引言

江淮流域地处亚热带季风气候区，汛期特别是梅雨季，暴雨多发，对人民生命财产、经济社会发展和生态环境造成严重影响。中尺度对流系统(Mesoscale Convective Systems，MCSs)作为江淮暴雨发生的重要影响系统，受到气象学者的广泛关注。如，孙建华等^[1]、曾波等^[2]、王晓芳等^[3]、陈静静等通过MCSs环境场诊断分析指出，低层西南风的水汽输送是对流不稳定和对流有效位能积聚的主要原因，低层辐合、高层辐散为MCSs的产生提供了有利动力条件，对流层锋区锋生作用利于MCSs的发生发展，高低空急流耦合产生的次级环流致使MCSs长时间驻留；郑媛媛等^[5]、王晓芳等^[6]、张家国等^[7]、吴涛等^[8]均通过雷达观测资料揭示了MCSs后向传播时会出现移动缓慢，甚至准静止。但目前的研究，多针对一个MCS或是一次过程中多个形成相似的MCSs，对同一地点连续生成的、移动缓慢且形成不同的MCSs对比分析极少，而此类MCSs引发极端降水的概率更高，很有必要对其开展深人研究。

2012年7月12—13日鄂东北发生出现的极端暴雨事件，两个MCSs造成了累积雨量超过600 mm的强降水，近百万人受灾，数万人被转移安置或紧急救援。本文将利用GFS再分析资料、常规观测资料和非常规资料，深人分析其天气背景、雷达回波特征和地面中尺度系统演变，归纳共同特征及不同点，为极端降水预报积累经验。

1 降水实况

2012年7月12—13日降水主要由12日00—14时、13日04—12时段两个MCSs造成。两个MCSs间隔短，造成小时雨强及累计雨量大，强雨团都有停滞和向西南快速转移的阶段，停滞时降水最强(见图 1)。其中，MCS1 12日05时前沿大别山西侧向东南发展，05— 09时停滞在黄陂，之后减弱向西南快速转移，造成最大雨强100 mm·h^-1、累积雨量超过300 mm的强降水，降水局地性强; MCS2 13日08—10时停滞黄陂附近，之后向西南快速转移，造成最大雨强80 mm·h^-1、累积雨量超过250 mm的强降水，降水范围大，呈东西带状。

2 环流形势及主要影响系统

众所周知，暴雨主要由中小尺度系统产生，但是，必须要有大尺度系统提供其形成所需要的水汽、能量等基本条件，而大尺度系统反过来又会限制中小尺度系统的活动区域。所以，当大尺度系统强烈发展或停滞摆动时，易造成强而持续的暴雨过程^[9]。

分析2012年7月11—13日的高空观测资料(图 2)，可以看到，在500 hPa上空，主要的影响系统为东北冷涡、副热带高压及从高原来的西风低槽。进一步分析表明：①贝加尔湖低槽发展而成的东北冷涡，后部偏北气流两次向江淮侵人，一次是MCS1期间，700—850 hPa北风抵达淮河上游，短时间后又转为南风控制(图略); 一次是MCS2期间，冷涡南部的强正涡度平流促使黄海气旋波发展，引导冷空气侵人长江中游(图略); ②高原涡东移演变为西风低槽，13日才抵达鄂西，槽前有明显的正涡度平流强迫(图略)；③而副高西侧588线稳定在东南沿海，与川东地区的低值系统相配合，大尺度的地转平衡效应造成了长江中游西南低空急流两次加强，对应两个MCSs最强降水时段。④两次过程的发生均伴随夜间西南低空急流的加强。因此，东北冷涡的发展、西风低槽的缓慢东移及副热带高压的稳定，导致南北风气流长时间交汇于江淮流域，是两个MCSs形成的大尺度背景。此外，从高层200hPa看形势场(图略)，鄂东北位于南亚高压东北象限，北侧为西风急流带、南侧为西北风气流，分流辐散明显。

θ_se再分析场显示(图略），11日08时-14日08时降水发生期间，江淮地区中低层持续存在等值线密集带即梅雨锋，MCS1时700hPa等值线密集带趋近鄂东北，而MCS2时则是850hPa等值线密集带横穿鄂东北，MCS1、MCS2与梅雨锋在江淮摆动、强弱变化密切相关。从θ_se剖面上看(图 3a)，12日02时冷空气主体位于北方，中层向南突出，700hPa上下梅雨锋更接近MCS1，锋生函数$ F=\frac{{\rm{d}}}{{\rm{d}}t}\left| \nabla {{\theta }_{\rm{se}}} \right| $(不包括非绝热加热项)也显示MCS1处于700hPa大于2x10^-9K²·m^-2·s^-1的强锋生区(图略），中层梅雨锋南倾结构既利于构建中低层不稳定层结又利于锋生触发不稳定能量释放^[10]，这是低层辐射回暖和西南气流加强，同时中层冷空气南侵的结果；到08时(图 3b)，MCS1继续向西南暖区传播，逐步远离了梅雨锋。在MCS2期间(图 3c、d)，13日02时北方就有较强冷空气团，08时θ_se低值已出现在MCS2所在近地层，冷空气的侵人及西南暖湿气流的发展促进低层梅雨锋辐合加强，从散度场剖面也可以看到(图略)，600hPa以下有强辐合，之上为一致辐散区，10x10^-5s^-1的强辐散中心位于200hPa，存在低层辐合与高层辐散的耦合机制，此类机制在MCSs过程中较多见^[11-16]。物理量诊断结果与上述天气系统分析基本一致。

