1 引言
暴雨是中国东北地区的主要灾害性天气之一， 陶诗言（1980）在对中国暴雨的研究中指出， 东北冷涡是造成我国东北、 华北北部地区暴雨或雷阵雨的主要天气系统。孙力等（1994）研究发现东北冷涡一年四季均可出现， 但多发生在4 -10月， 其中尤以5 -6月和9月最多。郑秀雅等（1992）将东北冷涡定义为500 hPa天气图上35°N -60°N、 115°E -145°E范围内有闭合等高线， 配合有冷中心或冷槽， 能够持续维持3 天或3 天以上的低压环流系统。东北冷涡从低空到高空都有表现， 是深厚的大尺度气旋性涡旋环流系统（朱乾根等， 1992）。
东北冷涡造成的暴雨常因突发性强、 局地性明显、 降水强度大、 结构复杂等特点， 给定时、 定点、 定量业务预报带来很大的难点和挑战。近年来学者们围绕形成冷涡暴雨的环流形势及演变、 水汽输送、 能量条件、 暴雨落区等方面开展了不少的研究工作。
研究发现， 东北冷涡暴雨一般出现在冷涡发展阶段（孙力等， 1995； 张廷治和李守智， 1996； 陈力强等， 2008； 钟水新等， 2011， 2013； 齐铎等， 2020）。张云等（2008）发现在东北冷涡衰退阶段也能产生暴雨， 主要成因是低空不同层次上急流的耦合与脉动， 给雨区带来特定的水汽配置， 从而产生暴雨天气。刘英等（2012）研究发现在东北冷涡的形成、 发展、 维持以及消退期均可伴有暴雨、 冰雹、 雷暴、 短时大风， 甚至龙卷等强对流天气。
在冷涡暴雨落区及成因方面， 白人海（1997）利用地面和探空加密观测资料分析指出， 在冷涡的前部即东南部有中尺度雨团生成发展， 该雨团主要是由冷涡前部弱冷平流和冷涡南侧较强的暖平流在渤海湾北部一带辐合造成。孙力等（2002）对1998 年发生在松嫩流域的9个东北冷涡暴雨过程研究发现， 暴雨中心主要发生在系统中心以东大约6个经距的范围内， 而不是出现在冷涡中心附近及其以西地区。王宗敏等（2015）认为， 冷涡暴雨、 强对流发生的区域通常限于冷涡的东南象限， 这是由于在冷涡东南部分布着负涡度、 主要辐合辐散和上升运动中心。齐铎等（2020）发现降水主要分布在冷涡前部切变辐合最强的位置， 降水强度与低层辐合中心强度及垂直速度成正比。若冷涡造成的强降水只出现在冷涡东南部， 那冷涡暴雨的预报难度将会降低， 但事实往往非常复杂， 斯公望（1988）指出， 在冷涡区后部的晴空区， 常有高空冷平流和低空暖平流叠加， 加上地面白天辐射增温， 形成不稳定层结， 有利于对流的发展。同一冷涡背景下出现了两种不同类型的短时强降水天气， 分别出现在冷涡中心外围西南象限和冷涡后部槽后的晴空区（蔡雪薇等， 2019）。可见， 冷涡暴雨的落区复杂多变， 即使同一冷涡其强降水落区也不尽相同。
充沛的水汽供应是暴雨产生的必要条件， 相比产生在西南季风气流中、 水汽供应充足的华南、 长江流域暴雨， 东北地区暴雨发生在相对较干的大陆气团中， 水汽供应显得尤为重要（王东海等， 2007）。孙力等（1995）对8例典型冷涡暴雨开展研究， 发现暴雨类冷涡与其南侧的副热带低值系统联系密切。魏铁鑫等（2015）对近40年的东北冷涡暴雨水汽来源进行分析， 发现主要有4 个水汽源地， 分别是西太平洋及相邻海域、 孟加拉湾—南海海域、 欧亚大陆贝加尔湖附近、 东北地区本地。每个降水过程中水汽具体源自哪里， 会有明显不同。孙力等（2002）研究认为1998 年松嫩流域大暴雨的水汽来源有2个， 分别源于孟加拉湾和副热带高压南侧， 这二支水汽输送通量矢量与西风带水汽输送通量矢量在东北地区西部形成明显的气旋式分布， 导致该区域水汽强烈辐合， 从而出现较强的持续性降水。王宁等（2014）研究发现偏西、 偏南及偏北3 条水汽通道在吉林省中南部汇集是造成吉林省一次较大范围的冷涡暴雨、 大暴雨过程发生的重要条件， 暴雨落区与整层水汽通量汇合区密切相关。孙颖姝等（2018）指出热带地区的暖湿水汽直接输送到中纬度地区， 为东北区域一次暴雨的产生和维持提供了良好的水汽条件。齐铎等（2020）研究表明， 造成黑龙江盛夏区域性暴雨的水汽分别来自副高外围西南气流、 贝加尔湖至东北的偏西气流， 及日本海的偏东气流， 其中偏南气流带来的水汽净流入是此次降水过程的主要水汽来源。
冷涡的动力、 热力条件主导着冷涡云系的形成发展， 冷涡的不同发展阶段、 不同区域云系的宏微观特征会有何差异？对于降水云、 非降水云其云光学厚度、 云顶高度、 云顶温度等有明显差异（周毓荃等， 2011； 刘晓春等， 2012）， 了解云顶信息对于降水预报有一定的指导意义。FY-4A卫星及地面应用系统已于2018年5月1日正式投入业务运行， 开发了云顶高度/温度、 云光学厚度等产品， 为了解冷涡云系提供了高时空分辨率的监测资料。
魏铁鑫等（2015）统计发现1961 -2010年间东北地区冷涡暴雨日数有308天， 但出现在5月的只有10天， 占比仅约3%。东北冷涡暴雨常发生在7 -8月盛夏季节（张廷治和李守智， 1996）， 众多的研究也多聚焦于这个阶段的暴雨过程展开（孙力等， 2002； 陈力强等， 2008； 钟水新等， 2011； 王宁等， 2014； 孙颖姝等， 2018； 齐铎等， 2020）， 鲜少有对出现在5月中旬的区域性暴雨过程开展过系统性的研究。
