一個長生命期準靜止中尺度對流系統的觀測特征及其持續的環境條件

王曉芳 賴安偉 王志斌

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一個長生命期準靜止中尺度對流系統的觀測特征及其持續的環境條件

王曉芳 賴安偉 王志斌

中國氣象局武漢暴雨研究所暴雨監測預警湖北省重點實驗室，武漢430074

2010年5月31日至6月1日華南特大暴雨過程經歷了三次集中降水期，共有4次MCS（Mesoscale Convective Systems）演變過程，其中一個TL/AS MCS（Training Line/Adjoining Stratiform Mesoscale Convective System，鄰接層狀單向發展的中尺度對流系統）在廣西壯族自治區中部準靜止地維持了10多個小時，導致了多個觀測站出現極端強降水。用觀測資料和數值模擬結果重點探討了該TL/AS MCS的觀測特征及其發展持續的環境條件。結果表明，準靜止TL/AS MCS發展在一個高空強輻散、低空氣旋性匯合環流的天氣尺度環境中，TL/AS MCS維持期間熱力環境特征表現為對流層中低層持續高濕近飽和態、偏中性層結、合適的對流有效位能和極小的對流抑制能量。在對流層中低層，低空急流的加強發展維持與對流層中層相對弱的環境風形成了風垂直切變隨高度呈現強逆轉，近地層風垂直切變垂直于對流線的分量大，而在中層風垂直切變平行于對流線的分量占絕對優勢，風切變特征可能是TL/AS MCS 準靜止的原因；低空急流和中層環流的相互作用、對流層動力和熱力條件有利于強上升運動的長時間維持與發展，不斷觸發新對流從而組織成一個長生命期準靜止的TL/AS MCS。

長生命期 準靜止TL/AS MCS（鄰接層狀單向發展的中尺度對流系統）觀測特征持續條件

1 前言

關于華南前汛期暴雨我國氣象工作者已有諸多研究（孫建華等，2002a，2002b；蒙偉光等，2005；陳敏等，2005；夏茹娣等，2006；夏茹娣和趙思雄，2009），對華南暖區暴雨大多從中尺度對流系統、低空急流和下墊面地形等方面進行研究，揭示出這類暴雨形成的環境條件及其動力、熱力條件的主要特征（孫建華等，2002a，b；蒙偉光等，2005；夏茹娣等，2006；夏茹娣和趙思雄，2009）。趙玉春等（2008）對比華南鋒面和鋒前暖區暴雨成因，指出鋒面暴雨和鋒前暖區暴雨不僅在中尺度雨團活動、系統動力結構、大氣不穩定機制和大氣加熱結構等存在明顯差異，而且在水汽輸送、中尺度環境以及與暴雨有關的垂直環流之間也不同。陳敏等（2007）認為鋒面對于中尺度對流系統（簡稱MCS）而言除了提供對流觸發機制外，兩者之間還存在復雜的相互作用，華南前汛期伴隨對流活動的冷鋒具有獨特的垂直環流結構。

華南暖區暴雨常與MCS的發生發展密切相關，MCS組織和運動特征決定了暖區暴雨降水量的整體分布。快速移動MCS在廣闊地理區域出現相對小的降水量，而移動緩慢或準靜止MCS在局地區域常產生極端降水量，導致危及生命的山洪爆發（Chappell，1986；Doswell et al.，1996）。Schumacher and Johnson（2005）對造成極端降水事件MCS進行統計分類，其中有兩類MCS移動緩慢呈準靜止狀態：鄰接層狀單向發展MCS（Training Line/ Adjoining stratiform MCS，TL/AS）和準靜止后向建立MCS（Back-Building/quasi-stationary，BB），由深對流線或對流串組成，其新生單體重復地在其上游出流邊界形成，不斷地沿著對流線移動，使得MCS作為一個整體系統幾乎保持靜止，新單體形成過程常常稱為“列車效應”。

Schumacher and Johnson（2009）研究發現準靜止MCS常發生在對流層中層高濕環流中，高濕環境不利于形成強冷池。冷池被經典地認為是線狀對流組織形成的原因（Rotunno et al., 1988；Parker and Johnson，2004），但是由強冷池激發的MCS常常是快速向前傳播的。Schunacher and Johnson（2008）最新研究表明，在相當濕的環境里，即使沒有近地面冷堆，低空急流與深對流加熱相互作用激發的低層重力波，可使對流組織成一個移動緩慢的MCS，理想實驗還表明準靜止MCS觸發、維持與強迫對流場的形狀和強度無關（Schumacher and Johnson， 2009）。

