華東地區夏季中尺度對流系統的活動特征及成因研究

張柳 霍利微 潘玉潔

摘要 采用FY-2E衛星云圖TBB（Black Body Temperature）資料，統計分析2010—2014年夏季（6—8月）華東地區的α中尺度對流系統（MαCS）和β中尺度對流系統（MβCS），發現兩類MCS（Mesoscale Convective System）均具有夜發性，且發生主要集中于安徽、江蘇、江西和浙江地區，形成后自西向東移動。進一步利用NCEP-CFSR和NCEP-CFSV2每6 h的再分析數據，通過主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）和K-means聚類分析對兩種尺度MCS成因進行分析，結果顯示：850 hPa切變線和低空急流、500 hPa副高和中緯度短波槽以及200 hPa的高空急流是影響MCS形成主要的天氣系統，對流層中層以下的水汽供應、低層大氣不穩定性和低層輻合、高層輻散的動力結構是MCS形成的必要條件。MαCS發生前的天氣形勢可以分為兩類：①生成位置位于850 hPa低空急流的西側、氣旋性環流的南側，500 hPa、200 hPa分別受槽前西南氣流、反氣旋性環流的影響;②850 hPa切變線南部的偏西氣流、500 hPa的偏西氣流和200 hPa的高空急流配合。MβCS發生前的兩類環流形勢中，850 hPa切變線南部的偏西氣流控制的為第一類，切變線南部的西南氣流和生成位置東部的低空急流影響的為第二類，500 hPa生成位置位于短波槽東部，200 hPa均有西風急流與中低層配合。

關鍵詞華東地區中尺度對流系統主成分分析聚類分析

中尺度對流系統（Mesoscale Conrective System，MCS）是水平尺度2～2 000 km左右具有旺盛對流運動的天氣系統，其組織形式多樣，具有突發性強等特點。諸多研究表明（Shibagaki et al.，2000;薛秋芳等，2000;趙思雄等，2007），MCS的發生常伴隨強烈的短時強降水、雷雨大風、冰雹等災害性天氣，是造成氣象災害的主要影響系統之一。因此，MCS的統計、中尺度特征及其發生發展物理機制是國內外研究的重難點之一。

最初，Maddox（1980）提出了中尺度對流復合體（MCC，Mesoscale Convective Complex）的概念及識別標準，即將滿足條件：1）云頂亮溫≤-32 ℃的連續冷云面積≥100 000 km2;2）云頂亮溫≤-52 ℃的連續冷云面積≥50 000 km2;3）≤-32 ℃的冷云蓋面積達到最大時，偏心率≥0.7;4）云團持續時間≥6 h的對流系統稱為MCC，MCC是MCS特殊形態，是MCS的一小部分。隨后的研究對Maddox的標準進行了不同程度的修改。Augustine and Howard（1991）研究表明：云頂亮溫≤-52 ℃冷云蓋面積達到Maddox標準而≤-32 ℃冷云蓋面積達不到標準的MCC個例極少，因此，去掉了云頂亮溫≤-32 ℃冷云蓋面積尺度的要求。Miller and Fritsch（1991）用-56 ℃冷云蓋標準代替-52 ℃的冷云蓋。Anderson and Arritt（1998）識別出較MCC更為狹長、呈現線狀或長條狀的中尺度對流系統PECS（Persistent Elongated Convective Systems）。Jirak et al.（2003）進一步將MCS分為兩大類，即α中尺度對流系統（MαCS）和β中尺度對流系統（MβCS），前者包括MCC和PECS，而后者包括MβCC（Meso-β scale MCC）和MβECS（Meso-β scale PECS）。在MCS識別標準的修訂中，研究發現我國的MCS偏心率特征與北美相比略有差異，項繼康和江吉喜（1995）利用紅外云圖選取了10個典型的MCC個例，指出我國的MCC偏心率比北美小。Yang et al.（2015）在統計分析我國及周邊地區MCS的物理性質時得出了類似的結論。因此，利用符合我國偏心率條件的識別標準，統計分析我國MCS的活動特征有著重要的意義。

