2020年贵州省一次MCC特大暴雨的诊断分析*

王兴菊，罗喜平，王明欢，周文钰，蒙 军，胡秋红

(1.贵州省安顺市气象局，贵州 安顺 561000；2.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081；3.中国气象局武汉暴雨研究所，湖北 武汉 430205；4.贵州省气象台，贵州 贵阳 550002)

0 引言

中尺度对流复合体(MCC)最早是由Maddox[1]定义的典型的α中尺度(200～2 000 km)对流系统，在红外云图上它表现为接近圆形的冷云盖。对于MCC的标准，Maddox从生命史、外形、尺度等方面给出完整的定义。本文在云图分析时采用了Maddox对MCC规定的标准。中尺度系统是暴雨天气的直接制造者，而MCC是我国南方夏季尤其是6月份暴雨的主要影响系统之一。范俊红等[2]对河南、河北省中部一次区域性暴雨进行了分析，发现MCC发生、发展在对流层中层的短波槽、高低空急流有利配置以及大气层结为中性或弱对流不稳定的环境条件下。柳林等[3]通过对其云图特征的研究，指出MCC是由几个β中尺度的对流云团发展加强合并而成的。肖稳安等[4]分析了MCC的降水特征，指出在MCC发展到最强盛之前，降水呈逐渐增强的趋势。陶祖钰等[5]利用常规资料研究发生在河北的一次MCC暴雨过程,结果表明，MCC在中低层是为气旋式辐合环流，在对流层上部则呈现中尺度反气旋式环流，这种环流特征与MCC热力结构相一致。井喜等[6]对淮河流域的一次MCC的环境流场和物理量特征进行了诊断分析。对于贵州的MCC暴雨特点，熊伟等[7]对贵州2次MCC暴雨诊断和触发机制对比分析；杨静等[8]对云贵高原东段山地MCC的普查和降水特征进行了分析。以上成果为本文研究提供了坚实的理论支撑。在此基础上，本文对2020年6月30日贵州省的特大暴雨过程进行分析，了解此次特大暴雨过程中各阶段云图、雷达、物理量发展及降雨分布特点，旨在提高对贵州省中尺度对流复合体暴雨天气发生发展的成因认识，以期对以后的贵州MCC类暴雨天气过程提供有价值的预报思路。

1 资料和实况

本文使用的资料包括：① 2020年6月29日08时(北京时，下同)到30日08时fnl再分析资料(水平分辨率1°×1°)以及常规的地面、高空观测资料，中国国家卫星中心提供的FY-2G卫星云图资料；② 2020年6月29日20时—30日20时贵州省逐小时气象要素观测数据和地面填图资料，该资料由贵州省气象信息与技术保障中心提供，其中，气象要素包括相对湿度、能见度、2 min风向风速、海平面气压、3 h变压、24 h变压、气温、24 h变温等要素。

2020年6月29日20时—30日20时，全省共出现4站特大暴雨，90站大暴雨；309站站暴雨；由此次MCC带来的强降水主要集中在贵州中西部及北部地区，最大雨量为晴隆县长沙乡212.7 mm。

2 环流背景

2.1 探空图分析

在MCC的初始阶段，从29日08—20时贵阳站的温度对数压力图上看(见图1a)：贵阳站层结不稳定，呈现下湿上干的分布，0 ℃层高度位于500 hPa附近，-20 ℃层高度位于300 hPa附近，K指数达到42.1 ℃，SI指数-1.51。中低层为一致的西南急流，高层为偏北风，风向随高度顺转，有暖平流存在，有利于强降雨的产生。

从29日08时贵阳站的物理量列表来看，CAPE值960.8 J·kg-1，Li值-1.34短时强降水的潜势非常明显。到了29日20时(见图1b)南风上升到300 hPa附近，不稳定层结更加明显，CAPE值215 9.3 J·kg-1，Li值-3.58，短时强降水的潜势更加明显，有利于强降雨的产生。

图1 2020年6月29日贵阳站温度对数压力(a)6月29日08时;(b)6月29日20时Fig.1 Temperature logarithmic pressure diagram of Guiyang station on June 29, 2020(a) June 29 at 08:00; (b) June 29 at 20:00

