2019, Vol. 39
2. 山西省气象科学研究所，山西 太原 030002
2. Shanxi Institute of Meteorological Sciences, Taiyuan 030002, China
研究[1]表明，黄河中游地区是中尺度对流系统(mesoscale convective system，MCS)的高发区，常导致暴雨大暴雨，引发洪水灾害。赵桂香等[2]分析了黄河中游地区MCS特征指出，中尺度对流复合体(mesoscale convective complex，MCC)和β中尺度持续拉长状对流系统(meso-β scalepersistent elongated convective systems，MβECS)是该区域夏季降水的主要MCS，降水特征复杂，地域差异明显。MCC的发生发展与环境条件关系密切。以往研究[3-5]多认为MCC生成发展的环境大气斜压性较弱，赵桂香等[6]分析发现，不同季节MCC形成、发展机制不尽相同，其后期发展对能量、水汽和大气不稳定等的要求存在很大差异，春季MCC可以生成在大气斜压性强的环境背景下。高帆等[7]研究指出，孤立对流云团合并为扁平状中尺度对流系统，造成了对流暴雨，暖区对流发生在地面露点温度大值区; 赵桂香等[8]认为低层稳定的切变线附近形成的中尺度扰动低涡，与地面中尺度露点锋和中尺度辐合线共同作用，触发了中尺度对流云团的发生、发展。黄治勇等[9]分析发现，MCC发展到成熟阶段，对流层中低层始终维持不稳定层结状态，风速切变较强。侯淑梅等[10]认为后向传播雷暴的环境场水汽条件较好，大气斜压特征明显，近地面层高温高湿; 赵桂香等[6]研究则指出MCC生成于条件不稳定、对流不稳定和对称不稳定等三种不稳定共存区域。杨忠明等[11]分析了贵州中南部2个致洪MCC，认为地面中尺度低压中的辐合线或静止锋的存在，加强了辐合上升运动，从而反复生成MCC，造成连续性暴雨; 杨晓霞[12]在分析副热带高压边缘强降水形成机制时发现，造成强降水的中尺度对流系统具有新老云团更替、向东移动缓慢等特点。张立祥和李泽椿[13]对一次东北冷涡MCS边界层特征进行了数值模拟得出，MCS温湿层结及气流结构改变了边界层入流; 朱义青等[14]认为强对流云团旺盛时期，其北侧有相对干冷空气入侵，加剧了降水蒸发，在强对流云团低层对应相应冷池。赵桂香等[15]分析MCC演变过程中气象要素的垂直变化特征发现，云系分层现象消失，云顶高度降低，湿层厚度加大，凝结高度降低，逆温层消失，均有可能是MCC发展的先兆信号。这些研究对认识MCC强降水成因和改进MCC强降水预报具有重要意义。井喜等[16]利用2005—2011年资料，以200 hPa环流形势作为分型标准，对中国MCC(20个)天气学分型特征进行了分析。然而，要更为全面认识MCC形成发展机制、三维结构特征及其造成强降水的差异，显然不够。本文试图选取更多个例(33个)，利用多种探测资料，采用天气学分析和动力诊断相结合的方法，较为系统地研究黄河中游地区MCC分型特点、空间结构特征及差异，为MCC强降水预报提供参考。
1 资料与方法文章研究区域为黄河中游地区，地理位置为104°27′~113°39′E，33°45′~40°11′N。所用资料序列为2005—2017年的5—10月。根据文献[17-18]的标准，利用FY-2E高分辨率(0.1°×0.1°)TBB和卫星云图逐时或逐半小时资料，通过增强处理，筛选MCC个例[2];降雨资料来自地面国家气象站，共计232个。采用实况探测、L波段探空秒数据以及NCEP/NCAR FNL 1°×1°再分析资料等，通过普查历史个例的环流背景和影响系统特点等，对MCC进行天气学分型，并选取典型个例进行系统配置，结合动力诊断方法，研究MCC强降水预报关键技术，建立MCC强降水预报物理模型。
2 MCC基本特征及天气学分型 2.1 MCC基本特征2005—2017年，黄河中游地区共形成33个MCC。85%的MCC生成在夏季，多在傍晚至次日凌晨发展成熟; 成熟期最低云顶亮温在-68 ℃以下的个例占87%，生命史大多在8 h以上; 移动路径以偏东方向为主，少数稳定少动或向西或西南移动。MCC所产生的日降水量均在中雨以上，其中达暴雨以上的为22个，占总数的67%(暴雨和大暴雨及以上的个例数相等，各为11个)，主要集中在陕西到山西一带; 产生大雨的有8个，占24%，基本集中在甘肃到陕西交界; 中雨的仅3个，占9%，位于内蒙古与山西交界。78.8%的MCC可产生短时强降水(雨强≥20 mm·h-1)。可见，MCC具有云顶亮温低、生命史长、移动缓慢、降雨量和降雨强度大等特点，且具有明显的地域特征。
2.2 MCC的天气学分型马禹等[1]和井喜等[16]以200 hPa环流形势为依据给出了MCC天气学模型。研究表明，黄河中游地区不同季节的MCC，环流背景和结构特征差异很大，仅依据200 hPa形势特点分型，难以深入了解该区域MCC形成发展机制。本文以200 hPa环流形势为依据划分主型，以500 hPa形势为辅助划分副型，并选取典型个例，对低层风场和物理量特征等进行系统配置，揭示环境场差异。通过综合归纳，可分为3个主型(图 1)，第一主型下分3个副型，第二和第三主型下各分2个副型(表 1)。
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图 1 200 hPa环流形势合成分析(a.第一主型，b.第二主型，c.第三主型; 实线为等高线，单位：dagpm; 阴影表示散度大于零，单位：10-6 s-1) Fig.1 Synthetic analysis of three patterns of circulation at 200 hPa (a/b/c. the first/second/third main pattern; the solid line for contour line, units: dagpm; the shaded area for divergence greater than zero, units: 10-6 s-1) |
