王孝慈，李雙君，張家國

(武漢中心氣象臺(tái)，武漢430074)

引 言

湖北省位于長江中游，作為黃金水道的覆蓋省份之一及長江經(jīng)濟(jì)帶的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，其夏季多發(fā)的極端天氣事件尤其是特大暴雨等極端降水事件，引起的山洪、滑坡、泥石流等災(zāi)害，常常帶來巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。中尺度對流系統(tǒng)(Mesoscale Convective System，簡稱MCS)是產(chǎn)生極端降水事件的重要天氣系統(tǒng)。國外很多學(xué)者利用天氣雷達(dá)對MCS 類型和活動(dòng)范圍進(jìn)行了研究。Loehrer等(1995)通過分析雷達(dá)回波中層狀云與對流云的相對位置，將MCS 分為線狀、后部新生、無組織和交叉對流4 類；Schiesser 等(1995)分析了瑞士引發(fā)災(zāi)害性天氣的MCS，將成熟階段的MCS分為尾隨層狀云、前方層狀云和無層狀云三類；Parker等(2000)在Schiesser等人基礎(chǔ)上分析美國地區(qū)的線狀MCS，定義出尾隨層狀云降水(TS)、前導(dǎo)層狀云降水(LS)、平行層狀云降水(PS)；Schumacher 等(2005)提出2個(gè)新的MCS 類型，即鄰接層狀云降水(AS)和準(zhǔn)靜止后向建立(BB)型。上述學(xué)者從雷達(dá)回波的角度分析并逐漸完善了對線狀、非線狀MCS 模型組織形態(tài)的劃分。國內(nèi)學(xué)者在此基礎(chǔ)上完善了我國MCS 的回波發(fā)展類型，特別是對非線狀MCS 的研究。王曉芳和崔春光(2012)分析了長江中下游梅雨期MCS特點(diǎn)，并提出了2種新的非線狀MCS 類型；張家國等(2011)、吳濤等(2017)細(xì)致研究了渦旋狀MCS 的雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)特征；易笑園等(2011)、張小玲等(2014)研究分析了人字形、卵形等其他非線狀MCS 形態(tài)。以上研究較為深入的探討了非線狀MCS 形成的機(jī)制和組織發(fā)展模態(tài)。還有部分學(xué)者對MCS 多發(fā)地等做了相關(guān)統(tǒng)計(jì)工作。陶祖鈺等(1998)發(fā)現(xiàn)我國單個(gè)MCS較為集中的區(qū)域?yàn)樗拇ㄅ璧?、華南西部和北部灣附近、黃河和長江中下游。鄭永光等(2008)和曾波等(2013)發(fā)現(xiàn)黃河和長江中下游是MCS活躍區(qū)。研究表明，我國中東部及長江中下游一帶是MCS多發(fā)區(qū)。

湖北省汛期多發(fā)極端降水與MCS 的產(chǎn)生密切相關(guān)，但專門針對湖北省MCS 普查分析的研究，特別是針對引發(fā)極端降水的MCS在湖北省的時(shí)空分布、移動(dòng)路徑及降水時(shí)空分布等還未有相關(guān)研究。張家國等(2018)利用天氣診斷分析方法研究了2008—2015年湖北省60例引發(fā)極端降水MCS，重點(diǎn)歸納出產(chǎn)生極端降水的天氣模型，該研究主要從MCS的組織結(jié)構(gòu)特征和天氣成因分析了湖北省內(nèi)極端降水過程。本文利用新一代天氣雷達(dá)資料、地面加密資料等對湖北省引發(fā)極端降水的MCS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以期為該地區(qū)極端降水天氣預(yù)報(bào)提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

