中尺度对流复合体 (MCC) 是一种特定的中-α尺度 (200~2000 km) 对流系统，是造成我国夏季暴雨和洪涝灾害的主要天气系统之一。自从Maddox (1980)^[1]关于MCC的开创性论文以后，许多学者对全球各地的MCC进行了大量研究。早在1985年，方宗义就指出中国长江流域梅雨期的暴雨就是由MCC造成的 (Fang^[2])，并从多个个例分析总结出发生MCC的大尺度环流背景的概念模型，即MCC发生在西南季风北端、准静止的东西向切变线或锋面的西端和500 hPa西风带槽线南端这三者的交汇处。其后，李玉兰等^[3]和项续康等^[4]又进一步对我国MCC发生最多的西南和华南地区的MCC发生环境进行了研究，得到了和文献[2]相类似的结论。但这些研究结果都是建立在个例分析的基础上。为了弥补个例分析的不足，最近郑永光等对黄海地区MCC的发生环境进行了合成分析^[5]，但由于他们是对一段长达数天的MCC活跃期中每天两次的高空环流进行合成，因此不能完全代表MCC发生前的环境。

我国北方地区MCC的发生频率比南方要少得多^[6]，对北方MCC的研究也比较少，但一些重大的暴雨洪涝灾害也和MCC的活动有关。例如1996年8月上旬华北平原出现的历史上罕见的洪涝灾害就是由MCC造成的，它所带来的经济损失仅河北一省就高达456.3亿元。因此，研究北方MCC的发生环境和条件也是十分必要的。石定朴等^[7]曾经给出过一次华北地区MCC个例的环境场，但未进行普查。本文的目的是试图在对华北平原MCC进行普查的基础上，用合成方法给出MCC发生前的环境场并诊断其发生的热力学和动力学条件，为华北平原MCC的预报提供参考依据。

针对华北平原，在对1992~1996年夏季的GMS卫星红外云图普查中共找出了6个典型的MCC个例。表 1给出这6个MCC发生的日期、生命史、最强盛时刻及其对应的-32 ℃冷云顶面积、偏心率。为使合成的结果对华北平原MCC的预报有直接的参考价值，因此所选的6个个例的位置基本相同，都在华北平原上空。图 1给出了它们成熟期的卫星红外云图合成后的平均TBB等值线分布。由于所选个例的位置非常接近，因此它们平均后的-32 ℃和-52 ℃的冷云盖，无论是形状和面积，与典型的MCC冷云盖仍非常相似。

图 1

图 1. 合成的卫星红外云图的平均TBB分布 (单位:℃)

表 1

表 1 MCC个例概况

表 1 MCC个例概况

由表 1可看出，这6个MCC的发生时间在09:00~13:00(U TC，下同) 之间，因此每个个例当天的00:00常规观测资料代表了MCC生成前约10 h的大尺度环境场，可以将它们的合成作为MCC发生前的环境。由于MCC具有明显的夜发性，选取时次00:00进行合成也是适当的。从预报角度考虑，它能为在上午的云图上还看不到MCC时，对预报当天傍晚前后是否有MCC产生提供参考。但是，个例2和3及个例4和5是连续发生的，个例2和4的消失时间在00:00或23:00，与个例3和5所应取的合成时次非常接近。已有的研究表明^[8]，当卫星云图上的MCC已减弱到不再满足规定的标准后，其中尺度环流还将维持一段时间，因此个例3和5当天00:00的环流不能代表MCC发生前的环境。另外，个例6的前一天华北平原也有一个中-α尺度对流系统 (MαCS) 发生，虽然它没有达到MCC的标准，因此在合成时也不能使用个例6当天00:00的资料。为避免前一天MαCS对大尺度环境场的影响，我们在6个个例中只选取在其发生的前一日华北平原没有MαCS活动的个例，即用个例1，2，4当天00:00的资料来合成MCC发生前的环境。

