（孙继松，2005;Ranjha et al.，2013;Du et al.，2014）。

华南位于云贵高原东部，东南紧邻大洋，地势北高南低，有各种山脉、丘陵和蜿蜒的海岸线，随着东亚夏季风的爆发，两类低空急流的发生频率也明显增大。Du and Chen（2019a）利用ERA5再分析数据和TRMM卫星降水资料研究21 a华南地区BLJ事件和SLLJ事件的气候特征及其对降水的影响，两类急流事件通过地形效应、天气扰动和水汽输送导致中国南方降水分布和日变化的差异。关于低空急流的形成和发展机制，目前主要有两种理论：一是惯性振荡理论（Blackadar，1957;朱乾根，1975），指出夜间湍流混合减弱使科氏力作用于非地转风产生惯性振荡，背景风增强进而出现低空急流;二是倾斜地形的斜压理论（Holton，1967），强调倾斜地形的热强迫对边界层风场日变化的影响。事实上，在不同的大尺度环流背景以及地形的热动力强迫作用下，低空急流的形成和发展是多种机制共同作用的结果（Du and Rotunno，2014;Shapiro et al.，2016）。

日变化是地球气候系统最基本的周期信号，以太阳辐射为最主要驱动力，气温、风场、对流活动以及降水的日变化被认为是季风区天气和气候的一个重要方面（Chen et al.，2009a;He and Zhang，2010;宇如聪等，2014）。许多学者已经关注到异常低层风的日变化及其对降水的影响，Yu et al.（2008）发现中国中东部地区山顶观测站的地面风在下午最弱、在黎明前最强，促进了夜间云团的发展，可以解释长时降水事件的早晨降水量峰值。林春泽等（2016）发现湖北省夏季降水日变化特征非常明显，降水量曲线呈双峰结构，峰值出现在北京时间08时和17时，降水频次与降水强度均呈现 “一主一次”的双峰结构，这主要与青藏高原东移来的天气系统自西向东的滞后性以及局地热力强迫有关。Chen et al.（2009b）的研究指出夏季风活跃期间我国东南地区的低层西南风往往在深夜或清晨达到最强，这种夜间加速的季风日变化特征可以调节供给锋面的暖湿气流，促进早晨的大范围锋生。另外，Zhang et al.（2019）认为与山地-平原环流效应相比，西南风边界层急流显著的惯性振荡对四川盆地内降水日变化具有更重要的调节作用。Du and Chen（2019b）利用高分辨率中尺度模式發现双急流在半夜到凌晨最强，垂直结构上双急流的上下配置对海岸暖区暴雨的触发起关键作用。Dong et al.（2021）研究了南海北部海南岛东西两侧的边界层急流的日变化规律，指出海陆热力差异触发的惯性振荡以及海南岛和越南沿海山地的动力作用是夜间北部湾边界层急流形成的主要原因，而大尺度海风触发的惯性振荡则是夜间海南岛东侧边界层急流形成的主要原因。海南岛的热力作用对海南岛东侧午后边界层急流的发展加强至关重要。海南岛东西两侧的边界层急流分别对广西夜雨和广东凌晨降雨起关键作用。

近年华南地区对流活动和降水的日变化是华南前汛期相关研究的重点关注方向之一，SLLJ和BLJ作为影响降水的关键系统，双急流对降水强度和时空分布的影响以及双急流与降水日变化的关系还不完全清楚。对降水和强对流活动日变化现象的特征和机理的认识，有助于理解大气中的多尺度相互作用以及验证和改进数值天气预报模型（Chen et al.，2016，2018;Jiang et al.，2017）。本文以客观统计为基础，从区域尺度上研究双急流的日变化及其影响下的华南降水日变化的时空分布特征。

1 资料和方法

1.1 资料

本文使用2010—2016年5—6月ERA5全球再分析数据集，其时间分辨率为1 h，水平分辨率为0.25°×0.25°，包括水平风场、垂直速度、地面气压、位势高度、比湿、相对湿度等物理量。ERA5是继欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）再分析数据集FGGE、ERA-15、ERA-40、ERA-Interim之后的最新一代再分析资料，改进了数据同化系统和模式物理过程，具有更高的时空分辨率（Hoffmann et al.，2019）。

