气象学报  2012, Vol. 70 Issue (5): 909-923   PDF    
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2012.077
中国气象学会主办。
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王晓芳, 崔春光. 2012.
WANG Xiaofang, CUI Chunguang. 2012.
长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统分析Ⅰ :组织类型特征
Analysis of the linear mesoscale convective systems during the meiyu period in the middle and lower reaches of the Yangtze River. Part Ⅰ: Organization mode features
气象学报, 70(5): 909-923
Acta Meteorologica Sinica, 70(5): 909-923.
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2012.077

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收稿日期:2011-09-20
改回日期:2012-04-12
长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统分析Ⅰ :组织类型特征
王晓芳, 崔春光    
中国气象局武汉暴雨研究所,武汉,430074
摘要:利用2010年6—7月长江流域雷达拼图和观测资料,统计分析了长江中下游地区梅雨期中尺度对流系统的类型和活动特征。结果表明,长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统发生个数比非线状中尺度对流系统发生个数略多,存在8类典型的线状中尺度对流系统:尾随层状降水中尺度对流系统(TS)、准静止后向建立中尺度对流系统(BB)、邻接层状单向发展中尺度对流系统(TL/AS)、前导层状降水中尺度对流系统(LS)、平行层状降水中尺度对流系统(PS)、断裂线状中尺度对流系统(BL)、镶嵌线状中尺度对流系统(EL)、长带层状降水中尺度对流系统(LL)。其中,有6类和已有的研究结果类似,EL中尺度对流系统和LL中尺度对流系统是长江流域梅雨期新统计的两类线状中尺度对流系统。TS、LS、PS和BL等4类中尺度对流系统是移动性的,TL/AS、BB、EL和LL类中尺度对流系统为移动缓慢相对静止的。线状中尺度对流系统平均持续时间大多数在7 h以上,TL/AS和TS类持续时间较长。线状中尺度对流系统多形成在长江两岸附近,重庆北部至鄂西沿江地带、江汉平原地区、皖南和赣北地区、大别山地区是中尺度对流系统的多发地;中尺度对流系统移动路径分为东、东偏北、东偏南、南等4种,这与环境场的引导气流有关。长江中下游地区中尺度对流系统发展阶段日变化呈现多峰型特征,在成熟阶段的下午至夜间发生强降水的概率明显大于凌晨至上午。
关键词长江中下游地区     梅雨期     线状中尺度对流系统     组织模型     日变化    
Analysis of the linear mesoscale convective systems during the meiyu period in the middle and lower reaches of the Yangtze River. Part Ⅰ: Organization mode features
WANG Xiaofang, CUI Chunguang    
Institute of Heavy Rain, Chinese Meteorological Administration, Wuhan 430074, China
Abstract: Using the composite radar reflectivity data and operational observation data, the mesoscale convective system (MCS) that occurred in the middle and lower reaches of the Yangtze River in June and July 2010 are investigated. The numbers of the line-MCS are more than the numbers of the nonline-MCS. There are eight identified classes line-MCS: Trailing stratiform MCS (TS), Leading stratiform MCS (LS),Training line/Adjoining stratiform MCS (TL/AS), Backbuilding/Quasi-stationary MCS (BB), Parallel stratiform MCS (PS), Broken line MCS (BL), Embedded line MCS (EL) and Long line MCS (LL), and six of them are the same as the previous classifyed archetype, but the embedding line MCS and the long zonal stratiform MCS are the new statistical classes in the middle and lower reaches of Yangtze river during the meiyu period. The TS, LS, PS and BL classes are movable during their life period, while the TL/AS, BB, EL and LL ones are immovable. The average lasting time of the line MCS is greater than 7 hours. The MCSs usually develop along the Yangtze River, with the more frequently occurring areas of the MCS located north of Chongqing city, in the Jianhan plain, south of Anhui Province and over the Dabie mountain. The MCSs move eastward, northeastward, southeastward or southward, and the moving track of the line MCS is related to the steering flow of its environmental field. Diurnal variations of the MCS are of several peaks during its early stages, while in mature stages, the occurring strong precipitation probabilities are distinctly larger from afternoons to nights than from late-nights to mornings.
Key words: The middle and lower reaches of the Yangtze River     Meiyu period     Line-MCS     Organizational modes     Diurnal variation    
1 引 言

长江中下游地处中纬度,受副热带季风气候影响,在梅雨季节,暴雨和强对流天气频发,每年因洪水、大风等灾害造成人员伤亡和巨大经济损失。诸多研究(Bluestein et al,1985Schumacher et al,2005Houze et al,1989)表明,中尺度对流系统(MCS)是导致暴雨等灾害性天气发生的重要影响系统。关于MCS的定义,MacGorman等(1998)提出,MCS是一群与环境相互作用并能改变环境的风暴群且随后产生比单个风暴更大的长生命系统;Houze(1993)用云图特征将MCS描述为包含对流核的云结构,其沿某一方向伸展约100 km,形成一个普遍降水的区域;Schumacher等(2005)将强回波的反射率因子≥40 dBz,伸展范围大于100 km,持续时间3—24 h的对流系统称为MCS。大多数气象学家认为在雷达回波上MCS常表现为一种伸展结构,在其生命周期里包含一定程度的对流,由对流区和层状区两部分组成。

