MCC中连续多单体演变预报对农林业减灾作用

徐小伟，叶海龙

(衢州市气象局，浙江 衢州 324000)

强对流天气是浙江春夏季节多发的天气系统，中尺度对流复合体(Mesoscale Convective Complex，MCC)是对流天气发展到一定强度后出现的系统，当MCC发展到比较强时，会有连续的单体产生，单体中出现持久深厚的中气旋，标志着单体加强成超级单体。冯晋勤等[1]认为，大部分超级单体风暴的中气旋出现在4—5月，生成在12:00—20:00及30～110 km高度处，维持时间大于3个体扫，93.8%的超级单体中尺度气旋总是与冰雹、雷雨大风、短时强降水等强天气相联系。陈明轩等[2]认为，大气热力不稳定度(包括CAPE、热力不稳定度、抬升凝结高度等)是影响对流风暴组织类型最重要的热力因子。此外，超级单体风暴出现的典型动力环境是大气存在强垂直风切变环境，强垂直风切变对超级单体的形成和发展有重要作用[3-8]。刁秀广等[9]指出，连续5个以上体扫出现中气旋的超级单体寿命明显较长，说明持续深厚的上升气流对风暴维持起到重要作用，极易造成极端性强灾害天气。中气旋、钩状回波、阵风锋、弓形回波和中低层径向速度辐合等雷达回波特征对雷暴大风预警具有较好的指示意义[10-11]。吴迎旭等[12]认为，水汽和热力条件是产生强降水的基础，动力抬升条件是降水强度的决定因素。超强的低层急流和水汽辐合与中层的干冷空气叠置，使上升运动加强，低层辐合的水汽被抬升至对流层高层，有利于强降水的产生。强降水超级单体风暴具有热动力场结构、水汽输送和冷干侵入三方面的特征[13-16]。吴海英等[17]研究了长生命史超级单体内部结构演变特征，形成维持机制，得出超级单体风暴能够较长时间维持，一方面取决于未来移经的热力动力环境，另一方面也与风暴内部结构的演变紧密相关。此外，后侧入流急流对超级单体风暴维持有明显作用[18-20]。张琴等[21]认为，高低空的温度平流配置与冰雹落区有很好的对应关系。郭鸿鸣等[22]认为，超级单体的传播和多单体风暴的后向传播均满足一定矢量运算，通过估算可以提前预判超级单体的偏移方向和风暴单体后向传播的区域，从而提前风雹强对流天气的预警发布时间。

本文主要从大气动力配置的角度研究了连续单体的发展演变，首先简要分析环流背景，结合探空曲线、对流指数、不稳度条件、热力不稳定条件对MCC发生发展的作用，由实况天气分析得出本次对流性天气过程是MCC中的连续2次单体(以下称单体A，B)过程，文中主要分析了大气动力演变对2次单体内部中尺度环流型式发展的影响，并通过动力因子(涡旋度、水汽散度等)的垂直积分时空变化，分析2次单体过程垂直运动条件变化，得出大气层垂直动力对MCC中连续单体结构特征的影响，根据雷达回波的产品分析可以验证单体内中尺度结构环流与环境垂直大气动力场有较好适应关系，区域自动站气象动力可以验证大风和强降水的分布与单体结构类型吻合，并由此得出在农业气象短时临近预报预警业务中，大气动力配置对MCC中判断对流单体的结构特征变化有较好作用，结合雷达风暴结构(SS)和单体液体水含量C-VIL可以细化强对流单体的农林业致灾气象动力的预报预警。

1 天气实况

2018年3月4日，衢州最高气温30.5 ℃，突破近50年的历史同期极值。除了西北部和东南部海拔较高的山地外，盆地及大部分山地区域自动站最高气温达到30 ℃以上。热力条件较好，受中高层冷空气侵入和低层西南暖湿气流共同影响，2018年3月4日17：00 —22：00，湘、赣、晥、浙等南方省份出现了大范围的强对流性天气，其中浙西上游有多个MCC连续发展，18：00前后对流复合体开始影响浙西。根据浙西地区5个国家基本气象站观测到的整点气象数据，单体A、B生成前后各气象动力变化主要特征见图1。

