引言

在诸如暴雨、大风、冰雹以及雷击等灾害性的强对流天气中，往往会出现对流云之间的合并现象。对流云合并是指相邻对流单体之间实现合并从而形成一个更庞大、更复杂的单体或复合系统^[1]。对流云合并不仅使云体的尺度和强度发生变化，引起地面强降水并影响降水效率，而且在冰雹、雷电等灾害性天气过程中占有重要地位。

20世纪70年代，甄长忠^[2]就发现产生冰雹的超级单体是由多个小单体在一个主体上合并而成的。随后王昂生等^[3]又发现太行山冰雹多发区——昔阳地区的冰雹云形成过程中，合并是冰雹云形成过程中出现跃增阶段 (形成冰雹的主要阶段) 的重要成因之一。在暴雨过程中，云团合并也时常发生，并起着重要作用。在一些MCS (mesoscale convective system) 的形成过程中，存在对流云的合并^[4]，且在系统的维持过程中也存在合并现象^[5]。合并过程不仅使对流系统的云体发展得更加旺盛，强度增加，生命史延长，而且还有利于产生更多的地面降水^[6]。除个例观测分析外，近些年在我国西南山区及江淮流域，分别开展了对流云合并的一些普查与统计工作。李艳伟等^[7]利用贵州雷达统计了2005年和2006年5—9月41次山地对流合并形成积层混合云的过程，并对云合并的初始位置进行探讨，阐述了合并的一些机制。胡雯等^[8]则统计了江淮流域对流云合并的时空分布特征，进行合并类型的划分。

随着研究的深入，数值模式也被应用于对流云合并的研究中。黄美元等^[9]就利用二维暖积云模式探讨了合并机理，发现气压梯度力和下沉气流引起的辐合抬升是造成合并的两个内在作用，而云间距离是影响合并的外在因素。随着模式的不断发展，合并过程中的微物理过程得到了更深层次的揭示。付丹红等^[1]采用MM5模式对一次合并过程进行模拟，并着重分析了过程中的云物理过程，研究结果显示合并有利于水汽转化，形成大量过冷云水和冰相粒子，有利于强降水和大风天气的产生。

2010年8月8日凌晨，甘肃省甘南藏族自治州南部舟曲县 (位于白龙江流域) 发生特大山洪泥石流灾害。引起这次泥石流灾害的降水过程存在着局地性强、短时强度大以及突发性强等特点，在整个过程中，分别出现了小时降水量为55.4 mm (迭部代古寺)、77.3 mm (舟曲东山镇) 的短历时降雨，是我国西部地区一次非常罕见的强降水过程^[10-11]。本文采用气象卫星资料，对这一特大泥石流天气过程中出现的对流云合并现象进行分析，总结该次过程中合并现象的规律及其影响，并对可能存在的对流云合并机制进行分析。

1.   过程概况

2010年8月7日夜至8日凌晨，甘肃省甘南藏族自治州舟曲县突发特大泥石流，造成重大人员伤亡。泥石流堵塞白龙江形成堰塞湖，县城部分被淹，电力、交通、通讯中断。

8月7日亚洲中高纬地区为深厚低槽区，冷涡中心位于63°N，105°E附近，低涡中心稳定少动。大陆高压控制青藏高原至黄淮地区，高空锋区位于40°N附近。图 1为8月7日00：00和12：00(世界时，下同)500 hPa高度场、温度场和700 hPa风场。7日00：00，甘肃北部、内蒙古西部上空500 hPa有短波槽分裂南下，舟曲上空为偏北风，并处于冷平流区，而700 hPa低槽位置偏西，舟曲上空为西南气流控制，携带大量水汽北上。至7日12：00，500 hPa上的低槽加深，并进一步东移南压，低槽移至陕西境内，700 hPa低槽随之南压，与西南气流交汇于甘肃省南部附近形成东西向切变线。由于前期温度较高，同时中高层有冷空气影响，低层的切变线有利于激发对流天气。

图  1  2010年8月7日00：00和12：00背景场 (a)00：00 500 hPa高度场 (实线，单位：dagpm) 和温度场 (虚线, 单位：℃)，(b)12：00 500 hPa高度场 (实线，单位：dagpm) 和温度场 (虚线, 单位：℃)，(c)00：00 700 hPa风场 (单曲线表示槽线；箭头表示西南气流)，(d)12：00 700 hPa风场 (单曲线表示槽线；双曲线表示切变线)