对MCS类型和活动特征研究,国际上已有较多的成果(Bluestein et al,1985Houze et al,1990Schiesser et al,1995Parker et al,2000Jirak et al,2003Rigo et al,2004Schumacher et al,2005)。岳治国等(2008)利用陕西渭北地区多年单站雷达资料统计了MCS类型。尽管上述研究地域和背景条件有着迥然的差异,各地MCS带来的天气也不尽相同,但均得出MCS的一些共性特征,如组织模态类似、产生强烈天气等。Bluestein等(19851987)将发展阶段的飑线分为4类:不连续线、后部新生、不连续区域、镶嵌对流区域,总结了各类飑线形成发展阶段的特征,但是忽略了飑线生命期后期特征。Loehrer等(1995)根据MCS的雷达回波层状区相对于对流区的位置和MCS在不同生命阶段中对流区的组织形式,将MCS分为线状、后部新生、无组织和交叉对流带4类,并分析总结了各类MCS生命期各阶段的地面气压、气流、降水结构演变特征。Schiesser等(1995)总结瑞士多年灾害性中尺度降水系统特征,把成熟阶段MCS分为3类:尾随层状MCS、前方层状MCS和无层状MCS。

Parker等(2000)在 前述基础上统计了美国中部地区线状MCS,依照MCS的回波组织模态分为类似的3类(图 1):强对流回波线在系统移动前方,层状回波位于系统移动后方的MCS称之为尾随层状(TS)降水 MCS(图 1a);强对流回波在系统移动后方发生发展,而层状回波位于系统移动前方的MCS称之为前导层状(LS)降水MCS(图 1b);层状回波在强对流回波两侧或前方发展的MCS称之为平行层状(PS)降水MCS(图 1c),最后一种名称与Schiesser等(1995)分类虽不一样,但所描述的组织模态一致,3类线状MCS各个发展阶段约持续2—3或3—4 h。Jirak等(2003)综合使用卫星与雷达资料,根据尺度大小和对流回波的组织形状将MCS分为4类:中尺度对流复合体、持久细长的对流系统、β中尺度圆形对流系统及β中尺度持久细长的对流系统。Rigo等(20042007)将欧洲地区MCS分为线状、弱组织、对流串,其线状MCS与Parker等(2000)的分型类似,且有组织的线状MCS和无组织MCS发生几率相当。此外,Gallus等(2008)基于MCS导致的天气现象不同,将易形成大风剧烈天气的弓状回波MCS单独分为一类。

图 1 3类线状MCS的发生发展示意图(a.尾随层状(间隔3—4 h),b.前导层状(间隔2—3 h),c.平行层状(间隔2—3 h);等值线表示的雷达反射率因子分别为20、40、50 dBz;摘自Parker等,2000) Fig. 1 Schematic reflectivity drawing of idealized life cycles for the three line MCS archetypes:(a)TS,(b)LS,and (c)PS(Approximate time intervals between phases: 3-4 h for TS,2-3 h for LS,and 2-3 h for PS. The isolines roughly correspond to 20,40,and 50 dBz Adapted from Parker et al,2000)

上述关于MCS分类的研究主要根据MCS在雷达回波上的组织形态,属于静态分类,没有考虑MCS中单体移动和新单体再生特征,甚至MCS本身运动特征,由于MCS移动快慢不同,灾害性天气的影响范围和严重程度也有很大区别。Schumacher等(2005)Parker等(2000)的研究基础上,又提出了两个新的类型:邻近层状单向发展线状MCS和准静止后向建立MCS(图 2),最重要的特征是系统移动缓慢,新单体主要在系统的上游某个固定地域不断产生,并平行于系统方向移入对流带中,邻近层状区/单向发展的线状MCS常形成于地面一个准静止的锋面或辐合线附近,而准静止/后部新生的MCS在近地面没有很明显的天气系统对应,有时产生在旧系统的出流边界,单体运动方向与传播方向相反。

图 2 准静止的两类线状MCS示意图(摘自Schumacher等,2005)(a. 邻近层状单向发展线状MCS,低、中层剪变箭头分别表示地面—925 hPa、925—500 hPa;b.准静止后向建立MCS,虚点线表示出流边界;等值线表示的雷达反射率因子约分别为20,40,50 dBz) Fig. 2 Schematic diagram of the radar-observed features of the(a)TL/AS and (b)BB patterns of the quasi-stationary MCS(Contours( and shading)represent approximate radar reflectivity values of 20,40,and 50 dBz. In(a),the low-level and midlevel shear arrows refer to the shear in the surface-to-925-hPa and 925-500-hPa layers,respectively. The dash-dot line in(b)represents an outflow boundary; such boundaries were observed in many of the BB MCS cases. The length scale at the bottom is approximate and can vary substantially,especially for BB systems. Adapted from Schumacher et al,2005)