本文所用的資料為：2008—2018年4—9月SWAN(Severe Weather Analysis and Nowcasting System)提供的長江中游雷達(dá)組合反射率因子拼圖產(chǎn)品，時(shí)間分辨率為6 min，主要用于分析各類線狀MCS 發(fā)生到成熟的結(jié)構(gòu)特征；湖北省2 543個(gè)區(qū)域自動(dòng)站逐時(shí)雨量資料，用于分析MCS成熟時(shí)雨團(tuán)的時(shí)空分布特征，并與雷達(dá)資料相結(jié)合確定MCS的移動(dòng)路徑。

極端降水過程的篩選和確定參考張家國等(2018)的研究，選取國家氣象觀測站某一年的日降水量序列的第99百分位作為該站這一年極端降水閾值，30 a的閾值平均即得該站30 a來極端降水閾值。湖北省77個(gè)國家站極端降水閾值平均后，得到30 a來湖北省平均日極端降水閾值為93 mm。將2008—2018年日降水資料與該閾值進(jìn)行比較，得到滿足條件的日極端降水過程。在此基礎(chǔ)上，按照至少有相鄰兩個(gè)區(qū)域觀測站3 h雨量大于等于100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合Schumacher 等(2005)對MCS的定義標(biāo)準(zhǔn)：強(qiáng)回波的反射率因子大于等于40 dBz，伸展范圍大于100 km，持續(xù)時(shí)間大于3 h的對流系統(tǒng)，最終篩選出70例引發(fā)極端強(qiáng)降水MCS個(gè)例。

2 各類典型MCS個(gè)例回波特征及地理分布

2.1 典型個(gè)例雷達(dá)回波特征分析

參考Parker 等(2000)和Schumacher 等(2005)關(guān)于MCS 分類方法，基于MCS 回波的組織和發(fā)展形態(tài)、單體移動(dòng)及新生和演變特征，對湖北省2008—2018年70例引發(fā)極端降水過程的MCS進(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)5類線狀MCS，即尾隨層狀云降水(TS)、前導(dǎo)層狀云降水(LS)、鄰接層狀云降水(AS)、平行層狀云降水(PS)和準(zhǔn)靜止后向建立(BB)型所占比例達(dá)到58%，渦旋類MCS 占比15%，其他非線狀MCS 占比27%。本節(jié)就這5 類線狀MCS模態(tài)及回波特征進(jìn)行簡要分析。

圖1 給出各類MCS 成熟時(shí)雷達(dá)回波疊加模型圖，從中可見，2013 年7 月19 日22 時(shí)06 分(北京時(shí)，下同)發(fā)生在宜昌、荊門一帶的MCS 過程是典型TS 類(圖1a)。該類回波的主要特征是層狀云降水區(qū)尾隨在對流帶之后，新生單體在對流帶之前生成，回波傳播方向與對流帶幾乎垂直。2012年6月29日過程(圖1b)是LS類，回波發(fā)展與TS類回波形態(tài)相反，前方為層狀云降水回波，移動(dòng)方向與強(qiáng)回波帶列車線相垂直，指向?qū)訝钤苹夭òl(fā)展方向。2013年7月20日(圖1c)發(fā)生在江漢平原的大暴雨過程為一次典型的AS 類過程，AS類回波南側(cè)為多個(gè)對流短帶組成的列車線，北側(cè)為層狀云降水回波。層狀云和列車線移動(dòng)方向幾乎一致，整個(gè)MCS移動(dòng)方向基本與列車線走向平行。2010年7月21 日過程為BB 類(圖1d)，MCS 新生單體在上風(fēng)方一側(cè)生成，回波密度梯度更大，下風(fēng)方為大片層狀云，成熟單體回波強(qiáng)度很強(qiáng)，多屬于準(zhǔn)靜止后向傳播類，移速較慢。2012 年8 月5 日過程為PS 類(圖1e)，層狀云回波位于對流線一端，對流單體多在另一端新生，整個(gè)MCS沿對流線向?qū)訝钤埔欢诉\(yùn)動(dòng)，即不斷生成發(fā)展的多個(gè)對流反復(fù)途經(jīng)同一地區(qū)，形成了“列車效應(yīng)”，其所產(chǎn)生的降水量累積起來，導(dǎo)致大暴雨的產(chǎn)生。與BB類相比，PS類移速快。

