引言

自Maddox^[1]发现了中尺度对流复合体 (MCC) 以来，对其发生发展的大尺度天气条件已经有很多研究。Maddox^[2]指出，MCC是在弱的地面锋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，这个短波槽的东南方相当大的区域中大气呈条件不稳定状态，主要的强迫因子是对流层低层的暖湿平流，高层则位于西风急流的反气旋一侧。此后，Cotton^[3]，Augustine和Howard^[4]等的研究结果支持了上述结论。方宗义^[5]，李玉兰等^[6]，项续康和江吉喜^[7]对长江流域中尺度暴雨云团发生的大尺度环流背景分别进行了研究，先后指出这些中尺度对流系统经常发生在静止锋或低层切变线西端、西南急流的左前端和500 hPa短波槽的前方。

郑永光、陶祖钰等^[8]研究了黄海及周边地区MαCS发生的环境条件，揭示了黄海地区发生MαCS的环境条件主要为:低层有高相当位温的暖湿空气，中低层是条件性不稳定的大气层结及暖平流，强而稳定的西南低空急流，低层的辐合及中层不太强的上升运动；高层是副热带西风急流出口区右侧的辐散区。吕艳彬等^[9]研究了华北平原中尺度对流复合体发生的环境和条件，指出华北产生MCC的环流背景及物理条件与我国南方及北美MCC相同，多发生于具有对称不稳定的高温高湿大气中，并具有充足的水汽输送。

考虑更一般的情况，陶诗言等^[10]概括了我国暴雨的基本特点，指出一般大范围暴雨过程多与冷暖空气相互作用有关，锋面、切变线和高空槽的强迫作用很明显。在梅雨暴雨过程中，中-β尺度云团很常见，而更大尺度的MCC却很少。应该说，有利于MCC发生的必要条件，同时也是一般暴雨云团发生的必要条件，它们都满足三个基本要素:丰富的水汽条件；条件不稳定层结；抬升气块到凝结高度的启动机制。但是，MCC作为暴雨中的一种特殊系统，尺度较大，生命史较长，和一般暴雨云团发生发展所要求的大尺度天气系统背景及环境条件显然不尽相同。

本文的目的就是通过对2002年6月22日和7月23日的两次暴雨过程进行分析，研究MCC和一般暴雨云团发生发展的条件差异，初步揭示在何种条件下梅雨锋上能生成MCC，以便更好地了解MCC形成机理和特点。资料采用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和GMS-5红外TBB资料。

1 资料和方法

一般暴雨云团的降雨过程复杂多样，要想对所有类型都进行比较是困难的，本文只是将一次MCC降雨过程和一次中-β尺度云团造成的降雨过程进行比较，研究的区域也集中在长江中下游和江南地区，时间是2002年的6、7、8月。MCC的判别标准除了偏心率的条件放宽了，其他都采用Maddox^[1]的判据。关于MCC的定义，一直以来不断被修订以适应不同的情况^{[11, 12]}。6月22日的个例明显不同于线状对流系统，虽然TBB≤-52℃面积达最大时云团的偏心率约为0.5，但是其他条件都符合Maddox关于MCC的定义标准。因此认为它是一个MCC系统。

选出的个例概况见表 1，MCC共有4个个例，均出现在6月份，而一般暴雨云团影响的较明显的降雨过程有6次，分别出现在6~8月。

不失一般性，选取6月22~23日和7月22~24日的过程分别作为MCC和一般暴雨云团影响过程的代表来作对比分析，两次暴雨过程的中尺度云团、形状和生命史等方面均有显著差异。

2 两例中尺度对流系统及天气形势特点

2002年6月20~23日，长江中下游地区先后受三个MCC的影响出现持续暴雨天气。22~23日，暴雨区主要位于河南东部、安徽和江苏北部、山东南部一带 (图 1a)。其中河南东南部和安徽西北部出现了大暴雨，河南泌阳的24 h降雨量达到179 mm (以下称个例1)。

2002年7月20~24日，江南和长江中游地区叉连续出现暴雨天气。23~24日，一条东北一西南向的狭长暴雨带出现在山东南部、江苏、安徽北部、河南南部、湖北东部一带 (图 1b)，在暴雨带中分别有四个太暴雨中心，从山东、江苏北部交界附近至安徽北部到河南和湖北交界附近呈东北一西南向排列 (以下称个例2)。