具体的合成方法是，首先将每个个例当天00:00的常规地面和高空观测资料分别进行合成，即先将原始报文进行整理，将整理后的报文资料按测站进行平均，然后对平均后的测站资料进行客观分析和物理量诊断计算。先平均、后分析计算的优点是可以用平均后的测站资料填绘出与日常天气分析相似的合成天气图。客观分析中采用了最优插值法，分析范围以117°E，40°N为中心，采用正方形格距，网格距为60 km，网格范围为71 ×61，其中高空的物理量诊断采用的网格范围为41 ×31。

从合成的地面天气图 (图 2) 可见，蒙古地区有一个较弱的冷高压，中心气压为1009 hPa。高压前沿的气压梯度不连续带表明，从内蒙古东部到河套西北部有一条东北-西南走向的冷锋。因此，华北平原的MCC不像我国南方的MCC发生在东西走向的准静止锋的西端，而是位于冷锋前的暖区中。位于我国东部海上的西太平洋副热带高压势力较强大，中心值为1012 hPa。华北平原位于副热带高压西北侧边缘暖湿的偏南气流控制下。地面的温、湿场 (图略) 的分布表明，在副热带高压的外围有一暖脊和湿舌向东北伸展。在河北东部有一对暖、湿中心，其中暖中心的温度值为28 ℃，湿中心的比湿值高达22 g/kg，说明低层具有非常有利的热力条件，使傍晚前后MCC在华北平原发生发展。

图 2

图 2. MCC生成前合成的海平面气压场、测站风 (单位:hPa，等值线间隔1，粗线表示地面冷锋)

200 hPa合成的环流形势 (图 3a) 表明，在对流层上部，蒙古和我国西北部上空为宽广而平直的高空西风气流，急流轴线位于40°N附近。急流轴上有两个急流中心，最大的风速中心 (39 m/s) 位于河西走廊的中部 (39°N，93°E)，次风速中心 (28 m/s) 位于内蒙古中部，MCC就发生在急流次中心出口区的右侧。国内不少研究表明^{[5, 9]}，我国的暴雨有不少发生在高空急流的出口区右侧，此处刚好是南亚高压东北侧的脊，两者配合构成了高空的发散气流，有利于其下方产生暴雨。南亚高压的脊线沿30°N从西向东伸到长江下游。华北平原处在偏西北气流之下，其东北部渤海湾附近处于东西向的南亚高压脊线北侧的西北气流和平直的副热带西风急流之间的分流处。

图 3

图 3. MCC生成前合成的高低空流场、等风速线 (a)200 hPa (等值线间隔5，阴影区风速>15 m/s)(b)850 hPa (等值线间隔2，阴影区风速>8 m/s)(点线为流线；细实线为等风速线，单位:m/s)

对流层中层500 hPa (图略) 在40°N附近仍为纬向环流，副高势力较强大，588 dagpm线最西端伸至110°E，最北端达到36°N以北，华北平原位于588 dagpm线外围的西北侧。河套西部有一弱的短波槽在近于纬向的气流中向东移动，MCC的产生可能与它有关。Maddox (1983)^[9]在对10个MCC个例的合成中也提到了500 hPa的短波槽。

对流层下部的环流与上部明显不同。从图 3(b)所给出的850 hPa合成流场可见，低空的环流有明显的经向特征。在副热带高压的外围有一支强的偏南风低空急流从华南向北延伸到华北；在河套西部则有一清楚的短波槽。华北平原位于黄河下游低空急流的左侧。

由上文所给出的地面、850 hPa、500 hPa (图略) 和200 hPa的合成图上还可以看到，在MCC发生前，华北平原上空的风向随高度顺时针偏转，从地面的南风和东南偏南风到850 hPa的西南偏南风、500 hPa的西南偏西风和200 hPa的西北偏西风；但风速随高度变化很小，在4~14 m/s之间。MCC发生区域风的垂直结构与Maddox的得到结论一致。