降水数据为国家气象信息中心提供的2010—2016年5—6月逐小时融合降水格点资料，空间分辨率为0.1°×0.1°，由中国地面自动观测站的逐小时降水数据和CMORPH（Climate Prediction Center Morphing Technique）卫星反演的降水产品融合而成，该降水量融合产品能有效地发挥地面观测和卫星反演降水各自的优势，在降水量值和空间分布上均更加合理（沈艳等，2013）。

1.2 方法

1.2.1 低空急流的定义

本文参考Du and Chen（2019a）的低空急流判定标准：1）700 hPa以下的最大风速大于10 m·s-1，且具有南风分量;2）最大风速与从最大风速出现的高度到600 hPa之间的最小风速存在至少3 m·s-1的风速差。最大风速所在高度即为急流高度，然后进一步将最大风速出现的高度距离地面100 hPa以内的低空急流称为边界层急流，距离地面100 hPa以上的称为天气尺度系统相关的低空急流。

1.2.2 低空急流事件和双急流日的定义

使用ERA5逐小时资料并根据上述定义对两类低空急流进行客观筛选，图1给出了2010—2016年5—6月BLJ和SLLJ发生频率的空间分布，可见BLJ主要出现在沿海地区，海南岛东西两侧分别存在一个BLJ的高频中心。SLLJ主要出现在中国南方地区，高频中心位于107°～113°E、21°～27°N。若在图1b红框区域中有大于30%的格点满足SLLJ的标准则认为发生一次SLLJ事件;若在蓝框左半部分或者右半部分有大于50%的格点满足BLJ的标准则认为发生一次BLJ事件。当BLJ和SLLJ同时出现时，称为双急流（Double Low-Level Jets，DLLJ）事件;排除双急流事件后，某时刻只存在BLJ（SLLJ）事件时，则称为纯BLJ（纯SLLJ）事件。为了研究双急流影响下华南降水的日变化，参考Du et al.（2014）对急流日的定义，本文进一步将一天中至少发生6次双急流事件的日期记为双急流日，挑选出双急流日共102 d。

2 低空急流的结构和日变化

2.1 低空急流事件的水平和垂直结构

图2比较了双急流事件、纯SLLJ事件和纯BLJ事件的水平和垂直结构。双急流事件中，950 hPa风场上北部湾和南海北部都出现了10 m·s-1的风速中心，而800 hPa上10 m·s-1的风速大值区域主要位于华南陆地上空。排除双急流事件后，就纯SLLJ事件而言（图2b、e），华南地区800 hPa的风速大值区范围缩小，且950 hPa南海北部的风速大值中心消失，北部湾的风速大值中心也明显减弱。相反，纯BLJ事件中（图2c、f），800 hPa的风速大值区消失，只在海南岛东西两侧存在边界层急流。此外，在图2a和图2b的800 hPa水平风场上，四川东部和重庆上空存在气旋性环流，SLLJ总是出现在低压扰动的东南侧。用111°～113°E纬向平均的垂直剖面来显示急流的垂直结构（图2g—i），双急流事件在陆地和海面上均存在速度峰值，分别位于850～750 hPa和975～925 hPa。纯BLJ事件的垂直剖面图中750 hPa以上仍存在较强的风速区，但其风速往往随高度增加，不满足急流判断条件中与上层最小风速间3 m·s-1的风速差（图2i）。图3中两个区域水平风速的垂直变化反映了两类低空急流的特征，BLJ和SLLJ的最大风速分别出现在950和800 hPa，且SLLJ强度相对更强。

2.2 低空急流的日变化特征和机制

初夏伴随着东亚夏季风的爆发，来自中南半岛的偏南或西南向的夏季风以低空急流的形式形成强的低空气流。图4显示了3类低空急流事件发生频率的日变化，BLJ和SLLJ通常在23时（当地时，当地时为世界时加8 h，下同）后出现，双急流事件的发生频率在夜间增大而在白天减小，峰值出现在凌晨03—06时。双急流日800和950 hPa区域平均风速都具有夜间风速增大而白天减弱的日变化特征，但BLJ在白天风速减小的趋势相对平缓，且在午后出现较弱的增长。