近年来随着中国雷达观测站网建立,雷达资料质量控制的不断完善,区域雷达拼图资料基本是可信的。2010年6—7月长江中下游地区再次遭遇洪涝重灾,强降水集中、极端降水事件多,MCS活动频繁。本文主要用区域雷达拼图资料结合卫星亮温资料统计发生在该时段长江中下游地区MCS的类型及其活动特征。 2 资料和方法

早期关于MCS活动的统计大多使用卫星资料(Houze,1993马禹等,1997郑永光等,2008),随着观测手段的改进,更精细的雷达资料也越来越多地用于研究MCS(Loehrer et al,1995Houze et al,1990Parker et al,2000Jirak et al,2003Rigo et al,2004Schumacher et al,2005岳治国等,2008),雷达资料相对卫星资料能更加清楚地辨识MCS的形态、演变过程、系统中单体的生消更替等特征。根据Emanuel(1986)定义,将具有状态比L/D=Uz/f(L为水平尺度,D是不稳定层厚度,Uz为纬向风垂直切变,f是地转参数)和时间尺度T=f-1的运动定义为“中尺度”运动。长江中下游地区位于30°N附近,所以,时间尺度大约为T=f-1=1/(2×7.29×10-5×sin30°)=3.8 h,中纬度中尺度速度的特征尺度一般为10 m/s,水平尺度L=D×Uz/f=U×T=137 km(U为平均纬向风),因而定义MCS的时间尺度≥3 h,空间尺度≥100 km,雷达回波资料MCS中对流区组合反射率因子≥40 dBz,回波伸展水平尺度大于100 km,持续时间在3 h以上。显然本研究分析的MCS主要针对多个对流风暴的组合且有一定生命史的系统,而非单个对流风暴,在雷达回波上可很清晰地看到由对流区和层状区两部分组成。

主要参考Parker等(2000)Schumacher等(2005)关于MCS分类方法,在长江中下游地区特有的地理特征和季风背景条件下,用雷达组合反射率因子资料,根据MCS回波的组织形态、MCS移动和MCS中单体再生及其相对系统的移动特征,对长江流域2010年梅雨期(6—7月)MCS进行分类,探讨该地区MCS类型及其活动特征。

首先用2010年6—7月国家自动气象站和区域自动站24 h降水量资料识别强降水日,在选定的降水日中用逐时加密降水量分析雨团的变化。然后参照雨团的活动时间,用该时段长江流域的雷达拼图资料,统计27°—34°N,105°—123°E(集中在28°—33°N,主要是长江流域中下游地区,图 3)范围内MCS的活动情形,包括其数量、形态、移动、单体的生消及移动等,重点分析长江中下游地区那些组织 特征较明显的带状或线状MCS,对一些无组织的对流、无对流回波发展的大片层状回波、有紊乱对流嵌入的片状或准圆形的对流系统等只进行数量统计,而不作深入分析。

图 3 统计MCS的区域范围 Fig. 3 Domain for the statistics of the MCSs
3 有组织的线状MCS的类型

由雷达组合反射率因子拼图资料统计得到2010年6—7月长江中下游地区MCS个例大约170个,其中,有组织的线状MCS 90个,占52.9%;非线状区域MCS有80个,占47.1%。

由线状MCS的组织形态、单体相对系统的移动方向和系统的移动特征,将线状MCS分为8个典型类型:尾随层状降水MCS(简称TS)、前导层状降水MCS(简称LS)、邻接层状单向发展MCS(简称TL/AS)、准静止后向建立MCS(简称BB)、平行层状降水MCS(简称PS)、断裂线状MCS(简称BL)、镶嵌线状MCS(简称EL)、长带层状降水MCS(简称LL);后两类MCS在6—7月发生个例较少,分别为2个和1个,但因在其他年份常见到,故将其归类。

在8类MCS中前6类的组织形式、单体发展、系统移动和国际上已有MCS分类有共性,故沿用已有的类型名称,平行层状降水MCS因其模态在雷达组合反射率因子图上层状回波在其移动的前方,与MCS成一条带或线,系统两侧层状回波很少,有的个例几乎没有,有些学者称之为无层状降水MCS(Schiesser et al,1995Rigo et al,2007),在本研究统计的该类个例中系统前方大都存在平行于对流线的层状回波,系统发展到一定时期其两侧也出现层状回波,故这里用Parker等(2000)的分类法称之为平行层状降水MCS更合适一些。后两类MCS未见到有文献提及,是特别长带层状降水MCS,这是分析长江中下游地区梅雨期MCS类型特征时新统计的两种线状MCS类型,这里仅根据其模态特征命名。

综合各个类型的大量个例并参考已有的研究,图 4给出了长江中下游地区梅雨期成熟阶段MCS的组织类型示意图。将MCS分为线状和非线状两大类,其中线状又分为8类,非线状MCS(简称NL)主要是大片回波中嵌有或多或少的无组织强对流回波,其运动情形很复杂,有快速移动的,有缓慢移动的,还有静止的,当这些杂乱无章的回波发展强盛时,给所经之地带来强降水天气,显然非线状MCS较线状MCS的组织结构更复杂。

