AMS百年评述论文译介
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中尺度对流系统研究100年
发布日期 ：2020-06-16
█ 作者：Robert A. Houze, Jr.1（美国华盛顿大学）
█ 摘译：贾朋群 校对：李婧华
摘要：当积雨云聚集、发展成为单一体，带来的降水区水平覆盖几百千米时，就被称为中尺度对流系统（MCS）。这一机制，是地球降水的主要形式，产生激烈天气事件及洪水，生成惊人的卷云砧状云并对大尺度环流的演化产生影响。对MCS内部机制的认识，源于观测技术和模拟的发展。一般的地表和高空观测的时空转换，提供了早期关于MCS 的线索，而更加深刻的认识，来自利用不断增加的高性能雷达，更精准的飞机探测仪器和从没有过的卫星大范围探测，尤其是星载雷达。高分辨率模拟和理论探索表明，聚集的积雨云导致了中尺度环流，环流中出现了尺度大于单体对流上升和下沉气流尺度的气流翻转。这些层深可达数千米，高层MCS 还与边界层脱离。对流层底层冷却和高层加热决定了MCS层云区域的特征。因此，长生命期并拥有大范围层云的MCS具有上部强加热廓线，使得中部生成潜涡，从而影响MCS身在其中的大尺度环流。全球卫星数据表明，MCS的结构因盛行的大尺度环流和地形的不同而有所不同。这些结构也可能随全球变暖而发生改变。此外，环境污染影响MCS的结构和动力细节。MCS的反馈因此需包括在气候模式的参数化中。
1作者通信方式：houze@uw.edu
1. 引言：中尺度对流的启示
当马克·吐温在《哈克贝利·费恩历险记》中讲述乘木筏沿密西西比河顺流而下的故事时，他说到：“在第五个晚上，小船来到了圣路易，半夜以后，雷电交作，大雨倾盆。”1884年马克·吐温在写这部小时前，他已经在密西西比河的船上工作了几年——远比风暴科学研究开始的早，他透露了中尺度对流系统（MCS）经常在下午或晚上在落基山东部形成，并向东移动，在夜间给密西西比河流域带来强降水。这种熟练的河道船工敏锐的观察，预言了美国中部和世界上其他地方对流风暴的本质。我们从此知道MCS不仅限于美国中西部，实际上是全球环流和水循环的重要因子，同时还是世界上极端天气最重要的制造者。我们还从卫星和雷达知道，MCS具有不同形态，这决定于它发生在海上还是陆地，是否靠近山脉，还是在平原地区，位于水汽急流通道上，还是与各种其他环流相关。本评述分门别类讲述我们对这一重要的大气现象的认知，以及这些认知在过去一个世纪里是如何通过气象观测技术进步推动的。
在19 世纪，关于对流的中尺度组织的一些线索也突然被科学界注意到。通过研究一些最初的云照片，苏格兰气象学家Ralph Abercromby与瑞典气象学家Hugo Hildebr and Hildebrandsson（Abercromby 1887;Hildebrandsson 1887）确认了目前被一般称为积雨云的云形状。更早些时候，Luke Howard（1803）将积云定义为在陆地和船只上人眼可见的基本云类型。Abercromby基于对他的照片的研究（这些照片很多是他环球旅行时拍摄的），认为积雨云需要确定“导致阵雨和雷雨的山脉积云”从而将其与“晴天和类似云但多阵雨时的积云”区分开。可能很多人并不知晓，这些最初探索者还确定了积雨云的砧状云。Hildebrandsson描述了这种云的上层：“远远高于巨大山体部分，或者看似一个巨大蘑菇，在顶部有一个平的‘伪卷云’层。”但是，在这个早期阶段，没有卫星、雷达或飞机，很难对如此大范围的风暴给出全面认识。
因此，这些19世纪的文献和早期科学先驱，大多无法认识到对流云能够在如此巨大的尺度上是有组织的。一个例外出现在1883年，美国科学促进会在明尼阿波里斯市召开的一次会议上，爱荷华大学物理学家Gustavus Hinrichs 给出阵风锋背后线性风已知的最早描述，该特点是移过美国中西部整个平原州所有MCS的共同特征。他发现，这些阵风锋延伸数十到数百千米2。他在早就停刊的《美国气象杂志》（American Meteorological Journal）上，用由两部分组成的论文发表了他的研究（Hinrichs,1888a,b）。另一个值得关注的早期研究来自W.J.Humphreys（1914），他以气象物理学教授名义，与早期的美国气象局合作。他推测的风暴结构图中，标记了强雨时段及随后较小降水，但是MCS的主要水平和垂直尺度及环流特征在随后的30年里没有被完全认可。
2. 第二次世界大战及汉密尔顿和阿奇博尔德的杰出研究
二次大战期间在尼日利亚征战的两位皇家空军官员，支持了战时空军作战热带西非气象操作手册的编制（Hamilton and Archbold 1945）。基于飞行员报告、气球探测和地面气象数据，他们确定了以空间上分布大量“干扰线”为特征的对流风暴的中尺度属性。从观测到的事件跨越某个点的速度和持续时间来看，系统带来的降水带的宽度应该在75～150km之间。地面天气报的分析表明，主要风切变线的长度达1000km，且在风暴运动方向上呈向前弓型。这些基本的观测表明，对流在空间尺度远大于孤立对流云的尺度上被组织，然而还是比天气尺度要小很多，即干扰线是中尺度风暴的主要边界。
2他甚至引入西班牙术语derecho，该词目前一般用于描述某些长生命期风暴。
Hamilton and Archbold（1945）的早期论文还捕捉到这些中尺度系统中风暴尺度翻转空气运动的主要特征。图1（a）中给出了他们基于西非地面气象站资料推测出的地面风场分布，图1（b）则为垂直剖面，给出垂直于飑线的云分布和系统相关的空气运动。
Hamilton和Archbold并没有指出这些独特系统的水平和垂直尺度，但从他们绘制的事件图和文中的描述，我们可以得知风变线和垂直于风变线的特征环流宽度的水平范围为中尺度。他们当时没有雷达或其他观测给出对流内部尺度结构。如我们所知，在Hamilton和Archbold研究之后的大多数关于MCS中尺度特征的研究，使用了雷达、飞机、卫星和数值模式给出在图1中描述的由云和环流特征组成系统的细节和变化，然而现代技术并没有改变他们的基本结论。尽管如此，细节是重要的，自从Hamilton和Archbold时代以来，我们已经认识到MCS更多的特征及其在大尺度大气环流中的作用。
3. 中尺度气象形成和1950年代雷达
不幸的是，Hamilton和Archbold关于认识大气对流中尺度组织的基础研究很少被注意到，并且在1945年以后其中的大部分被忘记——或许是作为一般性全球社会动乱和二战后科学社会重组的一部分后果。然而，芝加哥大学教授Byers and Braham（1949）主持的二战后大量雷暴项目中，开展了美国中纬度对流风暴研究。这些研究依然是气象史上规模最大和最具创新意义的外场项目，动用了战后剩余的飞机、雷达和探空，观测俄亥俄和弗罗里达的风暴3。雷暴项目展示了对流风暴中独立的上升和下降气流的特征。这些在雷暴项目中观测到的对流中尺度特征很难解释，因为与Hamilton和Archbold研究的热带对流不同，中纬度对流过程很难用其他因子破解——尤其是俄亥俄的锋面动力学和弗罗里达海风动力学。
