徐馳+曹世騰+李典等

摘 要：該文利用ECMWF模式產(chǎn)品、常規(guī)和非常規(guī)觀測資料，針對2013年8月16日沈陽出現(xiàn)的暴雨，局地大暴雨的天氣過程，探討大尺度環(huán)流背景下，沈陽地區(qū)雨量分布差異的原因，同時探討水汽輸送特征，重點分析干、濕空氣路徑和大氣可降水量特征。結(jié)果表明：（1）沈陽地區(qū)雨量嚴(yán)重分布不均，主要是回波在移動的過程中出現(xiàn)斷裂，北段回波影響沈陽的中北部地區(qū)，沈陽市區(qū)的強降水是在暖區(qū)環(huán)境中產(chǎn)生的“列車效應(yīng)”造成的，而不是ECMWF模式預(yù)報的系統(tǒng)性的鋒面降水。（2）鋒面降水未產(chǎn)生的原因：強對流云團的不斷發(fā)展，使其后部的下沉氣流加強，切斷了鋒面附近的水汽供應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致模式預(yù)報的系統(tǒng)性降水的減弱和消失?；夭〝嗔训脑颍夯夭ū倍卧谝苿拥倪^程中不斷發(fā)展，南段強度維持，下沉氣流同時也切斷了云團之間的水汽供應(yīng)。（3）925hPa和850hPa水汽都來源于西太平洋，700hPa水汽來源于南海和孟加拉灣，干空氣（550hPa）主要是沿著偏西路徑。隨著強降水的臨近，850hPa和700hPa水汽輸送明顯加強。強降水發(fā)生時，700hPa層干侵入明顯，850hPa和925hPa水汽輸送平穩(wěn)。強降水間隙時，700hPa干侵入減弱，850hPa和925hPa水汽輸送減弱。大氣可降水量最大值較強降水的發(fā)生提前2～3h。

關(guān)鍵詞：暖區(qū)暴雨；ECMWF模式；誤差分析；水汽輸送

中圖分類號 P458.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）18-0111-05

沈陽地處中高緯度地區(qū)，暴雨過程常受高、中、低緯度系統(tǒng)相互作用影響。夏季受西風(fēng)帶、副熱帶和熱帶環(huán)流的影響，極地冷空氣頻繁入侵，加上復(fù)雜地形和海洋動力、熱力等因素的作用，使沈陽暴雨具有強度大、時間集中和局地性強等特征，暴雨極端值較大，預(yù)報難度大，往往帶來巨大的經(jīng)濟損失[1-2]。遼寧屬于農(nóng)業(yè)大省，更有必要做好區(qū)域性暴雨分析，以利于農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)保障。目前對暴雨預(yù)報的研究較多，陸忠艷等[2]從暴雨落區(qū)預(yù)報出發(fā)，利用實況觀測資料和歐洲中心數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，探討預(yù)報失誤原因，結(jié)果表明，夏季暴雨預(yù)報不僅要考慮高層形勢、副熱帶高壓強度和位置大尺度環(huán)流形勢的變化，也要考慮有利的大尺度環(huán)流背景下易產(chǎn)生的中小尺度天氣系統(tǒng)，中尺度氣旋的強度和移動路徑是預(yù)報的關(guān)鍵因素。張文龍等[3]認(rèn)為對流層低層的偏東風(fēng)對局地暴雨的產(chǎn)生至關(guān)重要，特別是淺薄的偏東風(fēng)。才奎志等[4]對遼寧黑山地區(qū)特大暴雨的中尺度對流條件和特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明此次強降水由中β尺度系統(tǒng)引起，短時大暴雨發(fā)生在能量舌邊緣，地面偏東風(fēng)和地形強迫抬升作用造成對流單體沿山脈東側(cè)生成、發(fā)展和移動，最終導(dǎo)致持續(xù)對流性強降雨。郭虎等[5]對一次北京局地大暴雨的觸發(fā)機制進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，強垂直風(fēng)切變可使平均氣流中的部分動能轉(zhuǎn)化成擾動動能，從而產(chǎn)生重力波觸發(fā)強降水。以上研究對暴雨進(jìn)行了細(xì)致的分析與探討，但對暴雨預(yù)報和分析仍需不斷完善和總結(jié)，為了更好地研究沈陽本地暴雨特征，本研究基于ECMWF模式產(chǎn)品、常規(guī)（區(qū)域自動站）和非常規(guī)（雷達(dá)、衛(wèi)星、GPS）觀測資料，針對2013年8月16日（簡稱“8·16”）沈陽出現(xiàn)的暴雨，局地大暴雨的天氣過程，探討大尺度環(huán)流背景下，即沈陽南北的動力抬升和水汽輸送差異并不明顯的情況下，沈陽地區(qū)雨量分布差異的原因，同時探討水汽輸送特征，重點分析干、濕空氣路徑和大氣可降水量特征。

