冷渦背景下沈陽地區(qū)對流性降水預(yù)報誤差分析

張帥+張治+崔景林+魯楊

摘 要：該文利用實況觀測資料、東北中尺度數(shù)值模式預(yù)報場資料和歐洲中心細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報場資料，針對冷渦背景下沈陽地區(qū)對流性降水預(yù)報誤差進(jìn)行了分析，重點探討了抬升觸發(fā)條件、不穩(wěn)定條件、水汽條件、探空圖等方面。結(jié)果表明：（1）此次弱降水過程，受東北冷渦和南支槽共同影響，水汽條件較弱，850hPa上無明顯切變線，但高空存在弱系統(tǒng)快速過境，中層有弱冷空氣入侵，地面存在輻合線。（2）不穩(wěn)定條件：850hPa溫度平流不明顯，500hPa存在干冷空氣侵入。市區(qū)、新民、遼中地區(qū)K指數(shù)大值區(qū)與Cape值大值區(qū)相互疊加，為此次弱降水過程提供熱力條件。（3）水汽條件：沈陽地區(qū)比濕在8～10g/kg，相對濕度在70%～80%。（4）預(yù)報著眼點：當(dāng)有弱系統(tǒng)過境時，水汽的強(qiáng)弱不可作為判別降水產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)，不穩(wěn)定能量的堆積、地面輻合線的產(chǎn)生及中層干冷空氣侵入，是判別對流是否產(chǎn)生的關(guān)鍵。關(guān)注數(shù)值模式預(yù)報調(diào)整變化，大值區(qū)的位置對降水有一定的指示意義。

關(guān)鍵詞：東北冷渦；對流性降水；預(yù)報誤差

中圖分類號 P457.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）24-129-07

我國東北地區(qū)地處中高緯度，主要影響天氣系統(tǒng)為東北低壓或冷渦系統(tǒng)[1]。東北冷渦經(jīng)常給東北地區(qū)帶來低溫、洪澇、暴雨、冰雹等災(zāi)害性天氣，對東北地區(qū)的天氣氣候產(chǎn)生重要影響，為此對東北冷渦的研究一直被氣象學(xué)者所關(guān)注，目前也已經(jīng)取得了不少成果[2-4]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對干侵入進(jìn)行了深入的研究，Danielsen[5]給出了干侵入的三維結(jié)構(gòu)圖；Browning等[6-8]對溫帶氣旋和爆發(fā)性氣旋中干侵入的結(jié)構(gòu)和特征進(jìn)行了深入的分析，結(jié)果指出干侵入對溫帶氣旋和爆發(fā)性氣旋的發(fā)生、發(fā)展起到促進(jìn)作用，對鋒面降水結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響；Richard等[9]利用衛(wèi)星圖像和數(shù)值模式，以中大西洋地區(qū)的暴雪為例診斷分析了影響干侵入內(nèi)垂直速度變化的相關(guān)因子；Curtis[10]對1960—1999年期間從大西洋和墨西哥灣登陸的熱帶氣旋所產(chǎn)生的龍卷進(jìn)行分析，指出龍卷爆發(fā)與中層干侵入密切相關(guān)。國內(nèi)學(xué)者也多對氣旋、暴雨中的干侵入現(xiàn)象進(jìn)行了分析。姚秀萍等[11]對與梅雨鋒上低渦降水相伴的干侵入做了深入的研究，結(jié)果表明：干侵入對梅雨期首場暴雨的形成、維持和發(fā)展起著重要的作用，并定義了干侵入強(qiáng)度指數(shù)（DII）[12]，揭示了干侵入強(qiáng)度指數(shù)的物理意義；楊貴名等[13]分析了干侵入在強(qiáng)降水和黃海氣旋中的作用；閻鳳霞等[14]利用中尺度數(shù)值模式MM5對一次梅雨鋒暴雨過程進(jìn)行模擬，診斷分析了干侵入及其對暴雨過程的作用；梁軍等[15]研究發(fā)現(xiàn)冷空氣入侵熱帶氣旋外圍，對遼東半島地區(qū)對流云團(tuán)的強(qiáng)度、上升運(yùn)動及其降水具有明顯的增強(qiáng)作用，其中對流層中上層較強(qiáng)冷空氣對暴雨的增幅作用顯著。綜上來看，冷渦天氣一直是學(xué)者研究的重點，但由于渦后冷空氣下滑，容易激發(fā)起局地的對流性天氣，對流性天氣的起始時間和落區(qū)一直難以把握，成為預(yù)報中的重點與難點。本文利用實況觀測資料、東北中尺度數(shù)值模式預(yù)報場資料和歐洲中心細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報場資料，針對冷渦背景下沈陽地區(qū)對流性降水預(yù)報誤差進(jìn)行了分析，重點探討了抬升觸發(fā)條件、不穩(wěn)定條件、水汽條件、探空圖等方面，試圖尋找預(yù)報著眼點，提高預(yù)報準(zhǔn)確率及預(yù)警時效。