3雷暴项目动用22 辆装满设备的货车，包括探空和雷达，以及一些卡车和吉普车。此外还有10 架由“空军资深仪表飞行员”驾驶的Northrup P-61C 黑寡妇飞机，以及来自美国滑翔学会飞行志愿者驾驶员驾驶的滑翔机。尽管观测平台众多，但是使用的仪器依然是原始仪器，因此项目的成果有限。到下一次大规模认识对流试验已经过去了近30 年。
1930年代以来，极锋理论主导了中纬度气旋研究，而研究者的第一次推动是用锋面推理大尺度对流系统。此时美国天气分析广泛认为，中纬度雷暴呈线状排列并与冷锋对应，且时常超前于后者，而这些风暴线沿经线扩展数千千米。应用锋理论推理这些巨大风暴线的一个例子，是那个时代最伟大的气象学者Chester Newton（1950）在雷暴项目中的一次个例研究。他给出图2中展示的雷暴项目在俄亥俄州收集的探空数据剖面分析，图中他按照标准天气锋分析画出等温线，以一阶不连续定义了锋区域（粗线）的边界。基于地表气象观测和极地锋的理念，Tepper（1950）还试图解释锋前伴随风暴线的气压上升，是冷锋引发的重力波并在锋前移动的结果。我们现在知道，这种气压升高主要与风暴冷池下沉气流的传播有关，冷锋前暖区不稳定释放导致的深对流云爆发，因各种天气和中尺度原因能够让云在接近的冷锋前呈线状排列，这就使得仅用标准的天气分析和锋推断难以解释。
当Tetsuya（Ted）Fujita离开二战后的日本加入到芝加哥大学Byers和Braham领导的学院后，分析方法架构发生了改变。在一篇创新论文（Fujita 1955）中，他引入了中尺度气象学的概念，并苦心积虑地将气象观测与时空转换联系在一起，通过制作水平和垂直剖面展示次天气尺度气象结构。正是这样的方法，展示出沿冷锋或锋前雷暴线并非是极地锋概念中的锋，而是在中尺度上各自组织的排列起来的对流体。在今天的词典里，我们可以说他确定了MCS是锋前或锋飑线建立的阻塞。如Fujita指出，“中尺度天气干扰极大地影响了一般天气尺度的形势场，后者大约是中尺度的10 倍，使得进行对流[天气]分析几乎没有可能”。图3给出Fujita推断的MCS概念模型。该模型的一个重要特征是风暴足迹的水平尺度，大约在300km。该模型因此与Hamilton and Archbold（1945）分析得到的热带系统在尺度和空气运动特征上是可比的。Fujita在其1955年论文中对案例的详细分析表明，风暴线就在由概念模型类似的系列单体组成的冷锋前生成，并非像图2中分析的那样是各种极地锋。因为时间序列经常能比常规观测更好地捕捉中尺度事件，时空转换多年来一直是中尺度气象分析的重要方法；值得关注的工作包括Fujita的学生Roger Wakimoto（1982）和Adams-Selin and Johnson（2010）的近期研究等。
4. 雷达气象的出现
即使用更为聪明的时间-空间转化，Fujita也无法展示MCS在更小尺度上的内部结构，这是因为他的中尺度气象方法并非受惠于目标飞机探测，像雷暴计划成功展示的那样，或者来自二战后发展起来并成为过去100年来最重要气象仪器的雷达。雷达气象的开创者之一是相对没有预料到的Herbert Ligda，他先后在MIT、Texas A&M和斯坦福工作，但他在正式文献上很少发表论著。Ligda在Texas A&M工作期间的一个杰出工作，是发现了分别被Hamilton and Archbold以及Fujita描述的同类型MCS的内部结构。图4引自Texas A&M 项目报告，发表在无审阅的滑翔员会议文集上（Ligda1956）。图中用原理图给出了Hamiltonand Archbold（1945）以及Fujita（1955）分析的MCS类型典型雷达回波分布细节令人赞叹的准确分析。图中值得注意的是弱回波细尖线（A）给出了对流线（B）前一点的阵风锋的位置，该锋随运动的东向分量移动，包含了一些强对流要素，每个锋从西北延伸到东南。D标注的是尾随的层云降水区域，通过弱回波带（C）与对流单体线分开。Houze et al.（1990）还没有意识到Ligda隐藏在非标准文献的早期研究，得到了该类型MCS雷达回波类似的概念模型。雷达因此被用来展示由Hamilton、Archbold和Fujita定义的MCS，该系统的水平尺度为数百千米，包括在一些更小尺度上重要的子结构，所有这些在考虑MCS作为天气制作者和更大尺度要素时，都是重要的因素。
评述到这里，我想强调MCS并不总是像Hamilton、Archbold 和Fujita的研究个例描述的那样，以强对流单体线的形式出现，紧跟着层云降水区域。这类风暴经常称为飑线MCS，因激烈而引人关注——过境后被标记为可预报的系列事件：突发风切变（称为“飑线锋”或“阵风锋”），之后是短期强降水或冰雹，再之后是更长时间准稳定的强度较小的层云雨。这样，该类型的MCS就特别适合分析和模拟而被津津乐道。但是，类似尺度的MCS可以表现出多种更为复杂的对流体和层云雨的形势。在Hamilton and Archbold（1945）的研究之后很长时间进行的热带研究已经给出了飑线和非飑线的MCS结构（Leary and Houze 1979b;Houze and Betts 1981;LeMone et al.1998;Kingsmill and Houze 1999;Yamada et al.2010;Barnes and Houze 2016）。在中纬度，Houze et al.（1990）注意到非飑线MCS在俄克拉荷马州的约1/3春季主要降水风暴中可见。
很多基于雷达的MCS 降水的对流/层云分布研究一直以美国中部为主，这就引起了警觉，因为该区域是世界上唯一的，区域内的MCS可能无法代表全球MCS。美国的MCS受到地理因素的重要影响，影响到对流风暴的形成。洛基山脉以西，墨西哥山西南和墨西哥湾以南都是地理特征最显著区域。结合半持续的大西洋副热带反气旋，这些地理特征有利于湜性低层急流形成，从而向该区域的MCS提供暖湿空气。世界上唯一类似区域是阿根廷，那里来自亚马孙地区的南美低层急流，在安第斯山脉的影响下，向位于其西部的MCS 提供暖湿空气。Rasmussen and Houze（2011）发现，南美副热带MCS 的形成过程与美国中部的类似。然而，一般来讲MCS是全球现象，虽然美国中部和南美副热带所见MCS的演化和形状对这些特别地区的预报是有用的，但是在这些区域见到的MCS的一些特征可能无法推广到全球。
