2020, Vol. 46 
华南前汛期4—6月期间在气候平均状况上具备一定斜压性，低层锋区、冷空气在华南地区较弱，在弱天气尺度强迫背景下，华南地区经常出现一类长时间生命史的中尺度对流系统(mesoscale convective system, MCS)，该类对流系统从华南中北部地区开始发展，在向东偏南方向移动过程中能够造成大范围强降雨、雷暴大风和其他强对流天气，对流系统时空尺度、强度往往接近或者达到中尺度对流复合体(Maddox，1980)标准(蒙伟光等，2007；2014；梁巧倩等，2012)。
在高空槽、锋面等相对清楚的天气尺度强迫条件下，针对暴雨对流系统的组织化过程已有较多观测和理论研究。Maddox et al(1979)对中尺度暴雨过程中的锋面、高空槽等重要天气系统配置进行了分类分析，Trier and Davis(2002)、Schumacher and Johnson(2009)重点分析了中层对流性涡旋与长生命史对流系统组织过程的关系，Chen et al(2008)表明梅雨锋MCS与含潜热效应的中尺度斜压波动不稳定相关；低空急流也被认为在梅雨锋对流系统的组织过程中具有重要作用(Jou and Deng, 1992)。但华南前汛期期间，天气系统斜压性较弱，在弱高空槽、低层一致偏南风背景下，华南沿海地区暴雨对流系统的发生发展与中尺度地形(王坚红等，2017;罗建英等，2009)、海陆差异、边界层内暖湿气流(夏茹娣等，2006;苗春生等，2017)、对流性降水冷池(Wang et al，2014)等诸多边界层物理过程相关，对于这类中尺度暴雨过程发展机制的认识仍然需要进一步深入了解。
另一方面，华南区域性暴雨过程通常与多个连续发展的MCS有关。对1994年6月华南特大暴雨过程(孙建华和赵思雄，2000；2002a；2002b)、2005年6月华南地区暴雨过程(夏茹娣等，2006)分析表明，在不同的环境条件下，长生命史MCS具有“前向发展”(Chen et al，1998；2008)、“后向发展”(张晓惠和倪允琪，2009；林宗桂等，2009)等多种形式。华南区域性强降雨过程同样与各类线状对流系统的发展有直接关系(王晓芳等，2014；孔期和林建，2017)。受MCS降水潜热释放以及地面冷池影响，暴雨区域附近的大气环境条件会发生明显变化，相继发展的MCS之间的关系也需要做进一步研究。
2014年5月8日上午到9日白天，华南中南部地区出现两个连续发生发展的长生命史MCS，对流组织形式上类似“后向发展”，在珠江口周边地区形成区域性强降雨，过程中MCS变化特征错综复杂。深入分析此次典型弱天气尺度强迫下的华南强降水过程，对于研究华南前汛期MCS发展机制具有较高价值。本文将着重分析这两个连续发生发展的MCS中尺度特征及对环境条件的影响，重点讨论相继发展的MCS关系，进一步积累对于华南前汛期中尺度对流暴雨的科学认识和预报经验。
1 数据与方法2014年5月1日至6月15日，中国气象局组织开展了WMO世界天气研究计划(WWRP)研究发展项目“华南季风降水试验(SCMREX)外场观测”(Luo et al，2017)，获取了多次降水过程的地面、探空以及基于卫星、雷达等非常规观测平台的加密观测资料。本文使用资料取自上述项目数据集2014年5月8—11日期间含加密时次的常规地面/高空观测、华南地区逐10 min的中尺度自动站观测；FY-2E卫星红外TBB；广州、阳江、梧州多普勒天气雷达基数据和拼图数据。本文分析数据采用ECMWF-Interim再分析资料(0.75°×0.75°网格)，通过Q矢量(Hoskins and Pedder, 1980；鲁亚斌等，2018)诊断与斜压强迫和地形强迫对应的准地转垂直速度；对地面加密自动站的温度、风、气压等观测数据使用Cressman客观插值方法进行分析诊断。
2 降水过程与环流背景场特征 2.1 降水和对流发展情况2014年5月8日08时至9日20时(北京时，下同)，广西东南部到广东中南部地区出较大范围强降水(图 1a)，100 mm以上大暴雨落区主要集中在珠江口地区附近，珠江口西侧降雨中心达到300~400 mm，最大单站降水量为珠江口西侧台山自动站(站号712812)，过程累积降水量达到458 mm。
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图 1 2014年5月8日08时至9日20时华南地区加密自动站累积降水量(a)，华南地区地形高度以及关键站点分布(b, 箭头分别为红外云图上MCS-A1、MCS-A2亮温中心移动路径示意) Fig. 1 Accumulated precipitation from 08:00 BT 8 to 20:00 BT 9 May 2014 (a), topography height with several key surface stations (b, Arrows marked with time denote moving trajectory of MCS-A1/A2 identified by low temperature center in satellite IR-channel images) |
