2020年貴州省一次MCC特大暴雨的診斷分析*

王興菊，羅喜平，王明歡，周文鈺，蒙 軍，胡秋紅

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000；2.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081；3.中國氣象局武漢暴雨研究所，湖北 武漢 430205；4.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

0 引言

中尺度對流復(fù)合體(MCC)最早是由Maddox[1]定義的典型的α中尺度(200～2 000 km)對流系統(tǒng)，在紅外云圖上它表現(xiàn)為接近圓形的冷云蓋。對于MCC的標準，Maddox從生命史、外形、尺度等方面給出完整的定義。本文在云圖分析時采用了Maddox對MCC規(guī)定的標準。中尺度系統(tǒng)是暴雨天氣的直接制造者，而MCC是我國南方夏季尤其是6月份暴雨的主要影響系統(tǒng)之一。范俊紅等[2]對河南、河北省中部一次區(qū)域性暴雨進行了分析，發(fā)現(xiàn)MCC發(fā)生、發(fā)展在對流層中層的短波槽、高低空急流有利配置以及大氣層結(jié)為中性或弱對流不穩(wěn)定的環(huán)境條件下。柳林等[3]通過對其云圖特征的研究，指出MCC是由幾個β中尺度的對流云團發(fā)展加強合并而成的。肖穩(wěn)安等[4]分析了MCC的降水特征，指出在MCC發(fā)展到最強盛之前，降水呈逐漸增強的趨勢。陶祖鈺等[5]利用常規(guī)資料研究發(fā)生在河北的一次MCC暴雨過程,結(jié)果表明，MCC在中低層是為氣旋式輻合環(huán)流，在對流層上部則呈現(xiàn)中尺度反氣旋式環(huán)流，這種環(huán)流特征與MCC熱力結(jié)構(gòu)相一致。井喜等[6]對淮河流域的一次MCC的環(huán)境流場和物理量特征進行了診斷分析。對于貴州的MCC暴雨特點，熊偉等[7]對貴州2次MCC暴雨診斷和觸發(fā)機制對比分析；楊靜等[8]對云貴高原東段山地MCC的普查和降水特征進行了分析。以上成果為本文研究提供了堅實的理論支撐。在此基礎(chǔ)上，本文對2020年6月30日貴州省的特大暴雨過程進行分析，了解此次特大暴雨過程中各階段云圖、雷達、物理量發(fā)展及降雨分布特點，旨在提高對貴州省中尺度對流復(fù)合體暴雨天氣發(fā)生發(fā)展的成因認識，以期對以后的貴州MCC類暴雨天氣過程提供有價值的預(yù)報思路。

1 資料和實況

本文使用的資料包括：① 2020年6月29日08時(北京時，下同)到30日08時fnl再分析資料(水平分辨率1°×1°)以及常規(guī)的地面、高空觀測資料，中國國家衛(wèi)星中心提供的FY-2G衛(wèi)星云圖資料；② 2020年6月29日20時—30日20時貴州省逐小時氣象要素觀測數(shù)據(jù)和地面填圖資料，該資料由貴州省氣象信息與技術(shù)保障中心提供，其中，氣象要素包括相對濕度、能見度、2 min風(fēng)向風(fēng)速、海平面氣壓、3 h變壓、24 h變壓、氣溫、24 h變溫等要素。

2020年6月29日20時—30日20時，全省共出現(xiàn)4站特大暴雨，90站大暴雨；309站站暴雨；由此次MCC帶來的強降水主要集中在貴州中西部及北部地區(qū)，最大雨量為晴隆縣長沙鄉(xiāng)212.7 mm。

2 環(huán)流背景

2.1 探空圖分析

在MCC的初始階段，從29日08—20時貴陽站的溫度對數(shù)壓力圖上看(見圖1a)：貴陽站層結(jié)不穩(wěn)定，呈現(xiàn)下濕上干的分布，0 ℃層高度位于500 hPa附近，-20 ℃層高度位于300 hPa附近，K指數(shù)達到42.1 ℃，SI指數(shù)-1.51。中低層為一致的西南急流，高層為偏北風(fēng)，風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流存在，有利于強降雨的產(chǎn)生。