考虑到地理差异，我们给出一些基于雷达的美国MCS结构研究的里程碑。虽然MCS中的对流单体并非总是排列成线状，但这种对流线对预报员却具有特别意义。Bluestein and Jain（1985）发现，美国中部深对流单体线的形成有四种方式，但他们并没有考虑单体与MCS中层云降水间的关系。Houze et al.（1990）研究了俄克拉荷马州MCS降水中对流/层云降水的配置。研究的例子在图5a中给出，是Ligda（1957）描述的导线/尾迹层云结构类型。Houzeet al.（1990）将这一类型称为“对称”。但是，图5b中的雷达回波却具有“非对称”形状，其中更强的对流单体位于朝向赤道线的后部，层云区域在线向极地方向的部分的尾迹区。Skamarock et al.（1994）发现不对称结构有利于MCS时间尺度的科氏力作用，这或许是在热带这种非对称不出现（至少对作者而言）的原因。Loehrer and Johnson（1995）以及Parkerand Johnson（2000）进一步研究了美国落基山东部区域中纬度大陆MCS的对称和非对称模型。他们发现最常见的生命期循环的情景是：最初的对流单体线发展成为层云区域，开始为非对称排列，随后演化为对称形状，显然是因为科氏力长时间作用的结果。第二个最常见的演化是，对流线的东北端只有层云降水形成，这时老的单体减弱，新的单体在对流线的西南端形成4。还是在分析了美国中部雷达数据之后，Jirak et al.（2003）发现，源于线状排列对流单体演化形成的MCS，与区域分布对流演化成的MCS相比较，具有生命期更长久、强度更强和生成降水更有效的特点。这一结果可能仅特别针对美国。Schumacher and Johnson（2005）以及Peters and Schumacher（2015, 2016）针对MCS的对流/层云结构，区别了其他变化，尤其是针对引发洪水的MCS。然而，这些作者确定的结构和环流依然与中纬度锋面活动纠缠在一起，后者在洛基山以东区域强烈影响着对流活动。
5. 1960年代到1980年代早期：卫星时代的开始
基于地面的雷达研究，如上节所描述的，最初仅限于区域范围。MCS的全球重要性及其对流/层云结构的认识，随着卫星气象的发展被认识到，因为卫星可以对各种MCS的发生和频率进行全球分析。这样的机会随着1960年第一颗天气卫星发射（Anderson 2010）而到来。最先注意到的事情，是深对流区域中盾状卷云层在范围上是中尺度的。Martin and Karst（1969）以及Martin and Suomi（1972）利用数字化增强可见光图像，可以追踪“云团”的可持续3-6天的轨迹。这些云团是水平尺度3000-7000千米的高云区域，即几乎是天气尺度的特征。但是，早期的研究者还发现，这些云盾中的闪亮核心能持续1-4小时，较云团移动更加缓慢，有时呈现出带状。这些亮核心显然是活跃的对流单体，现在可以定义为MCS。另外一个早期的卫星研究来自Frank（1970），他发现覆盖热带大西洋的云团与天气尺度向东移的波槽系统地联系在一起，后者反过来是热带气象生成的焦点区域。但是，他的研究不涉及云团的次天气尺度子结构。
4这一情况与热带气旋中的雨带相似（Hence and Houze 2008;Houze 2010;Didlake and Houze 2013）。
可见光卫星图仅白天可见，在很大程度上是非定量的。在卫星数据中第一次清晰地确认MCS来自卫星上的红外图像仪，后者能指示云顶温度。利用早期红外图像，Maddox（1980）确定了他称为中尺度对流复合体，或MCS的概念。这些单体被定义为大的、圆形、冷云顶，其红外亮温在大于10万km2 范围（半径178 km）内低于–32°C，并且在嵌入的大于5万km2范围内低于–52°C。阀值–32和–52°C的特别选取源于这样的事实，即在这些业务卫星照片产品上用这些特别的等值线值，就可以描绘出在Maddox经典论文中的MCC（图6）。
随后的一系列论文（由Laing and Fritsch（1997）进行了综合）表明，在全球均以这种方式确认MCC的发生。但是，我们现在知道，MCC是中尺度对流的极端形式。很多支撑大量降水和高影响天气的深对流系统具有的水平尺度，其雨区的范围为水平尺度约100-500km，并不符合Maddox（1980）给出的强冷云顶标准，而且术语MCS一般用于（包括本评述）包括更广泛的中尺度单体，而MCC是其中极端的子集。Anderson and Arritt（1998）还追踪该类分析。他们给出MCC以及类似强度但高层云盾不是圆形而是细长状的MCS的季节和日发生频率的分类信息。
可见和红外图像只是卫星对MCS 研究影响的开始。如我们将在本文后面各节看到，1990年代后期和2000年代，卫星装载雷达，进一步彻底改变了我们对MCS及其全球重要性的认识。但是，我们先需要注意到热带大规模外场试验的重要性。
6. 1970年代：影响长久的GATE
到1970年代，Lorenz（1963）关于可预报性的研究提示了这样一个理念，即如果能够将热带对流更好地参数化，全球天气能够提前到2周做出预报。这一大胆假设需要大型试验以获得热带对流和天气尺度运动相互作用的更好认识，一个雄心勃勃的国际外场计划组织实施。该计划是1974年全球大气研究项目的大西洋热带试验（Global Atmospheric ResearchProgramme’s Atlantic Tropical Experiment，GATE）（Kuettner and Parker 1976），在位于非洲西海岸的热带大西洋东部实施。
GATE的设计是为了同时给出从雷暴项目中记录的对流上升和下沉气流的尺度，到控制热带地区对流的近赤道东风波天气尺度大气运动的性质。这需要通过船载探测网记录大尺度环境，通过船载雷达给出对流结构，用飞机探索中尺度空气运动和云性质采样，以及各种辐射和边界层通量观测。1940年代末的雷暴项目已经表明，多方合作布设这类特殊观测的有效性。在雷暴项目后的数十年里，载有仪器飞机的能力，通过飓风探测进一步得到证明（Dorst2007）。一些规模较小的外场项目包括雷达和/或飞机探测分别在热带太平洋（Zipser 1969）、加勒比海（Holland 1970）和大西洋（Shupiatsky et al.1976a,b）等地取得成功。GATE使得这类外场试验达到空前规模。在热带大西洋东部集结的大气研究资源包括了20个国家，投入了12架大型研究飞机和40艘研究船只（www.ametsoc.org/sloan/gate）。其中的4艘船只组成天气雷达扫描的三维网，在4个月的时间里实施和记录量化反射率数据（Hudlow 1979），还有14艘船只在雷达观测区附近实施探测（Thompson et al.1979）。到试验实施时，地球静止天气卫星进入了轨道，提供开展观测区域云演化环境。GATE协调开展的探测、雷达、飞机和卫星观测让MCS的认识到达新的精确度。