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表 1 MCC天气学分型 Table 1 Synoptic patterns of MCCs |
此型共有13个，主要出现在7月下旬至8月中旬。特点：200 hPa南亚高压强盛，且稳定少动，大多呈东西向带状分布，有时会有2个中心或分裂为2个中心; 32°~37°N、100°~110°E之间存在强的辐散区。MCC形成在反气旋前沿的强辐散区，中心强度一般在40.5×10-6 s-1~51.2×10-6 s-1之间(图 1a)。
1) 以2011年8月15—16日为例分析第一副型系统配置特点。500 hPa高纬地区为一低值系统，多短波槽活动; 西太平洋副热带高压(以下简称副高)较强盛，MCC形成在弱西南气流中(图 2a)。对应700 hPa(图略)，来自孟加拉湾的西南气流与来自西风带系统的偏北风形成一条中尺度切变线，850~925 hPa(图略)之间形成约500 km×500 km的中尺度气旋式涡旋。700 hPa为一湿舌，温度露点差≤3 ℃，850 hPa以下为一暖中心。湿层厚度在700 hPa附近，500 hPa与850 hPa假相当位温差为-5 ℃。500~700 hPa，MCC后部存在较强冷平流，中层冷空气的侵入触发MCC强降水。
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图 2 2011年8月15日20:00的系统配置图(a; 实线为500 hPa等高线，单位：dagpm; 红色虚线为850 hPa假相当位温，单位：℃; 风矢为500 hPa风场，单位：m·s-1; 蓝色方框为MCC形成区)和15日23:30的TBB(填色，单位：℃)与15日08:00—16日08:00的24 h降水量(单位：mm，方框代表 10~25 mm，空心圆代表 25~50 mm，实心圆代表 50 mm以上)合成图(b) Fig.2 System configuration at 20:00 on 15 (a; the solid line for contour line at 500 hPa, units: dagpm; the dotted red line for pseudo-equivalent potential temperature at 850 hPa, units: ℃; wind barb for wind field at 500 hPa, units: m·s-1; the blue box for generating area of MCC) & TBB (colored, units: ℃) at 23:30 on 15 and 24-h precipitation (units: mm; the box for precipitation between 10 and 25 mm, the hollow circle for precipitation between 25 and 50 mm, the solid circle for precipitation greater than 50 mm) from 08:00 on 15 to 08:00 on 16 August 2011 (b) |
卫星资料显示，强降水开始前，500 hPa西南气流区、沿700 hPa切变线不断有对流云团生成、发展和合并。MCC在低层中尺度涡旋区以及对流不稳定区发展成熟(图 2b)，TBB≤-52 ℃和≤-32 ℃的冷云罩面积分别为6.1×104 km2和12.2×104 km2, 离心率接近0.8，中心TBB达-73 ℃; 约2 h后进入最旺盛期，TBB≤-52 ℃和≤-32 ℃的冷云罩面积以及离心率仍在增大，中心TBB不再下降。MCC从形成到消亡维持了近10 h，先沿500 hPa弱西南气流向东北方向缓慢移动，再沿偏西北气流向东南方向折转，造成甘肃南部和陕西中南部中到大雨、局部暴雨(图 2b)，24 h最大降水量为56 mm，对流性较强，最大雨强44 mm·h-1, 出现在MCC最旺盛时期的后部。
2) 以2010年8月10—11日为例分析第二副型。500 hPa中高纬地区环流较平，副高强盛，呈东西向带状分布，MCC形成于低值系统底部的平直西风环流中(图 3a)。对应700 hPa(图略)，来自南海的偏南风与中纬度弱西北风形成一条近似南北向的中尺度切变线，850 hPa(图略)以下东南风输送不断加强。MCC前部，700 hPa以下暖湿空气输送明显，湿层厚度在700 hPa附近; MCC后部，700~500 hPa存在较强冷平流，且500~850 hPa温度差动平流不断增大，大气不稳定性持续增强，500 hPa与850 hPa假相当位温差达-10 ℃。冷空气从MCC后部自高层向低层侵入，触发强不稳定能量释放。
