張小玲1 余蓉2 杜牧云3

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梅雨鋒上短時(shí)強(qiáng)降水系統(tǒng)的發(fā)展模態(tài)

張小玲余蓉杜牧云

1國(guó)家氣象中心，北京100081;2湖北省防雷中心，武漢430074;3武漢中心氣象臺(tái)，武漢430074

利用2010、2011年5～7月我國(guó)東部地區(qū)梅雨鋒盛行期的58次強(qiáng)降水個(gè)例，對(duì)產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的中尺度對(duì)流系統(tǒng)回波演變模態(tài)及其系統(tǒng)特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。本文中短時(shí)強(qiáng)降水特指小時(shí)降水超過(guò)30 mm。結(jié)果表明，與梅雨鋒相伴的短時(shí)強(qiáng)降水系統(tǒng)回波演變模態(tài)主要為緯向型、經(jīng)向型、轉(zhuǎn)向型和合并型四類。緯向型、經(jīng)向型和70%的轉(zhuǎn)向型發(fā)展模態(tài)中中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）呈線狀，合并型則主要為卵狀。緯向型、轉(zhuǎn)向型和合并型MCS以后向傳播為主，但它們的生命史、移速和產(chǎn)生強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間有很大差別：緯向型生命史最長(zhǎng)，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間比轉(zhuǎn)向型短；三類發(fā)展模態(tài)中轉(zhuǎn)向型移速最快，生命史較緯向型短，但強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)；合并型移動(dòng)最慢，生命史最短，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間也最短。經(jīng)向型MCS前向傳播為主，移動(dòng)最快，系統(tǒng)持續(xù)史短，約為緯向型的一半，30 mm h、50 mm h以上強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間約為轉(zhuǎn)向型的1/3和1/5。緯向型MCS可向東或向南移動(dòng)，經(jīng)向型MCS通常向東或向西運(yùn)動(dòng)，合并型MCS可往任意方向移動(dòng)，并且只有該發(fā)展模態(tài)中MCS會(huì)向北運(yùn)動(dòng)。雖然轉(zhuǎn)向型MCS帶來(lái)的短時(shí)強(qiáng)降水（尤其50 mm h以上）持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，經(jīng)向型和合并型MCS產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間短，但四類發(fā)展模態(tài)中MCS的回波強(qiáng)度和回波高度的統(tǒng)計(jì)特征無(wú)明顯區(qū)別。推測(cè)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間可能與MCS的傳播關(guān)系更加密切：經(jīng)向型和合并型MCS前向傳播占很大比重，生命史和產(chǎn)生的強(qiáng)降水更短；轉(zhuǎn)向型和緯向型MCS的后向傳播比重大，尤其轉(zhuǎn)向型中不存在前向傳播，對(duì)應(yīng)短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。

短時(shí)強(qiáng)降水 發(fā)展模態(tài) 傳播

1 引言

梅雨鋒降水一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。1950年代以來(lái)，陶詩(shī)言等從行星尺度的歐亞長(zhǎng)波型式研究梅雨期降水的持續(xù)性（陶詩(shī)言等，1958；2008）。1970年代以來(lái)，陶詩(shī)言等從梅雨鋒暴雨的不均一性，天氣尺度為中尺度運(yùn)動(dòng)提供背景，局地不穩(wěn)定層結(jié)促進(jìn)對(duì)流發(fā)展的角度研究梅雨鋒暴雨的機(jī)制和預(yù)報(bào)要點(diǎn)（陶詩(shī)言，1977，1980；張小玲等，2010）。2000年代以來(lái)，陶詩(shī)言等從多尺度角度，對(duì)梅雨鋒上的暴雨及中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）發(fā)生發(fā)展環(huán)境場(chǎng)進(jìn)行更加系統(tǒng)的分析研究（陶詩(shī)言等，2003；張順利等，2002；張小玲等，2004；孫建華等，2004）。

研究表明，在暴雨過(guò)程中導(dǎo)致災(zāi)害的往往是某個(gè)或某幾個(gè)時(shí)段的極端降水（Doswell，1994；Doswellet al.，1996）。諸多研究（Bluesteinand Michael，1985；Houze et al.，1990; Schiesser et al.，1995；Loehrer and Johnson，1995；Parker and Johnson，2000，2004；Schumacher and Johnson，2005，2006；Gallus et al.，2008）指出受不同環(huán)境場(chǎng)條件影響，MCS呈現(xiàn)不同組織類型，并造成不同類型劇烈的天氣和不同強(qiáng)度的降水。因此，對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）組織形態(tài)的認(rèn)識(shí)對(duì)其發(fā)生發(fā)展具有理論意義和預(yù)報(bào)意義。

早期，MCS組織形態(tài)分類主要屬于靜態(tài)分類。Houze et al.（1990）首次提出線狀MCS比非線狀的MCSs更易產(chǎn)生暴洪。他們的研究得到眾多學(xué)者的認(rèn)同，引導(dǎo)學(xué)者將暴洪的研究發(fā)展到主要對(duì)線狀MCSs的研究。Parker and Johnson（2000；2004a；2004b）描述了常發(fā)生在美國(guó)中部的三種線狀MCSs模式：尾隨層狀云（TS）降水、前導(dǎo)層狀云（LS）降水，平行層狀云（PS）降水；他們發(fā)現(xiàn)LS的MCSs比其他類型移動(dòng)更緩慢，更易造成極端強(qiáng)降水和暴洪。Gallus et al.（2008）更在此基礎(chǔ)上，把對(duì)流性風(fēng)暴分成了9種類型，并總結(jié)了每種系統(tǒng)所發(fā)生的天氣現(xiàn)象，同時(shí)進(jìn)一步證實(shí)線狀MCSs更易造成洪災(zāi)。