2.2 环流形势分析

从29日08时的高空图上看，200 hPa上(图2a)超过30 m·s-1的高空急流位于35～45°N,贵州受强大的南压高压东侧偏北气流影响，位于高空急流轴的右侧的风速辐散区，高空急流的抽吸作用有利于MCC的发展。500 hPa上(图2b)中纬地区有短波槽东移影响，低纬地区两高对峙，副高活跃，贵州受副高西北侧偏西南气流影响，四川南部及云南中部有切变线存在，高原上有弱冷空气向南渗透，短波槽前的弱冷空气有利于不稳定能量的触发，使得对流云团在贵州省形成。700 hPa(图2c)存在明显的风向切变，切变线位于湖北南部、重庆南部、四川南部一线，贵州位于切变线南部，一致的西南气流为贵州降水带来了充沛的水汽和正涡度，川南到贵州西北部有暖平流。850 hPa上(图2d)切变线位于重庆到贵州北部，贵州西北部有低涡，川南也有明显的暖平流。

图2 2020年6月29日14时各层风场图(线条表示高度场，流线表示风场，阴影区表示急流)(a) 200 hPa ; (b) 500 hPa;(c) 700 hPa; (d) 850 hPaFig.2 Wind field map at 14:00 on June 29, 2020 (The line represents the height field; The streamline represents the wind field; The shaded area represents the jet stream)(a) 200 hPa ; (b) 500 hPa;(c) 700 hPa; (d) 850 hPa

到30日02时(图略)，MCC的成熟阶段，200 hPa上的高空急流维持，风速加大；500 hPa副高明显东退，贵州受偏西到西南气流影响；700 hPa切变线更加逼近，横切变西段南压到贵州北部一线，云南境内有暖舌向贵州西部伸展；850 hPa上切变线已经南压到贵州中部。

从以上分析可以看出，在此次MCC的从形成到成熟阶段，贵阳站探空图上中低层为一致的西南急流，高层为偏北风，风向随高度顺转，有暖平流存在，29日20时超过2 000 J·kg-1的CAPE值的有利于强降雨的产生。同时高空多短波活动，副高活跃，高原有冷空气向贵州渗透，高空急流的抽吸作用，中层弱冷空气的入侵，低层切变线长期维持，以及西南暖湿气流的输送，为此次过程提供了充沛的水汽和动力条件。

3 MCC的发展及降水特点

3.1 对流云团的形成发展

3.1.1 初始阶段(29日14—23时) 从零散的对流系统到TBB≤-52 ℃冷云覆盖范围首次达到5万 km2的α中尺度云团阶段。此阶段发生在地面α中尺度低涡切变线上的β中尺度对流串发展，再加强合并为一个α中尺度云团。29日14时(见图3a)，毕节赫章附近有β中尺度的对流云团生成，直径61 km,中心值-38 ℃；20时(见图3b)对流云团继续扩展增强，与纳雍附近对流云团合并为一个偏心率较小的α中尺度云团椭圆形对流云团，最低TBB达到-83 ℃；TBB≤-52 ℃的冷云盖面积为1.9万 km2。21—23时期间偏心率和冷云罩面积明显增大，到了23时(见图3c)偏心率为0.7，TBB≤-52 ℃的冷云覆盖面积达到了5万 km2，达MCC的标准。此阶段冷云罩面逐步变大，从不规则的块状云系逐步发展为边界光滑的椭圆形对流云系，最大TBB梯度位于对流云团的西南部，对流云团由初期的多个核心合并为一个单核的强中心，最低云顶亮温达到了-84 ℃。

图3 2020年6月29日14时—30日08时云顶亮温TBB(a)29日14时;(b)29日20时;(c)29日23时;(d)30日00时;(e)30日05时;(f)30日08时Fig.3 TBB from 14:00, June 29 to 8:00, June 29, 2020(a) June 29 at 14:00; (b) June 29 at 20:00; (c) June 29 at 23:00; (d) June 30 at 00:00; (e) June 30 at 05:00; (f) June 30 at 08:00

