湖北省夏季引发极端降水的MCS统计特征分析

王孝慈，李双君，张家国

(武汉中心气象台，武汉430074)

引 言

湖北省位于长江中游，作为黄金水道的覆盖省份之一及长江经济带的重点发展区域，其夏季多发的极端天气事件尤其是特大暴雨等极端降水事件，引起的山洪、滑坡、泥石流等灾害，常常带来巨大的人员和财产损失。中尺度对流系统(Mesoscale Convective System，简称MCS)是产生极端降水事件的重要天气系统。国外很多学者利用天气雷达对MCS 类型和活动范围进行了研究。Loehrer等(1995)通过分析雷达回波中层状云与对流云的相对位置，将MCS 分为线状、后部新生、无组织和交叉对流4 类；Schiesser 等(1995)分析了瑞士引发灾害性天气的MCS，将成熟阶段的MCS分为尾随层状云、前方层状云和无层状云三类；Parker等(2000)在Schiesser等人基础上分析美国地区的线状MCS，定义出尾随层状云降水(TS)、前导层状云降水(LS)、平行层状云降水(PS)；Schumacher 等(2005)提出2个新的MCS 类型，即邻接层状云降水(AS)和准静止后向建立(BB)型。上述学者从雷达回波的角度分析并逐渐完善了对线状、非线状MCS 模型组织形态的划分。国内学者在此基础上完善了我国MCS 的回波发展类型，特别是对非线状MCS 的研究。王晓芳和崔春光(2012)分析了长江中下游梅雨期MCS特点，并提出了2种新的非线状MCS 类型；张家国等(2011)、吴涛等(2017)细致研究了涡旋状MCS 的雷达回波结构特征；易笑园等(2011)、张小玲等(2014)研究分析了人字形、卵形等其他非线状MCS 形态。以上研究较为深入的探讨了非线状MCS 形成的机制和组织发展模态。还有部分学者对MCS 多发地等做了相关统计工作。陶祖钰等(1998)发现我国单个MCS较为集中的区域为四川盆地、华南西部和北部湾附近、黄河和长江中下游。郑永光等(2008)和曾波等(2013)发现黄河和长江中下游是MCS活跃区。研究表明，我国中东部及长江中下游一带是MCS多发区。

湖北省汛期多发极端降水与MCS 的产生密切相关，但专门针对湖北省MCS 普查分析的研究，特别是针对引发极端降水的MCS在湖北省的时空分布、移动路径及降水时空分布等还未有相关研究。张家国等(2018)利用天气诊断分析方法研究了2008—2015年湖北省60例引发极端降水MCS，重点归纳出产生极端降水的天气模型，该研究主要从MCS的组织结构特征和天气成因分析了湖北省内极端降水过程。本文利用新一代天气雷达资料、地面加密资料等对湖北省引发极端降水的MCS进行统计分析，以期为该地区极端降水天气预报提供科学参考。

1 资料与方法

本文所用的资料为：2008—2018年4—9月SWAN(Severe Weather Analysis and Nowcasting System)提供的长江中游雷达组合反射率因子拼图产品，时间分辨率为6 min，主要用于分析各类线状MCS 发生到成熟的结构特征；湖北省2 543个区域自动站逐时雨量资料，用于分析MCS成熟时雨团的时空分布特征，并与雷达资料相结合确定MCS的移动路径。

极端降水过程的筛选和确定参考张家国等(2018)的研究，选取国家气象观测站某一年的日降水量序列的第99百分位作为该站这一年极端降水阈值，30 a的阈值平均即得该站30 a来极端降水阈值。湖北省77个国家站极端降水阈值平均后，得到30 a来湖北省平均日极端降水阈值为93 mm。将2008—2018年日降水资料与该阈值进行比较，得到满足条件的日极端降水过程。在此基础上，按照至少有相邻两个区域观测站3 h雨量大于等于100 mm 的标准，并结合Schumacher 等(2005)对MCS的定义标准：强回波的反射率因子大于等于40 dBz，伸展范围大于100 km，持续时间大于3 h的对流系统，最终筛选出70例引发极端强降水MCS个例。

2 各类典型MCS个例回波特征及地理分布

2.1 典型个例雷达回波特征分析

参考Parker 等(2000)和Schumacher 等(2005)关于MCS 分类方法，基于MCS 回波的组织和发展形态、单体移动及新生和演变特征，对湖北省2008—2018年70例引发极端降水过程的MCS进行分类，发现5类线状MCS，即尾随层状云降水(TS)、前导层状云降水(LS)、邻接层状云降水(AS)、平行层状云降水(PS)和准静止后向建立(BB)型所占比例达到58%，涡旋类MCS 占比15%，其他非线状MCS 占比27%。本节就这5 类线状MCS模态及回波特征进行简要分析。

