中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)是产生强降水、冰雹、局地大风和闪电的重要天气系统,其具有突发性强和可预报时效短的特性,往往给国民经济造成重大损失,威胁人民群众的生命和财产安全,但同时,中尺度对流系统的对流性降水占区域年降水量的较大比例,是大陆地表水资源的重要来源。海洋中尺度对流系统的长时间发展和维持,会造成强烈的海洋能量和水分的垂直输送,引起更大尺度的大气环流变化和天气过程。伴随中国南海季风爆发的南海中尺度对流系统的形成、发展和维持,与东亚季风爆发和东亚夏季旱涝有着密切的关系。因此中尺度对流系统的研究一直是国际热点研究方向,具有十分重要的意义。　　 本论文利用中尺度可分辨云二维和三维模式(Cloud-ResolvingModels,CRMs),以1998年5月15日至6月11日中国南海季风试验区(SCSMEX)观测数据为基础,针对MCS的形成机理,比较系统地开展了南海中尺度对流系统云微物理过程-辐射过程-大尺度环境场之间相互作用机理的研究。揭示了海洋MCS中冷暖云微物理过程、相变潜热、辐射及大尺度环境场的相互作用过程。论文也探讨了中纬度大陆MCS中的积云并合过程与并合机理,以及地形和大尺度环境场在积云并合中的作用。论文研究结果表明:　　 (1)中国南海北部季风试验区在1998年5月和6月存在较大的对流有效位能,大气层结不稳定,分别在季风爆发期的5月15日-5月24日和季风期5月30日-6月8日出现两次较强的对流天气过程,强对流活动发展过程中伴随着快速的能量和水汽垂直输送和交换。　　 南海中尺度对流系统结构与演变的二维和三维数值模拟结果在趋势上比较一致,但三维数值模式模拟的MCS更强。　　 数值模拟的敏感性试验结果表明,冷暖云过程对海洋MCS云降水过程的影响与辐射过程密切相关,冷暖云微物理过程与辐射过程的相互作用对MCS动力、降水过程具有重要作用,冷云(冰相)过程对区域降水量有减弱作用,累积减雨量可达6％左右。对降水强度也有明显的影响,冷云过程使季风期最大降水强度减弱60 mmd-1。　　 (2)由于冰云具有不同于暖云的光学物理特性,对太阳短波辐射产生更大的反射作用,使得到达洋面的向下太阳短波辐射通量减小14％,虽然向下的长波辐射通量增加1.6％,但净向下辐射通量仍然为减小。向下辐射通量的减小会使洋面潜热和感热通量减小,从而导致从洋面到大气中的能量和水汽垂直输送减小,这是冷云过程导致区域降水量减小的主要原因,因此,海洋MCS中冷云过程对其降水的影响主要是通过影响辐射过程实现的,而不仅仅是通过微物理过程影响降水。云微物理和辐射的相互作用对MCS降水过程具有重要的影响。　　 在不考虑辐射影响的情况下,冰相过程有利于区域降水量的增加,累积增雨量为2％左右。但在考虑辐射影响的情况下,冰相过程对区域降水量影响表现为减弱作用,减雨量在6％左右,虽然辐射过程可导致冷云(冰相过程)降水减小量不到10％,但同时辐射过程可导致暖云降水量增加27％。因此,辐射过程对冷暖混合云降水的影响仍然是增加的,区域平均降水量可增加约17％。同时,辐射过程对地面最大降水强度也表现为增强作用。　　 (3)冰相相变潜热过程也对MCS云降水产生影响,但与冷暖云影响降水的机理有所不同,相变潜热主要是通过影响大气层结稳定度而影响MCS降水过程。　　 凝华潜热释放过程对南海北部季风区中尺度对流系统的发展加强有明显的抑制作用,区域累积降水量减小。这是因为凝华潜热释放产生的加热作用,使大气环境稳定度增加,不利于海面潜热通量和感热通量的垂直输送,抑制区域降水,其中无辐射作用时,累积减雨量13.62％,有辐射作用时为10.11％。　　 融化潜热过程使得区域累积降水量增加,这主要是由于融化潜热的冷却效应,使得融化层以下的大气降温,从而增加了低层大气的不稳定性,有利于海面热通量的输送和MCS降水增加,无辐射作用时,累积增雨量为4.7％,有辐射作用时为4.1％。　　 碰冻潜热过程使得区域累积降水量减小,这主要是由于碰冻潜热的加热作用使中高层大气更为稳定,不利于MCS对流的发展,导致降水减小,无辐射作用时,累积减雨量为0.82％,有辐射作用时,为2.2％。　　 冰相降水粒子的下落末速度的增加对MCS动力及降水过程的影响并不大。　　 (4)MCS冷暖云过程、相变潜热及辐射过程相互作用对大气环境温度、水汽和稳定度有重要的影响。但这种影响过程与辐射过程有着密切的关系。不考虑辐射影响的情况下,冰相(冷云)过程在零度层以上对大气表现为增温作用(潜热释放),而在零度层以下表现为降温作用(潜热吸收),大气水汽含量在低层减小,这表明冰相过程有利于水汽向云和降水转换,进而导致区域降水量增加。　　 在辐射影响情况下,云物理过程与辐射的相互作用使得混合云整层大气都处于增温状态,环境温度变得更高。大气低层水汽增多,高层水汽含量减小。大气趋于更加稳定,对流发展更弱,这表明云内微物理过程与辐射传输过程相互作用对大尺度环境有着重要的影响,而这种稳定的大气环境反过来并不利于MCS的持续发展。冷云冰相过程产生的相变潜热释放和吸收过程在辐射影响下对大气环境的影响更为明显,特别是凝华潜热释放的加热作用使环境大气稳定度显著增加,更不利于对流的持续发展。　　 (5)积云并合对中尺度对流系统的形成有着重要作用,积云并合过程可分为单体并合、积云团并合和强中心并合,是一个多尺度并合过程。首先,相邻孤立对流单体之间在高层形成云桥并合为积云团,然后相邻积云团也通过高层云桥发生并合,形成具有多个强中心的中尺度对流系统。最后系统内的强中心实现并合。　　 积云上升气流及高层辐散出流对于积云并合有着重要作用,由强辐散出流在高层形成云粒子的水平输送,相邻积云之间在高层形成云桥,逐渐发生并合形成中尺度对流系统。同时,高层环境风,低层辐合,水平气压梯度力和水汽辐合对积云进一步发生并合过程有着重要作用。　　 中尺度对流系统内的强中心通过中层云桥发生并合,强中心的强下沉气流及其辐散出流相互作用,形成辐合上升,产生云桥。　　 地形对于对流和云桥的进一步发展加强有着重要作用,地形对大尺度环境风的抬升作用,使得暖湿气流在地形迎风坡形成较强的水汽辐合区,为对流的发展增强提供水汽条件,这是地形和大尺度环境风场促进对流和云桥发展的主要原因。