3 中尺度系统演变及结构特征 3.1 地面中尺度系统演变

地面中尺度系统活动往往在风场、气压场、温度场等地面要素场上有直观的反映。利用加密自动站资料，对地面中尺度系统演变进行了详细分析。

MCS1过程(如图 4，a-d): 11日20时后，南风加大沿大别山西侧而上，与大别山、大洪山之间形成的下山风交汇，降水随后发生。随着降水加强，12日03时，鄂东北出现“冷池”，“冷池”中心温度小于26 ℃，低于环境温度4 ℃以上，雷暴冷出流与环境南风场形成地面辐合线，辐合线东段等温线最密集，此处偏北风最强、雨强最大，对比02时，“冷池”在向东运动。04—07时，“冷池”范围有所扩大，但地面辐合线东段稳定少动，此处温度梯度仍在加大，强雨团在此维持。08时后，由于大别山的阻挡，“冷池”中积累的空气团转向西南溢出，强北风也向辐合线西段发展，温度梯度加大，强雨团传播随之转向。

MCS2过程(如图 4，e-h):13日04—05时，地面大别山西侧至江汉平原出现一支东北气流，它是前期大别山麻城局地强对流产生的冷出流，03—05时武汉风廓线资料跟踪发现(图 5)，这支冷出流的高度达到800 m(正是雷暴冷出流能达到的高度），该支气流与江汉平原南部西南气流交汇形成辐合线。05—07时，强雨团在地面辐合线附近发生，并迅速向鄂东北发展。08—10时，强雨团维持在黄陂一孝感，强烈的降水使流场变得复杂，仔细分析发现，该地以辐散气流为主，其中向偏西南的冷出流与环境南风场交汇形成地面辐合线，触发对流发展，导致MCS2向西南传播。需要指出的是，向东、北辐散的冷出流因前期降水大气层结相对稳定(图略），没有再次激发出对流。此时段，“冷池”逐步显现，“冷池”中心温度低于25 ℃，与MCS1相比，降温不显著，“冷池”较弱，“冷池”向西南方运动，与MCS2传播方向一致。

3.2 雷达上MCSs演变与结构

利用多普勒雷达反射率资料，将MCSs过程分为发展、成熟、消亡等三个阶段进行详细分析。

MCS1过程:①12日00—05时为发展阶段，MCS1东移中与新雷暴单体合并增强。02时(图 6a)，随州附近的回波团A快速东移，同时，其东、南侧有新单体被激发，新单体与回波团A合并增强，到05时回波A已与前方局地对流回波B合并形成较强的MCS1，期间MCS1以前向传播为主。沿A的东南-西北长轴方向做反射率因子剖面发现(图 6b)，在下风方为新生单体、中部为成熟单体、上风方为单体消亡留下的层状云降水回波。②12日05—09时为成熟阶段。05时前已有单体在合并B后的新回波A西南侧生成，MCS1前向传播变为后向传播，A长轴也逐步转为东北-西南向(图 6c)，单体沿长轴从下风方到上风方也转为消亡、成熟、新生排列(图 6d)，后向传播速度与平移速度方向相反、大小相当，MCS1稳定少动，呈准静止。

图 7a是A南侧组合反射率时间一经度剖面图(30.7°N、111.8°-116.8°E)，可以清晰看出，05时前就有新单体在回波A西侧生成，后快速发展加强，09时后主体回波带明显南移，直观反映出MCS1向西、向南的后向传播特征。③2日10 —14时为消亡阶段(图略）。由于雷暴冷出流向西南方加快流出，新生单体进一步远离回波A，MCS1后向传播加速，崩溃变形。需要注意的是，在上述回波水平分布图中，对流降水、层云降水区分综合考虑回波的结构、强度、形态、水平梯度变化、零度层亮带等因素的影响^[17](图 6c); 回波的垂直分布图上结合武汉站08时高空观测，考虑了零度层高度(约5 km)消亡单体零度层高度附近回波亮带清晰可见(图 6d)。

