梅雨鋒上短時強降水系統的發展模態

張小玲1 余蓉2 杜牧云3

?

梅雨鋒上短時強降水系統的發展模態

張小玲余蓉杜牧云

1國家氣象中心，北京100081;2湖北省防雷中心，武漢430074;3武漢中心氣象臺，武漢430074

利用2010、2011年5～7月我國東部地區梅雨鋒盛行期的58次強降水個例，對產生短時強降水的中尺度對流系統回波演變模態及其系統特征進行了統計分析。本文中短時強降水特指小時降水超過30 mm。結果表明，與梅雨鋒相伴的短時強降水系統回波演變模態主要為緯向型、經向型、轉向型和合并型四類。緯向型、經向型和70%的轉向型發展模態中中尺度對流系統（MCS）呈線狀，合并型則主要為卵狀。緯向型、轉向型和合并型MCS以后向傳播為主，但它們的生命史、移速和產生強降水持續時間有很大差別：緯向型生命史最長，強降水持續時間比轉向型短；三類發展模態中轉向型移速最快，生命史較緯向型短，但強降水持續時間最長；合并型移動最慢，生命史最短，強降水持續時間也最短。經向型MCS前向傳播為主，移動最快，系統持續史短，約為緯向型的一半，30 mm h、50 mm h以上強降水持續時間約為轉向型的1/3和1/5。緯向型MCS可向東或向南移動，經向型MCS通常向東或向西運動，合并型MCS可往任意方向移動，并且只有該發展模態中MCS會向北運動。雖然轉向型MCS帶來的短時強降水（尤其50 mm h以上）持續時間最長，經向型和合并型MCS產生短時強降水持續時間短，但四類發展模態中MCS的回波強度和回波高度的統計特征無明顯區別。推測強降水持續時間可能與MCS的傳播關系更加密切：經向型和合并型MCS前向傳播占很大比重，生命史和產生的強降水更短；轉向型和緯向型MCS的后向傳播比重大，尤其轉向型中不存在前向傳播，對應短時強降水持續時間最長。

短時強降水 發展模態 傳播

1 引言

梅雨鋒降水一直是國內外的研究熱點。1950年代以來，陶詩言等從行星尺度的歐亞長波型式研究梅雨期降水的持續性（陶詩言等，1958；2008）。1970年代以來，陶詩言等從梅雨鋒暴雨的不均一性，天氣尺度為中尺度運動提供背景，局地不穩定層結促進對流發展的角度研究梅雨鋒暴雨的機制和預報要點（陶詩言，1977，1980；張小玲等，2010）。2000年代以來，陶詩言等從多尺度角度，對梅雨鋒上的暴雨及中尺度對流系統（MCS）發生發展環境場進行更加系統的分析研究（陶詩言等，2003；張順利等，2002；張小玲等，2004；孫建華等，2004）。

研究表明，在暴雨過程中導致災害的往往是某個或某幾個時段的極端降水（Doswell，1994；Doswellet al.，1996）。諸多研究（Bluesteinand Michael，1985；Houze et al.，1990; Schiesser et al.，1995；Loehrer and Johnson，1995；Parker and Johnson，2000，2004；Schumacher and Johnson，2005，2006；Gallus et al.，2008）指出受不同環境場條件影響，MCS呈現不同組織類型，并造成不同類型劇烈的天氣和不同強度的降水。因此，對中尺度對流系統（MCS）組織形態的認識對其發生發展具有理論意義和預報意義。

早期，MCS組織形態分類主要屬于靜態分類。Houze et al.（1990）首次提出線狀MCS比非線狀的MCSs更易產生暴洪。他們的研究得到眾多學者的認同，引導學者將暴洪的研究發展到主要對線狀MCSs的研究。Parker and Johnson（2000；2004a；2004b）描述了常發生在美國中部的三種線狀MCSs模式：尾隨層狀云（TS）降水、前導層狀云（LS）降水，平行層狀云（PS）降水；他們發現LS的MCSs比其他類型移動更緩慢，更易造成極端強降水和暴洪。Gallus et al.（2008）更在此基礎上，把對流性風暴分成了9種類型，并總結了每種系統所發生的天氣現象，同時進一步證實線狀MCSs更易造成洪災。

靜態分類沒有考慮MCS中單體的移動和傳播。近年，以Schumacher 和 Johnson為首的學者提供了認識MCS的組織、演變和結構特征新思 路，Schumacher and Johnson（2005；2006）挑選了1999～2003年期間發生在美國東部的184個強降水個例，不僅證實65%的極端降水是由MCS造成的，同時也發現了三種產生極端降水的主要類型：一種是鄰接層狀單向發展（TL/AS）線狀MCS，其特征是一個典型的東西向對流線平行于準靜止鋒邊界，在邊界的冷側伴隨由西向東的對流單體，層狀云在對流線北側移動；TL/AS的單體幾乎沒有垂直于對流線方向的運動，這也明顯區別于TS、LS型MCS；這種運動特性常造成沿線狀對流系統方向產生持續性的強對流降水。第二種是準靜止后向建立（BB）MCS，其層狀云在下游，新單體常在上游流出邊界同一地方反復產生，從而造成很大的局地降水，其單體運動方向與傳播方向相反。他與Parker and Johnson（2000）提出的PS 型MCS的區別是對流線幾乎原地不動，整個系統（包括對流單體和層狀云）常呈東西向。第三種是TS型 MCS，對流線南部變為東西向，幾乎與整個中尺度對流系統的運動方向一致，導致新單體和強降水都在南端尾部產生。

