引言

湖北省位于长江中游，作为黄金水道的覆盖省份之一及长江经济带的重点发展区域，其夏季多发的极端天气事件尤其是特大暴雨等极端降水事件，引起的山洪、滑坡、泥石流等灾害，常常带来巨大的人员和财产损失。中尺度对流系统(Mesoscale Convective System，简称MCS)是产生极端降水事件的重要天气系统。国外很多学者利用天气雷达对MCS类型和活动范围进行了研究。Loehrer等(1995)通过分析雷达回波中层状云与对流云的相对位置，将MCS分为线状、后部新生、无组织和交叉对流4类；Schiesser等(1995)分析了瑞士引发灾害性天气的MCS，将成熟阶段的MCS分为尾随层状云、前方层状云和无层状云三类；Parker等(2000)在Schiesser等人基础上分析美国地区的线状MCS，定义出尾随层状云降水(TS)、前导层状云降水(LS)、平行层状云降水(PS)；Schumacher等(2005)提出2个新的MCS类型，即邻接层状云降水(AS)和准静止后向建立(BB)型。上述学者从雷达回波的角度分析并逐渐完善了对线状、非线状MCS模型组织形态的划分。国内学者在此基础上完善了我国MCS的回波发展类型，特别是对非线状MCS的研究。王晓芳和崔春光(2012)分析了长江中下游梅雨期MCS特点，并提出了2种新的非线状MCS类型；张家国等(2011)、吴涛等(2017)细致研究了涡旋状MCS的雷达回波结构特征；易笑园等(2011)、张小玲等(2014)研究分析了人字形、卵形等其他非线状MCS形态。以上研究较为深入的探讨了非线状MCS形成的机制和组织发展模态。还有部分学者对MCS多发地等做了相关统计工作。陶祖钰等(1998)发现我国单个MCS较为集中的区域为四川盆地、华南西部和北部湾附近、黄河和长江中下游。郑永光等(2008)和曾波等(2013)发现黄河和长江中下游是MCS活跃区。研究表明，我国中东部及长江中下游一带是MCS多发区。

湖北省汛期多发极端降水与MCS的产生密切相关，但专门针对湖北省MCS普查分析的研究，特别是针对引发极端降水的MCS在湖北省的时空分布、移动路径及降水时空分布等还未有相关研究。张家国等(2018)利用天气诊断分析方法研究了2008—2015年湖北省60例引发极端降水MCS，重点归纳出产生极端降水的天气模型，该研究主要从MCS的组织结构特征和天气成因分析了湖北省内极端降水过程。本文利用新一代天气雷达资料、地面加密资料等对湖北省引发极端降水的MCS进行统计分析，以期为该地区极端降水天气预报提供科学参考。

1 资料与方法

本文所用的资料为：2008—2018年4—9月SWAN (Severe Weather Analysis and Nowcasting System)提供的长江中游雷达组合反射率因子拼图产品，时间分辨率为6 min，主要用于分析各类线状MCS发生到成熟的结构特征；湖北省2 543个区域自动站逐时雨量资料，用于分析MCS成熟时雨团的时空分布特征，并与雷达资料相结合确定MCS的移动路径。

极端降水过程的筛选和确定参考张家国等(2018)的研究，选取国家气象观测站某一年的日降水量序列的第99百分位作为该站这一年极端降水阈值，30 a的阈值平均即得该站30 a来极端降水阈值。湖北省77个国家站极端降水阈值平均后，得到30 a来湖北省平均日极端降水阈值为93 mm。将2008—2018年日降水资料与该阈值进行比较，得到满足条件的日极端降水过程。在此基础上，按照至少有相邻两个区域观测站3 h雨量大于等于100 mm的标准，并结合Schumacher等(2005)对MCS的定义标准：强回波的反射率因子大于等于40 dBz，伸展范围大于100 km，持续时间大于3 h的对流系统，最终筛选出70例引发极端强降水MCS个例。