靜態(tài)分類沒(méi)有考慮MCS中單體的移動(dòng)和傳播。近年，以Schumacher 和 Johnson為首的學(xué)者提供了認(rèn)識(shí)MCS的組織、演變和結(jié)構(gòu)特征新思 路，Schumacher and Johnson（2005；2006）挑選了1999～2003年期間發(fā)生在美國(guó)東部的184個(gè)強(qiáng)降水個(gè)例，不僅證實(shí)65%的極端降水是由MCS造成的，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了三種產(chǎn)生極端降水的主要類型：一種是鄰接層狀單向發(fā)展（TL/AS）線狀MCS，其特征是一個(gè)典型的東西向?qū)α骶€平行于準(zhǔn)靜止鋒邊界，在邊界的冷側(cè)伴隨由西向東的對(duì)流單體，層狀云在對(duì)流線北側(cè)移動(dòng)；TL/AS的單體幾乎沒(méi)有垂直于對(duì)流線方向的運(yùn)動(dòng)，這也明顯區(qū)別于TS、LS型MCS；這種運(yùn)動(dòng)特性常造成沿線狀對(duì)流系統(tǒng)方向產(chǎn)生持續(xù)性的強(qiáng)對(duì)流降水。第二種是準(zhǔn)靜止后向建立（BB）MCS，其層狀云在下游，新單體常在上游流出邊界同一地方反復(fù)產(chǎn)生，從而造成很大的局地降水，其單體運(yùn)動(dòng)方向與傳播方向相反。他與Parker and Johnson（2000）提出的PS 型MCS的區(qū)別是對(duì)流線幾乎原地不動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)（包括對(duì)流單體和層狀云）常呈東西向。第三種是TS型 MCS，對(duì)流線南部變?yōu)闁|西向，幾乎與整個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方向一致，導(dǎo)致新單體和強(qiáng)降水都在南端尾部產(chǎn)生。

上述三種產(chǎn)生極端降水的MCS（TL/AS、BB、TS）的組織結(jié)構(gòu)在世界其他地區(qū)，包括亞洲季風(fēng)區(qū)均存在，BB型 MCS常造成東亞的極端降水（Kato and Goda，2001；Shin and Lee，2005；Chi and Chen，1988）。TS、LS、PS 型MCS也常導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)期間的強(qiáng)降水（Wang，2004；Schumacher and Johnson，2005）。Zheng et al.（2012）對(duì)我國(guó)東部地區(qū)產(chǎn)生冰雹、雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣的MCS組織類型進(jìn)行了干濕環(huán)境下的統(tǒng)計(jì)分析，王曉芳和崔春光（2012）則在分析長(zhǎng)江中下游地區(qū)梅雨期MCS的類型和活動(dòng)特征時(shí)不僅發(fā)現(xiàn)了TS、LS、PS、BB、TL/AS、BL型MCS，還發(fā)現(xiàn)了兩種新形態(tài)：鑲嵌線狀MCS（EL）、長(zhǎng)帶層狀云降水MCS（LL）。EL在雷達(dá)回波拼圖上，表現(xiàn)為幾條（一般為３條或以上）間隔距離幾乎相等、模態(tài)相似的短帶回波平行排列成一條對(duì)流線。EL形成后移動(dòng)較慢，幾乎是靜止的，一般持續(xù)5～6 h，常給所經(jīng)地域帶來(lái)大范圍的短時(shí)強(qiáng)降水天氣。LL在雷達(dá)回波拼圖上呈現(xiàn)為一條長(zhǎng)長(zhǎng)的幾乎都為強(qiáng)度小于40 dB的層狀回波帶，回波組織性好。LL是梅雨期長(zhǎng)江流域常見(jiàn)的MCS，盡管逐時(shí)降水強(qiáng)度不強(qiáng)，但因移動(dòng)緩慢，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，所經(jīng)之地累計(jì)降水量大。

上述組織形態(tài)分類主要基于系統(tǒng)生命期中最主要的形態(tài)。在對(duì)流天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，其形態(tài)和結(jié)構(gòu)是不斷演變的，如Loehrer and Johnson（1995）在研究中發(fā)現(xiàn)，無(wú)組織型、線型、后向發(fā)展型和交叉對(duì)流帶型都會(huì)發(fā)展為不對(duì)稱TS結(jié)構(gòu)。Hilgendorf and Johnson（1998）則認(rèn)為，TS型系統(tǒng)雖然通常在整個(gè)生命期間都將保持TS結(jié)構(gòu)，但在后期其結(jié)構(gòu)會(huì)由對(duì)稱向反對(duì)稱轉(zhuǎn)變。Parker and Johnson（2000）也提到他們對(duì)暴洪的分類主要基于系統(tǒng)生命史中表現(xiàn)出的主要組織形式進(jìn)行分類，而許多系統(tǒng)在其生命期間頻繁地從一種模態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種模態(tài)。在他們研究的線型MCS中，50%個(gè)例最初具有TS結(jié)構(gòu)并在生命期保持，而最初具有LS特征的MCS約有30%演變成了TS結(jié)構(gòu)，而有58%的PS結(jié)構(gòu)會(huì)演變成TS結(jié)構(gòu)。為此，本文主要利用雷達(dá)回波資料，根據(jù)產(chǎn)生強(qiáng)降水過(guò)程中MCS的主要發(fā)展演變特征，統(tǒng)計(jì)分析我國(guó)東部地區(qū)（具體研究區(qū)域參見(jiàn)圖1）梅雨鋒降水期間產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的MCS演變類型和活動(dòng)特征，以求獲取這類MCS的雷達(dá)回波形態(tài)演變規(guī)律，為短時(shí)強(qiáng)降水的短時(shí)臨近分析預(yù)報(bào)提供參考。

