淮北地區(qū)一次弱天氣尺度強迫背景下MCS過程分析與模擬

安禮政 劉安寧 宋昊冬 夏網(wǎng)萍 王蓓元

(1 淮安市氣象局，江蘇 淮安 223000；2 江蘇省氣象臺，南京 210041)

引 言

中尺度對流系統(tǒng)(Mesoscale Convective System，MCS)是造成暴雨、冰雹、雷雨大風和龍卷等災(zāi)害性天氣的重要系統(tǒng)，其水平尺度為2～2 000 km，具有旺盛的對流活動特征。MCS往往由對流單體、多單體風暴和超級單體風暴以各種形式組織而成[1-3]。國內(nèi)外學者對MCS的結(jié)構(gòu)存在不同定義。MacGorman， et al[4]認為MCS是一群與環(huán)境相互作用并能改變環(huán)境的雷暴群且隨后產(chǎn)生比單個雷暴單體更大更長生命周期的中尺度對流系統(tǒng)。Schunmacherd， et al[5]用雷達反射率因子定義了MCS，將其定義為對流系統(tǒng)中反射率因子大于40 dBZ的區(qū)域且范圍大于100 km，持續(xù)時間為3～24 h。多數(shù)學者認為MCS在其生命周期里包含一定程度對流發(fā)展的結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)可能是有組織的線狀或準圓形，也可能是無組織的，但均能產(chǎn)生強降水，MCS生命周期內(nèi)包含有組織或者無組織的對流發(fā)展結(jié)構(gòu)[6-7]。

觀測資料時空分辨率的提高以及計算機性能的飛速發(fā)展加深了對MCS演變過程大尺度環(huán)流背景和MCS形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征的影響的認識。胡寧等[8]利用多源觀測資料和中尺度數(shù)值模式(Weather Research and Forecasting Model，WRF)模擬分析了華南地區(qū)具有兩種不同形態(tài)特征的MCS影響過程，論證了環(huán)境條件對于對MCS形態(tài)的影響。王曉芳等[9]對一次由地面風場輻合線觸發(fā)的帶狀MCS研究表明此次過程中整個對流帶呈波動分布，對流層中低層有低渦活動，在低渦和地面輻合線共同觸發(fā)下產(chǎn)生相應(yīng)的氣流輻合區(qū)并演變?yōu)镸CS。張晰瑩等[10]結(jié)合多種觀測資料分析同樣表明地面輻合線和高空切變線的一致性觸發(fā)促使MCS發(fā)展并向不穩(wěn)定能量區(qū)移動。

江淮地區(qū)是我國MCS的多發(fā)地區(qū)，MCS的活動特征受到廣大學者的關(guān)注。研究表明梅雨期間是江淮地區(qū)MCS的活動多發(fā)時期，且多以邊發(fā)展邊東移特征為主[11-12]。王曉芳等[13-14]研究了梅雨期中尺度對流系統(tǒng)的活動特征和天氣背景，長江中下游地區(qū)梅雨期線狀中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生個數(shù)比非線狀中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生個數(shù)略多，而江淮梅雨期間高溫高濕環(huán)境是各類線狀MCS發(fā)展環(huán)境的共同特征。劉瑞翔等[15-16]利用FY2的黑體溫度(Black Body Temperature， TBB)資料研究了江淮地區(qū)MCS的統(tǒng)計特征，并研究了伴隨中尺度對流渦旋(Mesoscale Convectlve Vortex, MCV)特征的MCS過程中MCV對于激發(fā)和加強原有對流系統(tǒng)的作用，探討其對于形成持續(xù)性降水的影響。張舒陽等[17]借助WRF模式對于江淮地區(qū)梅雨鋒過程中MCS造成的暴雨過程進行了數(shù)值模擬，探討環(huán)境背景此次MCS過程的影響。

