引言

中尺度对流系统(MCS)指水平尺度为10~2000 km具有旺盛对流运动的天气系统，对中纬度MCS组织形式的分类方法有多种(寿绍文, 2003)。Blanchard等(1990)将MCS分为线状对流系统、锢囚状对流系统、混乱对流系统三类。该研究的25个MCS中有17个线状对流系统，而锢囚状对流系统只有两个，二者在热力和动力结构上均有明显差异。锢囚状对流系统的强回波带具有“人”字形的组织形式，它经历了两条强回波带交叉(发生发展阶段)、弓形弯曲(成熟阶段)和涡旋回波(消散阶段)3个阶段。

孙健等(2004)在对香港特大暴雨、卓鸿等(2004)对黄河下游强对流过程和慕建利等(2008)对华南特大暴雨的分析中也提到类似的回波特征，说明锢囚状中尺度对流系统在中国也具有一定的代表性，是造成暴雨等灾害性天气的重要中尺度对流系统。易笑园等(2011)用数值模拟方法对2007年7月18日华北东部一个α中尺度对流系统MαCS的多尺度空间、动力结构及其演变进行了研究，指出MαCS尚未锢囚时，γ中尺度对流系统MγCS非常活跃，造成多处强降水；锢囚时，MαCS内部有强烈的上升气流。锢囚状中尺度对流系统与锢囚锋天气系统在尺度上虽有不同，但在形态上和形成机理上，却有相似之处。中尺度涡旋(mesoscale convective vortex, MCV)是MCS中大量的凝结潜热释放伴生出中尺度涡旋。Bartels等(1991)在研究1981—1988年美国中部出现的MCV中指出，MCV大部分发生在较大的MαCS中，只有少数尺度较小、生命期较短的β中尺度对流系统MβCS中能够观测到MCV，其总数约只占MβCS的5%，而50%的MαCS中可以发现MCV。杨引明等(2010)在长江下游梅雨期低涡统计分析中指出，长江下游地区中尺度低涡一般存在于700 hPa以下的对流层低层, 水平尺度普遍在400 km之内。张元春等(2013)对2003、2007年江淮梅雨期利用高空资料对MCV进行了统计分析，表明活跃在梅雨锋上的MCV与强降水有关，2年中共有9个MCV发生。MCV一般发生在强对流系统的北侧，其涡旋环流一般在600 hPa以下。李云川等(2003)对2002年7发生在河北的的强对流天气进行了分析，表明中尺度涡旋发生于斜压弱锋区中的850 hPa附近。近几年，有不少学者(公颖等, 2005；吴芳芳等, 2012；赵坤等, 2008；陈永林等, 2013；2007；陶岚等，2014；潘玉洁等，2008；罗爱文等, 2015；马中元等，2014)对中尺度对流系统伴有中气旋的天气系统做了研究。

根据雷达回波系统定义的锢囚状MCS和根据卫星云图定义的MCV的共同特点都是具有涡旋特征，两者之间理应存在必然的联系。因此对MCV的研究应将雷达、卫星和地面高空观测结合起来才能揭示锢囚状MCS和MCV的联系和全貌。2009年6月14日江苏中南部处在东北冷涡前倾槽末端，东北冷涡冷气团与高原东部暖气团密集等温线锋区区域，850与500 hPa垂直温度差值达30~33℃(正常值为25℃)，地面极端最高气温37℃。在这个气团极度不稳定的区域，16:18—19:51南通爆发了缓慢朝东北移动的β中尺度对流系统MβCS，17:56—18:53扬中爆发了准静止γ中尺度对流系统MγCS，15:00—23:00洪泽湖—太湖爆发了快速朝东南移动的α中尺度对流系统MαCS。然而，其中的MαCS在20时南京、上海、杭州700 hPa高度上突然出现一个完整的气旋式辐合环流，但在前12 h的14日08时和后12 h的15日08时图上，南京、上海、杭州均为一致的西北气流。根据中尺度涡旋MCV是中尺度对流系统MCS在爆发过程中，大量的凝结潜热释放，导致气层增热降压而伴生形成的研究成果。对此认为，14日20时700 hPa上南京、上海、杭州所形成的气旋式辐合环流，就是20时位于南京、上海、杭州之间的MαCS在近地面降水拖曳形成冷丘的同时，在对流层中部伴生MCV，这是一个十分难得的研究个例。因此，本文将利用高空、地面、气象卫星云图、多普勒雷达探测资料，研究其形成过程及其所伴生的MCV结构