從29日08時貴陽站的物理量列表來看，CAPE值960.8 J·kg-1，Li值-1.34短時強降水的潛勢非常明顯。到了29日20時(見圖1b)南風(fēng)上升到300 hPa附近，不穩(wěn)定層結(jié)更加明顯，CAPE值215 9.3 J·kg-1，Li值-3.58，短時強降水的潛勢更加明顯，有利于強降雨的產(chǎn)生。

圖1 2020年6月29日貴陽站溫度對數(shù)壓力(a)6月29日08時;(b)6月29日20時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 環(huán)流形勢分析

從29日08時的高空圖上看，200 hPa上(圖2a)超過30 m·s-1的高空急流位于35～45°N,貴州受強大的南壓高壓東側(cè)偏北氣流影響，位于高空急流軸的右側(cè)的風(fēng)速輻散區(qū)，高空急流的抽吸作用有利于MCC的發(fā)展。500 hPa上(圖2b)中緯地區(qū)有短波槽東移影響，低緯地區(qū)兩高對峙，副高活躍，貴州受副高西北側(cè)偏西南氣流影響，四川南部及云南中部有切變線存在，高原上有弱冷空氣向南滲透，短波槽前的弱冷空氣有利于不穩(wěn)定能量的觸發(fā)，使得對流云團在貴州省形成。700 hPa(圖2c)存在明顯的風(fēng)向切變，切變線位于湖北南部、重慶南部、四川南部一線，貴州位于切變線南部，一致的西南氣流為貴州降水帶來了充沛的水汽和正渦度，川南到貴州西北部有暖平流。850 hPa上(圖2d)切變線位于重慶到貴州北部，貴州西北部有低渦，川南也有明顯的暖平流。

圖2 2020年6月29日14時各層風(fēng)場圖(線條表示高度場，流線表示風(fēng)場，陰影區(qū)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時(圖略)，MCC的成熟階段，200 hPa上的高空急流維持，風(fēng)速加大；500 hPa副高明顯東退，貴州受偏西到西南氣流影響；700 hPa切變線更加逼近，橫切變西段南壓到貴州北部一線，云南境內(nèi)有暖舌向貴州西部伸展；850 hPa上切變線已經(jīng)南壓到貴州中部。

從以上分析可以看出，在此次MCC的從形成到成熟階段，貴陽站探空圖上中低層為一致的西南急流，高層為偏北風(fēng)，風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流存在，29日20時超過2 000 J·kg-1的CAPE值的有利于強降雨的產(chǎn)生。同時高空多短波活動，副高活躍，高原有冷空氣向貴州滲透，高空急流的抽吸作用，中層弱冷空氣的入侵，低層切變線長期維持，以及西南暖濕氣流的輸送，為此次過程提供了充沛的水汽和動力條件。

3 MCC的發(fā)展及降水特點

3.1 對流云團的形成發(fā)展

3.1.1 初始階段(29日14—23時) 從零散的對流系統(tǒng)到TBB≤-52 ℃冷云覆蓋范圍首次達到5萬 km2的α中尺度云團階段。此階段發(fā)生在地面α中尺度低渦切變線上的β中尺度對流串發(fā)展，再加強合并為一個α中尺度云團。29日14時(見圖3a)，畢節(jié)赫章附近有β中尺度的對流云團生成，直徑61 km,中心值-38 ℃；20時(見圖3b)對流云團繼續(xù)擴展增強，與納雍附近對流云團合并為一個偏心率較小的α中尺度云團橢圓形對流云團，最低TBB達到-83 ℃；TBB≤-52 ℃的冷云蓋面積為1.9萬 km2。21—23時期間偏心率和冷云罩面積明顯增大，到了23時(見圖3c)偏心率為0.7，TBB≤-52 ℃的冷云覆蓋面積達到了5萬 km2，達MCC的標準。此階段冷云罩面逐步變大，從不規(guī)則的塊狀云系逐步發(fā)展為邊界光滑的橢圓形對流云系，最大TBB梯度位于對流云團的西南部，對流云團由初期的多個核心合并為一個單核的強中心，最低云頂亮溫達到了-84 ℃。