然而上述研究大多基于較強天氣尺度強迫背景下出現(xiàn)的MCS過程，目前對于弱天氣尺度強迫背景下的MCS活動特征的研究依然相對較少。本文利用多源觀測資料，結(jié)合高分辨率WRF數(shù)值模式對造成淮北地區(qū)較強降水的一次弱天氣尺度強迫背景下的MCS過程進行分析與模擬，對地面輻合線在其演變過程中的作用進行討論，以期為該類型MCS造成的強降水的預(yù)報提供參考。

1 天氣實況

2016年8月7日淮北地區(qū)出現(xiàn)中到大雨，局部暴雨降水過程(圖1)。其中江蘇徐州、宿遷與安徽東部交界處較強降水區(qū)域是由一次弱天氣尺度強迫背景下的MCS過程造成的，國家站中江蘇省睢寧站(58130)和安徽省五河站(58129)分別出現(xiàn)了84.3 mm和64.6 mm的暴雨，江蘇省睢寧站(58130)、泗洪站(58135)和安徽省五河站(58129)均出現(xiàn)短時強降水(圖1紅色五角星處)。上述3個站降水強度逐時變化如圖1b所示，結(jié)果表明此次MCS過程強降水時段集中在12—16時(北京時，下同)之間，降水對流性特征明顯，強降水持續(xù)時間較短，各地降水強度差異較大，最大降水強度為79.2 mm·h-1，于13—14時出現(xiàn)在睢寧站。

2 資料與方法

使用的資料包括常規(guī)的地面、高空觀測資料，美國國家環(huán)境氣象中心和美國國家大氣研究中心(NCEP/NCAR) FNL 1°×1°空間分辨率逐日4次的再分析資料(https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/)；FY2-G的5 km空間分辨率逐時的云頂輻散溫度(TBB)資料(http://data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode/SK.0613.001.html)；淮安雷達站(站號9517，高度67.7 m，緯度33.2428°N， 經(jīng)度118.8258°E)組合反射率因子產(chǎn)品。

圖1 2016年8月7日08—20時12 h累積降水量實況(a， 單位: mm; 其中圖中紅色標識處分別表示睢寧站、泗洪站和五河站) 和出現(xiàn)短時強降水國家站的降水強度逐時變化特征(b， 單位: mm·h-1)Fig.1 Distribution of observed 12 hours accumulated precipitation (a， unit: mm; the red pentacles indicate the location of Suining station， Sihong station and Wuhe station) from 08∶00 BST to 20∶00 BST on 7 August 2016 and hourly change of precipitation intensity (b， unit: mm·h-1) of the stations which occurred short-time heavy precipitation

圖2 WRF模擬區(qū)域設(shè)置Fig.2 Map of WRF model domains

利用WRF4.0中尺度數(shù)值模式對此次MCS過程進行模擬。采用3層嵌套網(wǎng)格(圖2)，水平分辨率分別為27 km、9 km、3 km，垂直方向上有40層，模式頂為50 hPa。模式從2018年6月27日08時開始積分，積分時長為24 h，以NCEP/NCAR FNL再分析資料作為初始場和邊界條件。云微物理參數(shù)化方案采用LIN方案，邊界層采用Mellor-Yamada-Janjic方案，外層兩個網(wǎng)格對流參數(shù)化方案采用Katin-Fritsch方案，內(nèi)層網(wǎng)格關(guān)閉對流參數(shù)化方案。作為對比的降水實況資料為中國氣象局的CMORPH(CPC MORPHing technique) 0.1°×0.1°空間分辨率的逐時降水融合產(chǎn)品，該資料有效利用了地面觀測和衛(wèi)星反演降水各自的優(yōu)勢，在降水量和空間分布上更為合理，相比于常規(guī)的站點資料在分析區(qū)域性降水分布特征中具有優(yōu)勢[18-20]。

