高天11讲 中尺度对流系统(MCC与MCS)和暴雨

第十一讲中尺度对流系统（MCC与MCS）和暴雨丁一汇国家气候中心高等天气学讲座(2014年春季）单元四：对流和降水天气系统一、中尺度对流系统1、飑线飑线是一种传播性线状的激烈对流系统，其水平尺度在150～300km，时间尺度在4～10h。飑线是强天气中破坏性最强和最大的，它可以产生强风，雷暴，暴雨、冰雹等强对流天气。在地面气压场上飑线一般由两个强地面气压系统，中高压和尾流低压构成。藤田早年把飑线的生命期分为5个阶段，他指出，在初期阶段已经形成了一个强的中高压，在发展阶段中高压在强度和尺度上都有增强。到成熟阶段，阵雨达到最大强度，在中高压之后并形成尾流低压。在减弱阶段，降水与中高压皆减弱，但是尾流低压达到最大强度。最后在残余阶段，尾流低压填塞消失。约三十年之后，利用美国STORM－中部计划得到的较稠密的资料，基本肯定了藤田发现的飑线内的中高压和尾流低压结构（下图）,并进一步揭示了飑线内的前沿对流线/尾部层状云结构。飑线模式由前沿对流线，过渡区（回波最小值区）与大范围的层状降水区组成。中高压的中心位于前沿对流线后几十公里，这意味着这个位置是积云下沉气流区，是冷中高压的源区。另外，在许多飑线的分析中，还可以发现一个飑前槽和飑前低压存在。这是由对流在飑前激起的对流层中上层下沉增温造成。尾流低压中心位于层状云区尾部边缘强雷达反射率梯度区。它是由对流线后部下沉运动造成的。由降水蒸发部分驱动的中尺度下沉气流可引起绝热增温，它超过了低压的蒸发冷却，以此产生地面气压下压。后来的研究进一步揭示了飑线由对称结构非对称结构的演变(下图).由(b)可见，虽然飑线仍包含有飑线低压，中高压等尾流低压，但尾流低压和中高压更连同层状云区向北移动。这种北移表明，层状云区在尾流低压的形成中起这关键作用，对中高压与对流线也起了重要作用。Haertel与Johnson对飑线中高压与尾流低压的动力学进行了研究。成熟飑线系统的概略图（Johnson与Hamilton，1985）。粗实线是地面气压线，向量代表地面风，阴影区是强降雨区。对称（左）与不对称的飑线系统。阴影区代表雷达反射率区。深色代表反射率增加区，地面气压等值线为3hpa间隔，向量是地面风。（Loehrer与Johnson，1995）湖南桃源县记录到的（1974年4月12日）一条强飑线过境时的温、压、湿气象要素变化（取自杨国祥等）通过一条理想化飑线的剖面图大气科学，2008中国的个例（由俞小鼎提供）2、中尺度对流复合体（MCC）与中尺度对流系统（MCSs）在3~9月，在美国中部经常出现一种有组织的对流天气系统，这种系统的生命史比一般的中尺度系统长，面积比一般中尺度系统大得多。现在这种系统叫中尺度对流复合体（MCC）。在过去，这种系统一直未被揭示出来。下表给出中纬度MCC的定义。这个定义是根据增强的红外云图上看到的一些物理特征概括出来的。由它们的尺度和生命期可见，这种系统只限于是一些尺度较大、持续的对流系统，在高空有大范围卷云砧区。并且系统的环流有可能被一些天气尺度的高空观测网所观测到。大部分MCC云区的红外黑体温度TBB≤－52℃，这一条件保证，系统应是很活跃的，并且降水出现在相当大的地区。外形的判据是任意规定的，主要是把线状系统排除在MCC外。MCC系统的尺度与个别雷暴相比则是非常大的。例如成熟气团雷暴表明，≤－32℃的平均冷云区的面积为700km2，更大一些的对单体风暴平均冷云区面积约为1400km2，而MCC的冷云顶区面积100000km2，或者更大，即比个别雷暴面积大两个量级。中尺度对流复合体的特征物理特征尺度A——小于－32℃的红外温度的云区面积必须大于106km2B——小于－52℃温度的内部冷云区的面积≥5×104km2开始时尺度定义A和B首先满足生命期满足尺度定义A和B的时期≥6小时最大范围连续的冷云区（红外温度≤－32℃）达到最大尺度外形椭圆形，在最大范围时刻偏心率≤0.7结束时尺度定义A和B不再满足中尺度对流系统（MCSs）是有组织完好的，中—尺度（200-2000Km）的对流系统，它的外形近于呈椭圆形，边缘平滑。