王曉芳許小峰崔春光趙玉春孫建華陳忠明傅慎明

（1 中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074 2 中國(guó)氣象局，北京 100081 3 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029 4 中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所，成都 610072）

長(zhǎng)江流域雨季中尺度對(duì)流系統(tǒng)研究
——國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目（40930951）成果簡(jiǎn)介

王曉芳1許小峰2崔春光1趙玉春1孫建華3陳忠明4傅慎明3

（1 中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074 2 中國(guó)氣象局，北京 100081 3 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029 4 中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所，成都 610072）

長(zhǎng)江流域產(chǎn)生暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)（Mesoscale convective systems，MCS）是雨季強(qiáng)降水的重要影響系統(tǒng)，深入研究它的組織結(jié)構(gòu)、活動(dòng)規(guī)律及其發(fā)生發(fā)展機(jī)制，對(duì)提高暴雨的預(yù)報(bào)能力有重大意義。近3年來(lái)依托國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)展開(kāi)了一系列研究，包括對(duì)長(zhǎng)江流域產(chǎn)生暴雨的MCS進(jìn)行組織形態(tài)分類(lèi)、分析了不同線(xiàn)狀MCS的結(jié)構(gòu)特征、合成分析了各線(xiàn)狀MCS產(chǎn)生的環(huán)境條件；我國(guó)三階地形對(duì)降水的影響，尤其是山地—平原環(huán)流對(duì)梅雨鋒夜間降水的影響；中尺度地形對(duì)對(duì)流降水的影響；濕斜壓熱動(dòng)力耦合強(qiáng)迫激發(fā)MCS發(fā)生發(fā)展的影響；最后總結(jié)了長(zhǎng)江流域產(chǎn)生暴雨的MCS的物理概念模型。

中尺度對(duì)流系統(tǒng)，組織結(jié)構(gòu)，環(huán)境條件，地形，概念模型

1 引言

長(zhǎng)江流域產(chǎn)生暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)是由多積云單體組成的深對(duì)流與層狀云混合降水的系統(tǒng)。國(guó)外對(duì)MCS做了許多深入的研究工作,與產(chǎn)生暴雨的機(jī)理有密切關(guān)系。眾多觀測(cè)表明,對(duì)流組織化與環(huán)境風(fēng)鉛直切變存在密切的關(guān)系,并且許多數(shù)值模擬分析逐漸對(duì)此做出了定量表述[1-6]。現(xiàn)在已基本公認(rèn)是由降水蒸發(fā)作用產(chǎn)生的地面冷出流與環(huán)境切變的相互作用經(jīng)由前沿新單體的再生促成了對(duì)流系統(tǒng)的組織化和維持[5]。然而其他許多因子,例如中層和高層的風(fēng)切變,自由大氣中的相對(duì)濕度和靜力穩(wěn)定度,對(duì)流有效位能(CAPE),MCS引起的重力波和天氣尺度作用等都可能有重要影響。再者,在沒(méi)有低層環(huán)境切變的時(shí)候也能觀測(cè)到MCS,數(shù)值模擬也表明由冷丘與中高層切

變間、冷丘與低層平均風(fēng)之間、冷丘與對(duì)流自身產(chǎn)生的低層切變之間[7]的相互作用以及重力波機(jī)制都能激發(fā)MCS。Schumacher等[8]最新研究表明,在相當(dāng)濕的環(huán)境里,即使沒(méi)有近地面冷堆,低空急流與深對(duì)流加熱相互作用激發(fā)的低層重力波可使對(duì)流組織成一個(gè)移動(dòng)緩慢的MCS。

以往多用衛(wèi)星資料來(lái)展現(xiàn)產(chǎn)生暴雨的MCS的活動(dòng),或者用數(shù)值模擬或再分析資料診斷產(chǎn)生暴雨MCS的基本環(huán)境特征等[9-10],近年來(lái)隨著我國(guó)觀測(cè)技術(shù)的提高,結(jié)合中尺度再分析系統(tǒng)研究MCS的可獲取數(shù)據(jù)越來(lái)越多[11],在理論上也得到了一些有意義的結(jié)果[12]。這里主要以觀測(cè)分析結(jié)合高分辨率數(shù)值模擬介紹近3年關(guān)于長(zhǎng)江流域MCS研究的一些成果。