3 MCS環(huán)流形勢及診斷分析

3.1 MCS環(huán)流形勢

本次MCS過程發(fā)生在弱天氣尺度強迫背景下(圖3)。2016年8月7日08時200 hPa高空急流位于45 °N以北，我國中部地區(qū)有深厚的切斷低壓形成的高空冷渦活動，而淮北地區(qū)處于高壓脊控制，有利于高空輻散(圖3a)。高空冷渦從200 hPa一直延伸至500 hPa，臺灣東部西北太平洋地區(qū)有殘留熱帶低壓活動，淮北地區(qū)處于兩個高空低壓之間(圖3b)。850 hPa江蘇東部均為殘留熱帶低壓外圍偏東轉(zhuǎn)東南氣流控制(圖3c)，存在一定的海上水汽的輸送。地面圖上淮北地區(qū)處于低壓倒槽的頂部(圖3d)，存在較明顯東南風轉(zhuǎn)東北風向切變，但是由于風速較小，地面輻合較弱。

8月7日08時徐州站探空資料(圖4)表明925～500 hPa均為弱的西南氣流控制，水汽輸送作用較弱，對流層中低層濕度較大，但是700 hPa以下對流層低層相對較干。對流指數(shù)表明此時K指數(shù)達到37℃，CAPE值達到2 133 J·kg-1且呈狹長帶狀分布，抬升凝結(jié)高度(Lifting Condensation Level, LCL)較低為999 hPa，對流抑制能量(Convective Inhibition, CIN)為0 J·kg-1，地面出現(xiàn)輻合后極易觸發(fā)對流，此外0～6 km垂直風切變較小為0.47×10-2s-2，上述對流指數(shù)均為有利于出現(xiàn)短時強降水的特征[21]。

圖3 2016年8月7日08時(a) 200 hPa、(b) 500 hPa、(c) 850 hPa位勢高度場和(d)海平面氣壓場 (其中陰影為水平風速，單位：m·s-1；a—c中等值線為位勢高度，單位：10 gpm；d中等值線為海平面氣壓，單位：hPa)Fig.3 The composite of geopotential height field (contours， unit: 10 gpm) for (a) 200 hPa，(b) 500 hPa，(c) 850 hPa, while mean sea level pressure field (d, contours， unit: hPa) with wind speed field (shaded areas， unit: m·s-1) at 08∶00 BST on August 7, 2016

圖4 徐州站(58027)2016年8月7日08時探空圖Fig.4 T-lnP plot of Xuzhou sounding station (58027) at 08∶00 BST on August 7, 2016

圖5 2016年8月7日02時—8日02時假相當位溫 垂直剖面(單位：K)Fig.5 Cross section of regional average θse (unit: K) from 02∶00 BST on 7 to 02∶00 BST on 8 August, 2016

3.2 物理量診斷

3.2.1 不穩(wěn)定層結(jié)診斷

利用淮北MCS主要影響地區(qū)區(qū)域平均(33° ～ 34°N，118° ～ 119°E)的假相當位溫的垂直變化分析對流不穩(wěn)定層結(jié)的變化特征(圖5)。結(jié)果表明淮北地區(qū)不穩(wěn)定條件適宜，有利于對流活動。前期較強MCS對流活動出現(xiàn)前500 hPa以下均為對流不穩(wěn)定層結(jié)，低層假相當位溫垂直梯度較大，隨著下墊面氣溫升高和低層偏南暖濕氣流的影響850 hPa以下假相當位溫逐漸升高，500 ～ 700 hPa受冷渦外圍偏干冷空氣影響假相當位溫有所降低，進而導致午后對流層中低層對流不穩(wěn)定層結(jié)增強，更有利于對流活動增強。14時之后MCS對流活動增強后，低層假相當位溫逐漸降低導致對流層中層對流不穩(wěn)定性增強但是低層對流不穩(wěn)定層結(jié)減弱。