有讽刺意味的是，如Yanai et al.（1973）以及Arakawa and Schubert（1974）所描述的，GATE的试验设计的对流/天气尺度相互作用的概念模型，被发现是在对流上升气流和天气尺度运动之间。因此看来，中尺度对流不被认为是相互作用的一部分。但是，船载雷达网表明，飑线和非飑线MCS都是GATE观测阵列观测到的云团中的重要组成（Houze and Betts1981）， 加密的GATE多尺度观测阵列为MCS研究奠定了基础并延续到今天。GATE研究获得了热力学、降水机制、空气运动、微物理过程、动力、生命期循环阶段、加热过程以及与更大尺度运动间的关系等基础知识。在针对MCS各方面的这些知识在GATE研究中或受到GATE启发被认识到，随着雷达、模拟、卫星遥感等技术进步，以及其他规模小于GATE但目标更加明确、使用更加复杂仪器和包括中纬度地区的外场试验得到进一步加强。本文的下一个主题因此将GATE作为始点，讨论之后主题知识是如何被提炼的。
7. MCS降水：对流/层云范式的普遍性
基于四个船载量化雷达的GATE主要成果，是发现降水有两个主要要素——对流和层云。在GATE之前，热带降水不被认为是层云降水。GATE中的每部雷达都采用倾斜顺序方式作业，即在一系列仰角时天线旋转360°。以这种方式获得的持续回波覆盖显示，当MCS通过一艘船时，短时更强降水具有垂直指向核心形式的雷达回波，而大约40%的降水更为温和，在雷达上为水平指向仅位于0°C 层以下的最大反射率层（Houze 1977; Leary and Houze1979a; Cheng and Houze 1979）。图7原理图中给出大冰粒融化生成的“亮带”清晰地表明大部分降水是层云雨的本质：即空气垂直运动不够强，无法支持降水粒子的垂直对流。倒是冰粒子系统性地向下漂移，进入大面积的轻到中等雨区。图8描绘了来自MCS的水平集中雨（有时称为体积雨）是如何开始为对流性，之后层云雨在演变中介入，并随着时间成为在量级上与对流相当。根据Houze（2014）的研究，层云降水如果云中平均垂直空气运动较冰粒子垂直降落小很多，冰粒子向下漂移、融化并在宽广的区域里成为雨。层云降水形成的一个方式，是当对流区域活跃上升气流减弱时，空中的降水粒子缓慢地脱落（Houze 1997）。这个过程解释了MCS 区域层云如何出现，将在13节进一步讨论。GATE观测到的海洋MCS类型现在依然可以在西太平洋（Petersen et al.1999; Houze et al.2000）、海洋大陆区域（Houzeet al.1981）和印度洋中部（Barnes and Houze 2014,2016）出现。
GATE的研究不仅有海洋MCS，还包括非洲大陆MCS（Fortune 1980;Payne and McGarry 1977）。这些非洲大陆MCS的细节已经包含在各种研究中（例如，Fink and Reiner 2003;Schumacher and Houze 2006;Futyan and Del Genio 2007;Cetrone and Houze 2011;Powell et al.2012），这些研究很好地定义了对流和层云行为主要有走向线/拖曳层云类似。
GATE因此指出了平行于，如第3节讨论的美国落基山东部中纬度MCS结构研究的热带MCS研究的一个方向。与中纬度研究的发现不同，锋和其他正压作用不影响热带MCS的结构。中纬度和热带研究的一个共同特征是深对流区域的升尺度生长，因此降雨覆盖一个中尺度范围，存在与深对流相联系的中尺度层云降水区。
这种对流/层云机制因此也在全球不同区域分别被记录到，且MCS降水总是明显展示出细分为对流和层云区域。星载雷达的发展提供了在全球范围将MCS联系起来的途径。1997年TRMM卫星升空，提供了首个降水三维结构空间雷达观测（在35°N和35°S之间）。TRMM在轨直到2014年，但是同年全球降雨观测（GPM）卫星开始提供类似的雷达观测（在65°N和65°S之间）。美国和日本团队负责日常处理TRMM和GPM雷达数据，将雷达回波区分为层云、对流和“其他”类别。用于TRMM雷达数据对流/层云划分的算法（Awaka et al.1997）基于亮带识别以及Houze（1973）、Churchill and Houze（1984）和Steiner et al.（1995）等的水平纹理分析。绘制TRMM雷达数据（Schumacher and Houze 2003）表明，大约30%—70%的热带降水为层云降水，在陆地比例较低而在海洋上比例较高（图9）。TRMM雷达回波的“其他”类别仅包括了低纬总降水的很小部分（Houze et al.2015）。因为热带层云降水唯一来源，主要是，如果不是唯一的话，源自MCS，图9中的大部分显示，热带潜热加热受到MCS的极大影响（见16、17节针对TRMM的讨论）。
8. MCS内空气运动和热力过程的尺度
GATE带来的另一个概念转变的结果是对MCS中两种下沉气流的认识（Zipser 1977;Houze 1977）。如图7中显示，一种下沉气流是高度局地化并与局地加强的降水联系在一起；其受到凝结水汽重量强迫，在局地可以非常强。空中密度更大的空气形成密度流，其前沿被称为“阵风锋”。另一种类型发生在层云降水区，密度小一些但分布更广泛；它主要由下降凝结水的蒸发驱动，正如最先被Brown（1979）展示的那样，但是也会受到冰粒子下降到MCS中尺度层云下发生升华和融化的影响（例如，Braun and Houze 1997）。MCS中对流和中尺度下沉气流的不同，在Zipser（1977）的GATE研究中被详尽阐述，他展示了两种下沉气流如何将更低相当位温（θe）的空气向下传输，而对流下降气流一般能穿透所有层（图10）。有时下沉气流在层云区形成并向下扩展，与对流下沉气流合并。
MCS中的上升运动也有两种尺度。这一认识在1980年代随着多普勒雷达技术的成熟被证实。早期MCS双多普勒研究之一，是1981年开展的Convection Profonde Tropicale项目外场试验，在非洲西部布设了2部多普勒雷达（Sommeria and Testud 1984）。Roux（1988）给出的MCS对流区域风场双多普勒雷达综合图表明，上升运动单体的尺度为数千米，对应的反照率单体具有类似的尺寸，并叠加在低层下沉密集流更广阔的倾斜上升流区域之上（图11）。类似的双多普勒试验1985年在PRESTORM试验（Oklahoma–Kansas Preliminary Regional Experiment for Stormscale Operational and Research Meteorology，Cunning 1986）中开展，并得到在图12中描述的飑线MCS的概念模型。该模型有时还会引发新的“弓形回波”形式的对流（图13）。飞机探测发现，从上层一致进入的中层气流，下沉到0℃层以下（图14），实际上来自多个方向（图15）。在TOGA COARE试验中，针对完全发展的MCS个例进行了统计（图16）。