2 資料與方法

2.1 資料

本文使用的2010～2011年5～7月資料包括：國(guó)家氣象信息中心提供的全國(guó)逐小時(shí)降水資料，用于強(qiáng)降水個(gè)例的選取和降水特征統(tǒng)計(jì)；中國(guó)氣象局大氣探測(cè)中心提供的逐10 min水平分辨率1 km× 1 km的雷達(dá)組合反射率拼圖產(chǎn)品，用于強(qiáng)降水個(gè)例的篩選；國(guó)家氣象信息中心提供的逐6 min新一代多普勒天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料，用于MCS的發(fā)展模態(tài)及特征統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 方法

梅雨鋒雨帶通常橫跨幾百到上千公里，但雨帶中降水分布非常不均勻，強(qiáng)降水尤其短時(shí)強(qiáng)降水通常局限在中尺度范圍內(nèi)。本文選取2010、2011年5～7月我國(guó)東部梅雨鋒盛行區(qū)域的短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例，參考Schumacher and Johnson（2005；2006）、Gallus et al.（2008）對(duì)產(chǎn)生極端強(qiáng)降水和對(duì)流風(fēng)暴的MCS的分類研究，利用雷達(dá)組合反射率因子資料，根據(jù)產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的MCS發(fā)生發(fā)展期間回波形態(tài)的演變特征，對(duì)MCS進(jìn)行分類研究，并對(duì)不同類型的MCS的發(fā)生、移動(dòng)、強(qiáng)度、生命史及其導(dǎo)致的短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

降水強(qiáng)度大于20 mm h是國(guó)家氣象中心短時(shí)強(qiáng)降水的業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)梅雨鋒盛行期間，降水強(qiáng)度大。為了使樣本更具代表性，本文選取的2010、2011年5～7月短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例中，降水強(qiáng)度超過(guò)30 mm h，且降水率大于20 mm h的雨區(qū)呈團(tuán)狀出現(xiàn)。短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例均伴隨梅雨鋒的發(fā)生發(fā) 展，位于我國(guó)東部梅雨鋒盛行區(qū)域（圖1）。在這個(gè)區(qū)域，由于雷達(dá)站的分布不均一，雷達(dá)型號(hào)也不相同，本文中均采用單部雷達(dá)資料進(jìn)行分析。因此，在選取個(gè)例時(shí)，同時(shí)要求在降水區(qū)域內(nèi)，至少有一個(gè)雷達(dá)站點(diǎn)具有完整的雷達(dá)基數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，由于山地的遮擋作用使某些雷達(dá)組合反射率失真嚴(yán)重，強(qiáng)降水位于雷達(dá)探測(cè)有效范圍外，單站雷達(dá)資料難以完整、真實(shí)地反映系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的過(guò)程、雨量站資料與雷達(dá)回波無(wú)法匹配且無(wú)其他文檔資料能確認(rèn)該區(qū)域發(fā)生強(qiáng)降水的個(gè)例均不作為本文的研究樣本。因此，最終本文選取了58個(gè)位于華南、江南和江淮流域的短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖1）。

圖1 本文選取的58個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例發(fā)生區(qū)域及雷達(dá)站點(diǎn)分布

在對(duì)MCS發(fā)展階段的演變特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析前，首先需要挑選強(qiáng)降水個(gè)例發(fā)生期間資料完整、形態(tài)結(jié)構(gòu)清晰的MCS的雷達(dá)回波形態(tài)樣本。產(chǎn)生強(qiáng)降水的雷達(dá)回波形態(tài)復(fù)雜多樣，且隨著系統(tǒng)的發(fā)展不斷演變。為了便于分析，本文僅對(duì)組織化發(fā)展的強(qiáng)降水系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。參考國(guó)內(nèi)外的研究（Parker and Johnson，2000；Schumacher and Johnson，2005，2006；Gallus et al.，2008，王曉芳和崔春光，2012），中尺度對(duì)流系統(tǒng)回波樣本選取標(biāo)準(zhǔn)為：組合反射率因子大于30 dB，且雷達(dá)回波面積超過(guò)100 km；最大回波強(qiáng)度45 dB以上；系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間3 h以上。在這些MCS的回波樣本中，本文重點(diǎn)分析了線狀、卵狀、渦旋狀形態(tài)的MCS的發(fā)展演變模態(tài)。綜合參考國(guó)外關(guān)于線狀、卵狀、渦旋狀的已有定義標(biāo)準(zhǔn)（Parker and Johnson，2000；Gallus et al.，2008），并結(jié)合降水個(gè)例的實(shí)際情況，本研究中組合反射率因子大于40 dB的雷達(dá)回波連接成線狀、長(zhǎng)度在70 km以上、且長(zhǎng)度至少是寬度的3倍并能持續(xù)2 h以上的系統(tǒng)定義為線狀MCS（圖2a）；雷達(dá)回波非線狀，或線狀長(zhǎng)度在70 km以下，最強(qiáng)回波以分離或孤立形式存在的為卵狀MCS（圖2b）；雷達(dá)回波呈現(xiàn)為渦狀結(jié)構(gòu)的則為渦狀MCS（圖2c）。回波形態(tài)的分類采用單站雷達(dá)的組合反射率因子圖像進(jìn)行主觀分析。雷達(dá)基數(shù)據(jù)處理軟件（包括必要的質(zhì)量控制和組合反射率圖象顯示）由南京大學(xué)提供。利用該套軟件，已開(kāi)展一系列的中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展研究（魏超時(shí)等，2010；Pan et al.，2010；Wang et al.，2011）。