其次，關于MCS的氣候特征、發生發展物理機制已有較多研究，Maddox（1983）分析表明，MCCs在弱地面鋒附近有明顯南風低空急流輸送暖濕空氣的區域生成，中層有弱短波槽東移。Laing and Fritsch（2000）發現美國、南美洲、非洲、澳大利亞和中國5個地區MCC的形成有極大的相似之處，它們多在具有低層強垂直風切變和高對流有效位能的斜壓區生成。梁巧倩等（2012）研究華南前汛期MCS的發生發展發現，MCS主要發生在下午到上半夜，其分布與地形沒有明顯的對應關系，MCS的發生發展主要受500 hPa的短波槽、850 hPa的切變線和低槽影響。丁治英等（2013）對我國夏季青藏高原地區穩定存在的帶狀MCSs進行歸類，研究表明高層的南亞高壓及高空急流和低層500 hPa切變線輻合及南側的高溫高濕是帶狀MCS生成的主要原因。

我國華東地區是夏季強對流天氣頻發的區域，對該地區MCS的研究較為普遍。研究發現，梅雨鋒上的MCS在發生發展的過程中，有大量的不穩定能量堆積，濕Q矢量低層輻合高層輻散加強了上升運動和次級環流，有源源不斷的水汽供應及水汽通量輻合，同時具有較強的垂直風切變等特征（孫建華等，2004;何斌等，2013;曾波，2015）。趙玉春（2011）通過數值模擬發現基本氣流的平流效應有利于抵消梅雨鋒對流雨帶南移效應，風的方向變化引起的垂直切變有利于梅雨鋒對流的啟動和梅雨鋒上MCS的組織。王曉芳（2012）研究長江中下游地區梅雨期的MCS發現，高溫高濕是梅雨鋒上各類MCS發展的共同特征。

然而，以往對于MCS發生前環境要素的合成分析多為求取多個樣本的算術平均值，這增加了樣本間差異性的抵消，大大削弱了統計結果的普遍性和客觀性。John and Schumacher（2014）利用主成分分析和K-mean聚類分析，對美國地區產生極端降水的MCS進行統計分類，并分析各類別MCS的成因，研究結果與觀測較為匹配，為客觀分析環境要素對MCS形成的影響提供了統計依據。因此，本文將采用主成分分析和K-means聚類分析，對我國華東區MCS的不同成因進行研究。

MαCS和MβCS的形成、成熟和消散的日變化特征（圖1）大致相似，3個階段都表現出多峰型的結構。MαCS形成主要的峰值為07—08時（世界時，下同）和16—17時，成熟峰值為11—12時，其次為20時，消散多發生在13時和15時。而MβCS的形成主要集中07—08時，其他時次雖有發生，但次數較少。09—10時和12—13時是MβCS發展成熟最多的兩個時段。MβCS的消散多發生在11—12時和13—14時。

綜上可見，MCS多發生在午后，傍晚到夜間達到旺盛，次日凌晨前后消散。午后時分太陽輻射強烈，促使地面不穩定能量積累，有利于對流的形成。日落之后由于山谷環流的存在，對流活動仍有維持（鄭永光等，2010）。

2.2 MCS的空間分布特征

MCS的空間分布如圖2所示，其中陰影區域為統計區域，MαCS和MβCS分布多集中于安徽省、江蘇省、江西省以及浙江省境內。夏季，副高脊線主要位于35°N以南位置，有利于不穩定能量的累積，同時，副高北部的西南氣流不斷輸送暖濕氣流，有利于對流的產生。相反，35°N以北地區，由于副高較少到達，暖濕氣流輸送較少。因此，華東地區35°N以北，夏季MCS形成較少。

MCS的移動路徑分布（圖3）指出兩類MCS多形成于陸地，形成后主要的移動方向是自西向東，和我國中緯度西風帶的氣流方向基本一致，但也有部分移動方向出現轉折，其可能是形成后受到天氣系統（如鋒面、臺風等）的影響而產生。相對于MβCS，MαCS消散于海上的次數更為頻繁，其可能與MαCS的移速快、生命周期較長有關。