本文利用ERA5 再分析资料、 FY-4A卫星反演云特征参量产品、 地面自动站雨量及风速风向等资料， 对2020年5月17-19日辽宁中东部的区域性暴雨过程从高低空环流形势、 垂直运动、 水汽输送特征、 热力条件， 及暴雨云系宏微观特征等多方面进行分析， 探究产生暴雨的环流形势、 动力热力条件、 云系有何特征， 水汽源地在哪里， 并且与盛夏的冷涡暴雨有何异同， 以提高对此类冷涡暴雨形成发展机制的认识， 为预报提供参考。
2 数据来源
ERA5再分析资料（Hersbach et al， 2020）是由欧洲中期数值预报中心（ECMWF）采用集合预报系统Cy41r2与四维资料同化系统同化全球大气、 海洋观测数据， 研发处理形成的第五代再分析资料数据集， 该数据集提供1979年至今的小时平均或月平均的地表层、 高空数据， 本文使用逐小时的高空和地表数据， 水平分辨率均为0.25°×0.25°， 高空数据从1000 hPa到1 hPa分成37层， 资料均从公开网站获得（https： //cds.climate.copernicus.eu/cdsapp #！/ dataset/）。
反演的FY-4A卫星云顶高度和云光学厚度数据， 来源于风云卫星遥感数据服务网（http： //data.nsmc.org.cn/portalsite/Data/Satellite.aspx）。
地面自动站雨量及风速风向数据， 来源于国家气象信息中心CIMISS实时资料数据库。文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS（2021）1328号的中国地图制作， 底图无修改。
3 降水过程概况
2020年5月17日20:00（北京时， 下同）至19日08:00， 辽宁中东部出现一次明显的降水天气过程， 东南部地区产生了大雨到暴雨、 局部大暴雨过程， 并伴有短时强降水（小时雨强≥20 mm·h-1）、 雷暴大风（风速≥17.2 m·s-1）等强对流天气， 辽宁省1561个气象站出现降雨的共有1277个， 平均降雨量达到24.2 mm， 降水量超过100 mm的站点有26个， 出现在辽宁东部岫岩、 庄河、 盖州等市县， 降水量50~100 mm的站点有264个， 主要集中在辽东半岛及宽甸县， 最大降雨量出现在庄河市步云山村下坎屯（XKT， 122.77°E， 40.1°N）， 为167.5 mm。辽宁东部降水强度最大的时段主要集中在18日10:00 -17:00， 其中14:00的1 h降水量有8个站点超过25 mm， 最大达到了43.4 mm·h-1， 位于庄河市塔岭镇（TLZ， 123.25°E， 40.01°N）［图1 （a）］。大连、 鞍山、 本溪、 丹东、 营口地区出现雷电， 过程中最大瞬时风力达到了39.4 m·s-1， 18日19:56出现在大连长兴岛区西中岛洪西头屯。
下坎屯和塔岭镇相距约42 km， 在本次过程中下坎屯累积降水量达到167.5 mm， 塔岭镇为135.1 mm， 均达到了大暴雨级别。从逐小时降水演变分析可知［图1 （b）］， 两站均于18日04:00出现降水， 19日00:00后趋于结束， 但下坎屯逐小时雨量均没有超过20 mm·h-1， 没有达到短时强降水的标准， 降水强度较为均匀； 而塔岭镇在18日13:00、 14:00小时降水量超过了20 mm·h-1， 14:00更是达到了43.4 mm·h-1， 其余大部分时间内小时雨强都小于5 mm·h-1。
总体看来， 此次降水在辽宁东北部分布较均匀， 辽宁东南部地区表现出很强的对流性特征， 降水分布不均、 强度大， 降水时段集中， 并伴有短时强降水和雷暴大风过程。根据辽宁省地方标准暴雨范围等级（辽宁省气象台， 2017）， 此次降水过程达到了区域性暴雨、 局部大暴雨级别。
4 环流形势演变特征分析
暴雨是天气尺度、 中小尺度系统相互作用的结果， 天气尺度系统对暴雨发生、 发展， 及持续时间提供了有利的环流背景， 利用ERA5逐小时0.25°×0.25°再分析资料分析此次降水过程的高低空环流形势发展演变特征及其对降水的影响， 尤其是强降水与冷涡发展的关系。
4.1 高空形势演变特征
2020年5月15日08:00， 在贝加尔湖东南区域500 hPa高度场上有高空槽东移发展， 槽后配合有 -28 ℃的冷中心， 形成极强的冷平流， 有利于低槽低涡的发展， 850 hPa与地面已经形成闭合环流， 低层闭合环流的形成早于对流层中层。15日20:00， 500 hPa高空槽底部发展加强切断形成一个小的闭合环流， 位于（109°E， 48°N）， 中心气压为544 dagpm。