9. MCS结构相关环境中的风切变
GATE试验的夏季，在海洋数据区出现明显的两类MCS。这些系统被称为飑线系统（Houze 1977; Zipser 1977）和非飑线事件（Leary and Houze 1979b）。Houze and Betts（1981）描述了这两种系统的GATE观测结果。飑线MCS较其他MCS移动更快，特点是深对流引导线后是大面积层云降水区，后者约占MCS 降水的40%。
GATE试验后，对流单体如何嵌入MCS相对于环境切变的翻转层中上升支流的问题依然存在。在一篇高影响的文章中，Rotunno et al.（1988）描述了飑线如何在切变环境中生成，文章中提出的思想被称为RKW理论，以表示该思想被Weisman（1992） 以及Weisman andRotunno（2004）等的拓展和更新。RKW理论的基本概念是对流单体呈线形，为了平衡与上升气流的正浮力和对流下降气流的负浮力相关的水平涡度而竖立起来（图17a-b）。该线形单体的生命末期，层云区增长，与层云区域的中尺度下降气流有关的附加涡度导致对流向后倾斜（图17c）。当来自层云区域的中尺度下降气流变为非常强烈时，其涡度能推动冷池边界层，在图17中表示的涡度平衡位于主线很靠前的位置并表现为弓状回波，正如图13给出的例子。
这里，再次强调了飑线MCS是所有MCS的子集， 当环境切变不同于Moncrieff-Miller模型时，会出现迥然不同的分布和对流与MCS层云部分相互作用。在很多情况下，MCS的对流单体甚至并不呈线状分布（Houze et al.1990）。Bluestein and Jain（1985）和Parker and Johnson（2000）研究了美国深对流线状结构的个例，发现存在大量形态都与环境切变系统性相关。Parker and Johnson（2000）发现，对流层切变决定了MCS降水云盖到底是在对流线的前面、沿线或后面形成（图18）。
10. MCS下方的边界层和冷池
GATE的成果之一就是认识到热带海洋的MCS改变了边界层的特征。图19a来自Houze（1977），给出MCS前未被打扰的边界层。图19b给出MCS边界层。稳定层盖住了已经进入边界层冷的下沉气流，在图中用200m和400m之间的连续、黑色、波状反射条纹表示。因为这样的冷空气移向温暖的海洋，湍流混合较其前面的MCS更加强烈。图20给出潜热通量分布。
GATE 期间见到的MCS冷池对MCS频繁出现的海洋区域边界层具有重要影响。利用GATE声探测设备，Gaynor and Mandics（1978）估计，北大西洋东部热带复合区任何时候都有30%为冷池。在热带太平洋西部，Young et al.（1995）及Saxen and Rutledge（1998）对船载通量观测的分析表明，航行期间和出现MCS时增加的通量与GATE的发现类似。
11. 抬升的MCS
在中纬度大陆地区，边界层因子有时被忽视，因为MCS 的分层翻转有时完全在半空中，与行星边界层分离开。Trier and Parsons（1993）注意到在PRE-STORM项目的MCC档案中记录到这一现象。Marsham et al.（2010）针对这一“抬升的MCS”给出了一个概念模型（图21）。在这个模型中，MCS压制稳定空气层，位于锋的冷空气一侧或地表夜间冷却生成的稳定层之上。暖的不稳定气流在稳定层之上的运动，使得位于稳定层之上的成熟MCS分层抬升。中层的中尺度下沉气流位于中尺度上升气流之下，如图12所示，但是大部分依然位于稳定层之上，如图21中所描述的。图中还标记了概念模型中MCS下方稳定层的扰动。
显然，用于长期气候预测的气候模式的参数化方法需要根本性的改变，或者计算能力的提升能够运行适合MCS的足够精细网格格距，从而完全解析而称为“云解析模式”，目前该类型模式仅在区域化和有限时长的气候时期内运行（例如，Prein et al.2015,Yang et al.2017,和其他文献）。
12. MCS典型生命期、加热方式和潜涡流的生成
GATE的重要成果之一是认识到MCS经历一个典型的生命循环，这一过程在图22中给出。该生命期已经被随后开展的外场试验证实和更为详尽描述，这些试验使用了卫星图像和船载、机载、海岛和大陆板块的雷达。图22a中显示了单一深对流“单体”的早期阶段，但在现实中，一组这样的“单体”抱团出现才是系统达到中尺度大小的关键特征。这样的组经常呈线状，但单体也可以以其他方式成组。
MCS在其生命期中对大气的加入包括潜热和辐射加热。潜热和辐射加热通过MCS水收支相互关联。MCS的雨水沉降与MCS向大气释放的净潜热热量成正比，而冰云抬升影响高层大气的辐射传输。更进一步，MCS动力和物理影响系统的潜热和辐射加热。GATE和随后由Houze（1982）领导的外场试验认识到，MCS的对流和层云部分的潜热加热随高度的分布有所不同。潜热加热和MCS 的水收支相关。图23给出MCS生命期影响区域面积的总体水收支。对流区域的加热廓线在整个对流层倾向于为正（图24）。有时最大值出现在对流层中部靠下一点，有时更高一些，但是一般都不会到达对流层上层（Houze 1989）。
MCS高重心的加热廓线具有重要的动力意义。大气大尺度环流准平衡气流的常态，是基于潜位涡场调整。当出现非绝热过程，位涡不守恒，更确切地说是受到了空间加热梯度的影响。特别是，潜涡的时间变率直接与加热的垂直梯度成正比。因此，正如可以从图24推断，头重脚轻的MCS加热廓线越多，对大尺度的反馈就越强烈。这个反馈有时在局地以“中尺度对流涡（MCV）”的形式反映出来，这一概念是由Bartels and Maddox（1991）命名的并在图25给出Fritsch et al.（1994）分析的一个例子。
13. MCS对流和层云降水之间的微物理和联系
虽然GATE从针对热带对流的观测平台数量、这些平台投入的仪器等角度看，是一次大规模试验，但数值模拟的复杂性在那时受到了限制，分析者也不得不更多依据推理。唯一的粒子尺度微物理观测是用船载雨滴谱计（Austin and Geotis 1979）和在DC-6飞机上用箔撞击器（Cunning and Sax 1977）得到的雨滴尺度分布。然而，基于这一在GATE试验中层云区融化层之下观测得到的雨滴谱原始信息，Leary and Houze（1979a）推断了GATE的MCS层云区冰相微物理的特征。结合雨滴尺寸观测和定量雷达反射率形态及探测数据，他们得出冰粒子位于层云区融化层之上，很像霜凝结颗粒和/或软雹（图26）。这些推断被改进的技术所证实（Barnes and Houze 2014）。
