段云霞 李得勤 紀(jì)永明 班偉龍 吳宇童 李曉鷗

（1.沈陽市氣象臺，遼寧 沈陽 110168；2.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166；3.遼寧省氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中心，遼寧 沈陽 110166）

引言

東北冷渦是影響中國東北和華北地區(qū)的主要系統(tǒng)之一，常造成強(qiáng)降水、冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣，東北冷渦在其形成和發(fā)展階段甚至消亡階段均會導(dǎo)致暴雨及強(qiáng)對流天氣的發(fā)生，極端情況下還會有龍卷天氣的出現(xiàn)。受東北冷渦影響，遼寧地區(qū)的降水大多呈現(xiàn)局地性強(qiáng)、持續(xù)時間短的特征。根據(jù)中國氣象局令第16號文件中暴雨橙色預(yù)警信號定義：3 h內(nèi)累計降水量達(dá)到50 mm及以上為短時暴雨；暴雨紅色預(yù)警信號定義：3 h內(nèi)累計降水量達(dá)到100 mm及以上為短時大暴雨。據(jù)統(tǒng)計，遼寧省47%短時暴雨和62%的短時大暴雨發(fā)生在單個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，同時影響7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的短時暴雨和大暴雨分別占14%和7%，這類短時強(qiáng)降水具有一定的區(qū)域性特征［1］。短時暴雨降水具有強(qiáng)度大，突發(fā)性強(qiáng)，雨強(qiáng)大的特征，易形成暴洪，造成農(nóng)田漬澇、城市內(nèi)澇，甚至引發(fā)泥石流、山洪等地質(zhì)災(zāi)害，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。對于這類天氣，全球模式和區(qū)域模式在預(yù)報上具有一定的指示性，但是對于降水落區(qū)和強(qiáng)度的預(yù)報存在較大的偏差。

城市下墊面通常是由混凝土、瀝青等材料構(gòu)成的建筑物和道路，相對于由水體、土壤和植被的自然表面，這些人造表面一般具有較小的反照率、較大的熱容性，能夠更有效地將入射太陽輻射轉(zhuǎn)換為熱量并儲存，因而城市下墊面受太陽輻射加熱效率更高，加之工業(yè)、交通和商業(yè)等人類活動產(chǎn)生的熱量，使得城市與周邊地區(qū)形成了顯著的熱力差異［2］，導(dǎo)致城市強(qiáng)降水的發(fā)生比較頻繁［3-7］，也成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。孫繼松和舒文軍［3］認(rèn)為夏季晴空背景下，中午前后，城市熱力強(qiáng)迫有利于形成中尺度低空切變線，在邊界層內(nèi)加強(qiáng)中心城區(qū)風(fēng)場垂直切變，這種強(qiáng)迫有利于對流降水的維持。王叢梅等［4］對河北省邢臺市3次短時強(qiáng)降水過程進(jìn)行分析，認(rèn)為城市熱力作用配合城市周邊地形對城區(qū)降水的觸發(fā)有影響。沈澄等［5］指出城區(qū)對流活動的活躍期與大尺度天氣系統(tǒng)過境有關(guān)。Rosenfeld［6］認(rèn)為，城市化和工業(yè)污染將會造成城市下游降水增加。城市下墊面與周邊地區(qū)的氣溫差異，容易引起局地環(huán)流場的調(diào)整，并對弱天氣系統(tǒng)過境時具有加強(qiáng)的作用［7］，進(jìn)而觸發(fā)中尺度對流系統(tǒng)的形成和發(fā)展［8-10］。

輻合線作為一種弱的天氣系統(tǒng)，經(jīng)過不穩(wěn)定區(qū)域時，會導(dǎo)致不穩(wěn)定能量的釋放進(jìn)而觸發(fā)強(qiáng)降水［11-13］。李強(qiáng)等［14］指出中尺度輻合線觸發(fā)對流風(fēng)暴、形成小范圍的冷池出流，冷池與環(huán)境風(fēng)場形成新的輻合線，再次觸發(fā)新的對流單體。沈杭鋒等［15］對一次短時大暴雨過程進(jìn)行分析得出，當(dāng)?shù)蛯?25 hPa的中尺度輻合線與對流層中層700 hPa垂直上升運動相重合時，輻合線附近會產(chǎn)生對流，且強(qiáng)降水出現(xiàn)在中尺度輻合線附近，對流與輻合線關(guān)系異常復(fù)雜，輻合線可以觸發(fā)對流，對流系統(tǒng)又可以激發(fā)新的輻合線。

