KPOP-MS 外场试验期间小尺度对流单体发起与发展的机制：2023 年 7 月 30 日个例研究

《Atmospheric Research》：Mechanism for initiation and development of small-scale convective cells during KPOP-MS field campaign: A case study on 30 July 2023

　　表面加热和海风（SB）锋面直接触发了对流单体，而随后与外流边界之间的相互作用控制了它们的增强过程。局部低层辐合通过在下沉外流中维持倾斜的上冲结构，动力学地维持了对流单体的重新发展。解析小尺度对流的触发和维持过程对于改进沿海环境中的强降雨预报至关重要。孤立对流单体（CCs）尽管尺寸相对较小、寿命较短，但仍可能导致暴雨、强风和雷电等强对流天气（Trapp等，2009；Diffenbaugh等，2013；Seeley和Romps，2015；Feng等，2016；Prein等，2017；Giangrande等，2023；Chung等，2026）。然而，即使在计算能力和模型分辨率不断进步的背景下，数值模式中准确表征对流单体仍是一个重大挑战（Ban等，2014；Berthou等，2020；Stevens等，2019）。这一挑战主要源于对对流单体解析所必需的基本动力学和微物理过程的理解有限（Giangrande等，2023）。此外，由于对流单体演化迅速且涉及显著影响其发生时间、位置和强度的小尺度过程，在业务观测网中捕捉其完整生命史也十分困难（Kollias，2025）。这些局限性阻碍了观测、分析、模式与验证之间的反馈循环。深对流云的特征受到多种环境因素的影响，例如对流可用势能（CAPE）、垂直风切变、中层垂直速度和气溶胶浓度。Nesbitt等（2006）指出了陆面和海洋上降水特征的形态差异。他们发现陆上降水倾向于来自较小尺度的特征，而海上则以较大尺度特征为主。Fan（2009）发现强垂直风切变抑制对流发展，而弱风切变更有利于对流发展。Storer等（2014）表明气溶胶浓度增加有助于形成更深、更强烈的风暴。Igel和van den Heever（2015）进一步强调了气溶胶浓度、深层风切变和海表温度在决定对流形态中的作用。Giangrande等（2023）利用绿海亚马逊计划（GoAmazon2014/5；Martin，2017；Giangrande，2017）的数据研究了季节效应如何影响对流云的特征。该研究比较了干季和湿季之间的风暴寿命、降水特征和上冲气流差异。另一项名为海风对流、气溶胶、降水和环境试验（ESCAPE）的野外实验在休斯敦地区开展，旨在增强对对流云过程的理解（Kollias，2025）。这些研究共同强调了环境条件在调节对流单体发展中的重要作用。除了环境因素外，各种对流机制在对流单体的起始和发展中也起着关键作用。这些机制包括天气尺度锋面（Pacey等，2023）、海风和陆风锋面（Koch和Clark，1999；Carbone等，2000；Fu等，2022；Abulikemu等，2016）、冷池相关的阵风锋（Purdom，1976；Rotunno等，1988；Khairoutdinov和Randall，2006；Feng等，2015；Li等，2014；Jeevanjee和Romps，2015；Fournier和Haerter，2019；Shen等，2024）、地形抬升（Jiang，2006；Houze Jr，2012；Watson和Lane，2012；Smith等，2014）、中尺度辐合（Kalthoff，2009）和表面加热（Ban等，2014）。这些机制之间的相互作用也有助于对流起始（CI）和发展（Abulikemu等，2026）。在沿海地区，海风（SB）环流对流起始尤为重要，尤其是在环境风较弱的情况下（Borne等，1998；Papanastasiou和Melas，2009）。以往大多数研究主要依赖于数值模式方法。然而，关于海风触发对流的观测研究仍然有限。Suresh（2007）利用S波段多普勒雷达研究了海风相关的环流深度，发现当海风从海岸线内插50-100 km时，在53%的情况下引发了对流。