影响攀西地区南部的MCC活动特征及发生环境条件

李永军,余谙迪,肖昀何,肖 微

（1.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072；2.四川省攀枝花市气象台，攀枝花 617000）

引言

中尺度对流复合体（mesoscal convective complex，以下简称MCC）是一种α中尺度对流系统，它是由许多较小的对流系统，如塔状积云，对流群（线）或β中尺度飑线等组合起来的一种对流复合体，它最突出的特征是有一个范围很广、持续很久、近于圆形的砧状云罩[1]。MCC的发生常常伴有暴雨、洪水，甚至冰雹、大风、龙卷等破坏性极强的灾害性天气，对人民群众的生命和财产安全具有很大的危害[2]。

大量研究指出：青藏高原在夏季成为一个巨大的热源，能够引起高原上空频繁而强烈的对流活动，夏季高原东部不仅具有较强的感热通量，还具有较大的潜热通量，凝结潜热加热作用为高原地区对流活动提供了正反馈作用[3-5]；MCC对流云团的生成源地大部分在青藏高原东部的背风坡一侧，青藏高原东南部存在两个MCC生成、发展的集中区域，一是横断山脉，二是四川盆地附近[6-7]。攀西南部恰好位于两个集中区域之一的横断山脉，以山地为主，属地质灾害高发区，暴雨过程更易引发山洪、滑坡、泥石流等次生灾害[8-9]。该地区MCC均发生于高能高温高湿的环境中，初始对流发展局地性强，“夜雨”特征明显，与南亚高压、热对流和凝结潜热释放等联系紧密[10-20]，其生成发展及降水特点与攀西南部暴雨类似，但该地区暴雨大多达不到Maddox对MCC的定义标准[21]。可见，深入细致地研究影响攀西南部的MCC，不仅能更好地认识和把握攀西南部暴雨的生成和发展，更重要的是能提升当地灾害性天气及次生灾害的预报预警能力。而就目前来看，这方面的研究并不多见。本文正是针对这一关键问题，结合卫星资料、台站观测资料和再分析资料，试图揭示影响攀西南部的MCC的活动特征及发生环境条件，为准确预报由此引发的区域暴雨提供科学依据。

1 资料和方法

研究使用的资料包括：（1）2010～2019年FY-2E静止气象卫星1h间隔相当黑体亮温（TBB）资料，水平分辨率为0.1°×0.1°；（2）2010～2019年攀西南部分布相对均匀且资料连续的24个地面观测站点（8个国家站，16个区域站）的逐小时降水量资料；（3）欧洲中心发布的ERA5再分析资料，时间分布率为1h，水平分辨率为0.1°×0.1°。

研究区域选取在攀西南部，该地区位于青藏高原东南缘的横断山脉，包括攀枝花市和凉山州南部会理、会东、德昌及宁南4县（市），经纬度范围是26.04°～27.58°N、101.03°～103.05°E。

1980年，Maddox首次提出MCC的定义标准[21]。在此基础上，Augustine等[22]和Anderson等[23]研究指出，TBB≤-52℃的冷云罩面积达到Maddox定义的标准且TBB≤-32℃的冷云罩面积达不到该标准的MCC个例极少，因此剔除了TBB≤-32℃的冷云罩面积条件。本文MCC的统计标准采用Augustine等[22]新修改的定义，即：尺度上要求TBB≤-52℃的冷云罩面积≥5×104km2；形成时刻为第一次满足尺度定义的时刻；生命期要求满足尺度定义的时间≥6 h；同时要求连续冷云罩TBB≤-52℃在最大空间范围时椭圆率≥0.7；消亡时刻为不再满足尺度定义的时刻。

本文将TBB≤-52℃冷云罩覆盖2/3及以上的攀西南部区域、持续时间达3h及以上的MCC定义为影响攀西南部的MCC。为更好地研究影响攀西南部的MCC的整个发展形成过程，将第一次出现TBB≤-52℃冷云罩的时刻定义为初生时刻，将TBB≤-52℃冷云罩面积达到最大的时刻定义为鼎盛时刻。按照冷云罩几何中心距攀西南部的距离可将影响攀西南部的MCC分为中心影响型和边缘影响型。

