引言

对流和降水活动是大气中的诸多天气现象之一，它们是在大尺度条件影响下，主要由中尺度对流系统(Mesoscal Convective Systems，MCS)造成。近20 a，在高频卫星和多普勒雷达应用后，人们对产生暴雨的MCS结构和演变规律等有了更精细的认识^[1]。MCS的发展演变很大程度上决定了暴雨的分布和强度，而通过研究其系统结构^[2]和移动传播^[3]能够显著改进暴雨的预报。王晓芳等^[4-6]利用雷达资料探讨了引发暴雨的线状MCS的组织结构、形成机理和环境条件。谌芸等^[7]分析了北京"7.21"特大暴雨的MCS环境场条件及其发生发展过程，冷空气和适度的垂直风切变有利于MCS组织化发展，多个中小尺度MCS组织化发展并形成MCC，产生极端强降水。钟永新等^[8]研究了东北一次短时强降水过程的MCS环境场及其触发机制，发现高温高湿及位势不稳定层结、低层的湿舌北伸及中层干冷空气的侵入，为MCS的发生、发展提供了非常有利的环境条件。汪小康等^[9]对比分析了江西一次特大暴雨过程中TBB低值接近的两个MCS，环境条件和系统结构以及系统内水物质分布和演变等差异显著导致了地面降水量差异显著。此外，另一些专家学者利用WRF模式对MCS很好的再现能力，研究MCS的组织结构、形成机理和环境条件。慕建利等^[10]利用WRF模式输出结果发现陕西关中一次强暴雨过程中强烈发展的M_βCS直接产生了对流降水。赵玉春等^[11]模拟了引发鄂皖境内一次梅雨锋特大暴雨过程的MCS，结果表明α、β和γ中尺度上呈现的系统特征均在卫星或雷达资料上得到验证。

华南是我国雨量最多、雨季最长、暴雨最频繁的地区。华南暴雨强度大而集中, 历时短, 多伴有雷暴活动，有明显的中尺度对流系统活动特征。夏如娣等^[12]研究一次广东锋前暖区暴雨，表明M_βCS是该次广东持续性暴雨的直接制造者，当地的喇叭口地形非常有利于M_βCS的触发与维持。张晓美等^[13]研究了华南暖区暴雨过程中MCS的活动特征，暴雨与M_βCS的活动直接相关，不同暴雨落区中降水峰值出现的时间与相应M_βCS发展强盛期对应关系良好。覃丽等^[14]利用模式的输出结果证明了MCS是华南暖区一次暴雨过程的直接影响系统。支树林等^[15]分析了一次副高边缘大暴雨的中尺度特征，发现多个结构密实、边界光滑的M_βCS在赣西地区长时间维持，导致相应地区出现持续强降水天气。

尽管前人的研究从不同侧面加深了对引起暴雨MCS的认识，但现有的认识仍不足以准确预报由MCS引起的极端天气过程，仍然需要更多的个例研究来了解此类暴雨，尤其是利用高频卫星云图和高分辨率雷达资料反演特大暴雨中MCS的结构特征及其发生、发展规律。本文利用NCEP/CFSR逐日四次、分辨率为0.5°×0.5°的再分析资料、FY-2G卫星TBB云图资料、华南雷达拼图、雷达TREC风等资料，对2016年5月20日广东信宜特大暴雨过程中MCS的特征进行分析，重点探讨极端暴雨出现的原因，MCS的演变特征、结构特点和形成原因，以期为强降水的预报提供参考。

1 暴雨实况

2016年5月20日，广东省出现了一次极端暴雨天气过程，从20日08—21日07时(北京时，下同)的日降水量图(图 1a)可以看出，暴雨带呈东北—西南走向，最强暴雨中心位于广东省西南部的信宜，日降雨量达463 mm。从信宜逐小时雨量分布来看(图 1b)，信宜降水从20日08时开始发生，至傍晚18时基本结束，主要降水时段集中在10—17时之间，持续近8 h，累计雨量达429.5 mm，平均每小时雨量超过50 mm，1 h最大雨强出现在中午12时(132.8 mm)，打破了当地历史记录，超200 a一遇。可见，信宜此次罕见的特大暴雨过程具有降水时间集中、持续时间长、小时雨强和累计雨量大等特点。受此次极端天气影响，信宜市山洪爆发，河水骤涨，发生了严重洪涝。