2 各类典型MCS个例回波特征及地理分布 2.1 典型个例雷达回波特征分析

参考Parker等(2000)和Schumacher等(2005)关于MCS分类方法，基于MCS回波的组织和发展形态、单体移动及新生和演变特征，对湖北省2008—2018年70例引发极端降水过程的MCS进行分类，发现5类线状MCS，即尾随层状云降水(TS)、前导层状云降水(LS)、邻接层状云降水(AS)、平行层状云降水(PS)和准静止后向建立(BB)型所占比例达到58%，涡旋类MCS占比15%，其他非线状MCS占比27%。本节就这5类线状MCS模态及回波特征进行简要分析。

图 1给出各类MCS成熟时雷达回波叠加模型图，从中可见，2013年7月19日22时06分(北京时，下同) 发生在宜昌、荆门一带的MCS过程是典型TS类(图 1a)。该类回波的主要特征是层状云降水区尾随在对流带之后，新生单体在对流带之前生成，回波传播方向与对流带几乎垂直。2012年6月29日过程(图 1b)是LS类，回波发展与TS类回波形态相反，前方为层状云降水回波，移动方向与强回波带列车线相垂直，指向层状云回波发展方向。2013年7月20日(图 1c)发生在江汉平原的大暴雨过程为一次典型的AS类过程，AS类回波南侧为多个对流短带组成的列车线，北侧为层状云降水回波。层状云和列车线移动方向几乎一致，整个MCS移动方向基本与列车线走向平行。2010年7月21日过程为BB类(图 1d)，MCS新生单体在上风方一侧生成，回波密度梯度更大，下风方为大片层状云，成熟单体回波强度很强，多属于准静止后向传播类，移速较慢。2012年8月5日过程为PS类(图 1e)，层状云回波位于对流线一端，对流单体多在另一端新生，整个MCS沿对流线向层状云一端运动，即不断生成发展的多个对流反复途经同一地区，形成了“列车效应”，其所产生的降水量累积起来，导致大暴雨的产生。与BB类相比，PS类移速快。

实际上，在统计分析中发现有一类非线状MCS回波经常出现，如(图 1f)所示，该类回波常常由一条或者多条气旋性弯曲的对流回波带组成，多以S形、人形(易笑园等，2011)、卵状(张小玲等，2014)或逗点形式(张家国等，2011)出现。在湖北省境内这类涡旋状MCS多发于鄂西山地-江汉平原过渡带，常常因边界层中尺度涡旋系统的强烈发展而引发(吴涛等，2017)。以2014年7月17日为例，螺旋MCS发展成熟时回波带两侧伴随大片层状云降水回波，后部有弱回波入流，大暴雨常常发生于螺旋回波带头部。

2.2 各类MCS地理分布特征

湖北省地貌类型复杂多样，地势为西、北、东三面高起，中部向南敞开，具有马蹄形层状分布特征(图 2)。西北为秦岭东延部分和大巴山东段，西南为云贵高原东北延伸部分，由大娄山和武陵山所组成，东南为幕阜山脉，呈东西走向，桐柏、大别二山居于东北。境内一千多条中小河流，从四周向江汉平原汇集，使之成为湖北省暴雨中心之一(罗昭彰等，1988)。由图 2可知，2008—2018年湖北省汛期产生极端强降水的MCS大多生成在武陵山东南侧、大别山南坡、幕阜山北坡及江汉平原一带。这可能与地形对边界层流场、雷暴冷出流的影响有关。山脉的阻挡更有利于冷空气的堆叠，从而加大大暴雨发生的概率(王晓芳，2015)。特殊的地理分布成为影响湖北省内MCS发生、发展和移动路径的因素之一。

将上述各类MCS生成地在图中标出，可以看出，AS类MCS在湖北省出现比例最大，大多属于系统性降水，大暴雨范围相对较大，较易产生极端降水，AS类与TS类MCS常常出现在江汉平原以东地区；LS类MCS在湖北省内出现的次数最少，因其移动较快，引发的极端降水事件较少；PS类MCS大部分发生在湖北省秦岭余脉、大巴山和幕阜山附近，多发生在山脉的迎风坡上，与山脉的走向一致；BB类多属于准静止后向传播类，大多都发生在鄂东北大别山地区，常常出现后向传播特性，与大别山阻挡雷暴冷出流，冷空气在山前堆积有关。