Houze and Churchill（1987）确定了在不同飞行高度温度可见的能辨识粒子类型出现频率（图27）。他们发现这一频率与云中水汽沉降一致。每层中最频繁的粒子类型与弱上升空气运动的层云中冰粒子的生长、发展和沉降相一致。
1980年代和1990年代，MCS加密观测转向中纬度，在研究降水云系统中开始使用多普勒雷达。1985年PRESTORM项目是使用多台多普勒研究雷达的第一个大型外场试验。利用堪萨斯MCS数据，Braun and Houze（1995）将热力和整体微物理方程应用于双多普勒雷达观测综合得到的空气运动场，反演了MCS冻结和融合状态。他们发现层云区的融化发生在宽度约200km的薄水平层，而冻结则发生在MCS增强活动对流单体对应的垂直气柱（图28）。如12节所述，因层云区中低层融化导致的冷却和对流单体上层冻结气柱都是MCS头重脚轻加热机制的形成因素。
2011—2012年，另一项技术极大地推进了对MCS区域对流和层云区微物理过程的认识，当时双极化S波段多普勒雷达探测在赤道印度洋进行了近4个月的观测以研究MJO（Maddenand Julian 1971,1972），试验名称为MJO动力学（DYNAMO）外场试验（Yoneyama et al. 2013）5。与GATE和MONEX发现的类似MCS在热带海洋区域出现，Barnes and Houze（2014）分析了从双极化雷达数据反演的径向速度和微物理粒子类型的统计结果。利用两次DYNAMO MCS案例得到的数据，他们合成了包括对流和层云区与中尺度气流分布相关的特定粒子类型的形态。层云区域的合成（图29a）验证了GATE和MONEX已经提出的层云区的一般形态（对比图26和图27）。
Barnes and Houze（2014, 2016）也合成了DYNAMO MCS对流区域双极雷达结果（图29b）。对流区域有垂直的软雹柱，在0°C层之上延绵数千米，预示了区域与淞化有关的冻结的发生——与图28一致。
自GATE时代开始就已经明了的是，MCS对流和层云区域的微物理过程并非独立的，而是密切相关的。图30系统描述了这个过程。另一个重要的认识是，活跃对流塔上升并扩展，浮力因素也上升，正如在图31中表示的那样。Yuter and Houze（1995）称这些要素为“粒子源泉”（particle fountains）。
MCS的一个共同和再三被研究的形式是导向线/尾迹-层云飑线（图12），其中粒子源泉要素在上升流前后系统性向后平流输送。因此，弱浮力的扩宽因素和缓慢下降的冰粒子系统地向引导线后部移动，在那里形成层云区的高层部分，如在图32中的描绘。
5CAPE 是位于行星边界层某处未稀释气团被抬升的垂直总浮力。
14. 单独MCS模拟
模拟MCS引导线/尾迹-层云类型的例子由Robert Fovell教授给出，并在图33展示。例子给出了MCS的主要特征：高反射率的垂直塔位于水平轴约340km处的对流带中心；对流带背后是层云区，高亮度带在融化层。水平风场的负值表示风暴前方从低层抬升气流穿过对流区进入层云区。该结果与图12给出的概念模型非常一致。正值表示从风暴后部进入的中层气流，下降到融化层下方，融入对流带阵风锋前端的球形区。模式的雷达反射率场的准确特征依赖于微物理参数化和在计算中所用的雷达模拟器。有关确定MCS云和降水场最准确的表示，一直是热门的研究领域（例如，Morrison et al.2009;Powell et al.2012;VanWeverberg et al.2013,Barnes and Houze 2016;and others）。
15. 动力解释
较为准确地模拟MCS的能力有助于对MCS理论上的认知。然而，这样的基本问题，即“为什么MCS存在？”或“为什么它们偏爱几百千米的尺度？”还等待完美的回答。认识上不足的一个原因就是MCS不易用流体动力学进行解释，这一点与正压不稳定波等的情况有所区别。在几百千米水平尺度，MCS在靠近二维平衡气流和三维湍流气流之间的边界层出现（Tulloch and Smith 2006）。在这个尺度范围MCS的理论解释尤其复杂，因为MCS不是简单的流体动力实体。热力学、云微物理、湍流和可能相关的辐射传输使得大气中存在的MCS的理论解释被复杂化。例如，一个MCS的水平尺度受到云微物理冰相的极大影响。因为MCS系统有对流和层云区域共同组成，其水平面积部分依赖于冰粒子的沉降轨迹（图30）。MCS涉及的最大水平范围也依赖于水汽的持续供给，后者支持了新对流元素的形成，而旧的元素减弱并成为MCS层云区域的一部分，而大多数地形和辐射因子影响水汽供给。
对于典型强低层切变环境，上升气流有覆盖风暴沿倾斜路径上升层组成（图34）。Moncrieff 理论的数学基础，在Houze（2014）中的第9章中进行了概括。MCS模式一般肯定了Moncrieff的层翻转模型（图35）。
数十年后，因MCS动力学使得重力波思想再次被提出。1970年代和1980年代，受到Charney and Eliassen（1964）的“第二类条件不稳定”（CISK）概念的启发，出现了大量文献描述假定的协同相互作用，提出摩擦层复合驱动深对流和相关的加热增强和/或保持暖心气旋。应用这一重力波思想，Lindzen（1974）将波动力和对流云之间的相互作用定义为“波-CISK”，该定义基于非粘性中尺度或更大尺度波（并非摩擦辐合）环流中的复合和上升运动能够维持深对流热源，后者反过来能加强或维持波。Raymond（1984）应用波-CISK试图研究波对加入的加热廓线反应的尺度。得到的离差关系不能确定波对MCS的反应，因为对于加热参数化的细节敏感。但是，计算表明在飑线风和热力分层特征环境下，主要的生长模态具有实际飑线MVS中的层抬升结构（图36）。
Schmidt and Cotton（1990）及Pandya and Durran（1996）采用基于重力波思想的分析方法解释MCS中的层翻转。这些研究利用非线性高分辨模式模拟包含飑线和拖尾层云区MCS的实际演变的细节。Pandya and Durran（1996）对模拟的对流线的非绝热加热场进行2小时平均（图37a）。之后将平均加热场加进模式，让初始非扰动场做出反应。结果给出的水平风场在图37b中给出。作者注意到该场与Moncrieff的稳定态模式一致，它们都从理论上显示了在图37b中的层翻转是重力波对对流线平均加热的响应。
16. MCS与天气尺度及更大尺度环流的关系
a. 赤道波和MJO中的MCS
