一次臺(tái)風(fēng)移出后MCC發(fā)展成因分析

劉曉波，孫軍，許映龍，陳雙

(國家氣象中心，北京 100081)

1 引言

中尺度對(duì)流復(fù)合體(MCC)作為一種特殊的中尺度對(duì)流系統(tǒng)，最初是由Maddox[1]根據(jù)紅外云圖上低亮溫區(qū)域的大小和形態(tài)定義的，自此以后，我國學(xué)者對(duì)MCC 進(jìn)行了大量的研究。李玉蘭等[2]對(duì)發(fā)生在西南和華南地區(qū)MCC 進(jìn)行了研究，指出MCC 發(fā)生發(fā)展的天氣形勢(shì)有切變線、高空槽和低空急流等。吳芳芳等[3]研究了發(fā)生在副熱帶高壓西北側(cè)、500 hPa 東移的短波槽前、700 hPa 和850 hPa 切變線南側(cè)以及地面鋒面氣旋暖區(qū)內(nèi)一次黃海之濱的MCC 多尺度結(jié)構(gòu)特征。伍星贊等[4]和謝靜芳等[5]分別分析了我國華南地區(qū)和華北地區(qū)MCC 的衛(wèi)星云圖特征。馬紅等[6]和張晰瑩等[7]分析了MCC 雷達(dá)回波特征。覃丹宇等[8]研究了MCC 和一般暴雨云團(tuán)發(fā)生發(fā)展的物理?xiàng)l件差異?？跌P琴等[9]詳細(xì)探討了我國南方MCC 演變過程中的渦度、水汽和熱量收支平衡演變特征，著重分析了中小尺度系統(tǒng)在MCC 過程中的作用?？傮w來看，我國學(xué)者對(duì)不同區(qū)域的MCC 發(fā)展的環(huán)境場(chǎng)、觸發(fā)機(jī)制、維持機(jī)制、垂直結(jié)構(gòu)以及通過衛(wèi)星和雷達(dá)觀測(cè)到的演變特征等方面都做了深入的分析，并有了明確的認(rèn)識(shí)。然而，目前關(guān)于對(duì)MCC 的研究成果基本上都是從發(fā)生在非臺(tái)風(fēng)形勢(shì)下個(gè)例的研究中得出，對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)流內(nèi)生成的MCC 研究還是比較少見。

觀測(cè)事實(shí)表明，臺(tái)風(fēng)不僅具有清晰的螺旋雨帶和多邊形眼墻結(jié)構(gòu)，而且雨帶和眼墻內(nèi)部存在著較小尺度的深厚對(duì)流系統(tǒng)等[10]，這些深厚的對(duì)流系統(tǒng)不僅使臺(tái)風(fēng)路徑發(fā)生變化[11-13]，也影響臺(tái)風(fēng)眼墻及螺旋雨帶的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化[14]。Chen 等[15]研究熱帶氣旋（TC）與東亞夏季風(fēng)相互作用的兩種類型的持久雨帶對(duì)TC 大小和強(qiáng)度變化的影響，也指出季風(fēng)環(huán)境中的TC 可能會(huì)發(fā)生與眼墻降雨分開的暴雨事件。研究表明[16]，登陸臺(tái)風(fēng)中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)是造成臺(tái)風(fēng)特大暴雨的主要因素。在登陸臺(tái)風(fēng)暴雨研究中，多數(shù)研究臺(tái)風(fēng)暴雨的MCS 的結(jié)構(gòu)及其演變特征[17-20]，對(duì)于MCS 的形成發(fā)展機(jī)制研究還比較少。錢傳海等[21]研究在臺(tái)風(fēng)低壓切變線以北的偏北潮濕氣流中生成發(fā)展的MCS，得出低層偏北急流造成的動(dòng)力輻合效應(yīng)、對(duì)流不穩(wěn)定性層結(jié)的建立是MCS 迅速發(fā)展的重要原因。孫建華等[22]對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)引發(fā)北方特大暴雨的MCS 研究得出，對(duì)流層低層的偏南風(fēng)低空急流對(duì)MCS的發(fā)展具有重要作用。張艷霞等[23]對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向左前方在臺(tái)風(fēng)環(huán)流內(nèi)形成的MCS 進(jìn)行了研究，利用大尺度資料詳細(xì)分析了MCS 發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力和水汽條件，并進(jìn)一步通過中尺度數(shù)值模擬得出MCS 東、西及北側(cè)的溫濕梯度相向發(fā)展形成的能量鋒區(qū)為MCS 的組織發(fā)展提供了環(huán)境條件和能量。然而，MCC作為MCS的一種特殊形態(tài)，以往的研究中，對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)流內(nèi)的MCS 由于其發(fā)展強(qiáng)度以及持續(xù)時(shí)間達(dá)不到Maddox定義標(biāo)準(zhǔn)，明確定義為MCC 的研究不多。MCC 和熱帶風(fēng)暴的聯(lián)系也有一些相關(guān)研究[24-25]，Miller 等[26]對(duì)西太平洋地區(qū)中尺度對(duì)流復(fù)合體的研究發(fā)現(xiàn)，一些在水面上移動(dòng)的MCC 形成了熱帶風(fēng)暴，同樣，一些熱帶風(fēng)暴登陸后的殘留或低壓形成MCC。