MCS2过程:①13日03—07时为发展阶段(图 6e、f)江汉平原西部的回波团C、鄂东北的回波团F及单体群D，在鄂东北汇集合并为新的带状回波C。此阶段，MCS2传播特征不明显，表现为整体东移，带状回波C呈东一西向，长轴与移动方向重叠，在孝感-黄陂形成降水的“列车效应”。②13日08—10时为成熟阶段。如图 6g，C西、南侧不断出现分散的弱对流单体，与地面中尺度系统位置吻合，新生单体东移靠拢、合并于C，导致回波带C长轴西段从东-西向逐步向东北-西南向转变，MCS2存在后向传播，还可从回波C南侧组合反射率时间一经度剖面图(30.3°N、111.8°— 116.8°E)看出(图 7b)，其西南侧06时就有弱单体回波出现，08时后随着新单体的发展加强愈加清晰，MCS2的后向传播有利于整体的稳定少动。沿C的西段长轴方向做剖面(图 6h)，消亡、成熟、新生单体沿长轴从下风方到上风方排列，类似MCS1成熟阶段，只是成熟单体更多更密集。这一阶段，正是鄂东北低层出现梅雨锋强切变辐合时期。③13日10 —12时为消亡阶段(图 6i、j)，新单体更加远离回波带C，后向传播加速，MCS2松散变形，对流降水区位于主体回波偏西南侧，层云降水区偏北、偏东，剖面图上消亡单体的亮带此时也更加清楚。

以上分析表明，MCS1先前向传播，受大别山阻挡后转为后向传播；MCS2先是不同来向的回波在鄂东北汇合加强，形成降水的“列车效应”，随后出现后向传播。MCSs前向传播时新生、成熟、消亡单体呈现沿回波长轴自下风方向上风方的排列，后向传播则反之。MCSs在成熟阶段均为后向传播，移动缓慢甚至准静止，而在相对消亡阶段，新生单体更靠近成熟单体，有利于MCSs维持，此阶段降水最强。据此，归纳MCSs成熟阶段雷达平面和剖面结构模型，如图 8a、b所示。

4 雷达上梅雨锋演变

多普勒雷达径向速度图包含大、中、小尺度风场信息，可以辅助分析过程中梅雨锋的演变特征。从MCS1过程1.5°仰角的武汉雷达径向速度图看(图 9a、b)，12日02—07时随州北部维持中尺度切变辐合，高度3 km上下，印证了中层梅雨锋切变的存在，通过雷达站有牛眼结构特征，说明有强的西南气流伸展到鄂东北，MCS1就出现在中层切变南侧暖区中; 进一步分析可见，12日04时起，中层梅雨锋切变北侧不断有小股气团分裂，偏东南移动后消散，07时，分裂出的气团转向西南发展，与前文分析冷池运动演变吻合; 随着冷池向西南运动，MCS1也向西南暖区传播，逐步远离中层切变辐合带。

MCS2初期(13日03—04时），武汉雷达径向速度图上(图略），鄂东中低层均为西南风控制，没有系统性的偏北气流侵人; 06时，1.5 km高度有系统性偏北风自鄂西北侵人形成切变辐合(图 9c)，08时切变辐合在鄂东北已非常清晰(图 9d)，20 m/s的西南急流说明南北风交汇剧烈，这是促使回波C、D、F在鄂东北汇合加强的直接原因，MCS2在梅雨锋上发展加强; 10时以后(图略)，随着梅雨锋切变辐合的减弱消散，MCS2崩溃。

5 结论

利用GFS再分析资料、常规及非常规观测资料，对2012年7月12—13日鄂东北特大暴雨的天气背景、雷达回波特征和地面中尺度系统演变进行了分析，总结归纳了MCSs成熟阶段的准静止一后向传播结构模型，得到如下结论。

(1) 东北冷涡的发展、西风低槽的缓慢东移及副热带高压的稳定导致南北气流长时间交汇于江淮流域形成梅雨锋切变，是两个MCSs形成的有利大尺度背景条件。结合地面、雷达等观测资料推断，MCS1发生于中层梅雨锋前倾结构下；MCS2则是发展加强于低层梅雨锋切变上。

(2) MCS1比MCS2的“冷池”更深厚，与环境温差更大，对流触发更剧烈，但“冷池”运动方向与MCSs传播方向均一致。

(3) 两个MCSs都出现了后向传播特征，前者与大别山脉对冷池的阻挡有关，后者可能与对流更易在不稳定区触发相关; 成熟阶段时，MCSs因后向传播，移动缓慢甚至准静止，降水最强，相对消亡阶段，新生单体更靠近成熟单体。

(4) 在回波结构上，MCS1向前传播时新生、成熟、消亡单体沿回波长轴自下风方向上风方的排列，MCS1及MCS2后向传播时则反之。

本文对两个MCSs形成机制的判断主要是通过GFS再分析资料结合地面、雷达等观测资料分析推断而来，高空上缺乏加密探空资料佐证，后期会利用高分辨率的中尺度数值模拟对MCS形成机制进行深人探讨。