高天11讲 中尺度对流系统(MCC与MCS)和暴雨

1、 暴雨的形成
在我国暴雨的发生受三个大尺度方面的因子影响。第一是来 自印度洋和西太平洋的夏季风，中国大范围的雨季一般开始 于夏季风的爆发（华南要更早一些），而结束于夏季风的撤 退，降雨强度和变化与夏季风脉动密切相关。我国暴雨出现 的频率年际变化很大，这也与夏季风状况的年际变率密切有 关。第二，西太平洋和青藏高原副热带高压的位置决定了中 国主要雨季的季节移动。暴雨常出现在100hPa高压和120ºE 处副高比常年更偏北的位置上，如1962。1965，1968，1969 和1970年，如果100hPa高压位置比常年偏南，则长江流域一 般出现干旱。
中尺度对流复合体的特征
物理特征 尺度 A——小于－32℃的红外温度的云区面积必须大于106km2 B——小于－52℃温度的内部冷云区的面积≥5×104km2
开始时
尺度定义A和B首先满足
生命期
最大范 围 外形 结束时
满足尺度定义A和B的时期≥6小时
连续的冷云区（红外温度≤－32℃）达到最大尺度 椭圆形，在最大范围时刻偏心率≤0.7 尺度定义A和B不再满足
中尺度对流系统（MCSs）是有组织完好的，中— 尺度（200-2000Km）的对流系统，它的外形近于 呈椭圆形，边缘平滑。MCSs在中国经常出现。如 在华南前汛期和梅雨期间。下图是MCSs的全球分 布（引自Richad Johson 的图，WMO季风会文集）
MCC locations based on 1980s satellite data for JJA in the northern hemisphere and DJF in the southern hemisphere. Outgoing longwave radiation (OLR) values are shaded. From Laing and Fritsch (1997).
暴雨系统在很大程度上受大尺度行星环流型制约。 因而一场暴雨的发生涉及到不同尺度天气系统的复 杂的相互作用。尤其是对2天以上的暴雨，行星环流 分布具有十分重要的作用。下图是暴雨中各种天气
系统的关系。
暴雨中各种尺度天气系统的关系
暴雨多是出现在扰动停滞的时期，这时候行星尺度系统经常 出现一次调整过程。另一种情况是行星尺度系统持续某种形 势，这使得在某地区接二连三地有扰动发生发展。行星尺度 系统并不直接产生暴雨，而是通过制约直接产生暴雨的天气 尺度系统的活动来间接对暴雨产生作用的，它可以决定天气 尺度系统的移动速度，强度变化、重复出现和系统间的相互 作用。行星尺度环流还可决定大范围雨区出现的范围及决定 暴雨区的水汽来源或水汽通道。
（取自杨国祥等）
通过一条理想化飑线的剖面图
大气科学，2008
中国的个例
（由俞小鼎提供）
2、中尺度对流复合体（MCC）与中尺度对流系统（MCSs）
在3~9月，在美国中部经常出现一种有组织的对流天气系统，这种系统的生 命史比一般的中尺度系统长，面积比一般中尺度系统大得多。现在这种系统 叫中尺度对流复合体（MCC）。在过去，这种系统一直未被揭示出来。下表 给出中纬度MCC的定义。这个定义是根据增强的红外云图上看到的一些物理 特征概括出来的。由它们的尺度和生命期可见，这种系统只限于是一些尺度 较大、持续的对流系统，在高空有大范围卷云砧区。并且系统的环流有可能 被一些天气尺度的高空观测网所观测到。大部分MCC云区的红外黑体温度 TBB≤－52℃，这一条件保证，系统应是很活跃的，并且降水出现在相当大 的地区。外形的判据是任意规定的，主要是把线状系统排除在MCC外。MCC系 统的尺度与个别雷暴相比则是非常大的。例如成熟气团雷暴表明，≤－32℃ 的平均冷云区的面积为700km2，更大一些的对单体风暴平均冷云区面积约为 1400km2，而MCC的冷云顶区面积100000km2，或者更大，即比个别雷暴面积大 两个量级。
中高压的中心位于前沿对流线后几十公里，这意味着这个位置是积云下 沉气流区，是冷中高压的源区。另外，在许多飑线的分析中，还可以发 现一个飑前槽和飑前低压存在。这是由对流在飑前激起的对流层中上层 下沉增温造成。尾流低压中心位于层状云区尾部边缘强雷达反射率梯度 区。它是由对流线后部下沉运动造成的。由降水蒸发部分驱动的中尺度 下沉气流可引起绝热增温，它超过了低压的蒸发冷却，以此产生地面气 压下压。后来的研究进一步揭示了飑线由对称结构非对称结构的演变 (下图).由(b)可见，虽然飑线仍包含有飑线低压，中高压等尾流低压， 但尾流低压和中高压更连同层状云区向北移动。这种北移表明，层状云 区在尾流低压的形成中起这关键作用，对中高压与对流线也起了重要作 用。Haertel与Johnson对飑线中高压与尾流低压的动力学进行了研究。
是中国MCSs形成过程的例子
（引自石定朴等，王斌编Asian Monsoon，2005）
3、地形和加热不均匀引起的对流系统
• 地形引起的对流系统主要由山脉波、背风波和山 谷风等引起，它们主要产生在这些地形强迫产生 的上升运动处。 • 加热不均匀引起的对流系统主要由海陆风、湖风 锋、河风锋、早晨雾区、雪区边缘等引起。
