影響山東的MCC分型及其差異性特征

摘 要 利用2007—2022年衛(wèi)星資料、常規(guī)探測資料和ERA5資料，對影響山東的中尺度對流復(fù)合體（mesoscale convective complex，MCC）的結(jié)構(gòu)特征及降水分布進行分析。結(jié)果表明：（1） MCC多數(shù)在傍晚至次日凌晨發(fā)展成熟，早晨消亡，生命史較長，平均壽命為7 h，生命史為6～8 h的占88%。根據(jù)對流云團的生成源地和移動路徑將MCC分為東移型、北上型和原地生成型，其中東移型最多。（2）MCC強降水與最低云頂亮溫（也稱黑體溫度，black body temperature，TBB）和TBB梯度大值區(qū)密切相關(guān)。東移型MCC 500 hPa中高緯環(huán)流平直，強降水位于MCC的西—西北側(cè)；北上型MCC環(huán)流為經(jīng)向型，最強降水位于MCC的南—西南側(cè)；原地生成型MCC引導(dǎo)氣流弱，降水分布零散，范圍小，分布在TBB梯度大值區(qū)。（3）東移型MCC和北上型MCC伴隨冷暖空氣交匯造成鋒生，暖平流區(qū)中鋒生最強區(qū)域通常對應(yīng)降水大值中心，鋒消區(qū)內(nèi)無顯著降水；而原地生成型MCC冷平流弱，強降水主要位于暖區(qū)一側(cè)。

關(guān)鍵詞 中尺度對流復(fù)合體（MCC）；短時強降水；結(jié)構(gòu)差異；鋒生函數(shù)

中圖分類號： P458.2" 文獻標志碼： A" 文章編號： 2096-3599（2024）03-0087-08

DOI：10.19513/j.cnki.hyqxxb.20240119002

Subtypes and their distinguishing features of MCCs affecting Shandong

LUO Jiangshan1， LI Bo2， WAN Fujing1， REN Zhaopeng1

（1. Qingdao Meteorological Bureau， Qingdao 266003， China; 2. Heze Meteorological Bureau， Heze 274000， China）

Abstract The structural characteristics and precipitation differences of mesoscale convective complexes （MCCs） affecting Shandong are analyzed using satellite data， routine observations and ERA5 （ECMWF Reanalysis v5） data from 2007 to 2022. The results are listed below. （1） Most MCCs， developing and maturing from the evening to the early morning of the next day and then disappearing in the morning， have a long life history with an average lifespan of 7 h and 88% of 6-8 h. Based on the generation sources and moving paths of convective cloud clusters， MCCs can be classified into three types， namely eastward type， northward type and in-situ generating type， with the eastward type being the most frequent. （2） The strong precipitation in MCCs is closely related to the minimum cloud top brightness temperature （also referred to as black body temperature， TBB） and the areas of large TBB gradient. The 500-hPa circulation of the eastward type in the mid-high latitudes is flat， and the strong precipitation is located on the west-northwest side of MCC; the circulation of the northward type is meridional， with the strongest precipitation located on the south-southwest side of MCC; the in-situ generating type has weak guiding airflow， scattered distribution and small range of precipitation and the precipitation is distributed in the areas of large TBB gradient. （3） The strong convergence of cold and warm air in the eastward type and northward type leads to frontogenesis， the strongest area of frontogenesis in the warm advection zone usually corresponds to the center of large precipitation， and there is no significant precipitation in the frontolysis zone. However， the cold advection of the in-situ generating type is weak， and the strong precipitation is mainly located on the warm side.

Keywords mesoscale convective complex （MCC）; short-term heavy rainfall; structural difference; frontogenesis function