實(shí)際上，在統(tǒng)計(jì)分析中發(fā)現(xiàn)有一類非線狀MCS回波經(jīng)常出現(xiàn)，如(圖1f)所示，該類回波常常由一條或者多條氣旋性彎曲的對流回波帶組成，多以S 形、人形(易笑園等，2011)、卵狀(張小玲等，2014)或逗點(diǎn)形式(張家國等，2011)出現(xiàn)。在湖北省境內(nèi)這類渦旋狀MCS多發(fā)于鄂西山地-江漢平原過渡帶，常常因邊界層中尺度渦旋系統(tǒng)的強(qiáng)烈發(fā)展而引發(fā)(吳濤等，2017)。以2014年7月17日為例，螺旋MCS發(fā)展成熟時(shí)回波帶兩側(cè)伴隨大片層狀云降水回波，后部有弱回波入流，大暴雨常常發(fā)生于螺旋回波帶頭部。

圖1 各類MCS成熟時(shí)雷達(dá)回波疊加模型圖(單位:dBz,藍(lán)色箭頭表示MCS傳播方向,黑色箭頭表示系統(tǒng)移動(dòng)方向,手繪等值線分別代表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 各類MCS地理分布特征

湖北省地貌類型復(fù)雜多樣，地勢為西、北、東三面高起，中部向南敞開，具有馬蹄形層狀分布特征(圖2)。西北為秦嶺東延部分和大巴山東段，西南為云貴高原東北延伸部分，由大婁山和武陵山所組成，東南為幕阜山脈，呈東西走向，桐柏、大別二山居于東北。境內(nèi)一千多條中小河流，從四周向江漢平原匯集，使之成為湖北省暴雨中心之一(羅昭彰等，1988)。由圖2可知，2008—2018 年湖北省汛期產(chǎn)生極端強(qiáng)降水的MCS 大多生成在武陵山東南側(cè)、大別山南坡、幕阜山北坡及江漢平原一帶。這可能與地形對邊界層流場、雷暴冷出流的影響有關(guān)。山脈的阻擋更有利于冷空氣的堆疊，從而加大大暴雨發(fā)生的概率(王曉芳，2015)。特殊的地理分布成為影響湖北省內(nèi)MCS 發(fā)生、發(fā)展和移動(dòng)路徑的因素之一。

圖2 各類MCS生成地分布圖(陰影為地形高度,單位:m;、別代表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).

將上述各類MCS 生成地在圖中標(biāo)出，可以看出，AS 類MCS 在湖北省出現(xiàn)比例最大，大多屬于系統(tǒng)性降水，大暴雨范圍相對較大，較易產(chǎn)生極端降水，AS類與TS 類MCS 常常出現(xiàn)在江漢平原以東地區(qū)；LS 類MCS 在湖北省內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)最少，因其移動(dòng)較快，引發(fā)的極端降水事件較少；PS類MCS大部分發(fā)生在湖北省秦嶺余脈、大巴山和幕阜山附近，多發(fā)生在山脈的迎風(fēng)坡上，與山脈的走向一致；BB類多屬于準(zhǔn)靜止后向傳播類，大多都發(fā)生在鄂東北大別山地區(qū)，常常出現(xiàn)后向傳播特性，與大別山阻擋雷暴冷出流，冷空氣在山前堆積有關(guān)。

雖然受MCS 影響所產(chǎn)生的強(qiáng)天氣過程在湖北省較多，但本文僅分析引發(fā)極端降水的70 例MCS，考慮到每種類型MCS的個(gè)例數(shù)較少，下文統(tǒng)計(jì)分析將不再進(jìn)行分類研究。