國外關于導致極端強降水事件的MCS進行了大量而系統性的研究，近年來隨著我國極端降水事件頻發，研究長生命期準靜止MCS顯得尤為必要，林宗桂等（2009，2011）對2008年致廣西壯族自治區兩次發生大暴雨的長生命期MCS的天氣系統、層結條件、水汽及其維持機制進行了分析，揭示了一些觀測特征，但對造成特大暴雨的華南準靜止MCS還缺乏針對性研究，如準靜止MCS的組織結構、生命史、移動特征，準靜止的維持條件及機制等，2010年5月31日至6月1日一個準靜止長生命期的TL/AS MCS造成華南特大致洪暴雨，本文利用FNL 1°×1°一日四次的再分析資料、常規和加密逐小時觀測資料、雷達資料，結合中尺度數值模式WFR模擬結果來重點分析該TL/ASMCS個例的觀測特征及其持續的環境條件。

2 過程簡介

2010年5月31日至6月2日，華南強降水從31日09時（協調世界時，下同）開始至2日00時結束，經歷了39個小時。暴雨以上量級降水從貴州南部沿紅水河至廣西中東部、以及廣東大部分地區（圖1），強降水主要發生在廣西中部沿線，在強雨帶上有多個特大暴雨中心，從西到東有：都安站（359 mm）、貴港平南思旺鎮（465 mm）、來賓橋鞏鄉（494 mm）、容縣十里鄉（254 mm）等。

該次強降水分為三個集中時段：（1）31日09～15時廣西和廣東接壤南部一次MCS活動造成暴雨，其中容縣6小時累計降水量63 mm、岑溪7小時62 mm，如圖2e、f中第一次集中降水期；（2）31日12時至1日06時共18個小時，從貴州羅甸至廣西中部沿東蘭、都安、來賓、貴港一直延伸到賀州、梧州地區，最有代表性站都安和來賓站小時降水如圖2c、d所示，來賓站18小時持續降水量達445 mm（圖2d），為來賓平均年降雨量的三分之一，300年一遇，超過新疆三年降水量，圖2d來賓站小時降水量出現了三個主要峰值，表明持續強降水期間不斷有新對流發展，導致降水強度間斷性地增幅。都安站18小時內發生了358 mm降水，且15～18時小時降水量都超過50 mm h（圖2c）。在來賓和都安上游地區東蘭站和貴州羅甸站（圖2a、b）降水強度最大達到50 mm h，雖然相對都安和來賓站弱，但它們都位于紅水河流域內的山區中，易致山洪爆發，羅甸和東蘭站降水開始時間與來賓和都安站一致，但結束時間早。第二個集中降水期導致了廣西壯族自治區重大洪災及嚴重的次生地質災害；（3）1日12時至2日00時，廣西東南部至廣東大部分地區形成新的強降水，見圖2e、f中容縣和岑溪站的第二次集中降水期，由廣西東南部新產生MCS造成，引發了廣西東南部嚴重的泥石流災害。

31日至2日強降水主要有三個特征：首先，強降水集中，暴雨中心多個雨量站24 h累計雨量超過400 mm；其次，極端降水事件多，來賓市興賓區橋鞏鄉和遷江鎮、平南縣大鵬鄉、都安瑤族自治縣高嶺鄉、忻城縣古蓬鄉等地24小時雨量突破了歷史實測最大值；最后，災情慘重，山體滑坡、泥石流、洪水等災害僅廣西壯族自治區就有46人死亡，16人失蹤，其中6月1日晚廣西玉林市容縣和岑溪縣爆發群發型滑坡泥石流數百處，遇難者共計43人，直接經濟損失達10多億元。

在強降水期間，各站氣象要素顯示，地面溫度均下降處于低值態，氣壓變化則較復雜，貴州至廣西中部強降水期間氣壓呈波動下降趨勢，表明受地面低值系統控制，降水結束，氣壓明顯上升（圖2a–d）。廣西東南部兩次MCS影響強降水期間，地面氣壓表現為降水發生之前降至最低，隨著降水的發展又呈上升趨勢。