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图 3 2010年8月10日20:00的系统配置图(a; 实线为500 hPa等高线，单位：dagpm; 红色虚线为850 hPa假相当位温，单位：℃; 风矢为500 hPa风场，单位：m·s-1; 蓝色方框为MCC形成区)和10日20:30的TBB(填色，单位：℃)与10日08:00—11日08:00的24 h降水量(单位：mm，方框代表 10~25 mm，空心圆代表 25~50 mm，实心圆代表 50 mm以上)合成图(b) Fig.3 System configuration at 20:00 on 10 (a; the solid line for contour line at 500 hPa, units: dagpm; the dotted red line for pseudo-equivalent potential temperature at 850 hPa, units: ℃; wind barb for wind field at 500 hPa, units: m·s-1; the blue box for generating area of MCC) & TBB (colored, units: ℃) at 20:30 on 10 and 24-h precipitation (units: mm; the box for precipitation between 10 and 25 mm, the hollow circle for precipitation between 25 and 50 mm, the solid circle for precipitation greater than 50 mm) from 08:00 on 10 to 08:00 on 11 August 2010 (b) |
卫星云图上，强降水开始前，青海东部高原、沿副高边缘有多个对流云团形成，并迅速发展合并，最旺盛时(图 3b)，TBB≤-52 ℃和≤-32 ℃的冷云罩面积分别为14.4×104 km2和15.6×104 km2, 离心率接近1，中心TBB达-69 ℃。MCC从形成到消亡维持了近16 h，沿500 hPa偏西气流向偏东方向缓慢移动，造成青海东部到陇南中到大雨、局部暴雨(图 3b)，24 h最大降水量71 mm。降水对流性强，陇南有5个测站出现短时强降水，最大雨强达50 mm·h-1，出现在MCC最旺盛时期的前部。
3) 以2010年7月31日—8月1日为例分析第三副型。500 hPa高纬地区为一低值系统，副高断裂成两块，一块留在海上，另一块位于高原到河套地区，MCC形成于两高之间(图 4a)。对应700 hPa(图略)上两高之间的风场存在明显扰动，850 hPa(图略)，来自冷涡后部的偏北风与来自孟加拉湾的西南风形成一条中尺度切变线，且稳定少动。与前两类不同的是，并未出现显著湿区，而与大陆高压相伴，中低层形成一个显著的假相当位温高值区，高值中心强度持续增强，较前两类高10~18 ℃，500 hPa与850 hPa假相当位温差达-16 ℃。冷空气沿低层冷涡后部偏北气流向西南方向侵入并持续渗透，触发强的不稳定能量持续释放。
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图 4 2010年7月31日20:00的系统配置图(a; 实线为500 hPa等高线，单位：dagpm; 红色虚线为850 hPa假相当位温，单位：℃; 风矢为500 hPa风场，单位：m·s-1; 蓝色方框为MCC形成区)和8月1日01:30的TBB(填色，单位：℃)与7月31日08:00—8月1日08:00的24 h降水量(单位：mm，方框代表 10~25 mm，空心圆代表 25~50 mm，实心圆代表 50 mm以上)合成图(b) Fig.4 System configuration at 20:00 on 31 July (a; the solid line for contour line at 500 hPa, units: dagpm; the dotted red line for pseudo-equivalent potential temperature at 850 hPa, units: ℃; wind barb for wind field at 500 hPa, units: m·s-1; the blue box for generating area of MCC) & TBB (colored, units: ℃) at 01:30 on 1 August and 24-h precipitation (units: mm; the box for precipitation between 10 and 25 mm, the hollow circle for precipitation between 25 and 50 mm, the solid circle for precipitation greater than 50 mm) from 08:00 on 31 July to 08:00 on 1 August 2010 (b) |
卫星云图上，强降水开始前，在高空槽云系前、850 hPa切变线东南侧风场辐合的地方形成对流云团，并迅速发展加强，成熟时TBB≤-52 ℃和≤-32 ℃的冷云罩面积分别为5.1×104 km2和8.2×104 km2, 离心率接近1，中心TBB为-65 ℃。之后稳定少动，在缓慢东南移过程中先后2次加强，约7 h(图 4b)后达到最盛。MCC从形成到消亡维持了近17 h，先沿500 hPa偏西北风向东南方向缓慢移动，后沿500~850 hPa之间的平均偏东北气流向西南方向移动，造成山西南部和陕西中部中到大雨、部分地区暴雨(图 4b)，最大24 h降水量96 mm。降水对流性强，山西南部和陕西中部有多个测站出现短时强降水，最大雨强达72 mm·h-1, 出现在MCC最旺盛时期的南侧。MCC具有后向传播特点。
