皖南医学院学报
张夕迪，沈文强，杨舒楠，等.2020.2020年7月4—10日长江流域极端强降雨过程MCS 活动特征分析[J].暴雨灾害,39(6):593-602ZHANG Xidi,SHEN Wenqiang,YANG Shunan,et al.2020.Analysis of MCS activity characteristics during extreme heavy rainfall in the Yangtze River Basin from July 4to 10,2020[J].Torrential Rain and Disasters,39(6):593-602
2020年7月4—10日长江流域极端强降雨过程
MCS 活动特征分析
张夕迪1,2,3,4，沈文强5，杨舒楠1,3，张恒德1,3，韩冰6
(1.国家气象中心，北京100081；2.南京大学大气科学学院，南京210044；3.中国气象局-河海大学水文气象研究
联合实验室，北京100081；4.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，珠海519082；
5.浙江省气象台，杭州310051；
6.黑龙江省气象台，哈尔滨150030)
学术批评
摘要：2020年7月4—10日长江流域出现了一次极端强降雨过程。本文利用高时空分辨率的风云四号A 星相当黑体温
度(TBB)数据和中国地面与CMORPH 融合逐小时降水产品，基于面积重叠法的对流自动识别追踪方法将本次过程长江流域二级地形及以东区域(105°—125°E ，25°—35°N)生成的中尺度对流系统(MCS)进行识别、追踪和分类，并研究了西部、东部和东移MCS 的时空分布特征和物理量参数特征。结果表明，西部MCS 生成数量有明显增多的变化趋势，东部MCS 生成数量始终变化不大，东移MCS 主要发生在5—6日。西部和东部MCS 的初生峰值一般出现在午后和凌晨，而东移MCS 主要发生在凌晨。东移MCS 比西部MCS 的生成位置更偏东，更有利于东移影响下游地区。相比于西部和东部MCS ，东移MCS 的最低亮温更低、降雨强度更大、生命史更长、对流发展更为迅速、降雨面积和对流云面积都更大，移动路径更长，影响范围更广，表明东移MCS 的对流发展更为旺盛。同时，随着生命史的增加，M αCS 数量越来越多，而M βCS 数量逐渐减少。 关键词：长江流域；中尺度对流系统；时空分布；物理量特征中图法分类号：P458.1+21.1
文献标志码：A
DOI:10.3969/j.issn.1004-9045.2020.06.007
Analysis of MCS activity characteristics during extreme heavy rainfall
in the Yangtze River Basin from July 4to 10,2020
ZHANG Xidi 1,2,3,4,SHEN Wenqiang 5,YANG Shunan 1,3,ZHANG Hengde 1,3,HAN Bing 6
(1.National Meteorological Center,Beijing 100081;2.School of Atmospheric Sciences,Nanjing University,Nanjing 210044;
3.CMA-HHU Joint Laboratory for Hydro-Meteorological Studies,Beijing 100081;
4.Southern Marine Science and
Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai),Zhuhai,519082;5.Zhejiang Meteorological Observatory,
Hangzhou 310051;6.Heilongjiang Meteorological Observatory,Harbin 150030)
Abstract:During July 4to 10,an extreme heavy rainfall occurred in the Yangtze River Basin.By using high temporal and spatial resolution FY-4A blackbody temperature (TBB)data and the China hourly merged precipitation analysis combining observations from automatic weath ⁃
er stations with CMORPH products,an automatic identification and tracking method of convection is
applied to analyze the identification,tracking and classification of the mesoscale convective system (MCS)in the secondary terrain and the east region (105°-125°E ，25°-35°N)in Yangtze river basin.The western,eastern and east-moving types of MCS are classified,and their spatial and temporal distribution charac ⁃teristics and the physical parameters are studied.Results showed that the number of MCS generated in the western region increased signifi ⁃cantly,remain unchanged in the eastern region,and occurred mostly in the east-moving type in July 5to 6.The initiation peak of western and eastern types generally occurs in the afternoon and early morning,while the east-moving type mainly occurs in the early morning.The光伏并网发电模拟装置
east-moving type is more easterly than that of the western type MCS,which is more favorable for east moving to affect the downstream area.