图 4 长江中下游地区梅雨期MCS成熟阶段组织类型的雷达反射率因子示意图(阴影由浅到深对应反射率因子值分别为20、30、40 dBz) Fig. 4 Schematic reflectivity drawings of the organizational archetypes of the mesoscale convective systems at the mature stage in the middle and lower reaches of the Yangtze River during the meiyu period(the levels of shading roughly correspond to 20,30,and 40 dBz)
3.1 尾随层状降水MCS

尾随层状降水MCS(TS)在雷达组合反射率因子拼图上强对流回波(反射率因子>40 dBz,下同)位于系统移动的前方,后方是大片的层状回波区,对流区和层状区之间是反射率因子强度最弱的过渡带,有的个例过渡带不显著。强回波单体在发展过程中常常朝垂直于对流线方向拉长。新生单体大多在强对流线的前方生成,也有少量新单体在系统的上游方向形成。单体运动方向与系统移动方向有一定的夹角,且与对流线垂直的分量占绝对优势,此外,有一些是少量新单体从系统侧面平行移入系统的强对流带中。Houze等(19891990)描述尾随层状降水MCS是一系列强的回波单体排列在对流线中,对流线在系统前方凸起,回波反射率因子梯度在对流线的前缘比后方强,在对流区和层状区之间是回波强度最弱的过渡带;并依据对流线中单体的排列形式将TS类分为对称型和非对称型。在本研究统计的实际个例中绝大部分为非对称型TS(图 4),对称型少见。TS移动较快,一个MCS从发展到消亡常常会移动上千千米,持续时间也较长(表 1),MCS所经之处通常会发生剧烈天气,如大风、冰雹、强降水等。图 5为4个TS类的个例,都是朝偏东方向移动。

表 1 2010年6—7月长江中下游地区线状MCS的类型和数量 Table 1 The class and number of the line MCSs in the middle and lower reaches of the Yangtze River during June and July in 2010
线状MCS 个数 平均持续时间(h) 占线状MCS比例(%) 占所有MCS比例(%)
尾随层状降水MCS(TS) 22 8.1 24.5 12.9
准静止后向建立MCS(BB)18 7.0 20.0 10.6
邻接层状单向发展MCS(TL/AS) 16 8.5 17.7 9.4
前导层状降水MCS(LS) 13 7.1 14.5 7.6
平行层状降水MCS(PS) 9 5.7 10.0 5.3
断裂线状MCS(BL) 9 3.7 10.0 5.3
镶嵌线状MCS(EL) 2 5.4 2.2 1.2
长带形层状降水MCS(LL) 1 11 1.1 0.6
合计 90 7.1 100 52.9

图 5可明显看出雷达资料和卫星资料上MCS位置不完全对应,这或许是卫星资料定位存在误差的缘故(文中后面的图同样存在这样的问题)。在卫星云图上,TS多数表现为一个较紧凑的云团(图 5b、c、d),呈椭圆形,对应云顶温度较低,说明TS类云顶较高,层状回波区上空云顶也较高,表明强对流云后部的云砧中也存在较强的上升运动。云顶温度低于-60℃的云区基本包含了30 dBz以上的雷达回波区,不论雷达回波强或弱,云边缘温度梯度都较大。还有一些TS云团内结构松散(图 5a),大片低温区对应TS系统的整个雷达回波区。很显然,TBB资料不能确定云顶下是否有对流活动,雷达回波比TBB更能清晰地分辨MCS的组织结构特征。

图 5 尾随层状降水MCS个例的雷达组合反射率和卫星亮温分布(等值线,单位:℃)(a.2010年6月8日13时(北京时,下同),b.7月4日18时,c.7月10日20时,d.7月19日23时) Fig. 5 Composite radar reflectivity-examples and the satellitic TBB(isoline,unit: ℃)for the trailing stratiform MCS archetype(a. 13:00 BT 8 June 2010,b. 18:00 BT 4 July 2010,c. 20:00 BT 10 July 2010,d. 23:00 BT 19 July 2010)
3.2 前导层状降水MCS

前导层状降水MCS(LS类)在雷达组合反射率因子拼图上强对流回波位于系统移动方向的后方,强回波前方依次是回波强度最弱的过渡带和次强的大片层状回波区,强回波单体发展到一定阶段常表现为沿垂直对流线方向伸长。新生单体大多在系统的后方生成,在发展过程中并入到前方的强对流线中,同时也有部分新单体从系统侧面平行地移入系统的强对流线中。单体运动垂直于对流线的分量远大于平行对流线的分量,此外,还有在系统一端生成的少量新单体,其运动方向主要平行于对流线方向。Schiesser等(1995)最早从外观形态上将这类MCS称为前导层状降水MCS,此后,Parker等(2000)Rigo等(2007)分别在统计北美与西班牙地区线状MCS类型时沿用这一称呼,这类系统与Newton等(1964)描述的飑线模型也有类似之处。LS移动较快,所经之处常常发生强降水天气,在逐时的雨量分布上常看到对流线前方区域的降水强度比对流线后方区域小。在4个前导层状降水MCS个例(图 6)中图 6a的LS向东移动,图 6b、c、d的LS向偏南方向移动。

