海峡西岸前汛期暖区MCSs形成前的对流云发展特征研究

During the presummer rainy season (April–June), heavy rainfall frequently occurs in southern China and leads to a great loss of life and properties. As one of the major types of rainfall in the presummer rainy season, warm-sector rainfall is closely related to the occurrence and development of convective systems especially mesoscale convective systems (MCSs) and thus is difficult to forecast. Within southern China, the west side of the Taiwan Strait is a region with complex underlying surfaces. This project will focus on this region and utilize multi-year observations from the new-generation geostationary satellites FY-4A and Himawari-8, to obtain the complete development characteristics of convective clouds before the formation of warm-sector MCSs during the presummer rainy season. By analyzing these development characteristics, this project aims to: 1) reveal the spatial and temporal distributions of convective clouds before the MCS formation and their collocation with underlying surfaces and synoptic systems; 2) demonstrate the development characteristics of convective clouds and their relationships with the convective occurrence and development before the MCS formation; 3) compare the development characteristics of convective clouds with and without the MCS formation within the warm sector, and explore the satellite-derived indicators that can be used to determine the MCS formation. This study will advance the knowledge on the convective processes associated with the formation of warm-sector MCSs during the presummer rainy season, and provide a helpful reference for forecasting the MCS formation in this regime.

在每年4–6月的前汛期，华南强降水频发，对人类活动和社会经济造成严重的威胁。前人研究表明，暖区降水是华南前汛期降水的主要形式之一，而其产生与对流系统尤其是中尺度对流系统（MCSs）的发生发展密切相关，预报难度极大。针对华南区域中具有高度复杂下垫面的海峡西岸地区，本项目将利用新一代静止卫星FY-4A和Himawari-8多年的观测数据获取前汛期暖区MCSs形成前完整的对流云发展特征。基于此，本项目旨在：1）明确MCSs形成前对流云时空分布特征及其与下垫面和天气系统等因子的对应关系；2）揭示MCSs形成前对流云发展特征及其与对流发生发展的统计关系；3）对比同在前汛期暖区背景下、形成与未形成MCSs两类对流云发展的特征差异，探索可用于指示MCSs形成的卫星特征指标。本研究将有助于加深理解前汛期暖区MCSs形成的相关对流发生发展过程，为MCSs形成乃至于强降水发生的预报提供有力参考。

暖区降水作为海峡西岸地区前汛期（4–6月）降水的主要形式之一，对人类活动和社会经济造成了严重威胁。暖区降水的产生往往与中尺度对流系统（MCSs）的发生发展密切相关，预报难度极大。项目以新一代静止气象卫星Himawari-8为主体数据，从气候学统计和高影响个例两个研究角度，开展海峡西岸地区前汛期暖区MCSs形成的相关对流云发生发展特征研究。项目主要研究内容和结果包括：1）设计了基于新一代静止气象卫星的暖区MCSs及其形成前的对流云客观识别和追踪算法，建立了2016–2020年（5年）前汛期海峡西岸地区暖区MCSs及其形成前对流云目标的样本库；2）获取了海峡西岸地区前汛期暖区MCSs在不同形成情景下对流云的时空分布和发展演变一般特征。结果表明，前汛期暖区MCSs更倾向于形成于沿海的地形过渡区，其形成频率呈现逐月递增趋势，且在一天之中的午后时段最为频发。几乎所有的MCSs在形成前都经历过云顶降温过程，最强云顶降温率主要集中在10–15 K/(10 min)。约有25%的MCSs发展自晴空环境，平均而言，其形成前的对流云发展生命史可超过2小时，其中云顶降温时长占比达85%；3）对比了前汛期暖区MCSs形成前和西太平洋副热带高压控制下两种弱天气强迫环境中对流云的时空分布特征。总体上，相对于前汛期暖区环境，副热带高压控制下对流云发生发展呈现出对内陆高海拔地形和太阳辐射加热更强的依赖性；4）定量揭示了MCSs在降水总量和强度迥异的连续暖区降水事件中的贡献区别，并与卫星观测上的MCS特征差异进行了联系。基于MCS卫星观测特征所提出的重叠指数和合并潜势指数显示出对暖区降水潜在的指示性作用；5）总结了沿海地形影响暖区MCS组织发展的一般概念模型。沿海地形在改变低层风场的同时，也深刻地影响了水汽与不稳定能量的分布、环境垂直风切变与冷池的特征，最终促使MCS在海岸线附近的集中维持与暖区强降水的形成。项目研究成果从对流云发生发展的独特视角，助力提升对海峡西岸前汛期暖区MCSs及其产生降水的认识，以期为改进暖区降水的预报提供参考。