霞浦县一次中尺度对流活动的环境特征及动力分析

雷 喆 徐佳奥

(霞浦县气象局，福建 宁德 355100)

1 概述

中尺度对流系统(MCS)一般指水平尺度为10～2000 km左右具有旺盛对流运动的天气系统[1]。在中尺度系统谱中， MCS的生命期中至少包含一个对流单体，生命期较短，但出现频率很高。中尺度对流系统发生发展的机理研究是目前暴雨灾害性天气研究的重点之一[2]，经常导致突发性的短历时暴雨。在全球气候持续变暖的大背景下，各类极端天气气候事件更加频繁，气象灾害造成的损失和影响不断加重，因此，做好中尺度对流系统的研究对于最大限度减少灾害造成的损失，保障经济社会发展和人民安全福祉具有至关重要的意义。

国内外对中尺度对流系统的研究都始于20世纪80年代， Velaseo[3]等指出我国西南—南海地区为MCC活动中心。根据张玉玲等[4]对中尺度对流系统的介绍，在我国110°E以东， 28°N～40°N之间的黄河和长江的中下游地区及其东部沿海是MCS的集中区。李玉兰等[5]普查了 1983—1986 年 4—9 月我国西南—华南地区中尺度对流复合体(MCC)活动的基本特征，并使用个例进行分析。曾波等[6]通过统计2008—2010年夏季我国中东部地区MCS特征，得出MCS的移动路径主要自西向东，大多形成于下午至傍晚,到夜间成熟凌晨时消散。每年6月中旬是福建暴雨高发期，8月前后是暴雨的相对多发期(多台风型暴雨)，秋季和初春(11月至翌年3月)不易出现特大暴雨[7]。福建省主要有3个暴雨高发区，分别位于南部(漳州至龙岩西南部)、东北部(宁德沿海)、西北部(南平西部)。6 h及以上历时的高频区位于沿海，内陆较少，中心仍位于南部的漳州沿海和东北部的宁德沿海[8]。福建暴雨受地理位置、地形和气候条件影响，主要有两种类型。一种是锋面、切变型暴雨，主要发生在 5—6月，降雨历时较长，强度较小，空间分布较均匀，但伴有低涡切变型的大暴雨降雨强度也比较大；一种是台风型暴雨，主要发生在 6 月下旬至 10月中旬，一次降雨历时一般1～3d ，特点是雨强大，雨势猛，雨量在面上相差悬殊[9]。因此大部分福建省暴雨研究都是围绕台风型暴雨及锋面型暴雨，对中尺度对流系统(MCS)造成的暴雨研究甚少，9月末已是汛期末期，很少有MCS引起的暴雨天气出现，特别是24°N以北[10]。

霞浦县地处福建省东北部沿海，属中亚热带季风湿润气候区。地形依山面海，地势由西北向东南呈三级阶梯状下降，热量条件差异较大，垂直气候层次特征明显，小气候环境多种多样。统计2021年9月23日8时至23时共5小时，霞浦县2个国家级自动站和26个乡镇自动站的雨量资料：累计雨量超过25mm的站点有16个，超过50mm的站点有10个，超过100mm的站点有4个，最大为海岛北礵131.4mm，其次为长春126.5mm;1小时降水最大为海岛北礵85.3mm。此次过程是霞浦县一次典型的MCS过程，在预报上有一定难度，通过此次总结与分析，可以为今后中尺度对流系统(MCS)导致暴雨过程的预报提供重要参考依据。

2 数据来源与处理

本文采用资料主要为2021年9月23日16时—23时风云二号静止卫星红外云图资料。2021年9月23日17时—23时ECMWF 0.25°×0.25°分辨率的再分析资料。9月23日霞浦县15个乡镇街道降水资料，时间间隔为5分钟。2021年9月23日17时—23时雷达回波图。EC细网格预报资料，分辨率为0.25°×0.25°。