針對2016年6月30日發(fā)生在東北冷渦天氣背景下的沈陽地區(qū)一次強(qiáng)降水天氣過程，利用再分析資料和地面觀測資料來探討這次降水的天氣學(xué)配置特征，通過對比數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品降水、形勢場和不穩(wěn)定能量來探討此次降水過程模式的可預(yù)報性，為提高東北冷渦背景下強(qiáng)降水預(yù)報準(zhǔn)確率提供參考。

1 資料與方法

所用資料包括遼寧省區(qū)域自動站逐小時地面觀測、多普勒雷達(dá)組合反射率資料、沈陽市渾南區(qū)觀象臺08時和20時探空、沈陽地區(qū)GPS水汽及歐洲中期天氣預(yù)報中心（The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）空間分辨率為0.25°×0.25°的全球再分析資料。其中探空、GPS水汽及歐洲再分析資料分析此次天氣過程大尺度環(huán)流背景場及強(qiáng)降水發(fā)生動力、熱力和水汽條件；逐小時地面觀測、多普勒雷達(dá)組合反射率資料用來分析降水系統(tǒng)發(fā)展、演變特征。為了分析ECMWF模式對此次天氣過程的可預(yù)報性，對ECMWF的預(yù)報場進(jìn)行了分析，定性的分析檢驗?zāi)Ｊ筋A(yù)報偏差及偏差成因。

圖1 2016年6月30日15—23時遼寧省區(qū)域自動站累計降水量（a）和15時氣溫（b）分布Fig.1 Distributions of accumulated precipitation during 15：00-23：00（a）and temperature at 15：00（b）on June 30，2016，observed w ith the automatic weather stations in Liaoning province

2 結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)降水天氣概況

2016年6月30日，遼寧省發(fā)生了一次中到大雨、局部暴雨的強(qiáng)對流天氣過程，其中沈陽市、鐵嶺市、本溪市和撫順市降水量達(dá)到中雨到大雨，沈陽市城區(qū)局地出現(xiàn)暴雨（圖1a）。此次降水為沈陽市區(qū)典型的午后加強(qiáng)導(dǎo)致的城市強(qiáng)降水天氣。沈陽地區(qū)降水時段為30日15—23時（北京時，下同），城區(qū)強(qiáng)降水時段為16—18時，以短時強(qiáng)降水為主，市區(qū)零公里泵站1 h最大雨強(qiáng)達(dá)57.6 mm，2 h累計降水量達(dá)88.2 mm。由于降水在城區(qū)迅速加強(qiáng)，強(qiáng)度大，在城區(qū)部分地區(qū)造成比較嚴(yán)重的積水，對交通和排水產(chǎn)生了較大影響?？紤]到城區(qū)降水加強(qiáng)與城區(qū)下墊面加熱導(dǎo)致的能量積累有關(guān)，圖1b給出了沈陽地區(qū)和周邊區(qū)域地面2 m溫度的空間分布。由圖1b可以看出，30日上午10時到降水發(fā)生前，遼寧中部包括沈陽地區(qū)的溫度已顯示出較周邊地區(qū)溫度偏高的特征，在15時左右沈陽市較周邊地區(qū)地面溫度高2—3℃。

由圖2可以看出，由于渾南區(qū)和蘇家屯區(qū)較城區(qū)偏東、偏南，降水發(fā)生時間較城區(qū)偏晚30 m in左右，主要發(fā)生時段為16時30分至18時30分，每個站點主要降水時段均發(fā)生在1 h以內(nèi)，三個站點先后順序依次為沈北新區(qū)，渾南區(qū)和蘇家屯區(qū)，即由北向南逐漸推進(jìn)過程，降水過后氣溫下降近10℃。此外，這次降水還伴隨著短時大風(fēng)，觀測得到區(qū)域自動站瞬時風(fēng)力達(dá)到17.2 m·s-1（圖略）。

