影響攀西地區南部的MCC活動特征及發生環境條件

李永軍,余諳迪,肖昀何,肖 微

（1.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都 610072；2.四川省攀枝花市氣象臺，攀枝花 617000）

引言

中尺度對流復合體（mesoscal convective complex，以下簡稱MCC）是一種α中尺度對流系統，它是由許多較小的對流系統，如塔狀積云，對流群（線）或β中尺度颮線等組合起來的一種對流復合體，它最突出的特征是有一個范圍很廣、持續很久、近于圓形的砧狀云罩[1]。MCC的發生常常伴有暴雨、洪水，甚至冰雹、大風、龍卷等破壞性極強的災害性天氣，對人民群眾的生命和財產安全具有很大的危害[2]。

大量研究指出：青藏高原在夏季成為一個巨大的熱源，能夠引起高原上空頻繁而強烈的對流活動，夏季高原東部不僅具有較強的感熱通量，還具有較大的潛熱通量，凝結潛熱加熱作用為高原地區對流活動提供了正反饋作用[3-5]；MCC對流云團的生成源地大部分在青藏高原東部的背風坡一側，青藏高原東南部存在兩個MCC生成、發展的集中區域，一是橫斷山脈，二是四川盆地附近[6-7]。攀西南部恰好位于兩個集中區域之一的橫斷山脈，以山地為主，屬地質災害高發區，暴雨過程更易引發山洪、滑坡、泥石流等次生災害[8-9]。該地區MCC均發生于高能高溫高濕的環境中，初始對流發展局地性強，“夜雨”特征明顯，與南亞高壓、熱對流和凝結潛熱釋放等聯系緊密[10-20]，其生成發展及降水特點與攀西南部暴雨類似，但該地區暴雨大多達不到Maddox對MCC的定義標準[21]。可見，深入細致地研究影響攀西南部的MCC，不僅能更好地認識和把握攀西南部暴雨的生成和發展，更重要的是能提升當地災害性天氣及次生災害的預報預警能力。而就目前來看，這方面的研究并不多見。本文正是針對這一關鍵問題，結合衛星資料、臺站觀測資料和再分析資料，試圖揭示影響攀西南部的MCC的活動特征及發生環境條件，為準確預報由此引發的區域暴雨提供科學依據。

1 資料和方法

研究使用的資料包括：（1）2010～2019年FY-2E靜止氣象衛星1h間隔相當黑體亮溫（TBB）資料，水平分辨率為0.1°×0.1°；（2）2010～2019年攀西南部分布相對均勻且資料連續的24個地面觀測站點（8個國家站，16個區域站）的逐小時降水量資料；（3）歐洲中心發布的ERA5再分析資料，時間分布率為1h，水平分辨率為0.1°×0.1°。

研究區域選取在攀西南部，該地區位于青藏高原東南緣的橫斷山脈，包括攀枝花市和涼山州南部會理、會東、德昌及寧南4縣（市），經緯度范圍是26.04°～27.58°N、101.03°～103.05°E。

1980年，Maddox首次提出MCC的定義標準[21]。在此基礎上，Augustine等[22]和Anderson等[23]研究指出，TBB≤-52℃的冷云罩面積達到Maddox定義的標準且TBB≤-32℃的冷云罩面積達不到該標準的MCC個例極少，因此剔除了TBB≤-32℃的冷云罩面積條件。本文MCC的統計標準采用Augustine等[22]新修改的定義，即：尺度上要求TBB≤-52℃的冷云罩面積≥5×104km2；形成時刻為第一次滿足尺度定義的時刻；生命期要求滿足尺度定義的時間≥6 h；同時要求連續冷云罩TBB≤-52℃在最大空間范圍時橢圓率≥0.7；消亡時刻為不再滿足尺度定義的時刻。

本文將TBB≤-52℃冷云罩覆蓋2/3及以上的攀西南部區域、持續時間達3h及以上的MCC定義為影響攀西南部的MCC。為更好地研究影響攀西南部的MCC的整個發展形成過程，將第一次出現TBB≤-52℃冷云罩的時刻定義為初生時刻，將TBB≤-52℃冷云罩面積達到最大的時刻定義為鼎盛時刻。按照冷云罩幾何中心距攀西南部的距離可將影響攀西南部的MCC分為中心影響型和邊緣影響型。

