引言

热带气旋登陆后，如果强度减弱缓慢、生命史长，经常会导致局地持续性暴雨，造成严重的灾害。以往的研究中，针对登陆热带气旋的变性结构特征以及能够长久维持的天气尺度环境条件研究较多^[1-3]；但由于观测条件的限制，对台风中的中尺度对流系统发展演变的讨论相对较少，尤其对登陆变性后的台风中的中尺度对流系统(MCS)结构和发生发展的机制研究更加少见。随着观测技术的进步，卫星、雷达等现代观测工具能够较详细揭示台风的中尺度结构，先进的中尺度数值模式也成为分析MCS结构和演变的重要工具。如孙建华等^[4]分析表明，对流层低层的偏南风低空急流对MCS的发展具有重要作用。李江南^[5]指出，维持少动的台风倒槽和嵌入其中的中小尺度系统相互作用造成暴雨发生、发展，并认为非地转作用触发了暴雨中尺度系统上升运动，解释了用Q矢量散度场判断台风暴雨落区的动力学机制。

0604号强热带风暴碧利斯是一个较为特殊的台风。相对来说“碧利斯”登陆时的强度并不是很强，但碧利斯减弱后的低压环流在江南和华南维持时间之长、降水强度之大、影响范围之广在历史上极为少见。“碧利斯”在我国南方造成的强降水引起了众多气象学者的关注，他们主要从大尺度环流背景、水汽输送、热力条件、地形影响等分析了这次特大暴雨的成因^[6-10]。叶成志等^[11]用数值模拟试验和诊断分析方法对这次致灾暴雨过程的天气气候背景、影响因子和形成机理进行了研究。余锦华等^[12]研究了“碧利斯”登陆过程中降水分布的非对称结构，指出环境垂直风切变、地形和下垫面因子对其非对称降水结构影响的相对重要性。对直接造成台风暴雨的中尺度对流系统的空间结构、演变特征等研究所涉不多。因此本文利用非常规观测并结合中尺度数值模拟，研究造成“碧利斯”强降水的MCS活动特征，初步探讨变性台风中MCS的发展演变的物理机制，以期进一步提高对台风中尺度暴雨结构和机理认识。

1 降水、环流与MCS活动分析

2006年7月14日12时(北京时，下同)，0604号强热带风暴碧利斯在福建省霞浦沿海登陆，登陆时中心附近最大风力11级，登陆后台风中心沿西北偏西方向行进，15日下午在赣西南减弱为热带低压。受“碧利斯”及其减弱后的低压影响，7月14—18日，我国南方大部地区出现了大暴雨和特大暴雨(图略)，其中湖南永兴、广东博罗、福建长泰等地降水量达450～600mm。强降水导致湖南南部和广东北部山区出现严重洪涝、泥石流、山体滑坡等地质灾害，并造成严重人员伤亡。

逐日雨量分析表明，此次降水过程最强降水出现在7月15日08时至16日08时(图 1)，强降水主要分布在两个区域，一个位于湘粤交界处，其中湖南郴州、广东连县附近24小时降水量超过200mm；另一区域位于粤东和闽南沿海地区，降雨区呈现带状分布。从NCEP/NCAR再分析资料7月15日08时至16日08时500hPa平均形势场和850hPa水汽通量场(图 2)上看，通过来自低纬度西南季风的水汽输送，“碧利斯”台风低压环流整体仍保持着较充沛的水汽来源，这是产生局地强降水的一个必要条件。

从地面自动站的逐小时雨量分布看，在15日湖南南部不断有自北向南移动的中尺度雨团活动(图略)。从15日08时至16日08时暴雨中心郴州自动站的逐小时降水量(图 3a)演变看，第1次降水过程发生在15日10—15时，其中13—14时1小时降水量达到44mm；第2次过程发生在16日02—08时，强度相对弱一些。由于15日中午的降水过程较强，因此以此次降水过程作为重点分析。图 3b为15日08—14时6小时累积降水量分布，强降水区主要分布在台风环流的偏南象限，其中湖南南部和广东北部6小时降水量普遍在50mm以上，郴州站6小时降水量达到了96mm，广东中部还出现了局地的强降水中心。

