华北夏季入海中尺度对流系统的时空分布及环流特征分析

Spatiotemporal distribution and circulation characteristics of offshore⁃propagating mesoscale convective systems over North China during summer

摘要

利用2016-2018年夏季华北多部S波段业务雷达拼图数据、GPM⁃IMERG （Integrated Multi⁃satellite Retrievals for Global Precipitation Measurement）卫星海陆掩码数据，研发了一套基于下垫面属性动态变化的中尺度对流系统（Mesoscale Convective System，MCS）入海客观识别标准，并在此基础上统计分析了入海型与非入海型MCS的活动特征，揭示了华北入海MCS在环流背景及环境驱动机制上的南北差异，取得了以下基本结论.（1）建立的客观识别标准能有效捕捉MCS跨越海岸线的动态过程.统计发现，入海型样本具有“低频而高强”的特征.（2）入海型MCS发生时，华北处于200 hPa高空急流入口区右侧的强辐散区，对流层中低层表现出更强的斜压性，且环境场具有显著偏高的MUCAPE （Most Unstable Convective Available Potential Energy）和垂直风切变，为对流的组织化维持提供了有利条件.（3）华北MCS入海驱动机制存在显著的南北差异：渤海北区域属于“动力引导型”，受500 hPa短波槽引导，700 hPa槽后干冷空气南下增强了层结不稳定，强垂直风切变通过平衡冷池出流维持系统向东南入海；渤海南区域则属于“暖湿输送型”，受700 hPa强盛西南低空急流驱动，急流不仅提供引导力，更源源不断地输送能量与水汽，支持系统在暖湿背景下向东北方向延伸.本研究不仅提升了对海陆过渡带对流系统演变的物理认识，也为今后有关MCS入海演变机制的研究提供了技术基础和新的思路，为沿海强对流天气的业务预报提供了客观依据.

Abstract

Utilizing summertime multi⁃S⁃band operational radar mosaic data (2016-2018) over North China，GPM⁃IMERG (Integrated Multi⁃satellite Retrievals for Global Precipitation Measurement) satellite land⁃sea mask data，this study develops a set of objective identification criteria for offshore⁃propagating MCSs based on dynamic underlying surface properties. Building upon this，the statistical characteristics of offshore⁃propagating and non⁃offshore⁃propagating MCS are analyzed，and the north⁃south differences in the large⁃scale circulation background and environmental driving mechanisms for offshore⁃propagating MCS over North China are revealed. The principal conclusions are as follows.(1) The established objective identification criteria effectively capture the dynamic process of MCS crossing the coastline. Statistics show that offshore⁃propagating MCS samples are characterized by being "less frequent but more intense". (2) During the occurrence of offshore⁃propagating MCSs，North China is located within a strong upper⁃level divergence area to the right of the 200 hPa jet entrance region. The mid⁃to⁃lower troposphere exhibits stronger baroclinicity，and the environmental fields feature significantly higher Most Unstable Convective Available Potential Energy (MUCAPE) and vertical wind shear，providing favorable conditions for the organization and maintenance of convection. (3) Significant north⁃south differences exist in the driving mechanisms for MCS offshore propagation over North China: The northern Bohai Sea region belongs to the "dynamic guidance type"， where systems are steered southeastward into the sea by a 500 hPa shortwave trough. Post⁃trough dry，cold air advection at 700 hPa enhances convective instability，and strong vertical wind shear helps balance the cold pool outflow，sustaining the system's offshore propagation. In contrast，the southern Bohai Sea region is characterized as the "warm⁃moist advection type，" driven by a robust 700 hPa southwesterly low⁃level jet (LLJ). The LLJ not only provides steering but also continuously transports energy and moisture，supporting the system's northeastward extension within a warm and moist background.This research not only advances the physical understanding of convective system evolution across the land⁃sea transition zone but also provides a technical foundation and new perspectives for future studies on the mechanisms governing MCS offshore evolution. Furthermore，it offers objective guidance for the operational forecasting of severe convective weather in coastal regions.

Graphical abstract

关键词

中尺度对流系统 / 入海判定 / 华北地区 / 渤海南北差异 / 入海驱动机制

Key words

mesoscale convective system / offshore propagation identification / North China / north⁃south differences over the bohai sea / offshore driving mechanisms

中尺度对流系统（Mesoscale Convective System，MCS）是造成全球大部分地区暴雨^［1］、雷暴大风、冰雹等灾害性天气的直接天气系统^［2-3］.我国地处东亚季风区，夏季盛行东南季风，水汽充沛，MCS活动极为频繁.特别是在我国经济最发达、人口最密集的东部及南部沿海地区，MCS引发的极端天气事件常造成巨大的经济损失和人员伤亡.