Figure  1.  Synoptic chart at 0000 UTC and 1200 UTC on 7 Aug 2010 (a)500 hPa height (solid line, unit:dagpm) and temperature (dashed line, unit:℃) at 0000 UTC, (b)500 hPa height (solid line, unit: dagpm) and temperature (dashed line, unit:℃) at 1200 UTC, (c)700 hPa wind at 0000 UTC (single curve:trough; arrow:southwestern airflow), (d)700 hPa wind at 1200 UTC (single curve:trough; double curves:shear line)

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从气象卫星红外增强云图与500 hPa高度场 (图 2) 来看，云图上与低槽相对应的存在一片云系。00：00—12：00低槽云系出现了一个增强发展的过程，并且在槽后的甘肃南部山区出现许多云顶亮温低的对流性云团。正是这些槽后的对流性云团相互合并后形成了尺度更大的中尺度对流系统，并在甘肃南部地区产生了强降水，引发了舟曲特大泥石流事件。

图  2  2010年8月7日FY-2E红外云图和500 hPa高空形势 (单位：dagpm)

Figure  2.  Satellite image of FY-2E with synoptic analysis at 500 hPa on 7 Aug 2010(unit: dagpm)

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从地面6 h累积降水量分布 (图略) 来看，06:00—12:00有两片主要雨区：一个雨区与低槽云系相对应位于陕西北部，另外一个雨区位于甘肃南部山区。而12:00—18:00与低槽云系对应的降水区强度减弱且范围缩小；但甘肃南部山区的降水区范围和强度均有所增加且位置向南移动。正是甘肃南部由北向南缓慢移动的强降水，导致了8月7日夜间舟曲特大泥石流事件的发生。

2.   资料和方法

本文所用资料主要有FY-2D/E静止气象卫星红外通道亮温资料以及NOAA-18，FY-1D极轨气象卫星多通道资料。其中静止气象卫星红外通道是指波段为10.3～11.3 μm的红外通道1，而NOAA-18，FY-1D极轨气象卫星多通道资料则是指极轨气象卫星上所携带的高级甚高分辨率辐射计 (简称AVHRR) 的通道1～4信息。对卫星资料的处理主要有红外云图增强处理、对流云识别与跟踪以及多通道伪彩色合成3个方面。

2.1   红外云图增强处理

图像的增强处理是数字图像处理中一种经典方法。可以通过数字图像增强来突出显示某些特征，使图像解释变得更加容易^[12]。增强显示技术在卫星云图上的应用也较为广泛，不仅可以确定热带气旋的强度，而且可以清楚地显示出较强的对流系统^[13]。考虑到彩色增强可以使图像变得更加直观，因此采用彩色增强^[14]技术来处理FY-2D/E红外云图。主要对云顶亮温低于-25℃(248 K) 而高于-93℃(180 K) 的云区来进行线性增强，并赋予差异明显的色彩来区分云顶亮温的不同，具体色彩标准见增强云图中的图例。

2.2   对流云识别与跟踪

为了解此次过程中对流云团的活动情况，对红外云图进行云团的识别与跟踪。识别主要采用阈值法，以-32℃为阈值进行对流云团的初识，而后采用连通法来进行对流云团的提取并计算相应的面积和偏心率^[15]。具体连通算法如下：① 找到任意一个对流云像素点，以这一点为基点检测周围的8个点中未被检测过的点是否位于云团中，并声明此基点以及周围的8个点被检测过，记录检测出的云团内的像素点。② 以检测出来的像素点为基点继续检测基点周围的8个点中未被检测过的点，记录检测出的像素点同时在记录中删除基点。③ 重复② 直到记录中没有像素点，从而检测出一块对流云，并统计图像上的像素点数。最后，再根据面积和偏心率以面积大于10个像素点 (约250 km²) 和偏心率大于0.2为阈值进行对流云团的最终筛选，以确定其分布情况。

在云团跟踪方面主要采用面积重叠法来进行云团的跟踪。考虑到面积重叠法在云图初始移动速度计算方面较为繁琐。因此，在采用相关匹配法来进行云团初识移动速度的基础上，再进行面积重叠度计算来进行云团跟踪的方法。具体方法：首先，确定需要进行跟踪的云团，提取出云团的几何中心；其次，以云团几何中心为中心选取具有一定纹理可以进行相关匹配计算的小区域 (9×9)，在前后连续的云图中进行相关匹配计算；然后，搜索出最佳相关区域后，根据两区域中心点的位移来确定云团的移动速度；最后，采用面积重叠法^[16]来进行自动跟踪。