综上，三个副型均形成在200 hPa反气旋前沿辐散区、中层高湿区或低层高位温区，水汽向云区的卷入和高不稳定能量持续增强，使得MCC发展和稳定维持; 冷空气从MCC后部侵入，以及高层辐散、低层中尺度切变线或涡旋引起的强烈辐合使得大气对流不稳定持续增强，是MCC和对流性强降水发生发展的主要机制。但水汽来源、湿层厚度及不稳定度等存在明显差异，造成三个副型的降水强度及持续时间明显不同。
2.2.2 200 hPa深厚低槽型此型共有13个，以5—6月居多。特点：200 hPa上中高纬地区为一大的低压系统或低压槽，MCC形成在槽前气流辐散中心(图 1b)。
1) 以2007年7月29—30日为例分析第一副型。500 hPa副高强盛且向北伸展，受贝加尔湖西侧深厚西风槽阻挡，在贝加尔湖东侧形成阻塞高压，河套地区则形成一切断低压，MCC形成在切断低压与留在海上的副高之间的西南气流中(图 5a)。MCC发展期间，辐合中心向中层伸展，辐合层加厚，高层辐散中心加强，对流不稳定持续加强，强冷空气沿槽后西北气流向MCC区侵入。
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图 5 2007年7月29日20:00的系统配置图(a; 实线为500 hPa等高线，单位：dagpm; 红色虚线为850 hPa假相当位温，单位：℃; 风矢为500 hPa风场，单位：m·s-1; 蓝色方框为MCC形成区)和29日18:00的TBB(填色，单位：℃)与29日08:00—30日08:00的24 h降水量(单位：mm，空心圆代表 50~100 mm，实心圆代表 100 mm以上)合成图(b) Fig.5 System configuration at 20:00 on 29 (a; the solid line for contour line at 500 hPa, units: dagpm; the dotted red line for pseudo-equivalent potential temperature at 850 hPa, units: ℃; wind barb for wind field at 500 hPa, units: m·s-1; the blue box for generating area of MCC) & TBB (colored, units: ℃) at 18:00 on 29 and 24-h precipitation (units: mm; the hollow circle for precipitation between 50 and 100 mm, the solid circle for precipitation greater than 100 mm) from 08:00 on 29 to 08:00 on 30 July 2007 (b) |
卫星云图上，对流云团首先形成在500 hPa副高边缘、中低层风场明显辐合的地方，并不断发展加强，最旺盛时(图 5b)，TBB≤-52 ℃和≤-32 ℃的冷云罩面积分别为14.7×104 km2和25.1×104 km2, 离心率为0.8，中心TBB达-73 ℃。之后在其后部有强对流云团发展与之合并。MCC从形成到消亡维持了近18 h，先稳定少动，后沿500~700 hPa强西南气流向东北方向移动，造成山西中南部、河南北部、河北南部等地大范围大到暴雨、部分地区大暴雨、局部特大暴雨(图 5b)，24 h降水量最大303 mm。降水对流性很强，最大雨强达79 mm·h-1，期间多次出现短时强降水和降雨强度的加强。
2) 以2011年5月19—20日为例分析第二副型。500 hPa中高纬地区为一槽一脊型，中纬度环流较平，随着高空锋区的南压，以及来自孟加拉湾的西南气流向北输送，在青海东部到陇南出现风场扰动，MCC形成在此处(图 6a)。对应700 hPa(图略)形成一个中尺度低涡，涡前西南气流不断加强，500~700 hPa存在一暖舌，500 hPa与850 hPa温度差较小，大气存在弱的对流不稳定。
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图 6 2011年5月19日20:00的系统配置图(a; 实线为500 hPa等高线，单位：dagpm; 红色虚线为850 hPa假相当位温，单位：℃; 风矢为500 hPa风场，单位：m·s-1; 蓝色方框为MCC形成区)和19日18:00的TBB(填色，单位：℃)与19日08:00—20日08:00的24 h降水量(单位：mm，方框代表 10~25 mm，空心圆代表 25 mm以上)合成图(b) Fig.6 System configuration at 20:00 on 19 (a; the solid line for contour line at 500 hPa, units: dagpm; the dotted red line for pseudo-equivalent potential temperature at 850 hPa, units: ℃; wind barb for wind field at 500 hPa, units: m·s-1; the blue box for generating area of MCC) & TBB (colored, units: ℃) at 18:00 on 19 and 24-h precipitation (units: mm; the box for precipitation between 10 and 25 mm, the hollow circle for precipitation greater than 25 mm) from 08:00 on 19 to 08:00 on 20 May 2011 (b) |