3 MCS环境特征与分析

3.1 过程降水特征和遥感数据分析

本次过程发生在华南110°E～130°E、20°N～30°N处，在16∶ 20时从红外云图上可以明显看到有多个对流单体向东北角移动并逐渐整合叠加(图1(a))，此时，霞浦县各站点无明显降水，由于系统移动速度缓慢，18时起自西向东，霞浦县多个站点出现明显降水，其中以盐田、溪南、长春、北礵雨势较强。项续康等[11]根据日本GMS资料和部分常规资料,对我国南方地区春末夏初的10个中尺度对流复合体(MCCs)做了分析，得出他们主要活动在夜间，一般在山地背风一侧斜坡上或坡底附近形成，盐田洋边村、溪南镇均位于系统背风坡，对应该时次19时—20时霞浦县溪南、盐田站点降水明显加强，小时雨量分别为75.4mm、80.4mm(图2)。说明背风坡对霞浦县MCS造成的暴雨有加强作用，可能与项续康等研究结果一致。

在卫星云图上可见,20时—21时对流云团已经开始聚集(图1(b))，系统在经过长春前在海上补充了部分水汽和热力，使得长春镇连续两小时降水都超过50mm，随着系统入海，此时MCS到达成熟期，位于MCS中心的海岛站半小时降水量达65.8mm，3小时降水量达131.4mm，成为此次过程雨量最大的站点。红外云图上，TBB≤-32℃冷云面积为43638km2，TBB≤-52℃冷云面积为17420km2，偏心率为0.8，达到MCS标准(图1(c))。而此时在海陆相接处逐渐有中-β尺度涡旋形成(图3(a))，22时涡旋已发展完整(图3(b))，受到中-β尺度涡旋影响，23时海上系统虽有减弱，但依然维持(图1(d))，降水持续到次日凌晨3时，生命期相较于普通对流系统更长。

(a)16∶ 20 MCS发展初期

(b) 20∶ 00 MCS发展期

(c) 21∶ 00 MCS成熟期

(d) 23∶ 00 MCS消散期 图1 2021年9月23日MCS发展及消散不同阶段风云2号卫星红外云图

图2 2021年9月23日18—23时霞浦县4个站点暴雨过程小时降水柱状图

(a)2021年9月23日 21时多普勒雷达速度图

(b)2021年9月23日 22时多普勒雷达速度图图3 2021年9月23日21时及22时多普勒雷达速度图(仰角2.4°，单位：kts)

3.2 环流形势分析

本次过程500hPa中纬度西风槽偏北东移，副高减弱东退，低层切变南压，中高层呈不稳定形势，有利于强对流发生发展(图4)。 700hPa及850hPa上，霞浦县低层由偏东气流(风力3～4m/s)控制，为降水带来稳定的水汽输送，但无急流带；上空低层MCS附近存在风速的弱辐合，为局地暴雨发展提供有利的动力条件。

(a)19时500hPa高度场 (b)19时700hPa高度场图4 2021年9月23日19时500hPa及700hPa高度场

在925hPa18时流场上，MCS云团发展阶段在霞浦县盐田乡一带有明显的风速辐合区(图5)，有利于局地强降水的发生发展。

3.3 物理量场分析

23日15时前后，对流云团发展初期，红圈处霞浦县区域为上冷下暖的不稳定层结(图6)，由于弱冷空气由东北向西南渗透，冷暖气流交汇使得对流云团继续发展。在20时左右850hPa有冷空气由低层入侵(图7)，有利于对流系统的增强和维持。

图5 2021年9月23日19时925hPa宁德流场(绿色阴影部分为风速)

(a)07时200hPa温度 (b)07时1000hPa温度图6 2021年9月23日200hPa及1000hPa温度场(时间：UTC)

(a)11时850hPa温度场 (b)14时850hPa温度场图7 9月23日850hPa温度场(时间：UTC)