2 影响攀西南部的MCC统计特征分析

2010～2019年，共普查出12次影响攀西南部的MCC天气过程，详见表1。

从出现时间看，影响攀西南部的MCC出现在6～9月，6月次数最多达5次，其次8月出现3次，7月和9月各出现2次。段旭等[14]的研究也指出6月是云南及其周边MCC出现频率最高的月份，其发生与季节性变化（东亚季风和印度季风爆发）和下垫面加热易形成空气热对流有关。

从生命史看，影响攀西南部的MCC平均生命史7.5h，大多生命史集中在6～8h，个别持续时间较长的可达10h，具有生消迅速、生命史短的特点，这与杨本湘等[24]揭示的青藏高原东南部MCC的生命史特征一致。

从生消情况看，影响攀西南部的MCC初生时刻集中在13～17时，消亡于次日凌晨至上午。江吉喜等[25]、胡亮等[26]及Sugimoto等[27]重点研究了MCC的日变化，结果表明：15:00～16:00是一天中MCC生成最多的时段，对流云的活跃时段在16:00～次日03:00，即当地午后至午夜时段，对流活动在09:00～13:00一般会减弱，可以认为是对流活动的消散期。相关研究[4-5, 28-29]普遍认为：MCC的日变化主要是白天高原的加热作用以及夜间高原的凝结潜热作用导致的；白天随着太阳高度角的增大，高原接收到的太阳热能逐渐增加，高原上空大气柱上冷下暖，不稳定能量逐渐累加从而触发对流活动的发生；夜间高原上空的水汽释放出大量的凝结潜热，潜热加热作用促使低涡中心的上升运动向高层延伸，从而使对流活动增强，深厚的上升运动又释放出更多的潜热从而形成一种正反馈机制。影响攀西南部的MCC集中形成于傍晚至前半夜，这与我国南方、华北、黄河中游、江苏北部等区域的MCC多形成于上半夜[7, 30-32]相类似，但整个生命期较上述统计结果提前，有3次过程在18时左右形成，有9次过程形成于22时之前。

从空间尺度看，影响攀西南部的MCC在鼎盛期的TBB≤-52℃区域面积＜10×104km2的有5例，10×104～15×104km2的有4例，15×104～20×104km2的有1例，20×104～25×104km2的有2例，且这2例均为边缘影响类型；影响攀西南部的MCC空间尺度较小，没有出现北美或长江中下游地区那种面积＞30×104km2的大型MCC。

将影响攀西南部的MCC在初生、形成、鼎盛和消亡时刻的TBB≤-52℃区域的几何中心确定为其位置，统计得到2010～2019年这类MCC的移动路径。如图1所示，影响攀西南部的MCC主要生成于川西高原南部和攀西西北部，主要消亡于攀西南部及云南北部，其移动方向均为西北-东南走向。影响攀西南部的MCC移动路径主要与该区域地理位置及地形有关，攀西南部处于金沙江、安宁河河谷区域，具有干热河谷气候特点，地势整体由西北向东南倾斜，在局地造成较大的温度、湿度等气象要素梯度，形成锋面特征，同时对流下沉促使正涡度增加，共同导致对流的发展和增强。

图1 2010～2019年影响攀西南部的MCC移动路径（▲表示初生时刻位置，●表示形成时刻位置，■表示鼎盛时刻位置，▼表示消亡时刻位置，底图为青藏高原东部地形，粗黑线区域表示攀西南部）

3 影响攀西南部的MCC分类

影响攀西南部的MCC可分为中心区域影响和边缘区域影响2类。如图2所示，2018年6月22日00:30，MCC为中心影响型，冷云罩的几何中心位于攀西南部及附近地区；2016年7月26日00:15，MCC为边缘影响型，冷云罩的几何中心离攀西南部距离较远。整体而言，中心影响型其整体空间尺度较小，边缘影响型空间尺度较大。分类情况详见表1。