為了進(jìn)一步完整地揭示登陸臺(tái)風(fēng)環(huán)流內(nèi)MCC 的形成發(fā)展原因，本文通過對(duì)2020 年04 號(hào)臺(tái)風(fēng)“黑格比”登陸北上后在其南側(cè)外圍螺旋雨帶上的對(duì)流云團(tuán)逐漸發(fā)展成為MCC 的過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)2020 年08 月4 日夜里到5 日上午（北京時(shí)間，下同）在15小時(shí)內(nèi)浙江北部和上海大部分地區(qū)出現(xiàn)暴雨到大暴雨，局部地區(qū)特大暴雨，是由MCC 直接造成的。通過分析還發(fā)現(xiàn)原來隨著臺(tái)風(fēng)一起旋轉(zhuǎn)的螺旋雨帶在MCC 形成后快速減弱消散，MCC 在源地逐漸發(fā)展加強(qiáng)，這種在臺(tái)風(fēng)北上之后發(fā)展加強(qiáng)又少動(dòng)的MCC 研究比較少，因此，本文重點(diǎn)分析MCC 的發(fā)展加強(qiáng)成因，以期為進(jìn)一步提高臺(tái)風(fēng)中尺度暴雨預(yù)報(bào)提供參考。

2 臺(tái)風(fēng)與降水過程概況

2020 年第4 號(hào)臺(tái)風(fēng)“黑格比”于8 月1 日20 時(shí)在臺(tái)灣以東洋面上生成，3 日14 時(shí)在東海突然加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，4日03時(shí)30分在浙江省樂清沿海登陸，登陸時(shí)近中心最大風(fēng)力38 m/s（13 級(jí)），登陸后以偏北路徑越過上海同緯度，在江蘇中部進(jìn)入黃海，6 日02 時(shí)停止編報(bào)（圖1a，見下頁）。臺(tái)風(fēng)“黑格比”共造成浙江、上海2 省（市）5 市30 縣（市、區(qū)）188萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失104.6億元。

圖1 2020年第4號(hào)臺(tái)風(fēng)“黑格比”路徑（a，圖中數(shù)字表示時(shí)間，如0419表示4日19時(shí)臺(tái)風(fēng)位置）和8月3日20時(shí)—5日20時(shí)（b）、8月3日20時(shí)—4日20（c）、8月4日20時(shí)—5日20時(shí)（d）長三角地區(qū)雨量大于等于10 mm分布圖（單位：mm）

臺(tái)風(fēng)“黑格比”給華東沿海造成了較大范圍的暴雨天氣。從8 月3 日20 時(shí)—5 日20 時(shí)48 小時(shí)過程雨量分布來看（圖1b）,浙江沿海及上海一帶雨量普遍超過100 mm，局部地區(qū)超過250 mm，并且呈現(xiàn)兩個(gè)降水大值中心，分別位于浙江中南部和浙江北部到上海地區(qū)。進(jìn)一步從3 日20 時(shí)—4 日20 時(shí)（圖1c）和4 日20 時(shí)—5 日20 時(shí)24 小時(shí)降雨量（圖1d）分布來看，浙江中南部降雨大值中心主要發(fā)生在3 日夜間到4 日白天，屬臺(tái)風(fēng)本體降雨，其中24小時(shí)雨量最大值是浙江永嘉站為263 mm。而位于浙江北部和上海地區(qū)的強(qiáng)降雨主要發(fā)生在4 日夜間到5 日上午，24 小時(shí)最大單站降雨量為浙江平湖站314 mm，其次為上海金山站264 mm。其后衛(wèi)星云頂亮溫（TBB）分析表明，位于該時(shí)段降雨主要是由MCC 發(fā)展增強(qiáng)直接造成的，其降雨量和降雨強(qiáng)度均大于臺(tái)風(fēng)本體降雨。