圖2 MCS回波形態(tài)：（a）線狀；（b）卵狀；（c）渦旋狀。黑色圓圈表示雷達(dá)直徑100 km范圍，下同

3 梅雨鋒上短時(shí)強(qiáng)降水系統(tǒng)發(fā)展模態(tài)

根據(jù)MCS發(fā)生發(fā)展階段回波形態(tài)演變特 征，與梅雨鋒相伴的58個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例中，線狀、卵狀和渦旋狀MCS的發(fā)展模態(tài)主要有四類：緯向型、轉(zhuǎn)向型、經(jīng)向型和合并型。所有樣本中有2例難以判斷的強(qiáng)降水系統(tǒng)歸為其他型，不作為本文的研究?jī)?nèi)容。圖3為MCS的四類演變過(guò)程示意圖。圖4則為四類發(fā)展模態(tài)中線狀、卵狀和渦旋狀MCS回波形態(tài)所占比例分布圖。緯向型、經(jīng)向型和70%的轉(zhuǎn)向型發(fā)展模態(tài)出現(xiàn)在線狀MCS中。渦旋狀MCS主要發(fā)展模態(tài)為轉(zhuǎn)向型；而81.8%的合并型發(fā)展模態(tài)出現(xiàn)在卵狀MCS中，另外18.2%則出現(xiàn)在線狀對(duì)流中。合并發(fā)展模態(tài)中線狀對(duì)流長(zhǎng)度一般不超過(guò)80 km，比其他發(fā)展模態(tài)的線形更窄（圖略）。

圖3 梅雨鋒上引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水的MCS四類演變過(guò)程示意圖。陰影由淺到深表示雷達(dá)回波強(qiáng)度由小到大

3.1 緯向型

在58次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，緯向型發(fā)展模態(tài)為10例，占17.3%，其MCS回波形態(tài)均為線狀（圖4）。該發(fā)展模態(tài)中對(duì)流線一般呈東西向分布，層狀云主要位于對(duì)流線北部（圖3）。2010年6月19日午后至夜間發(fā)生在貴州東南部—廣西中北部的降水過(guò)程即受典型的緯向型短時(shí)強(qiáng)降水系統(tǒng)影響。

圖4 緯向型、經(jīng)向型、轉(zhuǎn)向型、合并型發(fā)展模態(tài)及MCS回波形態(tài)占比分布圖。其中柱形頂端標(biāo)值表示各發(fā)展模態(tài)所占比率，柱形中標(biāo)值為不同形態(tài)在各發(fā)展模態(tài)中的比率

2010年6月19日16:00（北京時(shí)，下同），在貴州東南部—湖北西南部有對(duì)流系統(tǒng)生成，系統(tǒng)生命史長(zhǎng)達(dá)20 h。其中，連續(xù)18 h的降水率超過(guò)了30 mm h，且降水率大于50 mm h的持續(xù)時(shí)間也達(dá)到了8 h，20日00:00～01:00時(shí)段更是產(chǎn)生了84 mm的極強(qiáng)降水。圖5為19日17:59、20日00:10和03:03柳州雷達(dá)組合反射率因子圖。19日16:30，貴州東南部有幾個(gè)小對(duì)流單體生成（圖略），隨 后發(fā)展、合并，并向南移動(dòng)，于17:59形成一條東西向的對(duì)流線（圖5a）；系統(tǒng)繼續(xù)南移并不斷發(fā)展，對(duì)流線西端和南側(cè)不斷有新單體生成，即同時(shí)存在前向和后向傳播，系統(tǒng)移動(dòng)速度為45 km h。20日00:10對(duì)流線北部開(kāi)始出現(xiàn)層狀云（圖5b），84 mm h的極強(qiáng)降水就發(fā)生在這期間的對(duì)流線上。03:03，雷達(dá)回波形態(tài)表現(xiàn)出清晰的TL/AS型特征（圖5c）。此形態(tài)特征持續(xù)了12 h，極端降水沿對(duì)流線產(chǎn)生，并隨鋒面繼續(xù)南移。

沿圖5b中黑色實(shí)線所在對(duì)流線的反射率因子垂直剖面（圖6a）可見(jiàn)，在中尺度強(qiáng)降水系統(tǒng)中，內(nèi)嵌了多個(gè)中尺度對(duì)流。強(qiáng)回波呈直立的柱狀分布，50 dB回波頂高最高可達(dá)9 km，最強(qiáng)回波也達(dá)到了60 dB，其頂高為5.5 km，3～8 km的高度區(qū)間內(nèi)均有強(qiáng)回波，表明該系統(tǒng)內(nèi)部上升運(yùn)動(dòng)非常強(qiáng)烈。

圖5 2010年6月（a）19日17:59、（b）20日00:10、（c）20日03:03柳州雷達(dá)組合反射率因子（單位：dBZ）

3.2 經(jīng)向型

在58次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，經(jīng)向型發(fā)展模態(tài)14例，占24.1%（圖4）。這類發(fā)展模態(tài)中，MCS也均為線狀對(duì)流，但對(duì)流線一般呈南北向分布，層狀云通常出現(xiàn)在對(duì)流線的西北部或北部，有時(shí)沒(méi)有層狀云（圖3）。2010年7月1日午后至夜間發(fā)生在鄭州中南部的降水過(guò)程即受典型經(jīng)向型發(fā)展的短時(shí)強(qiáng)降水系統(tǒng)影響。