2.3   多通道伪彩色合成

卫星多通道数据的伪彩色合成，是直观反映出卫星云图上的一些特性的有效手段。例如：MODIS数据中的通道1，4，6的RGB合成图像中，对于卷云等高云而言表现出黄色调^[17-18]；而通道6，5，1合成则能够较好地区分土壤、植被、液态云、冰相云以及地表积雪等^[19]。Lensky等^[20]则采用伪彩色合成技术，以色彩的形式有针对性地突出对流系统、冷暖气团、云顶粒子等各类属性，包括用两个可见光通道和一个近红外通道进行的白天真彩色合成，以0.8 μm，3.75 μm和10.8 μm 3个通道进行合成的白天微物理彩色合成图，采用多个红外通道亮温差进行合成的对流彩色合成图等。这些研究均表明^[17-21]，多通道伪彩色合成技术能够使得云图中的一些物理特性更直观地表现出来。

在AVHRR极轨气象卫星资料中，通道1(0.58～0.68 μm) 为可见光通道，通道2 (0.72～1.10 μm) 为近红外通道，通道3 (3.55～3.93 μm) 为中红外通道，通道4(10.3～11.3 μm) 为远红外通道。由于可见光和近红外通道能够比其他通道具有更多的纹理特征，因此选用通道1，2，4的组合 (通道1，2，4分别代表蓝色、绿色和红色通道来进行伪彩色合成，以下简称为RGB:421) 不仅可以根据亮温来区分出地表和云系，而且还能够清晰观测到云顶的起伏特征。而通过中红外通道，则可以了解到云顶粒子尺度的信息，因此通道1, 3, 4的合成 (通道1，3，4分别代表红色、绿色和蓝色通道来进行伪彩色合成，以下简称RGB:134)，能够明显地将云层较厚的积雨云凸显出来^[20]。故在以下伪彩色合成中，将选用RGB:421和RGB:134两种组合方式来进行分析。

3.   对流云合并分析

3.1   极轨气象卫星伪彩色合成

图 3为AVHH多通道伪彩色合成图，从图 3可以看出，2010年8月7日06:38甘肃省被大范围的云系所覆盖。在RGB:421伪彩色合成图中，西部以孤立的粉色团状云为主，而东部则以淡蓝色的片状或细胞状云系为主。西部大范围云呈现出白亮的粉色，说明云顶亮温低且反照率高；而团状的椭圆形外表以及孤立状，则说明该云系主要受中小尺度天气系统的影响而产生。另外，从云顶波浪凸起以及棉絮状的外观可以看出, 云区内气流的垂直运动较强烈。而东部的大片淡蓝色云系，虽然可见光波段的反照率较高，但云顶亮温高。从云系分布来看由于呈现出区域性片状分布，因此可以认为是大尺度天气系统影响下所产生的云。从纹理上来看没有明显的凸起，表明云区内没有明显的垂直运动。另外，在RGB:134合成图上，西部的云顶均为红色，说明这些云都是云层厚且云顶粒子尺度大的对流性积雨云。而东部蓝色的云区中，主要以白色和粉红色为主，表示这些云顶粒子的尺度小，主要为液态水滴组成。同时考虑到东部云区相对较高的云顶亮温，这些云系主要为暖性的低云。

图  3  2010年8月7日极轨气象卫星伪彩色合成图

Figure  3.  False color combination image on 7 Aug 2010

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从以上分析可知，06:38甘肃西部受中小尺度天气系统的影响，生成了许多对流云，且这些对流云尚处于发展阶段 (具有上升运动、云层厚且云顶高)；而东部云系主要由大尺度天气系统产生，以暖性的低层云为主。

随后西部的对流云继续发展，并出现对流云团之间合并，由多个小对流单体合并形成尺度更大的中尺度对流系统。从08:00伪彩色合成图中可以看出，西部的云系已经不再是分散、独立的对流云，而是通过合并形成了范围更大的片状对流云系统。从色彩和纹理上来看，在这一片对流系统的云顶，仍然表现出高反照率、低亮温、波浪凸起状纹理、云层厚且云顶粒子尺度大等特征。因此，这一片对流系统仍然处于发展阶段，还将进一步发展。可以认为对流系统是通过多个对流单体合并而形成的，且合并后对流系统仍然在发展。