在对低空急流的成因和日变化机制的研究中，惯性振荡理论被人们广泛接受。边界层惯性振荡是一个在日变化时间尺度上著名的区域强迫，由于白天湍流混合活跃，摩擦力抑制低层风场并导致偏北风异常。当夜间湍流混合的摩擦阻力减弱时，三力平衡被破坏并引发了风场偏离其地转平衡状态的惯性振荡，非地转风在科氏力作用下做顺时针旋转，夜间到清晨出现偏南风异常并增强了背景气流，这种低空风的夜间加速常发生在中尺度到天气尺度区域，使低空急流在夜间形成并增强，且在凌晨达到最大值。为了说明双急流日低空急流日变化的主要机制，使用Barnes滤波器分离近似满足地转平衡的大尺度背景场和非地转风场，参考Xue et al.（2018）对滤波参数的设置，对位势高度场进行空间滤波处理并保留波长大于2 000 km的大尺度波动，用所得大尺度位势高度场计算地转风场Vg，对应的非地转风场Va由未滤波的实际风减去地转风所得：Va=V-Vg。可以發现，双急流日950 hPa和800 hPa滤波后的位势高度场和地转风风向均没有明显的日变化，南海和华南地区的地转风在各个时刻均表现为一致的西南风（图略）。为了显示风场的日变化，将扰动风定义为各时刻风场和日平均风场的差，图5给出了双急流日800 hPa和950 hPa扰动非地转风场的演变，扰动非地转风矢量在傍晚为偏北风异常，晚上为东南风异常，凌晨出现西南风异常而早上出现西北风异常，可见双急流日非地转风具有顺时针旋转的日变化特征，夜间到清晨顺转为偏南向的非地转风叠加到西南向的地转风上，导致了低空急流的形成或增强，符合惯性振荡理论，也就是说低空急流的日变化主要是由惯性振荡导致的非地转风分量的顺时针旋转造成的。

3 双急流影响下华南降水的日变化

3.1 双急流日华南降水日变化的时空分布

BLJ和SLLJ均具有明显的日变化，那么两类低空急流影响下华南初夏降水日变化的时空分布特征以及急流与降水日变化之间的关系都是值得探究的。图6a显示了日降水量5—6月的气候平均，在广东中北部、广西北部山区以及沿海地区存在降水的大值中心。从非急流日的日平均降水分布（图6b）来看，降水主要出现在沿海地区以及南海北部海面上，而华南内陆的降水普遍偏弱。在双急流日里（图6c），BLJ和SLLJ带来充足的暖湿空气和强烈的辐合抬升，华南地区的降水量显著增加，其大值中心的分布与上述气候态的大值中心位置基本一致，主降水带为云贵高原东南部至南岭南部的山地。从区域平均降水（图6d）来看，降水量的日变化曲线呈双峰结构，两个峰值分别位于清晨04—07时和午后14—17时，且双急流影响下的华南地区降水量明显高于气候态。非急流日的低层风场较弱且日变化不大，清晨和下午的降水量峰值仅相差约0.03 mm·h-1，但双急流日两个峰值的差异变得更加明显（约0.09 mm·h-1），夜间BLJ和SLLJ的形成和加强造成了清晨更强的降水峰值。

图7给出了双急流日华南地区平均小时降水量以及850和950 hPa水平风速的空间分布，北部湾BLJ在双急流日内一直都存在，但其强度在白天减弱，20时后又逐渐增强，SLLJ和南海北部的BLJ也在夜间迅速发展起来。23时（图7a），广西东北部有一条发展良好的降水雨带，广东北部也存在一个逐渐扩大的降水中心，两个降水区均位于SLLJ左前方下垫面复杂的山区。随着凌晨（02—05时）BLJ和SLLJ的增强，华南地区的水汽输送以及辐合抬升也更加强烈，使得华南北部的降水量和降水范围都明显增大。夜间增强的BLJ撞击沿海地形加强了边界层辐合，对应中层为SLLJ的入口区，于是沿海降水在中低层辐散低层辐合的形势下发展起来，并在上午增强，而中午随急流的减弱而减弱（图7b—e）。Li et al.（2020）在统计分析中也指出，边界层南风气流在海岸线附近的减速辐合配合对流层低层（850～700 hPa）较大南风的加速辐散，有利于沿海对流的触发加强。05—17时，SLLJ逐渐减弱并向东移动，其主体在14时移至广东上空，广西北部雨带随着SLLJ强度和位置的变化也逐渐减弱并东移至广东北部。虽然白天双急流逐渐减弱，但BLJ和SLLJ的有利配置能够一直维持，且14—17时南海北部BLJ出现了较弱的增强，午后的降水主要发生在广东地区（图7f、g）。总的来说，华南地区的降水分布和日变化与双低空急流的演变和配置密切相关，夜间降水主要出现在SLLJ左前方广西北部和南岭以南的山地，主要受夜间发展的SLLJ影响;广东北部的降水与凌晨局地发展的对流以及广西北部减弱东移的降水带有关;白天的降水主要出现在沿海地区和广东中部，受BLJ和SLLJ热力作用以及配置关系的影响，也与太阳辐射加热导致的局地热力不稳定、海陆风环流以及地形等因素相关（Yu et al.，2007）。