2010年7月1日，在河南東部有對(duì)流系統(tǒng)生成，系統(tǒng)生命史為9 h。其中，降水率在30 mm h、50 mm h以上的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)分別為2 h、1 h，峰值降水出現(xiàn)在17:00～18:00，為65 mm。從7月1日午后鄭州雷達(dá)組合反射率因子圖（圖7）可見(jiàn)，14:12河南中部開(kāi)始有多個(gè)對(duì)流單體生成（圖7a）；2小時(shí)內(nèi)對(duì)流單體發(fā)展合并成一條對(duì)流線，整體上呈南北縱向分布，并繼續(xù)東移（圖7b）；17:28對(duì)流線西南側(cè)和東側(cè)不斷有新單體生成，表明系統(tǒng)同時(shí)存在前向和后向傳播，且在對(duì)流線北部產(chǎn)生了65 mm h的最強(qiáng)降水率。1 h后系統(tǒng)開(kāi)始迅速消散。該系統(tǒng)移速較快，約55 km h，因此強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間并不長(zhǎng)。

沿圖7c中黑色實(shí)線所在對(duì)流線反射率因子的垂直剖面（圖6c）可見(jiàn)，中尺度系統(tǒng)內(nèi)嵌在該強(qiáng)降水系統(tǒng)中。系統(tǒng)的垂直運(yùn)動(dòng)比較旺盛，30 dB的雷達(dá)回波頂高延伸到14 km，最強(qiáng)回波為57 dB，其回波頂高為7 km，強(qiáng)回波出現(xiàn)在2～9 km的高度范圍內(nèi)。與2010年6月19日發(fā)生在貴州東南部—廣西北部的強(qiáng)降水系統(tǒng)相比，此次降水系統(tǒng)的回波頂高更低，強(qiáng)回波的強(qiáng)度也相對(duì)較弱，其小時(shí)降水量也更小。

圖6 （a）2010年6月20日00:10柳州站、（b）2010年6月1日09:30柳州站、（c）2010年7月1日17:28鄭州站和（d）2011年7月8日14:21金華站雷達(dá)反射率因子（單位：dBZ）垂直剖面

圖7 2010年7月1日（a）14:12、（b）16:02、（c）17:28鄭州雷達(dá)組合反射率因子（單位：dBZ）

3.3 轉(zhuǎn)向型

在58次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，轉(zhuǎn)向型發(fā)展模態(tài)也有10例，占17.3%；這類模態(tài)中70% MCS呈線狀，30%呈渦旋狀（圖4）。在系統(tǒng)初生階段對(duì)流線呈經(jīng)向型（緯向型）分布，隨系統(tǒng)發(fā)展，在系統(tǒng)成熟階段緯向型（經(jīng)向型）分布（圖3）。本文10個(gè)轉(zhuǎn)向型發(fā)展的MCS中，9個(gè)為經(jīng)向轉(zhuǎn)緯向。2010年5月30日傍晚至次日凌晨發(fā)生在廣西中北部的降水過(guò)程即受典型轉(zhuǎn)向型短時(shí)強(qiáng)降水系統(tǒng)影響。

2010年5月31日至6月1日，在廣西北部發(fā)生了一次極端降水過(guò)程。該過(guò)程降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)21 h。其中，降水率在30 mm h以上的持續(xù)時(shí)間為17 h，而50 mm h以上的降水時(shí)長(zhǎng)也達(dá)到了11 h，并在6月1日09:00～10:00產(chǎn)生了76 mm的最強(qiáng)降水。圖8為這期間柳州雷達(dá)組合反射率因子圖。31日22:03，廣西西北部有多個(gè)孤立對(duì)流單體發(fā)展（圖8a）。隨著鋒面南移（圖略），對(duì)流單體合并為西北—東南走向的對(duì)流線，對(duì)流線的東北部有層狀云出現(xiàn)，并伴隨短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生（圖8b）。由于該過(guò)程中鋒面上伴隨有中尺度低渦在廣西發(fā)展，強(qiáng)降水系統(tǒng)中的對(duì)流線由準(zhǔn)南北向轉(zhuǎn)為東西向，并向南移動(dòng)。這期間，新單體不斷在系統(tǒng)的西北部生成。到09:30，對(duì)流線已呈現(xiàn)出明顯的緯向型特征（圖8c）。這時(shí)也出現(xiàn)了該過(guò)程的最強(qiáng)降水，此后系統(tǒng)向偏東方向移動(dòng)。此過(guò)程中，對(duì)流系統(tǒng)為后向傳播，移動(dòng)速度為40 km h。

沿圖8c中黑色實(shí)線所在的對(duì)流線反射率因子的垂直剖面（圖6b）可見(jiàn)，此次強(qiáng)降水過(guò)程系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)與2010年6月19日廣西北部的強(qiáng)降水過(guò)程相類似，即多個(gè)γ中尺度系統(tǒng)內(nèi)嵌在β中尺度降水系統(tǒng)中。76 mm h的最強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，50 dB的回波頂高伸展到了9 km的高度，最強(qiáng)回波也達(dá)到了60 dB，但相較于6月19日的強(qiáng)降水系統(tǒng)，30 dB的回波高度不超過(guò)12 km，而前者則高達(dá) 18 km，系統(tǒng)上升運(yùn)動(dòng)不如前者強(qiáng)烈。