上述三種產生極端降水的MCS（TL/AS、BB、TS）的組織結構在世界其他地區，包括亞洲季風區均存在，BB型 MCS常造成東亞的極端降水（Kato and Goda，2001；Shin and Lee，2005；Chi and Chen，1988）。TS、LS、PS 型MCS也常導致東亞夏季風期間的強降水（Wang，2004；Schumacher and Johnson，2005）。Zheng et al.（2012）對我國東部地區產生冰雹、雷暴大風和短時強降水等強對流天氣的MCS組織類型進行了干濕環境下的統計分析，王曉芳和崔春光（2012）則在分析長江中下游地區梅雨期MCS的類型和活動特征時不僅發現了TS、LS、PS、BB、TL/AS、BL型MCS，還發現了兩種新形態：鑲嵌線狀MCS（EL）、長帶層狀云降水MCS（LL）。EL在雷達回波拼圖上，表現為幾條（一般為３條或以上）間隔距離幾乎相等、模態相似的短帶回波平行排列成一條對流線。EL形成后移動較慢，幾乎是靜止的，一般持續5～6 h，常給所經地域帶來大范圍的短時強降水天氣。LL在雷達回波拼圖上呈現為一條長長的幾乎都為強度小于40 dB的層狀回波帶，回波組織性好。LL是梅雨期長江流域常見的MCS，盡管逐時降水強度不強，但因移動緩慢，持續時間長，所經之地累計降水量大。

上述組織形態分類主要基于系統生命期中最主要的形態。在對流天氣系統發生發展過程中，其形態和結構是不斷演變的，如Loehrer and Johnson（1995）在研究中發現，無組織型、線型、后向發展型和交叉對流帶型都會發展為不對稱TS結構。Hilgendorf and Johnson（1998）則認為，TS型系統雖然通常在整個生命期間都將保持TS結構，但在后期其結構會由對稱向反對稱轉變。Parker and Johnson（2000）也提到他們對暴洪的分類主要基于系統生命史中表現出的主要組織形式進行分類，而許多系統在其生命期間頻繁地從一種模態轉變成另一種模態。在他們研究的線型MCS中，50%個例最初具有TS結構并在生命期保持，而最初具有LS特征的MCS約有30%演變成了TS結構，而有58%的PS結構會演變成TS結構。為此，本文主要利用雷達回波資料，根據產生強降水過程中MCS的主要發展演變特征，統計分析我國東部地區（具體研究區域參見圖1）梅雨鋒降水期間產生短時強降水的MCS演變類型和活動特征，以求獲取這類MCS的雷達回波形態演變規律，為短時強降水的短時臨近分析預報提供參考。

2 資料與方法

2.1 資料

本文使用的2010～2011年5～7月資料包括：國家氣象信息中心提供的全國逐小時降水資料，用于強降水個例的選取和降水特征統計；中國氣象局大氣探測中心提供的逐10 min水平分辨率1 km× 1 km的雷達組合反射率拼圖產品，用于強降水個例的篩選；國家氣象信息中心提供的逐6 min新一代多普勒天氣雷達基數據資料，用于MCS的發展模態及特征統計分析。

2.2 方法

梅雨鋒雨帶通常橫跨幾百到上千公里，但雨帶中降水分布非常不均勻，強降水尤其短時強降水通常局限在中尺度范圍內。本文選取2010、2011年5～7月我國東部梅雨鋒盛行區域的短時強降水個例，參考Schumacher and Johnson（2005；2006）、Gallus et al.（2008）對產生極端強降水和對流風暴的MCS的分類研究，利用雷達組合反射率因子資料，根據產生短時強降水的MCS發生發展期間回波形態的演變特征，對MCS進行分類研究，并對不同類型的MCS的發生、移動、強度、生命史及其導致的短時強降水的強度和持續時間進行統計分析。

降水強度大于20 mm h是國家氣象中心短時強降水的業務標準。我國梅雨鋒盛行期間，降水強度大。為了使樣本更具代表性，本文選取的2010、2011年5～7月短時強降水個例中，降水強度超過30 mm h，且降水率大于20 mm h的雨區呈團狀出現。短時強降水個例均伴隨梅雨鋒的發生發 展，位于我國東部梅雨鋒盛行區域（圖1）。在這個區域，由于雷達站的分布不均一，雷達型號也不相同，本文中均采用單部雷達資料進行分析。因此，在選取個例時，同時要求在降水區域內，至少有一個雷達站點具有完整的雷達基數據。也就是說，由于山地的遮擋作用使某些雷達組合反射率失真嚴重，強降水位于雷達探測有效范圍外，單站雷達資料難以完整、真實地反映系統發生發展的過程、雨量站資料與雷達回波無法匹配且無其他文檔資料能確認該區域發生強降水的個例均不作為本文的研究樣本。因此，最終本文選取了58個位于華南、江南和江淮流域的短時強降水個例進行統計分析（圖1）。