引言

短時強降水往往造成嚴重的自然災(zāi)害，預(yù)報預(yù)警難度較大［1-3］，而中尺度對流復(fù)合體（mesoscale convective complex，MCC）是造成短時強降水的重要系統(tǒng)之一［4-8］。MCC的概念由Maddox［9-10］最早提出，定義為：-32 ℃冷云面積S-32≥10×104 km2，-52 ℃冷云面積S-52≥5×104 km2，持續(xù)時間t≥6 h，橢圓形偏心率p≥0.7。國內(nèi)外諸多研究表明，MCC常出現(xiàn)在全球的中緯度、副熱帶和低緯地區(qū)的暖季，強的對流不穩(wěn)定、高溫高濕及充足的水汽輸送是MCC發(fā)生的有利環(huán)境［11-18］。Laing等［19］對5 個 MCC生成的大尺度環(huán)境進行研究，認為局地絕對濕度最大和靜力穩(wěn)定度最小適宜其形成。呂艷彬［20］對6次MCC綜合分析指出，華北平原MCC發(fā)生在移動性冷鋒前的暖區(qū)中，對流層中層有短波槽活動，對流層高層為平直西風環(huán)流。范俊紅［21］分析表明，MCC形成階段，中層出現(xiàn)暖中心并且氣旋性渦度增大，輻合輻散運動隨高度交替出現(xiàn)，量級相當。任麗等［22］發(fā)現(xiàn)MCC發(fā)展的環(huán)境場較中尺度對流系統(tǒng)而言，中低層氣旋渦度更大，高層輻散更強，即高層具有更強的抽吸作用，導(dǎo)致更強的上升運動。萬夫敬等［23］研究指出正渦度高值區(qū)、散度和垂直速度的負值中心重疊區(qū)等顯著的動力條件，可導(dǎo)致MCC后向傳播特征。

MCC作為可產(chǎn)生暴雨的一種特殊系統(tǒng)，強降水分布特征較為復(fù)雜。趙桂香等［24-25］發(fā)現(xiàn)春季MCC形成階段發(fā)展快、成熟期慢，具有前向傳播的特點，降水較為穩(wěn)定，雨團移動慢，暴雨主要由降水持續(xù)時間長造成；盛夏MCC形成慢、發(fā)展迅速，為后向傳播，以對流性降水為主，雨團移動性強，暴雨主要由短時強降水造成。黃河中游地區(qū)MCC形成在低層比濕和能量擾動的正值中心附近，在低層擾動梯度大值區(qū)，靠近正中心的區(qū)域發(fā)展成熟。刁秀廣等［26］認為強降水基本產(chǎn)生在云頂亮溫（也稱黑體溫度，black body temperature，TBB）冷中心的西側(cè)。鐘曉平等［27］對青藏高原東部地區(qū)MCC的降水特征進行研究，指出最大的降雨強度出現(xiàn)在初始階段的后期和發(fā)展階段的早期。然而，MCC的地域差異較大，目前針對山東地區(qū)MCC的形成發(fā)展機制及其造成強降水差異的原因分析相對較少。本文利用多種探測資料，采用天氣學分析和動力診斷相結(jié)合的方法，較為系統(tǒng)地對山東地區(qū)MCC分型特點、空間結(jié)構(gòu)特征及差異進行研究，以期為MCC強降水預(yù)報提供參考。

1 資料與研究方法

所用資料包括2007—2022年地面常規(guī)氣象觀測資料、ERA5資料（空間分辨率為0.25°×0.25°）、風云2號（FY-2）衛(wèi)星紅外云圖、云頂亮溫（TBB）以及逐小時區(qū)域氣象觀測站降水資料等。根據(jù)Maddox［9-10］提出的MCC定義標準，利用FY-2衛(wèi)星TBB和衛(wèi)星云圖逐時或逐半小時資料，篩選影響山東地區(qū)的MCC個例。采用ERA5等資料，通過普查歷史個例的云團發(fā)展演變規(guī)律和影響系統(tǒng)的特點等，對 MCC進行分型并進行差異性特征分析，結(jié)合動力診斷方法，研究山東地區(qū)MCC強降水落區(qū)預(yù)報的關(guān)鍵技術(shù)。

2 MCC的基本特征和分型

通過對2007—2022年區(qū)域氣象觀測站逐時降水資料和衛(wèi)星資料普查，篩選出MCC直接影響的強降水過程共24次（表1）。MCC出現(xiàn)頻率年際變化大，其中2010年和2022年最多，均有5次。MCC的月變化也較顯著，有明顯的季節(jié)性周期，絕大多數(shù)MCC出現(xiàn)在5—8月。96%的MCC生成在夏季，7月達到峰值，為11次，8月和6月次之，均為6次，5月為1次，其他月份沒有發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生MCC。另外，MCC的生消演變有明顯的日變化特征，多數(shù)在傍晚前后至次日凌晨發(fā)展成熟，早晨前后消亡，生命史較長。生命史為6～8 h的占88%，最長達到11 h，平均壽命為7 h。MCC成熟期TBB低，最低TBB在205 K以下的個例占83%，最低值低于180 K，最高值為212 K。由降水來看，全部的MCC均已產(chǎn)生短時強降水，且大多為強對流性降水，雨強最大超過90 mm·h-1。

