2020年貴州省一次MCC特大暴雨的診斷分析*

王興菊，羅喜平，王明歡，周文鈺，蒙 軍，胡秋紅

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000；2.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081；3.中國氣象局武漢暴雨研究所，湖北 武漢 430205；4.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

0 引言

中尺度對流復合體(MCC)最早是由Maddox[1]定義的典型的α中尺度(200～2 000 km)對流系統，在紅外云圖上它表現為接近圓形的冷云蓋。對于MCC的標準，Maddox從生命史、外形、尺度等方面給出完整的定義。本文在云圖分析時采用了Maddox對MCC規定的標準。中尺度系統是暴雨天氣的直接制造者，而MCC是我國南方夏季尤其是6月份暴雨的主要影響系統之一。范俊紅等[2]對河南、河北省中部一次區域性暴雨進行了分析，發現MCC發生、發展在對流層中層的短波槽、高低空急流有利配置以及大氣層結為中性或弱對流不穩定的環境條件下。柳林等[3]通過對其云圖特征的研究，指出MCC是由幾個β中尺度的對流云團發展加強合并而成的。肖穩安等[4]分析了MCC的降水特征，指出在MCC發展到最強盛之前，降水呈逐漸增強的趨勢。陶祖鈺等[5]利用常規資料研究發生在河北的一次MCC暴雨過程,結果表明，MCC在中低層是為氣旋式輻合環流，在對流層上部則呈現中尺度反氣旋式環流，這種環流特征與MCC熱力結構相一致。井喜等[6]對淮河流域的一次MCC的環境流場和物理量特征進行了診斷分析。對于貴州的MCC暴雨特點，熊偉等[7]對貴州2次MCC暴雨診斷和觸發機制對比分析；楊靜等[8]對云貴高原東段山地MCC的普查和降水特征進行了分析。以上成果為本文研究提供了堅實的理論支撐。在此基礎上，本文對2020年6月30日貴州省的特大暴雨過程進行分析，了解此次特大暴雨過程中各階段云圖、雷達、物理量發展及降雨分布特點，旨在提高對貴州省中尺度對流復合體暴雨天氣發生發展的成因認識，以期對以后的貴州MCC類暴雨天氣過程提供有價值的預報思路。

1 資料和實況

本文使用的資料包括：① 2020年6月29日08時(北京時，下同)到30日08時fnl再分析資料(水平分辨率1°×1°)以及常規的地面、高空觀測資料，中國國家衛星中心提供的FY-2G衛星云圖資料；② 2020年6月29日20時—30日20時貴州省逐小時氣象要素觀測數據和地面填圖資料，該資料由貴州省氣象信息與技術保障中心提供，其中，氣象要素包括相對濕度、能見度、2 min風向風速、海平面氣壓、3 h變壓、24 h變壓、氣溫、24 h變溫等要素。

2020年6月29日20時—30日20時，全省共出現4站特大暴雨，90站大暴雨；309站站暴雨；由此次MCC帶來的強降水主要集中在貴州中西部及北部地區，最大雨量為晴隆縣長沙鄉212.7 mm。

2 環流背景

2.1 探空圖分析

在MCC的初始階段，從29日08—20時貴陽站的溫度對數壓力圖上看(見圖1a)：貴陽站層結不穩定，呈現下濕上干的分布，0 ℃層高度位于500 hPa附近，-20 ℃層高度位于300 hPa附近，K指數達到42.1 ℃，SI指數-1.51。中低層為一致的西南急流，高層為偏北風，風向隨高度順轉，有暖平流存在，有利于強降雨的產生。

從29日08時貴陽站的物理量列表來看，CAPE值960.8 J·kg-1，Li值-1.34短時強降水的潛勢非常明顯。到了29日20時(見圖1b)南風上升到300 hPa附近，不穩定層結更加明顯，CAPE值215 9.3 J·kg-1，Li值-3.58，短時強降水的潛勢更加明顯，有利于強降雨的產生。

圖1 2020年6月29日貴陽站溫度對數壓力(a)6月29日08時;(b)6月29日20時Fig.1 Temperature logarithmic pressure diagram of Guiyang station on June 29, 2020(a) June 29 at 08:00; (b) June 29 at 20:00

