引言

夏季强对流天气的预报，尤其是局地短时强降水的预报一直以来都是天气预报工作中的重点和难点，气象工作者们做出了大量科研成果^[1-4]，董保举等^[5]分析风廓线雷达产品与暴雨之间的关系，发现其水平风资料可以清楚地展示暴雨过程风场垂直结构及其变化特点，直观地反映出降水过程中的风场变化特征。杨成芳和王俊^[6]采用扩展VAP(extended velocity azimuth processing, EVAP)方法对一次暴雪过程进行多普勒雷达风场反演，发现垂直各层水平风场存在中尺度切变线，且与强回波带相对应，中尺度切变线的位置决定了暴雪的落区。王宏等^[7]对承德市两次短时暴雨过程的中尺度特征进行对比分析，得出两次降水过程中逆风区的出现时间都与强降水时段有很好的配合, 且逆风区的持续时间越长, 产生的降水强度也越大。此外还有很多专家学者^[8-21]结合当地的天气气候特点，对该地区的短时强降水过程进行了中尺度分析，得到有效的预报指标。

2016年8月6日下午，受高空槽、低空切变线和地面倒槽共同影响，潍坊地区有一次降水天气过程。潍坊市气象台经过天气会商，认为副热带高压(以下简称“副高”)外围切变线是主要影响系统，切变线位置偏西，低空850 hPa东南气流和地面倒槽偏弱，因此做出预报(图 1a)：8月6日夜间到8日，大部地区有雷雨天气，全市平均降水量10~30 mm，局部50 mm以上。然而天气实况(图 1b)为，6日20时—8日20时潍坊全市平均降水量56 mm，潍坊南部诸城部分乡镇和北部潍坊港等地出现短时强降水，其中诸城朱解站7日09—10时1 h降水量为101.8 mm，北部沿海潍坊港8日07—08时1 h降水量达107.2 mm，过程总降水量302.9 mm。此次强对流天气是潍坊地区入汛以来出现的最强降水过程，尽管提前做了气象服务，但是实况和预报之间的偏差还是让强降水天气的预报工作受到质疑。本文对2016年汛期强对流天气过程中诸城和潍坊港附近降水预报出现偏差的原因进行详细分析，找出一些导致预报失败的原因，以期对今后短时强降水预报起到一定帮助作用。

1 环流形势和影响系统分析

6日08时，500 hPa高空图(图 1c)上大陆高压和海上副热带高压对峙，河套南部地区有南支槽存在，588 dagpm线穿过山东，副高外围的东南气流向鲁中地区输送水汽，并未达到急流强度。同时极涡分裂冷空气南下，东北地区高空槽发展加深并迅速南下，而低层850 hPa位于河北河南一带的经向切变线强度较弱，受副高阻挡稳定维持并缓慢东移，切变线处于500 hPa南支槽前正涡度平流区，未来将发展加强，但位置偏西偏南。地面上鲁南一带已经受倒槽影响，山东出现局地性阵雨天气。整体上来看，地面倒槽内的风速风向辐合偏弱，高空槽位置偏北，500 hPa南支槽和低空850 hPa切变线的发展变化是未来预报的关键因素。

从欧洲中期天气预报中心(ECMWF)形势预报来看，6日20时开始500 hPa冷空气补充南下，北支槽加深发展为冷涡，同时经向度加大，且不断甩下冷空气影响山东(图 1g)。副高外围的东南气流和北支槽甩下的东北风相交绥，山东与河北交界处850 hPa上一直维持倒槽式切变线，持续到8日白天切变线才逐渐减弱。ECMWF降水预报显示，切变线东南侧的鲁西北、鲁中西部及鲁西南为主要降水区，而鲁西北处于倒槽式切变线顶端辐合最强，故为强降水中心(图略)。尽管ECMWF预报切变线位置偏西，但维持时间较长，因此综合判断后预报6日夜间至8日潍坊地区降水类型为副高外围的切变线降水，过程平均降水量为10~30 mm，西北部大，东南部小，局部有50 mm以上降水(图 1a)。