3.2.2 水汽和動力條件診斷

圖6 2016年8月7日08時(a)925 hPa水汽通量(箭矢，單位：10-4g·cm-1·s-1·hPa-1)、水汽通量散度(陰影，單位：10-5g·cm-2·s-1·hPa-1)和大氣可降水量(等值線，單位：kg·m-2)(a中紅色五角星為睢寧站位置)、(b)200 hPa散度(單位：10e-6s-1)、(c)850 hPa散度(單位：10 e-6s-1)和(d)850 hPa垂直速度(單位：Pa·s-1)Fig.6 (a)Distribution of moisture flux (arrows， unit: 10-5g·cm-2·s-1·hPa-1)， divergence of moisture flux (shaded areas， unit: 10-5g·cm-2·s-1·hPa-1) at 925 hPa and precipitable water (a; contours， unit: kg·m-2) (the red pentacle inFig.a indicates the location of Suining station)，(b) divergence of 200 hPa (unit: 10e-6s-1) ，(c)divergence at 850 hPa (unit: 10 e-6s-1) and vertical velocity at 850 hPa (unit: Pa·s-1) at 08∶00 BST on August 7， 2016

首先利用925 hPa的水汽通量、水汽通量散度和整層大氣可降水量分析本次MCS過程的水汽條件(圖6)。8月7日08時水汽通量分布表明淮北地區(qū)水汽主要來自于西北太平洋洋面和臺灣東部殘留熱帶低壓外圍偏東風轉(zhuǎn)東南風的水汽輸送(圖6a)，量值較小，為2×10-5g·cm-2·s-1·hPa-1左右，水汽輸送作用較弱，此時淮北地區(qū)存在弱的水汽通量散度輻合中心，大氣可降水量分析表明安徽北部、江蘇西北部、山東大部分地區(qū)較大超過63 kg·m-2。本次MCS過程最大降水強度出現(xiàn)的睢寧站(圖6a中紅色五角星處)位于低層水汽通量輻合區(qū)域內(nèi)，HYSPLIT后向軌跡模式分析表明睢寧地區(qū)低層水汽主要來源于臺灣東部的熱帶低壓外圍(圖略)，與低層偏東風轉(zhuǎn)東南風水汽通量輸送對應(yīng)。上述水汽分析表明此次MCS過程前期水汽條件較為充足，有利于出現(xiàn)較高強度降水，但是整體水汽輸送作用較弱，不利于較強降水的維持。

利用散度和垂直速度診斷本次MCS過程動力條件。200 hPa由于處于高壓脊控制，淮北大部分地區(qū)高空有較強輻散，有利于該地區(qū)對流發(fā)展增強(圖6b)。但是850 hPa沒有明顯輻合(圖6c)，垂直上升運動除了徐州部分地區(qū)外整體較弱(圖6d)。因此，本次過程大尺度背景場強迫產(chǎn)生的垂直上升運動較弱。

4 MCS與地面輻合線特征分析

從雷達回波和TBB兩個角度分析本次MCS過程的演變特征，進而結(jié)合地面流場和出現(xiàn)短時強降水的地區(qū)降水強度變化分析MCS演變過程中地面輻合線與降水的對應(yīng)關(guān)系。

地面輻合線與MCS對流活動之間有著密切地聯(lián)系，并且通過影響對流活動進而引起降水強度的變化。8月7日08時江蘇中部地面有弱的東南風風速輻合(圖7a)，初生對流于09時左右在徐州和宿遷交界處觸發(fā)(圖8a)。11時隨著地面倒槽逐漸南移，淮北出現(xiàn)明顯南北向地面輻合線(圖7b)，沿此輻合線對流增強，強回波逐漸發(fā)展為明顯的東北—西南向線狀對流形式，回波強度可達50 dBZ以上(圖8b)，TBB產(chǎn)品表明此時云頂亮溫低于-52℃的冷云區(qū)逐漸出現(xiàn)(圖9a)，隨著對流發(fā)展，冷云區(qū)范圍向東北和西南方向發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)出線狀MCS特征。此時泗洪站處于地面輻合線上負散度中心附近，對流發(fā)展后出現(xiàn)較明顯降水，降水強度于13時達到峰值27.3 mm·h-1(圖1b)，13時地面流場轉(zhuǎn)為輻散后降水強度迅速減弱(圖7c)。11—13時睢寧站始終處于地面輻合流場中，有利于對流觸發(fā)增強，13—14時不斷有40 dBZ以上的較強回波通過睢寧站(圖8c)，導致該地區(qū)雨強達到79.2 mm·h-1；14時之后該地區(qū)地面同樣轉(zhuǎn)為輻散型流場，降水強度迅速減弱(圖7d)。