LS在卫星云图上主要表现为不规则云团,云边界在系统后方较整齐,前方边界较散乱,云顶朝系统前方散开。云顶温度较低,大部分个例-50℃以下的低温云区覆盖了LS雷达回波区(包括对流区和层状区,图 6b、c、d),说明该类对流系统云顶高的云区范围较大,少数个例云顶温度只有-40℃左右(图 6a),这可能是图 6a中LS个例发展得不是特别强的缘故。强回波区上空云顶温度梯度比层状回波区上空的明显偏大。

图 6 前导层状降水MCS个例的雷达组合反射率和卫星亮温分布(等值线,单位:℃)(a.6月16日18时,b.7月3日00时,c.7月8日17时,d.7月16日01时) Fig. 6 Composite radar reflectivity-examples and the satellitic TBB(isoline,unit: ℃)for the leading stratiform MCS archetype(a. 18:00 BT 16 June 2010,b. 00:00 BT 3 July 2010,c. 17:00 BT 8 July 2010,d. 01;00 BT 16 July 2010)
3.3 邻接层状单向发展MCS

邻接层状单向发展MCS(TL/AS类)在雷达回波上其静态模型类似于TS类和LS类,回波由对流区和层状区组成,对流区和层状区之间很少观测到弱回波过渡带,层状降水区紧邻强对流回波线,并且和强对流线同方向缓慢移动。新单体常常在系统上游的某个区域重复不断地产生并在平行于对流线方向移入前方的系统中,在对流线上强回波单体排成一列,类似于“列车效应”。对流线中对流单体常常朝着垂直对流线方向倾斜或拉长。单体运动平行于对流线方向的分量占绝对优势,其单体运动特征与上述TS和LS类有着显著的差异,TL/AS中单体的运动特征大大增加了沿对流线方向局地对流性降水量。Schumacher等(2005)在统计影响美国极端降水事件的MCS时,将该类MCS从尾随层状MCS和前导层状MCS中分出来,称之为邻接层状单向发展MCS(TL/AS),在极端降水事件中TL/AS类所占比重最大。TL/AS类还有一个重要特征是系统持续时间长、移动缓慢,特别是在成熟阶段几乎是停滞在原地,致使该地发生短时间集中强降水,即使按照日降水量标准通常也是一个极端强降水事件,灾情惨重,如在7月13日安徽省安庆市特大暴雨事件中,仅一个邻接层状单向发展MCS维持10 h以上(图 7d),产生约300 mm的降水,刷新了日降水量的历史记录。图 7给出了4个TL/AS个例回波特征图像。

在卫星云图上,TL/AS或表现为一个紧凑的椭圆形云团(图 7d),或一侧云边界整齐的云团(图 7a、b)。低于-50℃的云覆盖了强度大于30 dBz的强回波区,有些发展旺盛的TL/AS强对流区云顶温度低于-80℃(图 7c)。TL/AS类云顶普遍比TS 类和LS类的云顶高,这说明该类MCS发展强盛,云内上升运动剧烈,易导致强降水发生。大多数TL/AS云顶温度梯度分布陡峭。

图 7 邻接层状单向发展MCS个例的雷达组合反射率和卫星亮温分布(等值线,单位:℃)(a.6月17日20时,b.6月18日03时,c.7月8日17时,d.7月13日07时) Fig. 7 Composite radar reflectivity-examples and the satellitic TBB(isoline,unit: ℃)for the training line adjoining stratiform MCS archetype:(a. 20:00 BT 17 June 2010,b. 03:00 BT 18 June 2010,c. 17:00 BT 8 July 2010,d. 07:00 BT 13 July 2010)
3.4 平行层状降水MCS

平行层状降水MCS(PS类)在雷达回波拼图上表现为在一条对流线上回波强度强,其前方有一次强的层状回波区,有时在对流线的两侧也出现一些层状回波,反射率因子回波梯度大值区位于强对流线的两侧,整个对流系统少见成片的层状回波区,有些个例在系统运动方向右侧的层状回波多于左侧,甚至左侧没有层状回波。新单体大多是在系统后方即在上游生成,且平行地移入强对流线中。单体运动方向主要是平行于对流线方向。Schiesser等(1995)Rigo等(2007)称这样的线状对流系统为无层状降水MCS,Parker等(2000)认为在这类系统的生命周期中层状降水回波单体主要沿着强对流线平行移动,少量的回波单体位于强回波线的两侧,称之为平行层状降水MCS,在长江流域中此类系统的模态特征与Parker等(2000)描述的类似。PS大多是向东或东偏北移动,给所经之处往往带来强降水天气。图 8为4个PS的个例,图 8a、b中MCS向东移动,图 8c、d中MCS向东偏北方向移动,特别是图 8d展示的7月19日位于湖北省的两个PS,这两个中尺度系统位置很近,而且,其水平尺度明显大于图 8中其他3个PS。

图 8 平行层状降水MCS个例的雷达组合反射率和卫星亮温分布(等值线,单位:℃)(a.6月17日05时,b.6月17日06时,c.7月4日12时,d.7月19日09时) Fig. 8 Composite radar reflectivity-examples and the satellitic TBB(isoline,unit: ℃)for the parallel stratiform MCS archetype(a. 05:00 BT 17 June 2010,b. 06:00 BT 7 June 2010,c. 12:00 BT 4 July 2010,d. 09:00 BT 19 July 2010)