3.2   静止气象卫星增强红外云图

从增强红外云图动画 (图略) 来看，本次过程中存在5个阶段的对流云、对流强中心合并过程。08:00多个对流单体合并形成对流系统；09:30左右发展中的对流系统与其周边新生的对流系统合并；10:00—10:30发展得比较成熟的新生对流系统与旧对流系统合并；11:30—12:00新旧对流系统连接并相互作用；13:30—14:00对流系统中两个强中心合并。以下分阶段来进行过程描述。

3.2.1   多个对流单体合并形成对流系统

如3.1节中对两次极轨卫星伪彩色合成图分析结果所述，07:00—08:00甘肃西部多处新生对流单体，并逐步发展合并而形成片状对流云带。08:00增强红外云图可以看到4个面积较大的对流单体A，B，C，D (如图 4所示)，其中对流单体A，B和C在其发展过程中均出现了对流单体之间的合并，由多个小对流单体合并而成；而对流单体D则由一个小对流单体逐步而来。08:30对流单体B和C已经合并形成了尺度更大的对流系统E；而对流单体A和D也已经在发展的同时逐步靠近，且外围云系已经相连。

图  4  2010年8月7日07:00—16:00增强红外云图

Figure  4.  Enhanced IR image at 0700 UTC—1600 UTC on 7 Aug 2010

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3.2.2   发展中的对流系统与周边新生对流单体合并

09:30对流系统E进一步增强发展形成尺度更大对流系统，在增强红外图像上表现为云团面积和低温区 (红色) 面积的增大；此时，对流单体A和D则已经合并成对流系统F，增强云图上也由褐色逐渐变为红色，表示云顶亮温在下降，对流得到了增强；另外，在对流系统E和F之间东部又新生出对流单体G。随后，对流系统E和F开始减弱。

3.2.3   成熟的新生对流系统与旧对流系统合并

10:00对流系统F云顶红色部分逐渐消失，褐色面积增多，说明云顶亮温升高，对流系统开始进入消散阶段。此时，对流系统E虽然云顶呈现红色的低温区面积未明显减小，但结构已没有半小时前密实，系统西北侧的亮温从中心向外的变率也小于09:30(亮温梯度在减小)，这说明对流系统E结构密实的冷云顶坡度开始减小，对流造成的上升气流也逐渐减弱，系统逐步进入消散阶段。与对流系统E和F相反，对流单体G在此时云顶亮温低且密实，形状上也更加趋向于圆，表明对流单体在逐步增强发展。此外，在对流单体G西南角与对流系统E相连接处，红色外围的褐色圈部分已经消失，这就意味着此处亮温梯度大，说明该连接处存在着剧烈垂直上升运动，两者已开始相互作用。另外，在对流系统E和F之间西部有一个对流单体H，且已通过橙-黄色的连接带与F相连。

10:30对流系统E和对流单体G已经合并成对流系统I，在I中云顶亮温低的红色密实区主要位于原单体G所属区域，原E云顶红色部分在逐渐减少且有向G方向偏移的趋势。而对流系统F和对流单体H虽然已连接但仍然有两个强中心，两者并未完全合并形成一个系统。

3.2.4   新旧对流系统连接并相互作用

11:30对流系统I中云顶呈现红色低亮温区面积进一步增加，原属于对流系统E的部分云顶中红色部分也得到了增加。也就是说，E和G合并后，对流系统E已开始升温的云顶再次降温，云体发展得到再次增强。从红色云顶的分布还可以发现，云区中存在3个低温中心，其中南侧一个为E再次发展所形成，而北侧两个则由G的低温中心分裂而成。另外，在系统西边尾部出现一个强中心 (云顶亮温低温中心) N。此时，对流系统F和H也已经合并成了一个对流系统J，但云顶已经没有红色的低亮温区，意味着J已经开始消散。另外，在对流系统J和I之间，又新生了一个小的近乎圆形的对流单体K。

12:00对流系统J继续减弱消散；而对流系统I和对流单体K则通过中间的连接云带相连接，且K的云顶大部分被密实的红色所占据，说明K在不断增强发展。原来的3个中心，南侧中心红色范围继续缩小，北侧两个中心靠南的一个已经减弱，而靠北的中心却在经历了短暂的增强 (连接云带形成过程中增强) 后开始趋于减弱。在对流系统I尾部的强中心N已经发展形成一个与I相连接的对流单体。

12:30通过连接云带的作用，对流单体K不断增强，且圆形外表更加明显；对流系统I中北侧云顶亮温低值中心的云顶中红色部分减少，表明该中心进一步减弱；而I中的另外两个在12:00已经减弱的中心却再次加强，并且有相互靠近的趋势对流。强中心N进一步增强，且开始吞并西南角的一个小对流单体。