在卫星云图上，造成这两次暴雨天气的云团或云型完全不同。个例1主要是受MCC影响 (图 2a)，而个例2则是在一条狭长对流云带中，受中-β尺度对流云团连续不断的影响 (图 2b)。个例1中MCC在22日09:00(UTC，下同) 生成，向东北方向移动，23日04:0O时消亡，持续约19 h。另外.个例1中MCC的云盖面积很大，云顶温度很低。相形之下，个例2的对流云带结构较松散、云团小。但两次过程的降雨量、暴雨范围和分布却很相似。不同的中尺度对流系统导致了相似的降雨。究竟是什么样的环境条件造成对流发展有不同的组织形式?MCC和一般暴雨云团发生发展的物理条件到底有什么样的差异?通过以下分析，希望能找到一些有用的线索。

在个例l中，MCC出现前8 h，850 hPa从四川盆地沿着长江中下游到海面上有一条暖式切变线，同时四川东部和河南有MCC活动但正在消亡 (图略)。22日04:00，在32.5°N，112.6°E附近，湖北和河南交界处有新的对流云团迅速发展，09:00成为MCC。12:00 MCC已发展成熟，在200 hPa上，南亚高压完成了向东向北移动、扩张的过程，中心位于30°N、112°E，而MCC从生成到成熟均位于高压北侧反气旋环流里 (图 3a)。这也表明，MCC发生发展于弱的垂直风切变、具有弱的惯性不稳定或惯性稳定的环境里J。在500 hPa上，副热带高压比较稳定，西脊线一直维持在22°N一带，588 dagpm控制了华东到华南地区，西风带短波槽位置偏西，在云团活动的区域范围内没有明显的扰动 (图 3b)。在850 hPa上，MCC生成于暖式切变线附近偏南的区域，并和切变线平行向偏东方向移动。在MCC的整个发生发展过程中，对流层低层环境场稳定少变，切变线在江淮地区摆动，切变线以南的地区盛行西南风 (图 3c)。

对于个例2，7月23~24日，850 hPa上从贵州南部到江苏北部维持一条东北一西南向冷性切变线，西太平洋上有热带气旋活动。开始的时候，从青藏高原到长江中下游地区为大片对流云所覆盖，并且高原东部有扰动东移。随着对流层中层环流的变化，其它地方的对流云逐渐消散，而切变线附近的对流云仍然维持。在200 hPa上，南亚高压偏西偏弱，主要位于青藏高原上，而中高纬度呈径向型环流，副热带急流可到达35°N附近，对流云团位于高空急流入口区东南侧的强辐散区里 (图 3d)。在500 hPa上，由于热带气旋活跃，副热带高压主体退居海上，对大陆的影响只剩下一个弱的反气旋环流。在中高纬度，阻塞形势已经形成，西风环流径向度加大，切断低压向南移动，中心可达38°N以南。在从切断低压向南延伸的槽线持续影响下，系统的斜压性加强，进而使低层切变线得到加强，对流云团活动也被限制在槽前和副高边缘的狭长区域 (图 3e)。在850 hPa上，切变线得到加强，出现144 dagpm闭合低压等值线。以切变线为界，东南方盛行西南风，西北侧为偏北风 (图 3f)。

从影响的天气系统来看，MCC和一般暴雨云团发生发展的差异在对流层中、高层表现很明显，在低层都出现在切变线和低涡的 (东) 南部，但是切变线的性质不同。一般暴雨云团的环境具有和高空槽相联系的明显的斜压特征，而MCC常发生在弱斜压环境中。另外，MCC往往出现在南亚高压北侧的反气旋环流里，一般暴雨云团则位于高空急流入口区东南侧的强辐散区。

3 两例物理条件的差异 3.1 能量及不稳定条件差异

分析850 hPa假相当位温的分布，以340 K表示高能量，可以看到MCC发生前，南方广大地区处于高能量舌中，尤其是切变线南方，更是高达350 K，并且在高能舌的东北边缘形成了一条西北一东南向的能量锋区或者说是等θ_se线密集带 (图 4a)。相比之下，一般暴雨云团的高能量带范围较小，宽度约400 km，高能量中心紧靠切变线并位于其南侧，θ_se等值线的梯度不太大 (图 4b)，这种差异在700 hPa上更加明显 (图略)。可以认为，MCC和一般暴雨云团对能量的需求不尽相同，MCC发生发展的过程中，高能舌范围更广、更深厚。