收稿日期：2020-10-23；定稿日期：2020-12-30
资助项目：国家重点研发计划(2018YFC1505704,2018YFC1505705)；国家气象中心预报员专项(Y201901)；中国气象局暴雨预报专家创新团队专项(CMACXTD002-3)
第一作者：张夕迪，主要从事短期天气预报和中尺度灾害性天气研究。E-mail:*************** 通信作者：张恒德，主要从事灾害性天气预报技术研发和预报服务工作。E-mail:***********************
暴雨灾害
TORRENTIAL RAIN AND DISASTERS
Vol.39No.6Dec.2020
第39卷第6期2020年12月
第39卷暴雨灾害
引言
中尺度对流系统(mesoscale convection system，以下简称MCS)常带来暴雨、大风、冰雹等强对流天气，是灾害天气发生发展的重要天气系统(Maddox,1980；
Tollerud and Collander,1993；Houze,2004；李细生等，2007；陈静静等，2011；尹洁等，2013；Zheng et al, 2013)。近年来，随着卫星遥感技术的不断发展和进步，静止卫星的观测时空分辨率不断提高，因而国内外大量学者利用卫星资料对MCS进行监测和研究(Maddox，1980；Laing and Fritsch，1997；Mathon and Laurent，2001；Zheng et al.，2008；Meng et al.，2013；Xu，2013)。
许多早期的研究都使用卫星红外通道数据来追踪MCS，如Machado等(1998)、Mathon和Laurent(2001)使用红外图像来追踪美国和非洲地区MCS的生命史特征，Zheng等(2008)研究了1996—2006年中国地区的MCS时空分布特征，Schröder等(2009)利用静止卫星发展了一套自动追踪MCS的算法。但由于季节、区域的差异，选定一个确定的阈值并非易事。Miller和Frit⁃sch(1990)、Mapes和Houze(1993)、Laing和Fritsch (1993a；1993b)采用TBB<241K(-32℃)的标准来识别对流云，Machado等(1998)选取240～250K之间作为标准，Vila等(2008)则采用235K的判别阈值，Zheng等(2008)采用241K和221K的标准来识别中国周边地区的中-αMCS和中-βMCS。实际上，对于MCS的识别阈值并不唯一，且TBB阈值在5K以内的变化并不会导致识别结果的明显差别(Ai et al.,2016)。早期的许多研究都只选取TBB作为唯一判识指标，只关注了MCS的云顶特征。对流云团发展到一定程度往往会产生较强降水，许多研究都用降雨强度来描述对流发展的强弱程度(Yuan and Houze，2010；Goyens et al.，2012；Feng et al.，2012)。由于对流系统的内部结构较为相似，因此单单利用云顶特征无法有效地区分不同云团的特征，有必要将云顶特征和云团所产生降水共同考虑。因此，同时使用TBB和降水强度识别并研究MCS是十分有必要的。Goyens等(2012)指出小时雨量达5mm·h-1即为中等强度降水事件，而超过10mm·h-1则为强降水事件。Ai等(2016)进一步指出对中国中东部地区而言降雨强度超过10mm·h-1即可认为存在MCS。
不同下垫面条件下MCS的生成和发展演变具有显著差别(Velasco and Fritsch,1987；Laing and Fritsch,
1997；Zipser et al.,2006；郑永光等，2008；祁秀香和郑永光，2009；Rasmussen and Houze，2011；Rafati and Karimi，2017)。中国地形地貌复杂，MCS在我国不同地区有不同的活动特征(Fang，1985；李玉兰等，1989；项续康和江吉喜，1995；陶祖钰等，1998；祁秀香和郑永光，2009；曾波等，2013；刘一玮和王颖，2020)，郑永光等(2008)在对全国范围内的气候统计中明确指出，从青藏高原到长江中下游地区，30°N附近的MCS明显存在活跃的东西向波动状分布特征。青藏高原大地形上MCS活动频繁，具有明显的月变化和日变化以及空间分布特征，MCS主要在午后触发，且在高原东南部和中南部存在两个频发中心(张顺利等，2001；江吉喜和范梅珠，2002；张顺利和陶诗言，2002；卓嘎等，2002；过仲阳等，2003a，2003b；胡亮等，2008；Li et al.，2008；Hu et al.,2017；王婧羽等，2019；Mai et al., 2020)。平原地区MCS主要在午后到傍晚生成，同时在清晨还存在生成的次高峰；华南地区MCS在6月份活动最为频繁，而江淮地区则为7月份(祁秀香和郑永光，2009；卓鸿等，2012；李佳颖等，2015；刘瑞翔等，2015)。许多研究表明，引发四川盆地和长江流域降水的部分中尺度云团胚胎可以向上游追溯至青藏高原地区(Tao and Ding，1981；师春香等，2000；张顺利等，2001；Bei et al.，2002；江吉喜和范梅珠，2002；张顺利和陶诗言，2002；卓嘎等，2002；徐祥德和陈联寿，2006；Xu and Zipser，2011；Wang et al.，2013；潘晓和傅云飞，2015)，而江汉、江淮平原等地区产生强对流天气的MCS可以追溯至二级地形附近的东移对流系统(He and Zhang,2010；Sun and Zhang,2012；Meng et al., 2013；Zheng et al.,2013；Ai et al.,2016；Zheng et al., 2016；Zhang and Sun,2017；Zhang et al.,2018；杨如意等，2020)。因此，将二级地形以东地区作为一个整体对MCS进行研究是十分必要的。