3 暴雨發生發展的過程分析

3.1 天氣尺度環境場

在廣西特大暴雨發生前一天30日500 hPa中高緯度為兩槽一脊形勢，阻塞高壓位于貝加爾湖，隨后緩慢東移，東移過程中其脊線逐漸朝東北傾斜，而中低緯度對應高壓脊線南部也演變為低壓槽，低壓槽一直伸至青藏高原東南部。31日12時（圖3a），在85°～110°E間呈現西南—東北方向傾斜的北脊南槽形式，高緯冷空氣沿槽前偏西氣流直達南支槽中，圖3a中可見南支槽后部有明顯的冷平流伸至30°N以南；此外沿海大槽由日本海直抵我國長江入海口，槽底向西傾斜轉橫，槽底為冷平流，而在低層850 hPa上由日本海到我國長江流域為東北氣流，且在長江中上游地區形成了風速大于12 m s的偏東風急流（圖3a中的風向桿），850 hPa在上 述兩地也表現為冷平流（圖略），強東北氣流易將沿海大槽后的冷空氣攜至長江流域及其南部地區，即有兩支偏冷氣流能抵達長江以南，對長江流域及華南地區降水有利。此時廣西地區上空受低緯南支槽前西南氣流影響，到1日06時南支槽開始減弱，2日06時開始轉為平直的西風氣流，華南強降水結束。

圖3中對流層850 hPa上廣西南部從31日12 時到1日00 時出現一次西南低空急流的發展增強過程，在1日00時中南半島至北部灣區域是西南偏西氣流轉西南氣流的急流區（圖3b），如此強勁的偏南氣流可將源源不斷的水汽輸送至急流北側的不穩定帶中，利于廣西中部強降水維持。

3.2 對流層中低層低渦發生發展過程分析

低渦系統是廣西特大暴雨過程的重要影響系統（傅慎明，2010），對其演變過程做分析。31日06時850 hPa廣西北部至貴州中部形成一條東南氣流匯合帶，且四川東南部和貴州中部各有一個正渦度中心，此后氣流匯合帶發展增強，正渦度增大，12時貴州南部至廣西中部處于氣流匯合帶中氣旋曲率最大的沿線中（圖略），強降水開始發展（圖2a–d）。31日18時（圖4a），隨著西南氣流增強，氣流匯合帶北抬，貴州中部的正渦度中心朝東南移動且增強，在貴州南發展為一低渦環流，此時正是貴州南部和廣西中部強降水發展增強階段；1日00時低渦進一步增強并略有東移（圖4b），低渦東南側為強盛的西南急流（圖3b風向桿），此時位于低渦中心區域的羅甸和東蘭站降水減弱，而其東南方的廣西中部降水則繼續增強（圖2a–d）；1日06時低渦中心移入廣西境內（圖4c），南側西南氣流明顯減弱，廣西中部強降水減弱結束。1日12時低渦繼續發展東移，廣西、廣東接壤南部開始發展新的降水（圖2e–f）；1日18時（圖4d），低渦中心正渦度又增強，在其西南發展一個新的正渦度中心，這兩個低渦環流對兩廣南部強降水發展有重要作用。2日00時后南部新生低渦發展增強，但快速東移入海，造成廣東南部沿海地區的降水天氣；而北部低渦則迅速減弱至06時消亡，廣西強降水結束。

可見，在廣西的第二和第三個集中降水階段，有兩次低渦活動相伴，第一次低渦維持了近36小時，空間上屬于α中尺度系統，在緩慢東移過程不斷增強，其前方氣流輻合作用不斷增大，促使廣西強降水能長時間持續發展。

3.3 地面中小尺度系統演變

31日03時地面海平面氣壓場呈現北部冷高壓、南部低壓的緯向帶狀形勢，低壓倒槽頂部逐漸東伸至華南地區，該區等壓線幾乎呈南北向，這有利于海上暖濕氣流向陸地輸送。12時地面準靜止鋒位于貴州中部（圖5a斷線），貴州南部至廣西則處在鋒前暖區中，沿著廣西境內的西江流域北側形成了東北風和來自低壓倒槽南側東南風的輻合線（圖5a點線），此時在廣西都安和來賓開始有點狀對流發展，尚未造成強降水。至15時（圖5b），地面準靜止鋒略有南移，受低壓倒槽南側較強偏南風影響，12時位于西江北側的地面輻合線中東段明顯北抬，在東蘭以西地區形成了明顯的小渦旋（圖5b紅色虛線），地面渦旋位于對流層中層低渦中心東南部（圖4a），東蘭附近渦旋維持近6小時（圖5b?d）。31日21時至1日03時（圖5d?f）在廣西西北部又出現了新渦旋，地面小渦旋加強了地面輻合線附近的邊界層輻合，因小渦旋長時間維持，使得渦旋附近局地上升運動不斷發展，進而持續觸發新對流，在雷達回波上也可看到31日18時以后廣西西北部（地面輻合線西部）一直有新對流產生，形成了新單體觸發源地（圖6b?f）。