此次降雨过程主要由两个相继发生的长生命史MCS-A1、MCS-A2造成(图 1b)，FY-2E卫星监测表明MCS-A1、MCS-A2空间尺度最大时都接近MCC(Maddox, 1980)。5月8日11时左右，广西东部云开大山附近对流开始集中发展，下午MCS-A1东移进入广东迅速发展增强，15—22时MCS-A1向东南方向移动过程中，在珠江口地区造成较大范围暴雨—大暴雨和短时强降雨、雷暴大风等强对流天气，其中恩平自动站5月8日19—20时降水量为76 mm (图 2)；8日23时后MCS-A1主体移出陆地，其陆上活动时间超过11 h。第二个对流系统MCS-A2主要在9日03时到上午期间活动，对流活动时间超过9 h，由于对流系统在珠江口西侧台山—恩平之间停滞少动，珠江口西侧地区出现第二次降水高峰，台山南部自动站(站号712182)受MCS-A2直接影响降水量超过400 mm，其中9日10—11时1小时降水101.6 mm。9日午后华南陆地对流活动逐步减弱，降水过程基本结束。
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图 2 2014年5月8日08时至9日20时恩平自动站(716510)与台山自动站(712812)逐时降水量 Fig. 2 Hourly precipitation from Enping Station (716510) and Taishan Station (712812) from 08:00 BT 8 to 20:00 BT 9 May 2014 |
降水开始前，5月8日08时(图 3a)华南地区上游200~500 hPa上有弱西风槽，850 hPa风场弱暖切变位于江南南部，华南大部地区受较为一致的弱西南气流控制，南海到华南中南部地区θse高于340 K，大气整层可降水量(PWAT)为40~55 mm，华南中南部地区的水汽、不稳定条件较有利于对流系统发展。图 3b表明华南位于入海高压后部，天气形势与华南前汛期“高压后部回流型暴雨”(林良勋等，2006)天气形势类似，925 hPa在广西—广东中北部地区具有1 K·(100 km)-1左右的位温梯度，与典型锋区4~8 K·(100 km)-1温度梯度相比要弱很多(Maddox et al，1979)，但浅薄冷空气结合边界层偏南风，能够形成低层暖平流和系统性抬升，促进环境气流增湿、饱和。MCS-A1发生在上述弱天气尺度强迫背景下，强降水落区集中在华南中南部暖湿气流内，具有一定的暖区暴雨特征，降雨强度、落区都具有较高预报难度。
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图 3 2014年5月8日08时(a)500 hPa高度场(单位: dagpm)和850 hPa风场 (填色区为PWAT，“X”符号处为MCS-A1对流触发地点，粗实线为高空槽，红色断线为低层风场切变)；(b)925 hPa风场和θse(红线，填色区)、海平面气压(蓝线, 单位:hPa)(灰色阴影区地形高度>1000 m) Fig. 3 (a) Geopotential height at 500 hPa (unit: dagpm) and wind at 850 hPa (shaded area: PWAT, thick brown line: trough at 500 hPa, red short-dashed line: horizontal wind shear at 850 hPa); (b) wind, θse (red lines, shaded area) at 925 hPa, and sea-level pressure (blue lines, unit: hPa; gray shaded area: topography higher than 1000 m) at 08:00 BT 8 May 2014 (mark "X": initial location of MCS-A1) |
8日20时后随着高空槽东移(图 4)，850 hPa暖切变北抬到江南中部，华南地区低层位温梯度明显减弱；但随着西南地区东部低压系统与入海高压之间的气压梯度增强，华南地区低层南风增强明显并形成低空急流，其中925 hPa南风增强到10~12 m·s-1，低层水汽输送增强导致广东中南部PWAT达到55 mm以上。南风增强后天气尺度辐合区向北推进到华南中北部内陆地区，但实际上从9日凌晨到白天，MCS-A2以及强降水都位于珠江口西侧沿海地区。急流增强背景下的局地对流发展通常与中尺度抬升机制有密切关系，具体原因将做进一步分析。