MCS的移动和演变受到大尺度环境流场和下垫面性质的共同影响.在沿海地区，MCS的生命期往往涉及一个关键的转折点——入海过程，即从陆地生成后向海洋移动跨越海岸线的过程.这一过程伴随着下垫面物理属性的剧烈变化，可能导致MCS的强度、结构和移动速度发生非线性的突变.例如，一些在陆地上逐渐减弱的MCS一旦移入暖湿的海洋上空，可能因为获得新的能量供给而重新加强，甚至发展为长生命期的准静止对流系统；反之，某些MCS入海后可能因失去陆面加热或遭遇冷海面而迅速消亡.因此，深入研究MCS的入海过程及其演变规律具有重大的科学意义与迫切的现实需求.

自Maddox^［2］在1980年首次定义中尺度对流复合体（Mesoscale Convective Complex，MCC）以来，国际上对MCS开展了广泛的研究.Fritsch et al^［4］和Laing and Fritsch^［5］普查了全球MCS的分布，指出MCS是暖季降水的主要贡献者.Houze^［3］系统地总结了MCS的组织模态，包括弓形回波、飑线等，提出了层状云区与对流区相互作用的动力学模型.

在中国，陶诗言^［6］较早地系统研究了中国暴雨与中尺度系统的关系.随后的研究表明，中国MCS的发生发展具有显著的地域特征.在华南前汛期，MCS多与季风低压和低空急流相关，具有暖区降水特征^［7-8］；在江淮梅雨区，MCS常沿梅雨锋组织成线状，并伴随长时间的列车效应^［9］；在华北地区，MCS的触发多与高空冷涡、槽线以及地形强迫（如太行山、燕山）有关，常表现出午后触发、夜间加强的特征^［10-11］.

下垫面的不均匀性是影响MCS发展的重要因子.海岸线作为一种显著的中尺度非均匀强迫源，通过海陆热力差异（海陆风）和摩擦差异，对对流的触发和传播起重要作用.Kingsmill^［12］研究发现，海风锋与阵风锋的碰撞是沿海对流触发的重要机制.Lombardo and Colle^［13］针对美国东北部沿海准线性对流系统（Quasi⁃Linear Convective Systems，QLCSs）的研究是该领域的经典工作.然而，他们的MCS样本来源于人工识别，并且没能提出一套客观的MCS入海识别方法及判定标准.在西非地区，有研究表明沿海地形和陆海热力对比导致了离岸传播的MCS频发，这些系统往往在移入大西洋后发展为热带扰动甚至台风的胚胎^［14］.

华北地区的相关研究多关注太行山地形对对流的触发作用^［15］、冷涡背景下的组织化对流特征^［16-17］以及渤海湾的海风锋向内陆推进触发对流^［18］，但对于入海的MCS，缺乏系统性的统计.特别是关于MCS入海的客观识别技术，目前尚无通用的标准.此外，对于渤海这一半封闭内海，其南、北两侧环境背景迥异（北部近西风带，南部受季风影响大），目前尚不清楚是否存在不同的入海机制.

为了探究MCS入海的统计规律，本研究利用多普勒天气雷达数据、卫星海陆掩码数据及ERA5再分析资料，发展了一套能客观识别MCS入海过程的技术，并对我国华北地区2016-2018年夏季（6-8月）的样本进行了统计分析，拟解决以下两个科学问题.一是如何客观识别MCS由大陆进入海洋（即“入海”）的过程，包括如何量化MCS的海陆属性以及如何选择科学的标准来确定MCS开始入海和完全入海的关键节点.二是“入海”与“非入海”两类MCS的统计特征有何差异.特别是渤海湾南、北两侧生成的MCS入海的环境场特征有何差异以及有利于系统入海的环流形势或主导系统是什么.

1 资料与方法

1.1　资料介绍

采用的观测资料为2016-2018年夏季（6-8月）华北地区九部S波段多普勒天气雷达站（China New Generation Doppler Weather Radar，CINRAD）资料，包括营口（9417）、大连（9411）、秦皇岛（9335）、天津（9220）、石家庄（9311）、荣城（9631）、青岛（9532）、滨州（9543）和濮阳（9393）.尽管S波段业务雷达的反射率因子探测半径可达460 km，但考虑到远距离波束展宽及低层地形遮挡对MCS结构识别的影响，本研究选取各雷达站点200 km半径范围内的雷达基数据进行拼图，以确保对流系统精细结构的可靠性.以上雷达在体积扫描模式（Volume Cover Pattern，VCP）下，约每6 min完成一次含0.5°~19.5°共九个仰角的扫描序列.雷达站点的分布如图1所示，探测范围基本覆盖了山东半岛和辽东半岛的沿海区域及海岸线.

本研究利用欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium⁃Range Weather Forecasts，ECMWF）发布的第五代全球大气再分析数据集ERA5^［19］ （ECMWF Reanalysis v5，ERA5； Hersbach et al^［20］）开展分析.采用空间分辨率为0.25°×0.25°、时间分辨率为1 h的ERA5地面单层数据（Single Levels）及气压层（Pressure Levels）数据为本研究提供时空高度一致性的环境场背景.