Zhang等（2022）证明海风对城市湿热岛（UHHI）效应有贡献，并进一步触发了对流，因为阵风锋与城市湿热岛带来的暖湿空气相撞促进了额外对流的发展。因此，有必要仔细考察沿海地区与海风相关的局地环流及其与小尺度对流机制的关系。作为韩国降水观测计划（KPOP）的一部分，首尔都市圈中尺度对流系统国际合作实验（KPOP-MS）于2023年夏季开展（Nam，2026）。本研究旨在调查2023年7月30日KPOP-MS野外实验期间，促使对流单体（CCs）起始、发展和消亡的小尺度对流机制。该分析提供了对流单体如何通过表面加热和沿海风锋面起始，随后在人口密集的城市地区重新发展的见解。特别关注了海风与冷池（CP）外流之间的相互作用以及低层流入与风暴尺度外流之间的相互作用。本文结构如下：第2节概述了KPOP-MS 2023年野外实验；第3节介绍了本研究使用的双偏振雷达产品、网格化自动气象站数据和仪器设备，同时描述了识别和追踪对流单体和冷池的方法；第4节呈现了天气尺度环流形势以及对流单体和冷池的演变过程；第5节考察了小尺度对流机制，重点关注海风与冷池外流以及低层流入与风暴尺度外流之间的相互作用；第6节讨论了该案例对预报的意义；第7节给出总结和结论。KPOP-MS于2023年夏季在首尔都市圈（SMA）开展（图1；Nam，2026）。中尺度对流系统逼近该地区时，会与海洋、沿海、内陆和城市等多种异质下垫面以及复杂地形发生相互作用（图1b）。在这些地理条件下，理解中尺度对流系统的物理和动力学过程并在潮湿环境中提高其预报精度仍具有挑战性。KPOP-MS的科学目标是更好地……利用三维雷达定高平面位置显示（CAPPI）数据来追踪对流单体并研究拉格朗日框架下的微物理过程。三维CAPPI数据集基于韩国气象局（KMA）S波段业务雷达网，采用距离加权方法生成。数据集以兰伯特等角圆锥投影提供，时间间隔为10分钟。三维CAPPI数据的水平分辨率为1.0 km，垂直分辨率为0.25 km，覆盖从0.0到10.0 km的高度范围。本研究分析的事件发生在东亚夏季风期间，此时韩国的强降雨通常与天气尺度环流有关，包括准静止季风锋和斜压槽（Park等，2021a；Park等，2021b）。与此相对，本文研究的对流单体在弱天气尺度强迫下发展，主要受局地尺度过程触发（Lee和Lee，2026）。这种局地对流起始需要高分辨率……利用风暴追踪器测量的MUCAPE空间分布分析了与对流单体起始和发展相关的热力学不稳定性（图6和表2）。在沿海站点（DJI、DAS、GHI、MUI和HWS），MUCAPE值在0200至0400 UTC之间增加。在0400和0600 UTC时，这些值显著高于内陆站点（GYG和SJU）的值。这表明热力学环境更有利……首尔都市圈是世界上最大的都市圈之一，面积约11,850 km2，人口约2,610万。由于人口密度高且基础设施高度集中，首尔都市圈的强降雨可能导致重大的人员伤亡和基础设施损坏。从区域角度来看，首尔都市圈深受城市-沿海相互作用的强烈影响，包括海风环流和局地辐合，这使得……本研究调查了2023年7月30日在首尔都市圈上空孤立对流单体（CCs）的起始、发展和消亡过程中起控制作用的小尺度对流机制，该研究是KPOP-MS野外实验的一部分。本研究利用业务和密集观测网的数据集，综合分析了沿海地区热力学和动力学条件下对流单体的演变过程。天气尺度环流提供了有利……**郑恩李：** 论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——原始撰写、可视化、软件、方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念构思。**吕元李：** 论文撰写——审阅与编辑、可视化、监督、项目管理、方法论、经费获取、概念构思。作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些因素可能影响本文所报告的工作。本研究由韩国气象厅研究与开发计划资助（项目号RS-2023-00237740）。作者感谢韩国气象厅（KMA）举办的"韩国降水观测计划：首尔都市圈中尺度对流系统国际合作实验"（KPOP-MS）野外实验的参与者。郑恩李 | 吕元李