图2 2018年6月22日00:30（a）和2016年7月26日00:15（b）TBB图（单位：℃，黑线区域表示攀西南部）

按照攀西南部24个自动气象站的24h最大降雨量，可将影响攀西南部的MCC分为大暴雨型、暴雨型、大雨型和小雨型。从表2可知，并非所有影响攀西南部的MCC均会产生强降水，其中个例2和12为大暴雨型，个例1、4、5、8、10和11为暴雨型，个例3和7为大雨型，个例6和9为小雨型。需要注意的是，上述分型仅仅以攀西南部降水为判据。如个例6（小雨型），攀西南部24h最大降雨量为3.2mm，MCC影响区域的降水整体偏弱，但在个别区域出现了大雨。如个例9（小雨型），攀西南部24h最大降雨量为5mm，但在MCC影响的其他区域出现了较强降水，尤其是中心影响区域还出现了大暴雨。对比攀西地区各雨型的最低TBB值，大暴雨型、暴雨型和大雨型差异不大，最低TBB为-76～-92℃，而两次小雨型的最低TBB仅有-70℃，明显高于其他三个类型。

表2 2010～2019年影响攀西南部的MCC降雨及最低TBB统计

4 影响攀西南部的MCC天气学特征

本节就选取的12个个例，按照大暴雨、暴雨、大雨、小雨这4个类型，分别对影响攀西南部的MCC在形成时刻的高空风场和高度场进行合成分析。

4.1 环流特征

图3是不同类型MCC在形成时刻的200hPa环流场合成分析。如图所示，不同类型MCC的形成时刻，200hPa南亚高压中心均位于青藏高原南部。从大暴雨型、暴雨型、大雨型MCC的200hPa环流场合成分析（图3a～c）可看出，大暴雨型和暴雨型的南亚高压强度大于大雨型，攀西南部位于南亚高压东侧脊线附近，南亚高压辐散区的抽吸作用可促进深对流的发展[33-34]。而小雨型所对应的南亚高压东部脊线位于川西高原中部至四川盆地西南部，攀西南部位于其南侧较一致的东北气流中（图3d）。

图3 不同类型MCC在形成时刻的200hPa环流场合成分析（a.大暴雨型，b.暴雨型，c.大雨型，d.小雨型，红色地图区域为攀西南部）

图4是不同类型MCC在形成时刻的500hPa环流场合成分析。如图所示，在大暴雨型、暴雨型和大雨型中，攀西南部均处于低槽尾部区域附近，槽后为偏北气流，槽前为偏西南气流；大暴雨型低槽南压较暴雨型和大雨型明显，暴雨型和大雨型受低槽尾部附近的偏西气流影响；小雨型低槽尾部区域位于川西高原中部区域，位置偏北。在4种类型MCC的形成时刻，攀西南部上空500hPa盛行偏西气流，且风速较小，为2～8m/s。根据当地预报经验，较小的偏西风不会对当地对流的发展形成阻碍作用；而较强的西风一方面会阻碍低值系统南压，另一方面会阻碍低层辐合的向上发展和切断低层辐合与高层辐散间的联系，对深对流的发展不利。

图4 同图3，但为500hPa

图5是不同类型MCC在形成时刻的700hPa环流场合成分析。如图所示，4种类型MCC对应的水汽主要来自孟加拉湾；其中大暴雨型、暴雨型和大雨型在攀西南部均存在切变，切变后东北气流明显，切变前为西南气流，这种环流配置有利于中低层来自孟湾的暖湿气流在攀西南部产生辐合并触发对流；而小雨型对应攀西南部为西南气流的控制，切变位置偏北且较弱，切变后的东北气流也较弱。

图5 同图3，但为700hPa

在影响攀西南部的MCC的形成时刻，高层的南亚高压脊线附近辐散对攀西南部MCC的形成和强降水的产生有较大影响，且强辐散可能对产生更大量级的降水较为有利；中层位于低槽尾部区域附近，整体表现为弱风速区；低层的水汽输送和风速风向辐合有利于较强降水的出现。大暴雨型、暴雨型和大雨型的环流形势相似，在高层位于南亚高压东部脊线附近，中层位于低槽尾部区域，低层存在切变辐合；大暴雨型的南亚高压强于暴雨型和大雨型，中层的低值系统南压较暴雨型和大雨型明显；小雨型在高层位于南亚高压东部脊线南侧一致的东北气流里，中低层的低值系统位置偏北。

4.2 环境条件

本节采用温度、比湿偏差法研究其温湿环境条件。温度、比湿偏差法即：。这里的T和Q为格点值，为图上整个区域内网格点资料的平均值。由于青藏高原东部海拔差异很大，无法将其统一到同一等压面。