2.2 天氣背景

2.2.1強(qiáng)降水大尺度環(huán)流背景

此次強(qiáng)對流天氣發(fā)生在東北冷渦底部的大尺度環(huán)境場中，系統(tǒng)移動緩慢，2016年6月29日起沈陽地區(qū)處于冷渦底前部西南氣流影響下，30日白天冷渦底部橫槽下擺，30日夜間系統(tǒng)移經(jīng)沈陽地區(qū)。從2016年6月30日14時、17時、20時和23時4個時次500 hPa高度場、850 hPa溫度場、風(fēng)場和比濕場上看（圖3），此次天氣過程東北冷渦中心位置偏北，位于中國黑龍江省北部，遼寧省北部存在明顯的西南東北向切變線，伴隨著東北冷渦的旋轉(zhuǎn)東移，切變位置也隨之東移。沈陽地區(qū)處于冷渦底前部，由于切變位置偏北，850 hPa高度上30日白天一直處于西南急流控制下，直到30日20—23時切變移經(jīng)沈陽后，20時后沈陽地區(qū)才自北向南陸續(xù)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)。30日午后沈陽南部地區(qū)處于急流大值區(qū)，西南風(fēng)加強(qiáng)為14—16 m·s-1，自渤海灣向遼寧中部地區(qū)輸送水汽，30日17時比濕達(dá)到10—12 g·kg-1，沈陽市區(qū)和遼中區(qū)較西北部地區(qū)具有更為有利的動力和水汽條件。從溫度場來看，遼寧南部地區(qū)受較強(qiáng)的暖脊控制，有利于能量的積累，降水發(fā)生前后沈陽地區(qū)850 hPa氣溫變化為2—3℃，冷空氣并不強(qiáng)。而從濕度條件來看，隨著西南風(fēng)的輸送，14—17時遼寧省中部整體比濕均大于10 g·kg-1，濕度條件較好?？傮w來說，此次強(qiáng)降水過程850 hPa高度上動力觸發(fā)條件在沈陽地區(qū)不明顯，為西南氣流影響，加之高空冷空氣不強(qiáng)、雖然濕度條件較好，但對于強(qiáng)降水觸發(fā)位置和強(qiáng)度預(yù)報較難。

圖2 2016年6月30日08—20時沈陽市渾南、沈北新區(qū)和蘇家屯區(qū)3個氣象觀測站小時降水量和氣溫變化Fig.2 Time series of hourly rainfall and tem perature during 08：00-20：00 on June 30，2016，at the automatic weather stations of Hunnan，Shenbei，Sujiatun weather stations

圖3 2016年6月30日14時（a）、17時（b）、20時（c）和23時（d）500 hPa高度場、850 hPa風(fēng)場、溫度場和比濕場Fig.3 Synoptic chart of 500 hPa geopotential height，850 hPa tem perature，w ind，and specific hum idity fields at 14：00（a）、17：00（c），20：00（c），and 23：00（d）on June 30，2016

2.2.2不穩(wěn)定能量和層結(jié)特征

由圖4可以看出，2016年6月30日08時受西南氣流的影響，500 hPa高度以下大氣接近飽和，850 hPa高度上的比濕達(dá)到12 g·kg-1，較好的水汽條件減少深對流過程中的過度蒸發(fā)，增大了降水強(qiáng)度。3 0日0 8時K指數(shù)為42℃，CAPE值為690.5 J·kg-1，大氣層結(jié)不穩(wěn)定。從風(fēng)向隨高度的變化來看，風(fēng)向由700 hPa以下的西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，即受暖平流影響，白天近地層輻射增溫較快，午后城市感熱加熱作用使得大氣不穩(wěn)定層結(jié)增大。30日20時，雖然低層濕度條件仍然較好，K指數(shù)為32℃，但隨著降水的發(fā)生，不穩(wěn)定能量快速釋放，20時CAPE值已經(jīng)減小為55.3 J·kg-1，降水減弱漸止。