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图 4 同图 3，但为8日20时(“X”符号为MCS-A2对流触发点，其余同图 3) Fig. 4 Same as Fig. 3, but at 20:00 BT 8 May ("X": initial location of MCS-A2, other marks same as in Fig. 3) |
8日08时北海站位于MCS-A1初始对流触发区上游，探空分析表明(图 5a)对流有效位能CAPE为700 J·kg-1左右，从最不稳定层抬升的CAPE超过1000 J·kg-1，具有一定对流潜势；但自由对流高度LFC位于800 hPa，CIN为62 J·kg-1，稍微靠近内陆地区的南宁站CIN高达150 J·kg-1，表明对流触发仍然需要某种抬升机制。从环境风廓线看，中层850~400 hPa的垂直切变较弱，但1000~850 hPa的低层垂直切变接近10 m·s-1，与低层暖平流伴随的抬升过程能够进一步优化对流启动条件。
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图 5 2014年5月8日08时北海站探空(a)和9日08时阳江站探空(b) Fig. 5 Skew-T diagrams of Beihai Station at 08:00 BT 8 (a), and Yangjiang Station at 08:00 BT 9 (b) May 2014 |
9日08时处于MCS-A2上游方向的阳江探空(图 5b)表明环境大气CAPE为960 J·kg-1，CIN为76 J·kg-1，大气对流不稳定性有所增强。环境垂直风廓线表明华南地区低层西南风较8日白天有明显增强，925 hPa增强到12 m·s-1；但925~850 hPa风向、风速较为一致，较小的垂直切变意味着9日华南地区低层斜压抬升条件较8日白天有明显减弱。
2.4 天气尺度强迫抬升与中尺度地形强迫抬升Q矢量分析反演垂直速度表明，8日08时在经过110°E的垂直剖面上(图 6a)，华南20°~24°N 700~500 hPa准地转垂直上升速度一般在2~5 cm·s-1，此外受华南中北部地区浅薄冷空气和地形共同影响，图 6a中850 hPa以下等位温面有明显倾斜，低层925 hPa垂直速度约为5~10 cm·s-1，在1~2 h内，低层最大抬升高度可以达到200~500 m，接近北海探空自由对流高度。计算表明斜压强迫垂直抬升速度占1/3，广西东南部云开大山造成的地形强迫性抬升占据2/3，因此地形性抬升对于MCS-A1的触发具有重要作用。
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图 6 2014年5日8日08时110°E垂直剖面上的(a)风场、位温θ(黑线，单位：K)和Q矢量强迫垂直速度(蓝线，单位: cm·s-1)，(b)风场和位温场θ(黑线，单位：K)、EC-Interim 0.75°分辨率地形廓线(红色实线)与ETOPO 1 km分辨率地形(黑色阴影) Fig. 6 The vertical section along 110°E of (a) potential temperature (black line, unit: K), wind vector and updraft by Q-vector forcing (blue line, unit: cm·s-1) (b) potential temperature (black line, unit: K), wind vector, and topography of ETOPO at 1 km resolution (black shadow), topography profile of EC-Interim at 0.75° resolution (red solide line) at 08:00 BT 8 May 2014 |
由于Q矢量计算采用的EC-Interim分析资料为0.75°网格距，在ETOPO 1 km(https://ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html)格距地形高度垂直剖面(图 6b)，广西东部—广西东南部23°~24°N的地形梯度、粗糙度要明显高于EC-Interim分析场地形。地形强迫垂直速度可按照w= V·▽H进行简要估计，其中V为水平风，H为地形高度(岳彩军等，2013)，即使在边界层弱偏南风1~2 m·s-1情况下，广西东南部云开大山(图 6b中23.5°N附近)高分辨率地形性强迫能够导致10~20 cm·s-1的上升速度。因此在此次过程中，广西东南部中尺度地形强迫抬升对于MCS-A1对流触发过程起到关键作用。