到16日08:00， 500 hPa冷涡发展加强， 冷涡中心位于（111°E， 47°N）， 中心气压降低到540 dagpm并伴有-24 ℃的冷中心， 850 hPa与高空冷涡相配合的环流中心东南侧风速达到6~8 m·s-1， 地面闭合环流中心气压下降到996 hPa ［图2 （a）］。此时200 hPa高度上还没有切断形成闭合环流， 高空槽底部有-48 ℃的暖中心配合， 整个东北地区都处于辐散场的控制， 急流核风速达到60 m·s-1［图2 （b）］， 此时正处于冷涡新生阶段， 地面闭合环流中心位于500 hPa冷涡中心的偏东区域， 冷涡随高度呈现出向西倾斜的特征。冷涡系统向东南移动过程中不断发展加强， 到16日20:00， 500 hPa闭合等高线水平范围扩大， 冷涡中心东移到（113°E， 46°N）附近， 200 hPa也发展加强切断形成闭合环流。
图2 2020年5月500 hPa位势高度（黑色等值线， 单位： dagpm）和温度（红色虚线， 单位： ℃）、 850 hPa风场（风羽， 单位： m·s-1， 长划、 短划分别代表4、 2 m·s-1）和海平面气压场（蓝色阴影， ≤1006 hPa， 单位： hPa）（a， c， e）， 200 hPa位势高度（黑色等值线， 单位： dagpm）、 温度（红色虚线， 单位： ℃）、 散度（蓝色等值线， 单位： ×10-5 s-1）和高空急流（阴影区， ≥30 m·s-1， 单位： m·s-1） （b， d， f）Fig.2 Geopotential height （black contour， unit： dagpm）， temperature （red dashed line， unit： ℃） at 500 hPa， horizontal wind vectors at 850 hPa （barb， unit： m·s-1， long and short bar indicates 4 and 2 m·s-1， respectively） and sea level pressure （the blue shaded， with ≤1006 hPa， unit： hPa） （a， c， e）， geopotential height （black contour， unit： dagpm）， temperature （red dashed line， unit： ℃）， divergence （blue contour， unit： ×105 s-1 ） and high-level jet stream （the shaded， with ≥30 m·s-1， unit： m·s-1） at 200 hPa （b， d， f） in May 2020 |
17日08:00到18日08:00， 500 hPa冷涡中心从（116°E， 43°N）东移南落到（119°E， 38°N）附近， 闭合环流中心轴线以逆时针方向转动， 从东西向转为东北—西南向， 在横槽转竖的过程中冷空气快速南下， 850 hPa冷平流较强， 同时200 hPa高空出现较强辐散区， 17日20:00山东地区辐散中心大值超过20×10-5 s-1， 出流条件较好， 有利于地面气旋的生成发展［图2 （c）， （d）］。从逐小时地面雨量分析得知， 17日08:00到18日02:00辽宁省局地出现了零星降水， 02:00之后， 降水首先出现在辽东半岛， 然后雨区范围逐渐向北向西拓展。
18日14:00， 冷涡进一步东移到（122°E， 38.5°N）附近， 500 hPa冷涡中心气压为544 dagpm， 冷中心强度为-24 ℃， 冷涡西南部等高线密集、 温度梯度大， 500 hPa冷涡中心、 850 hPa闭合环流中心、 地面气旋中心相距小于50 km、 趋于重合， 逐渐呈现出正压结构特征， 地面气旋中心气压降低到990 hPa， 冷涡逐渐发展到最强盛阶段， 850 hPa暖湿切变线位于36°N， 辽宁受偏东和东北气流影响［图2 （e）］。200 hPa上冷涡前部急流核位置北抬， 暖中心强度维持在-48 ℃［图2 （f）］。此阶段辽宁东南部降水发展强烈， 塔岭镇13:00和14:00出现了短时强降水， 尤其是14:00更是达到了43.4 mm·h-1。孙力等（1995）将500 hPa冷中心和低中心几乎重合时定义为冷涡的成熟阶段， 并指出成熟阶段冷涡强度达到了最强。18日20:00， 500 hPa冷涡中心、 地面气旋中心几乎完全重合（图3 ）， 500 hPa温度场、 高度场基本重合， 该冷涡进入到成熟阶段。
图3 2020年5月17日14:00至19日02:00气旋、 500 hPa冷涡中心路径示意图×表示500 hPa冷涡中心， 标注其出现时间； ●表示气旋中心， 标注其出现时间及气旋中心气压（单位： hPa） Fig.3 The track of cyclone and cold vortex center position at 500 hPa from 14:00 on 17 to 02:00 on 19 May 2020.× is cold vortex center position at 500 hPa and the time of occurrence.Black dot （●） is cyclone center position， upper number is time， lower number for pressure （unit： hPa） |
