以天气学诊断法分析MCC发生的大尺度环流场和物理量场

    引言.

    暴雨及其造成的洪涝是我国主要的自然灾害之一,中尺度对流系统是暴雨的直接制造者,致洪暴雨往往由中尺度对流系统持续影响所致.中尺度对流复合体(MCC)是造成大范围暴雨、强对流天气的重要中尺度天气系统,与一般中尺度系统相比,其生命期较长,面积要大得多.自Maddox发现MCC以来,对其发生发展的大尺度天气条件已有很多研究.Maddox[2]指出,MCC是在弱的地面锋面附近有明显的南风低空急流输送暖湿空气的区域生成,往往与对流层中层向东移动的短波槽相联系,该短波槽东南方相当大的区域中大气呈条件性不稳定状态,主要的强迫因子是对流层低层的暖湿气流,高层则位于西风急流的反气旋一侧.此后,我国气象工作者对MCC形成机制和物理背景进行了较多研究.覃丹宇等[3]对MCC和一般暴雨云团发生发展的物理条件差异进行个例分析指出,MCC发生在较弱的斜压环境,对流层低层有明显的天气系统(如切变线、中尺度低涡),高层出现在反气旋环流里.井喜等[4]分析淮河流域一次MCC环境流场及动力场表明,对流层中层来自北方的干侵入对MCC生成发展起重要作用.吕艳彬等[5]研究华北平原MCC发生环境条件指出,华北产生MCC的环境背景及物理条件与我国南方及北美类似,多发生在对称不稳定的高温高湿大气中.MCC作为暴雨过程中比较特殊的系统,尺度较大,持续时间长,能产生较大范围暴雨,常造成一些地区出现致洪暴雨事件[6-12].

    本文选取长江中游2007年2例有相似降水特点的MCC过程,采用天气学诊断方法,对MCC发生的大尺度环流场和物理量场进行诊断分析;通过比较2例MCC的发生发展条件,以期更好地揭示其形成机制和特点,加强对长江中游地区MCC发生发展规律研究,为MCC暴雨业务预报提供有价值的参考依据.

    1、资料说明.

    本文分析采用的资料主要包括:常规气象观测资料和 全 国 一 般 站 逐 日 降 水 资 料,每6h一 次NCEP 0.5°×0.5°GFS再分析资料,FY-2C云图资料.选取满足 以下条件 的 暴 雨 云 团 为MCC[6-8]:①TBB≤-32℃的冷云盖面积在10×104km2以上;②TBB≤-52℃的冷云盖面积在5×104km2以上;③满足条件①和条件②的时间达到6h以上;④TBB≤-52 ℃面积达最大时云团的偏心率大于等于0.7.

    文中选取出现在长江中游2007年5月30-31日 (以下称个例Ⅰ)和2007年7月1-2日MCC(以下称个例Ⅱ)暴雨过程为研究对象,在同时满足上述条件①和②的情况下,个例Ⅰ中MCC生命史为10h,个例Ⅱ中MCC生命史长达11h.

    2、暴雨过程概述.

    2007年5月30-31日和7月1-2日,长江中下游受低槽云系及低槽云系尾部MCC影响,在湖北省中东部地区、河南南部出现了暴雨到大暴雨天气过程(图1).两次过程暴雨走向略有区别,个例Ⅰ呈南北走向,个例Ⅱ呈西南-东北走向;大暴雨主要集中在江汉平原北部到鄂东北地区,雨带较为相似,在河南南部出现小范围大暴雨区,但是范围较小,个例Ⅱ在河南南部出现降水中心达253mm,只有一个站达到了大暴雨量级,局地性较强.

    个例Ⅰ和个例Ⅱ在湖北省暴雨和大暴雨相似性较高,暴雨主要集中在江汉平原、鄂东北、鄂东南北部地区,大暴雨在江汉平原北部和鄂东北地区;其不同点是,个例Ⅰ24h累积最大降水达150mm,个例Ⅱ达124mm,个例Ⅰ在24h累积降水比个例Ⅱ强度大.

