引言

暴雨、大风、冰雹等对国民经济和人民生命财产具有重大影响的灾害性强对流天气中，往往会出现对流云之间的合并^[1-11]。1949年，Byers H R和Braham R R第一次提出对流云合并的概念^[12]，合并能够影响云和降水的发展，不仅会使得对流云的尺度增大、强度增强；而且还会提高降水效率，引起地面强降水，并且造成冰雹、雷电等气象灾害^[13-19]。

对流云合并的早期研究主要以观测研究为主，通过天气雷达回波和地面雨量的观测来分析合并过程，揭示合并对云体和降水的影响。随着大气探测技术的发展，气象卫星、新一代多普勒天气雷达、闪电观测系统等大气探测设备的出现，更多、更新的资料得以在对流云合并研究中进行应用，揭示出更多的合并动力学和电学特性。此外，卫星观测结果表明，合并在中尺度对流系统的形成过程中起到了关键的作用^{[6, 19-20]}。

在观测事实的基础上，对流云合并的机制也得到了深入的研究^{[1, 21-24]}。在黄美元^[25]将云合并归结为气压梯度力和相邻两云间辐合抬升两方面的作用结果之前，关于合并的机制主要有两种观点：一种是云下层的水平气压梯度力分布所致^[26]；另外一种认为是由下层扰动气压场分布造成的^[27]。此外，李艳伟等通过观测与模拟发现，合并机制的不同会使得合并的初始位置有所差异^[28]。

综合而言，合并是对流性天气中常见的现象，且对灾害性天气的发生发展有着促进作用。以下从基本概念、观测事实，主要影响以及机理分析角度，进行对流云合并的研究结果和进展的简要综述。

1 基本概念

自1949年Byers H R和Braham R通过观测首次提出合并概念以来，并未给出一个清晰的、统一的定义。在雷达观测方面，合并被描述为回波中心的合并^{[21-22, 29-33]}。在数值模拟研究中，对流云合并常常被定义为最大上升速度和雨水中心的合并^[29-32]。

付丹红和郭学良^[17]认为，对流云合并过程就是相邻的对流单体之间合并成一个更庞大、更复杂的单体或复合系统。合并是一个复杂的、多尺度、非线性过程。不仅存在对流单体之间的合并，还有尺度更大的对流系统之间的合并以及对流系统中强中心的合并^[18]。在有些合并过程中，卫星云图上会出现一条连接对流云的云带（云桥）^[29]；而有一些过程则观测不到这一云带。

按照对流系统生命史中合并次数的不同，又可将云合并分为：单次合并和多次合并。相比较而言，多次合并后对流云发展的更加旺盛，产生更多的降水^[1]。对江淮流域暴雨和冰雹过程的统计结果表明，暴雨过程中的合并次数要远远高于冰雹过程中合并的次数。合并对流云之间的面积有所不同，根据面积之间的差异，又可以将对流云分为等积合并、异积合并和吞并合并^[34]。

根据合并形式的不同，又可将合并以分为：射流合并、追赶合并和指状合并三种^[3]。其中，射流合并是因挟卷作用，使得对流云与其强上升气流柱附近的对流单体合并。追赶合并则是因速度原因，使得两个单体之间相互靠近，最终单体间形成环流引起了合并。而指状合并是在一个较强的母云降雨/雹时，激发出新生的子单体，随着子单体的迅速发展母-子对流云合并；由于子单体发展旺盛，使得外形上母体一侧出现了一个向外伸展的指状，故这一类合并被称为指状合并。

2 观测事实

对流云合并广泛地出现在暴雨、冰雹等强对流天气发展过程中，通过天气雷达、气象卫星等探测手段能够观测到这一事实。

雷达回波是研究对流云合并的有效手段。Simpson J S et al^[1]通过对1973年夏季三天雷达回波（位于南佛罗里达州）的统计，指出合并后的回波降水增强，合并回波产生的降水量占整个研究区域降水量的86%。王昂生等^[2]也利用太行山西麓——昔阳地区的雷达观测资料以及云体发展的图片资料（照片），发现云体并合是雹云出现跃增的重要成因之一。另外，1978年夏季甘肃省一次超级单体过程，甄长忠^[4]利用雷达回波资料也观测到多个小单体在一个主体上合并形成超级单体的过程。

