引言

短时强降水往往造成严重的自然灾害，预报预警难度较大^[1-3]，而中尺度对流复合体(mesoscale convective complex，MCC)是造成短时强降水的重要系统之一^[4-8]。MCC的概念由Maddox^[9-10]最早提出，定义为：-32 ℃冷云面积S_-32≥10×10⁴ km²，-52 ℃冷云面积S_-52≥5×10⁴ km²，持续时间t≥6 h，椭圆形偏心率p≥0.7。国内外诸多研究表明，MCC常出现在全球的中纬度、副热带和低纬地区的暖季，强的对流不稳定、高温高湿及充足的水汽输送是MCC发生的有利环境^[11-18]。Laing等^[19]对5个MCC生成的大尺度环境进行研究，认为局地绝对湿度最大和静力稳定度最小适宜其形成。吕艳彬^[20]对6次MCC综合分析指出，华北平原MCC发生在移动性冷锋前的暖区中，对流层中层有短波槽活动，对流层高层为平直西风环流。范俊红^[21]分析表明，MCC形成阶段，中层出现暖中心并且气旋性涡度增大，辐合辐散运动随高度交替出现，量级相当。任丽等^[22]发现MCC发展的环境场较中尺度对流系统而言，中低层气旋涡度更大，高层辐散更强，即高层具有更强的抽吸作用，导致更强的上升运动。万夫敬等^[23]研究指出正涡度高值区、散度和垂直速度的负值中心重叠区等显著的动力条件，可导致MCC后向传播特征。

MCC作为可产生暴雨的一种特殊系统，强降水分布特征较为复杂。赵桂香等^[24-25]发现春季MCC形成阶段发展快、成熟期慢，具有前向传播的特点，降水较为稳定，雨团移动慢，暴雨主要由降水持续时间长造成；盛夏MCC形成慢、发展迅速，为后向传播，以对流性降水为主，雨团移动性强，暴雨主要由短时强降水造成。黄河中游地区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，靠近正中心的区域发展成熟。刁秀广等^[26]认为强降水基本产生在云顶亮温(也称黑体温度，black body temperature，TBB)冷中心的西侧。钟晓平等^[27]对青藏高原东部地区MCC的降水特征进行研究，指出最大的降雨强度出现在初始阶段的后期和发展阶段的早期。然而，MCC的地域差异较大，目前针对山东地区MCC的形成发展机制及其造成强降水差异的原因分析相对较少。本文利用多种探测资料，采用天气学分析和动力诊断相结合的方法，较为系统地对山东地区MCC分型特点、空间结构特征及差异进行研究，以期为MCC强降水预报提供参考。

1 资料与研究方法

所用资料包括2007—2022年地面常规气象观测资料、ERA5资料(空间分辨率为0.25°×0.25°)、风云2号(FY-2)卫星红外云图、云顶亮温(TBB)以及逐小时区域气象观测站降水资料等。根据Maddox^[9-10]提出的MCC定义标准，利用FY-2卫星TBB和卫星云图逐时或逐半小时资料，筛选影响山东地区的MCC个例。采用ERA5等资料，通过普查历史个例的云团发展演变规律和影响系统的特点等，对MCC进行分型并进行差异性特征分析，结合动力诊断方法，研究山东地区MCC强降水落区预报的关键技术。

2 MCC的基本特征和分型

通过对2007—2022年区域气象观测站逐时降水资料和卫星资料普查，筛选出MCC直接影响的强降水过程共24次(表 1)。MCC出现频率年际变化大，其中2010年和2022年最多，均有5次。MCC的月变化也较显著，有明显的季节性周期，绝大多数MCC出现在5—8月。96%的MCC生成在夏季，7月达到峰值，为11次，8月和6月次之，均为6次，5月为1次，其他月份没有发现产生MCC。另外，MCC的生消演变有明显的日变化特征，多数在傍晚前后至次日凌晨发展成熟，早晨前后消亡，生命史较长。生命史为6~8 h的占88%，最长达到11 h，平均寿命为7 h。MCC成熟期TBB低，最低TBB在205 K以下的个例占83%，最低值低于180 K，最高值为212 K。由降水来看，全部的MCC均已产生短时强降水，且大多为强对流性降水，雨强最大超过90 mm ·h^-1。

井喜等^[12]以200 hPa环流形势为依据给出了MCC天气学模型；赵桂香等^[24-25]同时结合500 hPa环流形势为辅助划分了副型。但通过对山东MCC强降水云图个例进行深入分析发现，MCC初始对流云团的活动具有一定规律性，大多数MCC来自山东西部、西南部和南部地区。因此，根据影响山东的MCC初始对流云团的生成源地和移动路径(图 1)，将影响山东地区的MCC主要分为3类，分别为东移型、北上型和原地生成型。其中，东移型最多，达13次，占54%；北上型次之，为7次；原地生成型最少，为4次。