3.2.5   系统中的两个强中心合并

13:30对流系统K云顶不再有密实的红色低温区，形状上也由圆形向椭圆形变化，因此可以认为已进入减弱消散阶段。在对流系统I中，北侧的亮温低值中心已经消散，在云顶仅有几个红色的低温点；而另外两个有增强和相互靠近趋势的中心已经合并成为了新的强中心L。强中心N吞并对流单体后，经历了30 min左右增强发展 (12:45—13:15云团显示红色亮温区增多 (图略))，而后开始减弱，云顶已不再有片状的红色低温区，且从云团中心向外色彩的变化也变得平缓，说明亮温梯度已经开始减小，强中心N在减弱消散。

13:30—14:00强中心N云顶红色区域消散，系统进一步减弱消散。对流系统I内两个强中心合并成L后再次增强，合并后形成的对流强中心L经过30 min的发展：其圆形中心区 (红色低亮温区) 更明显，红色区的密实程度也更高。随后强中心N和L均逐渐消亡。相比较而言，L一直维持着圆形的外观，并且中心位置少动，在小区域内逐渐消亡。

3.3   对流系统跟踪分析

从3.2节分析可知，08:00以前区域内为孤立的对流云，而从08:00开始多个对流云合并形成大的对流系统。因此，在云团跟踪过程中08:00以前会遗漏一些参与合并过程，且成为对流系统一部分的对流单体。因此，在跟踪结果中，08:00表现出面积和偏心率的突变 (图 5)。而最低与平均云顶亮温的锐减和冷云区比例 (图 6) 的激增 (已经有一半的云顶亮温低于－52℃)，则说明合并后对流系统得到显著增强。08:00开始，由于各对流云外面的云系已经相连接，跟踪结果主要反映了多个对流系统的总体特征，因此可以通过对面积、偏心率、云顶亮温等物理量的变化来反映出这些对流云间的相互作用及其变化。以下从5个合并阶段来描述各种物理量的变化特征。

图  5  云团面积和偏心率时序图演变

Figure  5.  Temporal variety of cloud area and eccentricity

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图  6  最低与平均云顶亮温和冷云区比例时序图

Figure  6.  Temporal variety of minimum and average TBB with ratio of cold center field in cloud

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3.3.1   单体合并系统增强

08:00以后，云团面积、偏心率和云顶亮温低于-52℃的冷云区 (以下简称为冷云区) 比例都出现显著的增加；而云顶亮温则是明显的降低。然后这种显著增加和明显降低的趋势并未维持较长时间。08:30以后，面积和低温区比例的增幅以及云顶亮温的降幅都减小。而对于偏心率却出现了两种变化：云顶亮温低于-32℃云区 (以下简称为云区) 偏心率继续增大；冷云区偏心率开始变小。对应的在增强红外云图上，可以清晰地看出合并以后的对流系统E中存在着多个强中心，多个对流单体虽然已连成一个对流系统，但冷云区之间并未真正合并。因此，08:00—08:30可以认为是多个对流单体间相互作用阶段。对流单体间的相互作用增强了云体的发展，使得云团面积激增、云顶最低亮温和平均亮温突降、冷云区比例显著升高以及偏心率变大，这些变化都说明合并后对流系统在增强与发展。

3.3.2   再次合并系统旺盛发展

08:30—09:30各种物理量的变化都变得平缓，说明合并过程的影响正在逐渐消失，对流系统开始合并后的对流调整期，几个对流单体已经逐步融合成了1个大的对流系统。与其他物理量有所不同，冷云区的偏心率的变化趋势由升高转变为降低，这说明在冷云区扩大范围的同时，其外形变得不规则起来。从图 5可以看出，09:30冷云区的外形与云区相似且多处云顶高度较高，考虑到冷云区比例已经超过50%，说明此时系统发展得比较旺盛，有一半以上的云体发展到了比较高的高度，形成了较大范围的冷云区。另外，09:30云顶最低亮温上升了1 K，说明最高云顶开始回落，但是由于平均亮温仍在降低，即整个云团尚有继续发展的能力，而仅仅是在系统中对流活动最为旺盛的区域，对流强度开始减弱。