图6为上述12个MCC 在形成时刻的温度偏差合成沿27.5°N的垂直剖面。如图所示，攀西南部（26.04°～27.58°N，101.03°～103.05°E）及其周边从低层至中层存在一个明显的温度正偏差，低层最大偏差可达7℃，低层在MCC区域西侧有一个冷区，冷暖界面等值线近乎垂直，存在显著的水平温度梯度大值区，这样的锋区结构有利于增强大气的斜压不稳定。

图6 多个MCC在形成时刻的温度偏差合成沿27.5°N的垂直剖面（单位：°C）

图7给出了上述12个MCC在形成时刻的湿度偏差合成沿27.5°N的垂直剖面。如图所示，从垂直方向看，攀西西部低层为一个由干转湿的区域，干湿等值线近乎垂直，存在较大的比湿梯度；而攀西南部及其以东为一个比湿正偏差区，攀西南部比湿的正偏差可达4g/kg。可见影响攀西南部的MCC形成发展过程中，攀西南部为一个显著湿区。

图7 同图6，但为湿度偏差（单位：g/kg）

4.3 动力条件

图8是不同类型MCC在形成时刻的垂直速度合成沿26.75°N的垂直剖面。如图所示，大暴雨型、暴雨型和大雨型MCC在攀西南部整层均存在很强的上升气流，表现出降雨量级越大上升气流越强的特点；其中，大暴雨型的上升速度中心值达-0.8hPa/s，暴雨型和大雨型的上升速度中心值均为-0.6hPa/s，但大雨型在垂直方向的伸展情况较暴雨型差，而小雨型的上升运动很弱，甚至有下沉气流出现。

图8 不同类型MCC在形成时刻的垂直速度合成沿26.75°N的垂直剖面（a.大暴雨型，b.暴雨型，c.大雨型，d.小雨型，单位：hPa/s）

从不同类型MCC在形成时刻的散度合成沿26.75°N的垂直剖面（图9）看，攀西南部上空均呈正负散度交替存在的特征；其中大暴雨型的低层负散度达-8×10-5s-1，高层正散度达12×10-5s-1；暴雨型的低层负散度较小为-4×10-5s-1，高层正散度达8×10-5s-1；大雨型的低层负散度达-8×10-5s-1，高层正散度达8×10-5s-1；小雨型的中低层均以正散度为主，高层存在弱的负散度；大暴雨型、暴雨型和大雨型的MCC低层辐合、高层辐散的特征明显，高层200～100hPa的辐散区是南亚高压东部脊线辐散区的反映。

图9 不同类型MCC在形成时刻的散度合成沿26.75°N的垂直剖面（a.大暴雨型，b.暴雨型，c.大雨型，d.小雨型，单位：10-5s-1）

5 结论

本文应用卫星资料、台站观测资料和再分析资料，对影响攀西地区南部的MCC活动特征及发生环境条件进行研究，结论如下：

（1）影响攀西南部MCC出现在6～9月，其中6月出现频次最高，其平均生命史7.5h，平均空间尺度13.5×105km2，具有生消迅速、生命史短和空间尺度较小的特点；

（2）影响攀西南部MCC初始对流主要初生于川西高原南部和攀西西北部，消亡于攀西和云南北部，其移动路径以西北东南向为主，时间上初生于午后，形成于傍晚至前半夜，消亡于次日凌晨至上午，整个生命期偏早；

（3）MCC发展形成于高温高湿高能环境中，中低层温度及比湿较周边区域高，存在较大的对流有效位能。产生较强以上降水MCC要求其具有较低的TBB值，高层的南亚高压脊线和中低层的切变是其主要影响天气系统，较强降水MCC垂直结构上具有低层辐合、高层辐散和上升运动显著的特点；

（4）按照攀西南部24个自动气象站的24h最大降雨量，可将影响攀西南部的MCC分为大暴雨型、暴雨型、大雨型和小雨型。大暴雨型、暴雨型和大雨型的环流形势相似，在高层位于南亚高压东部脊线附近，中层位于低槽尾部区域，低层存在切变辐合；其中大暴雨型的南亚高压强于暴雨型和大雨型，中层的低值系统南压较暴雨型和大雨型明显；而小雨型高层位于南亚高压东部脊线南侧一致的东北气流里，中低层的低值系统位置偏北。