桂林“5·22”大暴雨的MCS 特征及對短時強降雨的影響

胡 靜，薛玉龍，胡 維，王艷蘭，劉 鋒，陽 薇，李向紅*，侯 進

（1.桂林市氣象局，廣西 桂林 541001；2.柳州市氣象局，廣西 柳州 545001；3.陽朔縣氣象局，廣西 陽朔 541900）

局地暴雨往往是幾種不同尺度天氣系統相互作用的結果，其發生發展既受到大尺度環境條件的制約，又與中尺度對流系統有十分密切的關系。隨著探測技術的發展，區域自動站、多普勒天氣雷達、風云系列氣象衛星等越來越多的探測設備進行布設并投入業務應用，研究表明許多天氣災害諸如暴雨引發的洪澇、雷暴引起的強風暴和龍卷風等經常是中尺度對流系統（mesoscale convective system:MCS）造成的［1-2］。MCS 的空間尺度小、生命史短、突發性強、破壞力大、預報困難。只有弄清MCS 的發生、發展機制以及活動特征，才能更好地提升局地暴雨的預報能力，更有效地趨利避害。國內外學者對MCS 的發生發展機制、空間和熱動力結構等方面進行大量的分析，陳永仁等［3］研究發現，短時強降雨通常由MCS中的深對流造成，水平尺度多為中小尺度系統，具有云頂亮溫低、雷達反射率因子大和垂直累積液態水含量高等特點。胡祖恒等［4］的研究表明，在有利的大尺度環境條件中生成的MCS 是中尺度暴雨的直接成因，其積云對流產生的加熱作用對西南渦的發展有重要影響。盛日鋒等［5］研究發現地面中尺度輻合系統與雨團的發生發展關系十分密切，且具有一定的預示作用。李曉容等［6］指出大暴雨的分布與地面輻合線的走向基本一致，并隨其移動而移動。

桂東北區域作為華南暴雨中心之一，受地形地貌的影響出現局地強降水的頻次較高，也有許多預報員和專家對此分析研究［7-10］。但是目前在業務工作中桂東北局地暴雨的短期預報仍存在一定難度，漏報率較高，更多是依靠短時臨近訂正。隨著觀測業務的發展，越來越多的高時空分辨率觀測資料投入使用，但如何綜合應用數據，在短時臨近預報預警中發揮作用還有薄弱之處。利用多種資料對暴雨過程中的MCS 進行研究，有助于揭示不同類型MCS的成因及發生發展機理。本文對2023 年5 月22 日由切變線引發的極端短時強降水過程進行診斷分析，討論降水過程中MCS 的演變特征及其成因，嘗試找到探測資料在短時強降水預報中的綜合應用著眼點，為短時臨近強降水預報提供科學參考依據。

1 資料與方法

文中研究采用常規觀測資料、區域自動站資料、FY4A 衛星資料、桂林和柳州多普勒雷達資料以及EAR5 逐小時全球再分析資料。研究方法采用動力熱力和水汽的診斷分析方法。

2 結果與分析

2.1 降水過程概述

2023 年5 月22 日凌晨，桂林出現暴雨，局部大暴雨天氣，多地出現短時強雷暴天氣，局地伴有短時雷暴大風。從過程雨量來看，5 月21 日20 時—5 月22 日20 時，桂林降雨量250 mm 以上有2 站，100～249.9 mm 有42 站，50～99.9 mm 有60 站。最大降雨出現在秀峰甲山琴潭氣象觀測站，降雨量為329.4 mm。此次過程以短時強降水為主，具有降水時段集中、強度大、局地性強等特點，強降水落區集中在桂林市區，強降水時段集中在22 日凌晨05—08 時（圖1），桂林本站1 h 雨量（84.6 mm）、3 h 雨量（142.7 mm）超歷史極值。根據統計結果，此次過程，桂林市區內265 個區域氣象站中有11 個打破小時雨量極值（表1），有13 個打破3 h 雨量極值，有11 個打破6 h 雨量極值，有5 個打破12 h 雨量極值，有2 個打破24 h 雨量極值，其中秀峰甲山琴潭氣象觀測站24 h 降雨量為329.9 mm，最大小時雨量達到160.6 mm。