用代表大气层结的位势不稳定度，当差值为负时，表明大气层结不稳定。可以看到，个例1中34°N以南的广大地区大气层结为位势不稳定，位势不稳定的建立主要由高、低空温度和湿度平流的差异造成 (图略)。个例2中，切变线南侧为位势不稳定，范围较小，北侧为位势稳定。另外，切变线西北部的不稳定是由于高空系统加强导致冷平流加强的结果，由于没有其它有利条件配合，虽有层结不稳定，但不利于对流发生。对比来看，MCC发生前位势不稳定区域很大，而一般暴雨云团发生前，对流不稳定区域相对较小，不稳定区域的分布和高能量舌的分布基本一致。

由于最大的平流往往和低空急流有关，考察低空急流便可以了解能量积累和不稳定层结形成的原因。关于低空急流和暴雨的密切关系在很早以前就受到高度重视^[10]，在这两个个例中，同样可以看到暴雨发生前和发生时伴有稳定的低空急流 (图 5)。

MCC发生前，850 hPa江南和华南地区有强劲的西南风急流，同时MCC发生地南部大约200 km的地方有16 m·s^-1的急流核。另外，切变线上有低涡生成，强风可以穿越切变线到达低涡环流的东北部 (图 5a)。而一般暴雨云团产生前，850 hPa切变线南侧也有低空急流，急流轴伸展到东海上，急流核较偏北 (图 5b)。在这两次持续性暴雨过程中，低空急流稳定维持，暖平流和水汽平流的波动主要受低层风场的影响。不同的是，与MCC相关的低空强风带要比一般暴雨云团的更宽广，其分布形式和高能舌、不稳定层结的分布有着必然的因果关系。

3.2 水汽条件差异

在研究暴雨发生的条件时，另一个必须考虑的重要因素就是水汽条件。为了分析暴雨云团活动期间水汽的输送和辐合情况，穿过暴雨中心附近，沿114°E作850 hPa水汽通量和水汽通量散度随时间变化图。

个例1，MCC发生前一天，水汽通量增加，6月21日18:00 UTC在31°~32°N出现21×10^-4 g·s^-1·hPa^-1·cm^-1的极大值，较强的水汽通量甚至向北到达35°N。与水汽通量增加相对应的是水汽通量散度的辐合 (图 6a)，6月22日00:00~12:00，33°~34°N有水汽辐散，此时前一个MCC消亡，新的对流云团出现在114°E以西，并逐渐发展成为MCC。

个例2，暴雨发生前，水汽通量持续增加，表现为水汽通量等值线密集区随时间向北扩展，到暴雨发生时，雨区南面也出现21×10^-4 g·s^-1·hPa^-1·cm^-1的极大值中心。从7月23日00:00至24日00:00在31°~33°N基本都有水汽辐合，这也是暴雨发生的时候 (图 6b)。由此可见，不论是MCC还是一般暴雨云团，它们发生发展时水汽条件都很好，水汽通量猛增，水汽向北输送到达云团产生的地区，并且水汽辐合。在持续的暴雨过程里，低空盛行西南气流，气温较高，水汽接近饱和，水汽通量和水汽通量散度的变化其实是由低空急流强度的变化造成的，水汽通量随时间的变化和低空急流随时间的变化完全一致 (图略)。

3.3 抬升条件差异

穿过MCC (114°E) 和暴雨云团 (116°E) 分别对6月22日和7月23日作径向环流和θ_se垂直剖面，分析大尺度气流的运动，以及MCC成熟时或暴雨发生时的大尺度热力结构 (图 7)。

个例1中，从1000 hPa到850 hPa在32°~34°N纬度带中θ_se等值线很密集，MCC在其南面高温高湿的地方发展，气流在南面上升、北面下沉，在850 hPa出现正环流中心。随着MCC的发展下沉气流加强，从中层形成冷空气楔人MCC底部，和近地面的冷空气一起向南移动。可见对流层低层的θ_se等值线密集区和MCC的发展有很大关系 (图 7a)。另一个显著的特征是大尺度气流沿着等θ_se的坡面倾斜上升，Laing和Fritsch^[13]认为在低层暖平流区的这种上升运动是典型MCC发生发展环境场的一个固有特征，可以补偿局地下沉气流，有利于形成大的层状云罩。但是，在本例中MCC位于斜升气流的南面暖区中，因此层状云罩的形成应该有另外的机制。从图上还可以看到，350 K的高能舌在冷空气楔的作用下，随着抬升气流向上、向北伸展到约750 hPa的高度，另外，由于MCC发展过程中有大量凝结潜热释放，对流层中层得到加热，θ_se值在500~400 hPa之间有所增大。