3 MMCCCC 發(fā)生發(fā)展及其造成的降水時(shí)間演變特征

3.1 MCC的發(fā)生發(fā)展

按照Maddox 定義標(biāo)準(zhǔn)，MCC 系統(tǒng)是指近于圓形或橢圓形的中尺度天氣系統(tǒng)，紅外溫度達(dá)-32 ℃或以下的云罩面積在105km2或以上，紅外溫度達(dá)-52 ℃或以下的冷云區(qū)面積在5×104km2或以上，且上述條件持續(xù)時(shí)間6 小時(shí)或以上，并且發(fā)展最旺盛時(shí)，其偏心率（短軸/長軸）大于0.7。從圖2 中可以看到，4 日20 時(shí)發(fā)展成為MCC 的中尺度對(duì)流云團(tuán)（圖2a 箭頭所示）尺度比較小，云頂TBB值小于-32 ℃面積大約為0.3×105km2，隨后云團(tuán)繼續(xù)增強(qiáng)，云頂TBB 值-32 ℃和-52 ℃的面積都明顯增大，5 日02 時(shí)云團(tuán)（圖2d 方框區(qū)域）云頂TBB 值小于-32 ℃面積大于105km2，小于-52 ℃面積大于5×104km2，達(dá)到Maddox 的定義MCC 的面積標(biāo)準(zhǔn)。5 日04 時(shí)，云團(tuán)繼續(xù)增強(qiáng)，其形狀接近圓形，云頂TBB 值小于-32 ℃的范圍已經(jīng)到達(dá)上海的北部，5 日05—06 時(shí)，云團(tuán)發(fā)展最強(qiáng)盛（圖2f），橢圓偏心率達(dá)到0.9 左右，其形狀更接近圓形，結(jié)構(gòu)較為密實(shí)。5 日08 時(shí)開始，云團(tuán)明顯減弱，形狀也變得不規(guī)則，5日10時(shí)云團(tuán)北部TBB 小于-32 ℃的范圍縮小到上海南部沿海，云頂TBB值小于-32 ℃面積和-52 ℃面積不再滿足Maddox定義標(biāo)準(zhǔn)。在云團(tuán)發(fā)展增強(qiáng)過程中，其位置穩(wěn)定少動(dòng)，從生成階段到消散階段，滿足MCC 條件的生命史為8～9 h，其中心向南移動(dòng)不到0.5 個(gè)緯度，屬于典型的中α 尺度MCC。從圖2 中還可以看到，MCC 是由臺(tái)風(fēng)南側(cè)螺旋雨帶最東端的對(duì)流云團(tuán)（圖2a 箭頭位置）逐漸發(fā)展增強(qiáng)的，在臺(tái)風(fēng)快速向北移動(dòng)的過程中，位于臺(tái)風(fēng)南側(cè)的螺旋雨帶并沒有隨著臺(tái)風(fēng)一起移動(dòng)，而是減弱消散，但是位于螺旋雨帶最東端的對(duì)流云團(tuán)卻逐漸發(fā)展成為MCC，MCC 也沒有隨著臺(tái)風(fēng)移動(dòng)，基本在源地向偏東方向發(fā)展增強(qiáng)比較明顯，這種在臺(tái)風(fēng)移出后，并在其南側(cè)切變線內(nèi)形成的MCC 發(fā)展增強(qiáng)個(gè)例的研究還是比較少見，值得進(jìn)行深入研究。后面本文主要從MCC 胚胎階段（4 日20 時(shí)）、發(fā)生階段（5 日02 時(shí)）、成熟階段（5 日06 時(shí)）和消散階段（5日10時(shí)）進(jìn)行分析探究其形成主要原因。

圖2 2020年8月4日20時(shí)—5日10時(shí)2小時(shí)間隔FY-4A衛(wèi)星云頂TBB分布(單位：℃)

3.2 降水時(shí)間變化特征

從上海金山和浙江平湖觀測(cè)站地面氣象要素3 小時(shí)變化看（圖3），臺(tái)風(fēng)中心到達(dá)浙江北部的時(shí)間為4 日17 時(shí)前后，17—20 時(shí)之間金山和平湖站的地面氣壓最低，風(fēng)向從偏東風(fēng)順轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，且風(fēng)力增大，4 日20 時(shí)之后臺(tái)風(fēng)中心逐漸遠(yuǎn)離北上，這兩個(gè)站地面氣壓回升，風(fēng)速明顯減少。但是，從雨量時(shí)間分布來看，在臺(tái)風(fēng)臨近之前，這兩個(gè)站都只有零星小雨，3 小時(shí)雨量均不超過10 mm，隨著臺(tái)風(fēng)越過同緯度北上。4 日20 時(shí)以后降雨反而明顯加強(qiáng)，而此時(shí)對(duì)應(yīng)的MCC 初始階段的對(duì)流云團(tuán)（圖2a 箭頭所示）范圍也開始快速增大，平湖站3小時(shí)雨量持續(xù)增強(qiáng)，到5 日08 時(shí)達(dá)到最大為99.0 mm；金山站5 日02 時(shí)3 小時(shí)雨量出現(xiàn)了減小的現(xiàn)象，也說明5 日02 時(shí)之前MCC 向北加強(qiáng)不明顯，之后3 小時(shí)雨量持續(xù)增大，到5 日08 時(shí)3 小時(shí)雨量同樣達(dá)到最大為95 mm，這與MCC 在5 日06 時(shí)前后發(fā)展最旺盛時(shí)段一致?？梢?，MCC 發(fā)展最強(qiáng)階段也是降雨強(qiáng)度最大時(shí)段。另外，從圖3中還可以發(fā)現(xiàn)，4 日20 時(shí)—5 日08 時(shí)12 小時(shí)內(nèi)累積雨量金山站257 mm、平湖站314.2 mm，兩個(gè)觀測(cè)站均達(dá)特大暴雨級(jí)別。

圖3 上海金山(a)和浙江平湖(b)觀測(cè)站3日20時(shí)—5日20時(shí)3 h雨量（柱狀）、海平面氣壓（黑線）、10 m風(fēng)（風(fēng)向桿，單位：m/s，長桿表示4 m/s，短桿表示2 m/s，下同）時(shí)間變化