1 暴雨過程概述

2013年8月16日沈陽市出現(xiàn)了暴雨，局地大暴雨的天氣過程，全市7個國家氣象觀測站平均降雨量為54.1mm，最大降水量103.2mm，出現(xiàn)在法庫（區(qū)站號：54245），達(dá)大暴雨量級。全市177個區(qū)域自動站，18站降水量大于100mm，74站降水量大于50mm，其中城區(qū)的棋盤山植物園降水量最大，為209.5mm。城區(qū)強降水時段為11：00—13：00時（最大雨強67mm/h）和15：00—16：00（最大雨強32.9mm/h），此次強降水給沈城造成了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇，且多條交通干道癱瘓。此次降水過程強度大且雨量分布嚴(yán)重不均，從過程累計降水量（圖1b）上看，強降水主要集中在沈陽的東部和北部地區(qū)，而沈陽的西南部地區(qū)（遼中中南部）僅為小雨量級。

分析16日08：00環(huán)流背景場（圖1a），500hPa為淺槽活動，850hPa切變輻合和急流特征明顯，副高斷裂為海上和大陸高壓，水汽沿斷裂帶向沈陽上空輸送，在這種大尺度的環(huán)流背景下，沈陽南北的動力抬升和水汽輸送差異并不明顯，是如何產(chǎn)生沈陽地區(qū)的差異降水？下面我們基于ECMWF模式產(chǎn)品、常規(guī)和非常規(guī)觀測資料，探討分析模式誤差、降水性質(zhì)及落區(qū)分布成因。

2 ECMWF模式產(chǎn)品的誤差分析

2.1 模式環(huán)流場檢驗 檢驗ECMWF模式500hPa高度預(yù)報（圖2a），貝湖附近存在低渦中心，中心強度為564dagpm，預(yù)報與實況相同，冷渦底部多淺槽波動，預(yù)報強度較實況略偏弱。副高分為海上和大陸高壓，預(yù)報強度和范圍略偏弱。檢驗850hPa風(fēng)場預(yù)報（圖2b），冷渦底部切變線位置和西南急流強度與實況基本相同。綜合檢驗分析，ECMWF模式的環(huán)流場預(yù)報與實況基本相同，環(huán)流預(yù)報場可用。

2.2 降水量預(yù)報的穩(wěn)定性 分析不同起報時次ECMWF模式24h累計降水量預(yù)報（圖3），均預(yù)報出沈陽地區(qū)將出現(xiàn)暴雨天氣過程。從降水分布上看，最新起報時次（15日20：00）與實況相似，都為東部和北部降水偏多，南部降水偏少。但就其極端性而言，模式并未有所體現(xiàn)，同時市區(qū)的特大暴雨模式漏報，且模式降水呈現(xiàn)向小調(diào)整趨勢。

2.3 誤差分析 分析逐3h850hPa風(fēng)場和3小時累計降水量預(yù)報（圖4a、4b），市區(qū)出現(xiàn)強降水的時間為17：00前后，17：00—20：003h累計降水量為27mm，雨帶與切變線的位置對應(yīng)較好，說明模式預(yù)報的降水出現(xiàn)在輻合抬升最明顯的切變線附近，對應(yīng)為系統(tǒng)性的鋒面降水。對比市區(qū)實況雨強變化（圖4c），城區(qū)出現(xiàn)強降水時段為11：00—13：00（最大雨強67mm/h）和15：00—16：00（最大雨強32.9mm/h），而模式預(yù)報的17：00—20：00的降水并未發(fā)生，既模式預(yù)報的城區(qū)強降水開始時間較實況晚了將近6h，且強度偏弱。圖2中我們檢驗過ECMWF模式的環(huán)流場預(yù)報與實況基本相同，說明模式預(yù)報的降水量誤差并不是由天氣系統(tǒng)偏差造成的，那么降水偏差究竟是怎么產(chǎn)生的？我們首先來分析一下城區(qū)出現(xiàn)強降水的環(huán)境場特征，即16日11：00850hPa風(fēng)場（圖4d），城區(qū)出現(xiàn)強降水時，沈陽地區(qū)整體被西南暖濕氣流所控制，最大風(fēng)速為20m/s，切變線在內(nèi)蒙古和吉林境內(nèi)。從環(huán)境場上分析，城區(qū)強降水是在暖區(qū)的西南氣流中產(chǎn)生，即為暖區(qū)暴雨，而不是模式預(yù)報的系統(tǒng)性的鋒面降水，因此造成了模式預(yù)報降水時間和量級的偏差。下面我們通過雷達(dá)拼圖來分析暖區(qū)暴雨的演變特征。endprint

