7．2．3 中尺度对流复合体

卫星观测表明，每年的3月至9月，在美国中部地区，经常出现一种有组织的对流天气系统。与一般的中尺度系统相比，这种系统的生命期较长，面积也大得多，它被称为中尺度对流复合体(MesoscaleConvectiveComplexes，简称MCC)。在我国也经常可以见到类似于MCC的中尺度对流系统。

1．中尺度对流复合体的一般特征

中尺度对流复合体是中纬度地区一种活跃的中尺度对流系统。根据增强红外卫星云图分析，概括出如表7.2所示的定义和物理特征。由表可见，MCC卷云罩的范围比单个雷暴大两个量级以上，生命史也较长，是一种和雷暴或飑线不同的大而长生命的中α尺度系统。

如图7.10是MCC的代表性个例，其中图7.10a是增强显示的红外云图，图7.10b是对8个MCC个例合成的12小时降水(mm)，显而易见，MCC的高层云罩覆盖了美国五个州的部分地区，其最冷云顶表示对流伸展最高，可达19km。这些镶嵌于MCC内部的强对流区降水也最强烈。此例中不包含有组织的线状对流，而且降水尺度和红外云图上的MCC尺度相近。

MCC可引起多样的对流现象，包括龙卷、冰雹、大风和闪电，但通常的特征是引起广阔地区的暴雨天气，甚至产生暴洪。平均而言，MCC的降水量比周围地区大60％，是美国中部地区农作物生长的重要降水来源，但强降水引起的暴洪可造成灾害事件。统计表明，几乎每4个MCC中就有一个会引起人员伤亡。1977年7月19～20日夜间美国宾夕法尼亚州Johnstown地区的暴拱夺去76人的生命，成为美国一次重要的气象灾害。分析表明，这是由一个生命期长达96小时的MCC所导致的。

中尺度对流复合体是在特定的天气尺度环境中生成和发展的。尽管各个例的环境条件在细节上可能存在着差别，但在主要特征上有许多相似之处。

Maddox(1983)对1975—1978年4～8月发生于美国中部的10个MCC进行合成分析，以揭示其生命史各阶段环境场的基本特征，如图7.11是MCC成熟期的环境特征。

图7.11中四方形即MCC区(或MR)。地面分析表明，MCC位于弱辐散区中，这是MCC降水区的弱中尺度高压及伴随的辐散外流的反映。MR内存在明显的温度脊，且水汽含量显著增大，混合比大于15g·kg-1，这主要是降水蒸发及湿下降气流的结果。850hPa近于南北向的温度梯度仍较强，与形成期相比，显著的变化是风速稍增以及因风的日变化及短波槽的接近，风向有明显的顺转。此时西南风急流大于15m/s，位于MR西南，使MCC区仍受较强的暖平流影响。700hPa层上，气流来自西南-西方向，风速增强超过5m/s，表现出明显的急流特征。与12小时前MCC形成期相比，MR内温度变化不大，但仍受较强的暖平流影响。500hPa图上，MR的高度场及风场因同时受短波槽及MCC扰动的影响，很难确定短波的位置。等温线显示出MR为明显的温度脊。200hPa图上MR北侧及东北侧发展出强反气旋式急流，风速约50m/s，比12小时前的最大值增大超过15m/s。很明显的特征是MCC呈现冷心结构，这可能是MR内中α尺度上升及辐射效应的结果。稳定度分析表明，MCC已向东北-东方向移至较稳定的大气层内。

图7.12表示MCC生命期各阶段平均的散度和垂直速度。在MCC发展前，低层(地面至750hPa)存在强辐合，辐合层以上的深厚对流层为弱辐散，与此对应，对流层内环境平均皆为上升运动，最大值在700hPa左右，表明MCC生成在有利于辐合上升的环境中。MCC成熟时，地面至500hPa的对流层中低层有显著的辐合，200hPa附近则为浅层的强辐散区。上升速度比形成期增大约5倍，而且最强上升运动上移至500hPa附近。消散期低层(地面至850hPa)转为弱辐散，而高层300hPa则转为弱辐合。与其匹配的垂直运动是对流层中低层转为下沉气流，而高层仍存在浅弱的上升运动。显然，这种在降水减弱及残余云盖区下方的下沉气流指示了MCC的消散。