   

    3 、MCC演变特征与大尺度环流背景分析

    3.1、卫星云图演变特征从FY-2C红外亮温图上分析

    造成两次暴雨过程的MCC发展和演变方式.个例Ⅰ中,2007年5月30日16:00(图略),中纬度地区113°E附近存在南北向低槽云系,随着低槽云系东移,其尾部β、α中尺度云团出现合并,合并使得云团快速发展,冷云区面积扩大,20:00(图2a,彩页),在114°E、32°N附近,河南南部与鄂东北交界处MCC开始形成.随着西侧β云团东移与MCC合并,MCC面积不断扩大,并略有南压,31日00:00,TBB≤-53 ℃冷云区面积达11×104km2,TBB≤-63 ℃冷云区变得狭长,呈准东西带状,北边界出现“V”形缺口,强降水主要发生在“V”形缺口附近的红安、安陆境内,安陆站31日01:00 1h降水达52.2mm.31日02:00(图2b,彩页),MCC位置几乎不变,TBB≤-53℃冷云区面积增大,“V”形缺口向南发展,TBB≤-63 ℃冷云区出现分裂,后部的云团增强,前部的云团迅速减弱消亡.05:00(图2c,彩页),MCC几乎发展成圆形,偏心率≥0.7,TBB≤-53 ℃冷云区面积达到12×104km2.07:00,云团不再具有MCC特征,强降水随之结束.

    个例Ⅱ中,2007年7月1日14:00(图略),从东海到淮河流域有东西向低槽云系,低槽云系尾部α中尺度云团出现向后发展,同时从湖南西北部有小尺度云团向江汉平原移动并急剧增强.

    17:00(图3a,彩页),低槽云系尾部和江汉平原北部α云团在鄂东北上空合并发展,18:00MCC形成,MCC开始呈东西向长条形,随后偏心率逐渐增大.

    20:00(图3b,彩页),MCC在鄂东北快速发展,TBB≤-53℃冷云区面积达到15×104km2,TBB≤-83℃冷云区面积达到4×104km2.22:00(图3c,彩页),TBB≤-63℃冷云区几乎呈圆形,偏心率达到最大,此时强降水出现在TBB≤-85℃冷云区内部,随MCC东移,强降水中心随之东移并略有南压.
 

    2日00:00,TBB≤-85℃冷云区面积开始迅速缩小,MCC进入减弱消亡阶段;02:00,TBB≤-53℃冷云区面积小于5×104km2,云区不再具有MCC特征,强降水也随之结束.

    对比分析两次MCC发展演变和形态特征,相同点是MCC都是在低槽云系尾部由几个中尺度云团发展、合并形成的,其不同点是,MCC演变和中心强度有较大差别,个例Ⅰ经历了一次分裂再发展的过程;个例ⅡTBB≤-53 ℃冷云区面积比个例Ⅰ要大的多,且出现较大范围TBB≤-85℃冷云区,但是个例Ⅱ24h累积降水比个例Ⅰ要弱,说明云顶亮温与降水不是简单的线性关系.

    在水汽云图上(图略),个例Ⅰ中,在MCC发展过程中,在陕西和河南附近出现南北向干裂缝(即干空气区),干裂缝向南缓慢移动,31日05:00,干裂缝南部到达MCC北边界,说明有干冷空气缓慢入侵;例Ⅱ中,在MCC持续期间,在MCC北侧有大片干区维持,没有干冷空气缓慢渗透情况,两次过程干空气的影响方式完全不同.

    3.2、大尺度环流背景

    个例Ⅰ,5月30日08:00(图略),200hPa等压面上,10°~30°N地区为南亚高压控制,35°N附近存在西风急流带(大于等于30m·s-1),500hPa河套中部有短波槽,副热带高压控制广东地区,华中位于高压环流外围西南气流中,700hPa河套中部有南北向冷切变线发展,850hPa四川东部有西南低涡,低涡东南侧有大于等于12m·s-1西南急流带发展.

    20:00(图略),南亚高压增强并略有北抬,中纬度急流带变窄增强,500hPa短波槽南压到河南中部,副热带高压外围西南风明显增大,武汉站风速由6m·s-1增至20m·s-1,700hPa南北向冷切变线从河套地区迅速东移到103°E附近,850hPa西南涡东移到江汉平原北部,从低涡中心向北伸出南北向暖切变线,在暖式切变线右侧出现偏南急流带(大于等于12m·s-1).在卫星云图上,14:30,在南北向低槽云系尾部(112.2°E,33°N)有一中尺度云团新生发展,该云团东移过程中与后部中β云团合并迅速增强,20:00在鄂东北附近发展形成MCC,MCC在高空急流右后侧、700hPa冷切尾部、850hPa暖切变线顶部形成.