卫星云图上,PS呈现长椭圆形(图 8a、b、c)或长带状(图 8d)的云团,云四周边界相对整齐。云顶温度较TS、LS、TL/AS类高,大于30 dBz 的雷达回波区的云顶温度高低差异较大,有些仅为-20℃(图 8a、b),说明部分PS类系统的云顶高度较低。云图上沿云团长轴两侧的云顶温度梯度大,这与雷达回波上PS类系统两侧的反射率因子梯度大一致。图 8个例中的TBB线分布与雷达回波上系统组织形态对应较好。 3.5 准静止后向建立MCS

准静止后向建立MCS(BB类)回波组织形态类似于PS类,BB类在成熟期有些个例表现为一条强回波对流线,没有弱回波区,更多的个例在强回波对流线的前端或两侧存在弱回波区。新单体在系统上游的一个特定地区周期地形成,平行地移入系统后部与老单体合并,新单体再生是后向建立机制(Bluestein et al,1985)。单体移动方向主要平行于对流线方向,衰减的单体移向下游地区,并且,很快被移来的成熟单体替代,在雷达回波图上看似是一个移动极为缓慢的强回波带,这是和平行层状降水MCS的主要差别,BB类系统移动缓慢,回波发展旺盛,影响时间长,容易导致局地发生集中短时强降水,形成的灾害也较严重。Chappell(1986)解释单体后部新生的MCS其移动速度是“相互抵消”的,由于新单体在系统后部生成,新生区相对已经存在的对流单体移动速度有一个相对速度,即单体的传播速度,传播速度方向是老单体指向新单体生成区,在BB中传播速度指向系统后方,这样单体移动方向和单体传播方向正好是相反的,整个对流系统 移动速度也就很小,甚至是静止不动的。图 9为4个准静止后向建立MCS个例的回波图像,6月17日个例(图 9a)系统在发展过程中前方的对流回波向南倾斜,这可能与环境风场随时间改变有关。

图 9 准静止后向建立MCS个例的雷达组合反射率和卫星亮温分布(等值线,单位:℃)(a.6月17日02时,b.7月10日02时,c.7月17日14时,d.7月17日21时) Fig. 9 Composite radar reflectivity-examples and the satellitic TBB(isoline,unit: ℃)for the backbuilding/qusi-stationary MCS archetype(a. 02:00 BT 17 June 2010,b. 02:00 BT 10 July 2010,c. 14:00 BT 17 July 2010,d. 21:00 BT 17 July 2010)

卫星云图上,BB大多数表现为长椭圆形的云团(图 9a、b、d),云边界较整齐。发展旺盛的BB云顶温度明显偏低(图 9b、d),低于-50℃的冷云盖包含了系统的整个雷达回波区。云顶温度梯度分布类似于PS类,大值区位于云团长轴的两侧。图 9a为一个发展浅薄的中尺度系统,云顶温度偏高,雷达回波强度也较其他个例弱;图 9c是在大片低温云系中间形成的一个BB个例,系统整体云顶较高。 3.6 断裂线状MCS

断裂线状MCS(BL类)在雷达回波拼图上表现为多个回波宽度在几十千米、间隔几千米到十多千米的小对流块排列成一条长约50—200 km较规则的断裂直线,强回波位于对流线的中间,弱回波分布在线的两侧。小对流块朝同一方向移动,生命过程中虽有时前后两个对流块连接在一起,但始终没有形成一个整体的对流线,或许是对流单体各自生消的缘故。新单体在系统后方和两侧都有生成,或平行移入对流线中,或沿一定夹角方向移入对流线中。单体运动方向有的平行于对流线方向分量较大,有的垂直对流线方向分量较大。BL移动快,持续时间较短,一般为3—4 h,产生的降水量也较小。断裂线状MCS似乎表现为其他线状MCS类型在系统发生的最初阶段,后期发展较少,且很快消亡。图 10为两个断裂线状MCS回波图像,一个近乎南北向位于江西的西北部至安徽南部地区(图 10a),另一个准东西向位于湖南的中部地区(图 10b)。

图 10 断裂线状MCS个例的雷达组合反射率和卫星亮温分布(等值线,单位:℃)(a.6月8日05时,b.6月17日11时) Fig. 10 Composite radar reflectivity-examples and the satellitic TBB(isoline,unit: ℃)for the broken line MCS archetype(a. 05:00 BT 8 June 2010,b. 11:00 BT 17 June 2010)

在卫星云图上,BL类表现为大范围的不规则云系,云边界或清晰或模糊。云顶温度差异较大,有的云顶温度高达-15℃(图 10a),有的却低于-50℃。 3.7 镶嵌线状MCS