3 MCS移動(dòng)路徑特征

梁巧倩等(2012)指出，華南前汛期MCS 的主要移動(dòng)方向?yàn)樽晕飨驏|，然后依次為東南、南，少部分為東北移動(dòng)。曾波等(2013)統(tǒng)計(jì)指出我國中東部地區(qū)的帶狀MCS主要移動(dòng)為西南向東北。為進(jìn)一步討論湖北省內(nèi)引發(fā)極端降水的MCS的移動(dòng)特征，將MCS形成-成熟-消散的位置中心點(diǎn)連線，來表示其移動(dòng)方向、距離。

對MCS 形成、成熟、消散的定義主要基于MCS 回波組織、發(fā)展形態(tài)。線狀(渦旋狀)MCS 的形成是指回波由零散對流發(fā)展到初具對流線(旋轉(zhuǎn)式)模態(tài)，一般會(huì)持續(xù)2～3 h；成熟是指線狀(螺旋狀)對流模態(tài)發(fā)展最旺盛或強(qiáng)降水(30 mm·h-1)開始發(fā)生；消散則是指線(螺旋狀)對流線潰散。其他類MCS主要從回波發(fā)展強(qiáng)度、對流單體垂直剖面高度及雨強(qiáng)等方面綜合考慮定義。

圖3 2008—2018年湖北省70例MCS移動(dòng)路徑圖(其中○、●、▲、分別代表MCS形成、成熟、消散的位置及穩(wěn)定少動(dòng)的MCS；代表移動(dòng)位置；代表MCS集成移動(dòng)路徑)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).

通過對2008—2018年70例MCS路徑集成圖(圖3)分析可知，湖北省極端強(qiáng)降水MCS主要集中在6個(gè)區(qū)域發(fā)展，移動(dòng)路徑為：1.十堰、竹山→襄陽，2.隨州→大悟→紅安→麻城，3. 仙桃→漢川→黃陂→英山，4.秭歸→荊州→洪湖，5.利川→恩施→五峰，6.石首→監(jiān)利→洪湖→通山。基本上所有的MCS 傳播方向均是由生成地開始向東或東偏南方向移動(dòng)，主要因?yàn)楹笔√幱谖黠L(fēng)帶中，常常受高空低槽東移影響。還有四分之一以上的MCS(表1)從發(fā)生到消散基本維持在原地，這部分過程大多是BB類，多因山脈阻擋雷暴冷出流，系統(tǒng)由向前傳播逐步轉(zhuǎn)為向后傳播而導(dǎo)致。此外，還有極少一部分MCS自東南向西北移動(dòng)，這些特殊路徑多由臺(tái)風(fēng)移動(dòng)和MCS后部新生云團(tuán)并入造成的。

表1 MCS各移動(dòng)路徑比重Table 1 Proportion of each moving path in MCSs.

4 MCS的時(shí)間分布特征

4.1 月變化特征

統(tǒng)計(jì)分析表明，6月和7月引發(fā)極端強(qiáng)降水的MCS最多，分別為18個(gè)和25個(gè)；5月和8月次之，均為8例；4月和9月引發(fā)極端強(qiáng)降水的MCS個(gè)例數(shù)最少。每年的6月底至7月初為江淮梅雨期，西南季風(fēng)推進(jìn)至長江中游地區(qū)，此時(shí)冷暖空氣交匯頻繁，利于MCS發(fā)生、發(fā)展。4月、9月因冷空氣頻繁入侵常常引發(fā)春季、秋季連陰雨，過程累計(jì)雨量較大，小時(shí)雨強(qiáng)弱。8 月份由于副熱帶高壓西伸加強(qiáng)，抑制了湖北省內(nèi)強(qiáng)對流的產(chǎn)生。

4.2 日變化特征

圖4 70例引發(fā)極端降水的MCS在不同發(fā)展階段的日變化(縱坐標(biāo)表示MCS發(fā)生、消散期的個(gè)數(shù)或成熟期頻次)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).