3.1.2 成熟阶段(30日00—05时) 从α中尺度云团TBB≤-52 ℃冷云盖面积超过5×104km2到TBB≤-52 ℃冷云盖面积达到最大。此阶段冷云罩面积迅速增大扩展，从00时(见图3d)的6.5×104km2增强为05时的15.1×104km2，云罩面积扩展了近3倍，最低云顶温达到-86 ℃，此阶段最低云顶亮温均在-80 ℃以上，冷云罩形状从规则的椭圆形逐步发展为不规则的多边形，到了05时(见图3e)边界已经不再光滑，单独的冷云核中心又逐步分裂为两个核心。

3.1.3 消亡阶段(30日06—08时) 从TBB≤-52 ℃冷云盖面积达到1×105km2并开始减小到TBB≤-52 ℃冷云盖面积小于5×104km2的阶段。此阶段TBB≤-52 ℃的冷云罩面积迅速减小，到08时(见图3f)减小为4.1×104km2。α中尺度特征逐步消失，发散为多个不规则的块状云系，最低云顶亮温逐步回升，到08时为-63 ℃。

从以上对MCC发生发展到消亡的三个阶段分析可以看出，此次MCC是由生成于毕节威宁附近的β中尺度对流云团起源，合并周围的对流云团并不断向贵州南部扩展造成的。在MCC的初始阶段，云罩边界光滑，由块状向椭圆形发展，冷云罩面积逐步增大，云顶亮温中心不断降低；成熟阶段冷云罩面积迅速扩大，由椭圆形逐步扩散为多边形，云顶亮温中心维持在-80 ℃以下；消亡阶段是对流云系的α中尺度特征逐步瓦解的过程，冷云罩面积和云顶亮温绝对值迅速减小。

3.2 MCC的各阶段的降水特点

将各阶段的逐小时短时强降水站数、TBB≤-52 ℃冷云盖面积、云顶亮温进行对比分析，发现以下特点(见图4～图5)：

图4 MCC各阶段冷云盖面积和短时强降雨站数Fig.4 Diagram of cold cloud cover area and the number of short-time heavy rainfall station at each stage of MCC

图5 MCC各阶段最大小时雨量和最低云顶亮温Fig.5 Diagram of maximum hourly rainfall and minimum cloud-top TBB at each stage of MCC

初始阶段：逐时的短时强降雨站数和最大小时雨量也明显增强，到了初始阶段的23时，贵州短时强降雨站数达到33站，最大小时雨量为晴隆县长沙村达到了83.7 mm，较20时降雨范围和强度都明显增大。

成熟阶段：与冷云罩面积迅速扩大相对应，短时强降雨站数对比初始阶段出现了成倍的增长，降雨范围不断扩大，从贵州西北部向贵州中西部扩展。05时全省短时强降雨70站，仍然维持较高的值，较00时明显增加，仅次于03时的79站。此阶段的最大小时雨强出现在01时晴隆县中营乡达到88.1mm，对应该站点的云顶亮温为-86 ℃，然后最大小时雨强逐步下降。到05时，最大小时雨量为盘县普古乡40.1 mm,较00时明显减弱。

消亡阶段：此阶段贵州省降水明显减弱，到06时全省短时强降水站数为36站，较成熟阶段的05时减少将近一半，到08时，贵州省范围内已经没有短时强降雨出现，对应此时次的最低云顶亮温为-63 ℃，较成熟阶段也明显下降。

从以上分析可以看出，逐小时短时强降雨站数与冷云盖面积有很好的对应关系，在形成、成熟、消亡3个阶段分别呈现逐步上升、明显上升和迅速减小的趋势；最大小时雨量在成熟阶段与最低云顶亮温有较好的对应关系，在初始和消亡阶段的某些时次，虽然亮温很低，小时降雨量却不如成熟阶段那么大。

