华南一次强对流天气过程中环境条件对MCS形态特征的影响

胡宁，汪会

(1.国家气象中心，北京100081；2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京100081；3.中国气象局云雾物理环境重点实验室，北京100081；4.中国气象局-河海大学水文气象研究联合实验室，北京100081)

1 引 言

在华南前汛期出现的中尺度对流系统(MCS)常常会引发暴雨[1-2]、大风[3-4]等气象灾害，广受科学家和业务人员关注[5]。关于华南暖区MCS与天气尺度系统(高空槽、急流、切变线等)的相互作用，对流触发机制，MCS生消演变机理等已有很多经典的工作。孙建华等[6]利用数值模式分析了华南一次特大暴雨过程中的MCS的热力和动力结构特征，指出中层中性层结、高层辐散气流以及潜热释放对MCS发生发展的作用，还强调了边界层过程和华南喇叭口地形的作用。蒙伟光等[7]研究了华南西部沿海的一次暴雨过程中MCS的形成和发展过程，发现MCS的形成伴随中层500 hPa流场的气旋式扰动，对流发展过程中的潜热释放又可通过地转风适应的机制使得中层扰动增强。观测水平和计算机性能的提高有利于针对MCS发生发展的中小尺度过程开展更细致的研究。如Wang等[8]分析了华南季风降水试验期间广东阳江的一次大暴雨过程，指出对流不断后向建立并向东北方向传播，是造成MCS长时间维持的主要原因，并强调了山区地形和海陆边界在MCS触发和组织过程中所起的作用。

如前所述，国内对于MCS的触发机制和生消演变机制以及与天气尺度系统的相互作用研究已经较全面深入，对于MCS组织形态演变的研究尚为数不多。通过大量统计，Parker等[9]将MCS分为层云拖曳(TS)型，层云先导(LS)型和层云平行(PS)型，并分析了各类型MCS发生发展的环境风场和热力场特征。Schumacher等[10]又提出了产生短时强降水的两种典型的MCS形态线状对流/层云伴随(TL/AS)型和后向建立(BB)型。梁巧倩等[11]将华南MCS分为中尺度对流复合体(MCC)、线状或长条状MCS(PECS)、β尺度的MCC(MβCCS)和β尺度的PECS(MβECS)4种类型，并统计了各个形态MCS的发生频率、日变化、移动特征以及发生发展的天气背景。

关于华南地区的MCS的组织形态演变的研究，最近几年才开始出现。王晓芳等[12]详细分析了一个TL/AS型的长生命期准静止MCS的观测特征和环境条件，强调了环境风垂直切变与对流线的夹角对MCS组织形态和维持时间的影响。康兆萍等[13]研究了华南一次飑线过程线状对流由平行(PS)型模态到拖尾(TS)型模态的变异机理，分析了气压梯度力和加速度分量与对流线的夹角在形态变异过程中的作用。

2014年5月22日凌晨到傍晚，一次强对流过程影响了两广地区，该过程中出现了两个MCS，分别是呈现BB和TL/AS形态并造成广西北部较强的短时强降水的MCS-A，以及呈现TS形态并在广东产生雷暴大风的MCS-B。同一次强对流过程中，为何出现了形态不同的MCS，进而产生不同的对流天气？本研究将利用多源观测资料和高分辨率数值模式讨论这两个MCS形态演变的机制。

2 资料和方法

本研究用到了常规地面、探空资料和加密自动站资料，雷达、卫星和风廓线雷达等非常规资料，以及NCEP FNL(Final Analysis Data from the National Centers for Environmental Prediction)再分析资料。

利用WRFv3.6.1(Weather Research and Forecasting model,version3.6.1)，开展单向三层区域嵌套模拟 (图1)，各层水平格点数分别为200×160、401×401、1 351×651，水平分辨率依次为 25 km、5 km和1 km，垂直方向上有40层，模式顶为50 hPa。模式从2014年5月21日20时 (北京时间，下同)开始积分，积分时长24小时，以间隔6小时的FNL再分析资料作为初始和边界条件。云微物理过程采用Thompson方案，该方案为双参数化方案，边界层采用Mellor-Yamada-Janjic方案，最外层25 km分辨率采用Tiedtke对流参数化方案。内层未采用对流参数化方案。