3 不同类型MCC的环流背景 3.1 东移型MCC

东移型MCC初始对流云团由河北中南部、山东西部东移并发展进入山东境内(图 1)，此类过程主要影响系统为西风槽，包含了受西风槽系统影响的极少数南下个例(1个)。以2022年7月12日过程为例，分析其系统配置特点。12日00：00(图 2a)，200 hPa南亚高压强盛，呈带状分布，其北支高空存在明显的西风急流，急流核中心风速超过60 m ·s^-1，山东中北部地区处于高空强辐散区，辐散中心强度在11×10^-5 s^-1左右，有利于深对流发展。500 hPa环流形势为纬向型(图 2b)，贝加尔湖一带有西风槽，分裂小股冷空气南下，引导气流较强，500 hPa西风风速超过12 m ·s^-1，西太平洋副热带高压(以下简称“副高”)西伸控制长江中下游地区，东亚沿海的高压脊与副高同位相叠加，形成“东高西低”的环流形势。副高北侧多切变线和短波槽活动，冷暖空气在黄淮地区交汇，MCC形成于副高西北侧的西南气流之中。850 hPa，山东西部—河北和山西一带有纬向型切变线，切变线南侧西南气流发展强盛，达到急流强度，为暴雨区输送充沛的水汽和不稳定能量；另外，高低空急流的耦合为强降雨的发生发展提供有利的环境条件。

强降水开始前，12日00:00，河北中部和晋冀豫交界处有对流云团生成，对应850 hPa假相当位温高能舌和比湿舌，云团逐渐东移。01:00，山东西部也有小的对流云团生成，多处对流云团在东移过程中逐渐合并。05:00，对流云团强烈发展，范围扩大，从不规则形状发展成团状，云顶亮温为198~203 K。06:00，在山东境内发展成椭圆形的MCC，TBB最低为198 K。08:00—12:00，MCC处于旺盛阶段，偏心率接近于1。最强降水中心位于MCC最低云顶亮温中心和TBB等值线梯度最大处(MCC云团的西—西北侧)，旺盛阶段最大小时降水量达80.6 mm(图 3a)。13:00左右，云团发生断裂，中心分裂成2个小的对流系统，由MCC减弱成中尺度对流系统，结构变得松散，尺度变小，主体覆盖鲁中、鲁南和半岛中部地区。15:00左右，对流云团东移入海，逐渐消亡。

3.2 北上型MCC

北上型MCC主要影响系统是低涡或切变线，其初始对流云团从山东的西南—南部一带向东北方向移入，进而造成强降水(图 1)。以2022年7月5日过程为例，分析北上型MCC系统配置特点。5日14：00(图 4a)，200 hPa中高纬为“西槽东脊”形势，山东位于槽前脊后，高空辐散，鲁西南处于强辐散分流区，辐散中心强度为14.5×10^-5 s^-1，利于深对流的发展。500 hPa环流形势为经向型(图 4b)，有深厚低槽区从贝加尔湖伸到我国华南地区，山东受南部西风槽前偏南气流控制，引导气流强，此时副高较弱，中心位于海上，但是亚洲东岸有明显的高压脊，形成“东高西低”形势，有利于强降水的产生。配合500 hPa深槽，850 hPa上内蒙古—河北—河南一带有经向型切变线，高低层配置呈现后倾结构，为强降水的产生提供了整层增湿机制。

14:00前后，安徽、江苏一带有南北向分散的对流云团生成，逐渐合并加强北移。17:00前后，对流云团合并发展成西北—东南带状结构。18:00左右，对流云团的北部进入山东境内发展成近似圆形的MCC，TBB最低为198 K。20:00—23:00，MCC偏心率逐渐接近于1，缓慢向东北移动。5日23:00—6日00:00，云团尺度变小，结构松散，主体入海逐渐消亡。随着MCC移动，降水的大值中心位于TBB低于213 K的冷云区中心附近及其南—西南侧，即最低云顶亮温中心及TBB梯度大值区(图 3b)。对比东移型MCC，北上型MCC强降水分布范围广，单点雨强较强，5日21:00—22:00最大小时降水量达89.8 mm，其降水的分布倾向于云团的南侧和西南侧，而不是西北侧。

3.3 原地生成型MCC

原地生成型MCC是指在山东境内原地生成的孤立对流云团合并而成，其整体组织结构比较零散，造成山东强降水的云团有很多并不是从其他地方移入的，多产生在鲁南和苏皖北部交界处，位置相对偏南，这种对流云团一般尺度都比较小，很难达到中α尺度，但有时也会造成局地强降水，其影响系统较为复杂，2007—2022年仅形成4个原地生成型MCC。以2017年7月26日过程为例，分析原地生成型MCC系统配置特点。26日16:00，200 hPa南亚高压为带状分布，高空急流位于华北和东北一带，高空辐散弱于其他两类(图 5a)。500 hPa(图 5b)，山东位于高空急流入口右侧，高空辐散，有利于上升运动发展；鲁南一带以偏西气流为主，但引导气流较弱，风速仅为8 m ·s^-1。850 hPa暖式切变线位于山西、陕西一带，山东受切变线前部西南气流控制，未达到低空急流标准。16:00—18:00，有分散的对流云团在山东南部生成，云团逐渐增强，20:00前后与其他对流云团在鲁东南发生合并，形成团状结构。26日23:00—27日00:00，对流云团在鲁东南发展成近似圆形的MCC，偏心率逐渐接近于1，TBB最低为200 K。00:00以后云团尺度逐渐变小，结构松散，趋于消亡，最大小时降水量达84.1 mm，降水的大值中心位于TBB梯度大值区(图 3c)。