MCSs在中国经常出现。如在华南前汛期和梅雨期间。下图是MCSs的全球分布（引自RichadJohson的图，WMO季风会文集）MCClocationsbasedon1980ssatellitedataforJJAinthenorthernhemisphereandDJFinthesouthernhemisphere.Outgoinglongwaveradiation(OLR)valuesareshaded.FromLaingandFritsch(1997).是中国MCSs形成过程的例子（引自石定朴等，王斌编AsianMonsoon，2005）3、地形和加热不均匀引起的对流系统•地形引起的对流系统主要由山脉波、背风波和山谷风等引起，它们主要产生在这些地形强迫产生的上升运动处。•加热不均匀引起的对流系统主要由海陆风、湖风锋、河风锋、早晨雾区、雪区边缘等引起。二、暴雨的形成与中尺度扰动的作用我国位于世界上著名的季风区。在夏季风爆发和盛行的时期，是我国暴雨的季节。最著名的降雨是长江流域的梅雨，在我国几乎每年都受到突发性洪水或持续性洪水的灾害，在有些年份灾害相当严重，如1963年海河大范围的洪水和1975年淮河灾害性洪水，以及近年来，1991，1998，1999和2003年年江淮地区梅雨季的持续大暴雨。1981年7月中旬和2004年9月3~7日四川大暴雨也造成了严重的灾害。因而暴雨的研究和预报问题一直是我国气象工作者最关心的问题之一。1、暴雨的形成在我国暴雨的发生受三个大尺度方面的因子影响。第一是来自印度洋和西太平洋的夏季风，中国大范围的雨季一般开始于夏季风的爆发（华南要更早一些），而结束于夏季风的撤退，降雨强度和变化与夏季风脉动密切相关。我国暴雨出现的频率年际变化很大，这也与夏季风状况的年际变率密切有关。第二，西太平洋和青藏高原副热带高压的位置决定了中国主要雨季的季节移动。暴雨常出现在100hPa高压和120ºE处副高比常年更偏北的位置上，如1962。1965，1968，1969和1970年，如果100hPa高压位置比常年偏南，则长江流域一般出现干旱。最后，暴雨的年际变率密切与北半球，尤其是东亚中高纬大气环流的异常有关。位于乌拉尔山，贝加尔湖，鄂霍茨克海霍里海的阻塞高压和乌拉尔山与贝加尔湖的长波槽是决定暴雨是否有利的关键环流系统。例如在1972年夏季，全球出现许多异常的天气过程。这是由于一异常的长波槽维持在亚洲的东岸地区（130º～140ºE）而代替了正常年份的平均高压脊。结果冷空气爆发的路径比常年更偏东，同时副热带高压也比常年更弱。这种天气形势造成了过去30年中春季和夏季最严重的干旱，这主要是由于在中国冷暖空气交绥的机会大大减少。2、中国暴雨的特点（1）暴雨强度大和持续时间长。如果与相同气候区中的其它国家相比，中国的暴雨强度是很大的。如5分钟的暴雨极值是53.1mm（山西梅桐沟，1971年7月1日），1小时暴雨极值是198.3mm（河南林庄，1975年8月5日）。24小时降水极值是1672mm（台湾省新寮，1967年10月17日），第二个24小时降水极值是1248mm（台湾省，1963年9月10日）。我国暴雨的持续时间从几小时到63天，主要暴雨长度是2天到一周，在我国研究的25个著名暴雨例子中，14个暴雨个例持续在3天以上，因而暴雨的持续性是我国暴雨的另一明显特征。（2）暴雨主要分布在华南、长江、华北三个带中。如果我们点出过去1931~1977年近50年中24小时降水量大于200mm的强暴雨位置（下图），可以发现，所有这些暴雨分布在三个带中：华南、长江流域和华北。此外，也有少数一些暴雨出现在沿岸地区，主要是台风引起。在以上三个主要暴雨带之间暴雨出现很少，这种情况与锋区很少在这些地区停滞以及主要环流系统突然的北跳有关。更重要的，暴雨的这种特征分布表明，暴雨与起源或移过西藏高原的天气系统的频率有关。