2 影響攀西南部的MCC統計特征分析

2010～2019年，共普查出12次影響攀西南部的MCC天氣過程，詳見表1。

從出現時間看，影響攀西南部的MCC出現在6～9月，6月次數最多達5次，其次8月出現3次，7月和9月各出現2次。段旭等[14]的研究也指出6月是云南及其周邊MCC出現頻率最高的月份，其發生與季節性變化（東亞季風和印度季風爆發）和下墊面加熱易形成空氣熱對流有關。

從生命史看，影響攀西南部的MCC平均生命史7.5h，大多生命史集中在6～8h，個別持續時間較長的可達10h，具有生消迅速、生命史短的特點，這與楊本湘等[24]揭示的青藏高原東南部MCC的生命史特征一致。

從生消情況看，影響攀西南部的MCC初生時刻集中在13～17時，消亡于次日凌晨至上午。江吉喜等[25]、胡亮等[26]及Sugimoto等[27]重點研究了MCC的日變化，結果表明：15:00～16:00是一天中MCC生成最多的時段，對流云的活躍時段在16:00～次日03:00，即當地午后至午夜時段，對流活動在09:00～13:00一般會減弱，可以認為是對流活動的消散期。相關研究[4-5, 28-29]普遍認為：MCC的日變化主要是白天高原的加熱作用以及夜間高原的凝結潛熱作用導致的；白天隨著太陽高度角的增大，高原接收到的太陽熱能逐漸增加，高原上空大氣柱上冷下暖，不穩定能量逐漸累加從而觸發對流活動的發生；夜間高原上空的水汽釋放出大量的凝結潛熱，潛熱加熱作用促使低渦中心的上升運動向高層延伸，從而使對流活動增強，深厚的上升運動又釋放出更多的潛熱從而形成一種正反饋機制。影響攀西南部的MCC集中形成于傍晚至前半夜，這與我國南方、華北、黃河中游、江蘇北部等區域的MCC多形成于上半夜[7, 30-32]相類似，但整個生命期較上述統計結果提前，有3次過程在18時左右形成，有9次過程形成于22時之前。

從空間尺度看，影響攀西南部的MCC在鼎盛期的TBB≤-52℃區域面積＜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，且這2例均為邊緣影響類型；影響攀西南部的MCC空間尺度較小，沒有出現北美或長江中下游地區那種面積＞30×104km2的大型MCC。

將影響攀西南部的MCC在初生、形成、鼎盛和消亡時刻的TBB≤-52℃區域的幾何中心確定為其位置，統計得到2010～2019年這類MCC的移動路徑。如圖1所示，影響攀西南部的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，其移動方向均為西北-東南走向。影響攀西南部的MCC移動路徑主要與該區域地理位置及地形有關，攀西南部處于金沙江、安寧河河谷區域，具有干熱河谷氣候特點，地勢整體由西北向東南傾斜，在局地造成較大的溫度、濕度等氣象要素梯度，形成鋒面特征，同時對流下沉促使正渦度增加，共同導致對流的發展和增強。

圖1 2010～2019年影響攀西南部的MCC移動路徑（▲表示初生時刻位置，●表示形成時刻位置，■表示鼎盛時刻位置，▼表示消亡時刻位置，底圖為青藏高原東部地形，粗黑線區域表示攀西南部）

3 影響攀西南部的MCC分類

影響攀西南部的MCC可分為中心區域影響和邊緣區域影響2類。如圖2所示，2018年6月22日00:30，MCC為中心影響型，冷云罩的幾何中心位于攀西南部及附近地區；2016年7月26日00:15，MCC為邊緣影響型，冷云罩的幾何中心離攀西南部距離較遠。整體而言，中心影響型其整體空間尺度較小，邊緣影響型空間尺度較大。分類情況詳見表1。