3.4 合并型

在58次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，合并發(fā)展的強(qiáng)降水系統(tǒng)最多，為22例，占37.9%（圖4）。該模態(tài)中，81.8%的MCS呈卵狀結(jié)構(gòu)，另外18.2%為線性對(duì)流。這些對(duì)流線比較窄，長(zhǎng)寬比大于4:1（圖略）。合并發(fā)展型是由多個(gè)小對(duì)流單體合并發(fā)展成具有統(tǒng)一上升氣流的卵狀或狹窄對(duì)流帶的云團(tuán)（圖3）。此類系統(tǒng)較少移動(dòng)，且新單體一般在其后部生成。2011年7月8日午后發(fā)生在浙江東部的降水過(guò)程即受典型的合并發(fā)展型短時(shí)強(qiáng)降水系統(tǒng)影響。

2011年7月8日，浙江大部地區(qū)出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水，其中，14:00～15:00在浙江省東部的寧海地區(qū)產(chǎn)生了94 mm的最強(qiáng)降水。該降水系統(tǒng)的生命史并不長(zhǎng)，約3個(gè)小時(shí)，但在整個(gè)生命史內(nèi)都產(chǎn)生了大于30 mm h的強(qiáng)降水。7月8日13:15，在浙江東部開(kāi)始有對(duì)流單體生成（圖9a）；隨后半小時(shí)不斷有單體在同一地區(qū)生消，36分鐘后，部分對(duì)流單體合并，并一起緩慢向東北移動(dòng)（圖9b）；在移動(dòng)的過(guò)程中對(duì)流系統(tǒng)迅速發(fā)展、北擴(kuò)伸，形成了具有統(tǒng)一上升氣流的卵狀系統(tǒng)，并在浙江省寧海地區(qū)產(chǎn)生了極端強(qiáng)降水（圖9c）。

沿圖9c中黑色實(shí)線所在對(duì)流線反射率因子的垂直剖面（圖6d）可見(jiàn)，該系統(tǒng)中30 dB回波頂高可伸展到13 km，強(qiáng)回波出現(xiàn)在6 km以下，并呈柱狀分布，說(shuō)明該系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)發(fā)展旺盛，上升運(yùn)動(dòng)非常強(qiáng)烈。與其他三類發(fā)展模態(tài)相比，該類模態(tài)中MCS的質(zhì)心最低，加之系統(tǒng)較少移動(dòng)，導(dǎo)致該過(guò)程中降水強(qiáng)度最大，最強(qiáng)達(dá)到94 mm h。

圖8 2010年（a）5月31日22:03、（b）6月1日03:20和（c）6月1日09:30柳州雷達(dá)組合反射率因子（單位：dBZ）

圖9 2011年7月8日（a）13:15、（b）13:51、（c）14:21金華雷達(dá)組合反射率因子（單位：dBZ）

4 短時(shí)強(qiáng)降水系統(tǒng)發(fā)展模態(tài)的統(tǒng)計(jì)特征

在58個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例中，MCS的傳播方式以后向傳播為主，占總數(shù)的48.3%；其次是前后向傳播（即同時(shí)存在前向和后向傳播），占27.6%；前向傳播約為20.7%（圖略）。此外，有2例MCS傳播特征不明顯，以單體合并的方式發(fā)展，不作為四類發(fā)展模態(tài)的傳播方式統(tǒng)計(jì)樣本。圖10是四類發(fā)展模態(tài)中對(duì)流單體傳播方向統(tǒng)計(jì)特征。除經(jīng)向發(fā)展的MCS以前向傳播為主（占42.8%），其余三種發(fā)展模態(tài)中MCS均以后向傳播為主，緯向發(fā)展和轉(zhuǎn)向發(fā)展的MCS后向傳播特征更為明顯，分別高達(dá)60%和70%。四類發(fā)展模態(tài)中，20%～30%的MCS存在前后向傳播并存特征。值得注意的是轉(zhuǎn)向型發(fā)展模態(tài)中MCS沒(méi)有前向傳播方式。

圖10 發(fā)展模態(tài)與傳播方向的關(guān)系

由于我國(guó)處于盛行西風(fēng)帶，MCS的移動(dòng)方向主要以自西向東移動(dòng)為主。約有57%的系統(tǒng)向偏東方向移動(dòng)；在偏東方向移動(dòng)的系統(tǒng)中，約43%向正東方向移動(dòng)，33%向東南方向移動(dòng)，剩余24%則向東北方向移動(dòng)。除此以外，向偏西、偏南、偏北方向移動(dòng)的MCS分別占25.8%、8.6%和8.6%（圖略）。圖11為各發(fā)展模態(tài)中MCS移動(dòng)方向的統(tǒng)計(jì)特征。除合并發(fā)展的MCS偏西移動(dòng)為主（占40.9%），其余均以偏東移動(dòng)為主。緯向型和轉(zhuǎn)向型發(fā)展的MCS中東移的概率分別是70%和90%，其余則為向南運(yùn)動(dòng)。經(jīng)向型MCS東移（占57.1%）略多于西移（占42.9%）。只有合并發(fā)展的MCS會(huì)向北運(yùn)動(dòng)。

圖11 發(fā)展模態(tài)與移動(dòng)方向的關(guān)系

圖12是四類發(fā)展模態(tài)中MCS的移速、持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度及產(chǎn)生的短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)特征。從圖12a可見(jiàn)，合并發(fā)展的MCS移動(dòng)最緩慢，平均移速為23.7 km h，90%在35 km h以下。其次是緯向型MCS，75%移速在33.5 km h以下，平均速度為29 km h。經(jīng)向型MCS移速最快，50%移速超過(guò)40 km h，最?。ㄗ畲螅┮扑?3 km h（58 km h），這可能與其以前向傳播、東移為主有關(guān)系。