1.2　MCS的识别

针对MCS的识别，目前的研究通常依据所选取的雷达资料精度及目标天气系统的尺度特征进行主观判定，或设定差异化的判定阈值.Meng et al^［11］在华东地区飑线的研究中，采用了与Parker and Johnson^［21］类似的判定准则：（1）反射率因子大于等于40 dBZ，水平尺度不低于100 km且持续3 h以上的连续或准连续回波带；（2）该40 dBZ强回波区呈线状或准线状分布，并具有明显的共同前缘.这一标准也在Luo et al^［7］有关华南前雨季MCS的研究中取得了良好的效果.相比之下，为了覆盖包括细胞状风暴在内的更广泛的对流形态，Xue et al^［22］在统计华南暖季MCS时采用了“反射率因子大于等于10 dBZ，面积不低于36 km² 且持续1 h以上，期间最大反射率强度不低于30 dBZ”的标准.结合本研究区域以及关心的科学问题，MCS的识别标准定义如下：雷达组合反射率因子大于等于30 dBZ，在任意方向延伸超过50 km，总面积不小于1000 km²的连续带，且上述特征需维持至少2 h.本研究有关MCS的各项特征判定标准详见表1.

基于以上标准，本研究利用多普勒天气系统中涡旋识别算法，按照以下步骤对MCS进行识别与追踪.

（1）对多普勒天气雷达站的基数据进行质量控制与预处理.采用美国俄克拉荷马大学（The University of Oklahoma，OU）强风暴分析与预报中心（Center for Analysis and Prediction of Storms，CAPS）由Xue et al^［23］开发的高级区域预报系统（The Advanced Regional Prediction System，ARPS）的雷达处理模块（88D2ARPS），执行非气象回波滤除、径向速度退模糊等操作，将雷达数据从原始的极坐标格式插值转换到统一的笛卡尔坐标网格上，插值过程采用兰勃特正形投影的ARPS网格，具体网格设置为363×223个格点，网格中心位置为（118.5°E，32.8°N），水平分辨率为4 km.

（2）雷达组合反射率的生成.利用反射率拼图模块（RADMOSAIC）生成具有高时空分辨率的组合反射率场，拼图时间分辨率为6 min.对于生成的组合反射率场，依次进行均值滤波和强对流区的识别与边界拟合.根据强对流区的拟合结果以及Carvalho and Jones^［24］发明的最大空间相关追踪技术，完成对MCS的识别与追踪，输出MCS的生成时间、位置、面积、长轴长度等信息.

1.3　台风影响的筛除

台风与MCS在生成发展的过程中存在密切的相互影响.台风作为强烈的热带气旋，其外围环流和风场可以直接影响MCS的生成和发展，台风还可以为MCS提供能量和水汽，改变大气的稳定性和湿度条件，从而影响MCS的强度和移动路径^［25］；相应地，MCS中的对流活动也可以为热带气旋提供能量和水汽^［26］，有助于热带气旋的增强.在热带气旋生成的前期阶段，MCS的增多有利于热带扰动的增强，而在生成的中后期阶段，MCS的合并和结构紧凑化可以加快热带气旋的生成速度.

本研究重点关注的是华北地区陆地生成的MCS能否入海的问题以及台风的外围风场会对MCS的移动、发展带来显著的影响，因而需要排除这类与热带气旋（台风）相互作用影响的MCS.为此，对于识别出的所有MCS，我们利用IBTrACS v04 （International Best Track Archive for Climate Stewardship）数据库中的联合台风预警中心（Joint Typhoon Warning Center，JTWC）数据集作为判定台风影响范围的资料.将2016-2018年夏季华北区域内，系统中心距离台风中心小于对应时刻平均RAD34 （34 kt风速半径，热带气旋中心到其四周风速达到或超过34 kt的最远距离）的MCS个例全部剔除，构建了符合本研究要求的总样本库.最终在华北地区共识别出142例MCS.

1.4　MCS的入海判定

要客观判定MCS从陆地移动入海的过程，关键在于对MCS下垫面属性的精准描述.华北地区东临渤海与黄海，与山东半岛和辽东半岛环抱，形成了独特的半封闭海域，海岸线走向曲折多变.NCL中的海陆掩码数据能够对包含海洋、陆地、湖泊、岛屿等下垫面进行细致的分类，但分辨率较低，且过于复杂的分类将仍无法量化移动入海过程的起止节点.相比之下，来自GPM⁃IMERG （Integrated Multi⁃satellite Retrievals for Global Precipitation Measurement）的 Land⁃Sea⁃Mask数据文件空间分辨率更高（0.1°×0.1°），且以简洁的百分比形式表示网格的水域面积占比，对于MCS这种结构属性在入海过程中迅速变化的系统，后者能更高效、准确地刻画出其下垫面属性的变化趋势.因此，本研究把包含MCS信息的ARPS网格插值到GPM⁃IMERG的海陆掩码网格，将MCS对流区域内所有网格的Land⁃Sea⁃Mask平均值定义为MCS的水域面积占比（以下用“lsm”表示），lsm=\mathrm{100}时表示全部为水域，lsm=\mathrm{0}则表示全部为陆地.