19日08:00， 500 hPa冷涡中心进一步东移南落到朝鲜半岛西侧（125°E， 36°N）附近， 此次冷涡过程对东北区域的影响趋于结束， 200 hPa闭合环流已经减弱为高空槽。
4.2 地面气旋形成发展过程
受东北冷涡系统影响， 5月17日11:00， 对应的地面图上我国东北、 华北及黄淮流域处于低压控制中。17日14:00， 中心气压达998 hPa的闭合低压区出现在山西东南部、 河北南部、 河南北部、 山东西部一带， 之后低压中心东移南压， 到17日20:00， 气旋中心东移到山东、 安徽、 江苏三省交界处， 中心气压为996 hPa。18日02:00， 中心气压998 hPa， 气旋经过江苏北部东移进入黄海， 辽宁受气旋顶部偏东气流影响， 辽宁东南部沿海出现降水。此后气旋中心快速北抬， 到08:00气旋中心位于辽宁东南部附近的海面上， 气压略微降低为996 hPa； 14:00气旋中心气压快速降低达到990 hPa， 气旋强烈发展， 6 h内气旋中心气压降低了6 hPa， 气旋中心位置小幅北抬更靠近辽宁东南部地区。20:00， 气旋中心位置东移南落， 强度维持990 hPa， 气旋中心位置与500 hPa冷涡中心几乎重叠， 冷涡发展到成熟阶段； 19日02:00， 气旋中心位置继续东移南落， 靠近朝鲜半岛西侧， 辽宁东南部降水逐渐减弱； 19日08:00， 在朝鲜半岛东侧又形成一个气旋中心， 辽宁受气旋西北侧偏北气流影响， 降水基本结束（图3 ）。
5月18日02:00， 降水首先出现在辽东半岛东南部沿海地区， 随着东北冷涡东移、 地面气旋北上强烈发展， 降水范围逐渐向北推进、 影响辽宁中东部、 东北部区域， 14:00降水范围影响到了辽宁中部西丰—新民—盘山一线， 之后降水范围缓慢向西、 向北推进。18日02:00到19日08:00冷涡及其伴随的地面气旋长时间维持， 辽宁地区依次处于冷涡系统的东北部—北部—西北部， 850 hPa影响气流主要为偏东、 东北风。东北冷涡叠加北上强烈发展的气旋， 给辽宁东南部带来了区域性暴雨、 局地大暴雨， 18日08:00 -14:00气旋中心气压下降6 hPa， 气旋发展强烈， 辽宁东南部塔岭镇14:00记录到了本次降水过程中的最强小时雨量， 1 h降水达到43.4 mm·h-1。这与钟水新等（2013）研究个例相同， 强降水主要出现在冷涡及其伴随的地面气旋发展、 加强阶段。
5 动力场对降水的影响
5.1 冷涡成熟阶段动力场对降水的影响
冷涡形成发展及其演变移动对地面降水出现的位置起到决定性作用， 选择冷涡发展成熟时不同高度风场与降水落区的配置去探寻二者之间的关系， 经向U分量和纬向V分量的零风速线分别表征东西风及南北风之间的转折（U分量西风为正、 V分量南风为正）。从图4 可以看出， 5月18日20:00 300 hPa以下到地面气旋中心位置接近重合， 位于（123°E， 38.5°N）附近， 风场对称性明显， 冷涡轴线近似直立， 200 hPa上涡旋中心位于（122°E， 40°N）附近， 冷涡轴线从300 hPa高度以上向西北倾斜。U分量零风速线从低层到高层逐渐收缩， 东风影响区域范围逐渐减小， 200 hPa上只出现在涡旋中心北部约200 km宽的范围内； 而V风量零风速线从低层到高层逐渐向西退， 反映出700 hPa以下中低层偏西和偏东气流的对峙明显， 分别影响冷涡中心的南北两侧， 而越往高层偏东气流影响的范围越小。
图4 2020年5月18日20:00不同高度风场（风羽， 单位： m·s-1）与地面1 h雨量（阴影， 单位： mm）红色实线为U分量零风速线， 蓝色实线为V分量零风速线； 风羽的三角、 长划、 短划分别代表20、 4、 2 m·s-1 Fig.4 Horizontal wind vectors at different height （barb， unit： m·s-1） and 1-hour precipitation （the shaded， unit： mm） at 20:00 on 18 May 2020.Red solid line is zero value of U component， blue solid line is zero value of V component.The barb’s Triangle is 20 m·s-1， long and short bar indicates 4 and 2 m·s-1， respectively |