圖7 2016年8月7日地面流場和散度(其中紅色標識處分別代表睢寧站、泗洪站和五河站；陰影單位：10-5s-1)：(a) 08時; (b) 11時;(c)13時; (d)14時; (e)15時; (f)16時Fig.7 The surface flow field and divergence on August 7 (The red pentacles indicate the location of Suining station， Sihong station and Wuhe station; shaded areas， unit: 10-5s-1) at: (a) 08∶00 BST; (b) 11∶00 BST; (c) 13∶00 BST; (d) 14∶00 BST;(e) 15∶00 BST; (f) 16∶00 BST

從地面流場來看，倒槽逐漸南壓和成熟對流單體下層的雷暴高壓低層輻散型流場與地面環(huán)境風場共同作用導致14時之后原有淮北地區(qū)經(jīng)向地面輻合線逐漸順時針轉(zhuǎn)為偏緯向的東北—西南向地面輻合線(圖7d)。新的對流單體主要在江蘇淮北MCS西南側(cè)觸發(fā)生成，東北側(cè)逐漸轉(zhuǎn)為層狀云降水回波區(qū)，TBB圖表現(xiàn)為大范圍的云頂亮溫小于-52℃的冷云覆蓋區(qū)(圖9b)。安徽東部出現(xiàn)明顯地面輻合中心，五河站處于此地面輻合中心附近，MCS對流發(fā)展旺盛(圖8d)，15時降水強度達到峰值37.3 mm·h-1，地面開始轉(zhuǎn)為輻散流場，對流活動減弱，回波強度逐漸減小為35 dBZ以下的層狀云降水回波(圖8d)，降水強度也大大減弱，淮北大范圍TBB小于-52℃的冷云覆蓋區(qū)與層狀云降水區(qū)相對應(yīng)(圖9c)。16時地面輻合中心南移至安徽中部(圖7f)，MCS向南移動，此后TBB小于-52℃的冷云覆蓋區(qū)由線狀轉(zhuǎn)為橢圓狀(圖9d和圖9e)，表現(xiàn)為MβCCS的特征。20時MCS對流趨于消散，影響基本結(jié)束(圖9f)。

綜上所述，本次MCS過程中對流主要在地面輻合線附近觸發(fā)增強，MCS移動和形態(tài)變化特征與地面輻合線演變較為一致：前期對流在淮北經(jīng)向地面輻合線附近發(fā)展，MCS表現(xiàn)為線狀；后期地面輻合線南移并轉(zhuǎn)為緯向，對流活動向南發(fā)展，MCS也逐漸轉(zhuǎn)為非線狀MβCCS類型。此外地面流場的演變與降水強度有著密切的聯(lián)系，短時強降水一般出現(xiàn)在地面輻合線上輻合中心附近，在出現(xiàn)短時強降水前地面輻合有增強的趨勢，當?shù)孛媪鲌鲛D(zhuǎn)為輻散時，降水強度迅速減弱。

圖8 2016年8月7日淮安雷達站組合反射率因子(單位：dBZ)：(a) 08時53分;(b) 11時01分;(c) 14時01分;(d) 15時05分Fig.8 Composite radar reflectivity of Huaian radar station on August 7，2016(units: dBZ): (a) 08∶53 BST; (b) 11∶01 BST; (c) 14∶01 BST; (d) 15∶05 BST

圖9 2016年8月7日TBB(紅色等值線代表-52℃的TBB等值線；單位：℃):(a) 11時; (b)14時; (c)15時; (d) 16時; (e) 17時; (f)20時Fig.9 Distributions of TBB(shaded areas, unit:℃; the red isoline represent -52℃ isoline of TBB) on August 7， 2016:(a) 11∶00 BST; (b) 14∶00 BST; (c) 15∶00 BST; (d) 16∶00 BST; (e) 17∶00 BST; (f)20∶00 BST

