霞浦縣一次中尺度對流活動的環境特征及動力分析

雷 喆 徐佳奧

(霞浦縣氣象局，福建 寧德 355100)

1 概述

中尺度對流系統(MCS)一般指水平尺度為10～2000 km左右具有旺盛對流運動的天氣系統[1]。在中尺度系統譜中， MCS的生命期中至少包含一個對流單體，生命期較短，但出現頻率很高。中尺度對流系統發生發展的機理研究是目前暴雨災害性天氣研究的重點之一[2]，經常導致突發性的短歷時暴雨。在全球氣候持續變暖的大背景下，各類極端天氣氣候事件更加頻繁，氣象災害造成的損失和影響不斷加重，因此，做好中尺度對流系統的研究對于最大限度減少災害造成的損失，保障經濟社會發展和人民安全福祉具有至關重要的意義。

國內外對中尺度對流系統的研究都始于20世紀80年代， Velaseo[3]等指出我國西南—南海地區為MCC活動中心。根據張玉玲等[4]對中尺度對流系統的介紹，在我國110°E以東， 28°N～40°N之間的黃河和長江的中下游地區及其東部沿海是MCS的集中區。李玉蘭等[5]普查了 1983—1986 年 4—9 月我國西南—華南地區中尺度對流復合體(MCC)活動的基本特征，并使用個例進行分析。曾波等[6]通過統計2008—2010年夏季我國中東部地區MCS特征，得出MCS的移動路徑主要自西向東，大多形成于下午至傍晚,到夜間成熟凌晨時消散。每年6月中旬是福建暴雨高發期，8月前后是暴雨的相對多發期(多臺風型暴雨)，秋季和初春(11月至翌年3月)不易出現特大暴雨[7]。福建省主要有3個暴雨高發區，分別位于南部(漳州至龍巖西南部)、東北部(寧德沿海)、西北部(南平西部)。6 h及以上歷時的高頻區位于沿海，內陸較少，中心仍位于南部的漳州沿海和東北部的寧德沿海[8]。福建暴雨受地理位置、地形和氣候條件影響，主要有兩種類型。一種是鋒面、切變型暴雨，主要發生在 5—6月，降雨歷時較長，強度較小，空間分布較均勻，但伴有低渦切變型的大暴雨降雨強度也比較大；一種是臺風型暴雨，主要發生在 6 月下旬至 10月中旬，一次降雨歷時一般1～3d ，特點是雨強大，雨勢猛，雨量在面上相差懸殊[9]。因此大部分福建省暴雨研究都是圍繞臺風型暴雨及鋒面型暴雨，對中尺度對流系統(MCS)造成的暴雨研究甚少，9月末已是汛期末期，很少有MCS引起的暴雨天氣出現，特別是24°N以北[10]。

霞浦縣地處福建省東北部沿海，屬中亞熱帶季風濕潤氣候區。地形依山面海，地勢由西北向東南呈三級階梯狀下降，熱量條件差異較大，垂直氣候層次特征明顯，小氣候環境多種多樣。統計2021年9月23日8時至23時共5小時，霞浦縣2個國家級自動站和26個鄉鎮自動站的雨量資料：累計雨量超過25mm的站點有16個，超過50mm的站點有10個，超過100mm的站點有4個，最大為海島北礵131.4mm，其次為長春126.5mm;1小時降水最大為海島北礵85.3mm。此次過程是霞浦縣一次典型的MCS過程，在預報上有一定難度，通過此次總結與分析，可以為今后中尺度對流系統(MCS)導致暴雨過程的預報提供重要參考依據。

2 數據來源與處理

本文采用資料主要為2021年9月23日16時—23時風云二號靜止衛星紅外云圖資料。2021年9月23日17時—23時ECMWF 0.25°×0.25°分辨率的再分析資料。9月23日霞浦縣15個鄉鎮街道降水資料，時間間隔為5分鐘。2021年9月23日17時—23時雷達回波圖。EC細網格預報資料，分辨率為0.25°×0.25°。