3.2 双急流日华南降水日变化的区域差异

太阳辐射是日变化最主要的驱动力，此外，低空急流、地形效应以及海陆分布导致的热力差异等因素也影响着降水日变化的时空分布。降水峰值出现时间的区域差异是各因素共同作用的结果。图8中不同颜色表示双急流日降水量、降水频率和降水强度日峰值发生的不同时刻，云贵高原东部地区的夜雨现象最为显著。对于降水量而言（图8a），随着双急流在夜间发展起来，广西中北部和广东北部山地的日峰值出现在深夜至清晨，沿海地区在中低层辐散和低层辐合的影响下，其日峰值主要出现在清晨至上午。白天BLJ和SLLJ减弱，且SLLJ东移，广东中部的日峰值主要出现在中午至傍晚。降水频率日峰值的时间分布也清楚地显示了广西中北部的夜雨现象，而广西东南部和广东大部分地区的降水频率日峰值出现在下午（图8b），与降水量和降水频率相比，降水强度日峰值出现时间的区域差异更为显著，但大多数地区降水强度的峰值都出现在深夜或清晨（图8c）。

图8显示双急流日华南地区降水量和降水频率日峰值出现的时间存在明显的区域差异，广西中北部以山地为主，其降水日峰值多发生在夜间，广西沿海地区日降水频率峰值则主要出现在上午，广东中部和南部多为平原和台地，其降水频率日峰值基本在中午至傍晚。根據降水量和降水频率日峰值及其出现时间，结合地形和海陆分布，将华南划分为广西中北部（A1）、广西沿海（A2中去除越南东北角）和广东（A3）三个子区域（图8b），进一步讨论双急流影响下降水日变化的区域差异。图9是双急流日三个子区域的区域平均降水量、降水频率和降水强度标准化之后的日变化序列。从图9中可以看出，广西中北部地区的降水量和降水频率都仅有一个峰值，出现在凌晨04—06时（图9a）。A1区域多为山地，主要位于SLLJ的左前方，随着夜间低空急流的发生和加强，风场受地形强迫抬升且低层水汽辐合增强，触发了夜间山区降水，并在凌晨达到峰值，此峰值是由夜间增大的降水频率和降水强度共同造成的。而A2区域的降水量和降水频率的日变化呈现双峰结构，降水量早晨（07—09时）的峰值大于午后（14—17时）峰值（图9b）;A3区域的降水量和降水强度也呈现双峰结构，但降水量的主峰值出现在午后（图9c）。A2和A3降水频率的峰值都出现在午后，但降水强度却在早晨达到最强，说明午后降水量的峰值归因于较高的降水频率，而早晨降水量的值则由更大的降水强度造成。午后SLLJ减弱东移至广西东部和广东上空，且南海北部BLJ略有增强，BLJ出口区辐合和SLLJ入口区辐散的维持有利于午后降水频率的增大，也就是说，广东午后的降水峰值由广西北部随SLLJ减弱东移的雨带和BLJ增强导致的沿海降水共同造成。而早晨的峰值除了受双急流有利配置的影响，主要与BLJ和SLLJ在夜间增强并在凌晨达到峰值的日变化过程有关，双急流动热力作用的增强导致了更大的降水强度。