GPS觀測可以用來估計大氣的可降水量，指單位面積空氣柱中所含有的水汽總量，其在一定程度上反映該地區(qū)降水的潛勢，大氣可降水量一般情況下對降水有提前的指示作用［16］。由圖5可以看出，16時30分前，即降水發(fā)生前，6個站點的大氣可降水量均表現(xiàn)出迅速增強(qiáng)的趨勢，其中新民和遼中分別在16時30分和17時達(dá)到最大，分別為46 mm和50 mm，隨著系統(tǒng)的東移發(fā)展，渾南區(qū)、蘇家屯區(qū)18時最大，均達(dá)到45mm，18時之后隨著降水在沈陽地區(qū)自西北向東南減弱，大氣可降水量也在逐漸下降。可以看出，降水時段沈陽城區(qū)和蘇家屯區(qū)，以及沈陽市區(qū)西南部的遼中區(qū)大氣可降水量最高，配合有利的熱力條件，降水量最大。

圖4 2016年6月30日08時（a）和20時（b）渾南站T-log P圖Fig.4 T-log P diagrams of tem perature and dew point temperature at Hunnan sounding station at 08：00（a）and 20：00（b）on June 30，2016

圖5 2016年6月30日15：30—20：00時沈陽地區(qū)大氣可降水量變化Fig.5 Time series of precipitable water vapor during 15：30-20：00 on June 30，2016 in Shenyang area

使用歐洲中心0.25°×0.25°再分析資料計算得到30日15時遼寧地區(qū)的對流有效位能（圖6a）和假相當(dāng)位溫（圖6b）。從圖6a可以看出，15時遼寧省的對流有效位能高值區(qū)主要位于遼寧中部及沿海地區(qū)，沿海地區(qū)位勢不穩(wěn)定與圖3b中暖舌具有較好的對應(yīng)關(guān)系，來自渤海灣輸送的西南暖濕氣流，在陸地上空被加熱形成了較強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定。而位于沈陽市區(qū)較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量則一方面由于遼寧中部地勢偏低，有助于水汽的輸送，另一方面則主要由于城市輻射加熱作用顯著，使其與周邊形成了較明顯的溫度差異導(dǎo)致。通過與降水量的對應(yīng)關(guān)系可知，靠近渤海灣的沿海地區(qū)降水量總體小于沈陽周邊地區(qū)（圖1a），這還與圖3b中所顯示的沿海地區(qū)的風(fēng)速輻合條件較沈陽地區(qū)更差有關(guān)，所以兩者對流有效位能相當(dāng)，但因動力因素不同導(dǎo)致降水量存在較大的差異。

假相當(dāng)位溫與大氣溫度、濕度和氣壓均有關(guān)，常被用在強(qiáng)對流天氣的診斷中，從圖6b中可以看出，沈陽市區(qū)均為假相當(dāng)位溫和對流有效位能的高值區(qū)，與城區(qū)位置對應(yīng)較好，沈陽市區(qū)位溫高值區(qū)，較康平縣、法庫縣、新民市及遼中區(qū)西北部高4 K以上，具有較強(qiáng)的高溫、高濕、高能的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于強(qiáng)降水天氣的發(fā)生。

圖6 2016年6月30日15時遼寧地區(qū)對流有效位能（a）和假相當(dāng)位溫（b）分布Fig.6 Spatial distributions of convective available potential energy（a）and pseudo-equivalent potential temperature（b）at 15：00 on June 30，2016，in Liaoning province

圖7 2016年6月30日08—23時沈陽城區(qū)（123.3°E，41.8°N）渦度與散度（a）、假相當(dāng)位溫與垂直速度（b）、水平風(fēng)場與比濕（c）時間—高度分布Fig.7 Time-height cross sections of vorticity and divergence（a），pseudo-equivalent potential temperature and vertical velocity（b），wind and specific humidity（c）during 08：00-23：00 on June 30，2016，in urban areas of Shenyang（123.3°E，41.8°N）