圖1 本文選取的58個短時強降水個例發生區域及雷達站點分布

在對MCS發展階段的演變特征進行統計分析前，首先需要挑選強降水個例發生期間資料完整、形態結構清晰的MCS的雷達回波形態樣本。產生強降水的雷達回波形態復雜多樣，且隨著系統的發展不斷演變。為了便于分析，本文僅對組織化發展的強降水系統進行分析研究。參考國內外的研究（Parker and Johnson，2000；Schumacher and Johnson，2005，2006；Gallus et al.，2008，王曉芳和崔春光，2012），中尺度對流系統回波樣本選取標準為：組合反射率因子大于30 dB，且雷達回波面積超過100 km；最大回波強度45 dB以上；系統持續時間3 h以上。在這些MCS的回波樣本中，本文重點分析了線狀、卵狀、渦旋狀形態的MCS的發展演變模態。綜合參考國外關于線狀、卵狀、渦旋狀的已有定義標準（Parker and Johnson，2000；Gallus et al.，2008），并結合降水個例的實際情況，本研究中組合反射率因子大于40 dB的雷達回波連接成線狀、長度在70 km以上、且長度至少是寬度的3倍并能持續2 h以上的系統定義為線狀MCS（圖2a）；雷達回波非線狀，或線狀長度在70 km以下，最強回波以分離或孤立形式存在的為卵狀MCS（圖2b）；雷達回波呈現為渦狀結構的則為渦狀MCS（圖2c）。回波形態的分類采用單站雷達的組合反射率因子圖像進行主觀分析。雷達基數據處理軟件（包括必要的質量控制和組合反射率圖象顯示）由南京大學提供。利用該套軟件，已開展一系列的中尺度對流系統發生發展研究（魏超時等，2010；Pan et al.，2010；Wang et al.，2011）。

圖2 MCS回波形態：（a）線狀；（b）卵狀；（c）渦旋狀。黑色圓圈表示雷達直徑100 km范圍，下同

3 梅雨鋒上短時強降水系統發展模態

根據MCS發生發展階段回波形態演變特 征，與梅雨鋒相伴的58個短時強降水個例中，線狀、卵狀和渦旋狀MCS的發展模態主要有四類：緯向型、轉向型、經向型和合并型。所有樣本中有2例難以判斷的強降水系統歸為其他型，不作為本文的研究內容。圖3為MCS的四類演變過程示意圖。圖4則為四類發展模態中線狀、卵狀和渦旋狀MCS回波形態所占比例分布圖。緯向型、經向型和70%的轉向型發展模態出現在線狀MCS中。渦旋狀MCS主要發展模態為轉向型；而81.8%的合并型發展模態出現在卵狀MCS中，另外18.2%則出現在線狀對流中。合并發展模態中線狀對流長度一般不超過80 km，比其他發展模態的線形更窄（圖略）。

圖3 梅雨鋒上引發短時強降水的MCS四類演變過程示意圖。陰影由淺到深表示雷達回波強度由小到大

3.1 緯向型

在58次短時強降水過程中，緯向型發展模態為10例，占17.3%，其MCS回波形態均為線狀（圖4）。該發展模態中對流線一般呈東西向分布，層狀云主要位于對流線北部（圖3）。2010年6月19日午后至夜間發生在貴州東南部—廣西中北部的降水過程即受典型的緯向型短時強降水系統影響。

圖4 緯向型、經向型、轉向型、合并型發展模態及MCS回波形態占比分布圖。其中柱形頂端標值表示各發展模態所占比率，柱形中標值為不同形態在各發展模態中的比率

2010年6月19日16:00（北京時，下同），在貴州東南部—湖北西南部有對流系統生成，系統生命史長達20 h。其中，連續18 h的降水率超過了30 mm h，且降水率大于50 mm h的持續時間也達到了8 h，20日00:00～01:00時段更是產生了84 mm的極強降水。圖5為19日17:59、20日00:10和03:03柳州雷達組合反射率因子圖。19日16:30，貴州東南部有幾個小對流單體生成（圖略），隨 后發展、合并，并向南移動，于17:59形成一條東西向的對流線（圖5a）；系統繼續南移并不斷發展，對流線西端和南側不斷有新單體生成，即同時存在前向和后向傳播，系統移動速度為45 km h。20日00:10對流線北部開始出現層狀云（圖5b），84 mm h的極強降水就發生在這期間的對流線上。03:03，雷達回波形態表現出清晰的TL/AS型特征（圖5c）。此形態特征持續了12 h，極端降水沿對流線產生，并隨鋒面繼續南移。

沿圖5b中黑色實線所在對流線的反射率因子垂直剖面（圖6a）可見，在中尺度強降水系統中，內嵌了多個中尺度對流。強回波呈直立的柱狀分布，50 dB回波頂高最高可達9 km，最強回波也達到了60 dB，其頂高為5.5 km，3～8 km的高度區間內均有強回波，表明該系統內部上升運動非常強烈。