例如，华南的前汛期暴雨主要由在高原以南通过的南支西风带中的扰动引起。长江流域的暴雨经常是由来自高原的低涡和切变线引起。但当高空锋区北移时，这些低空涡旋常改变它们的移动路径，由向东变成向北或东北移动，以此造成华北，甚至西北的暴雨。809010011012013020304050(a)809010011012013020304050(b)1931~1977年1978~20061931～1977年，1978~2006年24小时降水大于200毫米或3天降水大于400毫米的地点。（3）根据暴雨系统的特征，我国的暴雨可以分为四种类型。第一类型是台风暴雨或台风残余及由台风转变成的温带气旋引起的暴雨。台风是我国最重要。最强烈的暴雨系统。沿海15个省份暴雨的统计表明（见蔡则怡的工作，1977年），其中12个省份的最大暴雨是由台风引起。第二类暴雨是由低涡或与这些低涡有关的切变线引起。第三类暴雨由高空槽和相应的冷锋引起，当它们移近一阻塞反气旋区域时，暴雨系统常减速，结果造成长期的雨期。第四类暴雨是地方性的雷暴群，它们可以在有利的大尺度天气条件下重复发展，造成突发性洪水。暴雨系统在很大程度上受大尺度行星环流型制约。因而一场暴雨的发生涉及到不同尺度天气系统的复杂的相互作用。尤其是对2天以上的暴雨，行星环流分布具有十分重要的作用。下图是暴雨中各种天气系统的关系。暴雨中各种尺度天气系统的关系暴雨多是出现在扰动停滞的时期，这时候行星尺度系统经常出现一次调整过程。另一种情况是行星尺度系统持续某种形势，这使得在某地区接二连三地有扰动发生发展。行星尺度系统并不直接产生暴雨，而是通过制约直接产生暴雨的天气尺度系统的活动来间接对暴雨产生作用的，它可以决定天气尺度系统的移动速度，强度变化、重复出现和系统间的相互作用。行星尺度环流还可决定大范围雨区出现的范围及决定暴雨区的水汽来源或水汽通道。下图给出持续性特大暴雨的两种形势图。在经向型情况下，在暴雨区周围为高空高压所包围，即贝加尔湖高压，日本海高压，青藏高压和华南高压。这几个高压系统都很稳定，在日本海高压和青藏高压之间是一条南北向的低压带。这种形势很有利于西南涡北上，低涡可沿着南北向切变线北上，冷空气由从乌拉尔大槽分裂东移的短波槽携带，沿青藏高原脊前流入低槽区。另一股冷空气在贝加尔湖前沿极地路径南下。低空偏东急流和偏南急流共同输送水汽，这种持续性雨带主要是南北向的，可从西南地区向北延伸到华北。纬向型暴雨型有三个主要特征：从西伯利亚宽的低槽中分裂出的冷空气经河西走廊到达长江流域，它们是冷空气的来源，这种冷空气是由东移的西北槽携带，最后受到副高阻塞在长江流域蜕变成东西向切变线。第二个特征是副热带高压相对稳定。高压西侧的西南气流不断向暴雨输送暖湿空气，并与冷空气交汇于江淮流域。第三个特征是高纬在雅库茨克或鄂霍茨克海要有稳定的阻塞高压，使得东亚西风带位置偏南。由上面可见，在持续性大暴雨发生前或发生中，行星尺度长波系统一般会经历一次明显的调整过程，以后表现出异常的稳定性。持续性大暴雨即出现在长波系统稳定的时期。另一方面，持续性大暴雨的发生实际上是大尺度环流出现异常状况的一种表现，因而与暴雨有关的长波系统的位置和强度必然对平均条件呈现明显的偏离。（a）经向型特大暴雨形势；（b）纬向型特大暴雨形势3、天气尺度系统天气尺度系统如锋面、气旋、高空槽等并不是直接造成暴雨的天气系统，因为天气尺度系统中的上升运动一般只有几cm·s-1，在水汽供应充分的条件下，降水强度只1~2mm·h-1，日降水量24~48mm，只能造成中－大雨。天气尺度系统对暴雨起着以下四个作用：（1）制约造成暴雨的中尺度天气系统的活动，即天气尺度系统可以提供中尺度天气系统形成的条件或环境场。中尺度天气系统的发生需要一些基本条件，例如大气层结是不稳定的，水汽通量出现辐合，低空风场出现辐合场和气旋性涡度场，这些条件经常伴随着天气尺度系统出现的；（2）造成暴雨区水汽的集中。即使对于热带海洋气团，气柱的含水量只相当于100mm的降水量。