地面降水落区呈涡旋状分布， 冷涡中心无降水， 1 h累积雨量大于1 mm的区域成条带状分布， 宽150~200 km， 主要出现在冷涡东部、 北部和西部， 冷涡底部及其以南区域偏西风影响的区域无降水。冷涡东侧降雨强度最大， 雨带最窄， 雨区位于850 hPa上偏西风与偏南风辐合最强烈的区域， 并位于偏南风影响区。冷涡北部雨带范围最宽， 降水强度次之， 靠近冷涡中心偏东风影响区域内降水强度明显大于远离冷涡中心东北风影响的区域； 而冷涡西侧降水出现在偏北风影响的区域内， 降水强度最弱。对比各层风场与降水落区的关系， 降水区域与850 hPa风场的关系更为密切， 尤其是冷涡东侧辐合强烈的区域是强降水落区。
过冷涡中心做经向、 纬向垂直剖面（图5 ）， 分析冷涡成熟阶段风场特征， 可以看出300 hPa以下U/V分量零风速线近似直立， 表明冷涡成熟阶段轴线趋于竖直， 呈现出正压性， 在冷涡东侧、 北侧、 西侧均出现上升运动区， 冷涡东侧、 北侧上升运动可达到400 hPa高度， 西侧上升运动主要位于对流层中低层， 且冷涡东侧上升运动速度最强， 上升运动区分布近似直立， 此处也是降水最大的区域。辐合区主要出现在700 hPa以下， 冷涡东侧、 北侧辐散区域出现在700 hPa以上较高区域， 低层辐合、 高层辐散使冷涡东侧、 北侧的垂直上升运动更有利于向上发展， 带来更多的水汽凝结。风场的复杂结构， 使降水落区、 强度等体现出明显的不均匀性和复杂性。
图5 2020年5月18日20:00过冷涡中心（123°E， 38.5°N）的垂直速度（黑色等值线， 单位： Pa·s-1， 负值为上升运动）、 散度（阴影区， 单位： ×105 s-1）与纬向风V ［a， 红色等值线， 单位： m·s-1， 沿图4（b）中黑色直线］及经向风U ［b， 红色等值线， 单位： m·s-1， 沿图4（b）中红色粗直线］（b）的垂直剖面Fig.5 Vertical cross section of vertical velocity （black contour， unit： Pa·s-1， negative value is updrafts）， divergence （the shaded， unit： ×105 s-1） and V component ［a， red contour， unit： m·s-1， along black line in Fig.4（b）］， U component ［red contour， unit： m·s-1， along red thick line in Fig.4（b）］ along the center of cold vortex （123°E， 38.5°N） at 20:00 on 18 May 2020 |
辽宁处于冷涡系统顶部偏东和东北气流影响下， 分析18日不同时次散度场分布可知， 降水产生及维持阶段， 700 hPa以下为辐合区， 辐散出现在600~200 hPa， 低层辐合、 高层辐散的结构特征使上升运动容易维持， 这是降水产生的必要条件。低层辐合、 高层辐散的配置减弱消散后， 上升运动不再维持， 降水也随之结束。
5.2 暴雨中心动力场特征
根据降水过程分析得知， 18日10:00 -17:00辽宁东部降水强度最大， 沿暴雨中心做垂直剖面， 分析垂直上升运动、 相对湿度和降雨强度的关系。18日02:00降水只出现在辽宁东南部沿海地区， 此时120°E -125°E之间中高层相对湿度较大， 而700 hPa以下的中低层有明显干层存在， 上升速度也只出现在高层［图6 （a）］。03:00之后， 降水逐渐在辽东半岛产生并发展加强， 18日08:00 120°E -125°E从近地面到300 hPa相对湿度大于80%， 湿层深厚， 垂直上升运动近似直立地贯穿整个湿层， 降水强度大于5 mm·h-1的区域上升运动更强烈， 上升速度中心强度达到了-3 Pa·s-1， 且上升运动中心与相对湿度大值中心重叠［图6 （b）］。14:00， 122°E -124°E 600 hPa之下的中低层相对湿度大于80%， 而600 hPa之上的中高层相对湿度低于60%， 为干空气影响， 形成了“上干下湿”的不稳定层结， 有利于对流运动的产生， 14:00正是小时雨强最大的时段［图6 （c）］。20:00 120°E -125°E整层相对湿度依旧较高， 垂直上升运动高度降低， 降水强度略微减小［图6 （d）］。从图6 可以看出， 强降水区与垂直上升运动区、 相对湿度大值区有较好的正相关， 降水强度大于5 mm·h-1的区域上升运动区近似直立地贯穿整个湿层。
图6 2020年5月18日沿强降水中心［40°N， 图4（a）中黑色直线］相对湿度（阴影区， 单位： %）、 垂直上升速度的绝对值（黑色等值线， 单位： Pa·s-1， 最小值0.5， 最大值4.5， 间隔0.5）、 1 h降水量（蓝色实线， 单位： mm）的垂直剖面Fig.6 Vertical cross section of relative humidity （the shaded， unit： %）， absolute value of updrafts （black contour， unit： Pa·s-1， minimum is 0.5， maxium is 4.5， interval is 0.5） and 1-hour rainfall （blue lines， unit： mm） along heavy rainfall center ［40°N， black line in Fig.4（a）］ on 18 May 2020 |