    31日02:00(图4a),500hPa短波槽迅速南压到暴雨区上空,槽后偏北气流引导低层偏北风增强,850hPa暖切变线转变成冷切变线,此时西南暖湿增强发展,形成从南海向华北发展的水汽、能量通道,在切变线两侧南北两支气流同时加强导致在河南形成中尺度低涡,该低涡环流发展导致低层辐合明显加强.

    MCC在500hPa槽线上、低层冷切尾部、偏南急流核左前侧发展增强.

    个例Ⅱ,7月1日08:00(图略),200hPa中纬度地区出现不连续的急流带,500hPa东北低涡槽线延伸至河南中部,副热带高压西脊点至117°E,长江中下游地区位于高压环流北部偏西气流上,低层从渤海到河南中部有西南-东北向冷切变线,切变线以南西南急流核达到18m·s-1.14:00(图略),受华南稳定副热带高压影响,低层切变线南压受阻,在其尾部(鄂东北附近)形成东西向冷切变线.卫星云图上,从11:00开始,在低槽云系尾部有中β云团向后发展加强.20:00(图4b),200hPa南亚高压向东、向北扩张,中纬度西风急流带风速增强,但较个例Ⅰ明显偏弱,鄂东北位于东段急流带右后侧气流辐散区.

    500hPa华北低槽东移出海,在华北低槽和河套短波槽之间有弱脊发展,使得低层河南境内有高压环流发展,加上西南暖湿气流稳定维持,导致鄂东北东西向切变线维持和鄂西南暖切变线形成.16:00,在湖南西北部有中β云团沿暖切变线东移发展,18:00与低槽云系 尾部云团 在 江 汉 平 原 北 部 合 并 形 成MCC,MCC在低层冷切变线尾部与暖切变线顶部相交处形成并发展成熟.

    2日02:00,河套低槽快速东移南压到湖北东部,低层冷切变位置几乎不变,暖切变风场辐合减弱,此时MCC演变成一般暴雨云团.

    上述对两次过程环流背景进行了详细分析,对比两次过程,其相同点:低层范围宽广的西南暖湿急流带、稳 定 切 变 线 是 主 要 动 力、热 力、水 汽 来 源,MCC都出现在高空急流右后侧、500hPa短波槽前部、低层冷切变线尾部和暖切变线顶部.这与Mad-dox指出的MCC与500hPa短波槽相联系,主要强迫因子是低层暖湿气流相一致.

    其不同点是:

    ①两次过程高空急流强弱不同,个例Ⅰ高空急流较强,导致高层抽吸作较强;②低层冷切变形成方式不同,个例Ⅰ冷切变线是快速东移发展型,使得其后部偏北风东移南下影响,个例Ⅱ是稳定维持型,其后部偏北风也是稳定维持.上述水汽云图分析中,两次过程干空气的影响方式完全不同,可能是低层冷切变线形成方式不同所致;③西南急流和切变线走向不同,个例Ⅰ西南急流向华北发展,在南北向切变线底部,即暴雨区有偏北风和偏南风剧烈交汇,个例Ⅱ西南急流向长江下游发展,切变线呈东西向,河南高压和西南暖湿气流在31°~32°N对峙,导致低层冷切变线稳定少动(超过了12h),但风场为偏北风和偏西风交汇,风向辐合没有个例Ⅰ明显.

   

    4、两次过程MCC形成物理条件比较.

    4.1、能量及不稳定条件差异.

    假相当位温(θse)是表征大气温度、压力、湿度的综合特征量,其分布反映大气中能量的分布和潜在的不稳定,通常850hPa取θse=340K为高能暖湿气团和一般气团的分界线[7].

    为了进一步分析干湿空气影响产生的不稳定情况,图5(彩页)给出个例Ⅰ暴雨中心(114°E)和个例Ⅱ暴雨中心(114.5°E)θse和风矢量经向垂直剖面.