另外值得指出的是，华北平原MCC发生前高空的合成流场形势与Maddox (1983)^[10]得到的结果不完全一致。Maddox指出北美的MCC通常发生在对流层上部的大尺度长波脊中，高空急流呈现显著的反气旋式弯曲，而华北平原的MCC在其生成前对流层上部并无明显的大尺度长波脊，高空急流很平直，甚至略有气旋式弯曲。这很可能是由于Maddox在合成中所用的资料MCC已开始形成，而本文所用资料在MCC初始形成前约10 h。我们在对MCC成熟期环流的合成分析中发现 (将另文发表)，成熟期的对流层上部存在大尺度长波脊，高空急流呈反气旋式弯曲。它表明，对流层上部的大尺度长波脊是MCC发展过程中形成的，它反映了在MCC发展过程中中尺度对流系统对大尺度环流的影响，它不一定能代表MCC发生前的环流背景。

作为一种对流系统，不稳定的大气层结是MCC发生的必要条件。对流稳定度 (图 4a) 的分析表明，黄河中下游的广大地区500 hPa的相当位温都小于850 hPa，处在大范围的对流不稳定环境中。最大的不稳定中心位于华北平原中部 (山西、河北两省交界处)，在西南气流的输送下，即将到达华北平原东北部。这与郑永光等^[5]对黄海及其周边地区MCC活跃期环境场的合成得到的结论基本一致。

图 4

图 4. MCC生成前的稳定度条件和水汽条件 (a) 合成的对流稳定度θe (500-850)(单位:Kt值线间隔2）(b) 合成的850 hPa比湿场（单位:g/kg，值线间隔1）(c) 合成的水汽通置场 (矢线) 和水汽通量散度 (等值线间隔0.5×10-7g/(s·hPa·cm3))

与一般的对流系统不同的是，MCC作为一种尺度较大的对流系统，需要有足够充足的水汽输送。在合成的850 hPa比湿场 (图 4b) 和水汽通量场 (图 4c) 中可以看到，黄河中游的比湿高达14 g/kg以上，它正在西南气流的控制下向华北平原输送，其中的水汽通量辐合中心已到达华北平原的南部。

为了考察触发MCC的上升运动，图 5给出了MCC发生前的850和200 hPa合成散度场。图 5显示，在MCC发生前的上午，黄河中游有一对低空辐合、高空辐散中心，它为傍晚前后华北平原上MCC的发生和发展提供了必要的上升运动。动力学诊断进一步表明，触发午后MCC发展的上升运动与高空的涡度平流有关。在图 5(c)的300 hPa合成涡度平流场中我们可以看到，河套地区有一片正涡度平流区，在西北气流的控制下向华北平原移动。

图 5

图 5. MCC生成前的高低空散度场和涡度平流场 (a) 850 hPa散度场 (单位:10-6s-1，等值线间隔2) (b) 200 hPa散度场（间隔4）(c) 300 hPa涡度平流场 (单位:10-10s-2，等值线间隔4)

总之，上述结果表明，在MCC发生前的上午，各种诊断场可以揭示出傍晚前MCC将在华北平原产生的条件。

本文通过对华北平原MCC发生前环境的合成和诊断，初步揭示了我国北方产生MCC的环流背景及与之相联系的物理条件。它们与我国南方及北美的MCC有相同的地方，如多发生在具有对流性不稳定的高温和高湿的大气中，并具有充足的水汽输送等。但也有不同的地方，如华北平原的MCC发生在移动性冷锋前的暖区中，而不是像南方的MCC常发生在静止锋的西端。华北平原的纬度虽然和北美MCC的集中发生区的纬度相当，都在北纬40°N附近，但它们并不发生在对流层上部大尺度的长波脊中。

此外，由于本文所用的方法是将MCC发生日当天上午00:00的资料进行合成，代表MCC发生前约10 h左右的环流，因此它所揭示的一些有利于MCC发生的物理条件，如水汽条件、高低空辐合辐散条件及涡度平流等，对预报傍晚前后有无MCC发生具有一定的参考价值。