6日20时实况显示副高略有东退，500 hPa高空槽基本维持，同时低层有冷空气扩散南下，850 hPa切变线有所加强略微东移，位置仍然相对偏南(图 1d)，地面倒槽没有明显发展，实况与前期预报基本相符。然而7日08时(图 1e)，副高进一步东退，500 hPa北支槽经向度加大，同时南支槽前部正涡度平流的输送，引起低空切变线和地面倒槽的迅速发展，此时切变线位于沿黄河一线。到7日20时(图 1f)，高空槽基本维持，副高有所西伸，南支槽稳定少动，低空850 hPa切变线已经发展出低涡，低涡中心位于天津附近。对比前期预报(图 1h)，实况850 hPa切变线位置偏东，强度更强且有低涡生成。另外实况还显示7日08时925 hPa切变线正好压在鲁中东部，青岛站东南风风速达10 m·s^-1，地面倒槽辐合线位于东营—淄博—莱芜一线，比预计的位置要偏东。超低空和地面天气系统的发展，也是造成降水强度大的重要因素。自6日夜间至8日实况(图 1b)平均降水量为56 mm，潍坊南部安丘、诸城和寒亭北部等地降水达100 mm以上，部分地区超过300 mm，其中潍坊港1 h降水量达107.2 mm，预报与实况偏差非常大。

850 hPa低涡生成、925 hPa切变线的生成发展以及影响系统偏东是造成降水明显偏大的主要因素。数值预报资料对此次过程中切变线东南侧复杂的天气系统预报偏差大，而预报员对数值预报依赖程度高是此次预报失误的主要原因。对于诸城国家级气象观测站、朱解和北部沿海潍坊港出现的短时强降水，在预报中难度很大，后文通过对中尺度物理量场分析，找出能在预报中有效利用的预报着眼点。

2 物理量场分析 2.1 水汽条件分析

7日08时(图 2a)，副高外围的东南气流源源不断地输送水汽，低层风速在8~10 m·s^-1，850 hPa比湿在14 g·kg^-1以上，并一直持续到8日白天，且700 hPa以下中低层温度露点差维持在3 ℃以下，水汽接近饱和。大范围强降水的产生需要有中低层强的水汽辐合，而对于这种局地短时强降水，由7日08时850 hPa及其他各层水汽通量散度和水平风场分布图可以看出，850 hPa切变线位于山东西部沿黄河一线，鲁西北地区为水汽辐合中心，潍坊港水汽辐合非常强，而诸城一带辐合强度较弱，为-0.5×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1。从水汽通量散度剖面图(图 2b)可以看出，诸城朱解(119.5°E，36°N)附近，850 hPa以下具有明显的水汽辐合，中心位于925 hPa附近，达-3×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1，为强降水的发生提供水汽条件。到700 hPa以上中高层转为弱辐散，这种低空辐合和高空辐散的水汽通量特征，造成诸城一带短时强降水的发生。

7日20时(图略)，在潍坊北部沿海一带，持续的水汽辐合带来充沛的水汽，剖面图同样可以看到潍坊港(119°E，37°N)低层强烈的水汽辐合作用，给寿光和寒亭北部造成短时强降水天气。对8日08时水汽通量进行分析，结果与7日20时相似，所造成的对流天气落区同样是处在潍坊北部沿海，因此850 hPa以下强的水汽辐合是潍坊港和诸城朱解强降水发生的重要条件。

