南海季风爆发期间对流云微物理过程对中尺度对流系统以及大尺度环境场的反馈机制研究

The results of our previous project of National Natural Science Foundation of China have indicated that the South China Sea monsoon circulation system has the important effects on the formation and development of the mesoscale convective systems, in which the CAPE and wind shear induced by the monsoon circulation were found to play critical roles in maintaining and developing the intense convective clouds over SCS, and the effect of the cloud microphysical processes on the precipitation is dominated through the radiation processes instead of microphysics itself, and the latent heating rate increased more than twofold during the monsoon period. All these results indicate that the South China Sea monsoon system has close relationship with the formation and development of mesoscale convective system and its precipitation over SCS. However, how does the increase of latent heat further enhance the vertical transportation of water vapor and energy from ocean and induce the change of larger-scale circulation are still unclear. The question is important to explain the relationship between the onset of the South China Sea monsoon and the subsequent floods and draught in South China. Thus, this project, based on our early project of National Natural Science Foundation of China, will further systematically investigate the feedback mechanism of the cloud microphysical processes on the mesoscale convective systems and large scale environment, and the role of the mesosacale convective systems on the monsoon circulation system.

我们承担的前期青年基金项目的研究结果表明，南海季风环流的爆发和维持与南海中尺度对流系统的形成和发展有密切的关系：南海季风形成的风切变和对流有效位能（CAPE）的共同作用可有效促进南海海洋中尺度对流系统的形成和发展；中尺度对流中的云物理过程对降水的影响不仅仅与云物理过程本身有关，而且与辐射过程也有密切的关系；南海季风期间海洋中尺度对流系统云物理过程产生的相变潜热可增加2倍以上。这些结果表明，南海季风与南海中尺度对流系统及其降水过程有密切的关系，但是这种相变潜热的增加反过来如何进一步促进海洋能量和水汽的垂直输送，引起更大尺度环境场的改变，目前仍然不清楚。这个问题的研究有利于揭示南海季风爆发与随后我国南方旱涝天气之间的关系。因此，本项目在前期项目研究的基础上，进一步系统地揭示南海中尺度对流系统中的云微物理过程对中尺度对流系统和大尺度环境场的反馈作用，揭示中尺度对流系统对季风环流的影响机制

本项目通过对南海季风爆发期间对流云微物理过程对中尺度对流系统以及大尺度环境场反馈机制的研究，进一步提高了中国南海季风爆发期间中尺度对流系统形成与大尺度环境场相互作用机理的认识，这对提高季风区降水的预报能力有着重要的理论意义。研究结果表明，南海季风期间南海季风环流和水汽输送为中尺度对流系统的发生发展提供了有利条件，而持续发展的对流活动所提供的热力、动力效应对季风环流的发展和维持起正作用,中尺度对流系统与大尺度环境场之间存在正反馈机制，南海季风爆发过程是一种多尺度相互作用的结果。中尺度对流系统相变潜热过程中凝结、凝华和碰冻过程对总的降水具有减弱作用，而融化和蒸发过程对其总降水具有增强作用，这一点与国内外相关的研究结论相反。主要原因是由于海洋中尺度对流系统中凝结潜热促进了对流的发展，但其对低层大气的加热作用不利于洋面热通量的垂直输送，导致了降水的减小。凝华、碰并潜热释放以及蒸发和融化潜热吸收通过加热或者冷却作用影响大气稳定度，进而影响洋面感热通量和潜热通量的垂直输送和对流的发展，导致区域降水改变。降水性粒子下落末速度的增加对中尺度对流系统动力过程、降水过程以及对大尺度环境场有一定的影响，但总体影响程度不大。辐射过程对区域降水有增加作用，这主要是由于辐射过程对降水的影响是长波辐射和短波辐射共同作用的结果，长波辐射过程的冷却降温作用和短波辐射的加热作用对大气稳定度、辐射通量和洋面热通量垂直输送的影响，导致区域降水改变，而辐射过程中长波辐射的作用强于短波辐射。辐射过程与云微物理过程共同作用会对大尺度环境场产生相互叠加的影响，改变大气稳定度，导致洋面感热通量和潜热通量发生改变，对中尺度对流降水产生影响。因此，项目研究结果具有明显的启迪性和创新性，为今后进一步研究南海季风爆发期间中尺度对流发展演变机理提供了重要的理论依据。