2 長(zhǎng)江流域產(chǎn)生暴雨的MCS的分類(lèi)研究

由線(xiàn)狀MCS的組織形態(tài)、單體相對(duì)系統(tǒng)的移動(dòng)方向和系統(tǒng)的移動(dòng)特征,將線(xiàn)狀MCS分為8個(gè)確定的類(lèi)型:尾隨層狀降水MCS(Trailing Stratiform MCS,簡(jiǎn)稱(chēng)TS)、準(zhǔn)靜止后向建立MCS(Backbuilding/Quasi-Stationary MCS,簡(jiǎn)稱(chēng)BB)、鄰接層狀單向發(fā)展MCS (Training Line/Adjoining Stratiform MCS,簡(jiǎn)稱(chēng)TL/ AS)、前導(dǎo)層狀降水MCS(Leading Stratiform MCS,簡(jiǎn)稱(chēng)LS)、平行層狀降水MCS(Parallel Stratiform MCS,簡(jiǎn)稱(chēng)PS)、斷裂線(xiàn)狀MCS(Broken Line MCS,簡(jiǎn)稱(chēng)BL)、鑲嵌線(xiàn)狀MCS(Embedded Line MCS,簡(jiǎn)稱(chēng)EL)、長(zhǎng)帶層狀降水MCS(Long Line MCS,簡(jiǎn)稱(chēng)LL)。在8類(lèi)確定類(lèi)型中前6類(lèi)MCS的組織形式、單體發(fā)展、系統(tǒng)移動(dòng)和國(guó)外已有MCS分類(lèi)有共性,故沿用已有的類(lèi)型名稱(chēng),后兩類(lèi)MCS尚未有文獻(xiàn)提及,特別是長(zhǎng)帶層狀降水MCS,它們是分析長(zhǎng)江流域梅雨期MCS類(lèi)型特征時(shí)新統(tǒng)計(jì)的兩種線(xiàn)狀MCS類(lèi)型,這里僅根據(jù)它們的模態(tài)特征命名。

王曉芳等[13]用雷達(dá)組合反射率因子拼圖資料統(tǒng)計(jì)得到2010—2012年6—7月長(zhǎng)江流域MCS個(gè)例大約379個(gè),其中有組織的線(xiàn)狀MCS為195個(gè),占51.5%；非線(xiàn)狀區(qū)域MCS有184個(gè),占48.5%,有組織的線(xiàn)狀MCS發(fā)生數(shù)略占優(yōu)勢(shì)(圖1)。線(xiàn)狀MCS中最大百分?jǐn)?shù)是TS類(lèi),為 22.6%,大于1/5,其次是BB類(lèi),為19.4%,其他線(xiàn)狀MCS的百分率從14.4%到3.1%不等。

綜合各個(gè)類(lèi)型的大量個(gè)例并參考國(guó)內(nèi)外已有的研究,圖2給出了長(zhǎng)江流域梅雨期成熟階段MCS的組織類(lèi)型示意圖。非線(xiàn)狀MCS(None Linear MCS ,簡(jiǎn)稱(chēng)NL)主要是大片回波中嵌有或多或少的無(wú)組織強(qiáng)對(duì)流回波,其運(yùn)動(dòng)情形很復(fù)雜,有快速移動(dòng)的、有緩慢移動(dòng)的、有靜止的。線(xiàn)狀MCS中TS、LS、PS、BL四類(lèi)是快速移動(dòng)的,TL/AS、BB、EB、LL則移動(dòng)緩慢,幾乎是靜止少動(dòng)的。移動(dòng)快的MCS在發(fā)展初期產(chǎn)生的降水量一般較小,強(qiáng)降水主要發(fā)生在成熟期,由它們發(fā)展初期的移動(dòng)方向和移動(dòng)速度,可外推未來(lái)3～4h內(nèi)強(qiáng)降水的大致落區(qū)；準(zhǔn)靜止MCS根據(jù)其雷達(dá)回波特征可預(yù)測(cè)未來(lái)強(qiáng)降水的落區(qū),特別是極端降水天氣的預(yù)警。顯然非線(xiàn)狀MCS較線(xiàn)狀MCS的組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

此外,Zheng等[14]依據(jù)回波形態(tài)將 MCS分為7類(lèi),回波形態(tài)基本包含在圖2各類(lèi)型中,其中將TS MCS類(lèi)中的易造成大風(fēng)劇烈天氣的弓狀回波單獨(dú)分為一類(lèi),稱(chēng)之為弓狀回波。

3 長(zhǎng)江流域產(chǎn)生暴雨的線(xiàn)狀MCS的環(huán)境條件

在雨季,暴雨天氣往往發(fā)生在有利的天氣尺度條件下,如副熱帶高壓、中高緯度冷空氣活動(dòng)、高原中尺度系統(tǒng)東移、南海季風(fēng)涌等多尺度天氣系統(tǒng)的協(xié)同作用。在這些系統(tǒng)處于活躍期時(shí),梅雨鋒上出現(xiàn)暴雨,但并不是整個(gè)梅雨鋒帶上普降強(qiáng)降水,降水存在不均勻性,這說(shuō)明降水強(qiáng)弱還與局地的氣象條件密切相關(guān)。王曉芳等[15]診斷分析了2010年長(zhǎng)江中游梅雨期β中尺度系統(tǒng)的環(huán)境特征,強(qiáng)調(diào)了局地大氣層結(jié)的變