圖5 2010年6月（a）19日17:59、（b）20日00:10、（c）20日03:03柳州雷達組合反射率因子（單位：dBZ）

3.2 經向型

在58次短時強降水過程中，經向型發展模態14例，占24.1%（圖4）。這類發展模態中，MCS也均為線狀對流，但對流線一般呈南北向分布，層狀云通常出現在對流線的西北部或北部，有時沒有層狀云（圖3）。2010年7月1日午后至夜間發生在鄭州中南部的降水過程即受典型經向型發展的短時強降水系統影響。

2010年7月1日，在河南東部有對流系統生成，系統生命史為9 h。其中，降水率在30 mm h、50 mm h以上的持續時長分別為2 h、1 h，峰值降水出現在17:00～18:00，為65 mm。從7月1日午后鄭州雷達組合反射率因子圖（圖7）可見，14:12河南中部開始有多個對流單體生成（圖7a）；2小時內對流單體發展合并成一條對流線，整體上呈南北縱向分布，并繼續東移（圖7b）；17:28對流線西南側和東側不斷有新單體生成，表明系統同時存在前向和后向傳播，且在對流線北部產生了65 mm h的最強降水率。1 h后系統開始迅速消散。該系統移速較快，約55 km h，因此強降水持續時間并不長。

沿圖7c中黑色實線所在對流線反射率因子的垂直剖面（圖6c）可見，中尺度系統內嵌在該強降水系統中。系統的垂直運動比較旺盛，30 dB的雷達回波頂高延伸到14 km，最強回波為57 dB，其回波頂高為7 km，強回波出現在2～9 km的高度范圍內。與2010年6月19日發生在貴州東南部—廣西北部的強降水系統相比，此次降水系統的回波頂高更低，強回波的強度也相對較弱，其小時降水量也更小。

圖6 （a）2010年6月20日00:10柳州站、（b）2010年6月1日09:30柳州站、（c）2010年7月1日17:28鄭州站和（d）2011年7月8日14:21金華站雷達反射率因子（單位：dBZ）垂直剖面

圖7 2010年7月1日（a）14:12、（b）16:02、（c）17:28鄭州雷達組合反射率因子（單位：dBZ）

3.3 轉向型

在58次短時強降水過程中，轉向型發展模態也有10例，占17.3%；這類模態中70% MCS呈線狀，30%呈渦旋狀（圖4）。在系統初生階段對流線呈經向型（緯向型）分布，隨系統發展，在系統成熟階段緯向型（經向型）分布（圖3）。本文10個轉向型發展的MCS中，9個為經向轉緯向。2010年5月30日傍晚至次日凌晨發生在廣西中北部的降水過程即受典型轉向型短時強降水系統影響。

2010年5月31日至6月1日，在廣西北部發生了一次極端降水過程。該過程降水持續時間長達21 h。其中，降水率在30 mm h以上的持續時間為17 h，而50 mm h以上的降水時長也達到了11 h，并在6月1日09:00～10:00產生了76 mm的最強降水。圖8為這期間柳州雷達組合反射率因子圖。31日22:03，廣西西北部有多個孤立對流單體發展（圖8a）。隨著鋒面南移（圖略），對流單體合并為西北—東南走向的對流線，對流線的東北部有層狀云出現，并伴隨短時強降水的發生（圖8b）。由于該過程中鋒面上伴隨有中尺度低渦在廣西發展，強降水系統中的對流線由準南北向轉為東西向，并向南移動。這期間，新單體不斷在系統的西北部生成。到09:30，對流線已呈現出明顯的緯向型特征（圖8c）。這時也出現了該過程的最強降水，此后系統向偏東方向移動。此過程中，對流系統為后向傳播，移動速度為40 km h。

沿圖8c中黑色實線所在的對流線反射率因子的垂直剖面（圖6b）可見，此次強降水過程系統垂直結構與2010年6月19日廣西北部的強降水過程相類似，即多個γ中尺度系統內嵌在β中尺度降水系統中。76 mm h的最強降水發生時，50 dB的回波頂高伸展到了9 km的高度，最強回波也達到了60 dB，但相較于6月19日的強降水系統，30 dB的回波高度不超過12 km，而前者則高達 18 km，系統上升運動不如前者強烈。

3.4 合并型

在58次短時強降水過程中，合并發展的強降水系統最多，為22例，占37.9%（圖4）。該模態中，81.8%的MCS呈卵狀結構，另外18.2%為線性對流。這些對流線比較窄，長寬比大于4:1（圖略）。合并發展型是由多個小對流單體合并發展成具有統一上升氣流的卵狀或狹窄對流帶的云團（圖3）。此類系統較少移動，且新單體一般在其后部生成。2011年7月8日午后發生在浙江東部的降水過程即受典型的合并發展型短時強降水系統影響。

2011年7月8日，浙江大部地區出現了短時強降水，其中，14:00～15:00在浙江省東部的寧海地區產生了94 mm的最強降水。該降水系統的生命史并不長，約3個小時，但在整個生命史內都產生了大于30 mm h的強降水。7月8日13:15，在浙江東部開始有對流單體生成（圖9a）；隨后半小時不斷有單體在同一地區生消，36分鐘后，部分對流單體合并，并一起緩慢向東北移動（圖9b）；在移動的過程中對流系統迅速發展、北擴伸，形成了具有統一上升氣流的卵狀系統，并在浙江省寧海地區產生了極端強降水（圖9c）。