09:30以后，云顶最低亮温又开始小幅下降，说明系统某一部分的对流得到增强使得最高云顶再次升高。此时，在增强红外云图上出现了新旧对流单体A和D之间的合并。由于在跟踪过程中，A和D从08:00开始就已经被判识为一个系统，因此合并过程并未引起面积和平均亮温的突变，而仅仅表现出最低亮温的微降。09:30以后冷云区偏心率的减小速度开始放缓，并从10:00又开始增大。10:00—10:30在面积略微增加的同时，由于系统发展得比较旺盛，云团结构变得更加紧密，云顶亮温的等温线也变得密集起来，使得云区和冷云区有着大致相同的偏心率，也就是说两云区的外形相似。

3.3.3   合并后从局部开始影响整体

10:30以后面积增加、平均亮温升高、最低亮温下降、冷云区比例减小、偏心率明显增大。平均亮温的升高和冷云区比例的减小，说明云团总体上对流活动开始减弱。但是，最低亮温的下降，说明云图中一部分的对流尚处于加强阶段，强的对流活动使得云顶高度升高，云顶最低亮温下降。另外，偏心率的增大则意味着系统外形上仍然向着圆形发展，整个系统仍然维持着对流活动，使得云团的外观依旧表现为圆形。这些特征表明，对流系统E和G合并后，整个系统的对流特征依然显著，但大部分对流区的活动开始减弱，而仅仅在个别区域出现了对流增强的现象。由于总体上对流活动已经开始减弱，因此，可以认为个别区域对流增强的现象是由于对流合并引起的。发展了较长时间的对流系统E和新生对流G发生合并后，并未立即改变整个对流系统的活动规律，而是从局部开始增强对流，进而影响整个系统。11:00—11:30平均亮温的降低和低温区比例的升高，则证明了合并过程在小范围增强对流后，逐渐对整个系统对流活动起到增强的作用。

3.3.4   云桥连接后再次增强系统

11:30—12:00再次出现了面积增加、平均亮温升高、最低亮温下降、冷云区比例减小的现象，与10:30—11:00变化所不同的是偏心率开始减小。由于这一时段中，对流系统I和K通过中间连接云带开始并相互作用。因此，也反映出了合并过程在小范围内增强对流的作用。平均亮温的降低以及冷云区比例的升高，也说明合并过程对整个对流系统起到了增强的作用。

12:00以后，在云区偏心率继续减小的同时，冷云区偏心率再次增大，而在面积变化特征上则无明显改变。这一阶段红外增强云图上，仅表现为合并后对流系统的增强发展。冷云区面积和偏心率的变化主要反映合并后系统增强：强中心不断发展，引起面积的增加以及偏心率的增大。云区面积的先减少后增加的变化则反映出系统在发展过程中出现了短暂的云系范围紧缩的现象，这与系统的加强相关。云区偏心率的持续减小，则说明系统中一部分中心云系开始减弱消散，或者一部分云粒子被上升气流带到更高的高度形成云砧，使得云区的形状变得不规则起来。

12:30以后冷云区面积呈现单调的减少，而云区面积依然增加；最低亮温、平均亮温也表现出单调的升温，冷云区比例也逐渐降低。说明整个系统中部分对流活动开始减弱，部分云顶高度开始下降，云顶亮温回升。

3.3.5   最后阶段出现强中心合并

13:00开始冷云区偏心率再次减小，14:00以后又再次升高。对应的在云区面积变化上，出现了增加速度的一个加快过程。而对于云顶亮温的变化而言，却一直为温度回升、冷云区比例降低。考虑到13:30—14:00两个强中心发生合并，因此可以认为强中心合并后使得冷云区偏心率升高，云区面积增速加快。但由于整个对流系统已经逐渐开始消散，强中心的合并过程并不能使得对流系统再次增强，而仅仅是使得冷云区集中在一个小区域内，使得形状上更加有规则。14:30以后冷云区面积开始持续减小，表明整个对流系统已经进入消散阶段。消散过程导致冷云区不断减少，云顶高度下降、温度升高；对流活动的减弱则使得云团结构变得松散。

15:30开始云区和冷云区的面积都开始减小，但在冷云区偏心率降低的同时，云区偏心率却由降低转变为升高。从云图上能够清晰地看到褐色的圆形中心，而非红色的中心。说明系统仍然保持对流结构，但是对流活动的强度已经减弱，无法再维持强的上升气流使云顶升高，因此云顶亮温回暖、面积减小，但偏心率在增大。15:30以后系统逐渐减弱消散。