1 天气实况、环流背景和中尺度涡旋 1.1 天气实况

图 1为2009年6月14日15—23时爆发于南通、扬中和洪泽湖—太湖的三个MCS的雷达特征回波和相应的三片天气区。图中看到，A片为16:18—19:51爆发于南通, 缓慢朝东北移动的MβCS，它给南通带来了雷雨，直径60 mm的冰雹，最大雷雨大风25.0 m·s^-1，最大降水量31.9 mm(图 1a~1d)。其回波最大强度达70 dBz，并有长钉状三体散射特征(图 1b)，在西北和东南侧出现了明显的阵风锋弱回波(图 1c)，以及出现了显著的悬垂回波及有界弱回波区(图 1f)；B片为17:56—18:53爆发于扬中、呈准静止的MγCS，它给扬中带来了雷雨，最大降水量57 mm；C片为爆发于15:00—23:00洪泽湖—太湖、快速朝东南移动的MαCS，它给这些地区带来了雷雨，最大雷雨大风20.0 m·s^-1，最大降水量36 mm。

1.2 环流背景

从图 2给出的2009年6月14日20时200~850 hPa天气系统的综合分析和云图叠加配置图可以看到，MCS发生于东北冷涡前倾槽的末端和东北冷涡冷气团与高原东部暖气团之间的等温线密集区域。对流发生区域对应于850 hPa及以下有来自江苏沿海海面的东南暖湿气流；500 hPa及以上有明显的冷平流。在这之前的14日08时资料表明，南京700~925 hPa温度垂直递减率接近干绝热垂直递减率γ_d，上海SI指数为-3.21℃，612 hPa高度上的假相当位温仅41.9℃，而978 hPa高度上达73.6℃，即对流发生前大气层结处于潜在不稳定状态。而且, 14时在安徽北部—上海新生地面辐合线(图 4a)。

1.3 中尺度涡旋MCV

对流发生前的08时，南京700~925 hPa温度垂直递减率接近干绝热垂直递减率γ_d，当太阳辐射导致近地面气层温度进一步升高、增温至与上空气层温度有足够大温差时，近地面辐合发挥作用而触发对流爆发，15—23时在南通爆发了缓慢朝东北移动的MβCS，扬中爆发了呈准静止的MγCS，洪泽湖—太湖爆发了快速朝东南移动的MαCS，其中的MαCS在快速朝东南移动中与MγCS相遇而发展为锢囚状MCS(图 4c)和伴生中尺度涡旋MCV。

2 锢囚状MCS及伴生MCV的形成演变过程 2.1 卫星、雷达图像分析

图 3o、3p分别为2009年6月14日20:42MCS的雷达图像和锢囚系统模型图。图中看到，14日20:42雷达图像上的冷锋云系、暖锋云系、锢囚云系，与模型中的冷锋云系、暖锋云系、锢囚云系等形态十分相似。因此，有理由认为2009年6月14日的MCS过程为锢囚状MCS。其过程可分为15—18时的发展阶段，19—21时的锢囚阶段，22时的消散阶段。

(1) 发展阶段(15—18时)：卫星图像上，MCS由东北—西南向的线状演变为椭圆形，云顶最低亮温降至-77℃，面积达到MCC的标准(图 3a~3d)。雷达图像上，MCS的50 dBz以上强回波由一个点发展为线状特征(图 3i~3j)。

(2) 锢囚阶段(19—21时)：卫星图像上，MCS的椭圆形长轴由东北—西南向演变为西北—东南向的涡旋形态，西南象限伸展出尖角状冷锋特征云系，东部象限伸展出尖角状暖锋特征云系，后部因下沉冷流形成圆弧状扇形边界，整体形态具有锢囚特征(图 3e~3g)。雷达反射率图像与卫星图像类似，MCS的椭圆形弱回波长轴由东北—西南向演变为西北—东南向的涡旋形态。50 dBz以上的强回波从弱回波的中部快速东移到达弱回波的前部，并演变为弓状回波。重要的是，弓状回波在快速东移中与扬中准静止MγCS回波碰并形成“人”字形或锢囚状结构(图 3k~3m)。