四類發(fā)展模態(tài)的MCS系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間差別很大（圖12b）。緯向型和轉(zhuǎn)向型MCS生命史更長(zhǎng)。前者系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間均超過(guò)10 h，平均持續(xù)史最長(zhǎng)（15.1 h），50%持續(xù)時(shí)間超過(guò)15 h；后者平均持續(xù)時(shí)間14.6 h，50%持續(xù)時(shí)間超過(guò)15 h，特別是有10%持續(xù)時(shí)間大于21.4 h。經(jīng)向型和合并型的MCS持續(xù)時(shí)間都很短，約為緯向型和轉(zhuǎn)向型的一半。90%經(jīng)向型持續(xù)時(shí)間不超過(guò)10 h，50%在5 h內(nèi)。合并型的生命史最短，沒(méi)有出現(xiàn)10 h以上的長(zhǎng)生命史MCS，90%的系統(tǒng)持續(xù)史為3～6 h。

圖12 四類發(fā)展模態(tài)中MCS（a）移速、（b）生命史、（c）產(chǎn)生30 mm h?1強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間、（d）產(chǎn)生50 mm h?1強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間、（e）30 dBZ回波頂高、（f）最強(qiáng)回波、（g）最強(qiáng)回波高度統(tǒng)計(jì)特征?！舯硎咀畲笾祷蜃钚≈?，箱線頂端和底端實(shí)線表示90%和10%，箱線方框的下線、中線和上線分別表示下四分位數(shù)、中數(shù)和上四分位數(shù)

雖然緯向型MCS平均持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，但產(chǎn)生的30 mm h以上短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間卻小于轉(zhuǎn)向型MCS，尤其50 mm h更加明顯（圖12c和d）。90%的緯向型MCS帶來(lái)的30 mm h的強(qiáng)降水時(shí)長(zhǎng)大于7 h，均值為10.3 h；而50 mm h以上降水時(shí)長(zhǎng)均值為4 h，50%在5.75 h以上。轉(zhuǎn)向型MCS產(chǎn)生 30 mm h（50 mm h）以上降水的平均持續(xù)時(shí)間為11.7 h（5.6 h），50%的系統(tǒng)帶來(lái)30 mm h（50 mm h）以上降水的時(shí)長(zhǎng)超過(guò)10 h（4.2 h）。經(jīng)向型和合并發(fā)展型MCS帶來(lái)的30 mm h和 50 mm h以上的強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間明顯縮短，最長(zhǎng)不超過(guò)5 h，其中90%的MCS帶來(lái)的50 mm h以上降水在2 h內(nèi)。這與經(jīng)向型和合并發(fā)展型的MCS的生命史短相對(duì)應(yīng)。

雖然經(jīng)向型和合并發(fā)展型的MCS生命史短，產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的持續(xù)時(shí)間也很短，但四類發(fā)展模態(tài)中MCS在30 dB回波頂高、最強(qiáng)回波強(qiáng)度和最強(qiáng)回波高度的統(tǒng)計(jì)特征方面，并無(wú)明顯區(qū)別（圖12e、f和g）。事實(shí)上，從58個(gè)與梅雨鋒相伴的短時(shí)強(qiáng)降水系統(tǒng)產(chǎn)生的30 mm h和50 mm h強(qiáng)降水與MCS的傳播方向統(tǒng)計(jì)關(guān)系則有規(guī)律可行：前向傳播的MCS帶來(lái)的短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間最短，前后向傳播并存的MCS帶來(lái)的50 mm h極端降水持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，50%在4 h以上（圖13）。結(jié)合圖10可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)向型和合并型中MCS前向傳播占很大比重，分別為42.85%和30%，對(duì)應(yīng)短生命史和更短的強(qiáng)降水；轉(zhuǎn)向型和緯向型中MCS的前后向傳播比重均很大，但轉(zhuǎn)向型中不存在前向傳播，對(duì)應(yīng)短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，尤其50 mm h以上極端降水表現(xiàn)明顯。

圖13（a）30 mm h?1和（b）50 mm h?1以上短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間在MCS前向、后向和前后向傳播中的統(tǒng)計(jì)特征?！舯硎咀畲笾祷蜃钚≈担渚€頂端和底端表示10%和90%，箱線方框的下線、中線和上線分別表示下四分位數(shù)、中數(shù)和上四分位數(shù)

5 結(jié)論

本文主要利用2010～2011年5～7月全國(guó)加密且已經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制的自動(dòng)站逐小時(shí)降水資料、雷達(dá)基數(shù)據(jù)和拼圖資料，挑選了發(fā)生在我國(guó)黃河以南梅雨鋒盛行區(qū)域58個(gè)與鋒面相伴的短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例，對(duì)產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變、傳播、移動(dòng)、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生的強(qiáng)降水進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到如下結(jié)論：

（1）根據(jù)對(duì)流系統(tǒng)的演變特征，梅雨鋒上的線狀、卵狀和渦旋狀短時(shí)強(qiáng)降水系統(tǒng)可分為四類發(fā)展模態(tài)：緯向型（17.3%）、轉(zhuǎn)向型（17.3%）、經(jīng)向型（24.1%）和合并型（37.9%）。緯向型、經(jīng)向型和70%的轉(zhuǎn)向型發(fā)展模態(tài)中短時(shí)強(qiáng)降水系統(tǒng)為線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)，而合并型主要為卵狀MCS。