对于GPM⁃IMERG海陆掩码数据，官方总结出以下结论：定义海洋的典型百分比阈值是100%（严格的开阔水域）或75%（包括向海的沿海区域）；定义严格陆地的典型百分比阈值是25%或15%，如果百分比设置得过低，可能会将拥有大量湖泊和水库的湿润地区错误地识别为水体.由于MCS入海是一个连续的过程，期间lsm应当有明显的增长趋势，且研究区域内的渤海湾和莱州湾的海岸线十分复杂，根据单一时次lsm的大小来判断MCS入海与否存在较大不确定性.为此，本研究提出n，v1，v2，v3四个参数，当lsm连续n个时次大于等于v1时，表示MCS开始入海；当lsm连续n个时次大于等于v2时，表示MCS完全入海.若MCS能完全入海，即为入海型MCS，反之为非入海型MCS.此外，不同MCS完全入海的生命节点不同，有的MCS可能在生命期的最后时刻才完全入海（如最后1~2个时次lsm才超过v2），但若lsm能达到接近100%的较大值v3，也应当视为入海型.基于以上的结论与设想，本研究对n，v1，v2，v3这四个参数进行了一系列阈值测试，最终提出以下MCS入海判定标准：若自t1时刻起，MCS连续三个时次（即连续半小时）满足lsm≥25，判定MCS开始入海（t1时刻为MCS开始入海的时刻）；在t1时刻后，若自t2时刻起，MCS连续三个时次满足lsm≥75，或满足MCS水域面积占比的lsm（最大值）≥90时，判定MCS完全入海，t2时刻为MCS完全入海的时刻（当仅满足lsm（最大值）≥v3时，首个lsm≥v3的时刻为完全入海时刻）.

综上，本研究对入海MCS的识别步骤如下.

（1）生成MCS生命期lsm时间序列，这是实现入海客观判定的基础.将包含MCS信息的ARPS网格插值到GPM⁃IMERG的海陆掩码场网格，从MCS生成时间起，逐时次计算MCS对流区域范围内的lsm，直至MCS消亡，由此为所有MCS构建了独有的下垫面水域覆盖率时间序列.

（2） MCS的源地分类与内陆MCS的筛选.本研究关注的“MCS入海”，是指在距海岸线仍有一定距离的陆地生成的MCS（后称内陆MCS）穿越海岸线，并移动进入海洋的过程.因此，根据MCS生成时刻的lsm，可以将其分为“陆地生成”和“海洋生成”两类.参考入海判定标准，MCS源地分类标准如下：若MCS初始三个时次满足lsm（平均值）≥75，或满足初始三个时次的lsm（最大值）≥90，则为海洋生成类MCS，反之则为陆地生成类MCS.值得关注的是，对于海岸线附近生成的MCS，其初生时的lsm已经达到开始入海的阈值，且往往迅速入海，不易观察入海前后的特征变化.本研究将采用“MCS初始三个时次，25≤lsm（平均值）≤75”的标准剔除这类海岸线附近生成的MCS.此外，GPM⁃IMERG的海陆掩码数据只能反映下垫面的水域占比，无法分辨淡水水域与海洋.因此，当内陆MCS移动至湖泊、江河上空时，会出现虚假入海现象.对这类特殊个例，本研究借助MCS的生成位置图，辅以手动检查进行剔除.

（3）根据入海判定标准，对内陆MCS逐一判定.

最终，在2016-2018年夏季华北地区共识别出142例MCS，包括海洋生成类25例，陆地生成类117例.陆地生成MCS中共34例为入海型MCS，83例为非入海型MCS.

2 华北地区入海型与非入海型MCS的统计特征

2.1　入海型和非入海型MCS的活动特征

基于MCS识别方法与入海判定标准（见1.2和1.4），对华北地区2016-2018年夏季的MCS进行统计.共识别出142例MCS样本，包括海洋生成类25例和陆地生成类117例（已进行内陆MCS筛选），陆地生成类MCS中共34例为入海型MCS，83例为非入海型MCS.入海型MCS占陆地生成类MCS的比例（后称“入海比例”）为29%（图2）.

图3为入海型（简写为“LS”）与非入海型（简写为“LO”）MCS的触发位置，揭示这两类MCS在华北地区的触发频率呈非均匀性，体现出显著的边缘地形效应.对于LO MCS（图3a），高频触发区主要集中在114°~118°E，36°~41°N区域，尤其是在太行山东麓与燕山南麓的平原交界处.这表明地形动力强迫（如偏南暖湿气流受山地阻挡抬升）是此类系统触发的核心因子，但受限于大尺度动力背景的持续性不足，系统多在山前平原原地消亡.LS MCS（图3b）主要分布在河北东部平原、天津及山东半岛北部，其触发位置相对LO MCS偏东且更为集中地分布在渤海湾周边.这种分布特征一方面缩短了系统到海岸线的地理距离，另一方面反映了夏季渤海湾海陆风环流与背景风场耦合对对流的增强作用以及对入海的引导作用，使MCS更容易在消散前维持强度移动进入海洋.此外，LS MCS在117°E以西的内陆触发极少，同范围内仅为LO MCS的8.3%，这表明在内陆跨越长距离入海的MCS在统计上属于少数个例，需要更严苛的环境条件支撑.