4 雷达回波分析

初始阶段：与中尺度对流云团的发展相对应，从贵阳雷达的反射率因子图上可以看出，回波起源于29日14时之后，在贵州西北部的低涡附近生成了对流单体，到20时(见图6a)发展为镶嵌多个强中心的片状回波，21时(见图6b)在纳雍和水城北部，多个组合反射率强中心基本连成带状，强中心超过了50 dBz,21时的短时强降雨也发生在该地区[9]。到了23时(见图6c)，强回波已经影响整个六盘水地区，呈片状分布，并开始向安顺北部边缘发展。初始阶段的强回波主要影响贵州省西北部的毕节市和六盘水市。成熟阶段：24日00时(见图6d)强回波南压至安顺到黔西南北部，01时(见图6e)该区域短时强降雨急增，全省63站的短时强降雨有43站出现在安顺、六盘水、黔西南，最大短时强降雨也发生在这一时次的晴隆中营。05时(见图6f)安顺南部、黔西南北部仍然有较强的降雨回波，强中心仍然超过了40 dBz。成熟阶段的强降雨回波主要影响贵州西南部的安顺市、黔西南州等地。

图6 2020年6月29日20时—30日08时组合反射率(单位:dBz)(a)29日20时;(b)29日21时;(c)29日23时;(d)30日00时;(e)30日01时;(f)30日05时Fig.6 Composite reflectivity from 14:00, June 29 to 8:00, June 29, 2020 (unit∶ dBz)(a) June 29 at 14:00 ; (b) June 29 at 20:00;(c) June 29 at 23:00; (d) June 30 at 00:00;(e) June 30 at 01:00; (f) June 30 at 05:00

挑选了大方作为初始阶段，晴隆作为成熟阶段的代表站点进行回波特征分析。初始阶段大方回波在20时(见图7)前后出现了强单体，中心值超过55 dBz，45 dBz回波顶高达到了12 km,呈现单峰值分布，强回波已经接地，并且都集中在4 km以下，29日20—21时，强回波持续了近1 h之后减弱为30 dBz以下的阵雨回波。成熟阶段晴隆的强回波也集中在4 km以下(见图8)，回波顶高在8 km左右，回波呈现多峰值分布，中心值超过45 dBz的时段出现了4次。

图7 2020年6月29日19—23时大方回波时间序列Fig.7 Time series diagram of echo in Dafang from 19:00 to 23:00 on June 29, 2020

图8 2020年6月30日01—05时晴隆回波时间序列Fig.8 Time series diagram of echo in Qinglong from 1:00 to 5:00 on June 30, 2020

选取了大方和晴隆周围近500 km2的区域统计组合反射率强度特征，发现初始阶段的大方区域内(见图9)，大部分回波回波强度为在30 dBz以下，平均值为26.3 dBz，超过35 dBz的回波面积为83 km2。成熟阶段晴隆境内以35 dBz以上的回波为主(见图10)，超过35 dBz的回波面积为377 km2，平均值为39.2 dBz。

图9 2020年6月29日20时21分大方回波强度分布Fig.9 Echo intensity distribution diagram in Dafang at 20:21 on June 29,2020

图10 2020年6月30日01时19分晴隆回波强度分布Fig.10 Echo intensity distribution diagram in Qinglong at 01:19 on June 30, 2020

从以上分析可以看出，初始阶段强回波强度强，但生命史短，呈现单峰值分布；成熟阶段的强回波范围大，持续时间长，呈现多峰值分布。共同特点是强回波基本集中在4 km以下，中低层越靠近地面回波越强，质心位置较低，强回波接地，有利于强降雨的产生。

5 物理量分析

5.1 热力条件分析

为了更好的分析MCC发展过程中能量的演变情况，本文将引入由850 hPa和500 hPa资料共同计算的总指数TI进行分析：

TI=(T850-T500)+(Td850-Td500)

(1)

参考文献[10]提到：TI≥44 ℃时有利深对流发展，TI≥54 ℃，则有可能发展为强烈的对流天气。29日14时(图11a)贵州西北部TI指数为52 ℃，且贵州除了东北部边缘，其余地区均超过了44 ℃，该地区的大气不稳定为MCC的发展提供了有利的条件。到了成熟阶段30日02时(图11b)，整个贵州的总指数都超过了50 ℃，强中心开始向东南方向移动，中心值58 ℃。从初始阶段到发展阶段持续性的TI值≥44 ℃，为此次的特大暴雨过程提供了充足的能量条件。