18日14:00， 辽宁东部庄河和岫岩交界地区（40°N， 123°E -123.5°E附近）出现了短时强降水， 8个站的1 h降水量超过25 mm， 其中庄河市塔岭镇最大达到了43.4 mm·h-1。短时强降水是一种中尺度现象， 其形成与中尺度系统的发生发展有密切关系， 触发对流的中尺度系统主要包括地形环流、 海陆风环流、 中尺度地面辐合线等（孙继松等， 2014）。郭虎等（2008）对北京局地大暴雨的研究表明， 近地面辐合对大暴雨落区强降雨的发生具有重要作用。赵强等（2021）研究发现地面辐合线在延安触发的对流造成了短时暴雨。利用地面自动站测风数据， 对强降水产生前后的风场进行分析， 发现18日13:00在强降水中心地面风场存在明显的偏东风和偏西风之间的辐合型风场切变线， 局地形成了气旋式环流（图7 ）， 这将加强辐合抬升作用， 有利于短时强降水的产生， 13:28丹东站雷达组合反射率显示该区域最强达到了45~50 dBZ。
图7 2020年5月18日13:00地面风向和风速（风羽）和18日14:00小时雨量大于20 mm的站点（彩色点）分布黑色圆点为14:00气旋中心， 红色圆点为下坎屯站， 绿色方块为塔岭镇站， 红色实线为地面切变线 Fig.7 Ground wind speed， wind direction at 13:00 （barb）， and the stations （color dots） distribution of the 1 h precipitation of greater than 20 mm at 14:00 on 18 May 2020.Black dot is cyclone center position at 14:00， red dot is Xiakantun station， green square is Talingzhen station， red solid line is shear line on the ground |
6 水汽和热力条件对降水的影响
6.1 水汽条件
充足的水汽供应是降水发生、 发展、 维持不可缺少的要素， 水汽辐合及其强度大小对降水量、 降水分布范围及演变有重要影响。水汽通量表示水汽来源及输送强度， 水汽通量散度负值越大， 表明水汽辐合聚集越强， 与强降水的落区关系更为密切（陶祖钰， 2011）。18日02:00降水首先出现在辽东半岛东南部沿海地区， 辽宁东部大部区域还没有产生降水， 随着气旋东移北上， 冷涡东南部的水汽输送气流已与从南海海域上空沿我国东部沿海输送的水汽通道合并， 但辽宁东部区域整层水汽输送通量不足20 kg·（m·s）-1， 辽宁东部边缘是水汽辐合区［图8 （a）］。到18日08:00， 辽宁东部水汽输送通量超过了20 kg·（m·s）-1， 且水汽辐合区域扩大， 辐合中心强度增加， 辽东半岛成为水汽辐合中心， 水汽通量散度达到了200×10-6 kg·（m2·s）-1［图8 （b）］， 促进降水在辽东半岛发展加强。14:00， 稳定的西南水汽输送通道将水汽源源不断地向东北地区输送， 水汽输送强度增加， 水汽通量达到了约50 kg·（m·s）-1， 18日14:00降水强度最大的时段辽东半岛是水汽辐合中心， 水汽通量散度比08:00的略小， 水汽辐合范围略向辽宁中部地区扩展［图8 （c）］， 沿强降水中心做水汽通量及水汽通量散度的垂直剖面， 分析可知偏东水汽输送集中在700 hPa以下， 而水汽辐合中心位于900 hPa附近（图略）。18日20:00， 冷涡发展成熟阶段， 辽宁东部水汽辐合中心、 水汽输送通道依然维持。到19日02:00， 随着高空冷涡和地面气旋进一步东移， 东南沿海的水汽输送通道与冷涡东南部的水汽输送通道逐渐分离， 辽宁东部的水汽辐合中心消失， 降水强度逐渐减小［图8 （d）］。
图8 整层水汽通量［矢量， 单位： kg·（m·s）-1］及整层水汽通量散度［阴影区， 单位： ×10-6 kg·（m2·s）-1］蓝色等值线为水汽通量20， 50， 80和100 kg·（m·s）-1的大值区 Fig.8 The distribution of vertical integrated moisture fluxes ［vector， unit： kg·（m·s）-1］ and their divergence ［the shaded， unit： ×10-6 kg·（m2·s）-1］.Blue solid lines are 20， 50， 80 and 100 kg·（m·s）-1 of moisture flux |