圖5給出了城區(qū)強降水開始前的雷達(dá)回波特征，06：30回波雨帶對應(yīng)冷切和暖切兩部分，兩條回波雨帶結(jié)構(gòu)完整，下文重點分析冷式切變線對應(yīng)的回波雨帶的變化特征?；夭ㄎ挥谇凶兙€南側(cè)西南暖濕氣流中，說明對流云團已脫離切變線的作用向暖濕區(qū)域移動，即云團在移動的過程中，自身的傳播方向在不斷加強。就目前來看，沈陽地區(qū)未來將出現(xiàn)一次強降水過程，但并不能分析出雨量分布嚴(yán)重不均的特征，這給臨近預(yù)警帶來一定的難度。07：30回波出現(xiàn)斷裂，分為南北兩端。08：30斷裂帶進(jìn)一步增大，北段回波東移南壓并加強，從移動方向上分析，北段回波的移動過程中高空引導(dǎo)氣流分量和自身的傳播分量相差不多。南段回波僅向南移動，說明其移動過程中自身的傳播分量要大一些，南移過程中強度變化并不明顯。09：30回波主要位于沈陽中北部地區(qū)。10：30市區(qū)開始產(chǎn)生強降水，從回波上看，并不是受北段回波主體的影響，而是市區(qū)不斷有零散的對流云團被激發(fā)，并向東北方向移動發(fā)展，形成“列車效應(yīng)”。孫繼松[6]指出“列車效應(yīng)”的傳播環(huán)境需要一定的對流不穩(wěn)定，也就是一般發(fā)生在低空暖區(qū)不穩(wěn)定環(huán)境下，并大體沿著顯著氣流或低空急流方向傳播（即假相當(dāng)位溫區(qū)的高值區(qū)向低值區(qū)傳播）。但當(dāng)對流不穩(wěn)定發(fā)展到一定程度時，傳播環(huán)境將消失。分析2013年8月16日各物理量參數(shù)值（表1），08：00對流不穩(wěn)定增長，低空急流造成沿低空急流軸θse梯度增大，“列車效應(yīng)”產(chǎn)生并傳播；20：00鋒面經(jīng)過，列車效應(yīng)的傳播環(huán)境基本消失。

從雷達(dá)回波中分析得到，沈陽地區(qū)降水量分布不均，主要是回波在移動的過程中，出現(xiàn)斷裂，北段回波影響沈陽的中北部地區(qū)，沈陽市區(qū)的強降水是在暖區(qū)環(huán)境中產(chǎn)生的“列車效應(yīng)”造成的。那么回波在移動的過程中，為什么會出現(xiàn)斷裂？切變系統(tǒng)到來時，為什么市區(qū)沒有降水？圖6a我們給出了暖區(qū)對流對鋒面降水的影響示意圖，鋒面前部和對流云團后部有強烈的下沉下流，對流發(fā)展越旺盛，其后部的下沉氣流越強。分析不同時刻的水汽圖特征（圖6b、6c和6d），05：00切變線附近及前部水汽供應(yīng)充足，隨著對流云團的加強發(fā)展，水汽圖中切變線附近出現(xiàn)暗影區(qū)，表明水汽輸送出現(xiàn)阻隔。11：00切變線附近已無水汽輸送，同時西南氣流中水汽輸送分為東、西兩部分。綜合分析，強對流云團的不斷發(fā)展，使其后部的下沉氣流加強，切斷了鋒面附近的水汽供應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)性降水的減弱和消失。同時回波北段在移動的過程中不斷發(fā)展，南段強度維持，下沉氣流同時也切斷了云團之間的水汽供應(yīng)，因此回波出現(xiàn)斷裂。