沿圖9c中黑色實線所在對流線反射率因子的垂直剖面（圖6d）可見，該系統中30 dB回波頂高可伸展到13 km，強回波出現在6 km以下，并呈柱狀分布，說明該系統垂直結構發展旺盛，上升運動非常強烈。與其他三類發展模態相比，該類模態中MCS的質心最低，加之系統較少移動，導致該過程中降水強度最大，最強達到94 mm h。

圖8 2010年（a）5月31日22:03、（b）6月1日03:20和（c）6月1日09:30柳州雷達組合反射率因子（單位：dBZ）

圖9 2011年7月8日（a）13:15、（b）13:51、（c）14:21金華雷達組合反射率因子（單位：dBZ）

4 短時強降水系統發展模態的統計特征

在58個短時強降水個例中，MCS的傳播方式以后向傳播為主，占總數的48.3%；其次是前后向傳播（即同時存在前向和后向傳播），占27.6%；前向傳播約為20.7%（圖略）。此外，有2例MCS傳播特征不明顯，以單體合并的方式發展，不作為四類發展模態的傳播方式統計樣本。圖10是四類發展模態中對流單體傳播方向統計特征。除經向發展的MCS以前向傳播為主（占42.8%），其余三種發展模態中MCS均以后向傳播為主，緯向發展和轉向發展的MCS后向傳播特征更為明顯，分別高達60%和70%。四類發展模態中，20%～30%的MCS存在前后向傳播并存特征。值得注意的是轉向型發展模態中MCS沒有前向傳播方式。

圖10 發展模態與傳播方向的關系

由于我國處于盛行西風帶，MCS的移動方向主要以自西向東移動為主。約有57%的系統向偏東方向移動；在偏東方向移動的系統中，約43%向正東方向移動，33%向東南方向移動，剩余24%則向東北方向移動。除此以外，向偏西、偏南、偏北方向移動的MCS分別占25.8%、8.6%和8.6%（圖略）。圖11為各發展模態中MCS移動方向的統計特征。除合并發展的MCS偏西移動為主（占40.9%），其余均以偏東移動為主。緯向型和轉向型發展的MCS中東移的概率分別是70%和90%，其余則為向南運動。經向型MCS東移（占57.1%）略多于西移（占42.9%）。只有合并發展的MCS會向北運動。

圖11 發展模態與移動方向的關系

圖12是四類發展模態中MCS的移速、持續時間、強度及產生的短時強降水持續時間統計特征。從圖12a可見，合并發展的MCS移動最緩慢，平均移速為23.7 km h，90%在35 km h以下。其次是緯向型MCS，75%移速在33.5 km h以下，平均速度為29 km h。經向型MCS移速最快，50%移速超過40 km h，最小（最大）移速33 km h（58 km h），這可能與其以前向傳播、東移為主有關系。

四類發展模態的MCS系統持續時間差別很大（圖12b）。緯向型和轉向型MCS生命史更長。前者系統持續時間均超過10 h，平均持續史最長（15.1 h），50%持續時間超過15 h；后者平均持續時間14.6 h，50%持續時間超過15 h，特別是有10%持續時間大于21.4 h。經向型和合并型的MCS持續時間都很短，約為緯向型和轉向型的一半。90%經向型持續時間不超過10 h，50%在5 h內。合并型的生命史最短，沒有出現10 h以上的長生命史MCS，90%的系統持續史為3～6 h。

圖12 四類發展模態中MCS（a）移速、（b）生命史、（c）產生30 mm h?1強降水持續時間、（d）產生50 mm h?1強降水持續時間、（e）30 dBZ回波頂高、（f）最強回波、（g）最強回波高度統計特征。◆表示最大值或最小值，箱線頂端和底端實線表示90%和10%，箱線方框的下線、中線和上線分別表示下四分位數、中數和上四分位數

雖然緯向型MCS平均持續時間最長，但產生的30 mm h以上短時強降水持續時間卻小于轉向型MCS，尤其50 mm h更加明顯（圖12c和d）。90%的緯向型MCS帶來的30 mm h的強降水時長大于7 h，均值為10.3 h；而50 mm h以上降水時長均值為4 h，50%在5.75 h以上。轉向型MCS產生 30 mm h（50 mm h）以上降水的平均持續時間為11.7 h（5.6 h），50%的系統帶來30 mm h（50 mm h）以上降水的時長超過10 h（4.2 h）。經向型和合并發展型MCS帶來的30 mm h和 50 mm h以上的強降水持續時間明顯縮短，最長不超過5 h，其中90%的MCS帶來的50 mm h以上降水在2 h內。這與經向型和合并發展型的MCS的生命史短相對應。