图4展示了两类MCS夏季逐月的生命期、最大强度（对流区域内强度前20%的格点平均值）和最大面积的统计特征.LO MCS的夏季平均生命期为6.10 h，LS MCS的则为7.63 h，LS MCS的平均生命期比LO MCS的长25%.在最大强度方面，LO MCS的平均值为50.86 dBZ，LS MCS的为51.06 dBZ，后者仅比前者高出0.5%.两类MCS的最大面积特征与生命期类似，LS MCS的显著高于LO MCS.LO MCS的平均最大面积为1.29×10⁴ km²，LS MCS的为1.55×10⁴ km²，比LO MCS高出20%.

综上分析，在华北夏季，MCS无法入海并非因其爆发强度不足，而是由于其系统尺度较小、生命期较短.LS MCS虽然不超过总样本的30%，但凭借长寿命和大面积的组织化特征，且对流触发位置距离海洋的路径较LO MCS更短，为最终移动入海提供了有利条件.

值得关注的是，LS MCS在移动方向上相比于LO MCS具有明显优势.图5b显示，华北地区的LS MCS多数进入渤海，少量进入黄海.由于渤海海岸线蜿蜒曲折，辽东湾、渤海湾、莱州湾构成一个“C”形海岸，这意味着从渤海沿岸不同方位入海的MCS，其移动方向必然有所不同.渤海湾以北的LS MCS普遍遵循东偏南的移动方向；渤海湾以南的LS MCS则以东移分量为主，且除青岛附近出发的几例样本外，大部分还具有微弱的北移分量.然而，在两类MCS移动方向玫瑰图（图5c和图5d）中，LS MCS与LO MCS的平均移动方向皆为东偏东南，LS MCS移动方向的区位差异并未得到体现.因此本文以38.7°N（渤海湾中部纬度）的纬线为分界，将触发位置位于分界线以北的MCS称为渤海北MCS，位于分界线以南的则称为渤海南MCS.经统计，渤海北MCS共62例（占总样本的53%），其中入海样本为19例，非入海样本43例，入海比例为31%；渤海南MCS共55例（占总样本的47%），其中入海样本15例，非入海样本40例，入海比例为27%.

由图5可知，华北地区的MCS的平均移动方向为东偏东南，但对于触发位置在38.7°N南北两侧的LS MCS，其移动方向具有相反的经向移动分量.渤海北的LS MCS平均移动方向为东偏东南，因而能从辽东湾至渤海湾的海岸入海；渤海南的LS MCS具有一定的北移分量，最终进入渤海或黄海；两地区的LO MCS则缺少离岸方向的移动分量，因此在陆地消亡.这种移动方向的差异，也揭示了相同的环境条件对于渤海南北两侧MCS的入海可能带来不同的影响，即两区域的有利于MCS入海的环流特征及环境热动力条件可能不同.

2.2　LO MCS和LS MCS的环流特征及环境热动力条件

图6a，d，g为华北地区LO MCS在对流触发前1 h的环流背景.200 hPa存在显著的高空西风急流，急流轴横贯40°N附近，中心风速超过35 m·s^-1.华北地区（图注中粗虚框所示）主要位于高空急流入口区的右侧，并叠加了明显的辐散场（1×10^-5 s^-1），表明高层存在能够支持对流发展的强辐散抽吸作用.在500 hPa高度上，华北地区处于中纬度短波槽前，受西偏南气流控制，正涡度平流有利于大尺度动力抬升.在中低层700 hPa，华北南部至黄淮地区存在一支强盛的西南低空急流，风速普遍大于9 m·s^-1，部分区域超过12 m·s^-1，其北侧伴随明显的切变线，形成了有利于对流触发的低层动力辐合区（图6d）.这支强盛的西南气流源源不断地将低纬度的暖湿空气向北输送，配合地面暖低压发展，使华北大部分地区地面气温超过24 ℃，热力条件极佳（图6g）.图6j显示了LO MCS发生前的热动力参数，在低层偏南风和高层西风的共同作用下，华北地区存在中等强度的垂直风切变；MUCAPE （Most Unstable Convective Available Potential Energy）呈南高北低分布，MCS生成区附近的MUCAPE值普遍在1000~1600 J·kg^-1，为对流爆发提供了较好的热力潜势.