图1 3月4日MCC过程国家基本站风速和温度变化曲线

风力有2次急增。由图1可知，第一次单体A过程衢州站(58633)、江山站(58632)、常山站(58631)、龙游站(58547)瞬间极大风速分别达26.1、20.1、24.0、20.9 m·s-1；第二次单体B过程风力明显减弱，仅衢州(58633)站达到18.9 m·s-1(8级大风)。

第一次单体A过程温度先升高后骤降，第二次单体B温度下降不明显。

从天气灾害的变化可以看出，本次影响浙西的MCC中，2次单体(A，B)天气过程特点不同。第一次强单体过程主要集中在18:00—19:00，2018年3月4日17：00开始，浙西地区自西向东出现强雷电、短时强降水、大风等强对流天气，单体A过程出现了比较大的风灾，出现10级以上大风的乡镇全部集中在浙西中北部，其中又以浙西中部常山县，柯城区最为明显，最大衢江区周家乡28.9 m·s-1，而浙西东南部乡镇较中北部乡镇风力则明显偏小。19：00第一次单体A过程结束，第二次单体B过程出现在20:00—22:00，单体B过程天气过程范围较小，地面风力略有减小但强度更大，并出现强雷电、短时强降水、大风，常山县东南部、衢州中南部、江山市北部个别地区出现冰雹，直径2 cm左右。23：00之后MCC减弱，后期风雨主要是受北部冷空气影响。本次MCC过程造成道路绿化带及车站等处树木被大风吹断，农田设施大棚损毁严重，由于未采取适当防护，部分农田蔬菜遭冰雹损坏严重。

2 环流分析与不稳定条件概述

由图2可知，2018年3月4日14：00 200 hPa，我国华北和东南部出现大片70 m·s-1强风速区，南方西南急流核位于浙闽赣三省，20：00高空急流略有北抬，但强度基本维持，浙西位于200 hPa急流入口区右侧，具有较好的高空辐散和抽吸作用。20：00副高588线略有西伸北抬，500 hPa浙西处于槽前西南气流，风力较大，850切变线位于长江一线，浙西处在切变南侧西南暖湿气流中，低空急流由粤闽沿海北上，将切变南侧暖湿气流输送到浙西，给MCC提供了水汽和热力条件。中高层干冷，典型的下暖湿上干冷的大气层结条件，有利于强对流天气的出现。

图a中下标箭头为70 m·s-1风矢；虚线为急流等值线(m·s-1)。图b中填色区域为急流区：一个三角为20 m·s-1，一个风向杆为4 m·s-1，半个风向杆为2 m·s-1；灰色等值线为等高线(dagpm)，黑色实线为588线(dagpm)。图2 200 hPa急流(a)与500 hPa高度场及850 hPa风场(b)变化

3 大气动力分析

3.1 大气涡旋度垂直积分

张培昌等[20]认为，大气对流层涡度的形成机制可以通过涡度方程来讨论。由于主要考虑中尺度对流风暴所在大气环境垂直涡度的形成机制，准地转作用很小，故略去地转涡度项的大气垂直涡度方程为：

(1)

对流复合体是从地面发展到大气顶(甚至超过大气顶)的三维空间结构，在由于某一层涡旋度表达式不能表示对流层中大气风场的旋转程度输入到对流单体内的大气涡度，本文定义了涡度散度项的垂直质量加权积分(hPa·m·s-2)：

(2)

式(1)中，右侧第二项可以写成矢量形式：ω×s·k，称为涡度倾侧项，表示水平涡度在有垂直风切变存在的条件下，同时又有垂直运动在水平方向不均匀分布时所引起的涡旋度变化，这里引入水平涡度倾侧项垂直质量加权积分(m2·s-2)：

(3)