2.2 不稳定层结分析

强对流天气的发生需要一定的不稳定条件，在8月6日20时t-lnp图(图略)上济南章丘探空站存在1 600 J·kg^-1的中等强度对流有效位能(convective available potential energy, CAPE)，且为下暖湿上干冷的条件不稳定层结；同时暖云层(抬升凝结高度到0 ℃层高度)较厚，厚度高达4 710 m，对于较高的0 ℃(5 100 m)和-20 ℃层(8 455 m)而言，并不利于冰雹的发展，但是对于短时强降水较为有利。自6日20时至8日08时，T₈₅₀-T₅₀₀维持在23 ℃左右，温差并不高，但是850 hPa比湿一直维持在14~15 g·kg^-1，700 hPa比湿也达到8 g·kg^-1以上，400 hPa以上则非常干，水汽的垂直分布是不稳定层结维持时间较长的重要因子。

利用NCEP/NCAR再分析资料分别对7日08时诸城朱解(图 3a)和8日08时潍坊港(图 3b)短时强降水发生时的探空特征分析发现，K指数均达38 ℃，同时大气可降水量PW在60 mm左右，二者表明环境大气水汽含量非常充沛。而对流有效位能CAPE较6日20时略有降低，但仍在1 000 J·kg^-1上下，同时抬升指数LI维持在-3~-2 ℃，表明强降水发生时上升气流的强度和对流发展的潜势并没有因此而减弱，一直维持层结不稳定状态。而从两站上空风廓线分布可看出，深层(0~6 km)垂直风切变分别为2.5×10^-3 s^-1和1.5×10^-3 s^-1，表明较小的垂直风切变使得暴雨云团在站点上空长时间维持，造成短时强降水的发生。同时7日08时探空具有深厚的湿层，从地面一直伸展到200 hPa，而8日08时潍坊港的探空图上，中层500 hPa干层的存在表明有干冷空气的侵入，降水物通过干冷空气时强烈蒸发冷却，并加速下沉至地面产生强烈的辐散造成潍坊港出现14.0 m·s^-1的雷暴大风。

2.3 动力抬升条件分析

高空槽、低涡切变线和地面倒槽等天气系统造成较强的系统性上升运动，强烈的上升运动在触发不稳定能量释放的同时，也造成动量、涡度等的垂直输送，使天气系统进一步发展。对7日08时垂直速度做剖面分析，7日08时诸城朱解(119.5°E，36°N)的垂直速度场(图 4a)分布：850 hPa以下低层有明显的上升运动，最大速度达到-0.2 Pa·s^-1，700 hPa附近垂直运动不明显，500~300 hPa则具有明显的下沉运动，最大速度达到0.25 Pa·s^-1。一般来说，大范围强降水发生时整层上升运动都比较强，而中高层下沉运动的出现，说明高层有较强的冷空气入侵下沉，从而使不稳定层结进一步加强。对应7日08时散度场(图 4b)分布特征是：辐合最强出现在近地面层附近，达到-4.5×10^-5 s^-1，高层辐散最强在400 hPa，达到4×10^-5 s^-1，辐合辐散的强度都很大。这种低层辐合和高层辐散配置导致的强垂直上升运动是暴雨产生的动力机制，位势不稳定因中高层的下沉运动得以加强。而8日08时(图略)潍坊北部海区的暴雨区(119°E，37°N)上空整层都存在强上升运动，旺盛的上升气流发展高度接近200 hPa的对流层顶，在散度场上同样建立低层辐合、高层辐散的抽吸机制，如此深厚的垂直上升气流造成了强对流天气的发生。