LS MCS的天气环流特征总体上与LO MCS的相似，均受控于高空急流右侧辐散区、槽前上升运动及低空急流的暖湿输送（图6b和图6e）.然而，从两者的环境场差值对比来看，LS MCS具有更为深厚且强烈的动力配置（图6c，f，i）.LS MCS对应的200 hPa高空急流强度显著更强，华北中南部呈现西风正距平（风速偏强6~12 m·s^-1），且伴有500 hPa气旋性切变异常，这使得高空辐散区范围更广、强度更大，尤其是在华北东部及黄渤海沿岸区域，有利于MCS生成后向东侧海域发展.700 hPa LS MCS同样表现出西南低空急流的特征，但相比于LO MCS，急流中心位置更靠近华北东部的黄渤海海岸，且南风分量明显偏弱，呈现北风矢量异常（与LO MCS相比，大2~4 m·s^-1）.在渤海北侧呈现西北风偏差，槽后的西北气流有利于MCS从渤海北段海岸线入海；在渤海南侧，LS MCS则受到平直西风气流的影响，未观察到明显的北风分量.图6i显示，LS MCS在陆地区域温度比LO MCS高1 ℃左右，但在海洋上以及辽东半岛出现冷偏差.整层气柱水汽含量（Total Column Water Vapor，简写为“TCW”）LS MCS较LO MCS低约2 kg·m^-2.这表明，尽管近地面的东南风（图6g和图6h）给华北地区带来了西太平洋的水汽，但是受到槽后干冷的西北气流影响，总体水汽条件仍然不够充沛.且LS MCS受到700 hPa更深、位置更偏东的低空槽的影响，水汽条件甚至弱于LO MCS.因此可以推测，在这种温度⁃水汽配置下，MCS的入海主要取决于中低层风场的引导作用：对于渤海北MCS，更强的西北气流有利于入海；对于渤海南MCS，西风和西南气流有利于入海.

从环境条件（图6j~l）来看，LO MCS触发时，地面以东南风为主，700 hPa为西南低空急流，因此在整个华北地区表现为西向的垂直风切变.除山东西南的部分区域外，MUCAPE均低于2000 J·kg^-1.LS MCS则表现出垂直风切变在近地面为比较均一的东南风；在700 hPa，渤海北区域为槽后的西北气流，渤海南则为西向垂直风切变西南风或西风.因此，在渤海北，垂直风切变为西北方向；在渤海南，基本是西向的垂直风切变，到莱州湾、威海湾与青岛一带则转为西北垂直风切变，引导移动到该区域的MCS进入黄海.LS MCS的切变强度中心位于渤海中部，超过8 m·s^-1.这意味着LS MCS处于更强的大气斜压性环境中.更强的垂直风切变有利于对流系统的组织化程度提高，使其生命期更长，从而能够支持MCS从陆地长距离移动并存活至入海.LS MCS的MUCAPE呈现南高北低的分布，LS MCS发生时的MUCAPE比LO MCS高出400~800 J·kg^-1，这种高环境不稳定状态更有利于维持深厚对流的发展.

进一步统计LS MCS与LO MCS在对流触发时刻的环境热动力参数分布（图7），结果显示两类系统在概率密度空间中存在显著的分离特征.LO MCS（图7a）的样本主要集中在低不稳定能量、弱切变的左下方区域，核密度高值区紧凑分布于垂直风切变4~8 m·s^-1与500~1500 J·kg^-1内，表明其多在弱动力强迫下局地触发，环境难以支持系统的长久维持.相比之下，LS MCS（图7b）呈现出显著的“高不稳定能量”特征，其分布向右延展，平均MUCAPE达到2002 J·kg^-1，比LO MCS高出39%，但地面至700 hPa垂直风切变与LO MCS接近.这种环境差异表明，LS MCS并非仅仅依赖于强触发机制，更依赖于有利于系统组织化的环境背景；渤海南北的中低层垂直风切变可能有一定差异.

2.3　渤海南北MCS入海的环流特征及环境热动力条件差异

考虑到渤海特殊的海岸线形态及渤海南北MCS移动方向的差异，本研究以38.7°N为界，将华北地区划分为渤海北和渤海南两个子区域.

2.1中的统计结果显示：两子区域的入海样本量、入海比例接近，但LS MCS具有相反的经向移动分量.这种移动路径的差异暗示了支配两类MCS入海的环境背景场可能存在本质区别.

2.3.1　渤海北MCS：高空西北气流引导与冷槽驱动

图8展示了渤海北MCS生成前1 h的环流形势与环境条件.200 hPa上，两类MCS均受较平直的西风气流控制.区别在于，LS MCS的西风急流中心位置较LO MCS偏南，更接近渤海北区域，除了北缘部分区域，均具有更强的西风.北部LS MCS的环境场表现出更强的斜压动力特征.在500 hPa高度上，渤海北区域处于一个加深的高空短波槽前，LS MCS的高空槽位置更接近渤海北区域，且东北冷涡位置更偏南；同时，LS MCS的副高位置也偏南（图8a和图8b），整个区域呈现显著的位势高度负偏差（比LO MCS的位势高度低3~5 dagpm），且伴随明显的气旋性环流异常.这种配置下，槽后的西北引导气流显著增强.正是这支强劲的西北气流，不仅为MCS提供了向东南（即离岸方向）移动的引导力，还引入了中高层的干冷空气. 700 hPa层显示（图8d~f），渤海北区域受气旋性切变控制，有利于冷暖空气在燕山南麓交汇.地面图中（图8g~i），相比于LO MCS，LS MCS在几乎整个区域中表现出温度的负异常（偏低2~4 ℃），水汽含量也显著低于LO MCS（偏低5~6 kg·m·s^-1）.

