引言

冷涡在我国一年四季都可以出现，是影响我国北方地区的主要天气系统之一。陶诗言等(1979)指出东北低压或冷涡型是我国暴雨的特点之一，常常造成东北地区、华北北部暴雨或雷阵雨。也有研究指出京津冀地区除短时强降水外，其余的强天气一半以上是在华北冷涡背景下发生的(郁珍艳等，2011)。由此可以看出冷涡常给我国北方地区带来大风、冰雹、雷电等强对流天气。强对流天气给各行各业及人们生活带来的灾害有目共睹，破坏力极大，其影响波及到农业、工业、电力、通讯、城市建设、航空、交通运输等各行各业，严重危及到人民的生命财产安全。而强对流天气多数是由中尺度对流系统(MCS)所引起的，MCS所引发的暴雨突发性强、强度大、历时短，常造成突发性局地暴雨并引起山洪、滑坡、泥石流等自然灾害。因此研究冷涡背景下的MCS的特征及其与冷涡的关系对冷涡强对流天气的研究和预报有重要的意义。目前我国对MCS的研究主要集中在MCS的分布、云图、降水特征、成因等方面(陶祖钰等，1998；郑永光等，2002；2004；杨本湘等，2005；马禹等，1997；陈乾，1989；陈涛等，2013；李云静等，2013)。

对于冷涡背景下MCS的研究，其中有对MCS的数值模拟。姜学恭等(2001)利用MM5非静力模式成功对1998年8月8—9日一次东北冷涡暴雨过程进行了数值模拟，揭示了此次过程的一些中尺度特征。陈力强等(2005)应用MM5模式对2002年7月12日东北冷涡诱发的强风暴进行了数值模拟，较成功地模拟出了MCS强对流风暴结构。袁美英等(2010)分析了冷涡背景下MCS引发的一次短时特大暴雨过程中MCS的发展过程，及其发生的天气尺度背景和中尺度环境与触发机制。白人海(1998)对冷涡过程中的飑线从天气尺度环流背景、大尺度动力条件和中尺度系统等几个方面进行了分析。本文利用2005—2011年4—9月风云2号地球静止卫星红外数字图像资料和中国气象局提供的每日两次的500 hPa天气图资料，识别出冷涡和冷涡背景下的MCS，继而得出冷涡背景下MCS的特征及MCS与冷涡的关系。

1 冷涡的定义及识别

对于冷涡的定义，多数研究都是针对东北冷涡(孙力，1994)：(1) 在500 hPa天气图上至少能分析出一条闭合等高线，并有冷中心或明显冷槽配合的低压环流系统；(2) 冷涡出现在35°~60°N、115°~145°E范围内；(3) 冷涡在上述区域内的生命史至少为3 d或3 d以上。本文所研究的冷涡不仅仅是东北冷涡，还包括出现在蒙古、华北地区的冷涡，所以本文所识别的冷涡定义是：500 hPa上天气图上35°~60°N、100°~145°E范围内出现闭合等高线，并配合有冷中心或冷槽，持续时间在3 d或3 d以上。

根据上述冷涡的定义，利用中国气象局提供的每日两次的500 hPa天气图资料，识别出2005—2011年4—9月共60个冷涡过程，以5月出现的冷涡个数最多，有16个，4和6月次之，9月最少，只有5个。这是因为5和6月是春夏交替时期，冷暖空气活动比较活跃。而9月的大气状态相对稳定。冷涡的个数相对较少。冷涡一共出现了223 d，占该时期总天数的17.3%，平均持续3.7 d，由此可以看出冷涡是影响我国的一个重要天气系统。60个冷涡的形成位置的地理分布如图 1所示，可以看出冷涡主要形成在贝加尔湖的东部，主要集中在蒙古和我国的东北地区。图中圈起的三个区域为冷涡形成的密集区，三个集中区域分别为Ⅰ：贝加尔湖东南部到我国内蒙古之间；Ⅱ：蒙古和我国内蒙古北部的交界处；Ⅲ：贝加尔湖东部到我国内蒙古东北部之间。本文后面还将对这三个区域进行研究。