雖然經向型和合并發展型的MCS生命史短，產生短時強降水的持續時間也很短，但四類發展模態中MCS在30 dB回波頂高、最強回波強度和最強回波高度的統計特征方面，并無明顯區別（圖12e、f和g）。事實上，從58個與梅雨鋒相伴的短時強降水系統產生的30 mm h和50 mm h強降水與MCS的傳播方向統計關系則有規律可行：前向傳播的MCS帶來的短時強降水持續時間最短，前后向傳播并存的MCS帶來的50 mm h極端降水持續時間最長，50%在4 h以上（圖13）。結合圖10可以發現，經向型和合并型中MCS前向傳播占很大比重，分別為42.85%和30%，對應短生命史和更短的強降水；轉向型和緯向型中MCS的前后向傳播比重均很大，但轉向型中不存在前向傳播，對應短時強降水持續時間最長，尤其50 mm h以上極端降水表現明顯。

圖13（a）30 mm h?1和（b）50 mm h?1以上短時強降水持續時間在MCS前向、后向和前后向傳播中的統計特征。◆表示最大值或最小值，箱線頂端和底端表示10%和90%，箱線方框的下線、中線和上線分別表示下四分位數、中數和上四分位數

5 結論

本文主要利用2010～2011年5～7月全國加密且已經過質量控制的自動站逐小時降水資料、雷達基數據和拼圖資料，挑選了發生在我國黃河以南梅雨鋒盛行區域58個與鋒面相伴的短時強降水個例，對產生短時強降水的中尺度對流系統發展演變、傳播、移動、結構和產生的強降水進行了統計分析，得到如下結論：

（1）根據對流系統的演變特征，梅雨鋒上的線狀、卵狀和渦旋狀短時強降水系統可分為四類發展模態：緯向型（17.3%）、轉向型（17.3%）、經向型（24.1%）和合并型（37.9%）。緯向型、經向型和70%的轉向型發展模態中短時強降水系統為線狀中尺度對流系統，而合并型主要為卵狀MCS。

（2）緯向型MCS對流線呈東西向分布，層狀云常位于對流線北部，后向傳播為主，移動緩慢，生命史最長，但強降水持續時間比轉向型MCS短。轉向型MCS在系統初生階段對流線呈準南北向分布，系統成熟階段轉為準東西向分布，后向傳播為主，系統移速比緯向型MCS快，生命史則稍短，但其強降水持續時間最長。經向型MCS的對流線一般呈南北向分布，前向傳播為主，移動最快，系統持續史短，約為緯向型的一半，30 mm h、50 mm h以上強降水持續時間約為轉向型的1/3和1/5。合并型MCS是由多個孤立對流單體合并發展成具有統一上升氣流的卵狀或狹窄對流帶的云團，后向傳播為主，移動最慢，持續史最短，產生的短時強降水持續時間最短。

（3）緯向型MCS可向東或向南移動，經向型MCS通常向東或向西運動，合并型MCS可往任意方向移動，并且只有該發展模態中MCS會向北運動。

（4）雖然轉向型MCS帶來的短時強降水（尤其50 mm h以上）持續時間最長，經向型和合并型MCS產生短時強降水持續時間短，但四類發展模態中MCS的回波強度和回波高度的統計特征無明顯區別。推測強降水持續時間可能與MCS的傳播關系更加密切：由于前向傳播的MCS產生的短時強降水持續時間最短，前后向傳播并存的MCS帶來的50 mm h極端降水持續時間最長，而經向型和合并型中MCS前向傳播占很大比重，導致短生命史和更短的強降水；轉向型和緯向型中MCS的前后向傳播比重均很大，但轉向型中不存在前 向傳播，對應短時強降水持續時間最長，尤其50 mm h以上極端降水。

上述結論僅利用梅雨鋒降水的局部盛行區域2年的58個短時強降水個例統計分析獲取，未來仍需利用更多的個例以求獲得更具普遍性和完整性的結論。此外，MCS的發展模態及其運動和結構特征與他們發生發展的環境場關系也值得探究。

致謝 感謝國家氣象信息中心提供雷達基數據和逐小時降水資料，感謝南京大學提供雷達基數據處理軟件。

Bluestein H B, Jain M H. 1985. Formation of mesoscale lines of pirecipitation: Severe squall lines in Oklahoma during the spring [J]. J. Atmos. Sci., 42 (16): 1711–1732.

Chi S S, Chen G T J. 1988. A diagnostic case study of the environmental conditions associated with mesoscale convective complexes: 27–28 May 1981 case [J]. Atmos. Sci., 16: 14–30.

Doswell C A III. 1994. Flash Flood-Producing Convective Storms: Current Understanding and Research [M]. Proc. U.S.-Spain Workshop on Natural Hazards, Barcelona, Spain. National Science Foundation, 97– 107.

Doswell C A III, Brooks H E, Maddox R A. 1996. Flash flood forecasting: An ingredients-based methodology [J]. Wea. Forecasting, 11 (4): 560– 581.

Fovell R G, Dailey P S. 1995. The temporal behavior of numerically simulated multicell-type storms. Part I: Modes of behavior [J]. J. Atmos. Sci., 52 (11): 2073–2095.

Gallus W A Jr, Snook N A, Johnson E V. 2008. Spring and summer severe weather reports over the midwest as a function of convective mode: A preliminary study [J]. Wea. Forecasting, 23 (1): 101–113.