圖2 2018年6月22日00:30（a）和2016年7月26日00:15（b）TBB圖（單位：℃，黑線區域表示攀西南部）

按照攀西南部24個自動氣象站的24h最大降雨量，可將影響攀西南部的MCC分為大暴雨型、暴雨型、大雨型和小雨型。從表2可知，并非所有影響攀西南部的MCC均會產生強降水，其中個例2和12為大暴雨型，個例1、4、5、8、10和11為暴雨型，個例3和7為大雨型，個例6和9為小雨型。需要注意的是，上述分型僅僅以攀西南部降水為判據。如個例6（小雨型），攀西南部24h最大降雨量為3.2mm，MCC影響區域的降水整體偏弱，但在個別區域出現了大雨。如個例9（小雨型），攀西南部24h最大降雨量為5mm，但在MCC影響的其他區域出現了較強降水，尤其是中心影響區域還出現了大暴雨。對比攀西地區各雨型的最低TBB值，大暴雨型、暴雨型和大雨型差異不大，最低TBB為-76～-92℃，而兩次小雨型的最低TBB僅有-70℃，明顯高于其他三個類型。

表2 2010～2019年影響攀西南部的MCC降雨及最低TBB統計

4 影響攀西南部的MCC天氣學特征

本節就選取的12個個例，按照大暴雨、暴雨、大雨、小雨這4個類型，分別對影響攀西南部的MCC在形成時刻的高空風場和高度場進行合成分析。

4.1 環流特征

圖3是不同類型MCC在形成時刻的200hPa環流場合成分析。如圖所示，不同類型MCC的形成時刻，200hPa南亞高壓中心均位于青藏高原南部。從大暴雨型、暴雨型、大雨型MCC的200hPa環流場合成分析（圖3a～c）可看出，大暴雨型和暴雨型的南亞高壓強度大于大雨型，攀西南部位于南亞高壓東側脊線附近，南亞高壓輻散區的抽吸作用可促進深對流的發展[33-34]。而小雨型所對應的南亞高壓東部脊線位于川西高原中部至四川盆地西南部，攀西南部位于其南側較一致的東北氣流中（圖3d）。

圖3 不同類型MCC在形成時刻的200hPa環流場合成分析（a.大暴雨型，b.暴雨型，c.大雨型，d.小雨型，紅色地圖區域為攀西南部）

圖4是不同類型MCC在形成時刻的500hPa環流場合成分析。如圖所示，在大暴雨型、暴雨型和大雨型中，攀西南部均處于低槽尾部區域附近，槽后為偏北氣流，槽前為偏西南氣流；大暴雨型低槽南壓較暴雨型和大雨型明顯，暴雨型和大雨型受低槽尾部附近的偏西氣流影響；小雨型低槽尾部區域位于川西高原中部區域，位置偏北。在4種類型MCC的形成時刻，攀西南部上空500hPa盛行偏西氣流，且風速較小，為2～8m/s。根據當地預報經驗，較小的偏西風不會對當地對流的發展形成阻礙作用；而較強的西風一方面會阻礙低值系統南壓，另一方面會阻礙低層輻合的向上發展和切斷低層輻合與高層輻散間的聯系，對深對流的發展不利。

圖4 同圖3，但為500hPa

圖5是不同類型MCC在形成時刻的700hPa環流場合成分析。如圖所示，4種類型MCC對應的水汽主要來自孟加拉灣；其中大暴雨型、暴雨型和大雨型在攀西南部均存在切變，切變后東北氣流明顯，切變前為西南氣流，這種環流配置有利于中低層來自孟灣的暖濕氣流在攀西南部產生輻合并觸發對流；而小雨型對應攀西南部為西南氣流的控制，切變位置偏北且較弱，切變后的東北氣流也較弱。

圖5 同圖3，但為700hPa

在影響攀西南部的MCC的形成時刻，高層的南亞高壓脊線附近輻散對攀西南部MCC的形成和強降水的產生有較大影響，且強輻散可能對產生更大量級的降水較為有利；中層位于低槽尾部區域附近，整體表現為弱風速區；低層的水汽輸送和風速風向輻合有利于較強降水的出現。大暴雨型、暴雨型和大雨型的環流形勢相似，在高層位于南亞高壓東部脊線附近，中層位于低槽尾部區域，低層存在切變輻合；大暴雨型的南亞高壓強于暴雨型和大雨型，中層的低值系統南壓較暴雨型和大雨型明顯；小雨型在高層位于南亞高壓東部脊線南側一致的東北氣流里，中低層的低值系統位置偏北。