5 WRF模擬結(jié)果

5.1 降水和環(huán)流模擬效果檢驗

利用WRF模式模擬本次弱強迫背景下的MCS過程。首先評估模式對于過程降水與環(huán)流背景的模擬表現(xiàn)。模擬和實況江蘇淮北地區(qū)以及安徽中北部地區(qū)強降水帶均呈現(xiàn)出東北—西南向分布特征(圖10)，模擬的雨帶位置相比實況略偏西北，其中山東南部以及江蘇北部強降水量級相比實況偏大，降水對流特征更加明顯。

圖10 2016年8月7日08—20時(a)CMORPH產(chǎn)品和(b)模擬12 h降水量(單位:mm)Fig.10 Distributions of 12-hr accumulated precipitation of (a)CMPRPH data and (b)simulation(unit: mm) from 08∶00 BST to 20∶00 BST on August 7, 2016

圖11 2016年8月7日08時850 hPa水平風場(填色，單位：m·s-1) 和大氣可降水量模擬結(jié)果(等值線，單位：kg·m-2)Fig.11 The simulated wind speed field for 850 hPa (shaded areas， unit: m·s-1) and precipitable water (contours， unit: kg·m-2) at 08∶00 BST on August 7，2016

從8月7日08時850 hPa低層水平風場模擬表現(xiàn)來看，模擬的低層江蘇地區(qū)東南風和偏南風相比實況偏強(圖11)。由于海洋上東南風增強導致水汽輸送作用增強，模式中低層水汽相比實況條件更好，江蘇淮北地區(qū)、安徽北部以及山東地區(qū)模擬大氣可降水量相比實況偏大，其中山東北部與江蘇交界處相比實況偏大3 ～ 6 kg·m-2，最終強降水帶位置相比實況偏西北，局部降水量級偏大。

5.2 MCS與地面輻合線特征的模擬

模式能夠較好地反演出本次MCS過程中地面輻合線的演變特征。8月7日08時和11時江蘇地區(qū)地面東南風相比實況偏強，導致山東南部至安徽中部的經(jīng)向地面輻合線位置相比實況偏西北0.5個緯距，云頂亮溫和組合反射率因子表明初始對流位置同樣略偏西北(圖12a和圖12b)。15時江蘇和安徽交界處MCS低層出現(xiàn)明顯的輻散型流場與環(huán)境流場結(jié)合在MCS南側(cè)出現(xiàn)明顯地面輻合線，地面輻合線南移有多個對流單體在此觸發(fā)增強，MCS對流活動逐漸南移，但是位置相比實況略偏西北(圖12c)。18時之后安徽中部地面輻散型流場已經(jīng)占主導，MCS對流活動逐漸減弱(圖12d)?？傊?，模式能夠較好地模擬出MCS演變過程中與地面輻合線的相互作用，但是地面輻合線和MCS對流活動的位置相比實況偏西北。

5.3 MCS對流傳播機制模擬

圖12 2016年8月7日地面流場、組合反射率因子(陰影，單位：dBZ)和-52℃的TBB等值線(紫色等值線)模擬結(jié)果(c中藍實線為117.4°E經(jīng)向剖面)：(a) 09時; (b) 11時; (c) 15時; (d) 18時Fig.12 The simulated composite of surface flow field， radar reflectivity (shaded areas， unit: dBZ) and -52℃ isoline of TBB (the purple isoline; The blue soild line shows warp proflile of 117.4°E) at: (a) 09∶00 BST; (b) 11∶00 BST; (c) 15∶00 BST; (d) 18∶00 BST

圖13 2016年8月7日14時和15時反射率因子和經(jīng)向垂直環(huán)流(a、c ;其中陰影為反射率因子，單位：dBZ; 流線為ν和ω經(jīng)向垂直環(huán)流)， 散度和假相當位溫沿117.4°E經(jīng)向剖面圖(b、d，其中陰影為散度，單位：10-5s-1；等值線為假相當位溫，單位：K)：(a、b)14時；(c、d)15時Fig.13 The simulated cross-section at 117.4°E of simulated reflectivity (shaded areas， units: dBZ) and the ν-ω meridional vertical circulation (a，c)， divergence and pseudo-equivalent potential temperature (b，d， units:10-5s-1 and k) on August 7， 2016: (a,b)14∶00 BST; (c,d)15∶00 BST