(3) 消散阶段(22时)：卫星图像上，MCS的云顶亮温升高，锢囚状涡旋特征也变得模糊不清(图 3h)。雷达反射率图上，MCS的涡旋特征回波也变得残缺不全(图 3n)。

由此可见，洪泽湖MαCS在快速东移中与扬中准静止MγCS合并，形成了“人”字型冷暖锋气旋特征，而且进一步演变为锢囚状涡旋。其形成过程与易笑园等(2011)的研究一致，其组织形式属于Blanchard的MCS分类(线状、锢囚、混乱)中的锢囚对流系统。

2.2 温压场分析

图 4为2009年6月14日14—23时地面中尺度分析及雷达回波叠置图。图中看到，14时安徽北部—上海为低槽辐合线(图 4a)，其北侧等温线较为密集，表明辐合线北侧具备斜压抬升条件。17时源于山东的MCS南下进入安徽低槽辐合区(图 4b)，受辐合和斜压动力作用，降水回波迅速加强至50 dBz。强降水拖曳的湿绝热下沉冷流使地面气温从32℃下降至20℃，冷中心位于洪泽湖地区并形成1006 hPa的中尺度雷暴高压，同时在雷暴冷高压前部强烈的温度对比形成与冷锋相类似的特征，使原来西北—东南向的低槽辐合线，因雷暴冷高压旋转90°而演变为西南—东北走向的飑前倒槽；20时随着回波的进一步加强和快速东移，逐渐演变为弓状回波(图 4c)，地面气温下降至19℃，气压上升至1011 hPa，冷丘变得高大，冷锋长度达到约280 km。而冷锋前部的偏南气流将暖空气一直送往江苏中部的洪泽湖一带，形成大振幅暖脊，即暖脊与西侧新生冷高压和东侧海上冷高压构成锢囚锋结构。新生雷暴高压的斜压作用使得对流更加旺盛，弓状回波的最大强度达到65 dBz。重要的是，处在槽后强盛西北引导气流中的洪泽湖MαCS在加速东南移中与其前部处在低压槽内的扬中准静止MγCS相遇，使气流形成正交继而发生旋转。同时，弓状回波与准静止回波的相遇导致两个强对流降水系统的潜热释放反馈给同一个气柱加热，被加热的气柱降压而形成低压，低压梯度力与科氏力通过自适应过程而形成为涡旋，即MCS完成弓状回波到锢囚状结构的调整。该涡旋处于弓状回波与准静止回波的结合点，即处于飑前倒槽的北端。由于对流降水潜热释放加热主要发生在对流层中下部，因此该涡旋的主要环流在850~700 hPa，即中尺度涡旋MCV伴随锢囚状MCS的形成而出现；23时虽然雷达回波已经明显减弱，但冷丘范围还在进一步扩展、冷锋长度进一步延伸，地面温压场的锢囚状特征仍继续维持(图 4d)。

上述分析表明，强降水拖曳形成的地面雷暴高压和冷丘，以及飑前倒槽北端低压环流的形成是MCS演变为锢囚状锋面特征的重要原因，而两个对流系统相遇其潜热释放对气团的集中加热和两支气流交叉是伴生MCV形成的重要原因。

2.3 锢囚状MCS和伴生MCV的空间结构

用1℃间隔的等温线，1 hPa间隔的等压线，1 dagpm间隔的等高线，分析得到的2009年6月14日20时地面、925、850、700、500、400 hPa形势图，可以清楚地展示出这个典型的锢囚状MCS垂直结构，是如何从地面冷性的雷暴高压随高度逐渐转变为一个MCV(图 5)。如前所述，地面分析显示，与锢囚状MCS雷达回波相配合的是一个中尺度雷暴高压，其温度比周边环境低4~9℃，中心气压比周边环境高3~6 hPa。在925 hPa等压面上，这个冷性的中尺度高压仍然非常清晰，其中心的温度和高度与周边的大尺度环境相差3~5℃和2~4 dagpm，南京上空的西北风显示出与中高压相配合的反气旋式环流。在850 hPa高度，中尺度高压仍然存在，但强度已明显弱于925 hPa，与周边环境分别差4~9℃和1~2 dagpm，850 hPa南京的西北偏北风和安庆的东南偏南风还能构成比较清楚的反气旋式环流，但是它和上海的东南风、杭州的南风之间又显示出气旋式环流的特征，而且南京风速达22 m·s^-1, 表明涡旋中心就在南京附近。在700 hPa等压面上，温度场仍比周边低2℃，但高度场已演变为比周边环境低2~3 dagpm的中低压，南京、上海、杭州三站的风构成一个完整的气旋式环流，可以认为是一个对流导致的中尺度冷性涡旋MCV。在500 hPa等压面上，仍能分析出闭合的低压中心，但是风场上南京为西南风，周边没有东北风与它构成完整的气旋式环流。同时，闭合的冷中心也已不再存在，温度场演变为南暖北冷大尺度温度场中一个中尺度暖脊，但中低压还存在。到400 hPa等压面，高度场、风场和温度场上的闭合中心全部消失，演变为在西北—东南向大尺度风场中的一个小槽。