化特征和鋒生作用。

圖1 各類(lèi)MCS百分比分布 （a）所有類(lèi)型MCS百分比；（b）不同線(xiàn)狀MCS百分比

利用探空資料合成5類(lèi)線(xiàn)狀MCS的環(huán)境風(fēng)特征(圖3)[16],如TS MCS和TL/AS MCS在對(duì)流層隨高度都存在較大從前向后的垂直對(duì)流線(xiàn)的風(fēng)分量；LS MCS在對(duì)流層隨高度首先展示從前向后的垂直對(duì)流線(xiàn)的風(fēng)分量,到中高層就轉(zhuǎn)為從后向前的垂直對(duì)流線(xiàn)的風(fēng)分量；平行對(duì)流線(xiàn)的風(fēng)分量這3類(lèi)MCS隨高度都明顯增加；風(fēng)垂直切變?cè)趯?duì)流層中層TS MCS和LS MCS都是垂直對(duì)流線(xiàn)方向,而TL/AS MCS則表現(xiàn)為平行于對(duì)流線(xiàn)方向。PS MCS和BB MCS在對(duì)流層平行于對(duì)流線(xiàn)的風(fēng)分量隨高度增大,且PS MCS增大得更顯著；風(fēng)垂直切變方向是平行于對(duì)流線(xiàn)方向?yàn)橹?但風(fēng)垂直切變大小較弱,PS MCS風(fēng)垂直切變大小比BB MCS略大些。

線(xiàn)狀MCS發(fā)生在條件不穩(wěn)定的環(huán)境氣團(tuán)中,TS類(lèi)環(huán)境不穩(wěn)定度最大,其后依次是TL/AS類(lèi)、LS類(lèi)、BB類(lèi),而PS類(lèi)則發(fā)生在條件不穩(wěn)定性最小的空氣團(tuán)中。長(zhǎng)江流域梅雨期環(huán)境空氣的穩(wěn)定程度與大氣中可降水量大小沒(méi)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。合成計(jì)算它們熱力學(xué)參數(shù)的平均值,不同類(lèi)MCS發(fā)生的環(huán)境物理量有明顯的差異。

對(duì)非線(xiàn)狀MCS,回波組織紊亂,規(guī)律性不強(qiáng)。崔春光等[17]利用多源探測(cè)資料分析了一次非線(xiàn)狀MCS發(fā)生發(fā)展機(jī)理,對(duì)流層中低層切變線(xiàn)的維持、冷空氣入侵、地面小渦旋流場(chǎng)是對(duì)流觸發(fā)抬升的主要機(jī)制,邊界層風(fēng)垂直切變的多樣化表明非線(xiàn)狀MCS發(fā)展環(huán)境的復(fù)雜性。鄭淋淋等[18]對(duì)2007—2010年暖季(6—9月)發(fā)生在江淮流域46個(gè)對(duì)流天氣過(guò)程的環(huán)流背景和地面特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究。根據(jù)整層可降水量小于或大于等于50mm將這些個(gè)例發(fā)生的環(huán)境分成干環(huán)境(10個(gè)個(gè)例)和濕環(huán)境(36個(gè)個(gè)例)。干環(huán)境下發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的天氣形勢(shì)可以分為槽后型和副高邊緣型,濕環(huán)境下的天氣形勢(shì)可分為槽前型、副高邊緣型和槽后型,濕環(huán)境下有明顯的暖濕區(qū)配合。濕環(huán)境下槽前型發(fā)生的概率最高,地面系統(tǒng)較為復(fù)雜,有靜止鋒、倒槽、冷鋒和暖鋒,而干環(huán)境下在本研究的個(gè)例中無(wú)槽前型發(fā)生。干、濕環(huán)境下副高邊緣型的對(duì)流從地面到500hPa都發(fā)生在副高后部的“S”流型的拐彎處,但部分濕環(huán)境個(gè)例低層有切變線(xiàn)。干環(huán)境下槽后型的發(fā)生概率較高,而濕環(huán)境下發(fā)生概率則相對(duì)較少。干、濕環(huán)境下強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)和維持機(jī)制存在明顯的差異。

圖2 長(zhǎng)江流域梅雨期MCS成熟階段組織類(lèi)型的雷達(dá)反射率因子示意圖（陰影由淺到深對(duì)應(yīng)反射率因子值分別為20、30和40dBz）

4 兩個(gè)不同類(lèi)型線(xiàn)狀MCS的結(jié)構(gòu)特征

4.1 TS MCS結(jié)構(gòu)特征

雷達(dá)回波顯示TS MCS由系統(tǒng)移動(dòng)前向后依次是強(qiáng)而窄的回波帶、過(guò)渡帶、后方寬廣的次強(qiáng)層狀回波區(qū)；新單體在對(duì)流區(qū)前沿產(chǎn)生,成熟單體減弱為后方的弱回波區(qū),在不斷的生消交替過(guò)程中系統(tǒng)向前移動(dòng)。

圖3 各類(lèi)線(xiàn)狀MCS相對(duì)對(duì)流線(xiàn)垂直和平行的平均風(fēng)分量的垂直剖面分布圖 （豎箭頭代表平行對(duì)流線(xiàn)的平均風(fēng)分量，橫箭頭代表垂直對(duì)流線(xiàn)的平均風(fēng)分量）

由觀測(cè)分析和模擬結(jié)果總結(jié)TS類(lèi)的概念模型[19-20],如圖4a所示。TS MCS由對(duì)流區(qū)和層狀區(qū)組成,新單體在對(duì)流帶前方生成,舊單體在強(qiáng)回波帶中