    在MCC形成初期(图略),随着西南暖湿气流发展,个例Ⅰ和个例Ⅱ边界层能量迅速增大,高能区(大于等于350K)发展到暴雨中心北侧,MCC在高温高湿区发展.

    31日02:00(图5a),个例Ⅰ边界层偏南风转为偏北风引导弱冷空气南下,低能舌侵入到高能区内,低层假相当位温线变密集,低层出现能量锋生,干湿空气在MCC云罩北侧(32.5°N附近)剧烈交汇,能量锋区从南向北倾斜,形成上湿下干配置,在暴雨区上空形成宽广的从近地面到200hPa的一致上升气流,促使不稳定能量释放.个例Ⅱ中,1日14:00(图略),南北干湿空气在32°N附近对峙,垂直能量锋区从地面发展到300hPa,高能舌向高空发展,20:00(图5b),700hPa附近有低能舌向南发展但无明显南压,说明北部增强干冷空气和南部暖湿气流发生对峙,这与前面环境场分析中河南有高压环流发展相一致,导致中层假相当位温线变密集出现锋生,在暴雨区形成上干下湿配置,上升运动增强,但较个例Ⅰ弱.

    从上述分析可知,受干冷和暖湿空气共同作用,两次过程在暴雨区上空都出现了能量锋生现象,由于干冷空气作用方式不同,个例Ⅰ能量锋生主要出现在低层,个例Ⅱ能量锋生出现在中层.两个过程干冷空气入侵高度不同,导致垂直高度上干湿配置和能量锋生高度不同并由此带来的影响需要做进一步分析.

    4.2、水汽条件分析.

    对于持续时间长、雨强大的中尺度暴雨过程,水汽维持和补充至关重要,水汽通量散度大小反映水汽聚集情况.图6给出个例Ⅰ、Ⅱ在MCC持续期间925hPa水汽通量散度分布.个例Ⅰ中,MCC形成前12h(图略),从鄂西到河南西部有一条西南-东北向水汽辐合带稳定维持.

    31日02:00(图6a),随着低层切变线东移和西南急流向北发展,水汽辐合带向东发展且辐合强度和范围增大,水汽辐合带控制江淮流域大部地区,在暴雨中心即鄂东北上空出现水汽辐合中心(小于等于-12×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1),强降水区水汽出现剧烈辐合,给暴雨发生提供充足的水汽条件.

    (图略),湖北省中北部地区有东西向水汽辐合带;20:00(图6b),水汽辐合带略有南压,在鄂东南出现水汽辐合中心(小于等于-10×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1),水汽辐合中心位于暴雨中心东南侧,水汽辐合条件较个例Ⅰ差.从上述对环境场分析可知,个例Ⅰ在暴雨区为偏北风和偏南风交汇,风向辐合较个例Ⅱ明显,这可能是导致个例Ⅰ水汽辐合较强的原因.

    此外分析两次过程中低层湿度条件表明(图略),在MCC形成前12h,从低层到500hPa华南到暴雨区均为高湿度区((t-td)≤3 ℃),说明在个例Ⅰ、个例ⅡMCC形成过程中,在其南侧存在大范围深厚高湿区,在有利的风场条件下,在暴雨区形成水汽辐合,给暴雨发生提供了充足的水汽条件.

    4.3、动力抬升条件.

    低空急流是动量、热量和水汽的高度集中带,为暴雨发生提供水汽、动力和热力条件,对不稳定能量的积累、输送和释放起关键作用.分析850hPa西南急流发展演变可知(图略),MCC形成前,两例均表现为MCC南侧有南北两个西南急流带(大于等于12m·s-1),随着MCC发展,两个急流带合并加强,形成从南海发展的远距离暖湿气流输送带.个例Ⅰ中,西南急流从华南向华东发展,急流输送带较为集中,MCC发生在风速大于等于16m·s-1西南急流核左前侧50km范围内;个例Ⅱ中,西南急流从华南向长江中下游发展,急流带范围宽广,MCC发生在风速大于等于16m·s-1西南急流核左前侧100km范围内,急流出口区左侧强气旋性切变有利于暴雨区辐合上升运动发展.