由图3可知，2018年3月4日上午浙西涡度散度项的垂直积分为负值，14：00浙西垂直大气涡旋度垂直积分较小中心值达20 hPa·m·s-2，单体A处在弱的大气涡旋度中，对流单体强度较弱，上升运动不明显，发展主要集中在低层，以地面大风灾害为主，未出现中气旋和冰雹。20：00江西中北部地区的大气涡旋度开始增强，大气涡旋度强中心位于浙西中北部，和单体B强降水冰雹实况基本一致，江西北部也有一定的垂直上升运动和中尺度涡旋运动，20：00后发展为赣东北强涡旋度中心，单体B处在大气涡旋度大值区，中心数值达到80 hPa·m·s-2。大气涡旋度也有显著增大，强涡旋中心主要位于赣东北地区，晥南地区也有较高的涡旋度，表明单体B过程初始阶段就有较高大气涡旋度背景场，在单体B的发展过程中大气涡旋度明显加强，上升运动明显，单体B发展为更强的对流单体，实况单体B产生了标志超级单体的中气旋，并出现了降雹。可知对流单体结构类型与大气涡旋度质量垂直积分的强度有显著关系。

等值线为垂直风暴涡旋度积分(hPa·m·s-2)，正值表示对流层大气正涡旋度积分，负值表示对流层大气负涡旋度积分图3 垂直风暴涡旋度积分分布

3.2 水汽散度作用

3.2.1 水汽散度垂直剖面

暖湿气流输送体现了水汽平流条件，水汽散度表达式为：

(4)

由图4可知，用衢州单点(119°E，27°N)水汽散度垂直时间剖面分析高低层水汽散度配置，20：00前，中高层以水汽辐合，低层水汽辐散，有较明显的下沉运动，单体A处在水汽辐散下沉的大气层中；20：00后，低层水汽辐合明显加强，高层以水汽辐散为主，水汽辐合上升条件明显增强。由此证实，单体B的水汽垂直输送条件更显著。

3.2.2 整层水汽散度积分

考虑MCC所在的整个大气层的水汽散度条件可以更好的反应大气的水汽散合项对流单体发展的作用，定义水汽散度的垂直积分，表达式为：

(5)

从水汽散度的垂直积分来看，大气整层水汽散度分布更具连续性，大气动力的空间分布与实际MCC的发生发展更为接近。图4表明，单体A处在水汽通量散度较弱的环境场中出现了分散性的降水中心，且强度较弱；单体B发生发展时处于上游水汽散度强中心区，其降水更集中，且强度明显超过单体A。20：00后，浙西强水汽中心位于浙西中部地区，强水汽辐合带与MCC的分布趋同，与单体B的降水落区基本一致。

4 对流单体结构特征验证

4.1 雷达资料分析

单体A、B雷达风暴结构(SS)产品的时间曲线从单体内部强反射率中心位置说明了大气层垂直动力作用对单体发展的影响。

由图5、6可知，在大气下沉运动作用下，A在浙西发展过程中回波顶高存在下降的趋势，C-VIL和强中心高度同步下降。强中心高度下降2 km附近，C-VIL至少减少10 kg·m-2。预测大风的时间提前量在0～30 min。

a阴影为水汽散度(g·m·s-1)，正负值分别表示水汽辐散和辐合；b阴影为水汽散度积分(hPa·g·m·s-1)，正负值分别表示水汽辐散和辐合。图4 3月4日08：00至3月5日08：00(119°E，27°N)水汽散度垂直时间剖面和3月4日20：00水汽散度积分分布

图5 3月4日单体A和B回波中心高度变化

20:00之前为单体A的变化曲线；20:00后为单体B的变化曲线。图6 3月4日单体液态水含量和单体厚度的变化

相反，由于单体B所在大气动力配置主要为抬升运动，对流单体B强回波中心随时间上升。C-VIL和强中心高度同步增长。强中心高度增长到6 km以上，C-VIL至少增加18 kg·m-2。预测冰雹的时间提前量在7～11 min。单体厚度升高，产生大冰雹的概率增大，21：00后单体厚度下降，降雹过程结束，预测冰雹时间的提前量在10～15 min之间(图7)。

18:30之前单体A厚度没有明显变化趋势(图6)，而18:00—19：00产生了地面大风，所以单体厚度减小，大风发生概率增大。C-VIL在大风发生前有明显的下降，在单体A强中心高度降至2 km(图5)以下后产生了大风(31 m·s-1)。大风结束后C-VIL明显升高(图6)，在单体B强中心高度增长到6 km(图5)以上时，产生了降雹。综合分析单体中心高度和C-VIL的变化对大风和冰雹的预报提前量有较好的提升作用。