3 MCS環境特征與分析

3.1 過程降水特征和遙感數據分析

本次過程發生在華南110°E～130°E、20°N～30°N處，在16∶ 20時從紅外云圖上可以明顯看到有多個對流單體向東北角移動并逐漸整合疊加(圖1(a))，此時，霞浦縣各站點無明顯降水，由于系統移動速度緩慢，18時起自西向東，霞浦縣多個站點出現明顯降水，其中以鹽田、溪南、長春、北礵雨勢較強。項續康等[11]根據日本GMS資料和部分常規資料,對我國南方地區春末夏初的10個中尺度對流復合體(MCCs)做了分析，得出他們主要活動在夜間，一般在山地背風一側斜坡上或坡底附近形成，鹽田洋邊村、溪南鎮均位于系統背風坡，對應該時次19時—20時霞浦縣溪南、鹽田站點降水明顯加強，小時雨量分別為75.4mm、80.4mm(圖2)。說明背風坡對霞浦縣MCS造成的暴雨有加強作用，可能與項續康等研究結果一致。

在衛星云圖上可見,20時—21時對流云團已經開始聚集(圖1(b))，系統在經過長春前在海上補充了部分水汽和熱力，使得長春鎮連續兩小時降水都超過50mm，隨著系統入海，此時MCS到達成熟期，位于MCS中心的海島站半小時降水量達65.8mm，3小時降水量達131.4mm，成為此次過程雨量最大的站點。紅外云圖上，TBB≤-32℃冷云面積為43638km2，TBB≤-52℃冷云面積為17420km2，偏心率為0.8，達到MCS標準(圖1(c))。而此時在海陸相接處逐漸有中-β尺度渦旋形成(圖3(a))，22時渦旋已發展完整(圖3(b))，受到中-β尺度渦旋影響，23時海上系統雖有減弱，但依然維持(圖1(d))，降水持續到次日凌晨3時，生命期相較于普通對流系統更長。

(a)16∶ 20 MCS發展初期

(b) 20∶ 00 MCS發展期

(c) 21∶ 00 MCS成熟期

(d) 23∶ 00 MCS消散期 圖1 2021年9月23日MCS發展及消散不同階段風云2號衛星紅外云圖

圖2 2021年9月23日18—23時霞浦縣4個站點暴雨過程小時降水柱狀圖

(a)2021年9月23日 21時多普勒雷達速度圖

(b)2021年9月23日 22時多普勒雷達速度圖圖3 2021年9月23日21時及22時多普勒雷達速度圖(仰角2.4°，單位：kts)

3.2 環流形勢分析

本次過程500hPa中緯度西風槽偏北東移，副高減弱東退，低層切變南壓，中高層呈不穩定形勢，有利于強對流發生發展(圖4)。 700hPa及850hPa上，霞浦縣低層由偏東氣流(風力3～4m/s)控制，為降水帶來穩定的水汽輸送，但無急流帶；上空低層MCS附近存在風速的弱輻合，為局地暴雨發展提供有利的動力條件。

(a)19時500hPa高度場 (b)19時700hPa高度場圖4 2021年9月23日19時500hPa及700hPa高度場

在925hPa18時流場上，MCS云團發展階段在霞浦縣鹽田鄉一帶有明顯的風速輻合區(圖5)，有利于局地強降水的發生發展。

3.3 物理量場分析

23日15時前后，對流云團發展初期，紅圈處霞浦縣區域為上冷下暖的不穩定層結(圖6)，由于弱冷空氣由東北向西南滲透，冷暖氣流交匯使得對流云團繼續發展。在20時左右850hPa有冷空氣由低層入侵(圖7)，有利于對流系統的增強和維持。

圖5 2021年9月23日19時925hPa寧德流場(綠色陰影部分為風速)

(a)07時200hPa溫度 (b)07時1000hPa溫度圖6 2021年9月23日200hPa及1000hPa溫度場(時間：UTC)

(a)11時850hPa溫度場 (b)14時850hPa溫度場圖7 9月23日850hPa溫度場(時間：UTC)