18時（圖5c），地面輻合線斷開，北側輻合線位于羅甸南至河池東，呈東西向，其西端偏西氣流將靜止鋒前新生對流引導向東移動（如圖6a?c，此時雷達回波上對流明顯形成了兩個有機的整體，北側靜止鋒前對流向東運動，南側對流朝東南方向移動）；南側輻合線南壓至西江流域南部，且為西北—東南向，與雷達回波上MCS方向一致，都安、來賓站南側受偏南暖濕氣流影響，強降水開始。

隨后北側輻合線隨著地面靜止鋒緩慢南壓而消失，且鋒面一直維持在廣西北部，南側輻合線維持在廣西境內西江流域附近少動（圖5d、e、f）。31日21時至1日03時在都安、來賓附近地面都有小渦旋生成并維持，渦旋維持增強了邊界層中暖濕氣流的上升運動。

4 中尺度對流系統發生發展

5月31日至6月2日華南共經歷了多時間段MCS活動，這里以降水最強31日12時至1日06時MCS活動為例進行描述。該時段同時有兩個MCS發展：一是受鋒面影響MCS，對流首先在貴州南部產生，之后對流向東擴展形成一條東西長500 km、南北寬150 km的對流帶（圖6a中貴州南部大片回波，位于廣西至廣東交界的大片弱回波為該日下午一次MCS活動的殘余回波），后期演變 為一個組織性差的非線狀MCS，一直持續到1日00時減弱消散（圖6a、b、c、d），鋒面MCS帶造成了貴州南部和廣西北部地區的強降水。另一個是31日09時廣西中部地區開始有點狀稀疏對流發展，在13 h以后對流明顯集中在貴州的羅甸和廣西的東蘭、都安、來賓等地，廣西境內對流很快組織成三個南北長約100 km、東西寬20 km的中β尺度對流線（圖6a中廣西中部沿線的三個強回波短帶）。

位于廣西中部MCS的對流發展加強，17時以后由多個中β尺度對流線演變為一條西北—東南向的中α尺度MCS，長約700 km，寬200 km，強對流回波位于對流帶西南側，大片的層狀回波位于東北側（圖6b、c、d、e、f），在對流帶發展旺盛階段的10多個小時里（31日17時至1日03時），對流帶準靜止地維持在廣西中部并向東南擴張加強，強對流帶集中在沿江（紅水河—潯江—西江）一線，特別是都安和來賓地區的回波強度一直大于45 dB，對流呈旺盛的發展狀態。在MCS發展強盛時期，可以觀測到對流帶中有5條平行的強回波短帶，且朝東北方向拉長（圖6c），強回波單體向東北方向移動減弱為對流帶中大片層狀回波區。在1日02時以后（圖6d、e、f）層狀回波中也出現了強對流單體，對流帶中東部演變為一個渦旋狀回波分布，這可能與850 hPa（圖4b、c）上低渦環流從1日00至06時東移加強有關。

廣西中部造成強降水MCS發展經歷了兩種形態的演變，首先從31日09～17時MCS由為多條發展旺盛的小對流線組成（圖6a），呈波動排列，造成東蘭、都安、來賓的第一次強降水峰值（圖2b、c、d）。其次31日17時至1日06時對流發展轉換為一個準靜止鄰接層狀單向發展MCS（TL/AS類，Schumacher and Johnson，2005；王曉芳和崔春光，2012），隨著對流帶中強回波發生發展造成了都安和來賓地區多個時次的強降水（圖2c、d），由圖4和圖5知道，31日17時～1日06時，地面輻合線主要維持在廣西中部沿江一線，其上還出現多個小渦旋長時間發生發展，850 hPa低渦緩慢東南移動過程增強，低渦南部偏西和西南氣流引導新生對流單體向東南或東北方向移動，低渦環流形勢相對穩定維持，是造成準靜止TL/AS MCS長時間持續的可能原因。