3 实况天气及对流天气发展过程

2014年5月22日凌晨到下午，一次强对流过程影响了两广地区，出现了雷电、短时强降水、雷暴大风等强对流天气。其中，广西的强对流天气表现为较强的短时强降水。由图2可见，广西出现了成片的短时强降水，尤其是在凌晨02—05时，多站小时雨强超过50 mm/h，04时广西柳城古砦乡的降水强度达到98 mm/h，05—08时对流系统下山后，降水强度减弱(图2b)。广东境内的短时强降水基本在20～30 mm/h(图2c)，强度较弱，但从14时瞬时大风资料可见(图略)，清远出现20 m/s的雷暴大风。

这次强对流过程21日午后起源于锋区附近的贵州山区，之后于22日凌晨至傍晚横扫两广，整体上看，此次对流过程历时较长，对流系统发展演变过程复杂。在广西，中尺度对流系统MCS-A在西北部山区呈现BB形态(图3a～3c)，进入中东部低山平原地区后演变为TL/AS形态，随后逐渐消亡(图3e～3h)。残余回波进入广东后，重新组织形成MCS-B，并在进入珠江三角洲平原地区后迅速增强发展，演变为TS形态的飑线系统(图3i～3l)。同一次暖区强对流过程中，为何MCS在不同地区呈现不同的形态，进而产生了不同的强对流天气？这些问题值得我们深入研究。

4 天气背景

21日夜间—22日下午，500 hPa高度场无明显槽脊，只有弱短波槽影响华南，诱导华南北部冷空气从东路进入贵州南部与暖湿气流对峙形成锋区，暖湿气流则控制南岭以南地区。西南风低空急流在21日夜间—22日早上逐渐增强。22日02时，850 hPa上，广西中南部出现20 m/s以上的低空急流(图4)，925 hPa低空急流也达到16 m/s，在强暖湿气流的输送作用下，22日08时，低层大气水汽含量增加，广西南部整层可降水量逐渐增加到60 mm以上，位势不稳定也逐渐建立并增强，广西和广东南部的CAPE值均达到2 000 J/kg以上。22日凌晨到早晨的广西偏北部地区以及22日午后的广东均为200 hPa高空分流区，辐散较强，有利于对流的发展(图5)。

5 局地对流环境分析

从广西22日08时梧州探空(图6a)来看，首先，其边界层内有逆温层存在，自由对流高度较高，接近850 hPa高度，不利于对流的发展。其次，边界层顶附近有一支显著的急流，850 hPa附近风速达到20 m/s，超过了底层925 hPa和中层700 hPa的风速，南宁站(图略)上空风速随高度的变化也有上述特征。根据RKW理论[14](Rotunno,Klemp以及Weisman提出的一种关于长生命史飑线结构的理论，2004)，冷池前沿的重力流会形成气旋式切变，如果环境风场随高度的变化是反气旋式切变，则有利于上升气流的耸立，进而有利于对流系统的传播和发展；而广西早晨风速廓线的特征是850 hPa左右低层西南风强，925 hPa以下底层风速较小，形成的切变是气旋式的，不利于对流在阵风锋前沿的传播和发展，相反更有利于对流上升运动出现在远离出流边界的后方。

从河源探空(图6b)来看，广东夜间边界层顶850 hPa附近的低空急流相对广西要弱很多，这可能与广西西侧是海拔较高的云贵高原，低空急流在侧边界的限制作用下发生强化有关，另外广西凌晨出现的弱逆温层，也有利于低空急流的维持和发展。广东的中层700 hPa的高空风速较低空大，300 hPa以上高空风速也显著超过广西，两地不同的环境风廓线特征可能是导致MCS-A和MCS-B形态迥异的一个重要原因，后面将进一步详细分析。

6 对流系统发生、发展、传播机制分析

21日凌晨短波槽自川西高原下滑至云贵高原并逐渐东移发展，引导冷空气东移南下在贵州形成锋区，21日下午有零散的对流在贵州发生，脱离锋区东移南下，并于21日夜间进入暖湿气流控制的广西境内，在广西西北山区不断发展，并出现后向建立的特征，22日凌晨02时左右，对流发展到最旺盛，形成成熟的MCS-A。22日05时后，对流云团逐渐移出广西西北部的山区，进入低山丘陵和平原地带，对流系统下山后，对流强度明显减弱，云顶高度明显降低，先是云顶亮温低于-70℃的区域消失，其后低于-50℃的区域也逐渐变小(图7a～7c)，MCS-A最终消亡，只有残余回波移入广东境内。