3 MCS活动特征分析 3.1 MCS-A1早期发展过程根据华南地区组网雷达观测，5月8日08时左右，广西南部开始出现离散对流单体(图 7a)，11时(图 7c)广西东部云开大山—广东西部云雾山地区有多个对流单体快速增强、合并发展，14—15时(图 7e)形成具有一定组织规模的MCS，其南部边缘多孤立的强对流单元。到17时(图 7g)形成较为典型的层云伴随线状对流系统(TL/AS)，MCS-A1南部为45 dBz以上的对流线，北侧为30 dBz以下的层云回波，对流系统向东偏南方向缓慢移动并开始产生较强降水。统计分析表明TL/AS类型暴雨对流系统通常出现在斜压环境中，低层边界、大气垂直切变结构对于对流组织过程有重要影响(Parker and Johnson, 2000;Schumacher and Johnson, 2005)。
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图 7 2014年5月8日08时(a，b)，11时(c，d)，14时(e，f)，17时(g，h)华南地区雷达组合反射率(a，c，e，g)和自动站风场、温度场(b，d，f，h)客观分析 (粗断线为风场辐合线，P1/P2区域分别代表当时MCS-A1活动区与上游入流区) Fig. 7 Composite reflectivity (a, c, e, g) and surface wind, temperature analysis (b, d, f, h) at 08:00 BT (a, b), 11:00 BT (c, d), 14:00 BT (e, f), 17:00 BT (g, h) 8 May 2014 (Thick short-dashed line means surface wind convergence boundary, P1/P2 rectangles mean MCS-A1 zone and upstream zone at that time, respectively) |
8日早上(图 7a, 7b)对流尚未发展，华南中北部地区受高压后部的浅薄冷空气控制，没有明显的中尺度风场辐合线等动力边界，但广西东部—广东西部存在1 K·(100 km)-1左右的西南—东北向弱温度梯度；11时(图 7c, 7d)随着广西南部南风增强和升温，广西中部—广东西南部地区温度梯度增大，时间上与MCS-A1对流发展几乎同步；14时(图 7e, 7f)MCS-A1南部边界处，南北风辐合、温度梯度有显著增强，地面动力边界、热力边界的增强与对流系统自身发展有直接关系。从17时(图 7g, 7h)对流系统和地面分析看，对流系统伴随冷池对应的动力、热力边界推进到广东西南部，在冷池前方有较为清楚的东南风入流，冷池边界后有较明显的辐散性风场。
8日10—16时MCS-A1主要在图 7f中的P1区域内活动，P2区域位于MCS-A1上游入流方向。8日早上随着南风增强，P2区域开始明显升温(图 8a)，但受MCS-A1影响P1区域内温度几乎不变；P1-P2区域内经向温度梯度由不足1 ℃·(100 km)-1增长到2 ℃·(100 km)-1(图 8b)。P1区域地面风场平均散度(图 8c)表明在对流的早期发展阶段，区域辐合一直在增强；在逐小时海平面变压场上(图 8d)，11—15时有0.5 hPa·h-1左右的负变压。负变压区的形成显然与高空槽前的正涡度平流和边界层暖平流相关，通过负变压和风场适应过程形成中尺度辐合，能将水汽、能量集中在有限区域内，促进对流系统发展；Schumacher and Johnson(2009)也指出在近似饱和环境中，中尺度涡旋辐合区对于对流的组织发展有重要影响。16时后MCS-A1降水导致的冷池效应开始明显，P1区域内逐步出现相对明显的正变压和辐散性风场，对流系统进入自组织阶段。
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图 8 2014年5月8日08—20时自动站逐时温度(a)，P1区域温度梯度(b)，平均散度(d)，变压(c)，降水量(e) Fig. 8 Area-averaged temperature (a), temperature gradience (b), surface wind divergence (c), 1 h pressure change (d) and precipitation (e) at P1 region from 08:00 BT to 20:00 BT 8 May 2014 |
20时前后MCS-A1东北部层云区逐渐产生中尺度涡旋，在地面风场上涡旋中心附近反射率在50 dBz以上(图 9a)，自动站上伴有12~14 m·s-1的地面大风；涡旋中心后部拖曳有线状强回波带。珠江口附近50 mm·h-1以上的短时强降水与涡旋中心附近的强回波区相关，而珠江口西侧海岸附近的降水与线状回波以及拖曳层云回波有直接关系。21时广州单站雷达在0.5°仰角径向速度场具有明显旋转特征(图 9b)，估测表明在低涡中心50 km直径范围内，最大径向速度差约为40 m·s-1左右，因此中尺度涡旋相对涡度约为0.8×10-3s-1，理论分析和数值研究都表明这类中尺度涡旋的形成过程与潜热释放有密切关系(Morales et al，2015)。
