地表交互作用对萨赫勒地区深层对流形成的影响：一项云分辨模型研究

《Atmospheric Research》：Impact of surface interactivity on the initiation of deep convection in the Sahel: A cloud-resolving model study

撒哈尔深层对流触发受陆气耦合及地表异质性影响显著。在均一地表条件下，耦合作用生成数公里量级的热通量异质性，增强边界层湍流与混合层深度，使近逆温层湿度增加，对流提前约30分钟。引入温暖小尺度斑块时，对流触发时间虽提前但幅度小于预置地表，因交互式地表通过热通量方差缩小（<斑块尺度）平滑局部对比。研究凸显陆气相互作用及地表异质性对对流时空演变的关键调控作用。

　　

M. 托马西尼 | F. 库弗鲁

法国气象局（Météo-France）、法国国家科学研究中心（CNRS）、图卢兹大学（Univ. Toulouse）、法国国家气象与海洋研究中心（CNRM），图卢兹，法国

摘要

对流活动受到地表感热通量的显著影响。尽管在萨赫勒地区这种通量很强，但有时仍不足以触发深层对流（DCV）。观测显示，深层对流更倾向于在比周围环境温度更高的中尺度区域或大尺度低层风稍下游的地方发展，这种温度差异通常源于之前的降雨。实际上，使用预设地表感热通量的模拟表明，中尺度微风会汇聚到这些温暖区域，从而促进上昇气流的形成。

本研究通过使用更真实的交互式地表模型，探讨了地表-大气-辐射相互作用在调节深层对流中的作用。结果表明，在初始地表条件均匀的情况下，地表耦合会产生“小尺度”的通量不均匀性（几公里范围内），这些不均匀性会增强边界层湍流并加深混合层，从而在逆温层附近增加水汽可用性。对流发展的每个阶段都比使用预设地表条件的情况提前约30分钟。

当引入一个温暖的中尺度区域时，深层对流的起始时间会提前，尽管提前程度不如使用预设地表条件的模拟那么明显。这可以归因于交互式地表在比该区域本身更小的尺度上的感热通量存在显著变化。因此，交互式地表倾向于缓解该区域内的局部温度差异，从而减弱其影响。

这些发现突显了地表-大气相互作用和地表不均匀性在调节萨赫勒地区对流发生时间和发展过程中的关键作用。

引言

深层对流（DCV）是一种由浮力驱动的大气对流现象，其中空气团上升穿过对流层的很大一部分，常常会产生积雨云和强降水。在数值大气模型中准确模拟其对流的起始过程仍然是天气预报和气候预测面临的主要挑战。这些模型通常模拟的对流转变过程过于迅速，导致降水过早开始（Guichard等人，2004年；Champouillon等人，2023年），尽管最近在参数化方面的改进取得了一些进展（Rio等人，2009年；Bechtold等人，2014年；Tang等人，2021年；Suselj等人，2022年）。在半干旱地区，边界层（BL）必须足够深厚，以克服该地区特有的对流抑制层（参见Findell和Eltahir，2003年的研究；另见Bhowmick和Parker，2018年）。然而，非洲季风多学科分析（AMMA）野外活动的观测表明，这些地区经常出现局部深层对流现象（Dione等人，2014年）。例如，2006年7月10日在尼亚美上空发展了一个相对较小且短暂的对流系统，并被多种仪器详细观测到（Lothon等人，2011年）。这些观测结果为建模案例研究提供了依据（Couvreux等人，2012年），同时也为不同的大尺度模型之间的比较提供了基准（Couvreux等人，2015年）。本研究基于这一案例展开。

地表与大气之间的热量和水分交换在地球气候系统中起着核心作用（Berg和Lamb，2016年）。已经提出了几种框架来更好地理解地表-大气耦合（Santanello等人，2007年；Santanello等人，2009年）。特别值得关注的是小尺度到中尺度地表通量的变化性，以及这些不均匀性如何在大气模型中得到体现，尤其是在气候模型中的次网格尺度变化性方面（Waterman等人，2024年；Lohou等人，2025年）。虽然之前的研究已经使用高分辨率模拟研究了海洋表面的不均匀性对对流的影响（Sullivan等人，2020年；Jacquet等人，2025年），但陆地表面的较低热惯性预计会在其上方的大气中产生更强烈和更直接的反应。

在陆地上，地表特征在广泛的空间尺度上表现出强烈的水平变化性，这种变化性由土壤和植被性质的差异以及先前降水和灌溉的空间模式驱动（Boone等人，2025年）。例如，在亚马逊盆地的观测表明，来自森林的微风会在牧场上触发对流（Wang等人，2009年）。同样，埃布罗河流域的灌溉会产生微风，延缓当地的Marinada风（Lunel等人，2024年）。数十公里范围内的感热通量（SHF）梯度有利于白天的中尺度环流（Avissar和Schmidt，1998年；Mahrt，2000年），这可能促进对流的起始（Pielke，2001年）。Avissar和Schmidt（1998年）指出，不均匀性的长度尺度必须超过5-10公里才能产生显著的中尺度环流。Patton等人（2005年）发现，不均匀性长度尺度与边界层深度的比值应在4到9之间。Lee等人（2019年）发现，影响气流所需的最小斑块大小取决于背景风速，其尺度超过5公里。Tian等人（2022年）提供了证据，表明大于9公里的斑块可以产生持续的次级环流。