2.2 環流形勢分析

從29日08時的高空圖上看，200 hPa上(圖2a)超過30 m·s-1的高空急流位于35～45°N,貴州受強大的南壓高壓東側偏北氣流影響，位于高空急流軸的右側的風速輻散區，高空急流的抽吸作用有利于MCC的發展。500 hPa上(圖2b)中緯地區有短波槽東移影響，低緯地區兩高對峙，副高活躍，貴州受副高西北側偏西南氣流影響，四川南部及云南中部有切變線存在，高原上有弱冷空氣向南滲透，短波槽前的弱冷空氣有利于不穩定能量的觸發，使得對流云團在貴州省形成。700 hPa(圖2c)存在明顯的風向切變，切變線位于湖北南部、重慶南部、四川南部一線，貴州位于切變線南部，一致的西南氣流為貴州降水帶來了充沛的水汽和正渦度，川南到貴州西北部有暖平流。850 hPa上(圖2d)切變線位于重慶到貴州北部，貴州西北部有低渦，川南也有明顯的暖平流。

圖2 2020年6月29日14時各層風場圖(線條表示高度場，流線表示風場，陰影區表示急流)(a) 200 hPa ; (b) 500 hPa;(c) 700 hPa; (d) 850 hPaFig.2 Wind field map at 14:00 on June 29, 2020 (The line represents the height field; The streamline represents the wind field; The shaded area represents the jet stream)(a) 200 hPa ; (b) 500 hPa;(c) 700 hPa; (d) 850 hPa

到30日02時(圖略)，MCC的成熟階段，200 hPa上的高空急流維持，風速加大；500 hPa副高明顯東退，貴州受偏西到西南氣流影響；700 hPa切變線更加逼近，橫切變西段南壓到貴州北部一線，云南境內有暖舌向貴州西部伸展；850 hPa上切變線已經南壓到貴州中部。

從以上分析可以看出，在此次MCC的從形成到成熟階段，貴陽站探空圖上中低層為一致的西南急流，高層為偏北風，風向隨高度順轉，有暖平流存在，29日20時超過2 000 J·kg-1的CAPE值的有利于強降雨的產生。同時高空多短波活動，副高活躍，高原有冷空氣向貴州滲透，高空急流的抽吸作用，中層弱冷空氣的入侵，低層切變線長期維持，以及西南暖濕氣流的輸送，為此次過程提供了充沛的水汽和動力條件。

3 MCC的發展及降水特點

3.1 對流云團的形成發展

3.1.1 初始階段(29日14—23時) 從零散的對流系統到TBB≤-52 ℃冷云覆蓋范圍首次達到5萬 km2的α中尺度云團階段。此階段發生在地面α中尺度低渦切變線上的β中尺度對流串發展，再加強合并為一個α中尺度云團。29日14時(見圖3a)，畢節赫章附近有β中尺度的對流云團生成，直徑61 km,中心值-38 ℃；20時(見圖3b)對流云團繼續擴展增強，與納雍附近對流云團合并為一個偏心率較小的α中尺度云團橢圓形對流云團，最低TBB達到-83 ℃；TBB≤-52 ℃的冷云蓋面積為1.9萬 km2。21—23時期間偏心率和冷云罩面積明顯增大，到了23時(見圖3c)偏心率為0.7，TBB≤-52 ℃的冷云覆蓋面積達到了5萬 km2，達MCC的標準。此階段冷云罩面逐步變大，從不規則的塊狀云系逐步發展為邊界光滑的橢圓形對流云系，最大TBB梯度位于對流云團的西南部，對流云團由初期的多個核心合并為一個單核的強中心，最低云頂亮溫達到了-84 ℃。

圖3 2020年6月29日14時—30日08時云頂亮溫TBB(a)29日14時;(b)29日20時;(c)29日23時;(d)30日00時;(e)30日05時;(f)30日08時Fig.3 TBB from 14:00, June 29 to 8:00, June 29, 2020(a) June 29 at 14:00; (b) June 29 at 20:00; (c) June 29 at 23:00; (d) June 30 at 00:00; (e) June 30 at 05:00; (f) June 30 at 08:00