图11 总指数TI(a)2020年6月29日14时;(b)2020年6月30日02时Fig.11 Diagram of total index TI(a) 14:00 on June 29, 2020; (b) 02:00 on June 30, 2020

5.2 抬升条件分析

温度平流在天气系统的发生发展过程中起着重要作用，上冷下暖的温度平流垂直差异气温直减率增大，使大气层结趋于不稳定。本文选用沿26°N制作温度平流和垂直速度的剖面图，29日14时(见图12a)，在MCC的形成阶段，毕节威宁附近700～800 hPa之间有暖平流，中心值为1.2×10-3K·s-1，对应的垂直速度场上低层也有明显的上升运动区与该暖平流区相匹配，650～500 hPa之间则对应冷平流和下沉气流。这种低层为暖湿的上升气流，中层有冷平流并伴有下沉气流的中尺度环流特征。到了成熟阶段30日02时(图12b)，低层的暖平流和上升气流仍然维持，且强中心向贵州东南部伸展，为此次的特大暴雨过程提供了抬升条件。

图12 沿26°N温度平流、垂直速度纬向—高度剖面(红色线条表示温度平流，单位：10-3K·s-1；黑色线条表示垂直速度，单位：Pa·s-1)(a)6月29日14时；(b)6月30日02时Fig.12 The zonal-elevation profile of temperature advection and vertical velocity along 26°N(The red lines represent temperature advection, unit∶ 10-3K·s-1; The black lines indicate vertical velocity, unit∶ Pa·s-1)(a) June 29 at 14:00; (b) June 30 at 02:00

5.3 涡度和散度的中尺度特点

从初始阶段29日14时(图13a)的散度和涡度场来看，200 hPa上MCC的形成区域与一个中尺度的辐散和负涡度系统相配合；在700 hPa以下，对应的是正涡度和辐合中心，涡度和散度的中心值都达到了2×10-5s-1。这与陶祖钰等[11]在研究MCC中的第二基本形式一致，在对流层低层存在气旋式涡旋。到了30日02时(图13b)，MCC的成熟阶段，依然维持低层正涡度辐合，高层正涡度辐散的中尺度特点，正涡度中心值加强到了5×10-5s-1，更有利于MCC的发展加强。

图13 沿26°N散度、涡度图纬向—高度剖面(红色线条表示散度，单位：10-5s-1；黑色线条表示涡度：单位：10-5s-1)(a)6月29日14时；(b)6月30日02时Fig.13 The zonal-elevation profile of divergence and vorticity along 26°N (The red lines represent divergence, unit∶ 10-5s-1; The black lines indicate vorticity, unit∶ 10-5s-1)(a) June 29 at 14:00; (b) June 30 at 02:00

6 结论与讨论

①在此次特大暴雨过程中高空多短波槽活动，中层弱冷空气的入侵，高空急流和低层切变线长期维持，大的CAPE值的存在以及西南暖湿气流的持续性输送，为此次过程提供了充沛的水汽和动力条件。

②此次MCC生成于毕节威宁附近，在MCC的初始阶段，由块状向椭圆形发展，冷云罩面积逐步增大，云顶亮温中心不断降低；成熟阶段由椭圆形逐步扩散为多边形，云顶亮温中心维持在-80 ℃以下；消亡阶段冷云罩面积和云顶亮温绝对值迅速减小。

③逐小时短时强降雨站数与冷云盖面积有很好的对应关系，在形成、成熟、消亡3个阶段分别呈现逐步上升、明显上升和迅速减小的趋势；最大小时雨量在成熟阶段与最低云顶亮温有较好的对应关系。

④此次特大暴雨过程中强回波基本集中在4 km以下，中低层越靠近地面回波越强，强回波接地，质心位置较低。初始阶段强回波强度强，移速快，但生命史短，呈现单峰值分布；成熟阶段的强回波范围大，持续时间长，移速慢，呈现多峰值分布。

⑤TI≥44 ℃的大值区长期维持，低层的暖平流和上升气流以及正涡度辐合，配合高层的冷平流和下沉气流以及负涡度辐散，为此次特大暴雨过程提供了有利的能量和动力条件。