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图 9 2014年5月8日21:34自动站风场和广州番禺雷达0.5°仰角反射率因子(a)，径向速度(b) Fig. 9 Surface wind analysis and reflectivity factor (a), radical velocity (b) at 0.5° elevation from Guangzhou Droppler Radar at 21:34 BT 8 May 2014 |
图 10a为经过图 9a中A1—A2的反射率剖面，MCS-A1具有热带低质心回波特征，40 dBz高度位于6 km以下，对流核强度为50~60 dBz，后部层云回波和与对流核心具有分离特征。从对应时刻的FY-2E TBB数据(图 10b)分析，MCS-A1具有近椭圆状红外云顶，从上游迎风方向上的阳江探空的风廓线图分析，风暴入流方向上阳江、香港探空站850 hPa风增强到14 m·s-1，环境风场上低层垂直切变较为清楚，按照阳江站探空计算的风暴移动矢量估计，MCS-A1向东偏南方向以10 m·s-1速度移动，实际移动速度比探空估计要略慢一些。
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图 10 2014年5月8日21:34经过图 9a中A1—A2剖面的雷达反射率剖面(a)，21：00 FY-2E TBB和850 hPa探空风场(b) Fig. 10 Reflectivity factor on vertical section along line A1-A2 in Fig. 9a at 21:34 BT (a), TBB from FY-2E and wind barb at 850 hPa at 20:00 BT (b) 8 May 2014 |
图 11为8日21时自动站的1 h变压、变温分析，与强降水伴随的地面冷池面积为100 km×100 km左右，冷池造成地面加压2~3 hPa，降温2~3 ℃，在冷池边界后部形成辐散性风场；冷池前部为暖湿入流相关的负变压区。从连续监测看，冷池边界凸起处移对应冷池出流最强，边界向南移动速度最快，而在其两侧靠近中尺度涡旋和西侧边界移动相对较慢。21—22时线状对流快速经过珠江口地区后，MCS-A1对华南地区影响基本结束，但MCS-A1主体移动到海上后，仍然维持了较长时间。
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图 11 2014年5月8日21时自动站风场和1 h变压(a), 1 h变温(b)客观分析 Fig. 11 Surface wind analysis from AWS with hourly pressure tendency (a), and hourly temperature tendency (b) at 21:00 BT 8 May 2014 |
5月9日03时后靠近珠江口西侧沿海地区，新生对流系统MCS-A2开始快速发展，04时出现低于-65℃的云顶亮温(图 12)；MCS-A2在珠江口西侧停滞少动，到08时，-65℃对流云顶仍然在珠江口西侧附近活动；同时MCS-A1也在海上继续维持。13:30 FY-2E可见光云图(图 13)表明，海上MCS-A1主体后部有拖曳多条积云线，与MCS-A1冷池造成的阵风锋相对应；在MCS-A2的迎风方向上，沿着冷池边界有多个对流单体发展。午后随着低层暖湿入流的减弱，MCS-A2逐步减弱，华南地区降水过程基本结束。
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图 12 2014年5月9日04时FY-2E卫星TBB和02时850 hPa探空风场 Fig. 12 TBB from FY-2E satellite at 04:00 BT and wind at 850 hPa at 02:00 BT 9 May 2014 |
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图 13 2014年5月9日13:30FY-2E可见光通道图像 Fig. 13 VIS image from FY-2E at 13:30 BT 9 May 2014 |