3.1.2 成熟階段(30日00—05時) 從α中尺度云團TBB≤-52 ℃冷云蓋面積超過5×104km2到TBB≤-52 ℃冷云蓋面積達到最大。此階段冷云罩面積迅速增大擴展，從00時(見圖3d)的6.5×104km2增強為05時的15.1×104km2，云罩面積擴展了近3倍，最低云頂溫達到-86 ℃，此階段最低云頂亮溫均在-80 ℃以上，冷云罩形狀從規則的橢圓形逐步發展為不規則的多邊形，到了05時(見圖3e)邊界已經不再光滑，單獨的冷云核中心又逐步分裂為兩個核心。

3.1.3 消亡階段(30日06—08時) 從TBB≤-52 ℃冷云蓋面積達到1×105km2并開始減小到TBB≤-52 ℃冷云蓋面積小于5×104km2的階段。此階段TBB≤-52 ℃的冷云罩面積迅速減小，到08時(見圖3f)減小為4.1×104km2。α中尺度特征逐步消失，發散為多個不規則的塊狀云系，最低云頂亮溫逐步回升，到08時為-63 ℃。

從以上對MCC發生發展到消亡的三個階段分析可以看出，此次MCC是由生成于畢節威寧附近的β中尺度對流云團起源，合并周圍的對流云團并不斷向貴州南部擴展造成的。在MCC的初始階段，云罩邊界光滑，由塊狀向橢圓形發展，冷云罩面積逐步增大，云頂亮溫中心不斷降低；成熟階段冷云罩面積迅速擴大，由橢圓形逐步擴散為多邊形，云頂亮溫中心維持在-80 ℃以下；消亡階段是對流云系的α中尺度特征逐步瓦解的過程，冷云罩面積和云頂亮溫絕對值迅速減小。

3.2 MCC的各階段的降水特點

將各階段的逐小時短時強降水站數、TBB≤-52 ℃冷云蓋面積、云頂亮溫進行對比分析，發現以下特點(見圖4～圖5)：

圖4 MCC各階段冷云蓋面積和短時強降雨站數Fig.4 Diagram of cold cloud cover area and the number of short-time heavy rainfall station at each stage of MCC

圖5 MCC各階段最大小時雨量和最低云頂亮溫Fig.5 Diagram of maximum hourly rainfall and minimum cloud-top TBB at each stage of MCC

初始階段：逐時的短時強降雨站數和最大小時雨量也明顯增強，到了初始階段的23時，貴州短時強降雨站數達到33站，最大小時雨量為晴隆縣長沙村達到了83.7 mm，較20時降雨范圍和強度都明顯增大。

成熟階段：與冷云罩面積迅速擴大相對應，短時強降雨站數對比初始階段出現了成倍的增長，降雨范圍不斷擴大，從貴州西北部向貴州中西部擴展。05時全省短時強降雨70站，仍然維持較高的值，較00時明顯增加，僅次于03時的79站。此階段的最大小時雨強出現在01時晴隆縣中營鄉達到88.1mm，對應該站點的云頂亮溫為-86 ℃，然后最大小時雨強逐步下降。到05時，最大小時雨量為盤縣普古鄉40.1 mm,較00時明顯減弱。

消亡階段：此階段貴州省降水明顯減弱，到06時全省短時強降水站數為36站，較成熟階段的05時減少將近一半，到08時，貴州省范圍內已經沒有短時強降雨出現，對應此時次的最低云頂亮溫為-63 ℃，較成熟階段也明顯下降。

從以上分析可以看出，逐小時短時強降雨站數與冷云蓋面積有很好的對應關系，在形成、成熟、消亡3個階段分別呈現逐步上升、明顯上升和迅速減小的趨勢；最大小時雨量在成熟階段與最低云頂亮溫有較好的對應關系，在初始和消亡階段的某些時次，雖然亮溫很低，小時降雨量卻不如成熟階段那么大。