（2）緯向型MCS對(duì)流線呈東西向分布，層狀云常位于對(duì)流線北部，后向傳播為主，移動(dòng)緩慢，生命史最長(zhǎng)，但強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間比轉(zhuǎn)向型MCS短。轉(zhuǎn)向型MCS在系統(tǒng)初生階段對(duì)流線呈準(zhǔn)南北向分布，系統(tǒng)成熟階段轉(zhuǎn)為準(zhǔn)東西向分布，后向傳播為主，系統(tǒng)移速比緯向型MCS快，生命史則稍短，但其強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。經(jīng)向型MCS的對(duì)流線一般呈南北向分布，前向傳播為主，移動(dòng)最快，系統(tǒng)持續(xù)史短，約為緯向型的一半，30 mm h、50 mm h以上強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間約為轉(zhuǎn)向型的1/3和1/5。合并型MCS是由多個(gè)孤立對(duì)流單體合并發(fā)展成具有統(tǒng)一上升氣流的卵狀或狹窄對(duì)流帶的云團(tuán)，后向傳播為主，移動(dòng)最慢，持續(xù)史最短，產(chǎn)生的短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間最短。

（3）緯向型MCS可向東或向南移動(dòng)，經(jīng)向型MCS通常向東或向西運(yùn)動(dòng)，合并型MCS可往任意方向移動(dòng)，并且只有該發(fā)展模態(tài)中MCS會(huì)向北運(yùn)動(dòng)。

（4）雖然轉(zhuǎn)向型MCS帶來(lái)的短時(shí)強(qiáng)降水（尤其50 mm h以上）持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，經(jīng)向型和合并型MCS產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間短，但四類發(fā)展模態(tài)中MCS的回波強(qiáng)度和回波高度的統(tǒng)計(jì)特征無(wú)明顯區(qū)別。推測(cè)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間可能與MCS的傳播關(guān)系更加密切：由于前向傳播的MCS產(chǎn)生的短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間最短，前后向傳播并存的MCS帶來(lái)的50 mm h極端降水持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，而經(jīng)向型和合并型中MCS前向傳播占很大比重，導(dǎo)致短生命史和更短的強(qiáng)降水；轉(zhuǎn)向型和緯向型中MCS的前后向傳播比重均很大，但轉(zhuǎn)向型中不存在前 向傳播，對(duì)應(yīng)短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，尤其50 mm h以上極端降水。

上述結(jié)論僅利用梅雨鋒降水的局部盛行區(qū)域2年的58個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例統(tǒng)計(jì)分析獲取，未來(lái)仍需利用更多的個(gè)例以求獲得更具普遍性和完整性的結(jié)論。此外，MCS的發(fā)展模態(tài)及其運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)特征與他們發(fā)生發(fā)展的環(huán)境場(chǎng)關(guān)系也值得探究。

致謝 感謝國(guó)家氣象信息中心提供雷達(dá)基數(shù)據(jù)和逐小時(shí)降水資料，感謝南京大學(xué)提供雷達(dá)基數(shù)據(jù)處理軟件。

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Evolution Pattern of Short-Time Intense Precipitation-Producing Systems Associated with Meiyu Front

ZHANG Xiaoling, YU Rong, and DU Muyun

1,100081;2,430074;3,430074

In this paper, we study the radar echo evolution patterns and other features of short-term intense precipitation-producing mesoscale convective systems (MCSs) by examining 58 heavy rainfall events associated with the Meiyu front in East China during May to July in 2010 and 2011. Short-term intense precipitation events are deemed as such when the 1-h precipitation total exceeds 30 mm. The results show that the four most common radar echo evolution patterns of MCSs leading to short-term intense precipitation are the zonal, meridional, turning (from zonal to meridional), and combined patterns. MCSs are linear in the zonal and meridional patterns and in 70% of the turning pattern, whereas the combined pattern is oval. Although MCSs in the zonal pattern, turning pattern, and combined patterns commonly propagate backward, the characteristics of their lifetimes, movement, and durations differ significantly. In the zonal pattern, the lifetime is longest, and the intense precipitation duration is shorter than that in the turning pattern in which MCS movement is fastest and the intense precipitation duration is longest. In the combined pattern, MCS movement is slowest and the lifetime and duration are shortest. Conversely, MCSs in the meridional pattern commonly propagate forward and move more quickly than those in the other three patterns. Their lifetime is approximately half that of the zonal pattern, and their duration with more than 30 and 50 mm hprecipitation approximately are one-third and one-fifth of those in the turning patterns, respectively. MCSs move eastward or southward in the zonal pattern, eastward or westward in the meridional pattern, and toward all directions in the combined pattern. That is, MCSs can move northward only in the combined pattern. Although the intense precipitation persistence is long- or short-term in the four patterns, differences in radar echo intensity and radar echo depth are rare. It is deduced that the intense precipitation duration is closely related to propagation type. A larger proportion of forward propagation corresponds to a shorter lifetime and shorter duration in the meridional and combined patterns; similarly, a larger proportion of backward propagation corresponds to longer duration in the turning and zonal patterns. Forward propagation associated with the longest intense precipitation in the turning pattern is rare.

Short-term intense precipitation, Evolution pattern, Propagation

1006–9895(2014)04–0770–12

P445

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13249

2013–08–21，2013–12–30收修定稿

公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)GYHY200906004，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（973計(jì)劃）2013CB430100

張小玲，女，1972年出生，正研級(jí)高工，主要從事暴雨和強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)方法和機(jī)理研究。E-mail: zhangxl@cma.gov.cn.