圖4 為MCS 在不同發(fā)展階段的日變化，其中MCS發(fā)生時(shí)次指以回波初現(xiàn)、降水區(qū)域內(nèi)加密站出現(xiàn)小于10 mm的小時(shí)雨量；成熟時(shí)次指線狀(螺旋狀)對流模態(tài)發(fā)展最旺盛，加密站出現(xiàn)大于30 mm 的小時(shí)雨量；消散時(shí)次指回波減弱且降水區(qū)域內(nèi)加密站全部站點(diǎn)小時(shí)雨量小于5 mm。分析日變化特征可知，04時(shí)、15—18 時(shí)和20—21 時(shí)為MCS 最易生成時(shí)段；成熟時(shí)間主要集中于傍晚及夜間18—04時(shí)；06時(shí)和14—15時(shí)，成熟的MCS 最少；消散多在清晨、午間。大部分MCS 集中在午后生成，這與夏季午后下墊面加熱有密切關(guān)系，午后近地面層處于太陽輻射最為強(qiáng)烈的時(shí)段，近地面氣溫逐步上升，容易產(chǎn)生空氣熱對流。之所以有很多MCS在夜間發(fā)展成熟，可能與已有對流發(fā)生的情況下，云頂因?qū)ν廨椛淅鋮s，使云內(nèi)上下溫差加大，促使對流活動(dòng)加強(qiáng)發(fā)展有關(guān)(段旭等，2014)。

4.3 MCS生命史特征

圖5 70例引發(fā)極端降水的MCS生命史特征Fig.5 Life characteristics of 70 cases of MCSs causing extreme precipitation.

圖5為MCS生命史特征，其中發(fā)展代表MCS從形成到成熟的過程，減弱為成熟到消散的過程，持續(xù)為從產(chǎn)生到消散的總時(shí)長。分析可知，MCS從生成到成熟、成熟到消散均需要1～3 h，即一旦形成MCS很快就能發(fā)展起來，大部分MCS 一般的持續(xù)時(shí)長約為5～8 h，還有一些MCS甚至可以維持約10 h，較北美地區(qū)和我國黃河下游地區(qū)MCS 生命史短(Miller 等，1991；卓鴻等，2012；劉雯等，2017)。此外，夏季湖北地區(qū)MCS 生成-成熟時(shí)間比成熟-消散時(shí)間長，即表現(xiàn)出發(fā)展快、消亡慢的特征，這與劉瑞翔等(2015)得出的江淮地區(qū)的研究結(jié)論不一致，原因一是本文選取的是引發(fā)極端降水的MCS，二是湖北地區(qū)MCS 有其特有的生命史特征。

5 MCS引發(fā)的極端強(qiáng)降水時(shí)空分布特征

5.1 降水空間分布特征

圖6 是湖北省內(nèi)70 例引發(fā)極端強(qiáng)降水的MCS 發(fā)生過程中2 543個(gè)區(qū)域站雨量頻次空間分布圖。可以看出MCS 引發(fā)的30 mm·h-1、50 mm·h-1降水頻次高發(fā)區(qū)出現(xiàn)在鄂東北、江漢平原南部和恩施地區(qū)，與MCS多發(fā)區(qū)域(圖3)較為一致。30 mm·h-1的雨團(tuán)分布特征與前人的研究較為一致，50 mm·h-1的降水高頻次發(fā)生區(qū)位于湖北境內(nèi)的松滋、天門和紅安。與吳翠紅等(2011)研究相比，多了大別山迎風(fēng)坡一帶的降水中心，該降水中心的產(chǎn)生可能是因?yàn)榇髣e山處于西南氣流迎風(fēng)坡處，其對雷暴冷池的影響有重要作用(張家國等，2015；武英嬌等，2019)，致使MCS 多發(fā)。另外，極端降水多出現(xiàn)在江漢平原，可能與低渦切變類是湖北省梅雨期最重要的降水天氣類型，中尺度低渦擾動(dòng)在江漢平原頻發(fā)有關(guān)(張家國等，2018)。