卫星和雷达观测均表明，8日夜间MCS-A1主体部分从珠江口东侧移出陆地后，中尺度涡旋后部的线状对流仍然较为活跃。9日04时(图 14a)在珠江口西侧沿海地区的对流活动明显增强，形成100 km左右的β中尺度线状对流，整体向东南方向缓慢移动，其中对流单体向迎风方向传播，以“后向发展” (Schumacher and Johnson, 2006)方式进行组织；上游西北方向也不断有新生对流单体发展，逐步构成新的β中尺度线状对流。到9日上午(图 14b)，MCS-A2形成多条β中尺度线状对流平行排列的组织结构，这种多平行线状对流组织结构与8日白天MCS-A1陆上发展过程中的TL/AS结构、8日夜间MCS-A1中尺度涡旋回波结构存在显著区别，Luo et al(2014)、Wang et al(2014)在研究梅雨锋暴雨过程中发现有类似对流结构，其对流组织机制被认为与低空急流、冷池出流边界的综合作用过程有关系。
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图 14 2014年5月9日04时(a)，11时(b)广州雷达0.5°仰角反射率因子和地面自动站风场 Fig. 14 Reflectivity factor at 0.5° elevation from Guangzhou Doppler Radar with surface wind analysis at 04:00 BT (a) and 11:00 BT (b) 9 May 2014 |
从对流系统垂直剖面看(图 15)，β中尺度线状对流单体仍然表现为低质心型结构，但对流发展高度普遍可达到10 km以上，由于在夜间环境水汽输送增强，MCS-A2相比于MCS-A1能够形成更高的降水强度，台山附近出现102 mm·h-1的短时强降水，与图 14b、图 15b中C1—C2剖面上的线状对流有直接关系；珠江口西侧长降雨持续时间与稳定维持的冷池边界、多个线状对流系统的持续影响相关。
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图 15 2014年5月9日04时经过图 14中B1—B2(a)和11时C1—C2(b)反射率因子垂直剖面 Fig. 15 Reflectivity factor on vertical section along lines B1-B2 at 04:00 BT (a) and C1-C2 at 11:00 BT (b) 9 May 2014 in Fig. 14 |
9日03时受到MCS-A1对流造成的冷池影响(图 16a)，华南内陆地区处于偏冷状态，温度梯度较弱，相对明显的温度边界和风场辐合线位于珠江口西侧海岸线附近，珠江口东侧有MCS-A1后部冷池出流形成的东北风，MCS-A2发展与MCS-A1后部的冷池边界有直接关系。图 16a中，S2区域为受MCS-A2直接影响区，S1为紧邻对流系统的上游入流区。到9日08时(图 16b)，S1区域升温相对明显，S2区域受MCS-A2降水冷池影响仍然偏冷，两区域间温度梯度有所增大；同时来自海上的南风有明显增强，但风场辐合线稳定维持在珠江口西侧海岸线附近。
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图 16 2014年5月9日03时(a)，08时(b)自动站温度和风场客观分析 (粗断线为风场辐合线位置，图 16a中S1、S2区域分别代表当时MCS-A2上游入流区与对流影响区) Fig. 16 Wind, temperature analysis from AWS observation at 03:00 BT (a), 08:00 BT (b) 9 May 2014 (thick short-dashed lined: wind convergence boundary, S1/S2 rectangle in Fig. 16a: MCS-A2 upstream zone and active zone) |
从对区域平均2 m温度分析看(图 17a)，S1、S2区域温差在9日02时以前一般小于1℃，03时后S1区域开始升温，S1、S2区域温差持续增大，到9日白天受辐射差异影响温度梯度迅速增长(图 17b)。从逐小时地面变压看(图 17c)，03时后受MCS-A2降水冷池影响，S2区出现0.5~1.5 hPa的正变压。与8日白天发展的MCS-A1相比，凌晨发展的MCS-A2造成的降水更强更集中，冷池造成的地面温度梯度、地面加压强度也更强一些，在低空急流增强的背景下有利于MCS-A2的自身维持。
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图 17 2014年5月8—9日S1、S2区域平均逐时温度(a)，S1—S2区域温度梯度(b)，S2区域平均逐时变压(c)和降水量(d) Fig. 17 Area-averaged temperature (a), temperature gradience (b), 1 h pressure change (c) and precipitation (d) from 8 to 9 May 2014 |