2 冷涡背景下MCS的时空分布特征 2.1 MCS的识别标准

对于MCS的分类标准有很多种，其中Maddox(1980)最早利用红外卫星云图，根据生命史、形状大小和云顶亮温等参数，定义了中尺度对流复合体(MCC)(表 1)，并规定了四个条件:(1) 云团中云顶亮温≤-32℃的冷云盖面积≥100000 km²；(2) 云团中云顶亮温≤-52℃的冷云盖面积≥50000 km²；(3) 当云顶亮温≤-32℃的冷云盖面积达到最大时，其偏心率(短轴/长轴)≥0.7；(4) 云团持续时间≥6 h。当满足以上四个条件时，就称为MCC。根据这个识别标准，有些MCS会被遗漏掉。本文中，根据Jirak等(2003)对MCS进行的分类方法，将MCS划分为四类，即α中尺度对流系统(MαCS)和β中尺度对流系统(MβCS)，其中MαCS包括中尺度对流复合体(MCC)和持续拉长状对流系统(permanent elongated convective system，PECS)，MβCS包括β中尺度对流复合体(meso-β scale MCC，MβCC)和β中尺度持续拉长状对流系统(meso-β scale PECS，MβECS)。这种划分标准既考虑了MCS的大小，同时又兼顾了维持时间和形状，是一种较为科学的划分标准。在本文中，降低了偏心率的标准。如表 2所示，其中偏心率指MCS外形所拟合椭圆的短轴与长轴之比。识别MCS所用的资料为2005—2011年4—9月FY-2C(2005—2009年)和FY-2E(2010—2011年)地球静止卫星红外云图资料，水平分辨率为0.05°×0.05°，时间分辨率基本为0.5 h(部分时段间隔1 h)。

2.2 冷涡背景下MCS的空间分布特征

依据MCS的分类标准，对2005—2011年4—9月60个冷涡背景下的MCS进行普查，挑选出对我国产生影响的MCS共61个，这61个MCS是产生在60冷涡中其中的31个冷涡的背景下的。文章后面对冷涡和MCS的关系研究主要是针对31个冷涡及其背景下的61个MCS展开的。61个MCS中有MαCS 24个，MβCS 37个。MαCS中有4个MCC，占MCS总数的6.6%；20个PECS，占32.8%；MβCS中16个MβCCS，占26.2%；21个MβECS，占34.4%；拉长状MCS占总数的67.2%，这表明较小尺度的MCS和拉长状MCS是冷涡背景下产生的主要对流系统。

图 2是冷涡背景下的MCS形成位置的地理分布图，从图中我们可以看出冷涡背景下的MCS通常产生在我国东北和华北地区，MCC(图中●)和PECS(图中■)生成较分散；MβCCS(图中▲)主要集中在我国华北和东北地区；MβECS(图中○)主要集中在东北和江淮地区。总的来看，冷涡背景下的MCS主要生成于我国的东北和华北地区，主要位于冷涡的形成位置的下游地区。

2.3 冷涡背景下MCS的时间分布特征 2.3.1 月分布特征

图 3为2005—2011年冷涡背景下各类MCS的4—9月的分布。总的来看，6月生成的MCS个数最多，有19个，9月最少，仅有3个。这是因为6月是春夏两季的交换时期，冷暖空气活动活跃，冷涡生成的个数相对较多，产生MCS的数量较其他月份多。9月大气状态相对稳定，所以形成的MCS个数相对较少，分类来看PECS和MβECS在4—9月均可以产生，MβECS和PECS在6月产生的最多，9月最少。MCC和MβCC不是4—9月全能产生，MCC在4、6和7月都能生成，以7月最多；MβCC在5、6、7和8月生成，5、6和7月的个数相当，8月生成的个数最少。

表 3是2005—2011年冷涡背景下MCS的4—9月的整体特征，从表中我们可以看出，4—9月MCC成熟时的TBB≤-52℃平均面积最大，比PECS的大，MβECS成熟时的TBB≤-52℃平均面积比MβCC大；PECS的持续时间比MCC长，MβECS的持续时间比MβCC的时间长；MβCC的偏心率最大，最小的是MβECS；MCC和MβCC的偏心率都在0.6左右，PECS和MβECS的偏心率都在0.4左右。比美国的四类相应系统的成熟面积、持续时间和偏心率小(Jirak et al，2003)，这可能是冷涡背景MCS的一个特点之一，具体原因还需要做进一步的分析。