圖7進(jìn)一步給出了2016年6月30日08—23時沈陽城區(qū)（123.3°E，41.8°N）的渦度和散度（圖7a）、假相當(dāng)位溫和垂直上升運動（圖7b）及水平風(fēng)場和比濕（圖7c）隨時間變化的剖面。6月30日13時起，沈陽城區(qū)在降水發(fā)生前，900 hPa高度以下就開始出現(xiàn)氣流的輻合，由于城市粗糙的下墊面，使得近地層空氣移動受阻，導(dǎo)致這種輻合不斷增強(qiáng)，于16時輻合區(qū)域高度達(dá)到700 hPa，輻合中心值為-24×10-5s-1，達(dá)到最強(qiáng)。此外，在500 hPa高度以上還出現(xiàn)了輻散，呈現(xiàn)低層輻合高層輻散的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在強(qiáng)降水發(fā)生前2 h已經(jīng)建立。由圖3中500 hPa高度場變化可知，30日15—21時冷渦底部橫槽下擺，渦度場分布上，從30日17時后，800—900 hPa高度間渦度逐漸增加，傳播高度不斷上升到500 hPa，500 hPa高度上渦度在19時前后達(dá)到最強(qiáng)，最大值為15×10-5s-1，20時后隨著系統(tǒng)東移，沈陽地區(qū)轉(zhuǎn)為東北冷渦底后部，渦度明顯降低，渦度的變化與500 hPa大尺度環(huán)流形勢及降水落區(qū)演變基本一致，500 hPa高度上渦度最大值出現(xiàn)時間滯后于強(qiáng)降水發(fā)生時間，對于強(qiáng)降水的發(fā)生沒有明顯的指示意義。

圖7b中假相當(dāng)位溫和垂直上升運動的垂直剖面分布表明，30日上午10時后，城區(qū)近地層加熱效率增強(qiáng)，高能高濕區(qū)主要集中在850 hPa高度以下，12時后這種高能高濕的能量結(jié)構(gòu)就已經(jīng)建立。垂直上升運動同樣也是在強(qiáng)降水開始之前2 h建立，16時左右垂直上升運動最強(qiáng)，高度達(dá)到對流層頂，中心值為3.5 Pa·s-1，對應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展最旺盛的時段，伴隨著大氣的上升運動，濕熱的大氣在高空釋放潛熱。16時伴隨著降水的發(fā)生，高能的大氣結(jié)構(gòu)迅速減弱，能量釋放集中在15—17時，隨著垂直運動的減弱，18時后，大氣垂直運動由輻合上升逐漸轉(zhuǎn)為下沉氣流。

由圖7c可以看出，沈陽城區(qū)一直伴隨有西南風(fēng)，利于暖濕空氣的輸送，13—16時從近地層至300 hPa間風(fēng)速加大，3 km高度以下為16—18 m·s-1，3—5 km達(dá)到20—22 m·s-1，雷蕾等［17］研究表明，當(dāng)急流出現(xiàn)擾動加強(qiáng)時，低空急流出口區(qū)將減壓，導(dǎo)致垂直運動增強(qiáng)。由圖7b可知，隨著13時后西南氣流的增強(qiáng)，對流上升運動也在加強(qiáng)，導(dǎo)致15—16時降水強(qiáng)度加大。18時后，3.0—1.5 km高度上轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)或西北風(fēng)，1.5 km高度到地面西南風(fēng)速減小，20時減弱為8 m·s-1，降水減弱漸止。可見，1.5—3.0 km的16 m·s-1的西南風(fēng)脈動可提前2 h左右指示強(qiáng)降水的發(fā)生，急流減弱消失也可以提前1—3 h預(yù)示降水結(jié)束。

圖8 2016年6月30日16時（a）、17時（b）、18時（c）和19時（d）沈陽地區(qū)10 m風(fēng)場和小時降水量Fig.8 The 10m wind and hourly precipitation at 16：00（a）、17：00（b）、18：00（c）and 19：00（d）on June 30，2016，in Shenyang areas