圖3 2020年6月29日14時—30日08時云頂亮溫TBB(a)29日14時;(b)29日20時;(c)29日23時;(d)30日00時;(e)30日05時;(f)30日08時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 成熟階段(30日00—05時) 從α中尺度云團TBB≤-52 ℃冷云蓋面積超過5×104km2到TBB≤-52 ℃冷云蓋面積達到最大。此階段冷云罩面積迅速增大擴展，從00時(見圖3d)的6.5×104km2增強為05時的15.1×104km2，云罩面積擴展了近3倍，最低云頂溫達到-86 ℃，此階段最低云頂亮溫均在-80 ℃以上，冷云罩形狀從規(guī)則的橢圓形逐步發(fā)展為不規(guī)則的多邊形，到了05時(見圖3e)邊界已經(jīng)不再光滑，單獨的冷云核中心又逐步分裂為兩個核心。

3.1.3 消亡階段(30日06—08時) 從TBB≤-52 ℃冷云蓋面積達到1×105km2并開始減小到TBB≤-52 ℃冷云蓋面積小于5×104km2的階段。此階段TBB≤-52 ℃的冷云罩面積迅速減小，到08時(見圖3f)減小為4.1×104km2。α中尺度特征逐步消失，發(fā)散為多個不規(guī)則的塊狀云系，最低云頂亮溫逐步回升，到08時為-63 ℃。

從以上對MCC發(fā)生發(fā)展到消亡的三個階段分析可以看出，此次MCC是由生成于畢節(jié)威寧附近的β中尺度對流云團起源，合并周圍的對流云團并不斷向貴州南部擴展造成的。在MCC的初始階段，云罩邊界光滑，由塊狀向橢圓形發(fā)展，冷云罩面積逐步增大，云頂亮溫中心不斷降低；成熟階段冷云罩面積迅速擴大，由橢圓形逐步擴散為多邊形，云頂亮溫中心維持在-80 ℃以下；消亡階段是對流云系的α中尺度特征逐步瓦解的過程，冷云罩面積和云頂亮溫絕對值迅速減小。

3.2 MCC的各階段的降水特點

將各階段的逐小時短時強降水站數(shù)、TBB≤-52 ℃冷云蓋面積、云頂亮溫進行對比分析，發(fā)現(xiàn)以下特點(見圖4～圖5)：

圖4 MCC各階段冷云蓋面積和短時強降雨站數(shù)Fig.4 Diagram of cold cloud cover area and the number of short-time heavy rainfall station at each stage of MCC

圖5 MCC各階段最大小時雨量和最低云頂亮溫Fig.5 Diagram of maximum hourly rainfall and minimum cloud-top TBB at each stage of MCC

初始階段：逐時的短時強降雨站數(shù)和最大小時雨量也明顯增強，到了初始階段的23時，貴州短時強降雨站數(shù)達到33站，最大小時雨量為晴隆縣長沙村達到了83.7 mm，較20時降雨范圍和強度都明顯增大。

成熟階段：與冷云罩面積迅速擴大相對應(yīng)，短時強降雨站數(shù)對比初始階段出現(xiàn)了成倍的增長，降雨范圍不斷擴大，從貴州西北部向貴州中西部擴展。05時全省短時強降雨70站，仍然維持較高的值，較00時明顯增加，僅次于03時的79站。此階段的最大小時雨強出現(xiàn)在01時晴隆縣中營鄉(xiāng)達到88.1mm，對應(yīng)該站點的云頂亮溫為-86 ℃，然后最大小時雨強逐步下降。到05時，最大小時雨量為盤縣普古鄉(xiāng)40.1 mm,較00時明顯減弱。

消亡階段：此階段貴州省降水明顯減弱，到06時全省短時強降水站數(shù)為36站，較成熟階段的05時減少將近一半，到08時，貴州省范圍內(nèi)已經(jīng)沒有短時強降雨出現(xiàn)，對應(yīng)此時次的最低云頂亮溫為-63 ℃，較成熟階段也明顯下降。

從以上分析可以看出，逐小時短時強降雨站數(shù)與冷云蓋面積有很好的對應(yīng)關(guān)系，在形成、成熟、消亡3個階段分別呈現(xiàn)逐步上升、明顯上升和迅速減小的趨勢；最大小時雨量在成熟階段與最低云頂亮溫有較好的對應(yīng)關(guān)系，在初始和消亡階段的某些時次，雖然亮溫很低，小時降雨量卻不如成熟階段那么大。