高分辨率的卫星图像是分析MCS活动特征的重要工具^[13]。从FY-2C静止卫星的TB B资料(分辨率0.01°×0.01°)分析表明(图 4)，15日对流活动旺盛的区域主要分布在台风低压的偏南部分，云顶温度低于-32℃的中-α、中-β尺度对流系统(α-MCS, β-MCS)十分活跃，台风低压环流MCS非对称分布的特征十分明显。

15日08时，湖南南部有一个云顶亮温低于-52℃的中-α尺度的对流云团，在云团内部存在一系列中-β尺度、云顶亮温低于-75℃的对流云塔。到15日11时，该云团迅速发展，云顶亮温低于-75℃的面积不断扩大，其几何中心位置略有南移，在云团后方不断有新的中-β尺度云团并入到这个α-MCS当中，整个对流系统保持着动态稳定。到14时，云顶亮温低于-75℃的面积又有进一步扩大，在云团北侧仍有若干β-MCS逐步并入，MCS发展到最旺盛的阶段；此后MCS逐渐减弱，到15日17时，云顶亮温的低值中心分裂为3个，整个云团西移消散。该MCS的生命史长达10个小时左右，正是这个MCS的活动造成了郴州地区第1次较强的中尺度降水过程。

局地迅速发展、长生命史的MCS是直接造成“碧利斯”强降水的中尺度影响系统，MCS的发生发展与变性台风环流的热力、动力特征密切相关。利用高分辨率的数值模拟资料，可进一步分析该MCS的结构及其发生发展的物理机制。

2 ARPS模拟方案与模式降水分析

利用ARPS中尺度模式^[14]对2008年7月15日发生在湖南、广东的暴雨过程进行数值模拟。模式中心位于25°N、113°E，格点数259×259, 水平格距6km，积分时间步长15s，背景场选用1°×1°的NCEP/NCAR分析场，积分时间从7月15日08时至16日08时，利用ADAS(ARPS D ata Analysis System)进行12小时一次的探空和3小时一次的地面常规和加密观测资料的同化分析，生成模式初始场和边界条件。积云参数化方案采用WRF new Kain-Fritsch方案^[15]，云微物理方案使用WSM6WR方案^[16]。

ARPS模式模拟的7月15日24小时降水量分布(图 5a)与实况较一致(图 1)，100mm以上的大暴雨区分别位于湘粤交界处以及粤东、闽南沿海地区，其中湘粤交界处的降水中心超过250mm，与观测较为接近。图 5b为ARPS模拟的15日08—14时的6小时累积降水量，强降水区分布与图 3b实况较为接近，在郴州附近，模式模拟的最大降水量在100mm以上，与实况基本一致。但对于广东北部的降水区，模式模拟偏强。

图 5c为ARPS模拟的郴州站附近5点平均的逐小时降水量。从积分开始后，模式降水量迅速增长，第1次降水峰值出现在15日15时前后，与实况最强降水出现的时间基本一致，但峰值降水量较实况偏小。此后模式降水开始减少，到16日03时后降水又开始增长，峰值出现在16日05时前后，但相对于第一次降水过程中的峰值要小很多。ARPS模式模拟降水的时空分布与实况较为一致，基本上反映了7月15日湖南南部的降水过程。进一步比较模式风场与实况，模拟的台风低压位置演变与实况相当接近(图略)，总体来说数值模拟结果较为可靠。利用高时空分辨率的模式资料，可深入分析台风低压中MCS的活动特征及其物理机制。

3 MCS特征分析 3.1 MCS的空间结构

图 6a为模式模拟的15日11时700hPa风场，台风低压中心位于江西东部，在台风低压西南象限，偏北风与偏西南风构成一条较明显的风向切变线，切变线附近有多个中-α、中-β尺度对流系统，模拟雷达回波强度在30dBz以上。除此之外，在湖南南部的偏北气流中也有正在发展中的MCS，其中存在着若干40dBz以上的强回波中心。1小时后(图 6b)，该MCS的几何中心向南有所移动，几个强回波中心合并在一起，其中最强的对流单元的回波强度增长到45 dBz以上。到13时，MCS发展到旺盛阶段，45dBz以上的回波面积较上一小时有显著扩大，这个较强的MCS带来了模式中湖南南部较强的降水过程，与自动站观测的第1次较强的MCS发展带来的降水过程十分吻合。从700hPa风场的演变看，这个MCS是在切变线以北的偏北气流中发展增强的，虽然在风场上的风向辐合并不很清楚，但从图 6d表明的700hPa风速上看，由于偏北急流的存在，黑色虚线圈内风速变化造成的辐合、气旋性切变仍然为湖南南部地区MCS的发展提供了有利的动力条件。