減弱為后面的弱回波區(qū)；TS MCS內(nèi)低層南北入流區(qū)都為高θse(相當(dāng)位溫)值,氣流沿著窄的高濕高θse值區(qū)上升,到對(duì)流層高層高θse值氣流分別向北、向南形成系統(tǒng)的出流,向北的傾斜上升支構(gòu)成了層狀區(qū)域高層的寬闊上升運(yùn)動(dòng)區(qū)；層狀區(qū)中層低θse值區(qū)的下沉氣流和近地層北風(fēng)一起構(gòu)成系統(tǒng)的北側(cè)入流,對(duì)流區(qū)前方(南側(cè))中層低θse值區(qū)的下沉氣流和近地南風(fēng)一起構(gòu)成系統(tǒng)的南側(cè)入流。低層風(fēng)切變和TS MCS后部冷池的相互作用是造成TS MCS垂直結(jié)構(gòu)的主要原因。圖4b是TS MCS移動(dòng)的示意圖,對(duì)流線(xiàn)整體向東南移動(dòng),回波單體由東南向東北移動(dòng),則新單體主要向南傳播。

4.2 LS MCS結(jié)構(gòu)特征

系統(tǒng)在雷達(dá)回波上主要分兩部分(圖5):后方回波強(qiáng)而窄的對(duì)流帶和前方回波相對(duì)弱的寬層狀降水區(qū),在對(duì)流帶和層狀降水區(qū)之間有一條回波更弱的轉(zhuǎn)換帶。對(duì)流單體有時(shí)朝著對(duì)流線(xiàn)垂直方向拉長(zhǎng)和傾斜。流場(chǎng)上RFLS系統(tǒng)主要由四種氣流組成:在層狀降水區(qū)前方中低層有一個(gè)由上而下轉(zhuǎn)為從前向后的入流、對(duì)流層低層從后向前的入流、朝前傾斜的上升氣流和中上層由后向前的氣流。系統(tǒng)在組織階段開(kāi)始產(chǎn)生前導(dǎo)層狀降水區(qū),到成熟階段垂直氣流發(fā)展旺盛,前方的層狀降水區(qū)變寬。中低層垂直對(duì)流線(xiàn)的垂直風(fēng)切變隨時(shí)間增大,以及地面冷丘隨時(shí)間變化減弱或者不變是18日RFLS系統(tǒng)上升氣流向前傾斜的主要原因[21]。

5 長(zhǎng)江流域MCS發(fā)生發(fā)展機(jī)理研究

5.1 線(xiàn)狀MCS的試驗(yàn)

(1) 通過(guò)理想風(fēng)垂直廓線(xiàn)和梅雨期典型溫濕廓線(xiàn)的數(shù)值模擬,研究了風(fēng)垂直切變對(duì)線(xiàn)性中尺度對(duì)流系統(tǒng)組織模態(tài)的影響,風(fēng)垂直切變對(duì)線(xiàn)性中尺度對(duì)流系統(tǒng)不同組織模態(tài)的形成有重要作用,基本氣流、風(fēng)垂直切變、地面冷池和重力波及其相互作用等是決定中尺度對(duì)流系統(tǒng)中單體再生、移動(dòng)和傳播以及對(duì)流系統(tǒng)中層狀云形成的重要因子。

(2) 趙玉春[22]針對(duì)梅雨鋒(濕度鋒)上或附近偏南暖濕氣流一側(cè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)不斷發(fā)生發(fā)展和長(zhǎng)時(shí)間維持而引發(fā)長(zhǎng)江流域暴雨的觀測(cè)事實(shí),利用WRF模式設(shè)計(jì)了一系列三維理想數(shù)值試驗(yàn),梅雨鋒兩側(cè)自身水汽差異造成的質(zhì)量不平衡可在梅雨鋒附近激發(fā)出小振幅重力波,在梅雨鋒暖濕氣流一側(cè)對(duì)流層低層產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng),并與非絕熱加熱過(guò)程耦合激發(fā)出對(duì)流形成一條平行于梅雨鋒的對(duì)流降雨帶,對(duì)流系統(tǒng)的尺度一般為20～60km,對(duì)流雨帶形成后逐漸向南傳播,其中對(duì)流擾動(dòng)形成后激發(fā)出振幅更大的重力波向南傳播,以及對(duì)流雨帶北側(cè)干下沉氣流支的低層回流對(duì)新對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)可能在對(duì)流雨帶的南移中起到重要作用?；練饬鞯钠搅餍?yīng)使梅雨鋒移動(dòng),有利于抵消梅雨鋒對(duì)流雨帶南移效應(yīng),它對(duì)水汽和能量的輸送在梅雨鋒中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展中起到了重要作用。風(fēng)的方向變化引起的風(fēng)垂直切變有利于梅雨鋒對(duì)流的啟動(dòng)和中尺度對(duì)流系統(tǒng)的組織,并影響中尺度對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)方向；而風(fēng)的大小形成的風(fēng)垂直切變似乎并不利于梅雨鋒上對(duì)流的啟動(dòng)和中尺度對(duì)流系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間維持。

圖4 TS MCS垂直剖面結(jié)構(gòu)（a）和系統(tǒng)移動(dòng)（b）示意圖 （淺灰色是高θse區(qū)，淺藍(lán)色是低θse區(qū)，風(fēng)隨高度演變主要顯示了緯向風(fēng)的變化）