圖6g為沿23.8°N反射率因子隨時間的經向演變，新生對流單體在強對流區的西部產生后隨時間向東移動，強對流回波主要在108°～109.5°E區間內集中發展，之后隨時間向東強度減弱，形成了TL/AS MCS東北側的大片層狀區。沿109°E反射率因子隨時間的緯向演變（圖6h）中，在強對流區23.5°～24°N間有三個強對流發展強盛階段，分別為：31日11～13時、31日15～18時、31日20～1日06時，前兩個時間段對應圖6c即31日17時以前的波動短帶對流發展，最后長時間段對應的是TL/AS MCS變化。同時在23.5°N以南不斷有新單體生成，新單體隨時間向北移動至24°N以北后回波強度減弱為層狀回波。

在圖6h中25°N以北存在另一個MCS隨時間演變，即是圖6a–d中受鋒面影響的MCS，其強度明顯比廣西中部TL/AS MCS弱很多。

由上述分析可知，廣西中部TL/AS MCS其新對流單體來源有：一是對流帶西南方暖濕區域有新生對流單體不斷產生向東北移動并入強回波區；二是MCS上游（貴州羅甸南部至百色）周期性地產生新對流單體，新單體平行對流帶方向移入系統強回波中，這類新單體主要在31日17時以后較明顯（圖6g）。

5 模擬結果分析

5.1 模擬結果檢驗

使用美國新一代中尺度數值預報模式WRF3.1.1，以（24°N，110°E）為中心，兩重嵌套，粗網格格距15 km，格點數361×292；細網格格距5 km，格點數361×292；垂直向上從1到0不等距28層。模式初始場以FNL1°×1°日資料為背景場，并用觀測資料對FNL背景場進行訂正。從5月31日12時積分，至6月2日00時結束，共36小時。31日12時至6月1日06時包含了影響廣西特大暴雨MCS的演變過程。這里重點分析該時段鋒前暖區MCS造成特大暴雨過程特征，并與鋒面對流作簡單對比。

從domain2積分19 h模擬降水量看（圖7a），有兩個主要的降水落區：一個位于貴州—湘南較大范圍的暴雨量級降水區，主要由鋒面系統影響造成，整體鋒面降水落區較實況略微偏西（圖1a）；另一個為廣西壯族自治區中部沿線的特大暴雨區，是鋒前暖區MCS造成，特別是來賓地區的特大降水中心與實況（圖1a）一致，模擬鋒前暖區強降水在廣西中西部沿線較實況雨量偏小，強雨帶位置較實況略偏北。由來賓附近的點（24.2°N，109.3°E）逐小時雨量分布看，模式激發的降水從31日14時開始至1日07 h時結束，降水開始時間比來賓站晚一小時，結束時間相同，18個小時累計雨量高達542 mm，比實況來賓地區該段時間最大累計降水量494 mm（來賓地區橋鞏鄉）多了近50 mm，小時降水分布出現了3個小時大于90 mm的強降水，也比實況偏強，小時強降水結束時間也比實況早了1個小時，但降水持續時間和強度與來賓周邊站實況基本相同。

5.2 準靜止MCS持續的天氣條件分析

在模式積分6 h后，模式大氣開始有較強降水發生（圖7b），200 hPa上廣西壯族自治區中西部被強大的高壓（圖8a中重力位勢的大值區）控制，同時廣西中部沿線高空風場存在明顯輻散（圖8a陰影）。到12時后（圖8b），高壓東移，在對流發展的最強沿線200 hPa上廣西中部出現多個中尺度高壓、低壓、高壓分布形式，廣西區域上空風場輻散（圖8b陰影）進一步加強，且東部尤為顯著，此后7小時一直維持，高層強輻散向東擴展加強形勢對氣流上升運動維持有利。

900 hPa上，低空急流最大風速達12 m s以上（圖8c藍虛線），因低空急流北側水平風分布不均勻易形成擾動（王曉芳等，2007），此時對流系統出現在低空急流前方終端區域，該區風速急劇減弱形成強的輻合，同時對應偏南風與東南風匯合，促使匯集此地的暖濕氣流產生強上升運動。隨著低空急流向東擴展并增強（圖8d藍虛線），對流區輻合也加強并朝東擴展。