图1 给出各类MCS 成熟时雷达回波叠加模型图，从中可见，2013 年7 月19 日22 时06 分(北京时，下同)发生在宜昌、荆门一带的MCS 过程是典型TS 类(图1a)。该类回波的主要特征是层状云降水区尾随在对流带之后，新生单体在对流带之前生成，回波传播方向与对流带几乎垂直。2012年6月29日过程(图1b)是LS类，回波发展与TS类回波形态相反，前方为层状云降水回波，移动方向与强回波带列车线相垂直，指向层状云回波发展方向。2013年7月20日(图1c)发生在江汉平原的大暴雨过程为一次典型的AS 类过程，AS类回波南侧为多个对流短带组成的列车线，北侧为层状云降水回波。层状云和列车线移动方向几乎一致，整个MCS移动方向基本与列车线走向平行。2010年7月21 日过程为BB 类(图1d)，MCS 新生单体在上风方一侧生成，回波密度梯度更大，下风方为大片层状云，成熟单体回波强度很强，多属于准静止后向传播类，移速较慢。2012 年8 月5 日过程为PS 类(图1e)，层状云回波位于对流线一端，对流单体多在另一端新生，整个MCS沿对流线向层状云一端运动，即不断生成发展的多个对流反复途经同一地区，形成了“列车效应”，其所产生的降水量累积起来，导致大暴雨的产生。与BB类相比，PS类移速快。

实际上，在统计分析中发现有一类非线状MCS回波经常出现，如(图1f)所示，该类回波常常由一条或者多条气旋性弯曲的对流回波带组成，多以S 形、人形(易笑园等，2011)、卵状(张小玲等，2014)或逗点形式(张家国等，2011)出现。在湖北省境内这类涡旋状MCS多发于鄂西山地-江汉平原过渡带，常常因边界层中尺度涡旋系统的强烈发展而引发(吴涛等，2017)。以2014年7月17日为例，螺旋MCS发展成熟时回波带两侧伴随大片层状云降水回波，后部有弱回波入流，大暴雨常常发生于螺旋回波带头部。

图1 各类MCS成熟时雷达回波叠加模型图(单位:dBz,蓝色箭头表示MCS传播方向,黑色箭头表示系统移动方向,手绘等值线分别代表25 dBz、40 dBz、50 dBz)Fig.1 Schematic reflectivity overlay model charts for various patterns of MCSs at maturity(unit:dBz.Blue arrow represents the propagation direction of MCS.Black arrow represents the system moving direction,and levels of shading roughly correspond to 20,40,and 50 dBz).

2.2 各类MCS地理分布特征

湖北省地貌类型复杂多样，地势为西、北、东三面高起，中部向南敞开，具有马蹄形层状分布特征(图2)。西北为秦岭东延部分和大巴山东段，西南为云贵高原东北延伸部分，由大娄山和武陵山所组成，东南为幕阜山脉，呈东西走向，桐柏、大别二山居于东北。境内一千多条中小河流，从四周向江汉平原汇集，使之成为湖北省暴雨中心之一(罗昭彰等，1988)。由图2可知，2008—2018 年湖北省汛期产生极端强降水的MCS 大多生成在武陵山东南侧、大别山南坡、幕阜山北坡及江汉平原一带。这可能与地形对边界层流场、雷暴冷出流的影响有关。山脉的阻挡更有利于冷空气的堆叠，从而加大大暴雨发生的概率(王晓芳，2015)。特殊的地理分布成为影响湖北省内MCS 发生、发展和移动路径的因素之一。

图2 各类MCS生成地分布图(阴影为地形高度,单位:m;、别代表TS、LS、AS、PS、BB、VS、其他)Fig.2 Geographical distribution of generation for MCSs(Shadow represents terrain height,unit:m.Symbols、、、、、represent TS、LS、AS、PS、BB、VS and other,respectively).

将上述各类MCS 生成地在图中标出，可以看出，AS 类MCS 在湖北省出现比例最大，大多属于系统性降水，大暴雨范围相对较大，较易产生极端降水，AS类与TS 类MCS 常常出现在江汉平原以东地区；LS 类MCS 在湖北省内出现的次数最少，因其移动较快，引发的极端降水事件较少；PS类MCS大部分发生在湖北省秦岭余脉、大巴山和幕阜山附近，多发生在山脉的迎风坡上，与山脉的走向一致；BB类多属于准静止后向传播类，大多都发生在鄂东北大别山地区，常常出现后向传播特性，与大别山阻挡雷暴冷出流，冷空气在山前堆积有关。