值得关注的是地面流场，LS MCS与LO MCS都有强度相近的东南风，而在700 hPa上，LS MCS西北风更强.因此，LS MCS相比LO MCS具有更强的垂直风切变（图8l，整体偏高2~3 m·s^-1）.图8j~l进一步从热动力不稳定性的角度揭示了渤海北MCS入海的驱动机制.由于渤海北区域位于500 hPa短波槽后，700 hPa上的西北气流不仅引导了冷空气南下，更将中层干空气叠加在低层相对暖湿的空气之上（尽管相对于LO MCS偏干冷，但海面边界层仍具一定湿度）.这种“上干下湿”的配置虽然绝对水汽含量可能不及渤海南地区，但增强了对流不稳定度.不过，LS MCS的MUCAPE较LO MCS的正偏差十分有限（基本在400 J·kg^-1以下），甚至在北京至保定一带出现负偏差，因此可以推测渤海北MCS入海的关键动力因子在于垂直风切变.LS MCS有强烈的西北向垂直风切变，中心值超过8 m·s⁻¹.根据RKW （Rotunno⁃Klemp⁃Weisman）理论，这种与移动方向（东南）一致的强垂直风切变，能够有效平衡冷池扩张产生的水平涡度，从而维持积雨云的直立发展^［27-28］.这也解释了为何在地面呈现冷偏差且水汽条件相对较弱的背景下，渤海北MCS仍能维持较长的生命期并成功入海，即强斜压动力强迫和深层垂直风切变起到了主导性的组织作用.以上结果表明，渤海北MCS的入海过程往往伴随着冷式切变线的南压，冷空气的强迫抬升作用不仅触发了对流^［29］，产生的冷池外流与强烈的西北向垂直风切变共同迫使MCS向东南方向的暖海面移动.

2.3.2　渤海南MCS：低空急流输送与暖湿强迫

图9为渤海南MCS生成前1 h的环流场与环境条件.在200 hPa，渤海南区域两类MCS仍受较平直的西风气流控制，但渤海南区域位于高空急流区的南侧，LS MCS的200 hPa风速基本低于25 m·s⁻¹，LO MCS的西风急流更加强盛.从高空环流来看，渤海南的西部区域受500 hPa较弱的西北气流控制，东部区域则转为西南气流.实际上，渤海南的LS MCS的源地也基本位于117°E以东（图5b），说明西南气流对于渤海南的MCS入海具有积极的引导作用.然而，这并未提供系统向东北方向的基本引导速度.由于LS MCS的副高位置偏北，500 hPa位势高度场表现出正偏差，没有形成气旋性环流，因此未能使西南气流得到加强.LS MCS的700 hPa风速显著强于LO MCS，且低空急流中心位置更靠近渤海南区域，因此在莱州湾的南部地区出现了约8 m·s⁻¹的西南风.莱州湾南部LS MCS相比于LO MCS也有比较明显的西南风偏差，而在莱州湾北部为西风的正偏差.有趣的是，LS MCS的近地面温度基本在24 ℃以上，整个渤海南区域，LS MCS相比于LO MCS均呈现暖偏差.地面流场（图9i）显示，LS MCS伴随着显著的东南向岸风异常，相比与LO MCS具有更加深厚的南风分量.这支来自东海的东南气流与700 hPa的西南急流在垂直方向上构成了强烈的顺时针旋转风切变，揭示了极强的暖平流输送.图9l的MUCAPE差值场证实了这一点：由于暖湿平流的强烈输送，南部LS MCS生成区的MUCAPE显著高于LO MCS，部分地区偏高800 J·kg^-1以上，垂直风切变呈现比较均一的西南方向.在西南引导气流不够强劲的条件下，这种暖湿气流强迫的不稳定环境^［30］，为MCS的维持以及东移入海提供了充沛的水汽和能量.

综合上述分析，渤海南北两部分MCS的入海机制存在本质差异（图10）.

北部（渤海北）属于“动力引导型”入海.其入海过程主要受500 hPa加深短波槽后的西北气流引导，垂直风切变矢量也与移动方向一致.环境场表现为LS MCS的干偏差和冷偏差，冷空气的南压和西北引导气流共同迫使MCS向东南方向移动进入渤海.

南部（渤海南）属于“急流输送型”入海.其入海过程主要受700 hPa强盛的西南低空急流驱动.环境场表现为深厚的暖湿平流和极强的不稳定层结（高MUCAPE）.西南气流配合地面东南风的水汽补充，使得系统在向东移动过程中不仅不会减弱，反而可能因海洋边界层的暖湿条件而维持或增强.