5.2 地形對(duì)MCS發(fā)生發(fā)展的影響

5.2.1 山地－平原環(huán)流對(duì)梅雨鋒上夜間降水的影響

Sun等[23]通過(guò)對(duì)江淮流域強(qiáng)降水的分析發(fā)現(xiàn),在第二級(jí)地形的東側(cè)有梅雨鋒的強(qiáng)降雨中心存在,降雨中心的日變化顯著,并且有夜間降雨峰值。圖6給出了梅雨鋒上山地—平原環(huán)流(mountain-plain solenoid circulation ,MPS)、MCS和中尺度對(duì)流渦旋(mesoscale convective vortex,MCV)發(fā)展的概念模型。梅雨期,在副熱帶高壓和西風(fēng)帶系統(tǒng)的影響下,東西向的雨帶位于我國(guó)的江淮流域,梅雨鋒上的二

級(jí)地形以東地區(qū)渦旋較為活躍。白天,在二級(jí)地形以東地區(qū)有渦旋產(chǎn)生,但由于山地—平原環(huán)流下沉支的影響,降雨較弱,較強(qiáng)的降雨發(fā)生在梅雨鋒的東段, MCV東移帶來(lái)較強(qiáng)的降雨。而晚上,MPS環(huán)流上升支加強(qiáng)了對(duì)流,導(dǎo)致了MCV的生成和東移發(fā)展,從而有利于激發(fā)長(zhǎng)江流域MCS發(fā)生發(fā)展。

圖5 LS MCS系統(tǒng)氣流示意圖（帶箭頭粗線(xiàn)代表系統(tǒng)內(nèi)氣流構(gòu)成，細(xì)實(shí)線(xiàn)表示回波強(qiáng)度大小，由外而內(nèi)分別為5、20和40dBz；淺色陰影代表20dBz，深色陰影為40dBz）

5.2.2 梅雨期青藏高原等三階地形對(duì)MCS發(fā)生發(fā)展的影響

在Sun等[23]研究的基礎(chǔ)上,仍然選取2007年7月1—10日梅雨期降水個(gè)例做試驗(yàn),主要結(jié)論如下。

我國(guó)中緯度地區(qū)從西至東三段地形臺(tái)階產(chǎn)生了山地―平原環(huán)流(圖7),從而分別在青藏東部和四川盆地之間,太行山—巫山山脈東部和江淮流域平原間,以及我國(guó)沿海地區(qū)和其鄰近海洋之間產(chǎn)生了白天的三個(gè)正熱力環(huán)流圈(Sn)和夜晚的三個(gè)反熱力環(huán)流圈(ASn)。白天正熱力環(huán)流圈的下沉支分別阻礙了四川盆地和江淮流域上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展,因此降水量在白天為低值,但是夜晚反熱力環(huán)流圈的上升支促進(jìn)了四川盆地和江淮流域梅雨鋒上的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng),使降水量達(dá)到峰值。夜間高原東部與四川盆地地區(qū)的MPS環(huán)流圈的上升支的擾動(dòng)使得西南低渦有所增強(qiáng),并且向其東北方向伸展,110?E以東的梅雨鋒的氣旋式切變?cè)鰪?qiáng),又由于太行山—巫山山脈東部和江淮流域平原的山地―平原環(huán)流在110?E東側(cè)上升支的作用,觸發(fā)了梅雨鋒上的渦旋,同時(shí)低空急流對(duì)水汽輸送和上升運(yùn)動(dòng)的維持又有利于梅雨鋒渦旋及MCS的發(fā)展和維持。

青藏東部在午后至傍晚(06—10時(shí),本文如無(wú)特別說(shuō)明均采用世界時(shí))由于太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的地面加熱的積累,對(duì)流系統(tǒng)活躍,降水量達(dá)到峰值。四川盆地在夜晚初期到次日凌晨(12—20時(shí)),由于AS1熱力環(huán)流上升支的作用,降水量增強(qiáng)。我國(guó)東部淮河流域梅雨鋒上降水的峰值出現(xiàn)在夜晚后期至次日清晨(15—23時(shí)),與AS2的上升支有關(guān)。

山地―平原環(huán)流影響梅雨鋒降雨是一些天氣系統(tǒng)配合和活躍的結(jié)果,包括青藏高原和四川盆地、二級(jí)地形和東部平原的山地―平原環(huán)流,西南渦、梅雨鋒渦旋的共同影響。