3 多普勒雷达反演风场特征分析 3.1 雷达回波特征

再分析资料由于时空分辨率较低，在分析局地短时强降水过程时受限制较大，不一定能够反映局地的中尺度风场特征，因此通过分析雷达回波及其反演风场做进一步分析。

此次过程是以短时强降水为主的强对流天气，在雷达回波图上并未发现有中气旋，反射率因子和径向速度产品在短临预报预警中发挥至关重要的作用^[6-10]。8月7日06时开始，雷达回波向东北方向移动，45 dBz以上的带状回波自日照五莲一带进入诸城，降水回波自西南向东北移动，回波强度在移动过程中始终维持在45 dBz上下，回波面积不断增大，7日08:25(图 5a)最大回波强度超过50 dBz，移速缓慢，回波移动方向与中尺度对流系统长轴基本一致，并有明显后向传播，形成列车效应，一直持续到7日11时左右，6 h内在诸城城区、郝戈庄和朱解三个站点出现100 mm以上的强降水，之后强回波减弱，降水出现间歇期。8日07时(图略)，莱州湾西部有50 dBz以上强回波生成并沿莱州湾西岸缓慢南下，超过55 dBz的强回波到达潍坊北部沿海，形成线性强风暴，回波的后向传播使得强回波移动缓慢，在潍坊港稳定维持3 h左右，造成潍坊港出现1 h降水量107.2 mm。

7日07时径向速度图(图略)上的零速度线随高度由东北西南向逐渐顺转为西北东南向，即风随高度由东南风转为西南风，低层具有明显的暖平流。同时在诸城一带的负速度区内出现了正速度，即逆风区，至08:25逆风区逐渐发展增大，并向东北方向移动，在3.4°仰角径向速度图(图 5b)上诸城东部和高密西南部(5~6 km高度)都有小逆风区发展，说明在该区域附近有明显的辐合和辐散，而风暴处于逆风区附近时发展更为旺盛，强度迅速增强至50 dBz以上，对应此时朱解短时强降水的发生。受环境风的影响，逆风区不断向东北方向移动，且范围逐渐减小，对应降水强度也逐渐减弱。因此回波的发生和发展加强与多普勒雷达径向速度图上的中尺度逆风区相联系，逆风区的发展和移动对于判断强降水的落区有指示作用^[6-8]。

3.2 反演风场分析

本文采用EVAP方法进行雷达风场反演。EVAP方法是王俊^[9]在陶祖钰^[11]提出的VAP方法基础上扩展而成的，成功反演出暴雨个例的风场，并在山东的天气预报业务中投入使用。该方法是在忽略上升速度而考虑粒子下落速度影响的条件下，导出不同高度上的水平径向速度计算公式，然后采用VAP方法来反演出不同等高面上二维水平风场。

对于7日08—10时(3 h降水215.8 mm)诸城附近的短时强降水，地面自动站风场上为一致的偏南风，风速4 m·s^-1左右，并不能看出有明显的风向风速辐合，因此通过对多普勒雷达进行风场反演作进一步研究。特择取诸城朱解站降水开始时间7日07：20(图 6a)和结束时间09：36(图 6b)的雷达基数据进行风场反演，发现较强的雷达回波基本都对应有明显的风场辐合特征，在中层5 km高度附近(图 6a)，潍坊西北部是东北风与西南风的辐合，西南部是西南风与偏西风的辐合，两条东北—西南向的中尺度切变线的右侧均有45 dBz以上较强回波发展。而潍坊东部的昌邑、诸城一带则是由于西南风风速辐合产生的南北向辐合线，从而造成强回波的发展。诸城朱解站附近上空发展出具有暖式切变线性质的中尺度风场辐合线，此辐合线垂直伸展厚度在3 km上下，且一直持续到09：36前后才逐渐减弱，维持时间达2 h以上，造成朱解站大暴雨的发生。这类辐合线^[6]起着触发雷暴并使雷暴生成后沿辐合线移动加强的作用，雷达回波图上诸城一带强单体风暴基本上是沿着辐合线移动。