4 结论和讨论

本文使用2010—2016年5—6月欧洲中期天气预报中心最新一代ERA5逐小时再分析数据集，首先对影响华南地区的双急流事件和双急流日进行客观筛选，然后分析了BLJ和SLLJ的日变化特征。在此基础上，利用逐小时降水量融合产品研究双急流影响下华南地区降水日变化的时空分布，得到如下主要结论：

1）初夏是低空急流发生的高频时期，双急流事件中SLLJ和BLJ分别出现在华南陆地上空和海南岛东西两侧的海面上，速度峰值分别位于850～750 hPa和975～925 hPa。SLLJ和BLJ都具有明显的日变化特征，白天减弱、夜间增强并在凌晨达到峰值，主要是由非地转风对边界层惯性振荡的响应造成的。白天边界层较强的垂直混合使实际风减弱，夜间摩擦力减小，非地转风在科氏力作用下做顺时针旋转，傍晚华南地区非地转风多为偏北风，而在凌晨旋转为偏南风或西南风，叠加到西南向地转风之上导致低空急流的形成和增强。

2）双急流影响下华南地区降水显著增多且降水日变化具有明显的区域差异，与双急流的演变和配置密切相关。广西中北部主要是夜间降水且降水量仅有凌晨（04—06时）的单峰，与夜间发展的SLLJ的关系更加密切，降水主要分布在SLLJ左前方的山区。对于广西沿海和广东地区，两者降水量日变化曲线呈双峰结构，早晨（07—09时）的降水量峰值归因于更强的降水强度，双急流的强度及其热动力作用在夜间加强日变化过程是造成降水强度早晨峰值的主要原因，并受BLJ出口区辐合和SLLJ入口区辐散配置关系的影响。午后（14—17时）降水峰值则主要归因于更大的降水频率。虽然白天双急流整体呈减弱趋势，但BLJ和SLLJ有利配置的维持促使降水频率峰值的出现。其中，广东午后的降水峰值由广西北部随SLLJ减弱东移的雨带和午后南海北部BLJ增强导致的沿海降水共同造成。

值得指出的是，本文只分析了初夏华南地区双急流的日变化特征及其对降水日变化的时空分布的影响，还需深入研究双急流的日变化对水汽输送和辐合的影响及其与降水日变化的关系。此外，地形、海陆风和局地热力作用等因素对降水日变化的直接效应以及华南地区午后降水峰值的形成机制也有待进一步深入研究，对这些问题的探讨将有助于全面了解两类低空急流对我国华南地区降水日变化的影响机理。

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Temporal and spatial distributions of diurnal cycle of early-summer precipitation in South China influenced by double low-level jets

ZHI Xiefei1，2，LI Jia1，ZHANG Ling1，2

1Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

2Weather Online Institute of Meteorological Applications，Weather Online （Wuxi） Science and Technology Co.Ltd.，Wuxi 214000，China

Based on the ERA5 hourly reanalysis dataset and the merged hourly precipitation products from National Meteorological Centre from May to June from 2010 to 2016，the low-level jet events affecting South China were selected and classified using an objective method.This paper also investigated the diurnal cycles of boundary layer jet （BLJ） and synoptic-system-related low-level jet （SLLJ） during early-summer，and analyzed their influences on temporal and spatial distributions of diurnal cycle of precipitation in South China.Results show that BLJ and SLLJ weaken during the day and increase at night，and reach the peak in the early morning.Their diurnal cycles are mainly related to the clockwise rotation of ageostrophic winds caused by inertial oscillations of boundary layer.The precipitation in South China increases significantly during the double low-level jet days，and the diurnal cycle of precipitation has obvious regional differences，which is closely related to the evolution and configuration of the double low-level jets.The precipitation in central and northern Guangxi is mainly concentrated over the mountainous area at the left anterior to the SLLJ at night and is characterized by only one single peak in the early morning.There are two peaks in the morning and afternoon in coastal Guangxi and Guangdong.The maintenance of convergence in BLJ exit area and divergence in SLLJ inlet area are conducive to the increase of precipitation frequency，resulting in the emergence of afternoon peak.In addition to the influence of the favorable configuration of the double low-level jets，the morning peak of precipitation is mainly due to the increase of the morning precipitation intensity.

South China;boundary layer jet;synoptic-system-related low-level jet;diurnal cycle of precipitation;inertial oscillation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20210119001

（責任编辑：张福颖）