表1 桂林市區內部分氣象站雨量極值（單位：mm）

圖1 5 月22 日03—11 時桂林站10 min 雨量變化圖

2.2 中尺度對流系統的演變特征

2.2.1 MCS 在衛星云圖上的演變特征

FY4A 紅外云圖（圖2）顯示，21 日20:00 對流云團在湘黔交界處生成并東移發展，22 日01:00，對流云團上風方向邊界光滑，云頂亮溫為-91.86 ℃，出現在靠上風方向一側，上風方向亮溫梯度非常大，卷云砧沿高空急流向東偏北方向伸展。隨后對流云團從湖南南部緩慢東南移影響龍勝，造成龍勝出現局部暴雨。03:00，≤-52 ℃的區域面積擴大到大約33 000 km2，對流云團后方有小尺度云團與其聯結隨后逐漸并入，在東南移過程中，對流進一步加強，邊界更加清晰，04:00 對流云團云頂亮溫大約維持在-78.16 ℃左右，云頂位置相較初生階段略有東移，冷云頂面積逐漸擴大，對應靈川、臨桂北部及桂林市區出現強降水及雷暴大風。對流云團繼續發展加強，演變成為一個致密的近圓形結構，06:00 冷云頂面積達到最大，基本覆蓋整個桂林地區，≤-52 ℃的區域面積超過5.7×104km2，對應實況數據，秀峰區甲山琴潭氣象觀測站的最大小時雨強160.6 mm 就是出現在這個時段。強降水云團繼續緩慢東南移，07:00 偏心率明顯變大，結構逐漸松散，云頂亮溫為-69.60 ℃，之后對流云團在東移過程逐漸減弱分裂，11:00 后明顯減弱移出桂林，13:00 減弱消失。

圖2 2023 年5 月22 日FY2A 衛星TBB 分布（填色部分為≤－52℃的冷云頂區域）

應用衛星云圖資料，依據云團形狀大小、生命周期、偏心率、云頂溫度等要素，MADDOX［11］最早給出MCC 的定義。JIRAK 等［12］給出如表2 所示的更具體的分類:將MCS 細分成4 類，即MCC、PECS、MβCCS和MβECS（后二者是β 尺度的MCC 和PECS）。該分類方法將尺度相較MCC 和PECS 略小的MCS 也包括在內，其廣泛的代表性更便于實際業務應用中對中尺度對流系統進行分析。按照這種分類方法，發生在2023 年5 月22 日過程中的MCS 屬于MβECS。梁巧倩等［13］按照該分類方法研究華南前汛期MCS的活動特征及組織發展形式，發現華南前汛期MβCCS 和MβECS 的主要組織發展形式是準孤立發展型，移動方向主要以東移為主。此次過程中的MβECS 與文獻中表述的準孤立發展型一致，MCS 發展自一個獨立的對流單體，一邊發展一邊逐漸向東南方向移動，傳播特征不明顯。

表2 基于紅外云圖分析的MCS 定義

2.2.2 MCS 在雷達上的特征

為了更細致地描述MCS 的對流特征，結合強降水階段，進一步對短時強降水發生期間的桂林、柳州兩地的雷達產品進行分析。22 日01 時起，帶狀降水回波開始從測站西北側進入桂林雷達并緩慢向東南方向移動，04:13，對流云團發展強盛，中心出現反射率因子強度大于65 dBZ 的區域，04:19 回波中心仍然維持這樣的反射率因子強度，并且強回波在垂直方向上伸展得更高，桂林雷達反射率因子垂直剖面顯示，≥60 dBZ 的強反射率因子回波柱大約位于3.8～6 km 處，≥45 dBZ 強反射率因子幾乎接地，在對流云團反射率因子三維雷達圖上也很好的印證這一點，這類低質心對流單體降水效率很高。在強回波帶東移南壓過程中，強回波帶以西端為中心逐漸沿順時針方向轉向，05:07 至06:00，≥45 dBZ 的強回波基本轉變為東西向，05:19 柳州雷達反射率因子垂直剖面顯示桂林上空≥45 dBZ 的強回波中心伸展至11 km 高度，由于強回波帶具有一定的寬度，高反射率因子區在桂林市區的長時間停滯，造成市區的極端小時雨強，處于桂林市秀峰區內站點甲山琴潭氣象觀測站在22 日05:00—06:00 降雨160.6 mm。06:30，≥45 dBZ 的強回波由帶狀逐漸演變為片狀，分布在桂林、臨桂大部地區，中心最大強度為50 dBZ，位于桂林市區南部。由于轉向作用導致桂林市區長時間處于強反射率因子回波影響下，近似“列車效應”作用，導致桂林市區在22 日05:00—07:00多個站點出現大暴雨。07:00 后，強回波基本移出市區并繼續減弱。