卫星云图上，强降水开始前，在中低层风场扰动和明显辐合的地方有对流云团形成，之后在东移过程中迅速发展加强，最旺盛时(图 6b)，TBB≤-52 ℃和≤-32 ℃的冷云罩面积分别约14.4×104 km2和27.3×104 km2, 离心率为0.92，中心TBB为-56 ℃。MCC沿500 hPa偏西气流向偏东方向移动，造成陇南到陕西交界小到中雨、局部大雨(图 6b)，24 h最大降雨量37 mm，降雨强度小，持续时间短。
可见，200 hPa低槽背景下，第一副型500 hPa存在东阻形势、湿层深厚、切断低压东南侧低层辐合持续增强以及强冷空气从MCC后部大举侵入。因此，对流强度和降水强度更大，降水持续时间更长，降雨总量也更大。第二副型能量、水汽以及不稳定度均较弱，因此对流强度和降水强度均较小，持续时间也短，降水总量小。
另外，统计分析了此型下MCC形成时的背景场特征，发现第一副型下，500 hPa以下存在8~12 m·s-1的西南风，500 hPa与850 hPa假相当位温差在-10~-6 ℃之间，而第二副型下，一般在700 hPa以下存在6~10 m·s-1的偏南风，500 hPa与850 hPa假相当位温差在-8~-5 ℃之间。第一副型造成的降水多以区域大雨、分散性暴雨为主，而第二副型则以个别站大到暴雨为主。但MCC生成在不同区域，降水强度还存在明显差异。
2.2.3 200 hPa急流或急流分支型此型共有7个，主要出现在6月和8月。特点：200 hPa中高纬地区形成西北急流，急流常出现分支，MCC形成在分支区、西北气流前沿的辐散区(图 1c)。
1) 以2007年8月8—9日为例分析第一副型。500 hPa(图 7a)中高纬地区为一槽一脊型，中纬度环流较平，多短波槽活动。700 hPa(图略)，在32°~36°N、102°~108°E附近形成一个约440 km×660 km的中尺度气旋式涡旋，且稳定少动，涡旋区空气接近饱和，对应850 hPa为一暖中心。500 hPa与850 hPa假相当位温差≤-14 ℃，大气存在强对流不稳定。
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图 7 2007年8月8日20:00的系统配置图(a; 实线为500 hPa等高线，单位：dagpm; 红色虚线为850 hPa假相当位温，单位：℃; 风矢为500 hPa风场，单位：m·s-1; 蓝色方框为MCC形成区)和8日23:30的TBB(填色，单位：℃)与8日08:00—9日08:00的24 h降水量(单位：mm，空心圆代表 50—100 mm，实心圆代表 100 mm以上)合成图(b) Fig.7 System configuration at 20:00 on 8 (a; the solid line for contour line at 500 hPa, units: dagpm; the dotted red line for pseudo-equivalent potential temperature at 850 hPa, units: ℃; wind barb for wind field at 500 hPa, units: m·s-1; the blue box for generating area of MCC) & TBB (colored, units: ℃) at 23:30 on 8 and 24-h precipitation (units: mm; the hollow circle for precipitation between 50 and 100 mm, the solid circle for precipitation greater than 100 mm) from 08:00 on 8 to 08:00 on 9 August 2007 (b) |
卫星云图上，强降水开始前，从青藏高原到陕西一带、沿32°N不断有对流云团的生消，且沿500 hPa偏西风自西向东移动，发展缓慢，这些对流云团像“列车”一样不断移过陇南和陕西南部，并在700 hPa中尺度涡旋前的辐合上升区发展成熟(图 7b)，TBB≤-52 ℃和≤-32 ℃的冷云罩面积分别为10.0×104 km2和11.1×104 km2, 离心率为0.76，中心TBB达-78 ℃。MCC从形成到消亡维持了近8 h，先稳定少动，后沿500~700 hPa偏西北气流向东南方向移动。造成甘肃到陕西南部大范围中到大雨、部分地区暴雨(23个测站)、4站大暴雨(图 7b)，24 h最大降水量160 mm。陇南降雨以稳定性为主，陕西降雨以混合性为主，但对流性很强，最大雨强达89 mm·h-1，期间多次出现短时强降水和降雨强度的加强。
2) 以2010年6月22—23日为例分析第二副型。500 hPa中高纬地区为两槽一脊型(图 8a)，随着东亚大槽向南伸展，槽底部的风场上形成一个约440 km×590 km的切断式中尺度气旋式涡旋，MCC形成在此处。在低层(图略)，中尺度气旋式涡旋减弱为中尺度切变线，且具有明显的前倾结构，大气具有一定的对流不稳定性。与前几类不同的是没有明显的水汽输送通道，但在低层850 hPa存在一高能区。