2020年汛期我国经历了超长超强梅雨季，其中7月4—10日重庆、贵州至长江中下游地区出现了一次极端强降雨过程，降雨范围涵盖了整个二级地形及其
2009年7月1日Compared with western and eastern type MCS,lower TBB,greater rainfall intensity,longer life duration,more rapidly development,larger rainfall area and convective cloud area,longer moving path and wider influence range are presented in east-moving MCS,indicating that the east-moving MCS is more vigorous.Meanwhile,with the increase of life duration,the number of MαCS increases,while the number of MβCS decreases gradually.
Key words:Yangtze River Basin;mesoscale convective system;temporal and spatial distribution;physical parameter characteristics
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第6期张夕迪，等：2020年7月4—10日长江流域极端强降雨过程MCS活动特征分析
以东地区。其中，4日至7日，主雨带维持在长江沿线，8日至9日逐渐南压至江南中部，10日又北抬至江南北部。本次过程累计雨量大、持续时间长、多地日雨量突破历史极值、强降雨区高度叠加、极端性强，其中湖北、安徽、江西等地部分地区累计降雨量达到600mm 以上，黄冈市巴河镇累计降雨量超
过1000mm，安徽歙县首日高考被迫延期举行，造成了严重的经济损失和社会影响。本文将主要对本次极端强降雨过程中的MCS活动特征进行分析，为进一步认识长江流域极端强降雨提供一定参考依据。
1资料和方法
1.1资料
本文对2020年7月4—10日长江流域二级地形及以东区域(105°—125°E，25°—35°N)生成的MCS进行研究，并以113°E为界，分为西部和东部区域。使用的卫星资料为中国气象局国家卫星气象中心提供的风云四号A星逐小时云顶黑体亮温(TBB)产品(sat⁃/PortalSite/Data/Satellite.aspx)；所用的降水资料为中国气象局国家气象信息中心提供的中国地面与CMORPH融合逐小时降水产品(Crain)( a/data/cdcdetail/dataCode/SEVP_CLI_CHN_ MERGE_CMP_PRE_HOUR_GRID_0.10.html)，该降水产品将经过质量控制后的全国自动气象站观测的小时降水量与美国气候预测中心研发的CMORPH卫星反演降水产品进行融合(宇婧婧等，2013；Xie and Xiong,2011)，并在不同区域和不同季节进行了调试(旷达等，2012；潘旸等，2012)，从而形成了覆盖中国区域的0.1°×0.1°逐小时降水融合数据。通过多角度的综合评估表明，该降水产品有效结合了
地面观测降水和卫星反演降水的优势，产品总体误差水平在10%以内，对强降水和站点稀疏区的误差在20%以内，优于国际上同类型产品(沈艳等，2013；Shen et al.,2013)。1.2方法
Ai等(2016)在对中国中东部地区MCS的活动特征进行分析研究时，将云顶亮温238K和218K作为对流云盖(Cloud Shield，以下简称CS)和对流核心区(Convec⁃tion Core，以下简称CC)的阈值，降雨强度达到10mm·h-1作为MCS形成的判定阈值。本文中MCS的识别和追踪方法采用上述阈值和算法。
1.2.1MCS对应的降水
(1)根据Ai等(2016)的算法，将对流云团分为CS (TBB<238K)和CC(TBB<218K)。(2)作CS的最小外接矩形，以CS的质心为圆心、质心到矩形四个点的最长距离为半径画圆，圆中降水即该对流云团的降水(图1)
。
36°N
35
34
33
32
109110111112113°E
25
20
15
10
5
mm·h-1
图1MCS对应的降水示意图
(橙等值线为TBB238K区域，填区域为降水量，红十字为橙等值线的质心，红箭头为质心到橙等值线最小外接矩形四个顶点中距离最大点的连线，以红十字为圆心、红箭头为半径形成的黑圆内的降水即为
MCS对应的降水，引自Ai et al.,2016)
Fig.1Illustration of the precipitation matched for MCS.