井喜等［12］以200 hPa環(huán)流形勢為依據(jù)給出了MCC天氣學模型；趙桂香等［24-25］同時結(jié)合500 hPa環(huán)流形勢為輔助劃分了副型。但通過對山東MCC強降水云圖個例進行深入分析發(fā)現(xiàn)，MCC初始對流云團的活動具有一定規(guī)律性，大多數(shù)MCC來自山東西部、西南部和南部地區(qū)。因此，根據(jù)影響山東的MCC初始對流云團的生成源地和移動路徑（圖1），將影響山東地區(qū)的MCC主要分為3類，分別為東移型、北上型和原地生成型。其中，東移型最多，達13次，占54%；北上型次之，為7次；原地生成型最少，為4次。

3 不同類型MCC的環(huán)流背景

3.1 東移型MCC

東移型MCC初始對流云團由河北中南部、山東西部東移并發(fā)展進入山東境內(nèi)（圖1），此類過程主要影響系統(tǒng)為西風槽，包含了受西風槽系統(tǒng)影響的極少數(shù)南下個例（1個）。以2022年7月12日過程為例，分析其系統(tǒng)配置特點。12日00：00（圖2a），200 hPa南亞高壓強盛，呈帶狀分布，其北支高空存在明顯的西風急流，急流核中心風速超過60 m·s-1，山東中北部地區(qū)處于高空強輻散區(qū)，輻散中心強度在11×10-5 s-1左右，有利于深對流發(fā)展。500 hPa環(huán)流形勢為緯向型（圖2b），貝加爾湖一帶有西風槽，分裂小股冷空氣南下，引導(dǎo)氣流較強，500 hPa西風風速超過12 m·s-1，西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）西伸控制長江中下游地區(qū)，東亞沿海的高壓脊與副高同位相疊加，形成“東高西低”的環(huán)流形勢。副高北側(cè)多切變線和短波槽活動，冷暖空氣在黃淮地區(qū)交匯，MCC形成于副高西北側(cè)的西南氣流之中。850 hPa，山東西部—河北和山西一帶有緯向型切變線，切變線南側(cè)西南氣流發(fā)展強盛，達到急流強度，為暴雨區(qū)輸送充沛的水汽和不穩(wěn)定能量；另外，高低空急流的耦合為強降雨的發(fā)生發(fā)展提供有利的環(huán)境條件。

強降水開始前，12日00：00，河北中部和晉冀豫交界處有對流云團生成，對應(yīng)850 hPa假相當位溫高能舌和比濕舌，云團逐漸東移。01：00，山東西部也有小的對流云團生成，多處對流云團在東移過程中逐漸合并。05：00，對流云團強烈發(fā)展，范圍擴大，從不規(guī)則形狀發(fā)展成團狀，云頂亮溫為198～203 K。06：00， 在山東境內(nèi)發(fā)展成橢圓形的MCC，TBB最低為198 K。08：00—12：00，MCC處于旺盛階段，偏心率接近于1。最強降水中心位于MCC最低云頂亮溫中心和TBB等值線梯度最大處（MCC云團的西—西北側(cè)），旺盛階段最大小時降水量達80.6 mm（圖3a）。13：00左右，云團發(fā)生斷裂，中心分裂成2個小的對流系統(tǒng)，由MCC減弱成中尺度對流系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)變得松散，尺度變小，主體覆蓋魯中、魯南和半島中部地區(qū)。15：00左右，對流云團東移入海，逐漸消亡。

3.2 北上型MCC

北上型MCC主要影響系統(tǒng)是低渦或切變線，其初始對流云團從山東的西南—南部一帶向東北方向移入，進而造成強降水（圖1）。以2022年7月5日過程為例，分析北上型MCC系統(tǒng)配置特點。5日14：00（圖4a），200 hPa中高緯為“西槽東脊”形勢，山東位于槽前脊后，高空輻散，魯西南處于強輻散分流區(qū)，輻散中心強度為14.5×10-5 s-1，利于深對流的發(fā)展。500 hPa環(huán)流形勢為經(jīng)向型（圖4b），有深厚低槽區(qū)從貝加爾湖伸到我國華南地區(qū)，山東受南部西風槽前偏南氣流控制，引導(dǎo)氣流強，此時副高較弱，中心位于海上，但是亞洲東岸有明顯的高壓脊，形成“東高西低”形勢，有利于強降水的產(chǎn)生。配合500 hPa深槽，850 hPa上內(nèi)蒙古—河北—河南一帶有經(jīng)向型切變線，高低層配置呈現(xiàn)后傾結(jié)構(gòu)，為強降水的產(chǎn)生提供了整層增濕機制。