由此可見，這次發(fā)生在浙江北部和上海的特大暴雨過程是由MCC 直接造成的，強(qiáng)降雨發(fā)生發(fā)展快、強(qiáng)度大、降雨時(shí)段集中、累計(jì)雨量大，其總降雨量和降雨強(qiáng)度甚至超過臺(tái)風(fēng)本體降雨，容易導(dǎo)致嚴(yán)重氣象災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失。

3.3 雷達(dá)回波特征分析

圖4 給出了與圖2 對(duì)應(yīng)的MCC 發(fā)生發(fā)展階段的雷達(dá)基本反射率拼圖疊加臺(tái)風(fēng)路徑和過去1 h雨量（圖4a～4d）以及MCC 發(fā)生和成熟階段的基本反射率垂直剖面（圖4e～4f），4 日20 時(shí)（圖4a）位于臺(tái)風(fēng)南側(cè)的螺旋雨帶上的回波也呈現(xiàn)螺旋狀，反射率因子最大值超過60 dBZ。5 日02 時(shí)在MCC的發(fā)生階段（圖4b）螺旋狀的回波西部已經(jīng)減弱消散，東部回波維持，呈現(xiàn)團(tuán)狀，強(qiáng)回波范圍略有擴(kuò)大，沿圖中位于平湖到金山的強(qiáng)回波垂直剖面上（圖4e）反射率因子45 dBZ 以上的回波強(qiáng)度發(fā)展高度不超過5 km，最強(qiáng)回波觸及地面，過去1 小時(shí)雨量不超過30 mm；另外，位于臺(tái)風(fēng)眼壁南部的蘇州到南通之間有回波明顯發(fā)展，呈現(xiàn)渦旋狀，也說明臺(tái)風(fēng)對(duì)MCC 的影響在減弱。5 日06 時(shí)（圖4c）強(qiáng)回波位置和強(qiáng)度變化不大，仍然位于平湖和金山附近，但是，強(qiáng)回波發(fā)展高度略有增高，反射率因子45 dBZ 強(qiáng)度以上的回波發(fā)展高度超過5 km（圖4f），平湖過去1 小時(shí)雨量達(dá)到64 mm。此時(shí)，位于蘇州到南通的回波仍然維持，范圍擴(kuò)大，發(fā)展為帶狀，也說明臺(tái)風(fēng)對(duì)MCC 的引導(dǎo)作用是逐漸減弱的。在MCC 的消散階段（圖4d）回波強(qiáng)度明顯減弱，但是，位于蘇州到南通的回波明顯向東南移動(dòng)，并與MCC 北部回波合并，導(dǎo)致上海北部的回波增強(qiáng)，之后，整個(gè)回波區(qū)移入東部海面逐漸減弱消散。從上述雷達(dá)反射率因子的分析發(fā)現(xiàn)，MCC形成后，降水回波主要位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑的右側(cè)，45 dBZ 以上的強(qiáng)回波發(fā)展高度不高，在5 km 附近，回波強(qiáng)度最大值不超過65 dBZ。

圖4 雷達(dá)基本反射率拼圖（單位：dBZ）、小時(shí)雨量（黑色數(shù)值，單位：mm）和臺(tái)風(fēng)“黑格比”路徑（a～d，紅色數(shù)值表示時(shí)間日-時(shí)，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度見圖1a）；上海南匯單站雷達(dá)基本反射率垂直剖面（e～f，剖面基線為同時(shí)刻圖5b～5c中的黑線）

4 MMCCCC發(fā)生發(fā)展成因分析

4.1 環(huán)流背景

MCC 是由臺(tái)風(fēng)南側(cè)螺旋雨帶上最東端的對(duì)流云團(tuán)逐漸發(fā)展形成的。8 月4 日20 時(shí)（圖5a）在臺(tái)風(fēng)“黑格比”東側(cè)和南側(cè)各有一條圍繞臺(tái)風(fēng)中心的螺旋雨帶，雨帶上有多個(gè)對(duì)流單體，其中，在最東端位于杭州灣的對(duì)流單體（圖5a 紅色三角形）加強(qiáng)發(fā)展成為MCC，該對(duì)流單體位于臺(tái)風(fēng)眼壁附近。此時(shí)，在500 hPa高度場(chǎng)上西伸到陸地并呈東西向的副熱帶高壓（簡(jiǎn)稱副高）帶斷裂為兩環(huán)，其中，一環(huán)位于陸地上，高壓中心在安徽西部；另一環(huán)位于東部洋面上，副高中心在日本南部，副高處在增強(qiáng)階段，中心強(qiáng)度大于592 dagpm，588 dagpm線從臺(tái)風(fēng)南部再次西伸至大陸。臺(tái)風(fēng)在洋面上副高偏南氣流引導(dǎo)，穩(wěn)定地向偏北方向移動(dòng)。之后，隨著臺(tái)風(fēng)繼續(xù)北上，臺(tái)風(fēng)南部的螺旋雨帶逐漸減弱消散，位于雨帶東端的對(duì)流單體位置少動(dòng)且強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，該對(duì)流單體也由臺(tái)風(fēng)眼壁位置轉(zhuǎn)到臺(tái)風(fēng)南側(cè)的切變線內(nèi)，其范圍向四周擴(kuò)展，向東擴(kuò)展的更為明顯些（圖略）。在8月5日06時(shí)MCC成熟階段（圖5b），500 hPa層洋面上副高西伸加強(qiáng)已經(jīng)與陸地上的高壓合并，西風(fēng)槽位于華北，位置偏北，臺(tái)風(fēng)中心移到江蘇中部，MCC 位于臺(tái)風(fēng)南側(cè)的切變線內(nèi)。而在8 月5 日02 時(shí)和06 時(shí)MCC 發(fā)展階段的對(duì)流層高層位勢(shì)高度和風(fēng)場(chǎng)上圖5c～5d，MCC 位于南亞高壓東部脊線附近西北氣流中，位勢(shì)高度達(dá)1 256 dagpm。