虽然受MCS影响所产生的强天气过程在湖北省较多，但本文仅分析引发极端降水的70例MCS，考虑到每种类型MCS的个例数较少，下文统计分析将不再进行分类研究。

3 MCS移动路径特征

梁巧倩等(2012)指出，华南前汛期MCS的主要移动方向为自西向东，然后依次为东南、南，少部分为东北移动。曾波等(2013)统计指出我国中东部地区的带状MCS主要移动为西南向东北。为进一步讨论湖北省内引发极端降水的MCS的移动特征，将MCS形成-成熟- 消散的位置中心点连线，来表示其移动方向、距离。

对MCS形成、成熟、消散的定义主要基于MCS回波组织、发展形态。线状(涡旋状)MCS的形成是指回波由零散对流发展到初具对流线(旋转式)模态，一般会持续2~3 h；成熟是指线状(螺旋状)对流模态发展最旺盛或强降水(30 mm·h^-1)开始发生；消散则是指线(螺旋状)对流线溃散。其他类MCS主要从回波发展强度、对流单体垂直剖面高度及雨强等方面综合考虑定义。

通过对2008—2018年70例MCS路径集成图(图 3) 分析可知，湖北省极端强降水MCS主要集中在6个区域发展，移动路径为：1. 十堰、竹山→襄阳，2. 随州→大悟→红安→麻城，3. 仙桃→汉川→黄陂→英山，4. 秭归→荆州→洪湖，5. 利川→恩施→五峰，6. 石首→监利→洪湖→通山。基本上所有的MCS传播方向均是由生成地开始向东或东偏南方向移动，主要因为湖北省处于西风带中，常常受高空低槽东移影响。还有四分之一以上的MCS (表 1)从发生到消散基本维持在原地，这部分过程大多是BB类，多因山脉阻挡雷暴冷出流，系统由向前传播逐步转为向后传播而导致。此外，还有极少一部分MCS自东南向西北移动，这些特殊路径多由台风移动和MCS后部新生云团并入造成的。

4 MCS的时间分布特征 4.1 月变化特征

统计分析表明，6月和7月引发极端强降水的MCS最多，分别为18个和25个；5月和8月次之，均为8例；4月和9月引发极端强降水的MCS个例数最少。每年的6月底至7月初为江淮梅雨期，西南季风推进至长江中游地区，此时冷暖空气交汇频繁，利于MCS发生、发展。4月、9月因冷空气频繁入侵常常引发春季、秋季连阴雨，过程累计雨量较大，小时雨强弱。8月份由于副热带高压西伸加强，抑制了湖北省内强对流的产生。

4.2 日变化特征

图 4为MCS在不同发展阶段的日变化，其中MCS发生时次指以回波初现、降水区域内加密站出现小于10 mm的小时雨量；成熟时次指线状(螺旋状)对流模态发展最旺盛，加密站出现大于30 mm的小时雨量；消散时次指回波减弱且降水区域内加密站全部站点小时雨量小于5 mm。分析日变化特征可知，04时、15—18时和20—21时为MCS最易生成时段；成熟时间主要集中于傍晚及夜间18—04时；06时和14—15时，成熟的MCS最少；消散多在清晨、午间。大部分MCS集中在午后生成，这与夏季午后下垫面加热有密切关系，午后近地面层处于太阳辐射最为强烈的时段，近地面气温逐步上升，容易产生空气热对流。之所以有很多MCS在夜间发展成熟，可能与已有对流发生的情况下，云顶因对外辐射冷却，使云内上下温差加大，促使对流活动加强发展有关(段旭等，2014)。

4.3 MCS生命史特征

图 5为MCS生命史特征，其中发展代表MCS从形成到成熟的过程，减弱为成熟到消散的过程，持续为从产生到消散的总时长。分析可知，MCS从生成到成熟、成熟到消散均需要1~3 h，即一旦形成MCS很快就能发展起来，大部分MCS一般的持续时长约为5~8 h，还有一些MCS甚至可以维持约10 h，较北美地区和我国黄河下游地区MCS生命史短(Miller等，1991；卓鸿等，2012；刘雯等，2017)。此外，夏季湖北地区MCS生成-成熟时间比成熟-消散时间长，即表现出发展快、消亡慢的特征，这与刘瑞翔等(2015)得出的江淮地区的研究结论不一致，原因一是本文选取的是引发极端降水的MCS，二是湖北地区MCS有其特有的生命史特征。