22日中午前后，一个新的MCS-B逐渐在广东山区形成，午后13时左右，对流系统逐渐移出广东山区，开始进入珠江三角洲，由雷达回波和卫星云图可见，对流系统下山后，不但组织性增强，形成长约200 km的飑线系统(图3k～3l)，对流强度也有爆发性的增强，云顶亮温低于-70℃的区域迅速增大(图7d)。

由自动站逐小时变温图 (图8)可见，06—07时，MCS-A刚下山时，冷池强度迅速增加，冷池经过的站点1小时降温幅度超过4℃，这和地形对冷池出流的加速作用，以及山前较长时间的暖湿气流堆积有关。广西南部地面假相当位温在364 K(图略)以上，位势不稳定能量较高，MCS-A进入东南部平原和低地后，地面冷池前沿出现明显的温度、湿度锋区(图略)，然而MCS-A只是在刚刚下山时组织性略有增强，没有形成TS型飑线的趋势(图 3c)，由 08—12 时(图 3e～3h)回波演变可见，冷池并未在前方触发新的强对流。与此同时，冷池后方的回波也始终维持在35 dBz以上，没有减弱为层状云回波，降水率始终维持在4 mm/h左右，超过了对流云降水的下限，回波整体呈现块状，且呈衰减趋势。随着回波的衰减，广西的冷池强度也迅速减弱(图8d)。同时与冷池相伴的地面风速也较小，没有出现地面瞬时大风记录。

之前在分析广西早上探空特征时，我们猜测广西此时的风廓线特征无法和此处强的冷池出流达到平衡，冷池前方垂直运动不能有效发展，无法将气块抬升到自由对流高度以上，不利于对流的新生和传播，那么高分辨率数值模式的结果是否支持这一结论呢？

如图9所示，高分辨率数值模式较好抓住了MCS-A和MCS-B的强度和形态演变特征，只是模拟的回波移速较实况偏快、位置略有偏差。在广西，模拟的雷达回波较实况略有偏东，但模式能够较好地刻画广西凌晨MCS-A呈西北东南走向的后向建立特征(图9a)，模式还较好地刻画出了广西上午MCS-A的TL/AS形态。模式模拟的对流未在出流边界南侧连续触发，在东移过程中逐渐减弱，和实况一致(图9b)。在广东，模式成功模拟出其境内形成的飑线系统MCS-B(图9c)。

如前所述，22日早上的广西，低空急流十分强盛，出口区直抵桂西北山区，为该地提供了更多的水汽，这是较强的短时强降水多集中在桂北的原因之一。另外，广西对流主要出现在凌晨到上午时段，此时地面温度较低，甚至有逆温，导致广西中东部出现如图10c所示的对流能量廓线，具体表现为底层有对流抑制，且到1 km以上气块方才有较高能量。同时，由其相对风暴移动的风速廓线可见(图10a)，其风速在1～2 km高度达到极大值且远大于1 km以下底层和700 hPa附近及以上高度的风速。Peters等[15]在其总结的TL/AS类型的MCS的第二个发展阶段中提到，这一风切变特征和被抬高的高能量层配合，有利于对流在远离出流边界的冷池后方发展。

模拟结果也证实了这一点，由图11a可见，在广西，对流下山前模拟的5 m/s以上气柱最大垂直速度区呈西北东南向排列，与雷暴移动方向相近，有利于形成列车效应，这也可解释为何桂西北有较强的短时强降水以及与其相伴的后向建立特征。对流下山后，实况和模拟的冷池均比下山前显著增强，且在冷池边界出现较强抬升，冷池前部线状排列的5 m/s以上最大垂直速度区，这可解释为何对流下山后组织性突然增强，MCS-A有发展成线状的趋势，但在如前所述的风廓线和能量廓线条件约束下，在出流边界后侧很快有对流触发发展，形成位于出流边界后方且远离冷池前沿的垂直运动大值区(图11b)，而冷池前沿的垂直运动则逐渐减弱消失，MCS-A最终演变成为类似TL/AS型第二阶段的形态。冷池后侧对流的发展，使得冷池得以维持和增强，由图8c亦可见，对流下山后，08时小时降温超过5℃的区域确实有所扩大，增强的冷池需要更有利的垂直风切变与之配合，然而如前所述，广西的环境风垂直切变不利于冷池前沿对流的触发，随着冷池逐渐南移并切断MCS-A的底层水汽来源，MCS-A逐渐减弱消亡，冷池也相应减弱，残余回波进入广东。