Hilgendorf E R, Johnson R H, 1998. A Study of the evolution of mesoscale convective systems using WSR-88D data. Wea. Forecasting, 13, 437? 452.

Houze R A Jr, Smull B F, Dodge P. 1990. Mesoscale organization of springtime rainstorms in Oklahoma [J]. Mon. Wea. Rev., 118 (3): 613– 654.

Johnson R H, Aves S A, Ciesielski P E, et al. 2005. Organization of oceanic convection during the onset of the 1998 East Asian Summer Monsoon. Mon. Wea. Rev., 133, 131?148.

Kato T, Goda H. 2001. Formation and maintenance processes of a stationary band-shaped heavy rainfall observed in Niigata on 4 August 1998. J. Meteor. Soc. Japan, 79, 899–924.

Loehrer S M, Johnson R H. 1995. Surface pressure and precipitation life cycle characteristics of PRE-STORM mesoscale convective systems. Mon. Wea. Rev., 123, 600?621.

Pan Y J, Zhao K, Pan Y N. 2010. Single-Doppler radar observations of a high precipitation supercell accompanying the 12 April 2003 severe squall line in Fujian Province [J]. Acta Meteor. Sinica, 24 (1): 50–65.

Parker M D, Johnson R H. 2000. Organizational modes of midlatitude mesoscale convective systems [J]. Mon. Wea. Rev., 128 (10): 3413–3436.

Parker M D, Johnson R H. 2004a. Simulated convective lines with leading precipitation. Part Ⅰ: Governing dynamics [J]. J. Atmos. Sci., 61 (14): 1637–1655.

Parker M D, Johnson R H. 2004b. Structures and dynamics of quasi-2D mesoscale convective systems [J]. J. Atmos. Sci., 61 (5): 545–567.

Schiesser H H, Houze R A Jr, Huntreiser H. 1995. The mesoscale structure of severe precipitation systems in Switzerland [J]. Mon. Wea. Rev., 123 (7): 2070–2097.

Schumacher R S, Johnson R H. 2005. Organization and environmental properties of extreme-rain-producing mesoscale convective systems [J]. Mon. Wea. Rev., 133 (4): 961–976.

Schumacher R S, Johnson R H. 2006. Characteristics of United States extreme rain events during 1999–2003 [J]. Wea. Forecasting, 21 (1): 69– 85.

Shin C S, Lee T Y. 2005. Development mechanisms for the heavy rainfalls of 6–7 August 2002 over the middle of Korean Peninsula [J]. J. Meteor. Soc. Japan, 80: 1221–1245.

孫建華, 張小玲, 齊琳琳, 等. 2004. 2002年中國暴雨試驗期間一次低渦切變上發生發展的中尺度對流系統研究[J]. 大氣科學, 28 (5): 675–691. Sun Jianhua, Zhang Xiaoling, Qi Linlin, et al. 2004. A study of vortex and its mesoscale convective system during China heavy rainfall experiment and study in 2002 [J]. Chinese J. Atmos. Sci. (in Chinese), 28 (5): 675– 691.

陶詩言. 1977. 有關暴雨分析預報的一些問題 [J]. 大氣科學, 1 (1): 64–72. Tao Shiyan. 1977. The comments about heavy rainfall analysis and forecasting [J]. Chinese J. Atmos. Sci. (in Chinese), 1 (1): 64–72.

陶詩言. 1980. 中國之暴雨 [M]. 北京: 科學出版社, 66–90. Tao Shiyan. 1980. Heavy Rain in China (in Chinese) [M]. Beijing: Science Press, 66–90.

陶詩言, 趙煜佳, 陳曉敏. 1958. 東亞的梅雨期與亞洲上空大氣環流季節變化的關系 [J]. 氣象學報, 29 (2):119–134. Tao Shiyan, Zhao Yijia, Chen Xiaomin. 1958. The relationship between Mei-yu in fareast and the behavior of circulation over Asia [J]. Acta Meteor. Sinica (in Chinese), 29 (2): 119–134.

陶詩言, 張小玲, 張順利. 2003. 長江流域梅雨鋒暴雨災害研究 [M]. 北京: 氣象出版社, 192. Tao Shiyan, Zhang Xiaoling, Zhang Shunli. 2003. A Study on the Disatster of Heavy Rainfalls over the Yangtze River Basin in the Meiyu Period [M] (in Chinese). Beijing: China Meteorological Press, 192.

陶詩言, 衛捷, 張小玲. 2008. 2007年梅雨鋒降水的大尺度特征分析 [J]. 氣象, 34 (4): 3–15. Tao Shiyan, Wei Jie, Zhang Xiaoling. 2008. Large-scale features of the Mei-Yu front associated with heavy rainfall in 2007 [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 34 (4): 3–15.

Wang J J. 2004. Evolution and structure of the mesoscale convection and its environment: A case study during the early onset of south East Asian summer monsoon [J]. Mon. Wea. Rev., 132 (5): 1104–1120.

Wang M J, Zhao K, Wu D. 2011. The T-TREC technique for retrieving the winds of landfalling typhoons in China [J]. Acta Meteor. Sinica, 25 (1): 91–103.