Orange contour represents for TBB238K region,shaded area
for precipitation.The red cross is the centroid of the MCS,and
the red arrow(radius)is the maximum distance from the centroid
to four apexes of the bounding box(black dashed rectangle).
Therefore,the circular search range(bold black circle)can
be drawn to find the associated rain within the range for
each MCS system.Adapted from Ai et al.,2016.
1.2.2MCS识别与追踪
MCS的识别应满足如下条件：①存在CC；②最大降水强度超过10mm·h-1；③CS的面积超过1000km2；
④降水区域面积超过500km2。当连续3个小时满足以上条件，将第3个小时的时刻作为MCS的形成时刻(formation time，以下简称FT)。
MCS追踪：采用面积重叠法。由FT时刻分别向前后追踪，当前后连续时刻的CS面积覆盖率超过10%时认为是同一个MCS。初生时刻(initiation time，以下简称IT)定义为满足向前追踪条件的最早时刻，消亡时刻(dissipation time，以下简称DT)定义为降水强度低于5mm·h-1的时刻。当同一时刻有多个MCS满足条件时，与前一时刻相比覆盖率最大的云团被认为是原MCS的延续；当有MCS合并时，新MCS被认为是原面积最大MCS的延续，原其他MCS消亡；当有MCS分裂时，分裂出的面积最大MCS被认为是原MCS的延续，其他云团如满足MCS的条件则被当作新生MCS。对于上述方法筛选出来的MCS，
按其生成源地和移动路径分为三类：①西部MCS：生成和消散均发生于西部区域；②东部MCS：生成于东部区域；③东移MCS：生成于西部区域并东移至东部区域消散。
595
第39卷
暴雨灾害1.2.3MCS 物理量参数
MCS 的生命史长度(life duration，以下简称LD)定义为IT 到DT 之间的时长，形成阶段(formation period，以下简称FP )定义为：
FP =()
FT -IT LD
´100%(1)将MCS 整个生命史过程中TBB 的最小值定义为最低亮温BT min 、出现的降水强度最大值定义为最大降
水强度P max 、
出现降水的最大面积定义为最大降水面积PA max 、
CS 的最大面积定义为最大CS 面积CSA max 、CC 的最大面积定义为最大CC 面积CCA max 。
Jirak 等(2003)依据卫星观测的TBB 将MCS 分为以
下四类(表1)：中尺度对流复合体(Mesoscale Convective Complex，以下简称MCC)、中α尺度持续拉长形对流系统(Permanent Elongated Convective System，以下简称PECS)、中β尺度近圆形对流系统(Meso-βCircular Con ⁃vective System，以下简称M βCCS)和中β尺度拉长形对流系统(Meso-βElongated Convective System，以下简称M βECS)。对2020年7月6日生成于贵州的东移MCS 识别追踪结果表明，7月7日01时(北京时，下同)该对流系统刚开始发展，近圆形但面积不大，属于M βCCS (图2a)；随着对流系统的东移，其形状由近圆形逐渐变为拉长形，至7日7时发展为M βECS (图2b)；7日14时，对流系统的形状仍为拉长形，但面积不断变大，
MCS 类型MCC
PECS M βCCS M βECS
尺度范围/km 2
低于-52°C 冷云面积≥5×104低于-52°C 冷云面积≥5×104低于-52°C 冷云面积≥3×104低于-52°C 冷云面积≥3×104
标准
持续时间/h
满足尺度范围定义的持续时间≥6满足尺度范围定义的持续时间≥6满足尺度范围定义的持续时间≥3满足尺度范围定义的持续时间≥3
形状
面积最大时偏心率≥0.70.2≤面积最大时偏心率≤0.7面积最大时偏心率≥0.70.2≤面积最大时偏心率≤0.7
表1MCS 分类标准(Jirak et al.,2003)
Table 1Classification criteria of MCS (Jirak et al.,2003).