柳州雷達的垂直液態水含量（VIL）產品顯示，回波越強的區域，垂直累積液態含水量越高。在5 月22 日04—05 時MCS 東移發展過程中，其對應的強回波帶中心的VIL 值基本上大于40 kg·m-2。05:13，強回波帶中心的VIL 值達到55 kg·m-2，較高的垂直累積液態含水量通常也對應著短時強降雨的發生。

通過分析反射率因子強度的三維雷達圖，可以更好地了解強降水回波在水平方向和垂直方向上的演變。強度大于25 dBZ 的回波柱在04:00—07:00的高度和體積變化不大，其范圍基本保持在桂林中部，以市區為中心的60 km 范圍內。強度大于40 dBZ 的回波柱變化較為明顯（圖3），在02:00 左右回波柱基本低于8 km，比較分散，03:32 回波柱聚集合并且開始出現明顯的主回波柱，高度達到9 km 以上，04:32 主回波柱體積迅速增大，呈底部大，頂部小的錐形，回波柱高度陡增，直接超出13.5 km。05:01回波柱體積略有變小，05:31 回波柱體積繼續變小，中底部接近圓柱形，高度明顯降低，最高處約為13 km。06:30 中層回波減弱，主回波柱再次變為錐形，周圍低層出現分散的大于40 dBZ 的回波柱。07:00主回波柱消失，分散的回波柱高度基本維持在5 km左右。將大于40 dBZ 的回波柱的體積、高度演變與桂林站降雨量進行對比分析，發現強回波柱出現的時間略早于極端雨強出現的時間，大約提前1～1.5 h。

圖3 5 月22 日桂林雷達大于40dBZ 的反射率因子三維顯示圖（單位：dBZ）

2.3 MCS 的垂直結構演變特征

誘發此次極端短時強降水的MCS 生命史大約為9 h，分別選取22 日02、04、06 和08 時的資料代表MCS 的初生階段、增長階段、成熟階段和消亡階段。從圖4 中可以看出，MCS 在垂直方向上動力特征具有相似的結構特征。渦度分布（圖4a）顯示，MCS 演變過程中一直維持低層正渦度、高層負渦度的結構，但不同階段中上下層的渦度數值變化不同，在初生階段和消亡階段低層的渦度大，最大值超過2.5×10-4s-1，大約在600 hPa 轉為負渦度并延伸到1 000hPa，在增長和成熟階段，低層的渦度最大值約為1.2×10-4s-1，在800 hPa 轉為負渦度。300 hPa以上渦度隨時間變化不大，在各階段基本都接近為-0.5×10-4s-1的負渦度。對于散度（圖4b），MCS 在各發展階段的垂直分布結構較為一致，不同于渦度的垂直變化，散度在垂直方向上主要分為三層，在低層800 hPa 以下基本為強輻合層，800～300 hPa 的中層為較弱的輻合層、輻散層交替分布，300 hPa 以上為輻散層。對于垂直速度（圖4c），各個階段總體呈上升運動。在初生階段，上升運動最大值出現在800 hPa附近，達到-1.6 Pa·s-1，然后隨高度向上迅速減小，在500 hPa 減弱至0 Pa·s-1，隨后再次隨高度增大并減小。在增長階段和成熟階段，900～250 hPa 層始終表現為上升運動，增長階段的MCS 在600～300 hPa 基本維持在-0.6 Pa·s-1，成熟階段的MCS 在此層上升速度更大，達到-1.0 Pa·s-1，說明上升運動隨著MCS的發展存在顯著增強。消亡階段MCS 的垂直速度特征與初生階段類似，不過低層的上升運動相較初生階段更弱，并且在700～400 hPa 附近時，垂直速度為正值，說明MCS 減弱消散后，上升運動迅速減弱并且在中層出現下沉氣流。