5.2.3 中尺度地形影響

趙玉春等[24]根據(jù)長(zhǎng)江中下游中小尺度地形特征和梅雨鋒上MCS發(fā)展的典型探空曲線(xiàn),設(shè)計(jì)理想數(shù)值試驗(yàn)來(lái)研究中尺度地形對(duì)流降水模態(tài),探討了不同地形高度、尺度、形狀(水平形態(tài)比)、環(huán)境氣流以及旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)降水模態(tài)和分布的影響,發(fā)現(xiàn)地形重力波破碎觸發(fā)對(duì)流是地形對(duì)流降水的主要機(jī)制之一,地形重力波的形成、特征和傳播受到環(huán)境條件制約,也受到地形自身參數(shù)的影響。當(dāng)對(duì)流形成后,對(duì)流系統(tǒng)自身的下曳氣流和降水蒸發(fā)冷卻形成的向外流出的低層輻散氣流可激發(fā)出新的對(duì)流,同時(shí)對(duì)流還可激發(fā)出重力波與地形重力波相互作用,使地形降水模態(tài)復(fù)雜化。不同地形高度、尺度、形狀和環(huán)境氣流下,地形降水存在著多種模態(tài),其中迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡、山頂附近以及地形上下游存在準(zhǔn)靜止的降水模態(tài),地形上游、下游分別存在向上游、下游傳播的降水模態(tài),地形兩翼還存在向下游傳播的降水模態(tài),對(duì)流降水、穩(wěn)定層結(jié)降水以及對(duì)流與穩(wěn)定層結(jié)混合的降水均可出現(xiàn)在這些降水模態(tài)中,這取決于對(duì)流是否觸發(fā)。地形降水對(duì)地形無(wú)量鋼參數(shù)v/NWh和Na/v非常敏感,單一地形無(wú)量綱參數(shù)并不能決定降水的分布。地形下游和兩翼降水模態(tài)和分布的差異主要與不同地形參數(shù)和環(huán)境氣流下地形激發(fā)的重力波特性不同有關(guān)(圖8)。

5.3 濕斜壓熱動(dòng)力耦合強(qiáng)迫激發(fā)MCS發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力機(jī)制探討

圖6 梅雨鋒上夜雨峰值概念模型（a）梅雨鋒MCS、背風(fēng)氣旋和MCV的水平分布（粉色虛線(xiàn)為MCV的移動(dòng)路徑，藍(lán)色陰影為500m以上的地形）；（b）與夜雨峰值相關(guān)的所有系統(tǒng)的垂直分布（紅線(xiàn)：位溫（θ），粉線(xiàn)：下坡風(fēng)，箭頭：距平風(fēng)，綠線(xiàn)：MPS環(huán)流）

陳忠明等[25]從包含非絕熱加熱的原始方程出發(fā),

將大氣的斜壓熱力作用通過(guò)熱力學(xué)方程引入散度方程,在替換平衡近似(alternative balance)下,導(dǎo)出了顯式包含非絕熱加熱分布與垂直風(fēng)切變相互作用、斜壓熱動(dòng)力耦合強(qiáng)迫影響的新型散度方程:

對(duì)于純東西風(fēng)型,沒(méi)有南北風(fēng)分量(v=0)的情形,則簡(jiǎn)化(1)為:

由于非絕熱加熱非均勻分布與垂直風(fēng)切變相互作用就在加熱中心區(qū)的上游和下游形成一個(gè)輻散和輻合增長(zhǎng)偶,促進(jìn)輻合中心的向東(下游)傳播。

對(duì)于純南北風(fēng)型,沒(méi)有東西風(fēng)分量(u=0)的情形,則簡(jiǎn)化(1)為:

由于非絕熱加熱非均勻分布與垂直風(fēng)切變相互作用就在加熱中心區(qū)的上游和下游形成一個(gè)輻散和輻合

增長(zhǎng)偶,促進(jìn)輻合中心的向北(下游)傳播。

對(duì)于實(shí)際大氣的情況,它既不是純粹的西風(fēng),也不是純粹的南風(fēng),通常以西南風(fēng)為主,這時(shí),非絕熱加熱非均勻分布與垂直風(fēng)切變相互作用激發(fā)散度變化的情形也就是上述兩種情況的合成,即在加熱中心區(qū)的上游和下游形成一個(gè)輻散和輻合增長(zhǎng)偶,促進(jìn)輻合中心向下游傳播。

6 長(zhǎng)江流域梅雨鋒暴雨系統(tǒng)物理概念模型

趙玉春等[26]根據(jù)大量個(gè)例研究并結(jié)合前人研究成果總結(jié)了典型梅雨鋒暴雨系統(tǒng)的物理概念模型(圖9):在對(duì)流層中低層(900～700hPa),梅雨鋒輻合帶主要由西太平洋副熱帶高壓西側(cè)外圍的西南暖濕氣流和東北低渦后部(或者華北高壓前部)的偏北氣流匯流而成[27]。梅雨鋒(θe鋒)位于暖濕高θe氣團(tuán)和低θe氣團(tuán)的交接地帶(即θe密集帶或梯度大值區(qū)),梅雨鋒正渦度帶、輻合帶和上升運(yùn)動(dòng)帶位于θe密集帶偏南一側(cè)。梅雨鋒輻合帶恰好位于對(duì)流層高層(100hPa)南亞高壓脊線(xiàn)附近的強(qiáng)輻散區(qū)的下方。梅雨鋒傾斜向上伸展,梅雨鋒南側(cè)為傾斜向上伸展的高θe舌。對(duì)流層中層(500hPa)短波槽東移為梅雨鋒上的MCS發(fā)展提供有利的動(dòng)力和熱力條件(大尺度強(qiáng)迫),梅雨鋒南側(cè)的西南低空急流為梅雨鋒暴雨的形成提供充分的水汽和能量,同時(shí)低空急流出口區(qū)附近動(dòng)力強(qiáng)迫在梅雨鋒上MCS的發(fā)生發(fā)展中起到極為重要的作用[28]。梅雨鋒云帶上有多個(gè)α-MCS不斷生消,并伴有β和γ中尺