3 MCS的形成原因分析

圖1顯示MαCS多發時次為07時，MβCS為08時。因此選取，07時的MαCS（14例）和08時的MβCS（28例）為研究對象，通過06時的NCEP資料，采用主成分和K-means聚類分析方法，研究兩類MCS生成前的環境條件。通過主成分和K-means聚類分析，進一步將MαCS和MβCS的環境場分成2類（圖4）。

3.1 MαCS的形成原因分析

3.1.1 第一類MαCS

如圖5所示，黑色原點代表第一類MαCS系統的平均發生位置，系統發生前，850 hPa華東地區主要受西南氣流控制，平均生成位置位于氣旋性環流東南部，東側存在低空急流，生成位置為輻合區;同時溫度場顯示平均生成位置處有暖平流的輸送，為有利于MαCS的形成的環境條件。

圖5b顯示500 hPa，副高位于太平洋，平均生成位置位于短波槽的前部，為正渦度平流區。200 hPa（圖5c）平均生成位置位于反氣旋性環流區、為輻散。垂直配置形成低層（850 hPa）輻合，中層（500 hPa）正渦度平流和高層（200 hPa）輻散的結構，有利于次級環流形成，有利于MCS的發生發展。

圖6展示了第一類MαCS的水汽條件，低層（850 hPa）水汽主要來自南海和孟加拉灣，自西南往東北在MαCS生成位置附近水汽匯集，呈現負水汽通量散度，為MαCS的發生提供了充足水汽條件。700 hPa，MαCS生成位置處水汽通量方向和850 hPa上基本相同，但量級偏小。500 hPa水汽通量方向與低層相似，但水汽散度絕對值比低層小，形成位置處水汽通量散度幾乎無負值，隨著高度的增加水汽表現為低層輻合、高層輻散，說明第一類MαCS發生前水汽供應同時來自水平和垂直方向的輸送。

分別沿119°E和29.4°N（第一類MαCS系統生成平均位置經緯度）作假相當位溫的垂直剖面（圖略）顯示，在MαCS生成前平均生成位置附近，低層假相當位溫隨高度明顯減小，低層有不穩定層結存在，有利于對流形成。在中層500 hPa附近，大氣表現為中性層結。500 hPa假相當位溫隨高度呈現逆溫現象，表明高層大氣穩定。

產生對流系統需要有產生上升運動的條件，從圖7中可以看出，第一類中MαCS在發生之前，850 hPa上平均形成位置處位于散度的負值區域，對應低層輻合。隨著高度的增加，中上層輻合減弱，到500 hPa時平均形成位置處散度呈現正值，表明中層為輻散區。200 hPa散度正值更為明顯，空氣輻散顯著，低層輻合與高層輻散的動力結構有利于對流系統的形成。

3.1.2 第二類MαCS

第二類MαCS的形成位置相對于第一類偏西北，850 hPa的環流形勢（圖8）顯示，華東地區受偏西氣流控制，偏西氣流將南海的暖濕空氣向平均生成位置輸送，有利于促進生成位置處不穩定能量的積累和上升運動的產生，激發對流。同時在第二類MαCS平均生成位置的北部存在一條切變線，貫穿于安徽、江蘇地區，生成位置處對應輻合。500 hPa顯示，副高西伸至浙江、福建省地區，平均生成位置處主要受副高北部西南氣流和偏西氣流的控制。MαCS生成位置位于短波槽前側，正渦度平流有利于對流的產生。200 hPa最顯著的系統為南亞高壓，南亞高壓北部有偏西風的急流帶，急流中心位于35°N附近，平均生成位置位于西風急流出口區的右前側，對應高層大氣的輻散區域。

與環流形勢相對應，850 hPa存在廣闊的水汽供應帶，水汽自西南向東北方向輸送，平均生成位置位于水汽輸送的路徑上。700 hPa水汽通量與850 hPa的方向基本一致，水汽通量較850 hPa小，生成位置處仍有水汽的匯合。較低層而言，中層500 hPa的水汽通量方向仍與低層保持一致。與第一類相似，第二類中形成位置處同樣對應低層水汽輻合和高層的水汽輻散。