圖5 2020年8月4日20時(shí)(a)和5日06時(shí)(b)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（黑線，單位：dagpm）、風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)桿，棕線為切變線，單位：m/s）、FY-4A衛(wèi)星云頂TBB分布（填色，單位：℃，三角形表示MCC中心位置）；5日02時(shí)（c）和5日06時(shí)（d）200 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（黑線）、風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)桿，藍(lán)線為南亞高壓脊線）

總之，在MCC 發(fā)生發(fā)展過程中，由于臺(tái)風(fēng)穩(wěn)定地向偏北方向移動(dòng)，副高西伸增強(qiáng)，臺(tái)風(fēng)南側(cè)的切變線的輻合抬升作用，加之對(duì)流層高層南亞高壓東部脊線附近西北氣流的輻散抽吸作用，有利于中低空大氣上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，為MCC 的發(fā)展增強(qiáng)提供良好的動(dòng)力抬升條件。

4.2 干冷空氣侵入及不穩(wěn)定層結(jié)

假相當(dāng)位溫反映大氣的溫濕狀況，可以用來分析大氣中的能量和不穩(wěn)定狀況。從圖6 中850 hPa 層上假相當(dāng)位溫(θse)和水平風(fēng)場(chǎng)演變發(fā)現(xiàn)(圖中三角形表示MCC 中心位置)，臺(tái)風(fēng)與周圍環(huán)境場(chǎng)的溫度和濕度差異形成了有利于MCC 發(fā)生發(fā)展的不穩(wěn)定條件。4 日20 時(shí)（圖6a）江蘇南部到浙江南部有一條西南低空急流（圖中實(shí)線箭頭），急流不斷輸送暖濕空氣形成θse的高值帶，并與臺(tái)風(fēng)形成的高能區(qū)相連。在臺(tái)風(fēng)西北部有兩條相對(duì)干冷空氣形成的θse低值帶，分別位于安徽的西部和江蘇中南部（圖中虛線箭頭）。此時(shí)，干冷空氣還沒有侵入MCC 生成區(qū)域，隨著臺(tái)風(fēng)向北移動(dòng)，兩條干冷空氣范圍內(nèi)的風(fēng)向逆轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，在西北風(fēng)的作用下，干冷空氣逐漸移向MCC 生成區(qū)域。5 日02 時(shí)（圖6b）江蘇中部的干冷空氣已經(jīng)到達(dá)MCC 西北部的外圍，在對(duì)流層低層暖濕空氣與相對(duì)干冷空氣強(qiáng)烈交匯，斜壓性不穩(wěn)定增強(qiáng)，有利于中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展增強(qiáng)。5 日06 時(shí)（圖6c）處在MCC 發(fā)展的最強(qiáng)階段，臺(tái)風(fēng)西部的兩條干冷空氣帶，其中一條侵入到MCC 北部外圍的上海地區(qū)，另一條侵入MCC 西部外圍的浙江北部地區(qū)，MCC 繼續(xù)向西北和東南方向θse斜壓性不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)擴(kuò)大。此時(shí)，上海和浙江北部的降水強(qiáng)度也在5 日06 時(shí)前后達(dá)到最大，最大小時(shí)雨量超過60 mm。5 日10 時(shí)（圖6d）北部和西部的干冷空氣侵入到MCC 內(nèi)部，MCC 范圍內(nèi)的θse減小了2～4 K，斜壓不穩(wěn)定性減弱，MCC 也逐漸減弱消散。通過上面的分析得到，在低層臺(tái)風(fēng)北上后，引導(dǎo)冷空氣南下，并與浙江北部地區(qū)的暖濕氣流交匯，斜壓鋒生增強(qiáng)形成較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)。

圖6 2020年8月4—5日850 hPa假相當(dāng)位溫（等值線及填色，單位：K）和風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿，單位：m/s），