度對(duì)流云團(tuán)活動(dòng),這些β和γ中尺度對(duì)流云團(tuán)往往嵌套在 α-MCS內(nèi),有的也在梅雨鋒云帶上或者南側(cè)孤立發(fā)生發(fā)展。梅雨鋒偏南暖濕氣流一側(cè)的β和γ中尺度系統(tǒng)在對(duì)流層中低層風(fēng)場(chǎng)上往往表現(xiàn)為偏南氣流中的氣旋性擾動(dòng)。不同尺度的對(duì)流系統(tǒng)活動(dòng)引發(fā)的強(qiáng)降水凝結(jié)潛熱加熱對(duì)流層中層大氣,使梅雨鋒附近的氣層變得趨于穩(wěn)定,導(dǎo)致對(duì)流活動(dòng)可能激發(fā)出慣性重力波,它在梅雨鋒附近活動(dòng)有利于新對(duì)流系統(tǒng)的形成[29]。梅雨鋒南北兩側(cè)分別存在著一熱力間接和直接環(huán)流圈[30]。

圖8 山脈高度（a）、尺度（b）、水平形態(tài)比（c）和環(huán)境氣流（d）試驗(yàn)組積分30min模擬的沿地形中線(xiàn)4km高度上的位溫（單位：K）分布

圖9 典型梅雨鋒暴雨系統(tǒng)物理概念模型示意圖

7 小結(jié)

綜上所述,項(xiàng)目組在產(chǎn)生暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)的組織分類(lèi)、環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)特征、地形影響及其發(fā)生發(fā)展機(jī)制等方面取得了新的進(jìn)展。給出了長(zhǎng)江流域HRPMCS的統(tǒng)計(jì)特性,特別是組織分類(lèi),還有MCS的生命史、傳播、地理分布以及相應(yīng)的環(huán)境條件。通過(guò)大量個(gè)例的診斷分析揭示部分線(xiàn)狀產(chǎn)生暴雨的MCS成熟階段的三維結(jié)構(gòu)特征及其形成的可能物理機(jī)制。采用高分辨率的數(shù)值模擬和設(shè)計(jì)理想試驗(yàn)揭示了產(chǎn)生暴雨的MCS發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵影響因子,以及大地形和中尺度地形對(duì)MCS發(fā)展的作用；給出梅雨鋒上MCS發(fā)生發(fā)展機(jī)理的理論解釋。綜合模擬結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果的分析,提出了長(zhǎng)江流域產(chǎn)生暴雨的MCS的物理概念模型。

[1]Parker M D, Johnson R H. Organizational modes of midlatitude mesoscale convective systems. Monthly Weather Review, 2000, 128(10): 3413-3436.

[2]Schumacher R S, Johnson R H. Organization and environmental properties of extreme-rain-producing mesoscale convective systems. Monthly Weather Review, 2005, 133(4): 961-976.

[3]Johnson R H, Aves S L，et al. Organization of oceanic convection during the onset of the 1998 East Asian summer monsoon. Monthly Weather Review, 2005, 133(1): 131-148.

[4]Robe F R, Emanuel K A. The effect of vertical wind shear on radiative-convective equilibrium states. Journal of the Atmospheric Sciences, 2001, 58(11): 1427-1445.

[5]Weisman M L, Rotunno R. “A theory for strong long-lived squall lines”revisited. Journal of the Atmospheric Sciences, 2004, 61(4): 361-382.

[6]Weisman M L, Klemp J B, Rotunno R. Structure and evolution of numerically simulated squall lines. Journal of the Atmospheric Sciences, 1988, 45(14): 1990-2013.

[7]LeMone M A, Zipser E J, Trier S B. The role of environmental shear and thermodynamic conditions in determining the structure and evolution of mesoscale convective systems during TOGA COARE. Journal of the Atmospheric Sciences,1998, 55(23): 3493-3518.

[8]Schumacher R S, Johnson R H. Mesoscale processes contributing to extreme rainfall in a midlatitude warm-season fl ash fl ood. Monthly Weather Review, 2008, 136: 3964-3986.

[9]楊康權(quán), 陳忠明, 張琳. 一次強(qiáng)降水過(guò)程中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展動(dòng)力機(jī)制的診斷分析. 高原山地氣象研究, 2011, 31(1): 12-19.

[10]趙玉春, 王葉紅. 高原渦誘生西南渦特大暴雨成因的個(gè)例研究.高原氣象, 2010, 29(4): 819-831.

[11]崔春光, 倪允琪, 李紅莉, 等. 中國(guó)南方暴雨野外試驗(yàn)（SCHeREX）中尺度氣象分析場(chǎng)的建立及其質(zhì)量評(píng)估. 氣象學(xué)報(bào), 2011, 69(1): 27-41.

[12]許小峰, 高麗, Jin F F. 梅雨濕度鋒上中尺度對(duì)流云團(tuán)生成和發(fā)展的波捕獲機(jī)制. 自然科學(xué)進(jìn)展, 2009, 19(11): 1203-1208.

[13]王曉芳, 崔春光. 長(zhǎng)江中下游地區(qū)梅雨期線(xiàn)狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)分析Ⅰ：組織類(lèi)型特征. 氣象學(xué)報(bào), 2012, 70(5): 909-923.