在GATE 开始前，可见光和红外卫星图像显示，热带高云云顶深对流，给热带大西洋和太平洋区域天气尺度向东传的波的系统关系提出了疑问（Frank 1970;Chang 1970;Chang et al.1970;Reed and Recker 1971）。GATE给出了MCS（当时用术语“云簇”）与源于热带非洲向东传的波之间的关系（Payne and McGarry 1977）。对热带对流云图的研究持续到1980 年代。Nakazawa（1988）发现，热带西太平洋云图上见到的深对流云是多尺度以某种干涉方式传播的系统。但是，这些早期卫星研究没能靠自身结果提炼出MCS在热带干扰中对流对更大尺度波传播关系中特别的重要性。
在赤道波或其他大尺度环流特征中存在许多对流云单体。因此，赤道附近大尺度波的净垂直空气运动（因此加热）的垂直廓线，决定于该区域不同类型和尺度的云的混合。为此，Mapes et al.（2006）指出热带大尺度波（天气或更大尺度）必须有大量各种不同的对流云（“建立阻塞”）才能解释任何波区域的空气净上升运动。他们假设如图38所示，沿波的对流云团类型不同。图38a给出建立阻塞的大部分是浅对流。在图38b中，对流云团随后成为不同尺度和深度的在建阻塞，一些阻塞成为包含巨大层云的MCS。在图38c中的第三种对流云决定大部分的MCS。DYNAMO观测支持上述波建立阻塞的思想，因为在4个月的观测试验中天气尺度的波反复通过观测网。Zuluaga and Houze（2013）给出的图39a合成了一次DYNAMO波事件极大降水发生前后的再分析数据。大尺度辐合最初发生在低层，在极大降水将要和刚刚发生时拓展到深层，最终集中于高层而在较低层为辐散。图39b给出降水云团（雷达确定）所展示的与建立阻塞猜想相一致的地方。云图与大尺度垂直运动的同步关系在图39a—41a中描述，而MCS层云区域头重脚轻的加热廓线，在MJO活跃阶段表现最为明显（图42）。
b MCS与中纬正压波和低层急流的关系
自1980年代以来，热带MCS与大尺度环流关系研究与大量中纬度MCS研究平行进行。在研究美国中部大陆对流中，Maddox（1983）发表了里程碑意义的观测论文，指出在西风带，MCC系统性地在天气尺度斜压槽前出现（图43）。Yang et al.（2017）在被卫星和雷达数据验证的模拟研究中证实了这一规律。他们在自由运行的云解析模拟中，在两个暖季西风带大尺度槽前系统形成的MCS（图44）。Trier and Parsons（1993）注意到槽在越过落基山脉进入大平原时是如何加强气候上的向南低层急流，后者向在美国中部形成的MCS提供水汽（图45）。
17. 中尺度对流的全球分布：变率和对全球环流的影响
在GATE时期，1970年代中期，卫星气象还在婴儿期。在随后的2—3个十年里，MCS相关的卫星研究（例如，Laing and Fritsch 1997）限于二维可见光和红外图像。Fritsch et al.（1986）利用这些图像研究表明，Maddox（1980,见5节）确定的MCC占美国中部暖季降水的50%。1980年代第一次利用卫星被动微波传感器增加了从空间探测降水的能力（Wilheit 1986）。结合来自不同卫星的红外亮度和被动微波数据，Yuan and Houze（2010）利用红外和被动微波图像，通过多传感器卫星分析定义成熟MCS。他们利用MCS具有大的冷云盾（最小亮温<220）和大范围雨区（被动微波降雨探测面积>2000 km2）的事实，用额外的大范围冷云盾包含一些强雨区的判据，也用被动微波数据进行了确认。MCS还占Yuan and Houze进行研究的几年里热带降水的56%。这一客观方法也和其他研究得到一致的结果，后者另辟蹊径，利用大范围冷云盾区分MCS（例如，Maddox 1980）或认为MCS是足够大的支持中尺度维度持续降水的积云系统（例如，Mohr and Zipser 1996;Nesbitt et al.2000）。利用这些客观方法，Yuan and Houze（2010）能够给出热带发生MCS 的多样性（图46）。图47是TRMM PR数据中位于西太平洋MCS的例子。图48则为用回波确定MCS的例子。利用GPS卫星数据得到海洋上更大范围降水的例子在图49中给出。图50和图51分别则给出了卫星数据中独立浅回波的分类分析和高层环流影响等。
18. 在全球气候模式中MCS动力学的表达
1970年代初期设计GATE的动议来自在全球大气模式中参数化对流云观测基础方面的需求。主流观点（例如，Yanai et al.1973;Arakawa and Schubert 1974）认为是边界层对流上升卷流与大尺度运动间的尺度缺口需要在参数化中考虑。随后GATE表明尺度分离并不存在，MCS是对流云的重要形式（Houze and Betts 1981）。但是，计算技术已经改进，很多数值天气预报模式现在可以解析MCS。但是，数千年气候预测无法在全球云解析分变率模式上实现，一些在全球气候模式中表示MCS的方法在未来一些年里依然有需求。
参数化的方法可以用图形概念性地表达（图52），图中所示为比对流尺度更大的层翻转发生在大尺度切变环境中出现对流云团的地方。
19 当前和未来MCS研究
自Hamilton and Archbold（1945）时代以来，MCS的细节随着观测技术和模拟发展浮现出来。它们被看做是全球环流和气候，以及全球降水和洪水的制造者。MCS在不同的气候区发生，具有不同的形式，但是在中尺度水平尺度和层云区发展改变潜热和辐射加热向上反馈到对流层中上层等方面具有共同点。对这些系统的认识和如何在预报和气候模式中表示它们依然是活跃和急迫的研究课题。本节给出以下当前和未来研究领域，瞄准推进知识、认识和准确表示MCS能力等方面。
a. 对流生成和升尺度加强形成MCS
预报MCS天气和在全球模式中表示这类对流的形成，关键在于决定它们何时何地将出现。所有MCS均源自深对流的最初爆发，而环境因子导致深对流广为人知。关键问题是深对流要素，每个因素的水平尺度仅为数千米或数十千米，是如何在大约100km带状区里密集组织成要素组。
b. 全球MCS 形态
如本文所述，在MCS中对流因素的水平形态是不同的。典型的引导线/尾迹层云组织只是空间分布中的一种。这些形态上的不同是MCS内部不同动力的表征。如果要准确预报MCS，无论是以显性方式还是参数化方式，就需要认识这些不同。这些形式可以对MCS影响大尺度环境位涡的程度以及它们如何在局地制作激烈天气产生作用。Parker and Johnson（2000）、Schumacher and Johnson（2005）和Peters and Schumacher（2015, 2016）确认了美国大部分地区MCS的对流/层云结构的变化。他们发现这些变化有时与天气环境的斜压性有关。Rasmussen and Houze（2011）发现南美副热带潘帕斯草原MCS结构的变化与美国大平原类似。
c. MCS 和热带气象生成
