冷涡背景下沈阳地区对流性降水预报误差分析

张帅+张治+崔景林+鲁杨

摘 要：该文利用实况观测资料、东北中尺度数值模式预报场资料和欧洲中心细网格模式预报场资料，针对冷涡背景下沈阳地区对流性降水预报误差进行了分析，重点探讨了抬升触发条件、不稳定条件、水汽条件、探空图等方面。结果表明：（1）此次弱降水过程，受东北冷涡和南支槽共同影响，水汽条件较弱，850hPa上无明显切变线，但高空存在弱系统快速过境，中层有弱冷空气入侵，地面存在辐合线。（2）不稳定条件：850hPa温度平流不明显，500hPa存在干冷空气侵入。市区、新民、辽中地区K指数大值区与Cape值大值区相互叠加，为此次弱降水过程提供热力条件。（3）水汽条件：沈阳地区比湿在8～10g/kg，相对湿度在70%～80%。（4）预报着眼点：当有弱系统过境时，水汽的强弱不可作为判别降水产生的标准，不稳定能量的堆积、地面辐合线的产生及中层干冷空气侵入，是判别对流是否产生的关键。关注数值模式预报调整变化，大值区的位置对降水有一定的指示意义。

关键词：东北冷涡；对流性降水；预报误差

中图分类号 P457.6 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）24-129-07

我国东北地区地处中高纬度，主要影响天气系统为东北低压或冷涡系统[1]。东北冷涡经常给东北地区带来低温、洪涝、暴雨、冰雹等灾害性天氣，对东北地区的天气气候产生重要影响，为此对东北冷涡的研究一直被气象学者所关注，目前也已经取得了不少成果[2-4]。近年来，国内外学者对干侵入进行了深入的研究，Danielsen[5]给出了干侵入的三维结构图；Browning等[6-8]对温带气旋和爆发性气旋中干侵入的结构和特征进行了深入的分析，结果指出干侵入对温带气旋和爆发性气旋的发生、发展起到促进作用，对锋面降水结构产生重要的影响；Richard等[9]利用卫星图像和数值模式，以中大西洋地区的暴雪为例诊断分析了影响干侵入内垂直速度变化的相关因子；Curtis[10]对1960—1999年期间从大西洋和墨西哥湾登陆的热带气旋所产生的龙卷进行分析，指出龙卷爆发与中层干侵入密切相关。国内学者也多对气旋、暴雨中的干侵入现象进行了分析。姚秀萍等[11]对与梅雨锋上低涡降水相伴的干侵入做了深入的研究，结果表明：干侵入对梅雨期首场暴雨的形成、维持和发展起着重要的作用，并定义了干侵入强度指数（DII）[12]，揭示了干侵入强度指数的物理意义；杨贵名等[13]分析了干侵入在强降水和黄海气旋中的作用；阎凤霞等[14]利用中尺度数值模式MM5对一次梅雨锋暴雨过程进行模拟，诊断分析了干侵入及其对暴雨过程的作用；梁军等[15]研究发现冷空气入侵热带气旋外围，对辽东半岛地区对流云团的强度、上升运动及其降水具有明显的增强作用，其中对流层中上层较强冷空气对暴雨的增幅作用显著。综上来看，冷涡天气一直是学者研究的重点，但由于涡后冷空气下滑，容易激发起局地的对流性天气，对流性天气的起始时间和落区一直难以把握，成为预报中的重点与难点。本文利用实况观测资料、东北中尺度数值模式预报场资料和欧洲中心细网格模式预报场资料，针对冷涡背景下沈阳地区对流性降水预报误差进行了分析，重点探讨了抬升触发条件、不稳定条件、水汽条件、探空图等方面，试图寻找预报着眼点，提高预报准确率及预警时效。

1 降水实况

受冷涡和高空槽共同影响，2015年9月2日12：00—17：00，新民、市区出现了阵性降水天气。沈阳各区县国家观测站降水量：新民0.3mm，浑南0.2mm；降水量最大的5个区域自动站：祝家屯（浑南）34.3mm，罗家房（新民）23.2mm，白清寨（苏家屯）17.6mm，平罗（市区）14.5mm，教场雨水（浑南）13.0mm；城区降水量最大的5个区域自动站：平罗14.5mm，工农泵站10.8mm，凌空泵站9.0mm，五爱泵站2.2mm，沈阳市气象局1.0mm。详见图1。

降水落区集中在新民和市区，2日12：00新民降水开始，14：30新民降水停止，随后15：00市区降水开始，17：00市区降水停止。本次过程为弱的分散性阵雨，具有3个特点：一是降水强度偏弱，出现降水的2个国家观测站降水量都在1mm以下，仅有5个区域自动站降水量达到10mm，其中最大为34.3mm；二是降水局地性强，降水落区都在新民和市区附近；三是降水持续时间短，2日12：00降水开始，17：00降水结束。

前一日晩预报漏报浑南、新民2个站，当日早预报漏报新民站，空报辽中站，下面对预报误差产生原因进行分析。

2 天气尺度系统分析

2.1 环流背景场分析

2.1.1 500hPa形势场 此次过程前期500hPa高空槽携带冷空气南下，2日08：00，500hPa高空槽压在沈阳地区，渤海附近有一个低涡。13：30—14：30分新民的降水主要受500hPa高空槽及其携带的冷空气影响，随后高空槽和低涡东移合并，高空槽带来的干冷西北气流以及低涡带来的暖湿东南气流汇合，2日20：00，576hPa等高线压在沈阳地区中部，15：30—16：00市区的降水主要受合并的槽影响（图2）。