2 特大暴雨过程环境条件分析

本节将从大气垂直运动的演变、高低层大气环境场特征以及大气不稳定度和水汽条件等几个方面，分析此次特大暴雨过程的大气环境条件。

2.1 大气垂直运动的演变特征

图 2给出了2016年5月20日02—20时信宜上空散度和垂直速度时间-高度剖面图。从图中可以看到，08时前后信宜上空大气散度场发生了明显变化，高层辐散和低层辐合开始发展，到14时250 hPa高层辐散逐渐增强至8×10^-5s^-1，而925 hPa低层辐合也逐渐增强至-6×10^-5s^-1，这种高低层动力配置一直持续到20时并逐渐减弱。08时以后，大气的垂直上升运动逐步发展加强，14时上升运动发展最为强烈，上升运动的高度一直伸展至对流层高层200 hPa附近，最强上升运动在350 hPa附近达到-2.5 Pa·s^-1，廖晓农等^[17]在分析导致"7·21"特大暴雨过程中水汽异常充沛的天气尺度动力过程中发现，暴雨发生过程中最强上升运动达到- 2.5 Pa·s^-1，有利于将低层湿空气向上输送，形成深厚的湿层，为特大暴雨形成提供有利条件。廖移山等^[16]在分析2008年7月22日发生在湖北襄樊的一次特大暴雨过程时指出，对流层高层稳定的辐散及近地层稳定的辐合导致大气垂直上升运动持续、稳定、加强，它是降水持续发展并导致特大暴雨的重要原因。此后上升运动继续维持，到20时明显减弱。

2.2 大气高低层环境场演变特征

图 3给出了2016年5月20日14时250 hPa和500 hPa的高空形势图。从图 3a可以看到，信宜位于高空西风急流带出口区的右侧，此时12×10^-5s^-1的强辐散中心已经位于信宜上空。追溯这个高空强辐散中心的演变，20日02时(图略)，这支高空西风急流带呈准东西向位于广西北部，强辐散区位于其南侧25°N附近，此时信宜上空高层辐散中心约为4×10^-5s^-1。08时(图略)，高空西风急流带断裂成东西两段，西段急流带东移南压向信宜发展，强辐散中心位于急流带的东南方向，逐渐靠近信宜。20日20时，高空急流带东移南压至信宜上空，强辐散中心随之东移南压，信宜上空的高层辐散已明显减弱。

从图 3b可以看到，500 hPa上，5月20日14时中低纬地区有低槽东移至信宜附近，信宜受低槽前部的西南暖湿气流影响。回顾这个低槽的演变发现，20日02时(图略)，中纬地区有低槽发展东移，低纬地区受平直的西风气流影响。08时(图略)，中纬地区低槽东移过程逐渐加深，沿湖北西部、湖南中部、广西中东部向南伸至广西南部沿海(图 3b中黑色虚线)。到了20时(图略)，低槽移至广东东部，信宜转受槽后偏北气流控制，过程结束。

图 4给出了2016年5月20日08时和14时925 hPa对流层低层形势图。5月20日02时(图略)，广西北部有南北气流形成的切变线东移南压，低层强辐合区位于南北气流过渡带中，信宜位于辐合区南侧西南暖湿急流带上，风速约为10 m·s^-1。08时(图 4a)，切变线东移南压过程中增强为闭合低涡，低涡中心形成了强辐合区，中心值达到了-20×10^-5s^-1，信宜位于强辐合区的东南侧，并且是西南暖湿急流和东南暖湿气流的汇集区，风速增强为14~16 m·s^-1。这两支暖湿气流在信宜上空汇合增强使得信宜在11—12时之间产生了132.8 mm·h^-1的极端强降水。14时(图 4b)低涡东移南压，低层强辐合区虽有减弱但仍然维持，此时信宜已经位于低涡与强辐合中心，并受西南暖湿急流影响，风速维持在12 m·s^-1左右。到了20时(图略)，低涡与强辐合中心区东移，信宜转受偏北气流控制，过程结束。

此次过程强降水时段集中在10—17时，是由于在此期间，对流层高层250 hPa一直维持强辐散区，500 hPa中低纬低槽、925 hPa低涡以及低层强辐合中心缓慢东移以及超低空西南暖湿急流不断增强、维持引发的。高低层有利的环境场配置及长时间维持使信宜上空的强降水持续了近8 h。