利用117.4°E經(jīng)向剖面(圖12c中藍線位置，與江蘇西北部至安徽中部一帶經(jīng)向強回波帶對應(yīng))分析本次MCS演變過程中對流傳播機制以及相應(yīng)的地面輻合線結(jié)構(gòu)特征。由于環(huán)境場0 ～ 6 km垂直風切變較小，對流單體傾斜不明顯，并且成熟對流單體的強回波質(zhì)心均位于對流層中下層，為高降水效率強回波(圖13a和圖13c)。14時34°N附近對流單體上升運動主要位于600 hPa以上，地面至600 hPa北部為下沉運動，南部有弱的上升運動(圖13a)，在散度場(圖13b)上表現(xiàn)為500 hPa附近為弱輻合區(qū)，200 hPa以上為輻散區(qū)，這些特征表明該對流單體處于發(fā)展成熟至消亡階段。近地面層存在弱輻散區(qū)，與對流單體低層雷暴高壓輻散流場相對應(yīng)，向南輻散氣流與地面偏南風在33.8°N附近結(jié)合導致該區(qū)域出現(xiàn)地面輻合線，散度場上較明顯輻合，在此地面輻合線附近有處于發(fā)展成熟階段的較強對流單體，內(nèi)部有整層的傾斜上升氣流，上升速度隨著高度增加而增加，40 dBZ較強回波一直延伸至150 hPa附近，從散度場上看地面至300 hPa存在較明顯輻合，150 hPa有較強輻散。在33.8°N附近地面輻合線上有暖濕空氣抬升進入成熟階段的對流單體內(nèi)，其中低層暖濕空氣抬升后一部分進入后部增加消亡的對流單體下沉氣流內(nèi)，最終在兩個分部存于發(fā)展成熟和消亡階段的對流單體之間形成弱的經(jīng)向垂直環(huán)流。15時33.8°N的對流單體已經(jīng)有所減弱，40 dBZ強回波降低至200 hPa，低層輻合和高層輻散均減弱，200 hPa附近有較強輻散，500～200 hPa均為上升運動，對流層中低層出現(xiàn)下次運動，而34°N附近對流單體同樣趨于減弱，回波強度減弱至35 dBZ以下(圖13c)，此時隨著雷暴單體出流邊界的南移，地面輻合線也南移至33.2°N，有新的對流單體開始觸發(fā)，并在地面輻合線和其北部趨于減弱的對流單體之間形成明顯的經(jīng)向垂直環(huán)流。本次MCS過程中對流存在向南傳播特征，在此過程中伴隨雷暴高壓外圍輻散型流場出現(xiàn)的地面輻合線逐漸南移，對流單體在地面輻合線附近觸發(fā)并逐漸完成更替。

從假相當位溫經(jīng)向剖面看出處于不同發(fā)展階段的對流單體的環(huán)境場的對流不穩(wěn)定度的垂直分布特征存在較大差異。對流發(fā)生前整層有較強的對流不穩(wěn)定層結(jié)，有利于對流觸發(fā)。處于地面輻合線附近的發(fā)展階段的對流單體由于低層暖濕空氣的抬升作用導致850 hPa 假相當位溫等值線密集，假相當位溫垂直梯度增大，對流不穩(wěn)定度增強，有利于對流活動產(chǎn)生和增強(圖13b、13d)。處于發(fā)展成熟階段的14時33.8°N附近的對流單體850 hPa存在假相當位溫垂直向上的輸送導致假相當位溫等值線向上突起，進而導致對流層中低層對流不穩(wěn)定度減弱(圖13b)，對流活動即將減弱。而15時34°N附近處于消亡階段的對流單體400 hPa以下假相當位溫垂直梯度大大減小，整層對流不穩(wěn)定度相比對流發(fā)生前大大減弱(圖13d)。