2．中尺度对流复合体的内部结构

Leary等(1987)应用美国高原协作计划(HIPLEX)期间取得的时空分辨率较高的资料，对1980年6月7～9日连续5个MCC过程进行了研究，并对其中第3个MCC个例作了重点解剖。这个MCC的环境形势和前述的平均特征相似，不同的是它的强迫机制和早先MCC的雷暴出流及地形上坡有关，其生命期约24小时，降水区宽度约500km。雷达观测表明，MCC降水区有明显的中尺度特征。如图7.13是1980年6月8日1515CDT通过成熟MCC降水区前半部的东西向雷达回波垂直剖面，其中反射率等值线分别为10、19、26、29和36dBz，箭头表示垂直和倾斜的环状回波特征，断线为回波最大垂直伸展。可以看出，在MCC成熟期，由于经历了增强过程，其前方对流单体群从东到西已经组织化。在低层降水型前缘的前方，处于发展中的两个单体(距离110～125km)构成了上空最先的回波群，降水型的最强部分由四个单体组成(距离85～100km)。它们的东面，可能是两个最年轻的单体，其中最东面的一个垂直伸展，并在上空具有峰值反射率，其他三个较老而强的单体随高度向后倾斜，它们一起构成MCC低层降水型前方的飑线部分。这里对流强烈，可伴有雷暴、冰雹、甚至龙卷天气。这类中尺度对流辐合体又称为飑线MCC。强飑线单体群的后方反射率最低，是从对流区过渡到层状区的转换带，呈现出一系列的环状特征，其宽度3～4km，间隔6～7km，从东向西强度减弱，且和飑线区西部的强单体有相似的倾斜，可视为飑线早期部分消散单体的残余。转换带的后方，反射率呈层状结构，是有组织的广阔层状降水区。在0℃等温线下面的融化层中有一个明显的雷达亮带，亮带以上有值得注意的小尺度变化。这种反射率特征表明，层状区优势的凝结方式可能是小尺度的弱对流，或是由砧云的冰晶播种而引起的局部凝结增强，也可能是这两种过程的组合。

如图7.14是1980年6月8日1500～1700CDT放大的低层雷达反射率图，进一步揭示了MCC成熟期转换带后方层状降水区的细致结构，表现多条弯曲的雨带，且从1500～1700CDT有明显的发展。其中雨带S1最大长度约300km，最大宽度约50km，生命期约8小时，且伴有反射率最小的曲率中心(C)。尽管它的特征非常突出，但其他10个明显弯曲的雨带表明，长度至少50km，持续期至少2小时。可见，呈螺旋状的弯曲雨带是MCC层状降水区中值得注意的中尺度特征。

研究表明，螺旋状的弯曲雨带和对流层中高层特定的环流型紧密联系。图7.15是叠加在1980年6月8日1700CDT低层反射率型上的合成分析，表示了对S1雨带曲率中心(C)的相对运动。在600hPa层上，与弯曲雨带对应的是流场的气旋式弯曲，而在500hPa层上则具有明显的闭合气旋式环流，环流中心在图中C点以东约40km。这种紧密相关表明反射率型的弯曲，反映了MCC的中尺度环流和降水型的细尺度结构之间存在相互作用。500hPa具有明显入流的闭合环流，和砧云中广泛凝结所需的上升运动，以及砧云下方未饱和的下沉运动相一致，400和300hPa层环流很弱，飑线附近的反气旋弯曲和出流出现在200hPa层上，145hPa层整个区域被反气旋式弯曲控制。这种成熟期MCC中层的气旋式环流向上转换到高层的反气旋式环流的特征，在其他个例中也可以观测到，是具有代表性的内部结构，并和热带地区的中尺度对流系统类似。