王曉芳, 崔春光. 2012. 長江中下游地區梅雨期線狀中尺度對流系統分析Ⅰ: 組織類型特征[J]. 氣象學報, 70 (5): 909–923. Wang Xiaofang, Cui Chunguang. 2012. Analysis of the linear mesoscale convective systems during the Meiyu period in the middle and lower reaches of the Yangtze River. Part I: Organization mode features [J]. Acta Meteor. Sinica (in Chinese), 70 (5): 909–923.

魏超時, 趙坤, 余暉, 等. 2011. 登陸臺風卡努（0515）內核區環流結構特征分析 [J]. 大氣科學, 35 (1): 68–80. Wei Chaoshi, Zhao Kun, Yu Hui, et al. 2011. Mesoscale structure of landfall typhoon Khanun (0515) by single Doppler radar [J]. Chinese J. Atmos. Sci. (in Chinese), 35 (1): 68– 80.

張順利, 陶詩言, 張慶云, 等. 2002. 長江中下游致洪暴雨的多尺度條件[J]. 科學通報, 47 (6): 467–473. Zhang Shunli, Tao Shiyan, Zhang Qingyun, et al. 2002. Large and meso-α scale characteristics of intense rainfall in the mid-and lower reaches of the Yangtze River [J]. Chinese Sci. Bull. (in Chinese), 47 (6): 467–473.

張小玲, 陶詩言, 張順利. 2004. 梅雨鋒上的三類暴雨 [J]. 大氣科學, 28 (2): 187–205. Zhang Xiaoling, Tao Shiyan, Zhang Shunli. 2004. Three types of heavy rainstorms associated with the Meiyu front [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 28 (2): 187–205.

張小玲, 陶詩言, 孫建華. 2010. 基于“配料”的暴雨預報 [J]. 大氣科學, 34 (4): 754–756. Zhang X L, Tao S Y, Sun J H. 2010. Ingredients-based heavy rainfall forecasting [J]. Chinese J. Atmos. Sci. (in Chinese), 34 (4): 754–766.

Zheng L L, Sun J H, Zhang X L, et al. 2012. Organizational modes of mesoscale convective systems over central East China [J]. Wea. Forecasting, 28: 1081–1098.

張小玲, 余蓉, 杜牧云. 2014. 梅雨鋒上短時強降水系統的發展模態[J]. 大氣科學, 38 (4): 770?781, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13249. Zhang Xiaoling, Yu Rong, Du Muyun. 2014. Evolution pattern of short-time intense precipitation-producing systems associated with Meiyu front [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 38 (4): 770?781.

Evolution Pattern of Short-Time Intense Precipitation-Producing Systems Associated with Meiyu Front

ZHANG Xiaoling, YU Rong, and DU Muyun

1,100081;2,430074;3,430074

In this paper, we study the radar echo evolution patterns and other features of short-term intense precipitation-producing mesoscale convective systems (MCSs) by examining 58 heavy rainfall events associated with the Meiyu front in East China during May to July in 2010 and 2011. Short-term intense precipitation events are deemed as such when the 1-h precipitation total exceeds 30 mm. The results show that the four most common radar echo evolution patterns of MCSs leading to short-term intense precipitation are the zonal, meridional, turning (from zonal to meridional), and combined patterns. MCSs are linear in the zonal and meridional patterns and in 70% of the turning pattern, whereas the combined pattern is oval. Although MCSs in the zonal pattern, turning pattern, and combined patterns commonly propagate backward, the characteristics of their lifetimes, movement, and durations differ significantly. In the zonal pattern, the lifetime is longest, and the intense precipitation duration is shorter than that in the turning pattern in which MCS movement is fastest and the intense precipitation duration is longest. In the combined pattern, MCS movement is slowest and the lifetime and duration are shortest. Conversely, MCSs in the meridional pattern commonly propagate forward and move more quickly than those in the other three patterns. Their lifetime is approximately half that of the zonal pattern, and their duration with more than 30 and 50 mm hprecipitation approximately are one-third and one-fifth of those in the turning patterns, respectively. MCSs move eastward or southward in the zonal pattern, eastward or westward in the meridional pattern, and toward all directions in the combined pattern. That is, MCSs can move northward only in the combined pattern. Although the intense precipitation persistence is long- or short-term in the four patterns, differences in radar echo intensity and radar echo depth are rare. It is deduced that the intense precipitation duration is closely related to propagation type. A larger proportion of forward propagation corresponds to a shorter lifetime and shorter duration in the meridional and combined patterns; similarly, a larger proportion of backward propagation corresponds to longer duration in the turning and zonal patterns. Forward propagation associated with the longest intense precipitation in the turning pattern is rare.

Short-term intense precipitation, Evolution pattern, Propagation

1006–9895(2014)04–0770–12

P445

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13249

2013–08–21，2013–12–30收修定稿

公益性行業（氣象）科研專項GYHY200906004，國家重點基礎研究發展計劃項目（973計劃）2013CB430100

張小玲，女，1972年出生，正研級高工，主要從事暴雨和強對流預報方法和機理研究。E-mail: zhangxl@cma.gov.cn.