2.2.3地面輻合線對強(qiáng)降水的觸發(fā)作用

從前兩小節(jié)的分析可以看出，此次降水過程對應(yīng)的能量和濕度條件均較好，但動力場上為西南氣流弱動力場影響，強(qiáng)降水爆發(fā)的原因以及所發(fā)生的具體位置往往是預(yù)報的難點，該類降水?dāng)?shù)值模式也沒有較好的預(yù)報能力。這里從地面10 m風(fēng)場進(jìn)行分 析，圖8給出了2016年6月30日16時、17時、18時和19時沈陽地區(qū)小時降水量與10 m風(fēng)場分布。由圖8可以看出，此次降水過程在地面圖上配合有明顯的中尺度輻合線，16時風(fēng)場的輻合線位于沈陽西北部地區(qū)，中尺度輻合線呈東北西南向，最大風(fēng)速為8 m·s-1，此時沈陽市區(qū)仍然受西南風(fēng)控制，對應(yīng)的小時雨量較小，為0—10 mm。17時中尺度輻合線壓在沈陽市遼中區(qū)與城區(qū)北部，沈陽南部地區(qū)有西北風(fēng)和偏南風(fēng)的輻合，其中遼中區(qū)南部風(fēng)場有氣旋性旋轉(zhuǎn)，16—17時城區(qū)降水強(qiáng)度較大，平均小時雨量為10—20 mm·h-1，局部達(dá)到30 mm·h-1。隨著輻合線進(jìn)一步東移南壓，18時沈陽市區(qū)小時雨量進(jìn)一步增大，城區(qū)中東部地區(qū)小時雨量可達(dá)20—30 mm·h-1，而遼中區(qū)17時風(fēng)場輻合較強(qiáng)的下游小時雨量達(dá)到45 mm·h-1。所以，該次降水過程能量觸發(fā)的主要因素為西南風(fēng)和偏北風(fēng)的輻合作用東移南下，導(dǎo)致大氣輻合抬升，能量得以觸發(fā)引起強(qiáng)降水，降水的強(qiáng)度與地面溫度高值區(qū)及能量分布具有較好的對應(yīng)關(guān)系。此外，地面輻合線移入市區(qū)到移出市區(qū)僅持續(xù)了1 h左右，移動速度快，30日17時和18時地面氣溫變化最大的區(qū)域能達(dá)到4℃以上，由于降水前城區(qū)溫度較周邊偏高，所以變溫和小時雨強(qiáng)均比較大（圖略）。

圖9 2016年6月30日16時30分（a）、17時（b）、17時30分（c）和18時（d）遼寧省雷達(dá)組合反射率拼圖Fig.9 Doppler Radar com posite reflectivity at 16：30（a），17：00（b），17：30（c）and 18：00（d）on June 30，2016，in Liaoning p rovince

2.2.4雷達(dá)回波演變特征

局地性暴雨具有預(yù)報難度大的特征，本次天氣過程主要由地面輻合線觸發(fā)不穩(wěn)定能量形成的降水，降水前為不穩(wěn)定能量的積聚階段，輻合線前沿為東北—西南向的帶狀回波。當(dāng)輻合線經(jīng)過時，前期的不穩(wěn)定能量快速釋放，由于城區(qū)溫度較其他地區(qū)偏高，這種熱力抬升作用更加顯著，導(dǎo)致降水強(qiáng)度更大。

由圖9可知，2016年6月30日12時在遼寧省西北部有東北—西南向的團(tuán)狀回波出現(xiàn)，伴隨著地面風(fēng)場輻合，14時向東移入遼寧省，前期最大反射率因子達(dá)到50 dBz（圖略），之后逐漸發(fā)展為東北—西南向帶狀回波，回波比較分散，與地面相同走向的中尺度輻合線相配合，在城區(qū)和遼中區(qū)出現(xiàn)了小時雨量超過30 mm的降水；16時后，在帶狀回波以東，沈陽城區(qū)出現(xiàn)點狀強(qiáng)回波，強(qiáng)度可達(dá)54 dBz，在地面輻合線動力作用下，回波組織發(fā)展，由城區(qū)向東北誘發(fā)出一條強(qiáng)回波帶，整體呈現(xiàn)倒人字形，強(qiáng)降水范圍擴(kuò)展，17時兩條回波合并加強(qiáng)，之后緩慢東移南壓，17時前后遼中帶狀回波末端有再次加強(qiáng)的現(xiàn)象，19時減弱移出沈陽地區(qū)。

此次降水過程中，市區(qū)零公里泵站小時最大雨強(qiáng)為57.6 mm，2 h累計降水量達(dá)到88.2 mm。從雷達(dá)組合反射率因子的垂直剖面分布可知（圖10），16時48分零公里泵站回波頂高伸展到8 km，對流發(fā)展旺盛，50 dBz回波達(dá)到6 km高度，最強(qiáng)反射率因子可達(dá)55 dBz，位于5 km高度上，略高于0℃層高度，表現(xiàn)為以暖云降水為主導(dǎo)，冷云降水參與的混合型降水類型，具有較高的降水效率［18-22］。