图 6给出的以南京为中心的垂直剖面图上温度和露点的分布可以大致反映出锢囚状MCS的垂直结构。图中南京上空850 hPa以下为下凹的等露点线，反映强降水拖曳湿绝热冷却造成的冷丘顶部大约在850 hPa附近。700 hPa以上，特别是500 hPa高度等露点线的上突，反映MCS在对流层中部的潜热加热。按照静力学关系，正是这种下冷上暖的结构造成了MCS伴生的MCV位于700~500 hPa附近的对流层中部，即：地面冷性雷暴高压属于浅薄的高压系统，随高度减弱；到850 hPa以上转变为冷性低压为深厚的低压系统随高度较增强；500 hPa以上变为暖性，低压消失。

上述分析表明，在对流层下部地面到850 hPa为冷性的雷暴高压，在对流层中部700 hPa为冷性的α-中尺度涡旋(MCV)，而500 hPa已转变为暖性的MCV。其空间位置在700~500 hPa，水平尺度250 km，这与杨引明等(2010)在长江下游梅雨期MCV的尺度统计数据一致。

2.4 锢囚状MCS伴生MCV形成的物理机制及与其他MCS过程的区别

(1) 本文锢囚状MCS形成的物理机制

首先，锢囚状MCS形成在东北冷涡前倾槽末端的密集锋区中，大气处于上冷下暖潜在不稳定环境条件下，700~925 hPa温度垂直递减率接近干绝热垂直递减率γ_d，612 hPa与978 hPa假相当位温差达31.7℃。在午后安徽北部—上海新生地面辐合线的触发下，爆发多尺度中尺度对流系统，洪泽湖—太湖的MCS为快速向东南移动的弓状MαCS，扬中的MCS为呈准静止的MγCS。重要的是，雷暴下沉气流和降水拖曳形成冷丘后，新生冷锋前部的偏南气流将暖空气进一步往北输送形成暖脊，与东部沿海较低气温形成暖锋，在冷暖锋交点以北一线暖脊的东西两侧分别为新生冷高压锋区和海上弱冷空气锋区形成锢囚锋，即锢囚状MCS发展形成。新生冷锋后部的弓状回波在往东南快速移动中和准静止回波相遇，形成两支气流交叉而发生旋转，同时两个强降水系统潜热释放加热同一个气柱导致迅速增温降压，在受科氏力作用下，低压加速旋转。由于加热主要发生在对流层中下部，因此MCV主体位于850~700 hPa之间。

(2) 与其他MCS过程的区别

在夏季，类似的MCS个例很多，但要达到本文个例的背景条件，尤其是雷达回波在发展东移中加强为弓状特征的MCS不多，与前部准静止MCS碰并形成两支气流交叉、两个强降水系统集中加热同一个气柱的个例则更少。另外，本文个例正好发生在20时探空时刻，MCV被捕获也属于偶然事件。

3 结论

导致2009年6月14日14—23时江苏南通、扬中和洪泽湖—太湖地区强对流天气的MCS是一次比较典型的锢囚状MCS。雷暴高压东侧飑前倒槽北端发展的闭合低压环流的东南气流将暖湿空气输送到冷性雷暴高压的北侧形成东南—西北向的暖舌，从而形成锢囚状的结构。比较稠密的地面观测资料和探空资料揭示该系统在对流层下部的地面到850 hPa为冷性的雷暴高压，在对流层中部500 hPa为暖性的α中尺度涡旋(MCV)。静力学关系可以说明MCV仅仅存在于对流层的原因和MCS下冷上暖的热力结构密切相关。

致谢：感谢陶祖钰老师的热情指导！