虽然受MCS 影响所产生的强天气过程在湖北省较多，但本文仅分析引发极端降水的70 例MCS，考虑到每种类型MCS的个例数较少，下文统计分析将不再进行分类研究。

3 MCS移动路径特征

梁巧倩等(2012)指出，华南前汛期MCS 的主要移动方向为自西向东，然后依次为东南、南，少部分为东北移动。曾波等(2013)统计指出我国中东部地区的带状MCS主要移动为西南向东北。为进一步讨论湖北省内引发极端降水的MCS的移动特征，将MCS形成-成熟-消散的位置中心点连线，来表示其移动方向、距离。

对MCS 形成、成熟、消散的定义主要基于MCS 回波组织、发展形态。线状(涡旋状)MCS 的形成是指回波由零散对流发展到初具对流线(旋转式)模态，一般会持续2～3 h；成熟是指线状(螺旋状)对流模态发展最旺盛或强降水(30 mm·h-1)开始发生；消散则是指线(螺旋状)对流线溃散。其他类MCS主要从回波发展强度、对流单体垂直剖面高度及雨强等方面综合考虑定义。

图3 2008—2018年湖北省70例MCS移动路径图(其中○、●、▲、分别代表MCS形成、成熟、消散的位置及稳定少动的MCS；代表移动位置；代表MCS集成移动路径)Fig.3 Shift track of 70 MCSs from 2008 to 2018 in Hubei Province(○、●、▲、represent MCSs locations of generation,maturity,dissipation,and standing still respectively.represents moving direction,represents integrated mobile path).

通过对2008—2018年70例MCS路径集成图(图3)分析可知，湖北省极端强降水MCS主要集中在6个区域发展，移动路径为：1.十堰、竹山→襄阳，2.随州→大悟→红安→麻城，3. 仙桃→汉川→黄陂→英山，4.秭归→荆州→洪湖，5.利川→恩施→五峰，6.石首→监利→洪湖→通山。基本上所有的MCS 传播方向均是由生成地开始向东或东偏南方向移动，主要因为湖北省处于西风带中，常常受高空低槽东移影响。还有四分之一以上的MCS(表1)从发生到消散基本维持在原地，这部分过程大多是BB类，多因山脉阻挡雷暴冷出流，系统由向前传播逐步转为向后传播而导致。此外，还有极少一部分MCS自东南向西北移动，这些特殊路径多由台风移动和MCS后部新生云团并入造成的。

表1 MCS各移动路径比重Table 1 Proportion of each moving path in MCSs.

4 MCS的时间分布特征

4.1 月变化特征

统计分析表明，6月和7月引发极端强降水的MCS最多，分别为18个和25个；5月和8月次之，均为8例；4月和9月引发极端强降水的MCS个例数最少。每年的6月底至7月初为江淮梅雨期，西南季风推进至长江中游地区，此时冷暖空气交汇频繁，利于MCS发生、发展。4月、9月因冷空气频繁入侵常常引发春季、秋季连阴雨，过程累计雨量较大，小时雨强弱。8 月份由于副热带高压西伸加强，抑制了湖北省内强对流的产生。

4.2 日变化特征

图4 70例引发极端降水的MCS在不同发展阶段的日变化(纵坐标表示MCS发生、消散期的个数或成熟期频次)Fig.4 Diurnal variation of 70 cases of MCSs causing extreme precipitation at different stages of development(Ordinate represents the number of MCS during occurrence and dissipation or the frequency in maturity).

图4 为MCS 在不同发展阶段的日变化，其中MCS发生时次指以回波初现、降水区域内加密站出现小于10 mm的小时雨量；成熟时次指线状(螺旋状)对流模态发展最旺盛，加密站出现大于30 mm 的小时雨量；消散时次指回波减弱且降水区域内加密站全部站点小时雨量小于5 mm。分析日变化特征可知，04时、15—18 时和20—21 时为MCS 最易生成时段；成熟时间主要集中于傍晚及夜间18—04时；06时和14—15时，成熟的MCS 最少；消散多在清晨、午间。大部分MCS 集中在午后生成，这与夏季午后下垫面加热有密切关系，午后近地面层处于太阳辐射最为强烈的时段，近地面气温逐步上升，容易产生空气热对流。之所以有很多MCS在夜间发展成熟，可能与已有对流发生的情况下，云顶因对外辐射冷却，使云内上下温差加大，促使对流活动加强发展有关(段旭等，2014)。

4.3 MCS生命史特征

图5 70例引发极端降水的MCS生命史特征Fig.5 Life characteristics of 70 cases of MCSs causing extreme precipitation.