2.3 可預(yù)報性分析

2.3.1主觀預(yù)報與模式確定性雨量預(yù)報

EC全球模式對于此次降水過程的預(yù)報調(diào)整較大，2016年6月28日20時起報30日白天沈陽地區(qū)為小到中雨量級，臨近時次29日20時起報與實況更為接近（圖11）。29日20時起報城區(qū)和新民市主要降水時段為30日14—17時，遼中區(qū)和市區(qū)南部為17—20時，預(yù)報30日白天的強(qiáng)降水時段與實況吻合。降水量預(yù)報上，預(yù)報30日白天12 h累計雨量大值區(qū)落區(qū)位于市區(qū)蘇家屯區(qū)和遼中區(qū)南部，較實況偏南，沈陽城區(qū)累計降水量偏小，12 h累計雨量為30—35 mm，漏報了沈陽城區(qū)的暴雨。從實況結(jié)果看，臨近時次預(yù)報更具有參考性。在冷渦背景高能高濕的天氣背景下，較難確定降水的強(qiáng)度和落區(qū)，在實際預(yù)報服務(wù)中，對于冷渦背景下的此類天氣，預(yù)報員往往在全球模式預(yù)報的降水量的基礎(chǔ)上調(diào)整。

圖10 2016年6月30日16時48分零公里泵站沿41.8°N（a）和123.3°E（b）雷達(dá)組合反射率因子垂直剖面Fig.10 Vertical sections of Doppler Radar composite reflectivity at zero kilometer pumping station at 16：48 on June 30，2016

圖11 2016年6月30日08—20時遼寧省12 h累計降水量（a）與28日20時（b）和29日20時（c）ECMWF全球模式起報的12 h累計降水量對比Fig.11 Comparisons of the 12-h cumulative precipitation during 08：00-20：00 on June 30（a）and the forecasting precipitation by the ECMW F globalmodel from 20：00 on June 28（b）and 20：00 on June 29，2016（c），in Liaoning province

2.3.2模式不穩(wěn)定能量和動力特征

在高能、高濕有利的環(huán)境條件下，觸發(fā)機(jī)制對暴雨的發(fā)生至關(guān)重要。選常用的EC全球模式預(yù)報結(jié)果，利用850 hPa風(fēng)場、位勢不穩(wěn)定能量、地面10 m風(fēng)場和3 h累計降水量資料分析沈陽地區(qū)暴雨的觸發(fā)機(jī)制。

由2.2.1分析得知，此次降水過程沈陽地區(qū)850 hPa高度上沒有明顯的切變，一直處于西南氣流的弱動力條件影響下，從模式預(yù)報的850 hPa高度上風(fēng)場與對流有效位能可知（圖略），2016年6月30日14時和17時沈陽市區(qū)南部和遼中區(qū)西南風(fēng)力分別為8—14 m·s-1和10—14 m·s-1，20時沈陽地區(qū)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，預(yù)報結(jié)果與實況基本一致。位勢不穩(wěn)定能量的演變趨勢與實況一致，模式報出了30日14時沈陽市區(qū)南部、遼中區(qū)較沈陽其他地區(qū)能量偏高的情況，于17時高值區(qū)東移，并且伴隨著降水的發(fā)生，不穩(wěn)定能量快速下降，23時全地區(qū)均降到了300 J·kg-1以下，但模式預(yù)報在高值區(qū)的落區(qū)上與實況存在明顯差異，由于模式預(yù)報沈陽地區(qū)地面氣溫為27—28℃（圖略），而實況城區(qū)氣溫較周邊地區(qū)高2—3℃，預(yù)報沒能體現(xiàn)出城區(qū)下墊面局地地形對氣象要素的影響，所以未報出城區(qū)能量較周邊偏高的情況，造成預(yù)報強(qiáng)降水雨帶落區(qū)偏南、城區(qū)降水總體偏弱。