4 雷達回波分析

初始階段：與中尺度對流云團的發(fā)展相對應(yīng)，從貴陽雷達的反射率因子圖上可以看出，回波起源于29日14時之后，在貴州西北部的低渦附近生成了對流單體，到20時(見圖6a)發(fā)展為鑲嵌多個強中心的片狀回波，21時(見圖6b)在納雍和水城北部，多個組合反射率強中心基本連成帶狀，強中心超過了50 dBz,21時的短時強降雨也發(fā)生在該地區(qū)[9]。到了23時(見圖6c)，強回波已經(jīng)影響整個六盤水地區(qū)，呈片狀分布，并開始向安順北部邊緣發(fā)展。初始階段的強回波主要影響貴州省西北部的畢節(jié)市和六盤水市。成熟階段：24日00時(見圖6d)強回波南壓至安順到黔西南北部，01時(見圖6e)該區(qū)域短時強降雨急增，全省63站的短時強降雨有43站出現(xiàn)在安順、六盤水、黔西南，最大短時強降雨也發(fā)生在這一時次的晴隆中營。05時(見圖6f)安順南部、黔西南北部仍然有較強的降雨回波，強中心仍然超過了40 dBz。成熟階段的強降雨回波主要影響貴州西南部的安順市、黔西南州等地。

圖6 2020年6月29日20時—30日08時組合反射率(單位:dBz)(a)29日20時;(b)29日21時;(c)29日23時;(d)30日00時;(e)30日01時;(f)30日05時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

挑選了大方作為初始階段，晴隆作為成熟階段的代表站點進行回波特征分析。初始階段大方回波在20時(見圖7)前后出現(xiàn)了強單體，中心值超過55 dBz，45 dBz回波頂高達到了12 km,呈現(xiàn)單峰值分布，強回波已經(jīng)接地，并且都集中在4 km以下，29日20—21時，強回波持續(xù)了近1 h之后減弱為30 dBz以下的陣雨回波。成熟階段晴隆的強回波也集中在4 km以下(見圖8)，回波頂高在8 km左右，回波呈現(xiàn)多峰值分布，中心值超過45 dBz的時段出現(xiàn)了4次。

圖7 2020年6月29日19—23時大方回波時間序列Fig.7 Time series diagram of echo in Dafang from 19:00 to 23:00 on June 29, 2020

圖8 2020年6月30日01—05時晴隆回波時間序列Fig.8 Time series diagram of echo in Qinglong from 1:00 to 5:00 on June 30, 2020

選取了大方和晴隆周圍近500 km2的區(qū)域統(tǒng)計組合反射率強度特征，發(fā)現(xiàn)初始階段的大方區(qū)域內(nèi)(見圖9)，大部分回波回波強度為在30 dBz以下，平均值為26.3 dBz，超過35 dBz的回波面積為83 km2。成熟階段晴隆境內(nèi)以35 dBz以上的回波為主(見圖10)，超過35 dBz的回波面積為377 km2，平均值為39.2 dBz。

圖9 2020年6月29日20時21分大方回波強度分布Fig.9 Echo intensity distribution diagram in Dafang at 20:21 on June 29,2020

圖10 2020年6月30日01時19分晴隆回波強度分布Fig.10 Echo intensity distribution diagram in Qinglong at 01:19 on June 30, 2020

從以上分析可以看出，初始階段強回波強度強，但生命史短，呈現(xiàn)單峰值分布；成熟階段的強回波范圍大，持續(xù)時間長，呈現(xiàn)多峰值分布。共同特點是強回波基本集中在4 km以下，中低層越靠近地面回波越強，質(zhì)心位置較低，強回波接地，有利于強降雨的產(chǎn)生。

5 物理量分析

5.1 熱力條件分析

為了更好的分析MCC發(fā)展過程中能量的演變情況，本文將引入由850 hPa和500 hPa資料共同計算的總指數(shù)TI進行分析：

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

(1)

參考文獻[10]提到：TI≥44 ℃時有利深對流發(fā)展，TI≥54 ℃，則有可能發(fā)展為強烈的對流天氣。29日14時(圖11a)貴州西北部TI指數(shù)為52 ℃，且貴州除了東北部邊緣，其余地區(qū)均超過了44 ℃，該地區(qū)的大氣不穩(wěn)定為MCC的發(fā)展提供了有利的條件。到了成熟階段30日02時(圖11b)，整個貴州的總指數(shù)都超過了50 ℃，強中心開始向東南方向移動，中心值58 ℃。從初始階段到發(fā)展階段持續(xù)性的TI值≥44 ℃，為此次的特大暴雨過程提供了充足的能量條件。