2.3 大气不稳定度及水汽条件特征

KI指数可以反映大气的层结稳定情况，KI指数越大，层结越不稳定。孟妙志^[18]系统研究了KI指数与降水关系，发现KI指数对本地降水, 特别是对24 h暴雨预报有一定的指标性。从5月20日08时(图略)KI指数分布来看，自广西南部有一个KI指数≥36 ℃的大值区向东北方向伸展至广东西部，信宜上空的KI指数约为38 ℃，说明此时信宜上空大气处于不稳定状态。14时(图 5a)，KI指数≥36 ℃的大值区向东移到广东，信宜上空的KI指数接近40 ℃，说明此时信宜上空大气处于极其不稳定状态。20时(图略)，KI指数≥36 ℃的大值区继续东移，信宜上空KI指数下降至32 ℃以下，降水结束。由此可见，这次信宜特大暴雨是在大气极不稳定情况下发生的。

由5月20日925 hPa水汽通量散度场演变可知，08时(图略)超低空急流左侧存在一条比较强的水汽辐合带，信宜处于此水汽辐合带右侧的水汽弱辐合区中，强降水开始发生。14时(图 5b)，强水汽辐合带随着925 hPa超低空急流东移而东移，信宜处于强水汽辐合带的中心，强降水发展旺盛。12时(图略)，强水汽辐合带移动到信宜东部，信宜降水结束。另外，从850 hPa水汽通量散度演变来看(图略)，08时850 hPa强水汽辐合带的位置与925 hPa基本一致，14时850 hPa强水汽辐合带位于广西与广东交界处，信宜处于强水汽辐合中心的边缘，20时850 hPa强水汽辐合带移动至广东东北部，信宜处于弱的水汽辐散区中。可见，850 hPa低空急流和925 hPa超低空急流是这次信宜特大暴雨形成过程中水汽的主要输送者，其中925 hPa超低空急流对于水汽的输送起着更重要的作用。

有利的大气不稳定状态以及水汽辐合条件等物理量特征长时间维持，是此次过程降水时段集中、持续时间长、小时雨量以及累积雨量大的诱因之一。

3 中尺度对流云团活动特征

1980年Maddox^[19]提出使用-32 ℃和-52 ℃黑体亮温(black body temperature，TBB)标识的区域范围及形状等来识别中尺度对流复合体。Augustine and Howard ^[20]和Jirak et al ^[21]提出使用-52 ℃黑体亮温来识别MCS。通常，TBB≤-32 ℃和TBB≤52 ℃被用来作为识别大气对流活动强度的两个阈值。

5月20日07时(图略)，降雨云带从北部湾沿广西和广东两省交界处向东北方向伸展，在北部湾、广西与广东两省交界处分别存在一个中尺度对流云团，最低云顶亮温≤-72 ℃。08时至15时，位于北部湾的中尺度对流云团从10时开始迅速减弱，信宜特大暴雨主要是由位于广西与广东两省交界处的对流云团引起的，结合850 hPa天气图可知，此中尺度对流云团刚好处于850 hPa低涡的东部、低空急流的左侧，这里重点讨论它的演变特征，并将此对流云团中云顶亮温≤-72 ℃区域定义为对流云团的活动中心。08时(图略)，中尺度对流云团的活动中心位于信宜西部。09时(图 6a)，在信宜的东南部新生一个中心，信宜刚好处于对流云团两个活动中心之间，信宜的降水开始逐渐增强。10时(图 6b)，这两个对流活动中心在信宜上空合并且移动缓慢，信宜强降水维持并逐渐在11—12时达到极值132.8 mm。13时(图 6c)，对流活动中心移出，但信宜仍然位于TBB≤-52 ℃的中尺度对流云团主体中，强降水有所减弱但仍在维持。15时(图 6d)，中尺度对流云团的主体移到广东的中东部，信宜处于对流云团云顶的亮温梯度最大区域之中，15—17时信宜强降水仍维持并在17时形成了过程第二大小时雨强71.7 mm·h^-1。此后，对流云团逐渐远离，信宜降水趋于结束。

由上述分析可知，在这次信宜特大暴雨过程中，一个中尺度对流辐合体从5月20日07时到15时在信宜上空停留了长达9 h，其中云顶亮温≤-72 ℃的对流活动中心在信宜上空停留大约3 h，而且信宜地面降水量最大的时段(图 1b)与对流活动中心在上空停留的时段基本一致(滞后约1 h)。由此可见，稳定的大气环境场形势有利于云顶亮温≤-52 ℃的中尺度对流复合体长时间维持，并使此次信宜特大暴雨过程降水时段集中，小时雨强和累计雨量大。