2.3.2 日变化特征

图 4是MCS三个阶段(形成、成熟和消散)的日变化特征。从图 4中可以看出，MCS的形成时间呈现多峰变化，大多形成于06—07(午后)和14—16 UTC，另一个形成高峰期在18—19 UTC(凌晨)。成熟时间是单峰型，高峰期在13—14 UTC(傍晚)。消散的高峰期在23—24和17—18 UTC(凌晨)。MCS生消和发展变化都较快。MβCS的生消时刻峰值同MCS变化趋势一致(图略)。图 5是MαCS三个阶段(形成、成熟、消散)的日变化特征。MαCS的形成高峰期在15—16 UTC，MαCS的成熟高峰期在14—15、18—19和23—24 UTC。消散的高峰期在19—20和23—24 UTC。综合分析可以得出，冷涡背景下的MCS多数形成于当地的下午和晚上，此时对流发展旺盛，有利于中尺度对流系统的产生，到了夜间MCS发展成熟，至凌晨—日出时分消散，这和所有的MCS日变化特征基本一致(郑永光，2004；Jirak et al，2003)。

3 冷涡背景下MCS的移动路径

分别将四类冷涡背景下MCS的形成(第一次满足尺度标准的时刻)、成熟(尺度标准最大的时刻)、消散(不再满足尺度标准的时刻)的位置(亮温最低处)点绘在图中，并将三个位置连接，即MCS的移动路径(图 6)。从图 6中可以看出，MCC(图 6a)主要生成在陆地上，只有一个生成在海面上，主要是自西向东偏北方向移动。MβCC(图 6b)系统形成于陆地上面，移动较少，主要自西向东偏北方向移动，与冷涡自西向东同时逆时针方向转动相一致。PECS(图 6c)和MβECS(图 6d)移动方向较一致，有两条主要的移动路径：一条是自西向东偏北向移动，这和MβCC的移向一样，与冷涡有很大的关系；另一条是自西向东偏南移动。

对比四类MCS移动路径可看到，PECS(图 6c)移动最大，MβCC移动最小(图 6b)，偏心率大的MCS系统比偏心率小的系统移动少(圆状系统比拉长状系统移动少)，具体原因还有待进一步分析。总的来看，MCS生成后主要向东移动，这和我国中纬度西风带天气系统的移动路径基本一致，但由于受冷涡天气系统的影响，移动方向具有很大的不一致性，位于冷涡东侧且距离冷涡中心距离较近的MCS有向东偏北方向移动的趋势；位于冷涡南侧且距离中心较远的MCS有向东偏南方向移动的趋势。也有少部分MCS生成后由东北向西南方向或由东向西移动的。同所有的MCS的大都向东移动的移动路径不同。

4 冷涡背景下的MCS与冷涡的关系 4.1 冷涡不同发展阶段MCS的特征

根据冷涡的定义，把500 hPa位势高度的演变趋势作为划分冷涡不同阶段的依据，即500 hPa闭合等高线增强至最低值，定义为冷涡发展增强阶段，闭合等高线从最低值开始减弱，定义为冷涡消亡减弱阶段。若500 hPa闭合等高线较前后时刻增强或减弱趋势不明显，则认为是冷涡成熟维持阶段。图 7是冷涡不同发展阶段MCS形成个数的关系图，从图 7中我们可以看出，MCS在冷涡的各个阶段都可以产生，尤其以冷涡的发展阶段最多，消散阶段生成的MCS最少。对比四类MCS可以看出，在冷涡的发展阶段，PECS生成的个数最多，MCC的个数最少；在冷涡的成熟阶段，MβECS的个数最多，MCC的个数最少；冷涡的消散阶段与冷涡的成熟阶段的情况相同。白人海等(1997)的研究也曾指出，中尺度天气多发生在冷涡发展和维持阶段, 即温压结构不对称、大气斜压性强时，而在冷涡减弱时相对较少。

4.2 冷涡与MCS的位置关系

为了研究冷涡与MCS的位置关系采用动态合成方法进行研究。它不同于一般意义的合成，此方法可以减少在平均时造成样本物理量的相互抵消，使得两种系统保持相对的完整。本文参考Gray(1979)的方法，公式如下：