為了進(jìn)一步分析大氣層結(jié)狀況，沿MCC 中心（30.5 °N）做假相當(dāng)位溫、水平風(fēng)場(chǎng)和垂直速度的緯向垂直剖面分析（三角形為MCC 中心經(jīng)度位置）。在MCC 初始階段（圖7a），受臺(tái)風(fēng)“黑格比”環(huán)流的影響，MCC 區(qū)域上空（MCC 經(jīng)度范圍120～124 °E）為θse高值區(qū)，兩側(cè)分別為大陸高壓東側(cè)和東部海面的θse低值區(qū)。分析MCC 發(fā)生區(qū)域上空的θse分布，近地面θse最大值在360 K 以上，近地面層到對(duì)流層中低層850 hPaθse隨高度減小，為位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)，850～600 hPa 之間θse變化不大，為位勢(shì)中性層結(jié)，而對(duì)流層中高層600 hPa以上層為位勢(shì)穩(wěn)定性層結(jié)。此時(shí)，上升運(yùn)動(dòng)區(qū)位于MCC 西部，垂直上升速度最大值大約-0.8 Pa/s，中心位于700 hPa 以下，最強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)內(nèi)低空風(fēng)速不超過12 m/s，風(fēng)速大值區(qū)位于MCC 東部。5 日02—06時(shí)（圖7b、7c），MCC 西側(cè)低層暖濕空氣不斷增強(qiáng)，中低層水平風(fēng)速最大值超過28 m/s，θse高能舌向MCC 下風(fēng)方向的高空抬升，而高空的干冷空氣也向MCC 區(qū)域的低空伸展，并覆蓋在暖空氣的上空，增強(qiáng)了大氣位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)。此時(shí)，上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，從地面垂直伸展到對(duì)流層頂，垂直速度最大值達(dá)到-2.7 Pa/s，中心位于600～300 hPa 之間。 MCC也迅速發(fā)展壯大，其范圍擴(kuò)大到上海的北部地區(qū)，上海南部金山和浙江北部平湖觀測(cè)站從4 日20 時(shí)以后3 小時(shí)雨量明顯增強(qiáng)，5 日05—08時(shí)達(dá)到最大，分別為95 mm 和99 mm，對(duì)應(yīng)MCC發(fā)展最強(qiáng)階段。另外，MCC 東側(cè)海面上的相對(duì)干冷空氣侵入到MCC 東部暖濕空氣的下方的抬升作用，使得上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，也有利于MCC 強(qiáng)烈發(fā)展。到5 日10 時(shí)（圖7d），MCC 發(fā)生區(qū)域低層暖濕氣流強(qiáng)度明顯減弱，中高空MCC 西部的干冷空氣進(jìn)一步東移，大氣位勢(shì)也接近中性層結(jié)，MCC 迅速減弱。由此可見，受大陸高壓影響，杭州灣附近中高空受干冷氣團(tuán)東移，θse持續(xù)減小，而對(duì)流層中低空急流加強(qiáng)抬升，θse明顯增強(qiáng)，使得大氣位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)明顯增強(qiáng)，有利于MCC發(fā)生發(fā)展。

圖7 2020年8月4—5日沿MCC中心30.5 °N緯向垂直剖面假相當(dāng)位溫（紅線，單位：K）、垂直速度（黑線，≤-0.3，單位：Pa/s）和水平風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)桿，單位：m/s；填色，風(fēng)速≥12 m/s）

4.3 水汽輸送與匯聚

與一般的對(duì)流系統(tǒng)不同的是，MCC作為一種尺度較大的對(duì)流系統(tǒng), 需要有足夠充足的水汽輸送[27]。在2020 年8 月4 日20 時(shí)850 hPa 水汽通量矢量和水汽通量散度分布圖（圖8a）上可見，臺(tái)風(fēng)水汽通量大值區(qū)主要位于臺(tái)風(fēng)東側(cè)的急流軸上，但水汽通量輻合區(qū)則位于臺(tái)風(fēng)南側(cè)的浙江北部地區(qū)，最大水汽通量散度可達(dá)-120 g/（hPa·cm2·s），這主要是由于臺(tái)風(fēng)南側(cè)偏西風(fēng)低空急流和西南偏南風(fēng)低空急流在浙江北部匯合造成的，為MCC 生成和發(fā)展提供很好的水汽條件，與前述環(huán)流形勢(shì)分析是一致的。到5 日02 時(shí)和06 時(shí)（圖8b、8c），隨著臺(tái)風(fēng)“黑格比”向北移動(dòng)，水汽通量散度小于-120×10-6g/（hPa·cm2·s）的輻合中心也移到臺(tái)風(fēng)南側(cè)偏西風(fēng)和偏南風(fēng)形成的切變線的南端，也就是MCC 上空，強(qiáng)的水汽輻合有利于MCC 發(fā)展增強(qiáng)，此時(shí)，浙江北部和上海等地降水強(qiáng)度也隨著MCC的增強(qiáng)迅速加大。5 日08 時(shí)以后（圖略），隨著臺(tái)風(fēng)繼續(xù)北上，偏南低空急流也向北推進(jìn)，水汽輸送通道繼續(xù)向北移動(dòng)，西南低空急流強(qiáng)度也開始減弱，水汽輻合中心的強(qiáng)度減小，MCC 出現(xiàn)減弱的趨勢(shì)。到5 日10 時(shí)（圖8d），臺(tái)風(fēng)南側(cè)的浙江北部到江蘇南部一帶主要為偏西氣流控制，水汽輻合減小到60×10-6g/（hPa·cm2·s）以下，MCC 已經(jīng)減弱消散，此次由MCC 系統(tǒng)活動(dòng)造成的浙北和上海地區(qū)暴雨過程結(jié)束。