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图 8 2010年6月22日20:00的系统配置图(a; 实线为500 hPa等高线，单位：dagpm; 红色虚线为850 hPa假相当位温，单位：℃; 风矢为500 hPa风场，单位：m·s-1; 蓝色方框为MCC形成区)和22日16:00的TBB(填色，单位：℃)与22日08:00—23日08:00的24 h降水量(单位：mm，方框代表 10~25 mm，空心圆代表 25~50 mm，实心圆代表 50 mm以上)合成图(b) Fig.8 System configuration at 20:00 on 22 (a; the solid line for contour line at 500 hPa, units: dagpm; the dotted red line for pseudo-equivalent potential temperature at 850 hPa, units: ℃; wind barb for wind field at 500 hPa, units: m·s-1; the blue box for generating area of MCC) & TBB (colored, units: ℃) at 16:00 on 22 and 24-h precipitation (units: mm; the box for precipitation between 10 and 25 mm, the hollow circle for precipitation between 25 and 50 mm, the solid circle for precipitation greater than 50 mm) from 08:00 on 22 to 08:00 on 23 June 2010 (b) |
卫星云图上，MCC在500 hPa中尺度涡旋附近形成、发展，成熟时(图 8b)TBB≤-52 ℃和≤-32 ℃的冷云罩面积分别为6.4×104 km2和10.9×104 km2, 离心率为0.7，中心TBB为-68 ℃。MCC沿500~700 hPa偏西北气流向东南方向移动，移动速度较快，造成山西中东部、河南北部、河北南部等地小到中雨，个别测站大到暴雨(图 8b)，降水对流性弱，雨强小。
综上所述，200 hPa西北急流或急流分支背景下，第一副型500 hPa副高南侧形成偏东风急流，东风扰动不断加强，使得中尺度对流云团不断生消，像“列车”一样不断移过暴雨区，具有类似“列车效应”的特点，而MCC也稳定少动，因此暴雨、大暴雨区非常集中。而第二副型与前几类明显不同，没有明显的水汽输送通道，午后太阳辐射造成的局地增温是不稳定能量的主要来源，因此，降水强度小，持续时间短，总雨量也明显小于其他几类。
3 分型MCC结构特征差异的诊断分析为进一步了解不同分型MCC的空间结构特征差异，采用NCEP/NCAR FNL 1°×1°再分析资料，计算分析MCC形成发展过程中水汽与能量扰动特征; 利用L波段探空秒数据和自动站加密观测数据，分析气象要素的垂直结构以及边界层入流、冷池出流特征及在MCC发展过程中的作用，从而建立MCC强降水预报物理模型。
3.1 中低层水汽与能量扰动特征研究[19-20]表明，利用波流相互作用理论可以解释暴雨中尺度对流系统形成机理。为此常计算分析中尺度对流系统演变过程中的扰动发展特征。区域扰动的变化能很好地解释强天气的落区; 而扰动强度则与天气强度密切相关。
本文以MCC生命史内所经过区域、向外增大3°×3°的矩形为计算区域，利用NCEP/NCAR FNL 1°×1°再分析资料，计算水汽(比湿)和能量(θse)的区域平均，用区域内格点值减去平均值，求取扰动值。选取MCC形成前(对流云团发展尚未达MCC标准)、发展成熟期(达到MCC标准并持续)、消亡期(不再够MCC标准)等3个时刻，分析水汽和能量扰动的演变特征，以揭示不同分型MCC在不同生命阶段对水汽和能量需求的差异。
| $ A^{\prime}=A-\overline{A} $ | (1) |
式中A代表比湿或假相当位温，
分析发现，无论是哪种环流背景下，MCC生命期内所经区域，550 hPa以下均存在水汽和能量正扰动区，两侧为负扰动，正负扰动之间梯度较大。MCC形成在低层比湿和能量扰动的正值中心附近，在低层扰动梯度大值区右侧、中层扰动梯度大值区左侧靠近中心的区域发展成熟，而随着扰动的减小趋于消亡。但不同分型、不同生命期内的扰动正值中心所在高度、中心强度、正扰动的厚度以及垂直结构不同(表 2)。
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表 2 扰动物理量特征对比 Table 2 Characteristic comparison between physical parameters of disturbance |
另外，不同分型下还存在其他差异：12型，从青藏高原到陕西为一扰动正值带，其间分布着多个正中心并稳定维持，这是MCC后部不断有新的对流云团形成、发展并与之合并的重要原因; 13型，在MCC后向传播过程中，2次出现正值中心。22型，正值中心强度和正扰动厚度更大，这可能是对于5月份的北方，对流云团发展成MCC，对水汽和能量在短时间内增幅的要求更高。31型，在MCC发展期，其上游存在多个水汽和能量的正扰动中心，而且越往上游中心强度越大，这是造成MCC后部不断有新对流云团形成并移过强降水区、形成类似“列车效应”，从而使强降水持续的重要原因。
3.2 气象要素垂直结构演变L波段探空秒数据能更精细地刻画云系及环境场的垂直结构特点。该探空业务从2011年开始，因此，选取2011年8月15日(代表第一型)和5月19日(代表第二型)等2个个例，利用MCC成熟时中心位置所在测站的L波段探空秒数据，分析MCC发展演变过程中，气象要素的垂直结构变化。相对湿度80%为云阈值，小于40%为干层，大于70%为湿层，40%~70%为干湿过渡层。