3.4   合并过程对系统发展的影响

从以上分析可以看出，5个阶段性的对流云、对流强中心合并过程后，云图上均出现了不同程度的变化，主要有面积增加、云顶亮温下降、冷云区比例升高、亮温梯度增大等。如08:00多个对流单体合并过程不仅形成了一个尺度更大的对流系统，而且使得云顶最低、平均亮温突降、冷云区比例显著升高以及偏心率增大；09:30左右发生的对流系统合并，使得已经回暖的云顶再次降温；10:00—10:30之间新旧对流系统合并，使得云团结构变得更加紧密，等温线更加密集；11:30—12:00新旧对流系统相互作用后，也出现了面积增加、平均亮温升高、最低亮温下降、冷云区比例升高的现象；13:30—14:00两个强中心合并，使冷云区偏心率增大，云区面积增速加快。

合并后云图上的变化可以归纳为以下5个方面：云顶平均与最低亮温降低、云区面积增大、冷云区比例升高以及云团结构变密实、温度梯度变大。云顶亮温反映了对流云发展的高度，亮温越低云顶高度越高。平均亮温降低表明整个对流云顶都在升高，而最低亮温的下降则说明了系统中对流运动最旺盛的部分发展，引起了云团最高云顶升高。云区面积增大则存在两种可能：对流系统发展导致积云不断扩大、云粒子随高层气流不断向下风方扩散形成大范围的卷云砧。从云图上来看，这次过程中，并未在对流系统的下风方出现明显的云砧，因此面积的增加表明系统在发展。冷云区比例代表了云区中低温部分的多少，比例越大说明云团中有更多的部分处在较高的高度，这势必会引起低温中心到云区外围温度变化剧烈，这与温度梯度增大所代表的含义相同，都说明系统云体比较陡峭，也反映系统中存在较强对流上升气流。因此，面积和冷云比例变大以及温度梯度变大，均说明对流系统在增强发展。云团结构变密实，则从云团外观纹理上说明了对流在增强。因此，云图上5个方面的变化都说明，合并后对流系统进一步增强与发展。

另外，08:30—15:00云团的最低亮温一直维持在200 K以下，且与合并过程相对应的出现几次小幅波动。在卫星云图上出现合并后，已开始升高的云顶亮温，出现了再次下降，造成了最低亮温的小幅波动。由于最低亮温代表对流系统发展的最大高度，几次亮温波动反映了本已开始下降的云顶再次升高，对流系统从云顶降低的减弱趋势转变成为了云顶升高的增强发展。因此，可以说合并过程使得已开始减弱的系统再次增强发展，并使得整个对流系统的生命期得到延长。

以上分析表明，合并过程使得对流系统增强，并延长了系统生命期。

4.   对流云合并的可能机制

关于对流云合并的机制，Orville等^[22]和Takahashi等^[23]都认为是由于云下层气压场梯度明显或者出现扰动所致。黄美元等^[9]则认为除气压场影响外，相邻两云下沉气流引起的辐合抬升作用也是促使对流云合并的主要原因之一，而且气压梯度力只是在云开始合并初期起作用；两相邻云块上升气流的共同作用使得云块之间下部形成低压区，在气压梯度力作用下两云下部相互延伸而连接，并连接云下层的下沉气流，促使两块云之间形成辐合抬升, 构成合并云的环流流场，形成对流云合并。另外，付丹红等^[1]通过个例模拟结果，提出降水性强单体合并可以分为两种：① 一个单体降水形成的强下沉气流加强了另一个单体的上升气流的同时, 在单体间还因地面辐合产生上升气流，产生了云桥，实现合并；② 由于云体的扩大导致与另一云体的连接，最后实现流体动力场合并。

从以上研究可以看出，对流合并过程的影响机制可以归结为内部动力结构变化和外致碰撞合并这两大类。其中下层气压梯度力、辐合抬升以及下沉-上升环流的加强，均认为是对流系统内部动力结构变化所致；而因为云体扩大发展导致与另一云体相连接引起的合并过程，则认为是在外力作用下使得两云体相遇碰撞所引起。

由图 1可知，12:00对流云合并区域南端，在700 hPa高度上存在着一条东西向的切变线。切变线的存在，会使得距切变线距离不同的对流系统因移动速度的不同而相遇合并。从图 4可以看出，06:38云图中的对流单体，在1.5 h左右以后 (08:00) 因为移动发展而聚集在了一起，因此外致碰撞合并是此时对流合并的主要机制。另外，从增强云图 (图 4) 也可以清晰地看到，07:30—09:30对流系统A不断向南移动，并最终与移动缓慢的对流单体D合并，这也属于外致碰撞合并。