19时MCS云团发展区域，高层200hPa水汽通量为辐散，底层925hPa为辐合(图8红圈部分)，形成抽吸作用，为MCS生成发展提供了有利的动力条件，20时MCS东移，霞浦县高层转为辐合，底层转为辐散，雨势明显减弱，但霞浦县沿海一带高层转为辐散，低层转为辐合(图9)，暴雨区转移到海上，并且在20时后该区域依然维持高层辐散低层辐合特征，这也是海岛站一直维持降水的原因之一。

(a)19时200hPa水汽通量散度图 (b)19时925hPa水汽通量散度图图8 9月23日19时200hPa及850hPa水汽通量散度

(a)20时200hPa水汽通量散度图 (b)20时850hPa水汽通量散度图图9 9月23日20时200hPa及850hPa水汽通量散度

在23日19—20时MCS发展时段，正是盐田乡、溪南镇强降水时期，在盐田乡、溪南镇附近垂直速度都存在明显变化，特别是溪南镇19时整层大气都存在垂直上升运动，且925hPa由19时的-0.07Pa/s转为20时-0.78Pa/s(表1)，强的上升运动配合源源不断地水汽输送，支持MCS云团的发展并东移。对比17时和20时EC细网格垂直速度预报值，可以看到在暴雨站点附近的低层925hPa及高层300hPa都有预报出一定程度的上升运动，只是格点值对比实况较小，网格格点无法精确对应到各乡镇站点，但仍有很大的参考价值(表2)。

表1 17—20时盐田乡、溪南镇200hPa到925hPa垂直速度实况表 单位：10-1Pa/s

表2 17—20时霞浦县四个站点附近200hPa到925hPa垂直速度预报表 单位：10-1Pa/s

综上所述，在MCS形成初期，大气呈下暖上冷的潜在不稳定，为强对流发展集聚了前置热力条件。在对流层低层，不断有冷空气流入提供了促进和维持条件；低层辐合和高层辐散，形成抽吸作用，加强了垂直运动，使得对流系统发展旺盛。低层的位势不稳定，由低层向高层输送能量，支持MCS的发展。当MCS发展到成熟阶段，中尺度云团激发、增加，对降水起到了巨大的作用。随着MCS的东移至一个不利于发展的环境场中，这时的低层水汽供应减少,层结不稳定减弱，使MCS逐渐减弱，直到消亡。

4 结论和展望

通过对 2021 年 9月23日的霞浦县局地暴雨研究分析，得出以下结论:

①本次MCS发生在9月底，并造成了4个站点大暴雨。该MCS形成于傍晚，到夜间成熟，凌晨消散，移动路径自西向东，在经过山地背风一侧斜坡上或坡底附近形成，之后暴雨强度明显加强。

②当 MCS东移至海上时，下垫面发生变化，海陆交界处有中-β尺度涡旋生成，使得MCS消散时间延长，整个生命期长达10个小时，相较于普通对流系统更长。

③副高东退，低层切边东移，中低层有偏东气流影响，虽然整层风速(3～4m/s)不大，但也能引起霞浦县生成MCS，该环境场特征表现可作为今后霞浦县MCS预报参考。

④对流云团发展初期，霞浦县区域为上冷下暖的不稳定层结，后期中低层有冷空气由低层入侵，有利于促进对流系统的增强和维持。暴雨区域与低层辐合，高层辐散区域吻合，形成抽吸作用，加强了垂直运动。MCS发展到成熟时，MCS强度最强，对应的热力和动力的物理量场配置也达到了最强。对流云团自西向东对应系统经过霞浦县四个大暴雨站点，都存在1小时超过50mm，3小时超过100mm的雨情。

⑤前期预报可多参考EC细网格垂直速度的预报值，当高层和低层在傍晚时段都报有一定程度的垂直上升运动时，预报员应提高警惕，注意可能有MCS引起的局地强降水发生发展。