图中数值为瞬时极大风速(m·s-1)；灰度等值线为降水量(mm)，强降水量中心有分散冰雹落点。图7 2018年3月4日17：00—22：00单体A、B过程降水量和极大风速分布

4.2 自动站实况验证

图7表明，单体A降水分散且强度较弱，但地面极大风速明显大于单体B，单体B有标志超级单体的中气旋产生并降雹，而地面极大风速较小。图中区域自动站数据表明单体A过程浙西中北部极大风速普遍达到10～11级，个别站点达到31 m·s-1(暴风)，而单体B的过程极大风速主要为7～10级，但单体B降水集中且强度大，落区主要分布在中南部地区。天气灾害动力变化表明对流单体动力结构特征的变化，从天气实况角度反映了大气动力配置对MCC中连续单体结构特征的影响。

5 小结与讨论

本次MCC过程产生于近地层充沛水汽条件，热力不稳定能量高的大气层中，底层暖湿中高层干冷的不稳定层结，有利于产生中尺度对流复合体MCC，急流和垂直风切变有利于对流单体的发展加强。

相同大气热力不稳定层结下，不同MCC天气过程的单体数目，强度，结构型式和演替过程都是不同的，本次MCC中出现的连续单体有各自不同的特点。除了热力不稳定层结的作用，大气垂直动力配置对MCC中单体结构类型演替起重要作用，本次MCC在20：00前后分别有两个带状对流单体(单体A，B)影响浙西，通过风暴涡旋度，水汽散度和涡旋度的质量加权垂直积分等大气动力的分析，表明20：00前大气以下沉运动层结为主，20：00后大气垂直上升动力更强，通过分析大气动力要素垂直积分变化可综合的诊断出MCC中对流单体发展的趋势，在同一热力不稳定条件下，大气动力配置由抑制上升运动转为促进上升运动，以及整层涡旋度强中心向本地区发展，预示风暴单体由直线下沉型中尺度垂直环流结构向强涡旋上升型结构的演替，所以单体A中下沉气流引起下击暴流，造成近地面层大风灾害，但降水较弱。单体B以强垂直上升运动为主，对流发展高度更高，单体B的大气层抬升条件更好，出现了中气旋，风力有所减弱，但降水强度更大，并出现分散性的降雹，表明MCC连续单体随大气动力场变化而发展为不同结构特征对流单体的过程。

多普勒雷达产品和区域自动站数据具有时空分辨率高的特点，对MCC中单体结构特征分析有明显优势，回波结构(SS 62)产品从单体内强回波中心的高度，回波厚度以及回波液态水含量C-VIL变化验证了大气动力配置对MCC中单体结构类型演替起重要作用这一结论，此外，回波中心下降配合VIL减小可以增大大风预报提前量，回波中心上升配合VIL增大可以增大冰雹预报提前量，单体厚度变化趋势与大风的发生概率呈反相关，单体厚度与冰雹的发生概率成正相关。此外，区域自动站实况从地面天气灾害要素变化验证了单体A，B结构特征，与多普勒雷达产品分析相一致。

目前天气预报技术对短时强降水，大风，冰雹等天气的预报预警工作仍有局限性。而这些天气动力是造成灾害的主要因子，本文中分析的个例出现在20：00前后，可以用整点模式产品分析大气动力配置，预估对流单体结构特征，可以进一步细化强对流致灾因子预报预警，提高灾农林害性天气的预报预警的时间提前量，及时做好设施大棚，林木等的防风加固，减少损失。而目前模式产品的时间分辨率主要为6 h，由于强对流天气发展快持续时间短。本文的分析方法需建立在时空分辨率更高的模式产品上，所以目前应用还有很多局限性，但随着模式的改进和预报产品时空分变率的提高而存在应用前景。此外，本文对流单体结构分析比较简单，没有从单体的垂直结构进一步分析大气动力对单体内部中尺度结构的影响，可以通过基数据反演得到组合反射率(CR)，径向速度(V)的产品的垂直剖面，进一步分析MCC中单体的内部结构特征，未来将对这部分工作做更深入的研究。