圖11 總指數(shù)TI(a)2020年6月29日14時;(b)2020年6月30日02時Fig.11 Diagram of total index TI(a) 14:00 on June 29, 2020; (b) 02:00 on June 30, 2020

5.2 抬升條件分析

溫度平流在天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過程中起著重要作用，上冷下暖的溫度平流垂直差異氣溫直減率增大，使大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定。本文選用沿26°N制作溫度平流和垂直速度的剖面圖，29日14時(見圖12a)，在MCC的形成階段，畢節(jié)威寧附近700～800 hPa之間有暖平流，中心值為1.2×10-3K·s-1，對應(yīng)的垂直速度場上低層也有明顯的上升運動區(qū)與該暖平流區(qū)相匹配，650～500 hPa之間則對應(yīng)冷平流和下沉氣流。這種低層為暖濕的上升氣流，中層有冷平流并伴有下沉氣流的中尺度環(huán)流特征。到了成熟階段30日02時(圖12b)，低層的暖平流和上升氣流仍然維持，且強中心向貴州東南部伸展，為此次的特大暴雨過程提供了抬升條件。

圖12 沿26°N溫度平流、垂直速度緯向—高度剖面(紅色線條表示溫度平流，單位：10-3K·s-1；黑色線條表示垂直速度，單位：Pa·s-1)(a)6月29日14時；(b)6月30日02時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 渦度和散度的中尺度特點

從初始階段29日14時(圖13a)的散度和渦度場來看，200 hPa上MCC的形成區(qū)域與一個中尺度的輻散和負渦度系統(tǒng)相配合；在700 hPa以下，對應(yīng)的是正渦度和輻合中心，渦度和散度的中心值都達到了2×10-5s-1。這與陶祖鈺等[11]在研究MCC中的第二基本形式一致，在對流層低層存在氣旋式渦旋。到了30日02時(圖13b)，MCC的成熟階段，依然維持低層正渦度輻合，高層正渦度輻散的中尺度特點，正渦度中心值加強到了5×10-5s-1，更有利于MCC的發(fā)展加強。

圖13 沿26°N散度、渦度圖緯向—高度剖面(紅色線條表示散度，單位：10-5s-1；黑色線條表示渦度：單位：10-5s-1)(a)6月29日14時；(b)6月30日02時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 結(jié)論與討論

①在此次特大暴雨過程中高空多短波槽活動，中層弱冷空氣的入侵，高空急流和低層切變線長期維持，大的CAPE值的存在以及西南暖濕氣流的持續(xù)性輸送，為此次過程提供了充沛的水汽和動力條件。

②此次MCC生成于畢節(jié)威寧附近，在MCC的初始階段，由塊狀向橢圓形發(fā)展，冷云罩面積逐步增大，云頂亮溫中心不斷降低；成熟階段由橢圓形逐步擴散為多邊形，云頂亮溫中心維持在-80 ℃以下；消亡階段冷云罩面積和云頂亮溫絕對值迅速減小。

③逐小時短時強降雨站數(shù)與冷云蓋面積有很好的對應(yīng)關(guān)系，在形成、成熟、消亡3個階段分別呈現(xiàn)逐步上升、明顯上升和迅速減小的趨勢；最大小時雨量在成熟階段與最低云頂亮溫有較好的對應(yīng)關(guān)系。

④此次特大暴雨過程中強回波基本集中在4 km以下，中低層越靠近地面回波越強，強回波接地，質(zhì)心位置較低。初始階段強回波強度強，移速快，但生命史短，呈現(xiàn)單峰值分布；成熟階段的強回波范圍大，持續(xù)時間長，移速慢，呈現(xiàn)多峰值分布。

⑤TI≥44 ℃的大值區(qū)長期維持，低層的暖平流和上升氣流以及正渦度輻合，配合高層的冷平流和下沉氣流以及負渦度輻散，為此次特大暴雨過程提供了有利的能量和動力條件。