19時MCS云團發展區域，高層200hPa水汽通量為輻散，底層925hPa為輻合(圖8紅圈部分)，形成抽吸作用，為MCS生成發展提供了有利的動力條件，20時MCS東移，霞浦縣高層轉為輻合，底層轉為輻散，雨勢明顯減弱，但霞浦縣沿海一帶高層轉為輻散，低層轉為輻合(圖9)，暴雨區轉移到海上，并且在20時后該區域依然維持高層輻散低層輻合特征，這也是海島站一直維持降水的原因之一。

(a)19時200hPa水汽通量散度圖 (b)19時925hPa水汽通量散度圖圖8 9月23日19時200hPa及850hPa水汽通量散度

(a)20時200hPa水汽通量散度圖 (b)20時850hPa水汽通量散度圖圖9 9月23日20時200hPa及850hPa水汽通量散度

在23日19—20時MCS發展時段，正是鹽田鄉、溪南鎮強降水時期，在鹽田鄉、溪南鎮附近垂直速度都存在明顯變化，特別是溪南鎮19時整層大氣都存在垂直上升運動，且925hPa由19時的-0.07Pa/s轉為20時-0.78Pa/s(表1)，強的上升運動配合源源不斷地水汽輸送，支持MCS云團的發展并東移。對比17時和20時EC細網格垂直速度預報值，可以看到在暴雨站點附近的低層925hPa及高層300hPa都有預報出一定程度的上升運動，只是格點值對比實況較小，網格格點無法精確對應到各鄉鎮站點，但仍有很大的參考價值(表2)。

表1 17—20時鹽田鄉、溪南鎮200hPa到925hPa垂直速度實況表 單位：10-1Pa/s

表2 17—20時霞浦縣四個站點附近200hPa到925hPa垂直速度預報表 單位：10-1Pa/s

綜上所述，在MCS形成初期，大氣呈下暖上冷的潛在不穩定，為強對流發展集聚了前置熱力條件。在對流層低層，不斷有冷空氣流入提供了促進和維持條件；低層輻合和高層輻散，形成抽吸作用，加強了垂直運動，使得對流系統發展旺盛。低層的位勢不穩定，由低層向高層輸送能量，支持MCS的發展。當MCS發展到成熟階段，中尺度云團激發、增加，對降水起到了巨大的作用。隨著MCS的東移至一個不利于發展的環境場中，這時的低層水汽供應減少,層結不穩定減弱，使MCS逐漸減弱，直到消亡。

4 結論和展望

通過對 2021 年 9月23日的霞浦縣局地暴雨研究分析，得出以下結論:

①本次MCS發生在9月底，并造成了4個站點大暴雨。該MCS形成于傍晚，到夜間成熟，凌晨消散，移動路徑自西向東，在經過山地背風一側斜坡上或坡底附近形成，之后暴雨強度明顯加強。

②當 MCS東移至海上時，下墊面發生變化，海陸交界處有中-β尺度渦旋生成，使得MCS消散時間延長，整個生命期長達10個小時，相較于普通對流系統更長。

③副高東退，低層切邊東移，中低層有偏東氣流影響，雖然整層風速(3～4m/s)不大，但也能引起霞浦縣生成MCS，該環境場特征表現可作為今后霞浦縣MCS預報參考。

④對流云團發展初期，霞浦縣區域為上冷下暖的不穩定層結，后期中低層有冷空氣由低層入侵，有利于促進對流系統的增強和維持。暴雨區域與低層輻合，高層輻散區域吻合，形成抽吸作用，加強了垂直運動。MCS發展到成熟時，MCS強度最強，對應的熱力和動力的物理量場配置也達到了最強。對流云團自西向東對應系統經過霞浦縣四個大暴雨站點，都存在1小時超過50mm，3小時超過100mm的雨情。

⑤前期預報可多參考EC細網格垂直速度的預報值，當高層和低層在傍晚時段都報有一定程度的垂直上升運動時，預報員應提高警惕，注意可能有MCS引起的局地強降水發生發展。