图 7a为穿过图 6c上AB线的垂直剖面，在113°E附近存在一个较强的上升运动中心，对流层中层的上升速度可达1.4m·s^-1以上，0.4m·s^-1的垂直上升运动可达到8km高度。113°E附近低层2km高度左右的经向风速在14m·s^-1以上，形成一个偏北急流中心，构成低层急流的偏西北风与弱偏东风在低层形成辐合。从水平散度的垂直剖面上看，低层偏北急流产生的风速切变对MCS的低层辐合有重要贡献，同时在对流层的中高层有比较明显的辐散，这种低层辐合、高层辐散的散度结构对MCS的发展十分有利^[17]。然而在台风低压环流内的中低层水平风场上，气旋性切变导致的低层辐合是普遍存在的，为何MCS始终在“碧利斯”低压环流的偏南一侧发展旺盛，需要进一步分析。

3.2 MCS发展过程中的动力条件和热力条件

“碧利斯”登陆后，原本近似对称的正压环流结构向不对称的斜压结构转变，台风低压的结构变得非常复杂。在7月15日的暴雨过程中，MCS在台风低压的偏南象限区中较为活跃，已有研究表明MCS的活动与环境风场垂直切变有密切关系^[18]，因此首先分析“碧利斯”风场的垂直切变特征。

图 8为15日14时利用模式资料以台风低压中心(26.5°N、114.5°E)为中心，正负4个经纬度范围内的(范围如图 2中虚线黑框所示)区域平均风场垂直切变。图 8a中$ \overrightarrow {OA} $ 为模式1000hPa实际平均风矢量，$\overrightarrow {OC}$ 为100hPa平均风矢量，$\overrightarrow {AC} $即为1000～100hPa层之间的平均风垂直切变矢量，平均风垂直切变指向台风低压的西南象限，大小为11.3m·s^-1。$ \overrightarrow {OB} $为模式700hPa的平均风矢量，在1000～700hPa之间平均风场随高度顺转，表明台风低压底层受暖平流控制，700～100hPa间平均风向逆时针旋转，说明台风低压中已存在比较深厚的冷平流。图 8b中虚线连线点为同一区域的各个垂直层次的平均地转风，其随高度的变化与实际风基本一致，低层受暖平流控制，中高层受冷平流控制，$ \overrightarrow {{G_1}{G_2}} $矢量为1000～100hPa间的平均热成风，大小为13.5m·s^-1。由于实际风的垂直切变小于地转风切变，为取得地转平衡，在顺着垂直切变方向的左侧必须产生上升冷却，右侧有下沉增温，从而加大垂直切变两侧的温度梯度，并通过辐合辐散和质量守恒构成一个完整次级环流圈。受到中纬度斜压大气的影响，登陆台风向斜压结构转变的过程中产生了热力、动力不平衡，热成风偏差强迫是产生次级环流的重要原因。

垂直切变强迫的次级环流一定程度上解释在台风低压环流偏南象限的MCS比较活跃的原因，而湿Q矢量综合反映了风场的三维切变和热力结构^[19]，可直观地诊断台风次级环流导致的垂直运动分布。略去了加热项的湿Q矢量可写为：

$ \begin{array}{l} {Q_x} = \frac{1}{2}\left[{\left( {\frac{{\partial v}}{{\partial p}}\frac{{\partial u}}{{\partial x}}-\frac{{\partial u}}{{\partial p}}\frac{{\partial v}}{{\partial x}}} \right)-h\frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{V}}}}{{\partial x}} \cdot \nabla {\theta _e}} \right]\\ {Q_y} = \frac{1}{2}\left[{\left( {\frac{{\partial v}}{{\partial p}}\frac{{\partial u}}{{\partial y}}-\frac{{\partial u}}{{\partial p}}\frac{{\partial v}}{{\partial y}}} \right)-h\frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{V}}}}{{\partial y}} \cdot \nabla {\theta _e}} \right] \end{array} $