镶嵌线状MCS(EL类)在雷达回波拼图上,表现为几条(一般为3条或以上)间隔距离几乎相等、模态相似的短带回波平行排列成一条对流线,整体如同一条波动的长带,每条短回波带中都包含强对流回波和层状回波,短带中回波均呈现出一定的组织性,在演变过程中,各个短带中回波看似独立变化,各自发展,但各短带又展示了同步的变化特征,始终保持相互平行。新单体在系统的一个侧面产生,在与对流线成一定交角方向移入系统强回波区。单体运动垂直对流线方向的分量较大。EL形成后移动较慢,几乎是静止的,一般持续5—6 h,常给所经地域带来大范围的短时强降水天气。这类MCS在2010年6—7月虽只有两例,但在其他年份如2007年7月8日阜阳地区的特大暴雨过程,8日夜间强降水主要是由一个EL造成的。图 11a为2010年7月22日发生在湖北省中部的EL个例。

图 11 MCS个例雷达组合反射率和卫星亮温分布(等值线,单位:℃)(a.7月22日04时镶嵌带状,b.6月8日09时长带形层状降水) Fig. 11 Composite radar reflectivity-examples and the satellitic TBB(isoline,unit: ℃)for(a)the embeding stratiform MCS archetype at 04:00 BT 22 July 2010,and (b)the long zonal stratiform MCS archetype at 09:00 BT 8 June 2010

在卫星云图上,EL多表现为较紧凑的长椭圆形云带,云边界清晰整齐。云顶温度有一定的差异,即云顶高度有高有低。与其他线状MCS不同的是,云顶温度不均一,常有3个以上低温中心并列分布在带状云中,这与雷达回波上几个平行的短回波带相对应,如图 11a,在一个密实的云带中平行分布几个凸起圆丘。云顶温度梯度在云带四周较大,在相邻短带间也表现为较大的温度梯度。 3.8 长带形层状降水MCS

长带形层状降水MCS(LL类)在雷达回波拼图上呈现为一条长长的几乎都为强度小于40 dBz的层状回波带,回波组织性好,较强的回波位于带的中间,回波强度朝带两侧递减,带中散乱地分布少量的强对流回波(反射率因子大于40 dBz),强对流回波区域不足5%。新对流单体在对流带两侧产生,在与对流带成一定夹角的方向移入带中,单体运动垂直于对流线方向分量较显著。LL移动缓慢,持续时间长,给所经之地带来持续的降水天气,尽管逐时降水强度不是特别强,但累计降水量大。6月8日(图 11b)个例形成在静止锋附近,走向与锋面一致,整个带长大于500 km,带宽在200 km以上,形成后静止少动,但带中回波不断地更新变换,维持在湖北西南地区至安徽中部偏南地区约11 h,后期带中西南段先减弱,向东北方向即安徽中南部扩展了一段距离。可能6月8日MCS是一个锋面系统的雷达回波表现,属于天气系统影响的层状回波降水MCS,尽管没有特强的短时降水发生,但降水持续时间长,累计降水量很大。

在卫星云图上,LL表现为大范围较均匀的带状云系,云边界模糊。云顶温度一般较高,即云系较低。云边界及云内温度梯度都较小。

LL在本研究时段只出现一个,但却是长江流域梅雨季节常见的MCS,如在2009年梅雨期暴雨过程中曾多次出现这类模态的MCS,这里仍将之归为一类。LL和EL两类由于个例较少,发生时段有的还缺乏探空资料,不易作合成分析,故这里只做简单的回波特征描述,对其环境特征等有待用综合其他年份的个例资料后再进行深入分析。

由于线状MCS占统计MCS总数的一半以上,故了解线状MCS的组织、发展、移动等特征,对暴雨等强天气的短时临近预报有重要意义。根据雷达回波拼图上组合反射率因子的分布特征,可判断线状 MCS的组织类型,TS、LS、PS、BL 4类为移动型,因为MCS在发展初期产生的降水量一般较小,强降水主要发生在成熟期,由发展初期的移动方向和移动速度,可外推未来3—4 h内强降水的大致落区。TL/AS、BB、EB、LL 4类基本静止少动,在雷达拼图上某地识别出这几类MCS即可预测该地有强降水的发生,特别是对极端降水过程的预警有意义。 4 线状MCS概况 4.1 MCS的分布

表 1为2010年6—7月长江中下游地区线状MCS类型和数量统计。有组织线状MCS中TS类最多,两个月内出现了22个,占线状MCS总数约四分之一,其次是BB类,占线状MCS的20%;PS类和BL类较少,都只有9个,各自占线状MCS的10%。从各类MCS的平均持续时间看,除了BL类平均维持3.7 h外,其余类型MCS维持时间较长,特别是LL类维持11 h(只一例),多数略多于7 h,而TL/AS类和TS类都超过8 h。本研究统计各类MCS的平均持续时间与Parker等(2000)有较大差异,除BL类外各类MCS的持续时间差异不是很明显,而在Parker等(2000)统计中TS类的平均持续时间长达12.2 h,LS类和PS类只有6 h多一点,这可能是梅雨期长江中下游地区的环境条件和北美地区不一样,尽管形成的MCS组织模态类似,但持续时间和造成天气及影响程度有差异。