随着天气雷达探测技术的发展，更多信息得以被观测。新一代多普勒天气雷达的出现，就为中小尺度天气系统中动力结构的观测提供了有利的手段。利用多普勒天气雷达资料，不仅能够有效地监测龙卷、冰雹等强对流天气，还可以结合地面中尺度网观测资料、再分析资料以及模式产品更细致地研究强对流天气过程的流场、空间结构和机理。何宽科等^[35]就通过多普勒天气雷达回波强度和径向速度的分析，认为促使回波带合并的主要原因是两条回波间低层辐合的加强。孙晶等^[36]则通过多普勒天气雷达的观测，发现在梅雨期内，产生暴雨的中尺度对流系统中存在着许多的合并现象。王俊等分别采用单多普勒天气雷达和双多普勒天气雷达，从动力场上分析了一次弓状回波和超级单体合并的机制^[37-38]。这些的成功经验表明，多普勒天气雷达的使用可以大大增强针对强对流天气的探测与分析能力，有助于分析云团之间风场的相互作用^[39]，这也就为对流云合并的观测研究提供了更好的观测信息。

气象卫星作为一种空基的遥感探测手段，也是强对流天气监测中的一个有利工具。虽然，尚未明确云图上对流云合并的标准，但可以通过人工判别来进行对流合并过程的有效监测。另外，由于多普勒天气雷达探测范围有限，而气象卫星则能开展大范围、连续的监测。因此，气象卫星是监测中尺度对流系统等尺度相对较大系统的有效手段。卫星观测分析表明，在中尺度对流系统（Mesoscale Convective System，简称MCS）的形成过程中常出现云团之间的合并，并且云团合并能够促进MCS的形成和发展^[6-8]。近年来随着卫星探测技术和反演技术的不断进步，已经实现了云物理特征参数的卫星反演^[40]，能够提供包括云顶高度、云体厚度、云液水路径等近多种云宏微观物理特征参数产品。蔡淼等^[41]就利用这些反演的特征参数对一次合并后产生强降水的过程进行分析，观测到合并时云光学厚度和液水路径的迅速增加。上述研究结果表明，气象卫星的图像和数值产品能在对流云及其合并的监测中发挥出重要作用。

在暴雨中，对流云合并已经是一个常见的观测实事。在2001年8月5—6日上海的特大暴雨过程中，伴随着热带低压加强，出现了对流云团之间合并，并在上海市造成特大暴雨^[9]。2003年7月25—26日，台风“伊布都”登陆后影响云南，在这一天气背景下，云团合并后形成的中尺度对流复合体，引发了一次暴雨过程^[42]。2005年7月22日，台风海棠在河南省濮阳市引发了大暴雨天气过程，正是台风倒槽内新旧对流系统的合并，造成了降水强度的增强，引发了此次暴雨过程^[43]。除台风暴雨外，西南涡暴雨中也会出现对流云团的合并，且中β尺度对流云团合并后，地面就出现了强度超过50 mm·h^-1的暴雨^[20]。

除冰雹这种小尺度强对流天气系统中常见对流云合并外，也有关于龙卷风过程中观测到对流云合并现象的报道。曹治强等^[44]对2007年7月皖苏北部一次龙卷过程的观测结果就表明，对流单体合并后不仅形成了范围更大的对流云团，而且在地面产生了龙卷风。

以上观测事实表明，在暴雨、大风、冰雹和雷击等灾害性强对流天气过程中，合并现象普遍存在，并在系统的生成和发展过程中扮演着重要的角色。

3 合并的影响

研究表明对流云合并过程对云体发展有正面效应^[45]，并且能够增加降水效率和降水量，触发冰雹等强对流天气。

3.1 云体发展

多个对流单体合并后，云体的范围扩大，并且因垂直方向上加强了上升-下沉气流，而造成上升运动增强，促使对流云进一步发展^[16]。郁青^[15]在一次冰雹过程的分析中观测到合并后10 min内回波强度、回波顶高和回波范围都发生了明显的变化：回波强度增加15 dBz、最大梯度达25 dBz/km，回波顶升高1.9 km，范围扩大2~3倍。除雷达观测外，卫星云图的分析也表明合并后低亮温区（-73 ℃以下云区）范围扩大，云顶最低亮温达到了-90 ℃，云团得到了显著的增强^[46]。

在个例分析的基础上，对流云合并的统计分析结果进一步说明了合并在云体发展过程中所起到的积极作用。上世纪末，Westcott N E^[47]对美国伊利诺斯州1986年夏季合并过程进行统计，结果表明45%~70%的回波在合并后得到了增强。在中国，曾光平等^[48]利用建阳雷达对2001年夏季对流云进行统计，发现26.8%的对流云中都存在合并现象，且合并形成的对流云要比对流单体发展得更加旺盛，是该区域内夏季最主要的降水云类型。刘慧娟^[49]对2003—2006年夏季合肥雷达探测范围内合并过程也进行了统计，结果显示77%的回波合并后得到增强。另外，Kraussa T W et al ^[33]年在沙特阿拉伯西南部的观测结果也表明，合并后雷达回波增强，在5~10 min内平均增幅为4.2 dBz。这些统计结果表明，对流云合并能够促进云体的发展。