第二類MαCS發生前，大氣穩定性與第一類中基本一致（圖略），表現為低層不穩定、中層中性、高層穩定的形勢。但與第一類相比，第二類MαCS形成前上升運動條件差異明顯。850 hPa、500 hPa生成位置處同樣對應大氣的輻合與輻散，但200 hPa生成位置處輻合輻散趨勢不明顯，表明第二類MαCS形成前大氣的上升運動集中在中層以下。

3.2 MβCS的形成原因分析

3.2.1 第一類MβCS

第一類MβCS發生前，850 hPa華東地區主要受偏西氣流控制，平均生成位置處有暖平流（圖11），生成位置北部有切變線的存在，對應平均生成位置處輻合，為MαCS形成的有利條件。500 hPa顯示，副高位于太平洋，平均生成位置位于短波槽的前部，對應正的渦度平流，使地面出現輻合高層出現輻散，中層是垂直上升氣流，易產生對流。200 hPa上，南亞高壓北部有偏西風的急流帶，急流中心位于35°N附近，平均生成位置位于西風急流出口區的右前側，對應高層大氣的輻散區域。

水汽通量（圖12）顯示，與MαCS相比，MβCS形成前各層的水汽通量均小于同層次的MαCS。850 hPa生成位置處有西南往東北的水汽輸送，水汽主要來自南海和孟加拉灣。700 hPa生成位置處水汽通量方向和850 hPa上基本相同，但量值略小。500 hPa水汽通量方向與低層相似，量值與850 hPa相當。其次，水汽通量散度顯示，在850 hPa生成位置附近水汽匯集，表現為水汽通量散度呈負值。700 hPa水汽通量散度絕對值較850 hPa略大，表明700 hPa水汽輻合強烈。500 hPa水汽散度比低層小，形成位置處水汽通量散度幾乎無負值，隨著高度的增加水汽表現為低層輻合、高層輻散的趨勢。綜合來看，第一類MβCS形成前，水汽的水平輸送較少，水汽供應主要來自水汽的垂直輸送。

第一類MβCS發生前，大氣穩定性與MαCS基本一致（圖略），表現為低層不穩定、中層中性、高層穩定的形勢。同時，第一類MβCS形成前，850 hPa、500 hPa生成位置處對應大氣的輻散，200 hPa生成位置處輻合輻散趨勢不明顯，形成前大氣的上升運動延伸至對流層中上層（圖13）。

3.2.2 第二類MβCS

第二類MβCS的平均生成位置相對于第一類偏東北，850 hPa環流形勢（圖14）中，華東地區受西南氣流控制。生成位置東部有低空急流的存在，生成位置位于急流入口區的左前側，為輻合區。與第一類MβCS類似，第二類MβCS平均生成位置的北部存在一條切變線，貫穿于安徽、江蘇地區，生成位置處對應輻合，易產生上升運動，激發對流形成。500 hPa副高位置偏東，平均生成位置處主要受副高北部西南氣流和偏西氣流的控制。同時，MβCS生成位置位于短波槽前側、正渦度平流區域。200 hPa平均生成位置位于南亞高壓北部，有偏西風的急流帶，急流中心位于40°N附近，平均生成位置位于西風急流出口區的右前側，對應高層大氣的輻散區域，低層輻散、高層輻合的動力結構促進對流的產生。

第二類MβCS形成前，各層等壓面上的水汽通量均小于同層次的MαCS，水平方向的水汽輸送相對較少。850 hPa、700 hPa、500 hPa生成位置處均有自西南往東北的水汽輸送，水汽主要來自南海和孟加拉灣。與第一類MβCS不同，第二類MβCS形成前850 hPa水汽通量散度絕對值較小，水汽輻合較弱，而700 hPa和500 hPa水汽輻合顯著，表明該類MβCS在形成前水汽供應主要來自中上層的垂直輸送。