圖4 MCS 各個階段的物理量變化

3 MCS 演變的成因分析

3.1 “北槽南渦”的環流形勢分析

有利的環流條件對MCS 發生發展至關重要，在暴雨開始前，20 日08 時，500 hPa 上青藏高原東部有一低渦環流，是初生的高原渦，從中高緯度地區的內蒙古北部至河套附近有近似橫槽的西風槽活動，此時西太平洋副熱帶高壓588 dagpm 線位于100°E附近，到20 日20 時，500 hPa“北槽南渦”的環流形勢維持，受高原地形影響和高空槽引導作用［14］，高原渦東移南壓，低渦中心位于西藏與四川交界處德格以南，恰位于西風槽底部。21 日，西太平洋副熱帶高壓顯著增強，“北槽南渦” 的環流形勢整體東移，500 hPa 西風槽經向度加大，槽底向南發展，高原渦也隨之南移，21 日08 時，700 hPa 上低渦南側為強盛的西南急流，急流核位于滇黔桂交界處北側，急流核風速值超過18 m·s-1，寬廣的西南急流將為低渦東側輸送充足的水汽和不穩定能量。21 日20 時，低渦中心南壓至貴州西南部，700 hPa 上西南急流維持，急流核南移至廣西中南部，急流核風速值略有減小，但仍大于15 m·s-1。850 hPa 上，低渦東側有切變線，切變兩側偏南偏北氣流都較強，造成很強的輻合抬升作用，該切變線即誘發此次過程中MCS 的重要系統。低渦南側存在較強西南風，風速大值中心位于云南、廣西交界處，風速值同樣達到15m·s-1，西南風在湘黔桂三省交界處存在明顯的風速輻合，說明有源源不斷的暖濕空氣輸送至切變線以南地區。隨著低渦和切變線的東移，加上前期充足的水汽和能量供應，MCS 東移發展，22 日凌晨，地面冷空氣快速南下影響桂林，02 時至08 時，桂林站氣溫從29 ℃降至19.9 ℃，在冷空氣南下過程中，05 時地面形成中尺度輻合線，輻合抬升作用使得MCS 明顯加強，造成了桂林的大暴雨。

可見，在“北槽南渦”的環流形勢下，前期西南急流提供充足的水汽和能量，高原低渦東移及其切變線誘生MCS，在地面冷空氣和輻合線的影響下，MCS強烈發展，在桂林造成此次極端短時強降水。

3.2 水汽條件分析

中尺度對流系統的發展不僅是動力作用的結果，熱力條件和水汽條件在其發展演變過程中也非常重要［15-16］。圖5 選取懷化通道站、桂林雁山站、永州江永站三個站點的GPS 大氣可降水量探測數據對誘發此次短時強降水的MCS 的水汽條件進行分析。伍志方等［17］在研究中指出，當大氣可降水量（PW）達到60 mm，接近我國短時強降水發生的充分條件。鄭永光等［18］指出，大氣可降水量在70 mm 以上是大氣中非常極端的水汽條件。

圖5 21 日16 時至22 日12 時桂林上空GPS大氣可降水量隨時間變化（單位：mm）

采用懷化通道站的GPS 大氣可降水量探測器的數據代表桂林北部即上游地區的大氣可降水量，分析發現，MCS 的初生階段正位于桂林北面懷化、邵陽南部，對應懷化通道站點上空出現大于55 mm的大值區，隨著MCS 的東南移動和迅速發展，05 時左右開始影響桂林市區，位于市區內的雁山站大氣可降水量在22 日06 時達到峰值，并且在22 日06時至08 時超過60 mm，與強降水發生時間對應，符合文獻中出現短時強降水的充分條件。永州江永站位于桂林東側，相當于MCS 移動的下游地區，該站大氣可降水量隨時間變化曲線和雁山站基本一致，但是大氣可降水量峰值基本低于60 mm，說明MCS東部的水汽條件不如中心區域，再加上尺度較小，東移減弱明顯，因此僅在桂林市區內造成雨強較大的短時強降水，雖然個別站點小時雨強超過160 mm具備一定的極端性，但是極端短時強降水發生的范圍不大，考慮可能是由于桂林及周邊范圍內大氣可降水量沒有超過70 mm 有關。

暴雨過程發生前及過程期間桂林上空一直維持比較強的偏南氣流，低空西南風基本維持在15 m·s-1。圖6 是21 日16 時至22 日12 時桂林上空比濕與風場的時間-高度演變，強降水發生前期間900 hPa 以下比濕達到18 g·kg-1以上，在21 日17 時至21 時甚至超過了20 g·kg-1，為低層比濕大值區峰值，比大氣可降水量峰值出現的時間提前大約8h，說明超低空急流在此次強降水過程中的作用主要是在暴雨發生前提供了充足的水汽，低空和超低空的西南風持續將暖濕空氣輸送到桂林上空。