此外，在對流區南側一直是相當位溫大值區，積分初期正相當位溫平流大值零星分布在廣西省內，北部相對較集中（圖8c紅線），到1日00時強的正相當位溫平流出現在廣西壯族自治區中東部（圖8d紅線），強降水區展現強的相當位溫平流特征與許多強暴雨事件研究類似（Moore et al.，2003；Schumacher and Johnson，2005，2009），表示廣西中東部地區不穩定性增強，伴隨其南側低空急流的加強，使得廣西南部暖濕且不穩定的氣流更易被輸送到對流區上空。

5.3 準靜止MCS持續的中尺度條件分析

5.3.1 風垂直切變特征

在MCS演變過程中對流層中低層風垂直切變起重要的作用（Parker and Johnson，2000；Schumacher and Johnson，2005）。在強降水開始發生時即31日18時，近地面MCS區域表現為偏東風，對流層低層900 hPa上已形成強的偏南風低空急流，地面到900 hPa上呈現西南方向的風垂直切變向量（圖9a），觀測TL/AS MCS帶呈西北—東南向（圖6），低層風垂直切變主要垂直于對流帶方向；到600 hPa左右，風向轉為偏西風或西北風，風速減弱，900～600 hPa風垂直風切變方向由西北指向東南，平行于對流帶方向，其量值顯著地增大（圖9b）。

由31日12時和1日00時探空資料計算對流區南側站點環境風垂直切變（表1）。由圖6可知，31日TL/AS MCS帶呈西北—東南向，方位角約120°，12時低層風垂直切變垂直對流帶方向分量大，中高層則平行于對流帶的分量占絕對優勢，這與模擬結果相似。TL/AS MCS成熟階段，風垂直 切變大小低層減弱，而中高層平行對流線方向的切變量明顯增大，這與已有研究具有相同的風垂 直切變特征（Schumacher and Johnson，2005；王曉芳，2012）；垂直于對流線的分量有利于對流單體垂直于對流線延伸，而平行于對流線的切變有利于對流單體沿對流線融合，即低層向外擴展，中層 再將擴展的單體沿對流線融合起來，這在一定程度上解釋了31日TL/AS MCS 準靜止維持的可能原因。

由渦度方程知，對流區強的風垂直切變存在表示有強的水平渦度，圖9中陰影為對流區域600 hPa上為相對渦度（即水平渦度）的大值區，水平渦度在對流活動的抬升下又轉變為垂直渦度，從圖8c、d對流層中低層渦旋環流隨時間是增強的，即正的相對渦度值增大，這樣垂直渦度也會隨時間增大，而垂直渦度持續增強于對流活動有利。

暴雨區單站風隨高度風向逆轉（圖10a、b），風速先急劇增加后減弱，到高層又增加，即風隨高度矢端曲線形成“發夾”形狀，與國外研究造成強降水MCS單站風變化有相似的模式（Schumacher and Johnson，2009）。在對流區，近地層一直維持偏東風，風隨高度逆轉為南風、西南風，到高層為西風或西北風，這種暖平流顯著的風垂直結構對降水維持有利。從降水發生后，中低層的風速持續地增大，最大達12 m s（圖10b），而在對流區上游低空急流隨時間發展加強，風速也明顯大于對流區風速，在22時低空風速超過了20 m s（圖10a），從對流區上游到對流區形成了強風速輻合。在對流區存在兩個風切變層：近地層的偏東風和對流低層的西南風切變，中低層的西南風和高層的西北風切變，均有利對流發展維持；同時近地面冷的偏東風與MCS西南側暖的偏南風匯合，易觸發新對流。

圖10對流層中層弱的西北風疊加在強盛的低空急流上，對流區上空對應風向急劇變化的垂直風切變，這樣的切變結構主要以增強的低空急流為主要特征。Corfidi et al.（1996）研究表明，低空急流與弱的中層氣流相結合是適合后向建立機制的對流觸發，即新對流單體在對流系統的上游產生。

5.3.2 持續的熱力和動力條件

在強降水開始時刻沿對流區（24°N附近）緯 向剖面（圖11a）表現為對流區空氣濕度大，相對濕度大于95%的層次高達400 hPa，隨著強降水發展，對流區高濕層擴展到300 hPa（圖11b）。降水發生前后對流區南北兩側中低層未出現明顯溫度差異（沿對流區經向剖面圖略），說明暴雨區在強降水發生后沒有因蒸發作用形成冷池，因為對流區上空濕度大且濕層深厚，盡管強雨滴長時間下落，但近地因空氣過于飽和而很難形成蒸發作用。此外，地面靜止鋒一直位于貴州中南部（圖5，圖12），對流層中低層沒有冷空氣入侵是造成對流帶兩側沒有溫差的另一個原因。