下图给出持续性特大暴雨的两种形势图。在经向型情况下，在暴雨区 周围为高空高压所包围，即贝加尔湖高压，日本海高压，青藏高压和 华南高压。这几个高压系统都很稳定，在日本海高压和青藏高压之间 是一条南北向的低压带。这种形势很有利于西南涡北上，低涡可沿着 南北向切变线北上，冷空气由从乌拉尔大槽分裂东移的短波槽携带， 沿青藏高原脊前流入低槽区。另一股冷空气在贝加尔湖前沿极地路径 南下。低空偏东急流和偏南急流共同输送水汽，这种持续性雨带主要 是南北向的，可从西南地区向北延伸到华北。纬向型暴雨型有三个主 要特征：从西伯利亚宽的低槽中分裂出的冷空气经河西走廊到达长江 流域，它们是冷空气的来源，这种冷空气是由东移的西北槽携带，最 后受到副高阻塞在长江流域蜕变成东西向切变线。
成熟飑线系统的概略图（Johnson与Hamilton，1985）。粗实线是地面气压线， 向量代表地面风，阴影区是强降雨区。
对称（左）与不对称的飑线系统。阴影区代表雷达反射率区。深色代表反 射率增加区，地面气压等值线为3hpa间隔，向量是地面风。
（Loehrer与Johnson，1995）
湖南桃源县记录到的 （1974年4月12日）一 条强飑线过境时的温、 压、湿气象要素变化
（2）暴雨主要分布在华南、长江、华北三个带中。如果我们点出过去 1931~1977年近50年中24小时降水量大于200mm的强暴雨位置（下 图），可以发现，所有这些暴雨分布在三个带中：华南、长江流域 和华北。此外，也有少数一些暴雨出现在沿岸地区，主要是台风引 起。在以上三个主要暴雨带之间暴雨出现很少，这种情况与锋区很 少在这些地区停滞以及主要环流系统突然的北跳有关。更重要的， 暴雨的这种特征分布表明，暴雨与起源或移过西藏高原的天气系统 的频率有关。例如，华南的前汛期暴雨主要由在高原以南通过的南 支西风带中的扰动引起。长江流域的暴雨经常是由来自高原的低涡 和切变线引起。但当高空锋区北移时，这些低空涡旋常改变它们的 移动路径，由向东变成向北或东北移动，以此造成华北，甚至西北 的暴雨。
高等天气学讲座(2014年春季）
单元四：对流和降水天气系统
第十一讲
中尺度对流系统 （MCC与MCS）和暴雨
丁一汇 国家气候中心
一、中尺度对流系统
1、飑线
飑线是一种传播性线状的激烈对流系统，其水平尺度在150～300km，时 间尺度在4～10h。飑线是强天气中破坏性最强和最大的，它可以产生强 风，雷暴，暴雨、冰雹等强对流天气。在地面气压场上飑线一般由两个 强地面气压系统，中高压和尾流低压构成。藤田早年把飑线的生命期分 为5个阶段，他指出，在初期阶段已经形成了一个强的中高压，在发展 阶段中高压在强度和尺度上都有增强。到成熟阶段，阵雨达到最大强度， 在中高压之后并形成尾流低压。在减弱阶段，降水与中高压皆减弱，但 是尾流低压达到最大强度。最后在残余阶段，尾流低压填塞消失。约三 十年之后，利用美国STORM－中部计划得到的较稠密的资料，基本肯定 了藤田发现的飑线内的中高压和尾流低压结构（下图）,并进一步揭示 了飑线内的前沿对流线/尾部层状云结构。飑线模式由前沿对流线，过 渡区（回波最小值区）与大范围的层状降水区组成。
最后，暴雨的年际变率密切与北半球，尤其是东亚中高纬大 气环流的异常有关。位于乌拉尔山，贝加尔湖，鄂霍茨克海 霍里海的阻塞高压和乌拉尔山与贝加尔湖的长波槽是决定暴 雨是否有利的关键环流系统。例如在1972年夏季，全球出现 许多异常的天气过程。这是由于一异常的长波槽维持在亚洲 的东岸地区（130º～140ºE）而代替了正常年份的平均高压 脊。结果冷空气爆发的路径比常年更偏东，同时副热带高压 也比常年更弱。这种天气形势造成了过去30年中春季和夏季 最严重的干旱，这主要是由于在中国冷暖空气交绥的机会大 大减少。
二、暴雨的形成与中尺度扰动的作用
我国位于世界上著名的季风区。在夏季风爆发和盛行的时期， 是我国暴雨的季节。最著名的降雨是长江流域的梅雨，在我 国几乎每年都受到突发性洪水或持续性洪水的灾害，在有些 年份灾害相当严重，如1963年海河大范围的洪水和1975年淮 河灾害性洪水，以及近年来，1991，1998，1999和2003年年 江淮地区梅雨季的持续大暴雨。1981年7月中旬和2004年9月 3~7日四川大暴雨也造成了严重的灾害。因而暴雨的研究和 预报问题一直是我国气象工作者最关心的问题之一。
第二个特征是副热带高压相对稳定。高压西侧的西南气流 不断向暴雨输送暖湿空气，并与冷空气交汇于江淮流域。 第三个特征是高纬在雅库茨克或鄂霍茨克海要有稳定的阻 塞高压，使得东亚西风带位置偏南。 由上面可见，在持续性大暴雨发生前或发生中，行星尺度 长波系统一般会经历一次明显的调整过程，以后表现出异 常的稳定性。持续性大暴雨即出现在长波系统稳定的时期。 另一方面，持续性大暴雨的发生实际上是大尺度环流出现 异常状况的一种表现，因而与暴雨有关的长波系统的位置 和强度必然对平均条件呈现明显的偏离。