图 12给出了2010年梅雨期长江流域线状MCS产生地理位置的大致分布,其中,图 12a为TS、LS、PS 3类MCS,并给出了移动路径,黑点是形成地,线段表示3类MCS的移动路径。由于TL/AS、BB、LL 3类MCS在源地少动,BL持续时间短移动距离也较短,EL类只统计到两个个例,这里只给出其生成源地的地理位置分布(图 12b)。线状MCS大多形成在长江两岸附近,特别是重庆北部至鄂西沿江地带、江汉平原、皖南和赣北地区,此外,在湘赣北侧交界、鄂东北及安徽西南部(即大别山一带)也是线状MCS的多发地,这些地理位置分别对应了几个中尺度地形山脉:重庆东侧的山脉、幕阜山、大别山、皖南黄山等,MCS的生成与地形可能有一定的联系。

图 12 2010年6—7月长江流域线状MCS活动地理分布(a.TS、LS、PS移动性MCS的路径,b.TL/AS、BB、BL、EL、LL MCS的分布) Fig. 12 Approximate locations distribution of the line MCSs in the middle and lower reaches of the Yangtze River during June and July in 2010.(a)the track of the three archetype moving line MCSs: TS,LS,PS,and (b)approximate locations of the other five archetype MCSs: TL/AS,BB,BL,EL,and LL

图 12a表明长江中下游地区MCS移向主要有4种:东、东偏北、东偏南、南,向南移动的个例只有3个,且都是LS类。移向主要受对流层中低层环境引导气流影响,在30°N附近,以受偏西气流和西南气流影响为主,这时生成的MCS主要是向东和东偏北方向;有时受槽后西北气流影响,这时产生的MCS移向是东偏南的。TS类的移动速度最快,其移动路径也最长(图 12a),因此,影响范围也最大;其次是LS类和PS类,这3类MCS移速大致与Parker等(2000)统计结果一致,BL类移动距离较短,很快即消亡;在生成源地发展,进而对流系统尺度增大而较少移动的线状MCS是TL/AS、BB、EL和LL类。 4.2 MCS日变化特征

MCS在对流发生发展阶段(本文统计的时次指由散状对流发展到初具对流线模态)一般持续2—3 h。长江中下游地区的对流活动呈现多峰型特征(图 13a),峰值分别出现在04、10、15—16、23—00时,其中,在13—18时为MCS触发的高发期,05—08时发生对流最少,10时对流活动一度增强后再次减弱,13时对流活动明显增多,至日落时略有减弱,午夜至凌晨又再度发展,这可能与长江中下游地区梅雨期特有的湿度大、温度高环境有关,表现出湿对流特征,同时该地MCS除了BL外持续时间都较长(表 1)。郑永光等(2008)统计中国夏季中尺度对流系统日变化时也发现在湖南北部地区(29°N)对流活动存在多峰型特征。

图 13 MCS在发展期(a)和成熟期(b)的日变化分布 Fig. 13 Diurnal distributions of the MCS during the development(a) and mature(b)stages

MCS在成熟阶段约维持2—4 h,这里分析其日变化统计的时次指线状对流模态发展最旺盛或强降水开始发生的时次(图 13b)。在MCS发展最旺盛时期,除了07时,每个时次都有发展最旺盛的MCS或者降水最强,实际上由于成熟MCS会持续几个小时,06时有MCS活动,则07时仍是该MCS发展旺盛期的延续,即在一天中任意时次MCS都会发生强降水,长江中下游地区强降水发生最多的时次是16时,其次是08、19、23时,下午到夜间强降水的发生概率明显大于凌晨至上午,01—07时发生强降水的MCS个数最少。5 结 语

本文用区域雷达拼图、各种观测资料,统计了长江中下游地区2010年6—7月MCS活动特征,重点分析了线状MCS的概况包括分类、持续时间、地理分布、日变化特征等,主要结论如下:

(1) 长江中下游地区MCS分为两大类:线状MCS和非线状MCS,线状MCS发生数略多。线状MCS有8种典型的类型:尾随层状降水MCS、准静止后向建立MCS、邻接层状单向发展MCS、前导层状降水MCS、平行层状降水MCS、断裂线状MCS、镶嵌线状MCS、长带层状降水MCS。

(2) TS、LS、PS和BL等4类是移动性的MCS,TS类平均移动速度最快,LS类次之,PS类最慢;TL/AS、BB、EL、LL为移动缓慢相对静止的MCS。除BL外其他7类线状MCS都会给所经之地带来强降水天气,特别是移动缓慢的4类MCS造成的降水量更大。大多数线状MCS平均持续时间在7 h以上,TL/AS和TS类持续时间最长,BL类MCS持续时间最短,只有3.7 h。

(3) 长江中下游地区线状MCS多形成在长江两岸附近,在重庆北部至鄂西沿江地带、江汉平原、大别山、皖南和赣北地区是MCS的多发地。MCS移动路径为东、东偏北、东偏南、南4种,这与环境场的引导气流有关。

(4) 长江中下游地区MCS发展阶段日变化呈现多峰型特征,同时也表现出湿对流特征;成熟阶段下午至夜间发生强降水的概率明显大于凌晨到上午。

致谢: 感谢中国气象局国家气象信息中心提供的雷达拼图和基数据资料、地面和高空逐时加密和常规观测资料。

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