圖11a和b中渦度剖面顯示在強對流區（24°N附近）氣旋性渦度隨時間增強，呈強渦度柱形勢發展，從低層一直伸到對流層頂，正渦度的持續增強有利于對流層中層氣旋性渦旋環流發展，使得低渦隨時間加強（圖4）。對流區散度和垂直速度緯向剖面分布如圖11c、d，在對流區上空分布排列了多個低層輻合、高層輻散中心，也即是在對流區有多個強對流同時發展；且在109°～110°E附近對流層中上層輻散明顯大于低層輻合，有利于上升運動維持，對流更易發生發展，垂直速度中心高達11 m s，對流區上空顯示了劇烈的上升運動，且隨強降水的發生呈增強趨勢。

相當位溫隨高度分布能清楚判斷空氣柱中氣團的穩定性。在強降水期間，對流區呈深厚的中性層結（圖12a、b中24°N附近），其南側層結是不穩定的，隨著偏南氣流將暖濕的不穩定氣團攜至對流區上空，一旦有擾動發展，對流區上升運動在中性層受到阻尼作用較小，且中層800～500 hPa風速隨高度變化較小（圖10b，暴雨區上空風速均為12 m s），即氣流加速度不是很大，這樣可以較快與低層輻合的供應量和高層輻散的排出量相平衡，垂直方向等層次愈是深厚，愈是有利于強降水的持續發展（許煥斌和丁正平，1997）。1日00時對流區中性層結愈加顯著，對流區的回波發展也愈加旺盛，對流回波強度增強，強降水還將維持。

在對流發展階段出現多個強對流單體（圖12a中24°～25°N區域），到旺盛期強對流回波只出現在南側，大片層狀回波位于北側（圖12b中延伸到25°N），在強對流區表現為強的直立上升運動，兩個強回波對流間還存在弱的補償下沉運動，回波圖上對應弱回波區（圖12a）。

對流有效位能和抑制能量如圖13示。模式積分3 h只是有弱的降水發生（圖7），在廣西中部地區最不穩定對流有效位能在1000～1500 J kg之間（圖13a實線），對流區對流抑制能量雖然非零，但在10 J kg以下。在強降水發生時，對流區及其南部最不穩定對流有效位能增加到1500 J kg以上，對流抑制能量仍然相當小（圖13b），對流區環境條件朝不穩定狀態發展，這與Trier et al.（2000）研究結果一致。這種熱力能量演變結合對流層低層流場的輻合上升運動，創造了一個適合深對流持續發生發展的環境。

由觀測和模擬結果總結5月31日至6月1日廣西中部長生命期準靜止TL/AS MCS發展維持過程如圖14示。長生命期準靜止TL/AS MCS發展在一個高空強輻散、對流層中層低渦東南方的輻合環流中，地面處在切變線并伴有強低空急流發生發展的天氣尺度環境中，氣流在低層高濕高不穩定的西南區域上升，強上升運動維持在氣旋性渦度柱的大值區；在深對流發展維持階段由于濕層深厚且近于飽和，雨滴下落過程中蒸發作用不明顯，TL/AS MCS區域內沒有冷池出現；MCS發展在一個有利的風垂直切變條件下，近地層風速較小，對流層中低層低空急流的加強發展維持與對流層中層相對弱的環境風形成了風垂直切變隨高度呈現強逆轉，近地層風垂直切變垂直于對流線的分量大，而在中層風垂直切變平行于對流線的分量占絕對優勢。對流層的動力和熱力條件有利于新對流不斷觸發從而組織成一個長生命期的準靜止TL/AS MCS。

6 結論

用觀測資料和數值模擬結果分析了2010年5月31日至6月1日華南特大暴雨過程，重點探討了廣西中部長生命期準靜止MCS的觀測特征及其發展持續的環境條件，主要結果如下：