圖8 2020年8月4日20時(shí)—5日10時(shí)850 hPa水汽通量矢量（單位：10-3 kg（/m·s））和水汽通量散度（等值線單位：10-6 g（/hPa·cm2·s））

由此可見，臺(tái)風(fēng)南側(cè)偏西風(fēng)低空急流和西南偏南風(fēng)低空急流在浙江北部匯合，不僅為MCC 生成和發(fā)展提供了動(dòng)力抬升條件，也為MCC 的發(fā)展發(fā)展提供了源源不斷的水汽條件。

4.4 凝結(jié)潛熱釋放的熱力作用

已有研究[28-30]表明，通過對(duì)降水過程中熱量、水汽收支等深入研究，可以幫助我們深入了解大氣熱力及積云對(duì)流活動(dòng)在暴雨形成中的作用和大氣加熱的特點(diǎn)。視熱源Q1代表單位時(shí)間單位質(zhì)量空氣的增溫率，視水汽匯Q2代表單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量水汽凝結(jié)釋放熱量引起的大氣增溫率，計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[31]分別為:

式中R和Cp分別為干空氣氣體常數(shù)和定壓比熱，θ為位溫，T為氣溫，q為比濕，V為水平風(fēng)向量，L為潛熱，P0=1 000 hPa，其它為氣象常用符號(hào)。Q1和Q2均包括三項(xiàng)，分別為局地變化項(xiàng)、水平平流項(xiàng)和垂直輸送項(xiàng)。為了方便，將各層Q1、Q2除以Cp換算成單位為℃/h的加熱率。

為了探討對(duì)流潛熱釋放在MCC 發(fā)展中的作用，圖9 給出了MCC 從胚胎階段到消散階段的視熱源和視水汽匯的時(shí)間演變，從圖9a中可見，Q1在低空850 hPa以下一直為正值，地表感熱加熱向上輸送熱量，使上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致低空輻合加強(qiáng)，有利于水汽匯聚，到MCC 旺盛階段5 日05 時(shí)開始，Q1的正值區(qū)向高空擴(kuò)展到700 hPa。另外，在600～500 hPa 之間Q1的正值區(qū)在4 日23 時(shí)—5 日07 時(shí)垂直高度和強(qiáng)度是增大的，對(duì)比圖7b～7c 垂直速度的緯向垂直剖面可見，此時(shí)上升運(yùn)動(dòng)也是逐漸增大到最強(qiáng)，上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，使得低空的強(qiáng)輻合補(bǔ)償大量的水汽，有利于MCC 的發(fā)展和維持。

圖9 2020年8月4日20時(shí)—5日10時(shí)視熱源Q1/Cp(a，單位：℃/h)和視水汽匯Q2/Cp(b，單位:℃/h)的區(qū)域（121～124 °E，29～31 °N）平均值高度-時(shí)間剖面圖

從圖9b 中可見，Q2在低空850 hPa 以下為負(fù)值，表明低空一直有水汽匯聚，這與Q1分析一致，在850 hPa以上為正值，表明低空急流強(qiáng)水汽帶的水汽凝結(jié)變干釋放潛熱。在5 日05—06 時(shí)MCC發(fā)展最強(qiáng)階段，700～600 hPa之間Q2出現(xiàn)最大值超過3.5 ℃/h，凝結(jié)釋放潛熱增強(qiáng)，此時(shí)，Q1也在600 hPa 附近出現(xiàn)極大值。08 時(shí)開始Q2正值明顯減小，凝結(jié)釋放潛熱減弱，MCC 也開始減弱。這與馮伍虎等[32]的研究結(jié)果一致，積云對(duì)流在中、低空的凝結(jié)潛熱不僅加熱對(duì)流層中層大氣，而且向高層輸送，加熱高層的環(huán)境大氣，不僅對(duì)環(huán)境大氣及其層結(jié)穩(wěn)定度有明顯影響，而且對(duì)中尺度系統(tǒng)的發(fā)展也有重要的反饋?zhàn)饔谩?/p>

分析MCC 區(qū)域在胚胎階段、發(fā)生階段、成熟階段視水汽匯及其各項(xiàng)的平均值從地面到400 hPa 垂直高度分布（圖10a～10c）可以看到：局地變化項(xiàng)、水平平流項(xiàng)和垂直輸送項(xiàng)對(duì)視水汽匯都有影響，在MCC 胚胎階段（圖10a）局地變化項(xiàng)和水平輸送項(xiàng)在750 hPa以下對(duì)視水汽匯為正貢獻(xiàn)，水平輸送項(xiàng)貢獻(xiàn)最大，峰值位于850 hPa 附近，750 hPa以上基本為負(fù)貢獻(xiàn)；垂直輸送項(xiàng)各層均為負(fù)貢獻(xiàn)。MCC 發(fā)生階段（圖10b）局地變化項(xiàng)各層正貢獻(xiàn)較小，在850 hPa 以下為弱的負(fù)貢獻(xiàn)，這與水汽大量凝結(jié)變干有關(guān)；水平平流項(xiàng)在600 hPa以下對(duì)視水汽匯正貢獻(xiàn)最大，峰值位于800 hPa 附近，600 hPa 以上垂直輸送項(xiàng)正貢獻(xiàn)最大。MCC 成熟階段（圖10c）局地變化項(xiàng)在850～650 hPa正貢獻(xiàn)最大，峰值在700 hPa 附近；水平平流項(xiàng)各層基本為正貢獻(xiàn)，但是在850～700 hPa 正貢獻(xiàn)較MCC 發(fā)生階段明顯較?。淮怪陛斔晚?xiàng)在650 hPa以上正貢獻(xiàn)仍然是最大。