14：00前后，安徽、江蘇一帶有南北向分散的對流云團生成，逐漸合并加強北移。17：00前后，對流云團合并發(fā)展成西北—東南帶狀結(jié)構(gòu)。18：00左右，對流云團的北部進入山東境內(nèi)發(fā)展成近似圓形的MCC，TBB最低為198 K。20：00—23：00，MCC偏心率逐漸接近于1，緩慢向東北移動。5日23：00—6日00：00，云團尺度變小，結(jié)構(gòu)松散，主體入海逐漸消亡。隨著MCC移動，降水的大值中心位于TBB低于213 K的冷云區(qū)中心附近及其南—西南側(cè)，即最低云頂亮溫中心及TBB梯度大值區(qū)（圖3b）。對比東移型MCC，北上型MCC強降水分布范圍廣，單點雨強較強，5日21：00—22：00最大小時降水量達89.8 mm，其降水的分布傾向于云團的南側(cè)和西南側(cè)，而不是西北側(cè)。

3.3 原地生成型MCC

原地生成型MCC是指在山東境內(nèi)原地生成的孤立對流云團合并而成，其整體組織結(jié)構(gòu)比較零散，造成山東強降水的云團有很多并不是從其他地方移入的，多產(chǎn)生在魯南和蘇皖北部交界處，位置相對偏南，這種對流云團一般尺度都比較小，很難達到中α尺度，但有時也會造成局地強降水，其影響系統(tǒng)較為復(fù)雜，2007—2022年僅形成4個原地生成型MCC。以2017年7月26日過程為例，分析原地生成型MCC系統(tǒng)配置特點。26日16：00，200 hPa南亞高壓為帶狀分布，高空急流位于華北和東北一帶，高空輻散弱于其他兩類（圖5a）。500 hPa（圖5b），山東位于高空急流入口右側(cè)，高空輻散，有利于上升運動發(fā)展；魯南一帶以偏西氣流為主，但引導(dǎo)氣流較弱，風速僅為8 m·s-1。850 hPa暖式切變線位于山西、陜西一帶，山東受切變線前部西南氣流控制，未達到低空急流標準。16：00—18：00，有分散的對流云團在山東南部生成，云團逐漸增強，20：00前后與其他對流云團在魯東南發(fā)生合并，形成團狀結(jié)構(gòu)。26日23：00—27日00：00，對流云團在魯東南發(fā)展成近似圓形的MCC，偏心率逐漸接近于1，TBB最低為200 K。00：00以后云團尺度逐漸變小，結(jié)構(gòu)松散，趨于消亡，最大小時降水量達84.1 mm，降水的大值中心位于TBB梯度大值區(qū)（圖3c）。

4 MCC降水分布特征

對比分析三類MCC個例后發(fā)現(xiàn)，三類過程200 hPa高空均為輻散區(qū)，500 hPa下游形成“東高西低”的阻擋形勢，有利于強降水形成。東移型MCC中高緯環(huán)流較平直，山東地區(qū)引導(dǎo)氣流為偏西風，有利于MCC等降水系統(tǒng)東移，最強降水中心位于MCC最低云頂亮溫中心和TBB等值線梯度最大處（MCC云團的西—西北側(cè)）。北上型MCC環(huán)流的經(jīng)向度大，山東地區(qū)引導(dǎo)氣流為偏南氣流，有利于降水系統(tǒng)北抬，其暖濕條件好，降水極值大，降水大值站點數(shù)多，影響范圍大，降水的大值中心位于TBB梯度大值區(qū)（MCC對流云團的南—西南側(cè)）。原地生成型MCC引導(dǎo)氣流弱，但由于本地熱力、動力條件較為適宜，也可以造成MCC，但其降水分布零散，強降水范圍小，是三類中降水最弱的一類，降水的大值中心位于TBB梯度大值區(qū)（表2）。

鋒生是鋒的形成或加強的過程，鋒消是相反的過程。鋒生函數(shù)F采用公式（1）進行計算，當Fgt;0時為鋒生，當Flt;0時為鋒消。鋒生函數(shù)包含位溫、散度、水平風切變等因子，是與熱力和動力條件有關(guān)的綜合參量。