4 雷達回波分析

初始階段：與中尺度對流云團的發展相對應，從貴陽雷達的反射率因子圖上可以看出，回波起源于29日14時之后，在貴州西北部的低渦附近生成了對流單體，到20時(見圖6a)發展為鑲嵌多個強中心的片狀回波，21時(見圖6b)在納雍和水城北部，多個組合反射率強中心基本連成帶狀，強中心超過了50 dBz,21時的短時強降雨也發生在該地區[9]。到了23時(見圖6c)，強回波已經影響整個六盤水地區，呈片狀分布，并開始向安順北部邊緣發展。初始階段的強回波主要影響貴州省西北部的畢節市和六盤水市。成熟階段：24日00時(見圖6d)強回波南壓至安順到黔西南北部，01時(見圖6e)該區域短時強降雨急增，全省63站的短時強降雨有43站出現在安順、六盤水、黔西南，最大短時強降雨也發生在這一時次的晴隆中營。05時(見圖6f)安順南部、黔西南北部仍然有較強的降雨回波，強中心仍然超過了40 dBz。成熟階段的強降雨回波主要影響貴州西南部的安順市、黔西南州等地。

圖6 2020年6月29日20時—30日08時組合反射率(單位:dBz)(a)29日20時;(b)29日21時;(c)29日23時;(d)30日00時;(e)30日01時;(f)30日05時Fig.6 Composite reflectivity from 14:00, June 29 to 8:00, June 29, 2020 (unit∶ dBz)(a) June 29 at 14:00 ; (b) June 29 at 20:00;(c) June 29 at 23:00; (d) June 30 at 00:00;(e) June 30 at 01:00; (f) June 30 at 05:00

挑選了大方作為初始階段，晴隆作為成熟階段的代表站點進行回波特征分析。初始階段大方回波在20時(見圖7)前后出現了強單體，中心值超過55 dBz，45 dBz回波頂高達到了12 km,呈現單峰值分布，強回波已經接地，并且都集中在4 km以下，29日20—21時，強回波持續了近1 h之后減弱為30 dBz以下的陣雨回波。成熟階段晴隆的強回波也集中在4 km以下(見圖8)，回波頂高在8 km左右，回波呈現多峰值分布，中心值超過45 dBz的時段出現了4次。

圖7 2020年6月29日19—23時大方回波時間序列Fig.7 Time series diagram of echo in Dafang from 19:00 to 23:00 on June 29, 2020

圖8 2020年6月30日01—05時晴隆回波時間序列Fig.8 Time series diagram of echo in Qinglong from 1:00 to 5:00 on June 30, 2020

選取了大方和晴隆周圍近500 km2的區域統計組合反射率強度特征，發現初始階段的大方區域內(見圖9)，大部分回波回波強度為在30 dBz以下，平均值為26.3 dBz，超過35 dBz的回波面積為83 km2。成熟階段晴隆境內以35 dBz以上的回波為主(見圖10)，超過35 dBz的回波面積為377 km2，平均值為39.2 dBz。

圖9 2020年6月29日20時21分大方回波強度分布Fig.9 Echo intensity distribution diagram in Dafang at 20:21 on June 29,2020

圖10 2020年6月30日01時19分晴隆回波強度分布Fig.10 Echo intensity distribution diagram in Qinglong at 01:19 on June 30, 2020

從以上分析可以看出，初始階段強回波強度強，但生命史短，呈現單峰值分布；成熟階段的強回波范圍大，持續時間長，呈現多峰值分布。共同特點是強回波基本集中在4 km以下，中低層越靠近地面回波越強，質心位置較低，強回波接地，有利于強降雨的產生。

5 物理量分析

5.1 熱力條件分析

為了更好的分析MCC發展過程中能量的演變情況，本文將引入由850 hPa和500 hPa資料共同計算的總指數TI進行分析：

TI=(T850-T500)+(Td850-Td500)

(1)

參考文獻[10]提到：TI≥44 ℃時有利深對流發展，TI≥54 ℃，則有可能發展為強烈的對流天氣。29日14時(圖11a)貴州西北部TI指數為52 ℃，且貴州除了東北部邊緣，其余地區均超過了44 ℃，該地區的大氣不穩定為MCC的發展提供了有利的條件。到了成熟階段30日02時(圖11b)，整個貴州的總指數都超過了50 ℃，強中心開始向東南方向移動，中心值58 ℃。從初始階段到發展階段持續性的TI值≥44 ℃，為此次的特大暴雨過程提供了充足的能量條件。