来自广西的残余回波进入广东后，回波强度和组织性均显著增强，一个新的中尺度对流系统MCS-B形成。从雷达回波以及卫星云图来看，MCS-B在下山后增强明显形成飑线系统，并呈现出典型的TS类型的形态特征。模式较好地刻画了这一过程(图9c)。为何在广东是TS型？由图10d可见，在底层，其对流有效位能最大，对流抑制能最小，与广西的能量分布廓线有显著区别；另外从图10b可见，广东低层850 hPa左右没有一个像广西一样的显著的西南风低空急流，其相对风暴的速度在1 km以下的底层有极大值，达到急流强度，1 km以上相对风暴速度则较小。另外，与广西中南部对流较弱的强迫不同，广东中高层有高空槽滑过，斜压性强，高空风速较大，引导气流较强，风暴移速较快(约向东移动，14 m/s)，并形成较有利于维持冷池前方对流触发发展的环境切变条件。根据RKW理论，这样的环境风切变和能量条件，有利于在冷池前沿产生新的上升运动速度区。由图11c可见，模拟的午后广东飑线，垂直速度大值区集中在冷池前沿，且排列成线性，而在冷池后部基本没有上升运动。这表明飑线冷池和环境风切变配合较好，有利于产生对流尺度的上升运动。

13 BST以后，MCS-B开始进入珠三角 (珠江三角洲)平原地区，强度增强并于13:36出现中气旋，正负速度对速度差达到44 m/s(图略)，14时左右清远出现20 m/s以上的大风。与MCS-A不同，其冷池下山后没有减弱，而是维持5～6℃的1小时降温幅度长达5小时以上(图略)。

MCS-B下山前正值午后，热力条件相对广西较好，珠三角地面温度接近或达到30℃，偏南风持续将水汽从南海输送到内陆，沿海地区露点达到30℃(图略)。如图12b所示，在13时，MCS-B尚未下山前，珠三角北部地面假相当位温达到368 K以上。从14时假相当位温分析图可见，当MCS-B下山后，较干冷的空气从山区冲下，与平原上高温高湿的空气形成的温度和湿度梯度比12时左右MCS-B尚在山区时所造成的温湿度梯度更大，较强的温湿度锋区有利于斜压有效位能的释放，有利于MCS-B内部对流单体的发展和新生，进而导致MCS-B的整体增强，飑线内首次识别出中气旋也是在13—14时雷暴下山之时。

13—14时雷暴下山影响珠三角，由该时段珠三角北部清远附近广州市从化区的风廓线资料(图13a)显示，在雷暴下山前珠三角上空中高层风速较强，0～3 km有东南风到西南风的强烈顺转，形成强烈的风速和风向的垂直切变涡度，低层垂直切变涡度通过强的风暴入流输送入MCS-B内部 (模式模拟的相对风暴螺旋度局地超过300 m2/s2，图略)，有利于MCS-B的维持和增强。

由15—16时从化的风廓线资料 (图13b)可见，15:15强西风集中在500 m以下，随着时间向后推移，强西北风出现的高度逐渐上移到2 700 m左右，清远14时左右记录到的雷暴大风，可能和飑线系统的中高空后侧入流增湿降温后下沉到地面有关。