3.2.1 200 hPa南亚高压稳定型MCC强降水前(图 9a)，云系较少，云层较薄，在2.2~2.7 km之间出现分层现象，云体结构松散。湿层在3.2 km以下，3.2~4.1 km为干湿过渡层，4.1 km以上为深厚干层。0 ℃层位于6.8 km。4.5 km以下存在5处逆温层。风场上，1.5~3 km之间风随高度逆转，存在冷平流; 3~12 km之间为深厚的西南气流; 12 km以上风随高度顺转，存在暖平流; 风速随高度先增后减。0~6 km风垂直切变属中等强度。临近强降水(图 9b), 云系发展，分层现象消失，云体结构变得密实，云顶高度伸展到6.2 km，云层显著增厚，云内水汽含量明显增大。湿层向上伸展到6.2 km，7.5~8 km之间以及12 km以上为干层，而干湿过渡层增厚，同时0 ℃层高度下降到5 km，逆温层消失。风场上，低层为暖平流，高层为冷平流，风速随高度增大，0~6 km风垂直切变减小。
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图 9 2011年8月15日平凉L波段探空秒数据(a. 08:00，b.20:00) Fig.9 L-band second-level radiosonde data of Pingliang Station on 15 August 2011 (a. 08:00, b. 20:00) |
MCC强降水前(图 10a)，云系更少，云层更薄，在3.5~4.2 km之间出现分层现象，湿层达4.1 km，4.1~13 km之间为干湿过渡层，13 km以上空气干燥。0 ℃层高度位于4.7 km，4.1 km以下存在2处逆温层。风场上，1.5~4.1 km之间风随高度顺转，为暖平流，4.1 km以上为西南风，风速随高度增大; 0~6 km风垂直切变较大。临近强降水(图 10b)，云系迅速发展，云顶高度伸展到9.8 km，云体结构变密，云中水汽含量明显增大; 湿层厚度伸展到11 km，干湿过渡层变薄，11.7 km以上为干层。同时0 ℃层高度下降到4 km。风场上，低层暖平流加强，高层冷平流维持，0~6 km风垂直切变减小。
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图 10 2011年5月19日武都L波段探空秒数据(a. 08:00，b. 20:00) Fig.10 L-band second-level radiosonde data of Wudu Station on 19 May 2011 (a. 08:00, b. 20:00) |
可见，云系分层现象消失，云顶向上伸展，云体加厚，云内水汽含量增加，是MCC发展的先兆信息; 而云顶高度下降，凝结高度降低，逆温层消失，是MCC持续发展并即将达到成熟的提示。但不同分型下，这种垂直结构特征的变化存在差异。另外，对于所选取的200 hPa高空急流或急流分支型的个例(第三型)，利用加密探空资料分析了气象要素的垂直结构，发现MCC发展期间，低层暖平流和高层冷平流持续加强，但凝结高度下降不明显。
3.3 边界层入流、地面冷池及出流的作用ROMERO et al.[21]研究了一系列对流系统的生命史及相互作用，认为对流产生的冷堆和外流对对流的传播非常重要; 肖现等[22]的研究也认为，冷池和环境风场相互配合，对对流风暴的发展传播具有重要影响。为揭示冷池和中尺度高压在MCC发展演变过程中的作用，利用地面自动站加密观测和L波段探空秒数据等，分别分析地面温度、露点、风场、海平面气压及边界层入流变化特征。
3.3.1 200 hPa南亚高压稳定型1) 11型(图 11a)。地面存在稳定少动的冷锋，锋前暖中心强度稳定增强。受上游稳定性降水蒸发影响，在暖中心前部形成一冷池，中心强度最强时较周围温度偏低8 ℃。对应海平面气压场上，从四川到山西为一低压，低压稳定维持，中心强度增强; 在冷池消失的地方，形成一个中尺度高压，维持了4 h后减弱。MCC形成在锋面附近靠近暖中心一侧、低压中心附近，而在冷池和中尺度高压后部、暖中心附近发展成熟。
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图 11 地面气压(实线，单位：hPa)、露点(绿色虚线，单位：℃)、冷池(蓝色椭圆阴影，单位：℃)以及20:00的850 hPa风场(单位：mm·s-1)(黑色箭头为边界层入流，红色方框为MCC成熟时位置，蓝色虚线为锋面位置; a.2011年8月15日17:00，b.2010年8月15日14:00，c.2010年7月30日17:00) Fig.11 Surface pressure (solid line, units: hPa), dew point (dotted green line, units: ℃), cold pool (elliptical blue shade area, units: ℃), and wind field (unit: mm·s-1) at 850 hPa at 20:00 (the black arrow for boundary layer inflow, the red box for location of mature MCC, the blue dotted line for location of surface front; a. 17:00 on 15 August 2011, b. 14:00 on 15 August 2010, c. 17:00 on 30 July 2010) |