2.3.3數(shù)值模式地面觸發(fā)條件

作為此次降水的主要觸發(fā)條件，EC模式預(yù)報的10 m風(fēng)場分布表明（圖12），2016年6月30日14時沈陽地區(qū)地面為一致的偏南風(fēng)，17時，位于沈陽市區(qū)西南部—遼中區(qū)有一東西向的地面輻合線，在其北部還有一條東北西南向輻合線，但均較實況位于沈陽市區(qū)和遼中區(qū)東北西南向的輻合線偏晚，風(fēng)速偏小。就降水量與輻合線位置配置來看，預(yù)報降水主要由前部輻合線引起，并且一方面預(yù)報輻合線強(qiáng)度較實況偏弱，另一方面實況西南東北走向輻合線伸展到了整個沈陽地區(qū)，而預(yù)報僅位于遼中區(qū)和沈陽市區(qū)西南部，造成沈陽城區(qū)和沈陽北部及其東北部的強(qiáng)降水漏報，并且沈陽市區(qū)南部和遼中區(qū)降水大值區(qū)落區(qū)較實況時間偏晚。消失對降水發(fā)生和結(jié)束有較好的指示意義。

圖12 2016年6月30日14時（a）、17時（b）、20時（c）和23時（d）沈陽地區(qū)10 m風(fēng)場和3 h累計降水量Fig.12 The 10 m w ind barb and 3-hour accumulative precipitation at 14：00（a），17：00（b），20：00（c）and 23：00（d）on June 30，2016，in Shenyang areas

（3）本次天氣過程850 hPa高度上動力條件弱，地面輻合線在遼寧省自西北向東南移動，地面的風(fēng)場輻合使得前期分散的強(qiáng)回波得到發(fā)展，對流發(fā)展55 dBz的最強(qiáng)反射率可以升至6 km的高度上，高于0℃層的高度，是以暖云降水為主的混合型降水的特征，具有較高的降水效率。

3 結(jié)論與討論

（1）2016年6月30日沈陽地區(qū)此次過程發(fā)生在東北冷渦天氣背景下，降水具有強(qiáng)度大、梯度大、持續(xù)時間短等特征，500 hPa高度以下大氣接近飽和，850 hPa高度上西南氣流的長時間維持，白天近地層輻射加熱強(qiáng)，城區(qū)氣溫較周邊高2—3℃，低層高能、高濕的層結(jié)為降水的發(fā)生提供了有利條件。

（2）垂直層結(jié)上，受城市粗糙下墊面的影響，垂直運動和大氣輻合作用首先在950 hPa高度以下的近地層開始出現(xiàn)，較降水出現(xiàn)時間提前約2 h，隨后不斷加強(qiáng)，散度的最大值達(dá)到-24×10-5s-1，上升運動高度達(dá)到對流層頂，最大強(qiáng)度為3.5 Pa·s-1，與沈陽城區(qū)強(qiáng)降水出現(xiàn)時間一致。渦度的變化與500 hPa高度場的演變趨勢一致，隨著冷渦底部淺槽氣流下擺南下，沈陽城區(qū)800—500 hPa高度間具有較高的渦度，而強(qiáng)降水發(fā)生在500 hPa高度上渦度最大值出現(xiàn)之前，渦度對強(qiáng)降水沒有明顯指示作用。午后城區(qū)從近地層至300 hPa間水平風(fēng)速加強(qiáng)，西南風(fēng)脈動加強(qiáng)導(dǎo)致上升氣流增強(qiáng)，在強(qiáng)降水出現(xiàn)時整層風(fēng)速均達(dá)到最大，對應(yīng)較強(qiáng)的對流上升運動，1.5—3.0 km的16 m·s-1的西南風(fēng)脈動和急流減弱

（4）從EC全球模式預(yù)報結(jié)果對本次降水的可預(yù)報性分析來看，雖然提前24 h預(yù)報較提前48 h預(yù)報有所改進(jìn)，但仍未能預(yù)報出沈陽城區(qū)的降水，主要是由于全球模式對城區(qū)和周邊溫度的梯度未能成功預(yù)報，低估了城區(qū)的不穩(wěn)定能量條件，并且對于這次降水起到組織作用的地面輻合線的預(yù)報也明顯偏晚偏弱。對于此類高能高濕冷渦影響下的強(qiáng)降水，考慮到模式的可預(yù)報性，需根據(jù)經(jīng)驗對城區(qū)降水量進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，臨近時基于地面自動站資料和雷達(dá)資料等的短時臨近預(yù)報產(chǎn)品能夠彌補(bǔ)全球模式預(yù)報對中小尺度系統(tǒng)捕捉能力的不足，提高強(qiáng)降水的預(yù)報準(zhǔn)確率。