除观测分析外，数值模拟研究的结果也表明合并后云体得到增强，并阐明了合并增强云体发展的机制。付丹红和郭学良^[11]对北京2001年夏季一次强对流过程的模拟结果表明，合并过程会使得云内上升-下沉气流得到增强，从而使得对流运动更加旺盛，促进了系统的发展。Ping Fan et al^[50]对2003年淮河梅雨期暴雨过程的模拟结果指出，云团之间的合并能触发大尺度环境和积云对流之间的正反馈作用，促进对流系统的发展。French A J和Parker M D^[51]在弓状回波形成过程的模拟研究中，发现正是飑线和超级单体合并后的增强发展，形成了这一造成强对流天气的弓状回波。^[52]对一次MCS形成过程的模拟研究结果显示，Ćurić M et al^[52]对流单体之间相互合并后，云体增强发展，形成了MCS。

这些研究结果都表明，对流云合并后云体发展得到了增强。

3.2 降水增加

暴雨期间对流云合并频发，云团合并后不仅使得积云的面积增大、生命史延长，而且还会使得雨强增强、雨量增大数倍^{[18, 33-34, 53-54]}。

付丹红和郭学良^[11]通过对一次合并过程模拟，指出合并过程会使云中的云水含量增加，并有利于水汽的转化。合并会使得云水含量达到最大值，并导致云水转化为冰相粒子，冰相粒子融化有利于地面产生大量降水。翟菁等^[55]对不同发展阶段对流云合并过程的模拟结果也表明，合并会引起云体发展和降水增强。

另外，合并后增强的上升气流，也会使得雨滴的增长路径延长，雨滴粒子更大，在地面产生更强的降水。

3.3 冰雹产生

自20世纪80年代开始，许多学者陆续发现，对流云单体在合并后的很短时间内常常会出现降雹。王昂生等^[3]通过统计，将冰雹云的生命史划分成发生、跃增、酝酿、降雹和消亡五个阶段，并认为合并是形成跃增阶段的重要成因之一。

分散型的对流单体通过相互的合并，使得对流单体群的发展趋于组织化，从而形成结构紧密的冰雹云。另外，合并能把对流单体的能量集中起来，使得辐合上升的范围扩大，利于单体合并发展形成雹云^{[15, 56]}。

对流云合并前，由于对流发展较弱，无法使得大量的水汽被抬升至较低温度区。因此，也就使得对流云的冰化作用较弱，不利于形成冰雹粒子。而当多单体发生合并后，在垂直方向上会促生出一个下沉-上升环流，并逐渐加强。从而加强了云中的对流，剧烈的上升运动使得云体发展到更高的高度，导致有更多水汽进入低温区，从而增强对流的冰化作用。另一方面强烈的对流会使得将粒子运动路径得到延长，从而在运动过程中碰并掉更多的粒子，使得自身长的更大。这两方面都对于冰雹的生成都有促进作用，使得合并后地面出现降雹。

3.4 合并与MCS

MCS是大气中大尺度环流和中小尺度对流之间的主要连接^[57]。很多暴雨灾害都是由持续时间长、移动缓慢的MCS造成的。同时，MCS常常伴有冰雹、龙卷、大风等灾害性天气。上世纪八十年代Maddox R A^[58]首先给出一种特殊MCS——中尺度对流复合体（Mesoscale Convective Complex，简称MCC）的定义。在此基础上，又分别定义出持续拉长状对流系统（Persistent Elongated Convective System，简称PECS）、中β尺度对流复合体（Meso-β-scale MCC，简称MβMCC）以及中β尺度持续拉长状对流系统（Meso-β-scale PECS，简称MβPECS）^[59]。

成因的不同会使得MCS的外形有所差异。其中，圆形MCS的主要成因是低层中尺度气旋，而宽带状MCS的主要是低层的中尺度切变线^[60]。MCS中云团是否有组织性结构，也与MCS中的水汽含量和降水量有关。对美国中部的MCC研究中，发现缺少组织性的云团要比尺度相同但有组织的云团更干^[61]。对西非荒漠草原MCS的研究^[62]表明，仅占MCS 12%的组织对流系统（Organized Convective Systems，简称OCSs）是该区域内主要的降水源（占90%）。