4 MCC降水分布特征

对比分析三类MCC个例后发现，三类过程200 hPa高空均为辐散区，500 hPa下游形成“东高西低”的阻挡形势，有利于强降水形成。东移型MCC中高纬环流较平直，山东地区引导气流为偏西风，有利于MCC等降水系统东移，最强降水中心位于MCC最低云顶亮温中心和TBB等值线梯度最大处(MCC云团的西—西北侧)。北上型MCC环流的经向度大，山东地区引导气流为偏南气流，有利于降水系统北抬，其暖湿条件好，降水极值大，降水大值站点数多，影响范围大，降水的大值中心位于TBB梯度大值区(MCC对流云团的南—西南侧)。原地生成型MCC引导气流弱，但由于本地热力、动力条件较为适宜，也可以造成MCC，但其降水分布零散，强降水范围小，是三类中降水最弱的一类，降水的大值中心位于TBB梯度大值区(表 2)。

锋生是锋的形成或加强的过程，锋消是相反的过程。锋生函数F采用公式(1)进行计算，当F>0时为锋生，当F＜0时为锋消。锋生函数包含位温、散度、水平风切变等因子，是与热力和动力条件有关的综合参量。

$ \mathrm{F}=\frac{1}{2}|\nabla \theta|[D \cos (2 \beta)-\delta], $

(1)

式中：θ为位温，D为变形项(水平风切变)，β为膨胀轴(x轴)与等位温线的夹角，δ为散度^[28]。

分析MCC强降水前后的锋生函数、温度平流和风场分布可知，MCC降水区与低层环境参量的关系密切。东移型MCC(图 6a)，最强降水时段的低层冷暖平流均较强，暖平流更加显著，体现出MCC生成是强烈暖平流处于主导地位，在36.5°E、118.3°N附近有冷平流中心(即负值中心)侵入暖平流区，冷暖空气交汇，锋生效应显著；鲁西北地区东部有东北—西南走向的锋生区，与最强降水区走向一致，强降水集中在冷暖平流交界的锋生区偏暖气团一侧，锋消区内无显著降水。北上型MCC(图 6b)，冷平流非常弱，而暖平流仍然处于主导地位，其短时强降水的分布主要在暖平流区之中，暖平流区中锋生最强区域通常对应降水大值中心。原地生成型(图 6c)，暖平流处于主导地位，冷平流作用不显著，但暖平流造成较强的暖锋锋生，强降水主要位于暖锋的暖区一侧，并且原地生成型MCC南风风速较前两类小。由此可见，三类MCC都是暖平流处于主导地位，其中东移型和北上型MCC都有冷平流参与，强降水集中在锋生函数的正值区中，暖平流区中锋生最强区域通常对应降水大值中心，锋消区内无显著降水；而原地生成型MCC冷平流弱，强降水主要位于暖区一侧。

5 结论

利用2007—2022年卫星、常规探测和ERA5等资料，对影响山东的MCC进行天气学分型，并对其结构特征及降水差异进行归类分析。得出以下主要结论：

(1) MCC出现频率年际变化很大，2010年和2022年最多。同时，MCC显示出明显的季节性周期，96%的MCC生成在夏季，7月最多，8月和6月次之，5月为1次，其他月份未发现产生MCC。MCC的生消演变也有明显的日变化特征，多数在傍晚前后至次日凌晨发展成熟，早晨消亡，生命史较长，平均寿命为7 h，生命史在6~8 h的占88%，最长寿命达11 h。MCC成熟期云顶亮温低，最低云顶亮温在203 K以下的个例占83%。全部的MCC均产生短时强降水，7月大多表现为强对流性降水。

(2) 根据MCC初始对流云团的生成源地和移动路径，将影响山东的MCC分为东移型、北上型和原地生成型。其中，东移型最多，达13次，占54%；北上型次之，为7次；原地生成型仅为4次。

(3) MCC强降水与最低云顶亮温和TBB梯度大值区密切相关。东移型MCC中高纬环流较平直，引导气流为偏西风，最强降水中心位于MCC最低云顶亮温中心和TBB等值线梯度最大处(MCC云团的西—西北侧)。北上型MCC环流经向度大，山东地区引导气流为偏南风，降水极值大，影响范围大，最强降水位于MCC对流云团的南—西南侧。原地生成型MCC引导气流弱，降水分布零散，影响范围小，是三类中降水最弱的。

(4) 三类MCC都是暖平流处于主导地位。东移型和北上型MCC均有冷平流参与，强烈的冷暖空气交汇造成锋生，暖平流区中锋生最强区域通常对应降水大值中心，锋消区内无显著降水；而原地生成型冷平流弱，强降水主要位于暖区一侧。