（1）在5月31日至6月1日華南經歷了三次集中降水期，有4次MCS的發生發展過程，其中一個TL/AS MCS準靜止地在廣西壯族自治區中部維持10多個小時，導致了多個觀測站出現極端強降水，在雷達回波觀測上，該MCS發展過程中出現了組織模態由波狀回波轉為一個線狀TL/AS MCS，組織結構清晰，強對流回波位于對流系統的西南側，層狀回波在其東北側，新對流單體重復地在MCS上游和西南區域產生。而在貴州省南部地區受鋒面影響的MCS組織結構紊亂、回波強度弱，形成的降水量也相對小。

（2）準靜止TL/AS MCS發展在一個高空強輻散、低空輻合、中層低渦東南方氣旋性匯合環流的天氣尺度環境中，并伴有強低空急流的發生發展；近地面風場存在強的切變線，且切變線上伴有多個小尺度渦旋環流發展，這是導致廣西中部地區強降水不均勻分布的重要原因。

（3）準靜止TL/AS MCS維持期間熱力環境特征主要表現為對流層中低層持續高濕近飽和狀態、偏中性層結、合適的對流有效位能和極小的對流抑制能量。

為了運用這兩個條件求線段長且確保60°角的完整性，自然想到過點A作AF⊥BC，垂足為F，則注意到D為BC的中點，因而過點D作DG⊥BC，構造直角三角形DEG也就呼之欲出了(如圖2)．由三角形的中位線定理易知故問題就轉化求EG的長．

（4）在對流層中低層，低空急流的加強發展維持與對流層中層相對弱的環境風形成了風垂直切變隨高度呈現強逆轉，近地層風垂直切變垂直于對流線的分量大，而在中層風垂直切變平行于對流線的分量占絕對優勢，這樣低層對流單體垂直對流帶向外擴展，中層再將擴展的單體沿對流線融合起來，這在一定程度上解釋了TL/AS MCS 準靜止的可能原因。

（5）低空急流和中層環流的相互作用、對流層動力和熱力條件有利于強上升運動的維持與發展，不斷觸發新對流從而組織成一個長生命期的準靜止TL/AS MCS。

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Observation Characteristics and Continuing Environmental Conditions for Long-Lived and Quasi-Stationary MCS

Wang Xiaofang, Lai Anwei, and Wang Zhibin

430074

During May 31 to June 1, 2010, an extraordinary rainstorm process occurring in southern China included three concentrated precipitation periods and approximately four times the normal mesoscale convective system (MCS) activities. Among them, a quasi-stationary training line/adjoining stratiform (TL/AS) MCS was maintained for more than 10 h in central Guangxi Zhuang Autonomous Region, resulting in extreme precipitation events recorded by multiple stations. Using observation data and simulated results, the observation characteristics and continuing environmental conditions of this system were analyzed in this study. The results showed that the quasi-stationary TL/AS MCS was developed in an upper divergence and mid-lower cyclonic circulation environment. The MCSs forming in thermodynamic environments were characterized by very high relative humidity at low levels, moderate convective available potential energy, and very little convective inhibition. The presence of a strong low-level jet (LLJ) and weak midlevel winds led to a pronounced reversal of the wind shear vector with height. The vertical wind shears were largely perpendicular to the convection line at low levels, but were mainly parallel to the line at mid-levels. These wind shear characteristics may have caused the TL/AS MCS to become quasi-stationary. The lifting and destabilization associated with interaction between the LLJ and midlevel circulation assisted in initiating and maintaining the long-lived, slow-moving MCSs.

Long-lived, Quasi-stationary TL/AS MCS (Training Line/Adjoining Stratiform Mesoscale Convective System), Observation characteristic, Continuing environmental condition

1006?9895(2014)03?0421?17

P445

A

10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13150

2013?04?11，

2013?11?26 收修定稿

公益性行業（氣象）科研專項項目GYHY201106003、GYHY201206003，國家自然科學基金項目41375057、40930951，災害天氣國家重點實驗室開放課題2010LASW-A04

王曉芳，女，1972年出生，副研究員，主要從事暴雨中尺度動力學和數值模擬研究。E-mail: wxf.xiaofang@gmail.com

王曉芳, 賴安偉, 王志斌. 2014. 一個長生命期準靜止中尺度對流系統的觀測特征及其持續的環境條件[J]. 大氣科學, 38 (3): 421?437, doi:10.3878/j.issn. 1006-9895.2013.13150. Wang Xiaofang, Lai Anwei, Wang Zhibin. 2014. Observation characteristics and continuing environmental conditions for long-lived and quasi-stationary MCS [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 38 (3): 421?437.