1 降水實況

受冷渦和高空槽共同影響，2015年9月2日12：00—17：00，新民、市區(qū)出現(xiàn)了陣性降水天氣。沈陽各區(qū)縣國家觀測站降水量：新民0.3mm，渾南0.2mm；降水量最大的5個區(qū)域自動站：祝家屯（渾南）34.3mm，羅家房（新民）23.2mm，白清寨（蘇家屯）17.6mm，平羅（市區(qū)）14.5mm，教場雨水（渾南）13.0mm；城區(qū)降水量最大的5個區(qū)域自動站：平羅14.5mm，工農(nóng)泵站10.8mm，凌空泵站9.0mm，五愛泵站2.2mm，沈陽市氣象局1.0mm。詳見圖1。

降水落區(qū)集中在新民和市區(qū)，2日12：00新民降水開始，14：30新民降水停止，隨后15：00市區(qū)降水開始，17：00市區(qū)降水停止。本次過程為弱的分散性陣雨，具有3個特點：一是降水強(qiáng)度偏弱，出現(xiàn)降水的2個國家觀測站降水量都在1mm以下，僅有5個區(qū)域自動站降水量達(dá)到10mm，其中最大為34.3mm；二是降水局地性強(qiáng)，降水落區(qū)都在新民和市區(qū)附近；三是降水持續(xù)時間短，2日12：00降水開始，17：00降水結(jié)束。

前一日晩預(yù)報漏報渾南、新民2個站，當(dāng)日早預(yù)報漏報新民站，空報遼中站，下面對預(yù)報誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

2 天氣尺度系統(tǒng)分析

2.1 環(huán)流背景場分析

2.1.1 500hPa形勢場 此次過程前期500hPa高空槽攜帶冷空氣南下，2日08：00，500hPa高空槽壓在沈陽地區(qū)，渤海附近有一個低渦。13：30—14：30分新民的降水主要受500hPa高空槽及其攜帶的冷空氣影響，隨后高空槽和低渦東移合并，高空槽帶來的干冷西北氣流以及低渦帶來的暖濕東南氣流匯合，2日20：00，576hPa等高線壓在沈陽地區(qū)中部，15：30—16：00市區(qū)的降水主要受合并的槽影響（圖2）。

2.1.2 850hPa形勢場 850hPa上在沈陽地區(qū)東部和南部分別存在一個氣旋式系統(tǒng)，但都距離沈陽地區(qū)較遠(yuǎn)，影響不大，沈陽全區(qū)還是以偏北風(fēng)為主，低層系統(tǒng)不是觸發(fā)此次降水過程的主要原因（圖3）。

2.1.3 抬升觸發(fā)條件分析 通過觀察2日11：00（圖4a）10m風(fēng)場可以發(fā)現(xiàn)，遼寧省中西部都以偏北風(fēng)為主，但新民及其西側(cè)2個測站都為偏東風(fēng)，導(dǎo)致新民地區(qū)10m風(fēng)場上有偏北風(fēng)與偏東風(fēng)的輻合，地面上的輻合線觸發(fā)新民地區(qū)的降水；2日14：00（圖4b）的10m風(fēng)場上，沈陽地區(qū)附近測站都為偏北風(fēng)，但市區(qū)東側(cè)的幾個測站為偏東風(fēng)，導(dǎo)致市區(qū)10m風(fēng)場上有偏北風(fēng)和偏東風(fēng)的輻合，地面上的輻合線觸發(fā)市區(qū)的降水（圖4）。

對實況場和預(yù)報場對比發(fā)現(xiàn)，2日11時EC10m風(fēng)場預(yù)報與實況場差異較大，實況場在新民地區(qū)有偏北風(fēng)和偏東風(fēng)的輻合，預(yù)報場則全區(qū)為偏北風(fēng)。2日14：00EC10m風(fēng)場預(yù)報與實況場差異較小，在渾南站附近都有一條明顯的輻合線。這也導(dǎo)致了當(dāng)日預(yù)報漏報了新民站，但是預(yù)報出了渾南站的降水（圖5）。endprint

2.2 探空資料分析 2日08：00（圖6a），沈陽K指數(shù)為33℃，沙氏指數(shù)為0.19℃，2日20：00（圖6b），沈陽K指數(shù)為34℃，沙氏指數(shù)為-1.22℃，探空反映出不穩(wěn)定能量有一個加大的過程。2日08：00，沈陽地區(qū)中層有干冷空氣侵入，500～700hPa風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)明顯，有冷平流作用，而低層平流作用不明顯，至2日20：00，沈陽中高層均為干冷空氣，700hPa以上風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)明顯，有冷平流作用，850～900hPa上平流作用不明顯，而近地面層有暖平流作用?？梢娚蜿柕貐^(qū)完成了一個不穩(wěn)定條件加大的過程。