图5为MCS生命史特征，其中发展代表MCS从形成到成熟的过程，减弱为成熟到消散的过程，持续为从产生到消散的总时长。分析可知，MCS从生成到成熟、成熟到消散均需要1～3 h，即一旦形成MCS很快就能发展起来，大部分MCS 一般的持续时长约为5～8 h，还有一些MCS甚至可以维持约10 h，较北美地区和我国黄河下游地区MCS 生命史短(Miller 等，1991；卓鸿等，2012；刘雯等，2017)。此外，夏季湖北地区MCS 生成-成熟时间比成熟-消散时间长，即表现出发展快、消亡慢的特征，这与刘瑞翔等(2015)得出的江淮地区的研究结论不一致，原因一是本文选取的是引发极端降水的MCS，二是湖北地区MCS 有其特有的生命史特征。

5 MCS引发的极端强降水时空分布特征

5.1 降水空间分布特征

图6 是湖北省内70 例引发极端强降水的MCS 发生过程中2 543个区域站雨量频次空间分布图。可以看出MCS 引发的30 mm·h-1、50 mm·h-1降水频次高发区出现在鄂东北、江汉平原南部和恩施地区，与MCS多发区域(图3)较为一致。30 mm·h-1的雨团分布特征与前人的研究较为一致，50 mm·h-1的降水高频次发生区位于湖北境内的松滋、天门和红安。与吴翠红等(2011)研究相比，多了大别山迎风坡一带的降水中心，该降水中心的产生可能是因为大别山处于西南气流迎风坡处，其对雷暴冷池的影响有重要作用(张家国等，2015；武英娇等，2019)，致使MCS 多发。另外，极端降水多出现在江汉平原，可能与低涡切变类是湖北省梅雨期最重要的降水天气类型，中尺度低涡扰动在江汉平原频发有关(张家国等，2018)。

图6 湖北省引发极端强降水的MCS过程(a)≥30 mm·h-1和(b)≥50 mm·h-1雨团频次分布图Fig.6 Frequency distribution of rain clusters that have(a)more than 30 mm·h-1 and(b)more than 50 mm·h-1 derived from the 70 cases of MCSs causing extreme precipitation in Hubei Province.

5.2 降水时间分布特征

图7为70例MCS发生时≥30 mm·h-1和≥50 mm·h-1的站点累加频次的日变化，可以看出，MCS 成熟期内产生的强降水(≥30 mm·h-1)主要时段集中于夜间尤其是午夜前后，出现最多的时段为23—00 时，累加频次25 次以上。由于MCS 成熟期会持续几个小时，对照MCS 触发高峰时次18 时、20—21 时(图4)，在这之后的几小时均是该MCS 发展旺盛期，因此出现≥30 mm·h-1的站点累计频次较高。出现较少的时段为06时、14时，这与MCS消散期相对应(图4)。同时统计发现，≥50 mm·h-1的站点与≥30 mm·h-1的站点频发时段基本一致，而频次略低，这表明在极端降水发生时，要尤为关注≥30 mm·h-1的站点，它们可能会发展更强。

图7 ≥30 mm·h-1和≥50 mm·h-1雨团累加频次的日变化Fig.7 Diurnal variation of accumulated frequencies of rain clusters that have more than 30 mm·h-1 and more than 50 mm·h-1.

6 结论与讨论

使用区域雷达拼图、湖北省区域自动站观测资料，统计分析了湖北省内2008—2018 年4—9 月70 例引发极端强降水的MCS特征，重点分析了各类MCS的分布特征、移动路径和变化特征，主要的结论如下：

(1) 湖北省内产生极端强降水的MCS 分为两大类：线状MCS(占58%)和涡旋状的MCS(21%)。线状MCS 有5 种典型的表现，即尾随层状云降水(TS)、前方层状云降水(LS)、邻接层状云降水(AS)、平行层状云降水(PS)、准静止后向型(BB)，其中以AS 类发生比例最高，LS、PS类所占比例最少。

(2) 大部分MCS 移动方向均是由生成地开始向东或东偏南方向移动，多集中在6个区域发展，小部分MCS从发生到消散基本维持在原地。大多MCS生成在武陵山东南侧、大别山南坡、幕阜山北坡及江汉平原一带。

(3)引发极端强降水的MCS，6 月和7 月发生次数最多，5月和8月次之，4月和9月最少。

(4) 大多MCS 形成于下午至傍晚，夜间尤其是午夜前后成熟，清晨和午间消散。MCS 从生成到成熟、成熟到消散均需要1～3 h，平均生命史5～8 h。

(5)鄂东北、江汉平原南部和恩施地区为暴雨雨团出现频次最多的地方，其中≥50 mm·h-1的雨团主要出现在松滋、天门和红安。强降水产生的主要时段集中于夜间和午夜。

本文对各类MCS的形成原因和机制未作详细阐述，特别是湖北省内不同区域地形对MCS 的发生、发展和传播的影响。今后将进一步探讨湖北特殊地形对边界层中小尺度系统的影响，从而加深对MCS系统内部结构特征和发生发展机制的认识。