圖6 21 日16 時至22 日10 時桂林上空比濕與風場時間－高度變化（等值線及陰影為比濕場，單位：g·kg－1；黑色風向桿為風場，單位：m·s－1）

3.3 不穩定條件分析

利用探空站資料分析MCS 生成的環境，選取桂林站5 月21 日08 時、20 時和22 日08 時的探空資料分析MCS 發展演變過程中的環境條件變化（表3）。

表3 5 月21 日08 時至22 日08 時桂林探空站物理量

MCS 生成前期（21 日08 時和20 時），桂林上空存在正對流有效位能（CAPE＞0），但也存在一定的對流抑制能量（CIN），對流抑制能量的存在，使得不穩定大氣不容易發生對流活動。21 日20 時，對流不穩定能量相較12 h 前迅速增大，達到2 000 J·kg-1以上，在高能不穩定的狀態下，無需太強的動力強迫即可觸發對流，而對流抑制能量略有減小，這種變化說明暴雨發生前存在大量的能量聚集，大氣不穩定度增大，引起對流活動發生。熱力狀態顯示，暴雨發生前，K 指數在36 ℃，表明大氣已處于熱力不穩定。探空站的自由對流高度降低，抬升凝結高度升高。從地面抬升指數來看，在暴雨前期和暴雨臨近時為負，表示桂林站附近處于有利的抬升環境中。

4 結論與討論

（1）桂林“5·22”大暴雨過程主要以短時強降水為主，具有降水時段集中、強度大、局地性強等特點，強降水落區集中在桂林市區，多個站點1、3、12、24 h雨量打破歷史極值，說明此次過程具有一定的極端性。強降水集中時段在5 月22 日凌晨，與對流云團的強烈組織發展階段基本一致。

（2）5 月22 日過程中的MCS 屬于MβECS，其演變主要為準孤立發展。在“北槽南渦”的環流背景下，前期強盛的西南急流提供充足的水汽和能量，高原低渦東移及其切變線使得MCS 在湘黔交界處生成并東移發展，后期地面冷空氣的侵入形成中尺度輻合線，在強動力抬升作用下，MCS 強烈發展，逐漸演變成為一個致密的近圓形結構幾乎覆蓋整個桂林，其對應的降水回波強度強，伸展高度較高，質心低，降水效率高，垂直累積液態水含量在10 kg·m-2以上。原本東北-西南向的強回波帶由于轉向作用導致桂林市區長時間處于強反射率因子回波影響下，強回波柱一直停留在桂林市區上空，使得此次過程的小時雨強和累積雨量很大。

（3）演變過程中MCS 垂直結構變化不大，低層渦度為正、高層渦度為負，低層散度為負、高層散度為正，垂直上升速度較大，特別是在增長階段和成熟階段，900～250 hPa 層始終表現為很強的上升運動，這種垂直結構特征可能是MCS 發展維持的動力因素，亦是產生強降水的重要機制之一。水汽條件和熱力條件方面，由于低渦南側強盛的西南急流，急流核風速值超過18 m·s-1，為MCS 的前期發展輸送充足的水汽和不穩定能量。MCS 發展前期，桂林探空站的CAPE 值迅速增大至2 000 J·kg-1以上，在高能不穩定的狀態下，極易觸發對流。地面抬升指數基本為負，表示桂林站附近處于有利的抬升環境中。GPS 大氣可降水量探測數據顯示，桂林的大氣可降水量在22 日06 時達到峰值，超過60 mm，與強降水發生時間對應。

目前模式和預報員對于MCS 的演變發展預報存在較大困難，本文也僅分析了一次低渦切變影響下MCS 的演變特征及其對短時強降水的影響，通過總結不同類型的MCS 在發展過程中的特點，可以更好地指導短臨預報中由MCS 引發的強對流天氣的預報。注意加強對T-lnP 圖和GPS 水汽探測的分析，強的熱力不穩定和極端的水汽條件只需一點動力觸發就可產生強降水。地面中尺度輻合線和中尺度輻合中心是對流單體觸發和快速增長的重要系統，在前期大尺度環流形勢能夠提供較好水汽條件和熱力條件時，注意分析實況中尺度環境場和中尺度模式地面風場。通過對大量類似個例的總結分析，加強由MCS 引發的局地暴雨的預報著眼點和預報思路的研究以及短臨的監測與預警，進一步提高此類暴雨的預報準確率。