$ {\bar S_{\rm{t}}}\left({x, y} \right) = \frac{1}{N}\sum\limits_{n - 1}^N {{S_t}\left({x, y} \right)} $

式中，S_t(x, y)为样本平均场，S_t(x,y)为t时刻物理量场，本文的t=1，即只有一个时刻，(x,y)为所选区域的坐标，N为样本个例总数。在动态坐标中，系统的中心位置始终是位于研究区中心的。

图 8中的3幅图分别表示的是在上文中提到的3个冷涡形成集中区域中形成的冷涡与MCS的位置关系，分别将出现在上述3个区域的冷涡进行动态合成，从图 1中可以看出，在Ⅰ区域中，一共用10个冷涡进行合成，从图 8a中看出合成出的冷涡位置在贝加尔湖东南部到我国内蒙古地区，MCS主要出现在冷涡的东南部，西南部位也可以形成MCS。从图 8b看出Ⅱ区域中的10个冷涡合成出来的位置在我国内蒙古东北部和蒙古的交接部位，MCS主要出现在该区域冷涡的南部。图 8c是区域Ⅲ中的7个冷涡合成的位置，可以看出冷涡合成位置的在贝加尔湖的东部到我国内蒙古东北部之间，MCS主要生成在冷涡的东南部。总的来看，冷涡背景下的MCS主要形成在冷涡的东南部，西南部也有一小部分。这与白人海等(1997)、孙力(1997)、孙力等(2010)、易笑园等(2010)和王维国(1997)的研究称强对流天气一般出现在冷涡的南部或东南部的结论也是相一致的。这是因为冷涡的南部通常是冷暖空气的交界处，此处也是暖湿舌的后部，从高度场看位于风切变处，地面对应于低压或冷锋。

4.3 冷涡背景下的MCS的生命史特征

图 9是MαCS和MβCS的生命史特征，发展代表MCS从形成到成熟的过程，减弱为从成熟到消散的过程，总长就是从产生到消散共经历的时长。从图 9a中可以看到，MαCS从产生到成熟和从成熟到消散均需3~5 h，67%的MαCS成熟和消散的时间在3~5 h内，发展与减弱相当，46%MαCS持续时间在9~11 h。对于MβCS发展和减弱需要的时间相当，为2~4 h，65%的MβCS的成熟时间在2~4 h，68%的MβCS的减弱时间在2~4 h。β中尺度MCS系统发展和减弱的速度相当，过程一般持续5~7 h。总的来说，MβCS系统发展较MαCS系统快，持续的时间也较MαCS短。冷涡背景下的MCS的生命史与全国MCS的平均生命史相一致(马禹等，1997)。

5 结论

本文利用中国气象局提供的每日两次的500 hPa天气图资料识别出了冷涡，又利用FY-2C(2005—2009年)和FY-2E(2010—2011年)的TBB资料识别出冷涡背景下的MCS，进而对MCS的特征及与冷涡的关系进行了统计分析，得出以下结论：

(1) 2005—2011年7年共识别出60个冷涡，主要形成在蒙古和我国的东北地区。60个冷涡过程识别出61个MCS，MCS通常产生我国东北和华北，MCC和PECS生成较分散；MβCC主要集中在华北和东北；MβECS主要集中在东北地区。

(2) 6月生成的MCS最多，有16个，9月最少。MCS形成于当地的下午和晚上，此时对流发展旺盛，有利于中尺度对流系统的产生，到了夜间MCS发展成熟，至凌晨—日出时分消散。MβCS系统发展较MαCS系统快，持续的时间也较MαCS短。

(3) 冷涡背景下的MCS的移动路径多数是从西向东偏北的，MCS生成后主要向东移动，这和我国中纬度西风带天气系统的移动路径基本一致，但由于受冷涡等天气系统的影响，会出现不同的移动方向。位于冷涡东侧且距离冷涡中心距离较近的MCS有向东偏北方向移动的趋势；位于冷涡南侧且距离中心较远的MCS有向东偏南方向移动的趋势。

(4) 冷涡背景下的MCS主要产生在冷涡的发展阶段，成熟和消散阶段相对较少。MCS主要形成在冷涡的东南部，西南部也有一小部分。

致谢：感谢国家卫星中心的覃丹宇老师和黄勇提供的MCS计算机自动识别算法和结果。