尽管MCS-A1/A2组织结构具有明显差异，但都是属于稳定维持、长生命史的MCS。Rotunno et al(1988)、Weisman(1993)、Weisman and Rotunno(2004)合作研究表明，当冷池边界扩张速度与对应低层垂直切变(此处取ΔU0~3 km)相当时，对流系统将维持稳定发展。其中冷池传播速度C可认为是二维密度流传播速度，假设冷池具有位温扰动Δθ、厚度为H，则冷池边界扩张速度C可按照冷池造成的气压扰动进行估计：
| $ C^{2}=2 g \frac{-\Delta \theta}{\bar{\theta}} H=2 g \frac{\Delta \rho}{\bar{\rho}} H=2 \frac{\Delta p}{\bar{\rho}} $ |
式中：Δp为冷池内外气压变化，ρ为地面空气的平均密度。根据上述公式，利用自动站观测小时变压和MCS上游探空，估计了过程中冷池强度和对应环境风切变强度。如表 1所示，8日14时MCS-A1地面冷池相对较弱，冷池边界扩张速度为9.2 m·s-1，弱于上游南宁站低层切变(12 m·s-1)，这种情况下对流系统通常具有向冷区倾斜的层云结构。8日夜间MCS-A1的冷池边界扩张速度达到22 m·s-1，略大于上游阳江站的低层垂直切变(20 m·s-1)，MCS发展较为强盛；9日02—08时，MCS-A2对应的冷池出流速度与低层垂直切变比值接近1，有利于形成较为直立、发展高度较高的对流单体。
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表 1 冷池边界扩张速度与上游探空低层垂直切变对比 Table 1 Propagation speed of cold pool boundary compared with low-level shear from up stream soundings |
2014年5月8日中午到9日白天，广东珠江口地区受MCS-A1、MCS-A2两个长生命史中尺度对流系统影响，造成持续性强降水，两个MCS在环流背景特征、对流触发、维持机制都存在显著区别。在预报业务中通过诊断分析弱天气形势下的近地面-边界层热力、动力变化特征，能够对华南地区MCS发生发展特征做出更为准确的预估；在短时临近预报业务中需要分析早期MCS预报偏差，及时诊断MCS对流反馈对于环境条件的影响，对后继MCS发展过程进行调整。
(1) MCS-A1发展前具有弱中高空天气尺度系统强迫，暴雨对流系统的发展过程类似于静止锋形势下的MCC发展过程(Maddox et al，1979)，但温度梯度、边界层暖平流要弱很多。MCS-A1对流触发与广西南部地面南风增强、华南南部云开大山—云雾山中尺度地形抬升有紧密关系。在MCS-A1早期发展过程中，高空槽配合低层暖平流在弱地面温度梯度区上造成中尺度辐合性涡旋流场，有利于对流的集中组织发展。8日下午MCS-A1向顺风方向移动(Corfidi，2003)，在弱斜压环境中形成TL/AS结构(图 18a)，地面冷池相对较弱。
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图 18 MCS-A1白天(a)、MCS-A1夜间(b)、MCS-A2(c)中尺度概念模型 Fig. 18 The conceptual model for (a) MCS-A1 (day time), (b) MCS-A2 (night time), and (c) MCS-A2 |
(2) 8日傍晚前后随着降水增强，受潜热释放影响，MCS-A1中出现中尺度涡旋结构(图 18b)，中尺度涡旋-潜热的正反馈过程能够保证MCS-A1维持较长时间。8日夜间受MCS-A1伴随降水冷池影响，温度边界、动力边界推进到珠江口西侧沿海地区，华南中南部内陆地区的地面温度梯度区被破坏，地面温度维持在偏冷状态，远离海岸线的内陆地区很难有新生对流发展；同时又叠加夜间较暖洋面造成的海陆热力差异影响，MCS-A1遗留冷池造成的中尺度温度边界稳定维持在广东西南部沿海地区。
(3) 伴随8日夜间到9日凌晨低层西南气流增强，在珠江口西侧遗留冷池边界附近的中尺度抬升导致了MCS-A2的对流触发过程，由于新生对流单体向迎风方向传播，MCS-A2整体移动速度缓慢，在珠江口西侧海岸附近造成较长时间降水。在冷池边界和LLJ组织下，MCS-A2形成多条平行β中尺度线状对流组织结构(图 18c)，强降水的形成与稳定维持的冷池边界、多个β中尺度线状对流导致的“列车效应”相关。计算表明在相对平衡的低层垂直切变和冷池出流条件下，有利于在MCS-A2中形成较为直立的对流单体，增强的边界层水汽输送、更高的对流单体高度也有利于在珠江口西侧形成更高的降水强度。
关于此次过程仍然有许多问题需要进一步深入研究，如在MCS-A1发展前地面南风增强、8日夜间珠江口西侧沿海地区热动力边界的维持均可能有海陆差异的密切关系，MCS-A2多平行线状对流结构的组织机制、中尺度暴雨数值可预报性等诸多问题仍然留待进一步讨论。
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