4.2 環境條件

本節采用溫度、比濕偏差法研究其溫濕環境條件。溫度、比濕偏差法即：。這里的T和Q為格點值，為圖上整個區域內網格點資料的平均值。由于青藏高原東部海拔差異很大，無法將其統一到同一等壓面。

圖6為上述12個MCC 在形成時刻的溫度偏差合成沿27.5°N的垂直剖面。如圖所示，攀西南部（26.04°～27.58°N，101.03°～103.05°E）及其周邊從低層至中層存在一個明顯的溫度正偏差，低層最大偏差可達7℃，低層在MCC區域西側有一個冷區，冷暖界面等值線近乎垂直，存在顯著的水平溫度梯度大值區，這樣的鋒區結構有利于增強大氣的斜壓不穩定。

圖6 多個MCC在形成時刻的溫度偏差合成沿27.5°N的垂直剖面（單位：°C）

圖7給出了上述12個MCC在形成時刻的濕度偏差合成沿27.5°N的垂直剖面。如圖所示，從垂直方向看，攀西西部低層為一個由干轉濕的區域，干濕等值線近乎垂直，存在較大的比濕梯度；而攀西南部及其以東為一個比濕正偏差區，攀西南部比濕的正偏差可達4g/kg。可見影響攀西南部的MCC形成發展過程中，攀西南部為一個顯著濕區。

圖7 同圖6，但為濕度偏差（單位：g/kg）

4.3 動力條件

圖8是不同類型MCC在形成時刻的垂直速度合成沿26.75°N的垂直剖面。如圖所示，大暴雨型、暴雨型和大雨型MCC在攀西南部整層均存在很強的上升氣流，表現出降雨量級越大上升氣流越強的特點；其中，大暴雨型的上升速度中心值達-0.8hPa/s，暴雨型和大雨型的上升速度中心值均為-0.6hPa/s，但大雨型在垂直方向的伸展情況較暴雨型差，而小雨型的上升運動很弱，甚至有下沉氣流出現。

圖8 不同類型MCC在形成時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，單位：hPa/s）

從不同類型MCC在形成時刻的散度合成沿26.75°N的垂直剖面（圖9）看，攀西南部上空均呈正負散度交替存在的特征；其中大暴雨型的低層負散度達-8×10-5s-1，高層正散度達12×10-5s-1；暴雨型的低層負散度較小為-4×10-5s-1，高層正散度達8×10-5s-1；大雨型的低層負散度達-8×10-5s-1，高層正散度達8×10-5s-1；小雨型的中低層均以正散度為主，高層存在弱的負散度；大暴雨型、暴雨型和大雨型的MCC低層輻合、高層輻散的特征明顯，高層200～100hPa的輻散區是南亞高壓東部脊線輻散區的反映。

圖9 不同類型MCC在形成時刻的散度合成沿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，單位：10-5s-1）

5 結論

本文應用衛星資料、臺站觀測資料和再分析資料，對影響攀西地區南部的MCC活動特征及發生環境條件進行研究，結論如下：

（1）影響攀西南部MCC出現在6～9月，其中6月出現頻次最高，其平均生命史7.5h，平均空間尺度13.5×105km2，具有生消迅速、生命史短和空間尺度較小的特點；

（2）影響攀西南部MCC初始對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，其移動路徑以西北東南向為主，時間上初生于午后，形成于傍晚至前半夜，消亡于次日凌晨至上午，整個生命期偏早；

（3）MCC發展形成于高溫高濕高能環境中，中低層溫度及比濕較周邊區域高，存在較大的對流有效位能。產生較強以上降水MCC要求其具有較低的TBB值，高層的南亞高壓脊線和中低層的切變是其主要影響天氣系統，較強降水MCC垂直結構上具有低層輻合、高層輻散和上升運動顯著的特點；

（4）按照攀西南部24個自動氣象站的24h最大降雨量，可將影響攀西南部的MCC分為大暴雨型、暴雨型、大雨型和小雨型。大暴雨型、暴雨型和大雨型的環流形勢相似，在高層位于南亞高壓東部脊線附近，中層位于低槽尾部區域，低層存在切變輻合；其中大暴雨型的南亞高壓強于暴雨型和大雨型，中層的低值系統南壓較暴雨型和大雨型明顯；而小雨型高層位于南亞高壓東部脊線南側一致的東北氣流里，中低層的低值系統位置偏北。