2) 12型(图 11b)。整个江淮和长江中下游地区受强盛副高控制，随着副高边缘暖湿气流的输送和太阳辐射增强，青海到甘肃一带气温迅速升高，中尺度对流云团在升温最大的区域形成并发展。之后，沿31°N从高原到甘肃有多个暖中心形成并维持，在这些暖中心附近不断有中尺度对流云团形成、东移，北侧是具有多个冷中心的带状冷气团。受副高北侧短波槽降水蒸发影响，MCC下方始终维持一个20~22 ℃的冷中心，冷池最强时较周围温度低8~12 ℃，同时在MCC成熟区，始终存在一个温度密集带。对应海平面气压场上，从青藏高原到华北，维持稳定的东高西低形势，华北位于高压后部回流区，而高原到甘肃南部为一低压带，其中分布着多个低压中心，MCC形成发展的区域始终为一低压中心。在MCC后部新生对流云团前沿，形成一个中尺度高压，维持了近4 h。
3) 13型(图 11c)。与500 hPa副高断裂为2块相对应，海上和大陆分别出现2个暖区，大陆暖中心和其北侧的冷区强度持续增强，MCC在温度梯度大值区形成、发展并稳定维持。两高之间的切变区域形成一个稳定的暖中心并持续加强，是MCC后向传播后得以再次发展加强并稳定维持的重要原因。受高空槽降水蒸发影响，在MCC前侧形成一个不断增强的冷中心，中心强度最强时较周围温度偏低16 ℃，该冷池稳定维持了6 h。对应气压场上，MCC在气旋附近形成，并在两高之间暖低区获得2次发展。在MCC再次发展的区域前侧形成一个中尺度高压，但仅维持2 h，中心强度和高压尺度均较小。
可见，在200 hPa南亚高压稳定的环流背景下，冷池与西路冷空气从两侧夹挤，与暖气团形成长时间对峙，使得暖中心强度持续增强并稳定维持，是MCC发展的重要能量来源; 冷池与中尺度高压产生的干冷空气外流，持续从MCC前侧进入，与MCC前部边界层西南暖湿入流(图 12a-c)交汇，加强了MCC内部中尺度环流以及水汽的凝结，造成MCC稳定维持。所不同的是，12型地面不存在明显冷锋，13型冷池强度强，持续时间长，而中尺度高压强度弱、持续时间短。
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图 12 MCC强降水预报物理模型(a.11型，b.12型，c.13型，d.21型，e.22型，f.31型，g.32型) Fig.12 Physical models of heavy MCC precipitation (a. Type 11, b. Type 12, c. Type 13, d. Type 21, e. Type 22, f. Type 31, g. Type 32) |
分析表明，在200 hPa深厚低槽环流背景影响下，两个副型地面(图略)均无冷池和中尺度高压形成。MCC在低层偏南风入流卷入处和温度梯度大值区形成(图 12d、e); 入流风速和温度梯度的加大是MCC发展成熟的重要因素。所不同的是，21型地面存在中尺度露点锋，500 hPa存在阻塞形势且副高稳定少动造成低空偏南风暖湿入流和边界层东南风暖湿入流较22型强盛(图 12d)。
3.3.3 200 hPa西北急流或急流分支型在200 hPa西北急流或急流分支型的环流背景下，两个副型地面(图略)均无中尺度高压形成。MCC在边界层入流辐合处以及地面温度梯度大值区形成(图 12f、g)，温度梯度持续加大和稳定南压是MCC发展维持的重要因素。所不同的是，31型虽然有冷池形成，但冷池强度弱，持续时间短; 而32型边界层入流较弱，因此，MCC虽然持续时间较长，但降水较弱。
3.4 MCC大暴雨预报物理模型从以上天气学分析和水汽、动热力结构特征的对比诊断，揭示了MCC形成的物理机制差异，从而建立MCC强降水预报物理模型(图 12)。
4 结论通过综合分析，建立了黄河中游地区MCC强降水预报的物理模型。
1) 黄河中游地区的MCC主要生成在夏季，多在傍晚至次日凌晨发展、成熟，具有云顶亮温低、生命史长、移动缓慢等特点; 多数向偏东方向移动，个别由于受500 hPa东阻形势影响存在后向传播特点; MCC降水以暴雨及以上量级为主，强度大，地域特征明显。
2) 依据200 hPa环流形势特点将MCC分为南亚高压稳定型、高空深厚低槽型、高空西北急流或急流分支型等3个环流型，结合500 hPa形势特点，又将第一型分为3个副型，第二型和第三型各分为2个副型。不同的天气学分型下，MCC生成区域、发展强度及造成的降水存在明显差异。
3) 水汽和能量扰动诊断揭示，MCC形成在低层比湿和能量扰动的正值中心附近，在低层扰动梯度大值区右侧、中层扰动梯度大值区左侧靠近中心的区域发展成熟。扰动正值中心所在高度、中心强度、正扰动厚度等物理因子与MCC发展以及降水强度关系密切。
4) L波段探空秒数据分析表明，云系分层现象消失，云顶向上伸展，云体加厚，云内水汽含量增加，是MCC开始发展的先兆信息; 若云顶高度开始下降，云内水汽含量接近饱和，同时湿层厚度加大，凝结高度降低，逆温层消失，0~6 km风垂直切变减小，是MCC达到成熟、强降水开始的前兆。但不同分型下，这种垂直结构特征的变化存在一定差异。
5) 地面加密观测和低层风场分析揭示：
a) 第一主型，MCC形成在地面温度梯度大值区、低压中心附近，在暖中心和低压中心叠加的区域发展成熟。受高空槽降水蒸发影响，MCC前侧地面出现冷池; 受低空次级环流下沉支影响，在风暴前侧形成中尺度高压，但中尺度高压的作用明显小于冷池的作用。冷池强度和维持时间与MCC降水强度以及维持时间密切相关，冷池强度和边界层入流风速越大，MCC降水强度越大; 冷池和边界层入流维持时间越长，MCC及降水的维持时间也越长。
b) 第二和第三主型，地面基本无冷池和中尺度高压形成。MCC在边界层偏南风入流卷入处和温度梯度大值区形成; 入流风速和温度梯度的加大是MCC发展成熟的重要因素，中尺度露点锋对MCC强降水的触发作用不可忽视。MCC降水与边界层入流关系密切。
在主型相似特征下，各个副型仍存在一定差异。
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