10:00—10:30和11:30—12:00发生的两次合并过程，均属于新旧对流系统之间的合并。图像上合并过程中并没有出现明显的移动特征，因此内部动力结构变化是这两次合并的主要机制。10:00—10:30对流系统E和G合并，由于在合并过程中未出现云桥，在两对流之间的区域，也未出现足以形成对流性云桥的辐合上升运动。因此，由于处于不同的生命期，而在E和G之间形成的下沉-上升环流以及增强效应是这一合并的主要机制之一。相比较而言，11:30—12:00对流系统F和H间合并，以及对流系统I和K间合并过程中，都出现了起到连接作用的云桥。因此，合并的两云团间势必存在着较强的对流性上升运动。而对流性上升运动的产生离不开地面气流的辐合上升，故这两次合并过程的主要机制为地面辐合抬升运动。

考虑到研究区域内地形高度差异较大，因此使用24 h的气压变化值来进行地面气压场分析。从图 7可以看出，10:00对流系统G和F均处在地面24 h正变压区内，而对流系统E和对流单体H对应的地面24 h变压数值较小，接近于0。1 h以后对流系统E (合并以后为对流系统I的西南部) 和对流单体H (合并以后为对流系统J的东北部) 对应的地面日变压明显增大。显著增大的24 h变压说明这两个区域内地面气压正在快速升高，雷暴高压正在形成。这说明在10:00，对流系统E和对流单体H地面并没有高压存在，而此时对流系统G和F地面存在强度不同的高压。因此，在对流系统E和G以及对流系统F和对流单体H之间存在一定的气压梯度。而当11:00系统合并后，E和H地面高压形成，这种地面气压差也随之减弱消失。可以认为地面气压差引起的气压梯度力及其作用也是对流系统E和G以及对流系统F和对流单体H合并的主要因素。

图  7  2010年8月7日10:00和11:00卫星红外云图与地面24 h变压叠加图

(黑线表示变压大于1 hPa；白线表示变压小于-1 hPa)

Figure  7.  Satellite image with 24 h surface pressure change at 1000 UTC and 1100 UTC on 7 Aug 2010

(black isolines: 24 h surface pressure change more than 1 hPa; white isolines: 24 h surface pressure change less than-1 hPa)

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对于13:30—14:00两个对流强中心的合并过程来说，由于两强中心已处在统一对流系统中，中心的合并可以看作系统内部动力结构的一个调整过程，因此这一合并无特殊机制。

5.   结论

本文利用气象卫星资料，对舟曲特大泥石流天气过程中的对流云合并现象进行监测分析。通过分析发现，这是一次典型的多单体合并形成中尺度对流系统并不断发展的强天气过程，具有以下几个方面的特点：

1) 700 hPa切变线北侧山区生成的对流单体，与切变线距离不同，其移动速度也不同：离切变线越远，移动速度越快。这就使得多个对流单体在邻近切变线聚集，且由于对流单体间的相遇碰并而形成了尺度更大的中尺度对流系统。

2) 中尺度对流系统的发展过程中，在5个阶段内出现了对流云合并现象，系统经历了多次“减弱-增强”的起伏式发展，从而使整个系统的生命期得到延长。

3) 5个阶段的对流云、对流强中心合并过程可分为同时期发展的多个单体合并、新旧对流系统合并以及对流强中心合并3种。系统形成阶段为同时期发展的多个单体合并，系统维持阶段出现了多次新旧对流系统合并，维持着中尺度对流系统的继续发展；当对流系统进入减弱消散阶段前，出现了系统中两个强中心的合并。因此可以认为多个单体合并形成了中尺度对流系统，新旧对流系统合并使中尺度对流系统得以维持，而强中心合并则意味着合并过程的完成以及整个系统由于缺少合并作用而即将减弱消散。

4) 对流云团合并后，在云图上有5个方面的变化：云顶平均与最低亮温降低、云区面积增加、冷云区比例升高以及云团结构变密实、温度梯度变大等。这些变化特征都表明合并以后，对流活动增强，且延长了整个系统的生命期。

5) 过程中引起对流合并的机制可以归结为内部动力结构变化和外致碰撞合并两大类。其中，在系统形成阶段，外致碰撞合并是主要机制；而在发展维持阶段，包括气压梯度力、辐合抬升、下沉-上升环流的加强等内部动力结构变化影响，是发生合并的主要原因。气压梯度力和辐合抬升是导致合并系统间出现云桥的主要原因，而下沉-上升环流的加强，则是新旧对流系统无 (云) 桥合并过程的主要成因。