由于地面气旋东移北上强烈发展， 其东南侧水汽输送通道与来自孟加拉湾热带低压东侧经南海海域由西南低空急流向我国东南沿海的水汽输送通道合并， 暖湿气流从远离冷涡的南侧南海区域呈气旋式弯曲被卷入到冷涡的东部、 北部、 西部， 稳定的西南水汽输送通道将水汽源源不断地向东北地区输送， 水汽通量增加， 到18日14:00水汽通量达到了约50 kg·（m·s）-1， 辽宁东部水汽辐合区域范围扩大， 水汽通量散度显示水汽辐合强度增强， 强劲的水汽输送及水汽辐合是辽宁东部区域性暴雨产生和维持的必要条件。
本次辽宁东部区域性暴雨过程水汽主要来源于孟加拉湾-南海海域， 魏铁鑫等（2015）总结的发生在5月的10例冷涡暴雨中， 只有2例的水汽来源于孟加拉湾-南海海域， 其余8例来自于欧亚大陆贝加尔湖周边。另外， 与发生在盛夏季节的冷涡暴雨水汽源地也有不同， 这些暴雨的水汽主要来源于西太平洋副高外围（齐铎等， 2020； 孙颖姝等， 2018； 王宁等， 2014）。
干空气入侵对冷涡降水的发展有促进作用， 相对湿度低于60%时认为是干空气（Browning， 1997）。分析不同时次结果， 显示18日14:00强降水产生时（图9 ）， 500 hPa高度上来自冷涡北部的干空气经冷涡后部伸展到东南部， 呈气旋式弯曲被卷入到冷涡环流内部并一直伸展到达辽宁东南部， 湿空气从冷涡东侧亦呈气旋式环流被卷入到冷涡西南部， 但湿空气范围远小于干空气， 被干空气包围。从对流层低层看， 850 hPa上干空气从冷涡北部经西部被卷入到冷涡西南部， 而湿空气从冷涡南部经东部成气旋式环流卷入到冷涡北部和西部靠近冷涡中心的位置， 冷涡内干侵入随高度增加向东南倾斜， 越高干侵入越强。辽东半岛区域850 hPa上是湿空气， 500 hPa上受干空气影响， 形成了“上干下湿”的不稳定层结， 水汽容易被抬升凝结， 产生强降水。
图9 2020年5月18日14:00 500 hPa（a）和850 hPa（b）相对湿度场（阴影为<60%的区域， 红色等值线≥80%， 单位： %）及水平风场（风羽， 单位： m·s-1， 长、 短划分别代表4 m·s-1和2 m·s-1）Fig.9 Relative humidity （shaded denote the area of humidity<60%， red contours denote the area of humidity ≥80%， unit： %） and horizontal wind vectors （barb， unit： m·s-1， long and short barb indicate 4 m·s-1 and 2 m·s-1， respectively） at 500 hPa （a） and 850 hPa （b） at 14:00 on 18 May 2020 |
6.2 热力条件
热力不稳定又被称为静力不稳定、 层结不稳定、 位势不稳定或者对流不稳定。热力不稳定能量的大小取决于垂直方向上大气温、 湿层结状况， 热力不稳定条件是触发对流抬升的关键因素之一。
假相当位温定义为： ， 其在干、 湿绝热过程中都是保守的， 常用于分析气团和锋面， 其垂直递减率可用来判断大气层结是否稳定， 小于0时表明气团不稳定。从不同时间假相当位温与1 h地面降水（图10 ）分布可知， 18日02:00， 850 hPa上冷涡东南部为高温高湿区域， 而冷涡西北部为干冷气团， 高假相当位温区呈现东北-西南向带状分布， 水平梯度很大， 主降水区位于高能舌上头部区域， 还没有影响到辽宁地区。18日14:00， 结合图8 （c）可知， 辽宁东部地区有大量的水汽输送且是水汽辐合中心， 这里成为高能舌影响区， 降水中心出现在辽宁东部、 东南部地区。18日20:00， 水汽输送有所减弱， 辽宁东部地区假相当位温比14:00略微减小， 降水强度明显降低。19日02:00， 辽宁东部水汽辐合明显减弱， 假相当位温进一步降低， 水平梯度小， 表明环境温度、 湿度趋于均匀， 降水逐渐减弱消散， 此时冷涡中心也出现少量降水， 涡中心降水的出现意味着冷涡不再发展， 同时降水释放的凝结潜热， 会加快冷心的填塞， 促使冷涡趋于减弱和消亡（刘英等， 2012）。总体看来， 降水区与高能舌区有较好的对应。另外， 本次过程中850 hPa假相当位温最大值为335 K， 远低于1998年夏季松嫩流域的冷涡暴雨过程（孙力等， 2002）。
18日20:00冷涡发展成熟时， 在400 hPa以下冷涡壁附近假相当位温分布近似竖直， 这种现象在东南风影响的区域更加明显， 对流层中下层800~600 hPa高度附近冷中心强度最大， 冷中心出现在东南风影响区域中， 冷涡中心东西向水平尺度可达约400 km， 南北向约250 km， 且冷涡中心为稳定气团。在零风速线的西侧、 南侧700 hPa以下假相当位温随高度增加， 属于稳定区域； 而在0风速线的东侧、 北侧冷涡壁之外的区域， 400 hPa高度以下假相当位温随高度减小或基本不变， 为弱不稳定区域。综合可知， 辽宁东部降水区属于不稳定区， 且降水强烈时不稳定程度较高。
7 云系宏微观特征分析
云是大气动力、 热力过程的体现， 是水汽凝结、 凝华的产物， 在天气系统演变过程起着重要作用， 水凝物相态转变伴随的潜热与云中动力、 热力过程有相互影响， 上述分别讨论了云降水形成的动力、 热力和水汽条件及其演变特征， 接下来分析冷涡云系的宏、 微观特征。