綜上所述，MCS在逐漸南移過程中完成了對流單體的更替過程，這主要是由于成熟對流單體低層輻散流場與環(huán)境流場結(jié)合在其南部產(chǎn)生地面輻合線，低層暖濕空氣在此傾斜抬升進而在其南部觸發(fā)對流；此外處于不同發(fā)展階段的對流單體的環(huán)境場的對流不穩(wěn)定度的垂直分布特征存在明顯差異。

6 結(jié)論

本文利用多源觀測資料和WRF中尺度數(shù)值模式對的2016年8月7日弱天氣尺度強迫背景下影響淮北地區(qū)的MCS過程進行了分析診斷和模擬，分別從天氣形勢、對流發(fā)生條件等角度進行分析，進而討論了地面輻合線在MCS演變過程中與MCS的相互作用，并通過WRF模式模擬兩者的演變特征，分析MCS演變過程中對流的觸發(fā)增強機制。得到結(jié)論如下：(1)造成本次淮北地區(qū)局地較強降水的MCS過程出現(xiàn)在弱天氣尺度強迫背景場下：對流層高層輻散但是低層輻合較弱，系統(tǒng)性上升運動較弱，地面上淮北地區(qū)處于低壓倒槽的頂部，有地面風向切變產(chǎn)生的地面輻合。本次過程中對流層低層存在由西北太平洋向淮北地區(qū)的偏東風轉(zhuǎn)東南風的水汽輸送，淮北大部分地區(qū)大氣可降水量達到63 kg·m-2，對流不穩(wěn)定層結(jié)深厚，有利于產(chǎn)生短時強降水，但是低層水汽輸送作用較弱且水汽輻合較弱，不利于強降水的維持。(2)本次過程中地面輻合線在MCS對流活動演變過程中扮演著重要作用，MCS移動和形態(tài)變化特征與地面輻合線演變較為一致：前期對流在淮北地區(qū)地面偏經(jīng)向地面輻合線附近觸發(fā)，MCS形態(tài)表現(xiàn)為線狀；后期由于倒槽南移加上地面成熟對流單體下層雷暴高壓輻散流場共同作用地面輻合線南移并轉(zhuǎn)為緯向，對流向南發(fā)展增強，對流單體組織形式逐漸轉(zhuǎn)為非線狀，MCS轉(zhuǎn)為非線狀MβCCS類型。地面流場的演變與降水強度之間有著密切的聯(lián)系，短時強降水一般出現(xiàn)在地面輻合線上輻合中心附近，出現(xiàn)短時強降水前地面輻合有增強的趨勢，當?shù)孛媪鲌鲛D(zhuǎn)為輻散時，降水強度迅速減弱。(3)WRF中尺度數(shù)值模式較好地模擬出江蘇淮北地區(qū)以及安徽中北部地區(qū)強降水帶東北—西南向分布特征，強降水量級相比實況偏大，這主要是因為模擬的低層江蘇地區(qū)東南風和偏南風相比實況偏強，低層水汽條件相比實況更好；模式能夠較好地反演出MCS演變過程中對流的發(fā)展情況和地面輻合線變化特征，并且也能夠很好的反演出地面輻合線對于MCS不同階段的影響以及兩者之間的相互作用。(4)本次過程中MCS在逐漸南移過程中完成了對流單體的更替過程，成熟對流單體低層輻散流場與環(huán)境流場結(jié)合在其南部產(chǎn)生地面輻合線，低層暖濕空氣在此傾斜抬升進而在其南部觸發(fā)對流。處于發(fā)展階段的對流單體由于地面輻合線上暖濕空氣的抬升作用，低層對流不穩(wěn)定度增強；發(fā)展成熟階段的對流單體對流層中低層對流不穩(wěn)定度減弱；消亡階段的對流單體，整層對流不穩(wěn)定度相比對流發(fā)生前大大減弱。