圖11 總指數TI(a)2020年6月29日14時;(b)2020年6月30日02時Fig.11 Diagram of total index TI(a) 14:00 on June 29, 2020; (b) 02:00 on June 30, 2020

5.2 抬升條件分析

溫度平流在天氣系統的發生發展過程中起著重要作用，上冷下暖的溫度平流垂直差異氣溫直減率增大，使大氣層結趨于不穩定。本文選用沿26°N制作溫度平流和垂直速度的剖面圖，29日14時(見圖12a)，在MCC的形成階段，畢節威寧附近700～800 hPa之間有暖平流，中心值為1.2×10-3K·s-1，對應的垂直速度場上低層也有明顯的上升運動區與該暖平流區相匹配，650～500 hPa之間則對應冷平流和下沉氣流。這種低層為暖濕的上升氣流，中層有冷平流并伴有下沉氣流的中尺度環流特征。到了成熟階段30日02時(圖12b)，低層的暖平流和上升氣流仍然維持，且強中心向貴州東南部伸展，為此次的特大暴雨過程提供了抬升條件。

圖12 沿26°N溫度平流、垂直速度緯向—高度剖面(紅色線條表示溫度平流，單位：10-3K·s-1；黑色線條表示垂直速度，單位：Pa·s-1)(a)6月29日14時；(b)6月30日02時Fig.12 The zonal-elevation profile of temperature advection and vertical velocity along 26°N(The red lines represent temperature advection, unit∶ 10-3K·s-1; The black lines indicate vertical velocity, unit∶ Pa·s-1)(a) June 29 at 14:00; (b) June 30 at 02:00

5.3 渦度和散度的中尺度特點

從初始階段29日14時(圖13a)的散度和渦度場來看，200 hPa上MCC的形成區域與一個中尺度的輻散和負渦度系統相配合；在700 hPa以下，對應的是正渦度和輻合中心，渦度和散度的中心值都達到了2×10-5s-1。這與陶祖鈺等[11]在研究MCC中的第二基本形式一致，在對流層低層存在氣旋式渦旋。到了30日02時(圖13b)，MCC的成熟階段，依然維持低層正渦度輻合，高層正渦度輻散的中尺度特點，正渦度中心值加強到了5×10-5s-1，更有利于MCC的發展加強。

圖13 沿26°N散度、渦度圖緯向—高度剖面(紅色線條表示散度，單位：10-5s-1；黑色線條表示渦度：單位：10-5s-1)(a)6月29日14時；(b)6月30日02時Fig.13 The zonal-elevation profile of divergence and vorticity along 26°N (The red lines represent divergence, unit∶ 10-5s-1; The black lines indicate vorticity, unit∶ 10-5s-1)(a) June 29 at 14:00; (b) June 30 at 02:00

6 結論與討論

①在此次特大暴雨過程中高空多短波槽活動，中層弱冷空氣的入侵，高空急流和低層切變線長期維持，大的CAPE值的存在以及西南暖濕氣流的持續性輸送，為此次過程提供了充沛的水汽和動力條件。

②此次MCC生成于畢節威寧附近，在MCC的初始階段，由塊狀向橢圓形發展，冷云罩面積逐步增大，云頂亮溫中心不斷降低；成熟階段由橢圓形逐步擴散為多邊形，云頂亮溫中心維持在-80 ℃以下；消亡階段冷云罩面積和云頂亮溫絕對值迅速減小。

③逐小時短時強降雨站數與冷云蓋面積有很好的對應關系，在形成、成熟、消亡3個階段分別呈現逐步上升、明顯上升和迅速減小的趨勢；最大小時雨量在成熟階段與最低云頂亮溫有較好的對應關系。

④此次特大暴雨過程中強回波基本集中在4 km以下，中低層越靠近地面回波越強，強回波接地，質心位置較低。初始階段強回波強度強，移速快，但生命史短，呈現單峰值分布；成熟階段的強回波范圍大，持續時間長，移速慢，呈現多峰值分布。

⑤TI≥44 ℃的大值區長期維持，低層的暖平流和上升氣流以及正渦度輻合，配合高層的冷平流和下沉氣流以及負渦度輻散，為此次特大暴雨過程提供了有利的能量和動力條件。