云光学厚度是云系在整个路径上云消光的总和， 反映出云系垂直方向的厚实程度与水凝物含量的多少。云顶高度是指云顶相对地面的距离， 云顶高度与降水有一定的相关性。如对流云降水， 云顶高度与光学厚度相关性较好， 通常云顶越高， 光学厚度越大， 并且产生降水时， 云光学厚度60%大于17， 云顶高度普遍大于7 km， 当光学厚度大于20时地面雨强明显增大（周毓荃等， 2011）。
综合可知随着高空冷涡、 地面气旋中心位置逐渐接近到重合、 即从冷涡发展强盛到成熟阶段， 冷涡云系内部边缘逐渐清晰， 云系逐渐发展演变形成为典型的“逗点状”云系。强降水区域云顶高度普遍大于9 km， 云光学厚度大于60， 属于水凝物含量丰富的冷暖混合云； 而远离冷涡中心区域的云光学厚度普遍小于20， 云层松散属于高层冷云， 地面基本无降水。
8 结论和讨论
利用ERA5逐小时0.25°×0.25°再分析资料、 FY4A卫星反演云特征参量、 地面自动站风场、 雨量等资料， 对2020年5月17 -19日发生在辽宁东南部的区域性暴雨过程， 分析高空、 地面环流形势、 动力、 热力和水汽特征条件， 探究暴雨成因， 并对暴雨云系的宏微观特征进行分析， 主要得到如下结论：
（1） 5月15日20:00， 500 hPa高空槽发展加强切断形成冷涡， 之后冷涡东移南落在18日02:00后开始影响辽宁中东部地区； 17日14:00生成于华北南部的地面气旋东移入海后显著北抬， 18日08:00 -14:00地面气旋中心气压下降6 hPa， 高空冷涡叠加强烈发展的地面气旋是辽宁东南部产生区域性暴雨、 局地大暴雨的环流背景， 短时强降水出现在冷涡发展接近成熟、 气旋强烈发展加深阶段， 地面辐合型风场切变线是短时强降水出现的中尺度条件。
（2） 冷涡发展强盛到成熟阶段， 500 hPa冷涡中心与地面气旋中心逐渐重叠， 呈现出正压结构特征， 地面降水主要出现在冷涡东部、 北部和西部， 呈涡旋状分布， 其中强降水区呈条带状分布， 降水区域与850 hPa风场的相关性最高。冷涡东部上升运动区分布近似直立高达400 hPa， 降水出现在辐合最强烈的区域、 降水强度最大； 冷涡北部的上升运动小于冷涡东部， 降水出现在偏东风影响下、 降水强度次之； 而冷涡西部上升运动出现在600 hPa高度之下， 受偏北风影响， 降水强度最低。辽宁中东部的降水出现在冷涡系统的东北部-北部-西北部区域。
（3） 地面气旋北上强烈发展， 促进冷涡系统东南侧水汽输送通道与热带低压东侧西南低空急流水汽输送通道合并， 使辽宁东南部降水显著增加， 而随着两个水汽输送通道的分离， 辽宁东南部降水减弱。来自孟加拉湾-南海海域的水汽输送通量增加、 水汽辐合中心范围扩大， 成为辽宁东南部区域性暴雨产生和维持的必要条件。
（4） 辽宁东部降水强度最大时， 假相当位温值最高， 水平梯度大， 当降水强度减小时， 假相当位温降低， 说明环境温度、 湿度趋于均匀。辽宁东部降水区域上空假相当位温密集区向西北方向倾斜， 400 hPa高度之下存在热力不稳定。成熟阶段400 hPa以下冷涡壁附近假相当位温分布近似竖直。
（5） 冷涡发展强盛到成熟阶段， 由于干冷空气侵入， 冷涡云系内部边缘逐渐清晰， 形成“逗点状”云系。强盛时冷涡东南部云系云顶高度超过10 km、 云光学厚度达60， 冷涡北部靠近冷涡中心的云系云顶高度处于4~9 km， 云光学厚度普遍大于60， 这两部分云系属于水凝物含量丰富密实的混合云， 强降水主要出现在这些区域； 远离冷涡中心的云系云光学厚度小于20， 属于含水量稀少的高层冷云， 地面基本无降水。
这次发生在辽宁东南部的区域性暴雨过程， 主要具有以下几个特点： （1）影响系统冷涡空间结构深厚， 200 hPa到地面都有表现， 伴随着形成了地面气旋； （2）冷涡发展强烈， 500 hPa位势高度冷涡中心下降到了540 dagpm， 伴随产生的地面气旋在6 h内中心气压下降6 hPa， 气旋中心气压加深率与爆发性气旋的加深率基本持平（Sanders and Gyakum， 1980）； （3）水汽主要来源于孟加拉湾-南海海域， 这与盛夏季节的冷涡暴雨水汽源地有较大差异（王宁等， 2014； 孙颖姝等， 2018； 齐铎等， 2020）； （4）本次过程冷涡东南侧也出现了大到暴雨， 但辽宁东南部的区域性暴雨主要出现在冷涡的东北部-北部-西北部方向， 短时强降水主要出现在冷涡发展接近成熟、 地面气旋强烈发展加深阶段。
本文对辽宁东南部一次区域性暴雨过程的成因及特征进行了较为详细的分析， 得到一些较有价值的认识， 对今后出现类似的暴雨过程预报具有一定的参考价值， 但冷涡降水时空分布不均， 局地性强， 未来仍需进一步利用卫星、 地面等各种遥感、 加密观测提高冷涡背景下中小尺度系统的监测预报能力， 结合云物理过程与动力热力过程的相互作用与反馈加强冷涡暴雨的机理研究， 以期尽量达到定时、 定点、 定量的降水预报目标。