5 MCS引发的极端强降水时空分布特征 5.1 降水空间分布特征

图 6是湖北省内70例引发极端强降水的MCS发生过程中2 543个区域站雨量频次空间分布图。可以看出MCS引发的30 mm·h^-1、50 mm·h^-1降水频次高发区出现在鄂东北、江汉平原南部和恩施地区，与MCS多发区域(图 3)较为一致。30 mm·h^-1的雨团分布特征与前人的研究较为一致，50 mm·h^-1的降水高频次发生区位于湖北境内的松滋、天门和红安。与吴翠红等(2011)研究相比，多了大别山迎风坡一带的降水中心，该降水中心的产生可能是因为大别山处于西南气流迎风坡处，其对雷暴冷池的影响有重要作用(张家国等，2015；武英娇等，2019)，致使MCS多发。另外，极端降水多出现在江汉平原，可能与低涡切变类是湖北省梅雨期最重要的降水天气类型，中尺度低涡扰动在江汉平原频发有关(张家国等，2018)。

5.2 降水时间分布特征

图 7为70例MCS发生时≥30 mm·h^-1和≥50 mm·h^-1的站点累加频次的日变化，可以看出，MCS成熟期内产生的强降水(≥30 mm·h^-1)主要时段集中于夜间尤其是午夜前后，出现最多的时段为23—00时，累加频次25次以上。由于MCS成熟期会持续几个小时，对照MCS触发高峰时次18时、20—21时(图 4)，在这之后的几小时均是该MCS发展旺盛期，因此出现≥30 mm·h^-1的站点累计频次较高。出现较少的时段为06时、14时，这与MCS消散期相对应(图 4)。同时统计发现，≥50 mm·h^-1的站点与≥30 mm·h^-1的站点频发时段基本一致，而频次略低，这表明在极端降水发生时，要尤为关注≥30 mm·h^-1的站点，它们可能会发展更强。

6 结论与讨论

使用区域雷达拼图、湖北省区域自动站观测资料，统计分析了湖北省内2008—2018年4—9月70例引发极端强降水的MCS特征，重点分析了各类MCS的分布特征、移动路径和变化特征，主要的结论如下：

(1) 湖北省内产生极端强降水的MCS分为两大类：线状MCS (占58 %)和涡旋状的MCS (21 %)。线状MCS有5种典型的表现，即尾随层状云降水(TS)、前方层状云降水(LS)、邻接层状云降水(AS)、平行层状云降水(PS)、准静止后向型(BB)，其中以AS类发生比例最高，LS、PS类所占比例最少。

(2) 大部分MCS移动方向均是由生成地开始向东或东偏南方向移动，多集中在6个区域发展，小部分MCS从发生到消散基本维持在原地。大多MCS生成在武陵山东南侧、大别山南坡、幕阜山北坡及江汉平原一带。

(3) 引发极端强降水的MCS，6月和7月发生次数最多，5月和8月次之，4月和9月最少。

(4) 大多MCS形成于下午至傍晚，夜间尤其是午夜前后成熟，清晨和午间消散。MCS从生成到成熟、成熟到消散均需要1~3 h，平均生命史5~8 h。

(5) 鄂东北、江汉平原南部和恩施地区为暴雨雨团出现频次最多的地方，其中≥50 mm·h^-1的雨团主要出现在松滋、天门和红安。强降水产生的主要时段集中于夜间和午夜。

本文对各类MCS的形成原因和机制未作详细阐述，特别是湖北省内不同区域地形对MCS的发生、发展和传播的影响。今后将进一步探讨湖北特殊地形对边界层中小尺度系统的影响，从而加深对MCS系统内部结构特征和发生发展机制的认识。