圖10 2020年8月4日20時(shí)（a）、5日20時(shí)（b）、5日06時(shí)（c）MCC區(qū)域（121～124°E，29～31°N）視水汽匯Q2/Cp及其各項(xiàng)平均值高度分布（單位：℃/h；圖中t：局地變化項(xiàng)，h：水平平流項(xiàng)，w：垂直平流項(xiàng)）

綜上所述，在MCC 發(fā)生發(fā)展過程中，650 hPa以下水平平流項(xiàng)對(duì)視水汽匯正貢獻(xiàn)占優(yōu)勢(shì)，這與低空風(fēng)速增強(qiáng)，使得水汽輸送增強(qiáng)有關(guān)，所以水汽的水平輸送是中低空水汽的主要貢獻(xiàn)者。650 hPa 以上垂直輸送項(xiàng)對(duì)視水汽匯正貢獻(xiàn)起主要作用，垂直速度也最大，上升氣流造成的水汽垂直輸送是積云對(duì)流活動(dòng)的中高層水汽主要來源。此外，局地變化項(xiàng)在MCC 成熟階段850～650 hPa 正貢獻(xiàn)最大，峰值位于700 hPa 附近，而水平輸送項(xiàng)和垂直輸送項(xiàng)都減小，這可能與水汽凝結(jié)釋放潛熱加熱大氣，有利于水汽蒸發(fā)有關(guān)。

可見，水汽和熱量的水平和垂直輸送以及大量的水汽凝結(jié)潛熱釋放在MCC 發(fā)展中起重要作用。潛熱釋放使高層大氣輻散外流，引起低層減壓，低層輻合進(jìn)一步增強(qiáng)，低層輻合的增強(qiáng)又使上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)使得低層的輻合加強(qiáng)，低層輻合又使得水汽匯聚并不斷向高空輸送，又補(bǔ)償了高空凝結(jié)的水汽，潛熱不斷釋放熱量加熱大氣，有利于MCC的發(fā)展和維持。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用FY-4A 衛(wèi)星云頂亮溫（TBB）、自動(dòng)站雨量資料和ERA5再分析資料，對(duì)發(fā)生在臺(tái)風(fēng)環(huán)流背景下的一次MCC 大暴雨過程進(jìn)行診斷分析，主要結(jié)論如下。

(1) 這次長三角地區(qū)的暴雨過程是由臺(tái)風(fēng)“黑格比”北上以后新生的MCC 造成的，強(qiáng)降雨發(fā)生發(fā)展快、強(qiáng)度大、累計(jì)降雨量大，其總降雨量和降雨強(qiáng)度甚至超過臺(tái)風(fēng)登陸前后由臺(tái)風(fēng)本體造成的降雨，容易導(dǎo)致嚴(yán)重氣象災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失。

(2) 臺(tái)風(fēng)“黑格比”登陸后，其路徑穩(wěn)定地向偏北方向移動(dòng)，不僅使得其南側(cè)的切變線能夠長時(shí)間維持在MCC 西部，加之對(duì)流層高層南亞高壓東部脊線附近西北氣流的輻散抽吸作用，有利于中低空大氣上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，為MCC 的發(fā)展增強(qiáng)提供良好的動(dòng)力條件。

(3) 低層臺(tái)風(fēng)北上后，引導(dǎo)其移動(dòng)方向左后側(cè)的對(duì)流層冷空氣南下，與長三角地區(qū)的西南低空暖濕氣流強(qiáng)烈交匯，斜壓鋒生增強(qiáng)，形成較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)是MCC發(fā)生發(fā)展的重要條件。

(4) 受大陸高壓東移影響，對(duì)流層中高層干冷空氣東移，長三角地區(qū)中高空θse持續(xù)減小，而對(duì)流層中低層西南暖濕氣流加強(qiáng)并抬升，θse也明顯增強(qiáng)，使得大氣位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)明顯增強(qiáng)，形成了有利于MCC發(fā)生發(fā)展的位勢(shì)不穩(wěn)定條件。

(5) 臺(tái)風(fēng)南側(cè)偏西風(fēng)低空急流和西南偏南風(fēng)低空急流在浙江北部匯合，形成大值水汽通量中心，為MCC 的發(fā)展發(fā)展提供了源源不斷的水汽輸送和匯聚。

（6）在MCC 的發(fā)展過程中，凝結(jié)潛熱釋放對(duì)MCC 的發(fā)展起重要作用。在MCC 發(fā)展最強(qiáng)階段，視水汽匯正值達(dá)到最大，大量潛熱的釋放有利于MCC 的增強(qiáng)。視熱源低空一直為正值，地面感熱加熱向高空輸送，有利于MCC的發(fā)展和維持。