正如Frank（1970）的早期研究所述，位于天气尺度热带波槽区中心的MCS是热带气旋的先驱。在现代，Dunkerton et al.（2008）强调了天气尺度涡度环境中的MCS是如何生长并导致热带气象发展。Ritchie et al.（2003）和Houze et al.（2009）描述了就在热带气旋生成前MCS是如何围绕共同的大尺度涡度中心旋转。Houze et al.（2009）利用空基多普勒雷达展示了热带气旋形成前，生成区的上升气流极度强盛和广阔，因此能够如Montgomery etal.（2006）所言，浓缩了涡度。图53描述了气旋涡度带形成前对流云团与独立对流因素和MCS 不同发展阶段的一致性。
d. 极端降水和洪水以及社会影响
MCS 经常意味着洪水，包括缓慢增加和暴涨两种洪水类型。Schumacher and Johnson（2005）和Peters and Schumacher（2015, 2016）的研究表明，一些很特别的MCS类型的行为能够启发美国中部的洪水预报。Rasmussen et al.（2015）解释了在亚洲季风区，大尺度适宜洪水条件可以用全球集合预报模式提前7—10天预测，但是，认识洪水事件的准确地点和细节需要地形、土壤湿度条件、河流泄洪区和MCS如何在洪水发生时段的主流天气条件下形成等方面的知识。
e. 全球模式中尺度相互作用和参数化
除了在数天和数周时间段预报洪水和其他激烈天气，全球模式还是预测更长时间气候变化的关键，这种预测模式中的对流解析模式还不可用。如在18节讨论的，还需要参数化模式的深对流才能用于评估气候变化。目前所用的参数化方案无法以MCS 形式表示深对流，尽管在18节给出的一些方法在开发中。这种MCS参数化的研究非常关键，因为MCS在决定通常那里会发生降水的重要性，还因为（如在11—17 节的讨论）MCS在决定大尺度环流演化中对大尺度区域因子的动力反馈。
f. 气溶胶、全球变暖和变化的气候中的MCS
认识MCS及其重要性的研究增加的同时，其发生的环境已经变化并影响到其动力和微物理，以及其发生地和发生时间。在全球变化的环境里，环流形态可能改变，因此与陆地、海洋和山区相关的适宜MCS的地点可能改变。尤其是，大气环流和山脉并列的改变可能影响南亚季风区洪山的发生（Rasmussen et al. 2015）。因此继续通过卫星监测MCS，正如Liu andZipser（2013）和Houze et al.（2015）的研究给出的例子，对于用全球模拟预测未来MCS发生的季节和地理形态非常重要。
此外，环境条件对单个MCS本质和强度的影响在改变。Clavner et al.（2018a,b）在MCS个例的模拟研究中，发现了污染更严重的环境使得对流降水的区域变大，而层云降水区域变小。Marinescu et al.（2017）给出了环境气溶胶密度垂直廓线对于决定气溶胶如何影响MCS尤其重要（例如，图54）。大多数气溶胶观测在地球表面，Marinescu et al.的研究（2017）表明，将地面观测外推到更高高度的模拟研究可能带来误导。
20. 结论：MCS的特点和重要性
本文梳理了中尺度对流研究的历史。MCS是最大规模的对流云现象。其水平范围为数百千米，出现在在二维和三维大气湍流能谱边界层附近。当深对流云在大约500～1000平方千米区域内聚集时MCS出现。因为聚集云通过潜热和辐射过程加入对流层，因此诱导更大规模中尺度环流，包含大气翻转层：源于较低对流层的上升层和中层的下沉层。较低的对流层大气层向环流上升支流输送的深度能达到数千米，即上升气流不一定源自对流层。有时整个中尺度翻转环流位于稳定空气层之上，与边界层完全没有耦合。这种中尺度、分层环流使得MCS 成为具有自身动力学的独特现象。
MCS被研究激烈天气的天气预报员和学生所熟知。它们造成了大部分的中纬度和热带降水（Fritsch et al. 1986,Yuan and Houze 2010），产生激烈天气和洪水（Houze et al.1990;Rasmussen and Houze 2011），影响大气的大尺度环流（Hartmann et al.1984, Schumacher et al.2004）。自Hamilton and Archbold（1945）时代以来的70多年来，一直被气象界关注，不断改进观测方法和完善复杂的模式，提高对其的认知水平。
卫星观测表明了MCS存在的普遍性。基于CloudSat、TRMM和GPM卫星的天基雷达观测研究表明，MCS（或其代用的雷达回波特征）分布于全球（Liu and Zipser 2013;Houze etal.2015）。这些研究进一步表明MCS并不都一样。MCS可以包含或不包含线状或带状对流。在海洋上，MCS的强对流要素要少些，但是较大陆MCS具有更大范围和更加活跃的层云区。有些区域，例如亚马孙流域，MCS的特征在纯海洋和干大陆MCS之间摇摆。
尽管在不同气候区存在这些形态上的差异，MCS总是包含层云区以及对流降水。层云区的组成可以是层云带加上移动的飑线，但更普遍的是：在活跃对流开始消弱而新对流在附近形成的地方出现或多或少的层云降水。厚重的层云区的出现意味着MCS净加热廓线（潜热和辐射加热组合）是头重脚轻的，并与其层云降水部分成正比。这种头重脚轻廓线在中层生成位涡。有时这种位涡在层云区中层中尺度对流涡流中显现。无论这种涡流是否显现，MCS对大尺度环流的净作用是在中层注入位涡，因而影响其嵌入的大尺度环流的未来走势。MCS加热廓线是大尺度模式捕捉到的MCS最重要的特征之一，特别是当模式的目标是认识MCS在全球气候进一步变化中的作用时。高分模式能相当准确地捕捉到MCS，因为云微物理的参数化能改进这些模拟，这样的捕捉将更加准确。在地球有限区域运行的高分模式给出MCS在气候变化中的作用（Prein et al.2015,Yang et al.2017）。
分辨率较粗糙的模式，例如用于预测全球更长时间气候的气候模式，必须等待计算技术的推进，直到全球高分模式能有效地进行数百年的预测；另一个可能是开发适宜的MCS参数化方案。因为MCS的水平维度，基于对流和天气尺度之间各个尺度的对流参数化将难以奏效。气候模式中加热和动能传输廓线参数化的几种方法在开发中。包括MCS的气候模式的成功开发，无论是通过云解析模拟还是参数化，都因为MCS依然是重要的社会问题而十分关键。后者意味着遍布全球的洪水和激烈天气。例如，印度和巴基斯坦洪水，造成巨大人员伤亡，就经常是MCS在作梗（例如，Houze et al.2011;Rasmussen et al.2015）。MCS的特点受到世界上很多地方不断增加的污染气溶胶环境的影响，而且当全球变暖，MCS发生的态势将可能改变，其影响的区域也将变化。MCS的实时预报和预测其在变化的气候中未来的发生因此依然是气象学和气候学的巨大挑战。