[14]Zheng L L, Sun J H, Zhang X L, et al. Organizational modes of mesoscale convective systems over Central East China. Wea Forecasting, 2013, 28(5): 1081-1098.

[15]王曉芳, 汪小康, 徐桂榮. 2010年長(zhǎng)江中游梅雨期β中尺度系統(tǒng)環(huán)境特征的分析. 高原氣象, 2013, 32(3): 750-761.

[16]王曉芳. 長(zhǎng)江中下游地區(qū)梅雨期線(xiàn)狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)分析Ⅱ：環(huán)境特征. 氣象學(xué)報(bào), 2012, 70(5): 924-935.

[17]崔春光, 王曉芳, 付志康. 多源探測(cè)資料在一次非線(xiàn)狀MCS分析中的綜合應(yīng)用. 氣象, 2013, 9(5): 556-566.

[18]鄭淋淋, 孫建華. 干、濕環(huán)境下中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生的環(huán)流背景和地面特征分析. 大氣科學(xué), 2013, 37 (4): 891-904.

[19]王曉芳, 胡伯威, 李燦.湖北一次颮線(xiàn)過(guò)程的觀測(cè)分析及數(shù)值模擬. 高原氣象, 2010, 29(2): 471-485.

[20]汪小康, 王曉芳, 崔春光, 等. 用新型探測(cè)資料分析武漢一次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的中尺度對(duì)流系統(tǒng). 暴雨災(zāi)害, 2012, 31(4): 321-327.

[21]王曉芳, 胡伯威, 李紅莉, 等. 梅雨期一個(gè)伴有前導(dǎo)層狀降水對(duì)流線(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征. 高原氣象, 2011, 30(4): 1052-1066.

[22]趙玉春. 梅雨鋒對(duì)引發(fā)暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展影響的研究. 大氣科學(xué), 2011, 35(1): 81-94.

[23]Sun J, Zhang F. Impacts of mountain-plains solenoid on diurnal variations of rainfalls along the Meiyu front over the East China plains. Monthly Weather Review, 2012, 140(2): 379-397.

[24]趙玉春, 王葉紅, 崔春光. 大對(duì)流有效位能和條件不穩(wěn)定下地形降水的三維理想數(shù)值研究. 氣象學(xué)報(bào), 2011, 69(5): 782-798.

[25]陳忠明, 楊康權(quán). 非絕熱加熱、濕斜壓熱動(dòng)力耦合強(qiáng)迫激發(fā)輻合增長(zhǎng)一種機(jī)制. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 2010, 26(6): 710-715.

[26]趙玉春, 王葉紅, 崔春光. 一次典型梅雨鋒暴雨過(guò)程的多尺度結(jié)構(gòu)特征. 大氣科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 34(1): 14-27.

[27]Zhao Y C, Li Z C, Xiao Z N. A case study on a quasi-stationary Meiyu front bringing about continuous rainstorms with piecewise potential vorticity inversion. Acta Meteorologica Sinica, 2008, 22(2): 202-223.

[28]趙思雄, 陶祖鈺, 孫建華, 等. 長(zhǎng)江流域梅雨鋒暴雨機(jī)理的分析研究. 北京: 氣象出版社, 2004.

[29]胡伯威. 梅雨鋒上MCS的發(fā)展、傳播以及與低層“濕度鋒”相關(guān)聯(lián)的CISK慣性重力波. 大氣科學(xué), 2005, 29(6): 845-853.

[30]沈桐立, 曾瑾瑜, 朱偉軍, 等. 2006年6月6—7日福建特大暴雨數(shù)值模擬和診斷分析. 大氣科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 33(1): l4-24.

An Introduction to the Results of the Research on Mesoscale Convective Systems during the Rainy Season in the Yangtze River: A Key Project of the National Natural Science Foundation of China (40930951)

Wang Xiaofang1, Xu Xiaofeng2, Cui Chunguang1, Zhao Yuchun1, Sun Jianhua3, Chen Zhongming4, Fu Shenming3
(1 Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research, Institute of Heavy Rain, China Meteorological Administration, Wuhan 430074 2 China Meteorological Administration, Beijing 100081 3 Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029 4 Institute of Plateau Meteorology, China Meteorological Administration, Chengdu 610072)

r:The mesoscale convective system producing heavy rainfall is an important system during the rainy season. The research on its organizational structure, activity patterns and the development of mechanisms is of great signif i cance to improve the storm forecasting ability. In the past three years, based on the project from the National Natural Science Foundation of China, we have been carrying out a series of studies on MCSs, including organizational model, structure characteristics, environmental conditions, and topographic effects on precipitation, especially the mountain-plain stream and meso-scale terrain. The couping force of wet baroclinic thermal power leads to the development of MCSs. Finally, the physical conceptual model of mesoscale convective systems producing heavy rainfall in the Yangtze River valley is summarized.

MCS, organizational model, structure characteristics, environmental conditions, terrain, conceptual model

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.02.002

2013年9月30日；

2014年1月2日

王曉芳（1972—），Email: wxf.xiaofang@gmail.com

資助信息：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40930951；41375057）