不同热带海温异常背景下华南夏极端降水与大气充能放能现象及机理研究

Column-integrated moist static energy (<MSE>) reflects the internal, the geopotential and the latent energies that the atmosphere holds, and thus represents the theoretical upper limit of energy that a rising air parcel can convert to the kinetic energy from the background atmosphere. In this sense, the higher <MSE>, the more favorable condition for the occurrence of convection and the formation of precipitation extreme. In this project, we will testify that the occurrence of South China summer precipitation extreme (SCSPE) is accompanied by the charge-discharge of <MSE>, and the phase of <MSE> slightly leads that of the precipitation. Also, the different SST anomalies in the tropical Indian and Pacific oceans can enhance/weaken the seasonal-mean <MSE> of the background atmosphere in South China via the teleconnection, which will facilitate/impede the charging process of <MSE> before the formation of SCSPE and thus increase/decrease of the frequency and intensity of SCSPE. Hence, this project can not only improve our understanding of the SCSPE itself, but also provide a new approach to analyze and project the change in SCSPE under the global warming.

垂直积分的大气湿位能（<MSE>）包含气柱的内能、势能和潜热能量，因此反应了上升气块从环境中所能转化为动能的总能量的理论上限。从这个角度看，<MSE>越高越有利于对流活动和降水。本项目拟证实华南夏季极端降水伴随<MSE>充能放能过程，且<MSE>位相领稍微先降水。同时拟验证热带印度洋和太平洋不同海温异常能通过遥相关增强/减弱华南夏季季节平均<MSE>的数值，因此促进／妨碍极端降水发生前<MSE>充能过程，从而增加／减少夏季极端降水的频次和强度。本项目不仅能加深我们对华南夏季极端降水的认识，也提供了一种新的角度，有助于我们分析和预测全球变暖环境下华南夏季极端降水的变化。

本项目从湿静力能（moist static energy, MSE）出发研究我国华南前、后汛期极端降水。结果显示在天气尺度上，极端降水的发生伴随着垂直积分MSE（<MSE>）的充放能现象：<MSE>正异常在极端降水发生前一天达到峰值，在极端降水当天及之后迅速减少。<MSE>的充能主要由对流层低层水平平流引起，而放能主要由与对流相关的垂直平流引起。由于华南前、后汛期对流层低层气候态MSE水平分布不同，前汛期高值区位于华南以西和以南，而后汛期由于季风北跳，高值区位于华南以西和北部，因此引起<MSE>充能和极端降水的天气系统在前、后汛期存在不同。前汛期极端降水发生前，我国西北地区出现异常气旋，并沿青藏高原边缘接近华南，其东南侧西南风异常将对流层低层华南以南和以西的高气候态MSE平流至华南，提高华南的<MSE>。后汛期极端降水发生前，一对西北东南向的异常气旋和反气旋从西北太平洋向华南移动。当异常气旋接近华南时，其西侧的偏西和偏北风异常将对流层低层高气候态MSE平流到华南，提高华南<MSE>。.在年际尺度上，前/后汛期平均的<MSE>偏高，有助于更多极端降水：<MSE>异常高于1个标准差，则华南前/后汛期极端降水频次提高18.13/34.4%，极端降水量增加18.14/31.5%。前汛期平均的<MSE>偏高与热带印度洋暖海温和太平洋中部冷异常相关，该海温异常能激发对流层低层西北太平洋反气旋异常，其西部的西南风异常能将前汛期华南以西和以南的高气候态MSE平流至华南，增加华南<MSE>。后汛期<MSE>偏高与热带西太平洋冷海温和热带中太平洋暖海温异常有关，该偶极子海温异常能激发对流层低层西北太平洋的气旋异常，其西部的偏西和偏北风异常能将华南以西和北部的高气候态MSE平流至华南，提高华南<MSE>。.CMIP6耦合模式历史和SSP5-8.5试验均可以再现华南极端降水与<MSE>在天气和年际时间尺度上的关系。对比历史试验，SSP5.8-5模拟的华南前、后汛期气候态<MSE>和极端降水频次均增加，表明两者长期变化间的联系。综上，<MSE>可成为在多时间尺度上研究华南极端降水的有力工具，也可以作为评估模式模拟华南极端降水能力的新指标。