4 MCS演变的雷达回波特征 4.1 MCS演变特征

由于卫星资料只能提供大范围对流系统的活动特征，为了更加细致地刻画此次局地特大暴雨过程中MCS的演变特征，选用广西和广东两省共16部多普勒雷达(百色、北海、广州、桂林、河池、河源、柳州、梅州、南宁、汕头、汕尾、韶关、深圳、梧州、阳江、湛江)，回算了5月20日华南区域雷达组合反射率因子拼图(图 6)，并以此来分析造成信宜特大暴雨中尺度对流系统的演变特征。

从5月20日08时(图 7a)雷达组合反射率因子拼图上可看出，广西中东部有一个略呈东北—西南向的回波带(A)与广西东南部的呈东北-西南向的回波带(B)在广西中东部汇合后向继续东北方向移动。信宜位于回波带B右侧的弱回波区中。在这两个回波带上均存在多个分散的、强度为50~55 dBz的MCS。09—10时(图略)，A回波带南压、B回波带东移，两者的汇合区也随着南压东移，信宜上空受一个M_βCS影响。11时(图 7b)，A与B的汇合区移至信宜上空，A回波带增强、B回波带减弱，在A回波带上MCS呈线性排列并向东移动，此时信宜上空回波中心强度超过50 dBz的M_bCS影响，降水发展强烈并达到极值。12时(图略)，回波带A和B的位置与强度以及两者的交汇区都变化不大，但在交汇区信宜附近不断有MCS生成发展。13时(图 7c)，A回波带继续缓慢南压、B回波带基本没动，信宜上空仍有新生的M_βCS影响，强降水继续维持。14时(图 7d)，A与B两条回波带合并成一条新的接近东西向的回波带，信宜位于此回波带的中部，后部有MCS向东北方向移动影响信宜。15—16时(图略)，回波带缓慢南压，信宜上空仍有从云团后部移过来的M_βCS影响。17时开始(图略)，回波带移动至广东南部沿海，信宜处于回波带后侧，降水逐步停止。

可见，这次信宜特大暴雨主要经历了两个阶段:第一阶段发生09—13时，暴雨产生在两条回波带的交汇处。第二阶段发生在14—17时，暴雨产生在东西向的带状回波上。同时，在过程发生期间前后有5个中尺度对流系统生成、发展并移入信宜上空，形成"列车效应"，是导致此次信宜特大暴雨降强降水持续、雨强大的主要原因。

4.2 MCS三维结构特征

为了更好地了解影响这次信宜特大暴雨的中尺度对流系统演变特点，我们给出了信宜站点雷达组合反射率随时间演变(逐6 min)的垂直剖面图(图 8)。由图 8可知，5月20日，从08—17时有5个强对流柱，具体时间分别约为08—10时、11—12时、12—14时、14—16时、16—17时，为了便于描述，这里按照出现时间的先后顺序将它们分别定义为第1、2、3、4、5号MCS。从最强反射率因子的垂直分布上看，第1号和第3号MCS的40 dBz以上回波都在-10 ℃层高度以下(当日-10 ℃层高度为7 km)，而其它3个MCS的40 dBz以上回波都在-0 ℃层高度以下(当日-0 ℃层高度为4.5 km)，可见这次特大暴雨过程中对流降水系统的质心较低，降水效率的较高，具有明显的暖区暴雨特征。从回波顶高上看，从08—11时，回波顶高从9 km发展到19 km，说明此时中尺度对流云团发展到了成熟时期，-10 ℃以上存在一个深厚的冰相增长带，有利于形成大量的冰晶或霰粒子及冰晶淞附成大冰晶，降落时形成大雨滴，导致暴雨瞬时强度大，这也是12时降雨量(132.8 mm)最大的原因之一。此后，回波顶高逐渐下降，中尺度暴雨云团减弱，信宜的地面雨强也减弱。从持续时间上看，这5个MCS的生命史都超过了1 h，其中第1号、第3号和第5号MCS持续时间均接近2 h，可见在中尺度对流云团中不断有MCS生成和发展是这次特大暴雨形成的重要原因。

5 雷达TREC风场演变特征

Smythe & Zrnic^[22]与Tuttle & Foote^[23]发现利用雷达TREC(tracking radar echoes by correlation)风场代表实际风场有较好的可信度，在天气分析中有较好的应用价值。这里采用万齐林等^[24]的方法计算得出水平分辨率5 km的雷达TREC风场。