7日08时—8日08时的地面天气图(图略)上，在鲁中北部有中尺度辐合线维持，8日08时辐合线发展东移至寿光—临朐—沂源一线，潍坊港的短时强降水基本出现在地面中尺度辐合线附近。通过8日07：13(图 6c)和08：54(图 6d)反演风场分析可看出，中尺度风场辐合主要分为北部冷暖空气交汇和南部暖区中的气流辐合。北面的中尺度辐合是东南风与西北风的辐合，冷空气主体位于鲁西北一带，冷暖空气不断地在潍坊港上空交汇造成东北—西南向的切变线发展，切变线右侧回波强度在50 dBz以上，由于系统移速较慢，在潍坊港持续时间达1 h以上，直接导致了潍坊港1小时内100 mm以上降水。而潍坊南部暖区中尺度辐合线的风场特征也不尽相同，最南面的辐合线是西南风与偏西风的辐合，而最东面的辐合线主要是风速辐合，所以反演风场可以更直观、精细地反映中尺度的风场辐合。南部暖区的风场辐合区附近有45 dBz以上强回波发展，同时该辐合区也与多普勒雷达径向速度图上的逆风区相对应。

因此在具有明显的大尺度天气系统时，中尺度辐合线直接指示了强回波带的位置和强度变化。在低涡暖区为一致偏南风时，多普勒雷达反演风场中的辐合线能对短时强降水的落区有很好的指示作用，因此中尺度辐合线是导致局地强降水的直接影响系统。

4 风廓线特征分析

高时空分辨率的风廓线雷达资料可以显示出中小尺度天气系统连续详实的变化过程，清楚地揭示对流层和边界层风场特征。8月7日07—11时寒亭站出现44.6 mm的强降水，其中08—09时降水量达26.2 mm，5 min加密雨量观测显示08：10—08：40为最强降水时段，半小时降水23.6 mm。利用寒亭风廓线雷达资料对本次短时强降水天气发生时的垂直风廓线结构进行分析，研究降水发生前后风廓线观测的风场演变特征。

8月7日降水发生前风场垂直结构(图 7)为：1 km以下东南风，1~3 km南风，风向随高度顺转，且风速随高度增大，有较强暖平流，该结构维持到06:30，降水并未发生；自06:30开始，风廓线雷达探测高度从5~6 km突然增大到8 km以上，这是由于降水临近时大气高层的水汽含量增加，使得折射率结构常数加大，从而使雷达的探测高度有所增加^[21]，地面降水从07时逐渐开始，因此降水发生前探测高度有明显的升高；06:30开始风场垂直结构逐渐发生变化，1~2 km全部转为东南风，风速维持在6 m·s^-1左右，3 km以上由南风转为西南风，风随高度顺转，仍维持较强暖平流。最强降水时段出现在08:10—08:40，6 km高度以上由西南风转为偏西风，说明中高层有高空槽过境，因冷空气叠加在暖湿气流之上，强降水区上空对流不稳定层结进一步增强。同时由于中低层暖湿平流维持时间较长，造成水汽和能量的大量积聚，随着不稳定能量急剧释放，造成短时强降水发生。09时之后6 km以上再次转为槽前西南风控制，此时降水强度明显减弱。因此风廓线雷达水平风场可以连续地反映降水过程中风场垂直结构及其变化，中高层冷空气侵入时间与强降水的时段相对应。

5 结论

对2016年8月6—8日潍坊一次强对流天气的成因和预报误差进行了分析，结果表明：

1) 500 hPa冷涡底部低槽、850 hPa低涡切变线和地面倒槽是主要影响天气系统，地面倒槽和副高外围切变线的稳定维持是造成降水持续时间长的主因。

2) 数值预报资料对此次过程的天气系统强度和位置预报偏差较大，而预报员对数值预报依赖程度高是此次预报失误的主要原因。

3) 850 hPa以下强的水汽辐合是强降水发生的重要条件，低层辐合和高层辐散配置导致的强垂直上升运动是暴雨产生的动力机制，位势不稳定因中高层的冷空气入侵下沉得以加强。

4) 列车效应和强回波维持是造成短时强降水的重要回波特征，逆风区的发展和移动对于判断强降水的落区有指示作用, 多普勒雷达反演风场显示的中尺度辐合线是导致局地强降水的直接原因。

5) 风廓线雷达水平风场可以连续地反映降水过程中风场垂直结构及其变化，降水发生前探测高度明显升高，中高层冷空气侵入时间与强降水的时段相对应。