3 不穩(wěn)定條件分析

從渾南站實況觀測資料可以看出（圖7），2日08：00至20：00，850hPa溫度由14℃變?yōu)?3℃，低層平流作用不明顯；500hPa溫度由-11℃變?yōu)?13℃，中層有冷空氣侵入。

對2日白天沈陽地區(qū)5個站預(yù)報場850hPa和500hPa溫度統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，各站 850hPa溫度變化同樣不明顯，14：00—20：00中層500hPa有冷平流，但較實況場偏弱，這也是未預(yù)報出此次降水的原因之一。此次過程前期天空狀況較好，850hPa溫度一直維持在14℃左右，對白天各站的高溫有一定指示作用（圖8）。

對各站白天地面溫度、K指數(shù)Cape值進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)白天溫度較高，渾南、新民、遼中在30℃左右（圖9）。K指數(shù)大值區(qū)在沈陽地區(qū)南部，其中渾南31，新民29，遼中30.6。Cape值大值區(qū)同樣位于沈陽地區(qū)南部，其中新民為900，渾南、遼中均在1000以上，前期高溫及較大的K指數(shù)、Cape值均對此次對流性過程預(yù)報具有指示意義。

4 水汽條件分析

通過觀察2日20：00850hPa比濕場以及相對濕度場可以看到，沈陽地區(qū)的比濕在8～10，相對濕度在70%～80%，全區(qū)的水汽條件都不是特別好，這也導(dǎo)致了此次過程的整體降水量偏?。▓D10）。在實況場上，我們還可以看出，位于沈陽地區(qū)東部的市區(qū)在此次過程中濕度條件最佳。

剖面圖上的預(yù)報結(jié)論和實況基本一致，也預(yù)報出了全區(qū)較弱的水汽條件，幾個站點相比對，發(fā)現(xiàn)依然是渾南站的水汽條件最好。并且，剖面圖上500hPa溫度波動不大，也未預(yù)報處上文所提到的中層冷空氣侵入（圖11）。

5 降水?dāng)?shù)值預(yù)報分析

從EC細(xì)網(wǎng)格31日20：00對2日白天12h降水量預(yù)報場可以看出，西部4個站降水量都在1mm以下，只有渾南站降水量為1.8mm，而在后一時次的預(yù)報明顯調(diào)大了此次過程的降水量，除新民外各站降水量都在1mm以上，渾南站達(dá)到了3.7mm，整體來看降水量最大值一直報在渾南站。

觀察WRF1日08：00對2d白天12h降水量預(yù)報場，發(fā)現(xiàn)WRF主要報了一條遼寧省東部的一條“東北-西南”向的降水帶，沈陽地區(qū)報了一些分散性陣性降水，其中渾南站最靠近遼寧東部的降水帶。而后一時次的預(yù)報相較前一時次明顯調(diào)大了降水量，其中康平和新民2個站調(diào)大的最明顯（圖13）。

6 結(jié)論

本文利用實況觀測資料、東北中尺度數(shù)值模式預(yù)報場資料和歐洲中心細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報場資料，針對冷渦背景下沈陽地區(qū)對流性降水預(yù)報誤差進(jìn)行了分析，重點探討了抬升觸發(fā)條件、不穩(wěn)定條件、水汽條件、探空圖等方面。結(jié)果表明：

（1）受東北冷渦和南支槽共同影響，新民和市區(qū)出現(xiàn)了弱降水天氣。水汽條件較弱，850hPa上無明顯切變線，但高空存在弱系統(tǒng)快速過境，中層有弱冷空氣入侵，加之地面溫度較高，激發(fā)局地輻合線，引發(fā)了此次弱降水天氣。

（2）不穩(wěn)定條件：850hPa溫度平流不明顯，500hPa存在干冷空氣侵入。市區(qū)、新民、遼中地區(qū)K指數(shù)大值區(qū)與Cape值大值區(qū)相互疊加，有利于午后不穩(wěn)地能量的積累，為此次弱降水過程提供熱力條件。

（3）水汽條件：沈陽地區(qū)比濕在8～10g/kg，相對濕度在70%～80%，全區(qū)的水汽條件較弱，因此導(dǎo)致此次過程降水量偏小。

（4）預(yù)報著眼點：當(dāng)有弱系統(tǒng)過境時，水汽的強(qiáng)弱不可作為判別降水產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)，不穩(wěn)定能量的堆積、地面輻合線的產(chǎn)生及中層干冷空氣侵入，是判別對流是否產(chǎn)生的關(guān)鍵。關(guān)注數(shù)值模式預(yù)報調(diào)整變化，大值區(qū)的位置對降水有一定的指示意義。

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（責(zé)編：張宏民）endprint