3 水汽條件分析

此次降水之所以強度強、量級大，源于不斷的水汽供應(yīng)，且存在干冷空氣的入侵，下面我們重點分析干、濕空氣路徑和大氣可降水量特征。

3.1 干、濕空氣路徑分析 分析8月16日08：00探空曲線（圖7a），850hPa以下為濕層，850～500hPa存在干侵入，為干濕混合層。在濕層中，比濕超過了15g/kg，08：00925hPa風(fēng)速已達(dá)到20m/s，低空急流的建立為沈城輸送暖濕空氣。為進(jìn)一步分析濕層水汽的源地，本文基于NOAA提供的全球1°×1°再分析資料，采用HYSPLIT模式，后向積分120h，對氣塊的軌跡進(jìn)行模擬，每隔6h輸出一次軌跡點的位置。圖7b給出了925hPa、850hPa和700hPa氣塊的模擬軌跡，925hPa和850hPa水汽都來源于西太平洋，925hPa水汽是沿沿海向沈陽輸送，850hPa水汽是經(jīng)內(nèi)陸向沈陽輸出，因此在探空曲線濕層中越靠近地面，濕度越大。700hPa水汽來源于南海和孟加拉灣。由于干侵入最明顯的位于600～500hPa（溫度露點差為15℃），為分析干空氣源地，模擬了550hPa氣塊的移動軌跡（圖7c），550hPa干空氣主要是沿著偏西路徑，在河套附近堆積后輸送到沈陽地區(qū)。

分析強降水前后中低層（700hPa、850hPa和925hPa）氣塊的移動路徑，制作圖8。對比16日08：00（圖7b）和11：00（圖8a）水汽路徑變化，隨著強降水的臨近，925hPa水汽的移動路徑基本未發(fā)生變化，即從西太平洋沿沿海源源不斷的向沈陽地區(qū)輸送。850hPa水汽的起始點11：00較08：00明顯向東伸，這表明水汽輸送的進(jìn)一步加強。700hPa來源于南海和孟加拉灣的水汽也明顯加強。分析氣塊的垂直路徑，08：00700hPa氣塊開始是由高層（550hPa以上）逐漸向700hPa層輸送，700hPa層濕區(qū)并不明顯。11：00700hPa氣塊路徑基本是圍繞700hPa層震蕩，因此其濕區(qū)要較08：00明顯，從水平路徑中也可看出。08：00850hPa氣塊圍繞850hPa層震蕩輸送，11：00則完全由低層（900hPa以下）向其輸送，表明其濕區(qū)的進(jìn)一步加強。08：00和11：00，925hPa層輸送前后變化不明顯，即圍繞925hPa層震蕩。從上述分析得知，隨著強降水的臨近，700hPa和850hPa水汽輸送明顯增加，水汽由其本層或上層輸送轉(zhuǎn)變?yōu)橛上聦酉蚱漭斔汀?/p>

16日11：00—16：00，沈陽城區(qū)發(fā)生強降水，其中13：00—15：00，部分時間存在空歇。分析圖8b至圖8f，16日12：00（圖8b），700hPa氣塊路徑源于新疆，與500hPa氣塊路徑（圖7c）相似，表明700hPa層存在明顯干侵入，在其垂直路徑中也表現(xiàn)相應(yīng)的特征，700hPa氣塊源于400hPa層，這為對流的產(chǎn)生提供動力條件。11：00—12：00，沈陽城區(qū)出現(xiàn)了小時最大雨強為67.1mm/h的短時強降水。13：00（圖8c）和14：00（圖8d），850hPa和925hPa在垂直方向上水汽輸送路徑發(fā)生了變化，14：00水汽源及路徑較之前的層數(shù)高，表明水汽輸送的減弱，實況中降水明顯減弱，至出現(xiàn)了零星的小陣雨天氣。15：00（圖8e）和16：00（圖8f）短時強降水再次爆發(fā)，從氣塊路徑來看，925hPa水汽恢復(fù)低層輸送，700hPa存在干侵入，有利短時強降水的再次發(fā)生。從上述分析得知，強降水發(fā)生時，700hPa層干侵入明顯，850hPa和925hPa水汽輸送平穩(wěn)。強降水間隙時，700hPa干侵入減弱，850hPa和925hPa水汽輸送減弱。endprint