由WRF模拟的14时雷达反射率因子、风暴相对速度以及假相当位温扰动剖面图 (图14b，剖面沿图9c中A-B连线)上可见，飑线呈现典型的TS形态，飑线前方低层有假相当位温的正异常区，与前述珠三角北部自动站显示的高温高湿区相对应。模式模拟的飑线前部低层还出现了气压的负异常区(图略)，Hoxit等[16]指出对流系统前方常会诱导出飑前低压。飑前低压对其前方气流有抽吸作用，有利于暖湿气流进一步将热量和水汽输送到珠三角北部的山前，形成山前显著的高温高湿区，产生假相当位温的正异常区。飑线系统低层强回波区内有假相当位温的负异常，对应飑线的冷池。另外，还可见冷池前方有强烈的上升气流，斜升进入风暴的气流速度达到20 m/s左右。上升运动区主要集中在飑线系统的前部。由05时在广西接近南北向的剖面图(图14a，图9a中A-B连线)可见，广西北部的MCS-A内部，对流排列成南北向，低层偏南风一直深入广西北部，并在山区辐合，对流运动在远离对流前沿的冷池后部山区内发展旺盛，与前述MCS-A后向建立的特征吻合，这些特征与广东TS形态的飑线形成了鲜明的对比。

由图14b还可看出，14时模拟的后侧入流从4 km左右高度进入飑线内部，且风速较大，这与风廓线观测到的强风速带向下传播以及相应时刻雷达径向速度图的强负速度区(图略)吻合较好。飑线后侧入流伴随下沉运动中的蒸发冷却，导致冷池强度的迅速增强。在自动站逐小时降温图上可见，14时的降温幅度远超过上一时次 (图略)。其后，飑线横扫珠三角地区，能量迅速消耗，待进入粤东海上回流产生的冷垫区后，减弱消散。

综上所述，在有利的风切变条件下，广东飑线前部垂直运动发展旺盛且组织性强，产生的后侧入流结合较快的飑线系统移速，导致地面大风出现。由于飑线移动速度较快，且飑线后方无对流发展，没有后向建立的特征，所以小时累积降水极值比广西北部山区的站点小。

7 总结和讨论

利用常规和非常规观测资料以及再分析资料，结合高分辨率数值模式，对比分析了2014年5月22日两个MCS系统分别在广西和广东的形态演变过程，得到如下结论。

(1)此过程发生在高能高湿的环境集中，500 hPa有较弱短波槽影响，200 hPa有分流区。在有利的天气背景下，出现了两个形态演变迥异的MCS-A和MCS-B。MCS-A在广西西北部山区呈现西北东南走向的后向建立形态(BB)，下山进入广西东南部后逐渐演变为TL/AS形态而后逐渐减弱消散，出现的强对流天气以短时强降水为主，地面风力较小。新生的MCS-B在广东下山后爆发性增强，对流发展旺盛，形成了典型的TS形态的飑线结构，出现了雷暴大风天气，短时强降水较弱。

(2)虽然广西22日凌晨至早晨低空急流强盛，且有较好的位势不稳定条件，但与其典型的夜间低空急流相伴随的能量廓线和风垂直切变特征不利于MCS-A的向前传播，对流上升运动在冷池后方发展旺盛，结合广西西北高东南低的地形特征，造成了MCS-A呈现BB和TL/AS形态。

(3)午后的广东边界层解耦，热力条件变好，在有利的环境风切变和能量条件下，冷池附近上升运动发展旺盛，对流组织性强，形成了TS形态的飑线系统，后侧有干冷空气入流并下沉，高空动量下传，形成地面大风。飑线系统诱生飑前低压，起到抽吸作用，利于热量、水汽在山前堆积，给MCS下山后的爆发性增强提供了能量。

He等[17]指出，云贵高原的热力和动力作用有利于其东侧急流的增强。Luo等[18]对2011—2015年中国极端小时降水的统计结果表明，广西北部正是与锋面相联系的极端降水发生频次的高值区。850 hPa高度附近，广西夜间到凌晨发展的低空急流，是此次过程中广西北部短时强降水较强的重要原因。有必要进一步开展气候意义上的研究，确定广西北部出现的极端降水以及相应的MCS形态与低空急流的关系。

在一定外强迫不强，满足一定风切变条件的情况下，就会出现这种类似BB和TL/AS形态的MCS，我们的研究表明这种对流在后向发展的过程用高分辨率模式模拟效果较好。把握华南MCS的形态演变，除分析常规的能量、动力条件外，还需要注意环境风切变条件、对流能量廓线对于对流形态的影响。漆梁波[19]指出高分辨率模式可很好地给出风切变和CAPE的精细化特征，因此有必要加强高分辨率模式在强对流天气预警中的应用以更好预测MCS形态的演变，进而更好地预报强对流天气。