40°N 3530252015105110115120125°E 105110115120125°E
40°N 353025201540°N 3530252015
105110115120125°E 105110115120125°E
40°N 3530252015
(a)(b)(c)
(d)图2MCS 追踪及分类示意图。其中黄代表M βCCS，紫代表M βECS，蓝代表PECS，绿代表MCC。红十字代表
MCS 所在位置，红实线代表移动路径：(a)7日01时，(b)7日07时，(c)7日14时，(d)7日16时
Fig.2Illustration of MCS tracking and classification.Yellow,purple,blue and green correspond to M βCCS,M βECS,PECS and MCC,respectively.The red cross represents the position of MCS,and the red solid line represents the moving path.
(a)01:00BT on 7th,(b)07:00BT on 7th,(c)14:00BT on 7th and (d)16:00BT on 7th.
596
第6期张夕迪，等：2020年7月4—10日长江流域极端强降雨过程MCS 活动特征分析
已达到PECS 的标准(图2c)；随后，对流系统逐渐从拉
长形变为圆形，并于7日16时达到MCC 的标准(图2d)；此后，该对流系统逐渐减弱消亡。本文利用MCS 物理量参数按表1的标准进行分类，对本次强降雨过程中各类MCS 的活动特征进行分析。
2不同类型MCS 活动特征分析
2.1时间分布特征
2020年7月4—10日在二级地形以东地区共识别出186个MCS ，平均每天26个。其中西部和东部MCS 分别为77个和88个，发生频率大体相当，东移MCS 共21个，占总数的11%。由此可见，本次过程中长江中游生成的MCS 较长江下游略偏少，长江下游的强降雨主要由本地生成的MCS 所导致，上游移入的MCS 只占19%。
从三种MCS 生成数量和西部与东部区域MCS 对应的面雨量逐日变化特征来看(图3)，6、7日MCS 生成数量最多，对应了此次降水过程的最强时段。西部MCS 4—6日生成数量较少，7日之后数量明显较前期增多，这与4—6日主雨带主要在长江下游地区、7—10日长江中游地区降雨增强有较好的对应。东部MCS 生成数量没有显著的日分布变化特征，表明长江下游地区降雨始终较强。东移MCS 则主要发生在5、6日，
其他时间生成数量较少。
从不同类型MCS 的数量分布来看，M αCS(MCC 和PECS)共有124个，占所有MCS 的66%(图4a,b)，且MCC (63个)和PECS (64个)的数量大体相当；M αCS 数量的逐日变化特征与图2中东部面雨量的变化趋势类似，M βCS 数量的逐日变化特征(图4c,d)与图2中西部面雨量的变化趋势类似，表明本次降雨过程中大部分MCS 都发展较为强盛，且西部区域主要受M βCS 影响，而东部区域更多受M αCS 影响。
为进一步研究MCS 的日变化特征差异，分别选取MCS 的IT 、FT 和DT 进行比较。西部、东部和东移MCS
图4四类MCS 生成数量的逐日变化特征:(a)MCC；(b)PECS；(c)M βCCS；(d)M βECS
Fig.4The daily variation characteristics of number of four types of MCS,(a)MCC,(b)PECS,(c)M βCCS,(d)M βECS.
1614121086420
1614121086420
1614121086420
1614121086420
M C C 数量
P E C S 数量
马克思诞辰200周年M βC C S 数量
M βE C S 数量
4日
5日
6日
7日
8日
9日
10日
4日
5日
6日
7日
8日
9日
10日
4日5日
6日
7日
8日
9日
10日
4日
5日
6日
7日
8日
9日
10日
(a)
(b)
(c)(d)
302520151050
6050
403020100
M C S 生成数量/个
面雨量/m m
西部东部东移
丁二酸酐
西部面雨量东部面雨量4日
5日
6日
7日
8日
9日
10日
图3不同源地和路径MCS 生成数量与西部和
东部面雨量的逐日变化特征
Fig.3The daily variation characteristics of number of different sources
and paths MCS and areal rainfall of two study areas.
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