F=12SymbolQC@θDcos（2β）-δ，（1）

式中：θ為位溫，D為變形項（水平風切變），β為膨脹軸（x軸）與等位溫線的夾角，δ為散度［28］。

分析MCC強降水前后的鋒生函數(shù)、溫度平流和風場分布可知，MCC降水區(qū)與低層環(huán)境參量的關(guān)系密切。東移型MCC（圖6a），最強降水時段的低層冷暖平流均較強，暖平流更加顯著，體現(xiàn)出MCC生成是強烈暖平流處于主導(dǎo)地位，在36.5°E、118.3°N附近有冷平流中心（即負值中心）侵入暖平流區(qū)，冷暖空氣交匯，鋒生效應(yīng)顯著；魯西北地區(qū)東部有東北—西南走向的鋒生區(qū)，與最強降水區(qū)走向一致，強降水集中在冷暖平流交界的鋒生區(qū)偏暖氣團一側(cè)，鋒消區(qū)內(nèi)無顯著降水。北上型MCC（圖6b），冷平流非常弱，而暖平流仍然處于主導(dǎo)地位，其短時強降水的分布主要在暖平流區(qū)之中，暖平流區(qū)中鋒生最強區(qū)域通常對應(yīng)降水大值中心。原地生成型（圖6c），暖平流處于主導(dǎo)地位，冷平流作用不顯著，但暖平流造成較強的暖鋒鋒生，強降水主要位于暖鋒的暖區(qū)一側(cè)，并且原地生成型MCC南風風速較前兩類小。由此可見，三類MCC都是暖平流處于主導(dǎo)地位，其中東移型和北上型MCC都有冷平流參與，強降水集中在鋒生函數(shù)的正值區(qū)中，暖平流區(qū)中鋒生最強區(qū)域通常對應(yīng)降水大值中心，鋒消區(qū)內(nèi)無顯著降水；而原地生成型MCC冷平流弱，強降水主要位于暖區(qū)一側(cè)。

5 結(jié)論

利用2007—2022年衛(wèi)星、常規(guī)探測和ERA5等資料，對影響山東的MCC進行天氣學分型，并對其結(jié)構(gòu)特征及降水差異進行歸類分析。得出以下主要結(jié)論：

（1）MCC出現(xiàn)頻率年際變化很大，2010年和2022年最多。同時，MCC顯示出明顯的季節(jié)性周期，96%的MCC生成在夏季，7月最多，8月和6月次之，5月為1次，其他月份未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生MCC。MCC的生消演變也有明顯的日變化特征，多數(shù)在傍晚前后至次日凌晨發(fā)展成熟，早晨消亡，生命史較長，平均壽命為7 h，生命史在6～8 h的占88%，最長壽命達11 h。MCC成熟期云頂亮溫低，最低云頂亮溫在203 K以下的個例占83%。全部的MCC均產(chǎn)生短時強降水，7月大多表現(xiàn)為強對流性降水。

（2）根據(jù)MCC初始對流云團的生成源地和移動路徑，將影響山東的MCC分為東移型、北上型和原地生成型。其中，東移型最多，達13次，占54%；北上型次之，為7次；原地生成型僅為4次。

（3）MCC強降水與最低云頂亮溫和TBB梯度大值區(qū)密切相關(guān)。東移型MCC中高緯環(huán)流較平直，引導(dǎo)氣流為偏西風，最強降水中心位于MCC最低云頂亮溫中心和TBB等值線梯度最大處（MCC云團的西—西北側(cè)）。北上型MCC環(huán)流經(jīng)向度大，山東地區(qū)引導(dǎo)氣流為偏南風，降水極值大，影響范圍大，最強降水位于MCC對流云團的南—西南側(cè)。原地生成型MCC引導(dǎo)氣流弱，降水分布零散，影響范圍小，是三類中降水最弱的。

（4）三類MCC都是暖平流處于主導(dǎo)地位。東移型和北上型MCC均有冷平流參與，強烈的冷暖空氣交匯造成鋒生，暖平流區(qū)中鋒生最強區(qū)域通常對應(yīng)降水大值中心，鋒消區(qū)內(nèi)無顯著降水；而原地生成型冷平流弱，強降水主要位于暖區(qū)一側(cè)。

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