從穩定度條來看，低層不穩定、中層中性、高層穩定的穩定度條件是第二類MβCS形成的必要條件。同時，低層輻合、高層輻散、中層上升運動的垂直配置對系統的產生起到促進作用（圖略）。

4 結論

利用FY-2E衛星云圖TBB資料，對2010—2014年6—8月華東地區發生的MαCS和MβCS進行統計研究，分析其活動特征。其次，利用NCEP-CFSR（2010）和NCEP-CFSV2（2011—2014）每6 h的再分析數據，挑選出6個與MCS形成關系較密切的物理量，運用主成分、K-means聚類分析，分析MCS的形成原因，得出如下結論：

1）7月是MCS發生次數較多的月份，其他兩個月發生次數相對較少。兩類MCS多形成于當地時間的午后和傍晚，在夜間成熟，體現了夜發性特點。MCS的發生多集中于安徽、江蘇、江西和浙江地區，形成后主要自西向東移動。

2）850 hPa的切變線和低空急流、500 hPa的副高和中緯度短波槽以及200 hPa的南亞高壓和高空急流是MCS形成前主要的影響系統。

3）MαCS發生前的天氣形勢分為兩類：850 hPa的西南氣流影響、生成位置東側的低空急流、生成位置北部的氣旋性環流和500 hPa生成位置西部的短波槽配合以及200 hPa的反氣旋性環流是第一類;850 hPa的偏西氣流影響、生成位置北部的切變線和500 hPa生成位置北部的短波槽以及200 hPa的西風急流配合是第二類。

4）MβCS發生前的天氣形勢也分為兩類：850 hPa的偏西氣流、生成位置西北部的切變線和500 hPa生成位置西北部的短波槽以及200 hPa的高空急流配合是第一類;850 hPa的西南氣流影響、生成位置東側的低空急流、生成位置北部的切變線和500 hPa生成位置西部的短波槽以及200 hPa的西風急流配合是第二類。

5）中層以下的水汽供應、低層的大氣不穩定性和低層輻合、高層輻散的動力結構是MCS形成的必要條件。

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Research on the activity characteristics and the formation cause of MCS over East China in summer

ZHANG Liu，HUO Liwei，PAN Yujie

Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education（KLME）/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters（CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China

By using TBB（Black Body Temperature） data of FY-2E satellite，statistical research of Meso-α Convective System（MαCS） and Meso-β Convective System（MβCS） occurred over East China in summer（from June to August） during the year of 2010 to 2014 is carried out respectively，which finds two scales of MCS are nocturnal that mainly occurred in Anhui，Jiangsu，Jiangxi and Zhejiang area and moved from west to the east.Based on the reanalysis data of NCEP-CFSR and NCEP-CFSV2 every 6 hours，the causes of MCS were analyzed by principal component analysis（PCA） and K-means clustering analysis.Secondly，the analysis of the formation cause of two kinds of MCS shows the shear line and low-level jet at 850 hPa，subtropical high and short wave trough in middle latitude at 500 hPa and upper-level jet at 200 hPa are the main impact systems before MCS formed.The water vapor supply in the middle and lower troposphere，atmospheric instability in the low layer and the power structure of convergence at low level and divergence at upper level are the necessary conditions for the formation of MCS.The weather situation before initiation of MαCS can be divided into two categories：（1）the formation position is in the western part of the low level jet and the southern part of the cyclonic circulation at 850 hPa，and affected respectively by the southwest airflow in front of trough at 500 hPa and anti-cyclonic circulation at 200 hPa;（2） westerly flow in the south of the shear line at 850 hPa and westerly flow at 500 hPa cooperated with the upper-level jet at 200 hPa.In the two types of circulation situations before the occurrence of MβCS，the westerly in the southern part of the shear line at 850 hPa controls is the first type，while the southwest flow in the southern part of the shear line and low level jet in east of the formation position belongs to the second category.Both of them correspond to short wave trough in the eastern part of the formation position at 500 hPa and westerly jet at 200 hPa.

East China;MCS;activity characteristics;principal component analysis;cluster analysis

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20170111001

（責任編輯：張福穎）