    分析涡度场和散度场分布,可进一步了解MCC发生时动力环境场特征.图7为MCC持续期间沿个例Ⅰ暴雨中心(114°E)和个例Ⅱ暴雨中心(114.5°E)经向涡度垂直剖面.个例Ⅰ中,5月30日20:00(图略),低层有一条从暴雨中心向北倾斜发展的正涡度带,正涡度带向上发展到600hPa,高层有大片辐散区;31日02:00(图7a),正涡度带向上发展,在300hPa以下形成深厚垂直正涡度柱,中层500~600hPa之间出现正涡度中心(大于等于8×10-5s-1),高层负涡度增强.个例Ⅱ与个例Ⅰ类似,到1日20:00(图7b),低层正涡度区向中层发展,在600hPa附近出现正涡度中心(大于等于8×10-5s-1),高层负涡度中心增强.用类似方法作个例Ⅰ和个例Ⅱ的散度垂直剖面(图略),均表现为低层为辐合中心、高层为辐散中心,同时中层出现弱辐合现象.上述分析表明,个例Ⅰ、Ⅱ在MCC发生区域,近地面为气旋性辐合环流,中层也为气旋性辐合环流使MCC维持,高层则为反气旋辐散环流;从低层到中层均为正涡度,形成深厚垂直正涡度柱,低层和中层分别出现正涡度中心.个例Ⅰ与个例Ⅱ相比,中低层正涡度值较大,正涡度柱发展高度较高,导致上升气流较个例Ⅱ明显;从图上还可发现,个例Ⅰ暴雨中心位于正涡度中心南侧,个例Ⅱ暴雨中心位于正涡度中心上,上述两点区别可能与西南急流和切变线走向不同有关.

   

    5、结论.

    通过对长江中游2例MCC过程卫星云图演变特征、大尺度环境场和物理量诊断的综合分析,得出以下结论:

    (1)MCC是在低槽云系尾部由几个β、α中尺度云团传播、合并的结果,合并是其发展最重要因子,在鄂东持续时间均超过了8h,位置少动略有东移.

    (2)MCC发生在有利的天气形势背景下,中层有短波槽、低层有冷暖切变线和范围宽广的西南急流带,稳定西南急流带给暴雨区提供充足的动力、水汽、不稳定条件.在低层冷切尾部和暖切顶部,干冷与暖湿空气交汇出现锋生导致上升运动加强,激发不稳定能量释放,MCC在此处形成.

    (3)受干冷和暖湿空气共同作用,两次过程在暴雨区上空都出现了能量锋生现象,由于干冷空气作用方式不同,个例Ⅰ能量锋生主要出现在低层,个例Ⅱ能量锋生主要出现在中层.能量锋生与高空急流右后侧辐散气流耦合可能是导致MCC发展主要动力强迫机制.

    (4)MCC发生区域,低层和中层为气旋性辐合环流使MCC维持,高层则为反气旋辐散环流,从低层到中层正涡度柱连成一片,形成深厚垂直正涡度柱,低层和中层分别出现正涡度中心,中低层深厚辐合为MCC维持提供了有利动力条件.

    (5)两次MCC过程在高空急流、冷暖切变线的走向和形成方式、西南急流走向等不同,并由此带来的水汽辐合程度、冷空气作用方式、不稳定能量和涡度发展有所区别,可能是导致两次MCC在发展演变和由此带来的降水强度、分布差异的主要原因.

    参考文献

    [1]Moddox R A.Mesoscale convective complexes[J].Bull AmerMeteor Soc,1980,61:1374-1387.

    [2]Maddox R A.Large-scale meteorological conditions associatedwith midlatitude mesoscale convective complexes[J].MonWea Rev,1983,111:1475-1493.

    [3] 覃丹宇,江吉喜,方宗义,等.MCC和一般暴雨云团发生发展的物 理 条 件 差 异 [J].应 用 气 象 学 报,2004,15(5):590-600.

    [4] 井喜,井宇,李明娟,等.淮河流域一次MCC的环境流场及动力分析[J.高原气象,2008,27(2):349-357.

    [5] 吕艳彬,郑永光,李亚萍,等.华北平原中尺度对流复合体发生的环境和条件[J].应用气象学报,2002,13(4):406-412.