个例2中，低层干湿对比不是很强烈，但由于高空冷涡的发展，在33°N以北有深厚的冷空气堆积，同时也形成了很强的下沉气流，在低层向南北方向辐散 (图 7b)。和MCC发展时的情况不同，向南的下沉气流在切变线南部没有形成更有效的抬升，350 K的高能舌没能伸展到800 hPa以上，这就和天气形势相吻合，说明主要强迫在对流层中层，同时也表明在一般暴雨云团发生发展过程中湿层不是特别深厚。

进一步分析涡度和散度的垂直分布，以了解MCC和一般暴雨云团发展时环境场的动力特征。

个例1中，MCC的云盖覆盖了在31°~33°N的区域 (图 3e)，对应的区域低层为正涡度和负散度，中层600~500 hPa之间有一个2×10^-5s^-1的涡度闭合中心，高层为负涡度和正散度 (图 8a)。因此这一区域涡度的垂直分布符合成熟MCC概念模式，即近地面有气旋性环流，中层也有气旋性环流使MCC能够维持，高层则为反气旋环流。MCC发生时并没有高空槽的参与，但随着MCC的发展对流活动得到有效组织，中层气流运动开始出现气旋性弯曲，并因此产生正涡度，然后反馈给大尺度场。由于MCC尺度较大，在中层产生的正涡度足以影响环境场的涡度分布，使得中层正涡度和低层低涡、切变线产生的正涡度连成一片。值得一提的是，MCC发生发展于850 hPa切变线的南面，其北侧切变线上有低涡，加上冷空气楔向南的推动作用，导致低层大尺度系统在垂直方向上发生倾斜，因此涡度垂直分布从近地面到850 hPa对应的也向北明显倾斜。切变线上的低涡伴随MCC整个生命史，和MCC一起东移并逐渐消失 (图略)。个例2中，暴雨区500 hPa以下均为很强的正涡度，900~700 hPa、32°N有10×10^-5S^-1的涡度中心 (图 8b)，对流层上部为负涡度。散度分布以600 hPa为界，往下是负散度，辐合，往上是正散度，辐散。

从以上的分析可以看到，不论是MCC还是一般暴雨云团，环境场涡度和散度的垂直分布都有利于产生上升运动，从而有利于对流发展。MCC的涡度垂直结构体现了大、中尺度系统的共同作用，而一般暴雨云团发展时的涡度分布则是大尺度的。

4 两种不同的概念模型

以上分析了MCC和一般暴雨云团发生发展的不同环境条件，据此可以概括出两种不同的概念模型 (图 9)。

5 结论和讨论

本文通过分析MCC和一般暴雨云团发生发展的环境场及其物理条件差异，得到以下结论:

(1) MCC发生在较弱的斜压环境里，低层有诸如暖式切变线、中尺度低涡等明显的天气系统，中层不一定有低压槽活动，高层则出现在反气旋环流里。一般暴雨云团则发生在较强的斜压环境里，低层有冷式切变线，中层往往和槽线相联系，高层则出现在急流入口区右侧。

(2) MCC作为较大型的中尺度对流系统，对低层高温高湿能量的需求比一般暴雨云团更多，因此要求高能舌范围更广、更深厚，与此相联系的位势不稳定区域也更大。不论是MCC还是一般暴雨云团，它们发生发展时水汽条件都很好，水汽通量猛增，水汽向北输送到达云团产生的地区，并且水汽强烈辐合。在较稳定的天气形势下，能量和水汽的积累主要由低空急流完成。

(3) MCC和一般暴雨云团都发生在低层切变线附近偏南的区域，这里有很强的正涡度，围绕切变线产生正的中尺度环流，即在切变线南部为低层辐合上升，北部为下沉辐散。

在卫星云图的应用中，不同类型的云团可以造成降水差异^[14]，它们不同的发展趋势最终也会影响到降水的强度及其分布。因此，研究不同类型云团发生发展的物理条件差异，可以帮助理解它们的行为特征，有助于提高卫星短时预报技术。