2.1.2 850hPa形势场 850hPa上在沈阳地区东部和南部分别存在一个气旋式系统，但都距离沈阳地区较远，影响不大，沈阳全区还是以偏北风为主，低层系统不是触发此次降水过程的主要原因（图3）。

2.1.3 抬升触发条件分析 通过观察2日11：00（图4a）10m风场可以发现，辽宁省中西部都以偏北风为主，但新民及其西侧2个测站都为偏东风，导致新民地区10m风场上有偏北风与偏东风的辐合，地面上的辐合线触发新民地区的降水；2日14：00（图4b）的10m风场上，沈阳地区附近测站都为偏北风，但市区东侧的几个测站为偏东风，导致市区10m风场上有偏北风和偏东风的辐合，地面上的辐合线触发市区的降水（图4）。

对实况场和预报场对比发现，2日11时EC10m风场预报与实况场差异较大，实况场在新民地区有偏北风和偏东风的辐合，预报场则全区为偏北风。2日14：00EC10m风场预报与实况场差异较小，在浑南站附近都有一条明显的辐合线。这也导致了当日预报漏报了新民站，但是预报出了浑南站的降水（图5）。endprint

2.2 探空资料分析 2日08：00（图6a），沈阳K指数为33℃，沙氏指数为0.19℃，2日20：00（图6b），沈阳K指数为34℃，沙氏指数为-1.22℃，探空反映出不稳定能量有一个加大的过程。2日08：00，沈阳地区中层有干冷空气侵入，500～700hPa风向随高度逆转明显，有冷平流作用，而低层平流作用不明显，至2日20：00，沈阳中高层均为干冷空气，700hPa以上風向随高度逆转明显，有冷平流作用，850～900hPa上平流作用不明显，而近地面层有暖平流作用。可见沈阳地区完成了一个不稳定条件加大的过程。

3 不稳定条件分析

从浑南站实况观测资料可以看出（图7），2日08：00至20：00，850hPa温度由14℃变为13℃，低层平流作用不明显；500hPa温度由-11℃变为-13℃，中层有冷空气侵入。

对2日白天沈阳地区5个站预报场850hPa和500hPa温度统计发现，各站 850hPa温度变化同样不明显，14：00—20：00中层500hPa有冷平流，但较实况场偏弱，这也是未预报出此次降水的原因之一。此次过程前期天空状况较好，850hPa温度一直维持在14℃左右，对白天各站的高温有一定指示作用（图8）。

对各站白天地面温度、K指数Cape值进行比对，发现白天温度较高，浑南、新民、辽中在30℃左右（图9）。K指数大值区在沈阳地区南部，其中浑南31，新民29，辽中30.6。Cape值大值区同样位于沈阳地区南部，其中新民为900，浑南、辽中均在1000以上，前期高温及较大的K指数、Cape值均对此次对流性过程预报具有指示意义。

4 水汽条件分析

通过观察2日20：00850hPa比湿场以及相对湿度场可以看到，沈阳地区的比湿在8～10，相对湿度在70%～80%，全区的水汽条件都不是特别好，这也导致了此次过程的整体降水量偏小（图10）。在实况场上，我们还可以看出，位于沈阳地区东部的市区在此次过程中湿度条件最佳。

剖面图上的预报结论和实况基本一致，也预报出了全区较弱的水汽条件，几个站点相比对，发现依然是浑南站的水汽条件最好。并且，剖面图上500hPa温度波动不大，也未预报处上文所提到的中层冷空气侵入（图11）。

5 降水数值预报分析

从EC细网格31日20：00对2日白天12h降水量预报场可以看出，西部4个站降水量都在1mm以下，只有浑南站降水量为1.8mm，而在后一时次的预报明显调大了此次过程的降水量，除新民外各站降水量都在1mm以上，浑南站达到了3.7mm，整体来看降水量最大值一直报在浑南站。

观察WRF1日08：00对2d白天12h降水量预报场，发现WRF主要报了一条辽宁省东部的一条“东北-西南”向的降水带，沈阳地区报了一些分散性阵性降水，其中浑南站最靠近辽宁东部的降水带。而后一时次的预报相较前一时次明显调大了降水量，其中康平和新民2个站调大的最明显（图13）。

6 结论

本文利用实况观测资料、东北中尺度数值模式预报场资料和欧洲中心细网格模式预报场资料，针对冷涡背景下沈阳地区对流性降水预报误差进行了分析，重点探讨了抬升触发条件、不稳定条件、水汽条件、探空图等方面。结果表明：

（1）受东北冷涡和南支槽共同影响，新民和市区出现了弱降水天气。水汽条件较弱，850hPa上无明显切变线，但高空存在弱系统快速过境，中层有弱冷空气入侵，加之地面温度较高，激发局地辐合线，引发了此次弱降水天气。

（2）不稳定条件：850hPa温度平流不明显，500hPa存在干冷空气侵入。市区、新民、辽中地区K指数大值区与Cape值大值区相互叠加，有利于午后不稳地能量的积累，为此次弱降水过程提供热力条件。

（3）水汽条件：沈阳地区比湿在8～10g/kg，相对湿度在70%～80%，全区的水汽条件较弱，因此导致此次过程降水量偏小。

（4）预报着眼点：当有弱系统过境时，水汽的强弱不可作为判别降水产生的标准，不稳定能量的堆积、地面辐合线的产生及中层干冷空气侵入，是判别对流是否产生的关键。关注数值模式预报调整变化，大值区的位置对降水有一定的指示意义。

参考文献

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（责编：张宏民）endprint