对流合并是MCS形成过程中的一种组织方式。一方面，α尺度系统的增强发展过程中就包括了β尺度系统的增长、合并以及相互作用^[63]；而β系统的增长和维持过程也与对流之间的合并有关^[64]。另外，对流合并后会增强垂直方向上的次级环流，进而通过影响大尺度环流来进一步增强对流系统的发展，最终形成MCS^[50]。

4 合并机制

两个或多个对流单体合并成一个对流云的过程中包含了复杂的动力和微物理过程。Ping等^[50]通过对梅雨锋上对流合并过程的模拟研究，认为合并是对流单体在大尺度环流和天气系统作用下的自我调节和发展。

对流云合并存在一定的约束条件。可以根据合并前对流云团之间的间距和强度差异，分为四大类^[25]。1）当对流云团相距较远而强度接近时，云间的相互影响较小，虽然会有互相延伸的趋势，但不会发展合并；2）当对流云团相距小且强度接近时，对流云之间合并的可能性最大；3）当对流云团相距小但强度差异大时，不发生合并，而是弱云减弱，强云发展；4）当对流云团相距较远且强度差异大时，对流云间相互作用小，不发生合并。

在动力方面，气压梯度力是造成对流合并的一个主要因素，云下层水平气压分布不均匀所产生的气压梯度力及其空间分布，是对流云合并的主要因素之一^[26]。除气压梯度以外，地面辐合抬升以及两个对流之间强下沉气流-上升气流之间的相互作用也是合并的主要原因^{[11, 25]}。云体之间的相互作用还会在低层引起辐合，产生云桥^{[1, 47]}。此外，在有些过程中，还会因云体扩大使得两个对流云相互连接，最后实现流场合并^[11]。对流云合并会增强降水效率，引发地面强降水和冰雹。除动力方面的原因外，云物理方面也存在一些特性。Takahashi T et al^[27]通过可视化的探空对合并过程中云/雨粒子相态进行观测，发现合并后霰粒子出现了显著增加。付丹红和郭学良^[11]指出，合并后会使得区域内的云水含量达到最大，并且有利于云水向雨水的转化。翟菁等^[55]模拟结果也表明，合并过程中会产生一个新的云水中心，且云水、冰相物质含量增加，云顶会被抬高。

此外，合并机制的不同会使得合并的初始位置有所差异^[28]，并且会影响到云桥的产生。

5 未来发展

对流云合并的研究主要集中在两个方面：观测分析和模拟研究。在以往的研究中受观测能力限制，无法对合并过程中的中小尺度特征进行观测分析。大气探测技术的迅猛发展，出现了时空分辨率更高的大气探测仪器设备，如：风廓线雷达、微波辐射计、激光雨滴谱仪、气象卫星以及多普勒天气雷达（主要指双极化多普勒雷达和双多普勒雷达联合观测）等。这些新型探测设备的应用，使得合并过程中小尺度动力特征和微物理过程的观测分析成为可能。

风廓线雷达能够提供高精度的三维风场结构，而在中尺度对流系统发生发展过程中，风场尤其是低层风场扰动其着重要的作用。因此风廓线雷达探测的风场信息是一种研究合并的有利手段^[65-66]。与常规天气雷达相比双极化雷达能够获得更多关于云和大气水凝结物微物理特性的雷达参数，可以提高雷达测雨精度，能对大气水凝结物的识别和演变提供依据，可以用于分析云和大气水凝结物的微物理特性及其演变^[67]。而双多普勒雷达的同步观测可以得到三维的风场结构，是探测云和降水三维运动结构的有效手段。目前，双多普勒雷达探测技术已经成功应用于中尺度对流系统风场的探测和分析中^[68-69]。三维风场结构的观测将有利于更深层次地了解合并过程动力结构和演变^[70]。

随着FY-2系列气象卫星（FY-2C、FY-2D、FY-2E、FY-2F、FY-2G）的陆续成功发射，多颗卫星组网观测可提供分钟级的高频次观测，为中小尺度对流天气过程的监测分析提供强有力手段^[44]。此外，卫星提供的大量高时空分辨率的卫星云图及其反演产品，也为揭示中尺度系统的动力学特征创造了有利的条件^[71-72]。这些资料将有利于更好地监测对流云合并的过程，并分析其动力学特征。

此外，数值模式的发展也为对流云合并的模拟研究和机理分析提供了有利的条件。时空密度更高、精确性更好的大气探测资料在数值模式中的同化应用，可以为数值模拟提供更加准确的初始场，以提高模式模拟能力^[73-75]。这些都有利于对合并过程开展更加细致和精确的研究，以揭示其物理本质。

因此，在对流云合并方面，未来的发展方向主要有两个：新型大气探测设备在合并过程中的观测分析以及模式模拟和机理分析。