圖6 湖北省引發(fā)極端強(qiáng)降水的MCS過程(a)≥30 mm·h-1和(b)≥50 mm·h-1雨團(tuán)頻次分布圖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 降水時(shí)間分布特征

圖7為70例MCS發(fā)生時(shí)≥30 mm·h-1和≥50 mm·h-1的站點(diǎn)累加頻次的日變化，可以看出，MCS 成熟期內(nèi)產(chǎn)生的強(qiáng)降水(≥30 mm·h-1)主要時(shí)段集中于夜間尤其是午夜前后，出現(xiàn)最多的時(shí)段為23—00 時(shí)，累加頻次25 次以上。由于MCS 成熟期會(huì)持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，對照MCS 觸發(fā)高峰時(shí)次18 時(shí)、20—21 時(shí)(圖4)，在這之后的幾小時(shí)均是該MCS 發(fā)展旺盛期，因此出現(xiàn)≥30 mm·h-1的站點(diǎn)累計(jì)頻次較高。出現(xiàn)較少的時(shí)段為06時(shí)、14時(shí)，這與MCS消散期相對應(yīng)(圖4)。同時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，≥50 mm·h-1的站點(diǎn)與≥30 mm·h-1的站點(diǎn)頻發(fā)時(shí)段基本一致，而頻次略低，這表明在極端降水發(fā)生時(shí)，要尤為關(guān)注≥30 mm·h-1的站點(diǎn)，它們可能會(huì)發(fā)展更強(qiáng)。

圖7 ≥30 mm·h-1和≥50 mm·h-1雨團(tuán)累加頻次的日變化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 結(jié)論與討論

使用區(qū)域雷達(dá)拼圖、湖北省區(qū)域自動(dòng)站觀測資料，統(tǒng)計(jì)分析了湖北省內(nèi)2008—2018 年4—9 月70 例引發(fā)極端強(qiáng)降水的MCS特征，重點(diǎn)分析了各類MCS的分布特征、移動(dòng)路徑和變化特征，主要的結(jié)論如下：

(1) 湖北省內(nèi)產(chǎn)生極端強(qiáng)降水的MCS 分為兩大類：線狀MCS(占58%)和渦旋狀的MCS(21%)。線狀MCS 有5 種典型的表現(xiàn)，即尾隨層狀云降水(TS)、前方層狀云降水(LS)、鄰接層狀云降水(AS)、平行層狀云降水(PS)、準(zhǔn)靜止后向型(BB)，其中以AS 類發(fā)生比例最高，LS、PS類所占比例最少。

(2) 大部分MCS 移動(dòng)方向均是由生成地開始向東或東偏南方向移動(dòng)，多集中在6個(gè)區(qū)域發(fā)展，小部分MCS從發(fā)生到消散基本維持在原地。大多MCS生成在武陵山東南側(cè)、大別山南坡、幕阜山北坡及江漢平原一帶。

(3)引發(fā)極端強(qiáng)降水的MCS，6 月和7 月發(fā)生次數(shù)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，夜間尤其是午夜前后成熟，清晨和午間消散。MCS 從生成到成熟、成熟到消散均需要1～3 h，平均生命史5～8 h。

(5)鄂東北、江漢平原南部和恩施地區(qū)為暴雨雨團(tuán)出現(xiàn)頻次最多的地方，其中≥50 mm·h-1的雨團(tuán)主要出現(xiàn)在松滋、天門和紅安。強(qiáng)降水產(chǎn)生的主要時(shí)段集中于夜間和午夜。

本文對各類MCS的形成原因和機(jī)制未作詳細(xì)闡述，特別是湖北省內(nèi)不同區(qū)域地形對MCS 的發(fā)生、發(fā)展和傳播的影響。今后將進(jìn)一步探討湖北特殊地形對邊界層中小尺度系統(tǒng)的影響，從而加深對MCS系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和發(fā)生發(fā)展機(jī)制的認(rèn)識(shí)。