其中，u、v为实际风的两个分量，θ_e为相当位温，$ h = \frac{R}{p}{\left( {\frac{p}{{1000}}} \right)^{R/{c_p}}}$，余为惯用符号。ω方程可写为：

$ \nabla _h^2\left( {\sigma w} \right) + {f^2}\frac{{{\partial ^2}w}}{{\partial {p^2}}} = - 2\nabla \cdot \mathit{\boldsymbol{Q}} $

若Δ·Q < 0，则有ω < 0，即Q矢量的辐合区对应上升运动。

图 9a为15日14时模式资料计算的湿Q矢量及其散度，图中从台风中心出发的矢量箭头代表台风环流空间平均的垂直切变，在矢量偏南侧有较强的Q矢量辐合区，尤其是湘粤交界处的Q矢量辐合区能够产生较强的上升运动，与降水中心对应关系很好。在矢量以北的低压环流中多为弱Q矢量辐散区，对应着次级环流的下沉支，因此降水很弱。

垂直切变强迫激发的上升运动可以触发MCS发展的初始上升运动，但实际上MCS局地垂直运动的迅速增长与大气层结的不稳定性有更密切的关系，相当位温θ_e垂直分布是衡量对流不稳定的重要物理量。在沿113.2°E的垂直剖面上(图 9b)，由于前期降水在高层释放了大量凝结潜热，25～26°N之间高层等θ_e线向下伸展呈漏斗状；在对流中层θ_e近似直立，表现为对流中性，而对流层低层23～28°E之间θ_e高值区从地面向上拱起，是对流不稳定最显著的区域，最强的上升运动就发生在25～26°N之间，两个上升运动中心构成了β-MCS的对流核心，上升速度中心值在1.2m·s^-1以上，高度达到10km左右。在26～27°N之间的对流层中低层，偏北方向湿气流上的扰动也形成了若干上升运动中心，但处在次级环流下沉支的环流背景下，这些弱的对流并未发展起来；但在25～26°N之间，配合有利的背景上升运动，初生对流才能够在对流不稳定的层结条件下得到迅速增强，从而使MCS在湖南南部得到发展。

总体来说，“碧利斯”台风环流在湖南南部存在一定的低层辐合和气旋性切变，同时水汽条件也十分良好，是MCS得以发展的先决条件；在变性台风环流垂直切变强迫的次级环流约束下，湖南南部的MCS总是在湿不稳定条件下迅速发展，并在向南移动的过程中增强，导致了25～26°N之间湖南南部产生强降水。但湖南南部初始对流的触发机制则比较复杂，可能与台风内的重力波活动以及下垫面的中尺度地形条件有密切关系，这将在未来的工作中继续探讨。

4 结论

(1) “碧利斯”台风特大暴雨的形成与大尺度的天气形势背景有密切的关系。西南季风的维持为登陆后台风低压暴雨提供了充分的水汽供应条件。

(2) 自动站降水观测资料分析表明，7月15日在湖南南部先后有2次中尺度降水过程。利用TBB红外云图资料分析表明，两次中尺度降水过程是由于台风低压环流中发展的MCS造成的。

(3) 利用ARPS数值模式模拟的降水过程与实况较为一致。诊断表明，“碧利斯”减弱后的低压环流在湖南南部造成了低层辐合、气旋性切变等有利于MCS发展的动力条件，在“碧利斯”变性低压环流垂直切变的强迫作用下，次级环流决定了MCS多在“碧利斯”西南象限活动的特点；用湿Q矢量诊断进一步表明了变性低压环流中垂直运动非对称分布的特征。诊断台风环流的三维热力结构表明，上升运动在对流不稳定性显著的区域发展最为旺盛，也是叠加在基本气流上的中尺度扰动迅速发展成为MCS的关键因素。