图 9给出了上面16部雷达反演的1 km高度TREC风。2016年5月20日08时(图略)，在广西中部到广东西北部一带存在一支西南气流，平均风力可达12 m·s^-1，信宜位于它的右侧边缘。另外，在广西南部沿海地区存在另外一支平均风力约12 m·s^-1的西南气流，信宜位于它的前部。此后，北支西南气流缓慢南压、风力逐渐减小，南支西南气流逐步向东扩展。09时(图 9a)南支西南气流顶端受信宜东北方向地形阻挡，沿地形爬升触发对流，信宜强降水开始发展。11时(图 9b)，北支气流风力减小至6~8 m·s^-1，并断裂成东西两段，西段风向顺转成西北风，在西北风与西南风之间有一条辐合线生成。南支气流扩展至广东的中部，受信宜北侧喇叭口地形影响，气流在山脚堆积并形成气旋式切变。信宜处于南支西南急流的左侧、南北两个辐合线的前部，降水明显增强并达到极值。12时(图 9c)，南北两支气流趋于合并，并形成一个中尺度低涡，信宜处于低涡的中心、南支西南急流的左侧，强降水维持。13时(图 9d)，南北两支气流基本合并在一起，信宜左侧西南急流有明显增强，低涡东移南压逐渐开始减弱，降水略有减弱。14时(图略)南北两支气流完全合并，最大风力减小至10~12 m·s^-1，信宜位于西南急流的左侧、西北风与西南风的辐合区中，弱降水维持。16时(图 9e)，辐合线位置仍然停留在信宜上空，两侧风力再次加大到12~14 m·s^-1，信宜的降水再次增强。19时(图 9f)，辐合线移动至信宜东南部，之后逐步转为西北气流之中，信宜的降水趋于结束。

可见，在这次信宜特大暴雨过程中，大气底层的中尺度急流、辐合线和低涡起到了非常重要的作用，特大暴雨就发生在低层超低空急流的左侧、中尺度辐合线上和中尺度低涡中心附近。

6 结论

本文利用NCEP/CFSR逐日四次、分辨率为0.5°× 0.5°的再分析资料、FY-2G卫星TBB云图、华南雷达拼图、雷达TREC风等资料，对2016年5月20日广东信宜特大暴雨过程的MCS特征进行了细致分析，主要结论如下:

(1) 2016年5月20日广东信宜特大暴雨主要降水时段集中在10—17时之间，持续近8 h，平均每小时雨量超过50 mm，1 h最大雨强出现在中午12时，过程具有降水时段集中、持续性时间长、小时雨强和累计雨量大等特点。

(2) 过程发生期间，信宜对流层高层250 hPa一直维持强辐散区，500 hPa中低纬低槽与925 hPa低涡缓慢东移，超低空西南暖湿急流不断增强等有利的大气环流背景是强降水得以维持的原因。强烈的垂直上升运动，有利的大气不稳定状态以及水汽辐合条件是信宜出现极端强降水的原因。

(3) 稳定的大气环流形势使这次信宜特大暴雨过程中云顶亮温≤-52 ℃的中尺度对流云团在信宜上空长达8 h的停留、云顶亮温≤-72 ℃的对流活动中心在信宜上空长达3 h。

(4) 从雷达拼图上看，这次信宜特大暴雨主要经历了两个阶段:第一阶段发生01—05时，暴雨产生在两条回波带的交汇处。第二阶段发生在06—08时，暴雨产生在东西向的带状回波上。过程发生期间先后有5个中尺度对流系统经过信宜，形成"列车效应"，是导致此次信宜特大暴雨的主要原因。

(5) 40 dBz以上回波均在-10 ℃层、甚至0 ℃层高度以下，最强回波中心在2 km高度附近，可见这次特大暴雨过程中对流降水系统的质心较低，降水效率较高，具有明显的暖区暴雨特征。从08—11时，回波顶高从9 km发展到19 km，-10 ℃以上存在一个深厚的冰相增长带，有利于形成大量的冰晶或霰粒子及冰晶淞附成大冰晶，降落时形成大雨滴，导致暴雨瞬时强度大，这也是12时降雨量达132.8 mm的原因之一。

(6) 雷达TREC风场显示，在这次信宜特大暴雨发生过程中，大气底层的中尺度急流、辐合线和低涡起到了非常重要的作用，特大暴雨就发生在喇叭口地形附近、超低空急流的左侧、中尺度辐合线上和中尺度低涡中心附近。