3 结论

针对目前MCS入海识别技术缺乏、入海活动规律认识不足的现状，本研究利用2016-2018年华北地区多部S波段天气雷达拼图数据、GPM⁃IMERG海陆掩码数据以及ERA5再分析资料，建立了一套客观的MCS入海识别技术，并在此基础上系统揭示了华北入海MCS的统计特征及其环境影响机制.主要研究结论有以下三点.

第一是建立了MCS入海的客观识别标准.针对华北复杂的海岸线特征，本研究创新性地引入高分辨率卫星海陆掩码（lsm）数据，结合MCS的形态追踪，建立了一套基于lsm时间序列变化的客观判定技术.为开展海陆过渡带对流系统的定量研究提供了可靠的技术支撑.

第二是揭示了LS MCS的“低频而高强”及其特殊的时空分布特征.统计发现，LS MCS仅占陆地生成总数的29%，但具有比LO MCS更长的生命期和更大的空间尺度，平均生命期和最大面积分别比LO MCS高出25%和20%，体现出更强的组织化特征.

第三是阐明了渤海南北MCS入海的差异化环境驱动机制.以38.7°N为界，华北MCS入海存在两种显著不同的动力⁃热力配置模式.（1）北部“冷槽驱动⁃动力引导型”.在渤海北区域，MCS入海主要由500 hPa短波槽后的西北气流引导.其环境场具有显著的斜压性，700 hPa 干冷空气叠加配合强烈的深层垂直风切变（西北⁃东南向），使MCS在地面冷偏差和水汽相对较弱的条件下，依靠斜压动力强迫和冷池出流机制向东南入海.（2）南部“急流输送⁃暖湿强迫型”.在渤海南区域，MCS入海主要由700 hPa强盛的西南低空急流驱动.该区域环境具有极高的MUCAPE和深厚的暖湿平流，低空急流不仅作为引导气流将MCS推向东北方向的黄海，更为其在移动过程中提供了充沛的水汽和能量补给，属于典型的暖湿平流主导型过程.

本研究提出的基于动态海陆掩码时间序列的MCS入海识别方法具有较高的普适性.尽管文中设置的判定阈值是针对渤海这一特殊的半封闭“C”型海岸线及华北沿海地区的水陆样态经敏感性试验确定的，但该客观识别方法的核心逻辑，即“利用高时空分辨率的卫星海陆掩码数据量化MCS下垫面属性的演变过程”这一方法框架适用于全球各类海岸线环境.值得注意的是，具体阈值参数（n，v1，v2，v3）的设定高度依赖于海岸线复杂度及数据分辨率.对于平直、开阔的海岸（如华南沿海、美国东海岸），MCS入海过程中lsm通常呈现快速、单调跃升的趋势，此时可适当放宽连续时次要求（如n=2）并提高入海判定阈值（如v1=30，v2=80）以准确捕捉入海节点；对于群岛或峡湾型海岸（如印尼群岛、挪威西海岸），下垫面水域占比在MCS移动路径上可能频繁振荡，单一lsm阈值难以刻画阶段性入海特征，此时需在方法框架中引入空间连续性约束，例如结合MCS几何中心与海岸线的最短距离，或采用动态权重函数对lsm进行空间平滑，以抑制岛屿间水体间断造成的虚假波动.此外，在数据稀疏区域（如部分发展中国家沿海），低分辨率的掩码场可能无法解析中小尺度海湾或岬角，导致入海时刻的系统性偏差.因此，在不同区域应用时，除重新标定阈值参数外，还需结合局地海岸线特点对数据源进行优选.综上所述，本方法提供了一个可扩展的MCS入海识别技术框架，后续研究可针对不同海岸类型建立参数化方案库，进一步提升其全球适用性.

然而，受限于资料和方法，本研究仍存在一些局限.如研究样本的时间跨度有限，仅采用2016-2018年这三年的夏季天气雷达数据，难以建立更长时间序列的入海MCS档案；海陆梯度的精细化刻画不足，使用的ERA5再分析资料水平分辨率为0.25°×0.25°，对于渤海湾复杂的海岸线及海陆风环流的精细结构刻画能力有限.未来可结合高分辨率的中尺度数值模式（如WRF）和更密集的自动站观测，对典型个例进行高分辨率模拟分析.

总之，MCS入海过程是一个涉及多尺度相互作用的复杂科学问题.本研究揭示的渤海南、北MCS的差异化入海机制，为中国北方沿海强对流天气的业务预报建立了清晰的物理概念模型.对于渤海北部沿海地区，需侧重于“动力因子”，即对垂直风切变与西北引导气流的研判；对于渤海南部沿海地区，则需侧重于“热力与水汽因子”，即对暖湿平流与不稳定能量的关注.

本研究提出的方法与主要结论为理解中国北方沿海强对流天气提供了新的视角与物理依据，将有助于提升沿海地区灾害性天气的精细化预报能力.

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基金资助

气象联合基金(U2542202)