萨赫勒地区对土壤水分-大气相互作用特别敏感，存在强烈的反馈机制（Koster等人，2004年）。在该地区，数十公里尺度上的土壤水分不均匀性在对流起始过程中起着关键作用（Taylor等人，2011年）。基于卫星的分析表明，午后降雨更倾向于在周围土壤较湿润的干燥区域发展（Taylor等人，2012年）。在更大的尺度上（约200公里），干燥的土壤可以影响萨赫勒地区中尺度对流系统的生命周期（Klein和Taylor，2020年）。

高分辨率模拟能够高保真地再现边界层（BL）的动力学特性，是深入了解导致云形成的主要大气物理过程的宝贵工具。它们也被广泛用于模型开发和评估（Couvreux等人，2021年）。在陆地上，由于地表的热惯性较低，地表-大气相互作用往往发生得更快，因此大多数参考模拟使用预设的地表通量（Brown等人，2002年；Couvreux等人，2005年；Van Heerwaarden和Vila-Guerau de Arellano，2008年；Kang和Bryan，2011年；Zhang等人，2017年）。Patton等人（2005年）使用了一个完全考虑地表特性的模型来探讨理想化地表不均匀性长度尺度对边界层特性的影响，尽管他们使用的是不可压缩的大气模型。Simon等人（2021年）提出了一个中间耦合方案，他们将来自高分辨率地表模型的真实不均匀地表通量引入大气模型。他们的半耦合设置显示，由降水引起的地表不均匀性增强了湍流和云的形成。此外，他们发现由气象模式引起的土壤水分不均匀性的影响远大于由土地覆盖类型、土壤类型或河流网络引起的不均匀性。只有少数研究使用了完全耦合的高分辨率地表模型和大气模型来分析云对地表的反馈（Lohou和Patton，2014年）。Gristey等人（2025年）指出，使用一维（1-D）辐射方案建模的浅层积云阴影产生的地表不均匀性太小（几公里量级），无法驱动次级环流。需要三维（3-D）辐射效应来更真实地改变地表加热，从而产生更有组织的浅层积云场（Jakub和Mayer，2017年）和更具代表性的云特征（Tijhuis等人，2024年；Veerman等人，2020年）。

在本文中，我们基于Rochetin等人（2017年，以下简称R17）的工作，他们使用高分辨率大气模型展示了地表不均匀性对微风环流和对流组织的重要影响，该研究基于L11描述的2006年7月10日的观测案例。在R17中，干燥对流更倾向于在微风汇聚的局部“热点”区域开始，为边界层提供水分，从而在该区域或大尺度风的下风侧形成有序的对流，这与均匀地表模拟中出现的更为随机的“爆米花”对流形成对比。R17还对背景风和斑块引起的预设感热通量差异的强度进行了敏感性测试，得出结论认为深层对流的起始时间可能会根据这些参数提前1-4小时。在这里，我们旨在基于R17的工作，通过使用完全耦合的地表-大气配置来替代预设的感热通量设置，以研究交互式地表如何改变对流的起始和中等尺度组织。

本文的结构如下：第2节描述了案例研究、数值模型和包括地表初始化及处理的模拟设置。第3节探讨了在水平均匀地表条件下的地表-大气耦合效应。第4节将这一分析扩展到具有地表不均匀性的情景。最后，第5节总结了主要发现及其对未来对流参数化发展的启示。

案例研究

案例研究

我们研究了2006年7月10日在半干旱地区发生的事件，当时尼亚美上空出现了多个短暂存在的深层对流（DCV）单元，并向西传播。这些事件通过高空间和时间分辨率的仪器（MIT C波段多普勒雷达和ARM）在非洲季风多学科分析（AMMA）野外活动中被观测到（L11）。这是一个典型的从有序干燥对流向浅层对流，再从浅层对流向深层对流转变的案例，突显了

均匀地表模拟的结果

在本节中，我们分析了在空间均匀地表条件下地表耦合的重要性。

非均匀地表模拟的结果

在本节中，我们分析了在存在地表不均匀性的情况下地表-大气相互作用的影响，特别是包含一个温暖斑块的情况。

结论

本研究展示了地表-大气相互作用对深层对流（DCV）起始的显著影响，强调了在交互式和预设地表通量情景下地表不均匀性的不同影响。

2006年7月10日尼亚美附近的情况之前已经通过AMMA野外活动的观测进行了研究，并在过去的研究中使用了随时间变化的预设地表通量进行了数值模拟。在本研究中，我们使用了一个简单的地表模型

CRediT作者贡献声明

M. 托马西尼：撰写初稿、可视化处理、验证、软件开发、方法论研究、数据分析、正式分析、数据管理。F. 库弗鲁：撰写初稿、验证、监督、方法论研究、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢AMMA国际项目提供了本次活动中收集的所有数据集，特别是麻省理工学院和NASA水文学部门对尼亚美雷达运行的支持，以及大气辐射测量设施对UHF风廓线仪、无线电探空仪和地表站运行的支持。

我们还要感谢Najda Villefranque提供了使用