3.2 大氣可降水量 研究表明[7-9]，夏季暴雨一般發(fā)生在大氣可降水量從波谷到波峰的上升過程中，大氣可降水量的持續(xù)性遞增、遞減預(yù)示著降水的開始與結(jié)束。分析沈陽站逐小時大氣可降水量和小時雨強的時間序列圖（圖9），15日20：00—16日08：00，大氣可降水量持續(xù)性遞增，并在16日08：00達(dá)到最大，為65.6mm，這表明水汽的不斷的積累，大氣可降水量最大值較強降水的發(fā)生提前2～3h。強降水發(fā)生時，大氣可降水量存在小幅波動。強降水過后，大氣可將水量并未迅速下降，主要是這期間降水云團移動到遼寧的東北部地區(qū)，在沈陽上空形成一條自西南向東北方向輸送的水汽通道。

4 結(jié)論

本文基于ECMWF模式產(chǎn)品、常規(guī)（區(qū)域自動站）和非常規(guī)（雷達(dá)、衛(wèi)星、GPS）觀測資料，針對2013年8月16日沈陽出現(xiàn)的暴雨，局地大暴雨的天氣過程，探討大尺度環(huán)流背景下，即沈陽南北的動力抬升和水汽輸送差異并不明顯的情況下，沈陽地區(qū)雨量分布差異的原因，同時探討水汽輸送特征，重點分析干、濕空氣路徑和大氣可降水量特征，結(jié)果表明：

（1）沈陽地區(qū)雨量嚴(yán)重分布不均，主要是回波在移動的過程中出現(xiàn)斷裂，北段回波影響沈陽的中北部地區(qū)，沈陽市區(qū)的強降水是在暖區(qū)環(huán)境中產(chǎn)生的“列車效應(yīng)”造成的，而不是ECMWF模式預(yù)報的系統(tǒng)性的鋒面降水。

（2）鋒面降水未產(chǎn)生的原因：強對流云團的不斷發(fā)展，使其后部的下沉氣流加強，切斷了鋒面附近的水汽供應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致模式預(yù)報的系統(tǒng)性降水的減弱和消失。回波斷裂的原因：回波北段在移動的過程中不斷發(fā)展，南段強度維持，下沉氣流同時也切斷了云團之間的水汽供應(yīng)。

（3）分析水汽移動路徑：925hPa和850hPa水汽都來源于西太平洋，700hPa水汽來源于南海和孟加拉灣，干空氣（550hPa）主要是沿著偏西路徑，在河套附近堆積后輸送到沈陽地區(qū)。隨著強降水的臨近，850hPa和700hPa水汽輸送明顯加強，水汽由其本層或上層輸送轉(zhuǎn)變?yōu)橛上聦酉蚱漭斔?。強降水發(fā)生時，700hPa層干侵入明顯，850hPa和925hPa水汽輸送平穩(wěn)。強降水間隙時，700hPa干侵入減弱，850hPa和925hPa水汽輸送減弱。大氣可降水量最大值較強降水的發(fā)生提前2～3h。

參考文獻(xiàn)

[1]朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學(xué)原理和方法[M].北京：氣象出版社，2007：636-642.

[2]陸忠艷，吳曉鋒，李萍，等.遼寧一次暴雨過程及暴雨落區(qū)預(yù)報失誤原因分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2014，30（6）：31-36.

[3]張文龍，崔曉鵬，王迎春，等.對流層低層偏東風(fēng)對北京局地暴雨的作用[J].大氣科學(xué)，2013，37（4）：829-840.

[4]才奎志，蔣大凱，楊磊，等.遼寧黑山突發(fā)性局地特大暴雨中尺度對流條件和特征[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2014，30（6）：1-7.

[5]郭虎，季崇平，張琳娜，等.北京地區(qū)2004年7月10日局地暴雨過程中的波動分析[J].大氣科學(xué)，2006，30（4）：703-711.

[6] 孫繼松，何娜，王國榮，等.“7.21”北京大暴雨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)演變特征及成因初探[J].暴雨災(zāi)害，2013，3：28-35.

[7]葉其欣，楊露華，丁金才，等.GPS/PWV資料在強對流天氣系統(tǒng)中的特征分析[J].暴雨災(zāi)害，2008，27（2）：142-145.

[8]郭潔，李國平，黃文詩，等.不同類型降雨過程中GPS可降水量的特征分析[J].水科學(xué)進(jìn)展，2009，20（6）：763-767.

[9]李青春，張朝林，楚艷麗，等.GPS遙感大氣可降水量在暴雨天氣過程分析中的應(yīng)用[J].氣象，2007，33（6）：52-57.

（責(zé)編：張宏民）endprint