东北冷涡是东北地区夏季降水的主要天气系统之一，在切变线或冷锋下，常发展成对流云带，容易产生冰雹、大风、雷暴等强对流天气（孙力等，1994；许敏等，2022）。在东北冷涡影响下，强降水具有历时短、局地性强、降水强度大的特点。全球和区域数值模式对该类降水天气的可预报性较低，预报时间和落区存在很大不确定性，预报难度较大（钟水新等，2013；蔡雪薇等，2019）。

东北冷涡影响下的强降水天气一般发生在5—9月。研究表明，东北冷涡系统引起的降水中有66％会产生暴雨（杨雪艳等，2018）。局地暴雨多出现在冷涡中心前部和底部及冷涡切变的位置，分别占42.8％和39.2％（孙力等，2010）。李爽等（2017）分析辽宁地区受东北冷涡影响的强降水，发现6月的强降水主要由中间涡引起，7、8月则受中间涡与北涡影响。从冷涡发展的阶段和强降水之间的对应关系来看，强降水一般发生在冷涡的发展阶段（孙力等，1994）。

冷涡强降水的预报一直是科研和预报业务人员关注的重点，主要以定性分析为主（郝立生等，2023；曹艳察等，2024）。斯公望（1989）发现冷涡后部的晴空区常有高空冷平流和低空暖平流叠加，伴随白天地表的辐射增温，容易形成不稳定条件，也有可能引发暴雨。陈力强等（2006）指出，冷涡强对流天气预报的关键是低层暖湿条件，强对流触发及维持的关键条件是斜压不稳定和垂直运动。冷涡引发的强对流天气常位于高空急流出口区的左侧，实际预报中需参考散度场。王黎黎和魏婷婷（2014）分析了冷涡暴雨的水汽源地和水汽输送条件，指出冷涡暴雨中心存在深厚、持续的上升气流，最大上升气流多出现在500 hPa。上升气流中心位置、垂直速度大小及低空辐合中心和延伸的高值区等特征值可作为定性判断暴雨落区的指标。

干空气侵入（简称“干侵入”）指源于对流层高层或平流层向低层下沉的高位涡、低湿气流（Browning and Golding，1995）。20世纪90年代以来的研究认为干侵入易触发短时强对流和强降水天气。已有研究表明干侵入对台风影响下的降水、龙卷天气的形成、温带气旋和爆发性气旋的发生、锋面降水结构等具有重要影响（Yang et al.， 2009；Gao et al.， 2010；刘会容和李崇银，2010；汤鹏宇等，2015；吴庆梅等，2015；李文娟等，2021）。Young等（1987）在研究快速发展的气旋时发现，对流层顶附近高位涡的干冷空气侵入对气旋的发展有重要作用，中层干冷空气的侵入改变了大气的热力特征，使对流有效势能（Convective Available Potential Energy，CAPE）和地表不稳定条件急剧增加。沈浩等（2014）指出干空气侵入在对流层中高层最为明显，其前端的不稳定层结是冷涡降水维持的重要原因。干冷空气侵入冷涡中心，伴随绝对涡度的增大，冷涡加深发展。因此，干侵入对冷涡的发生和发展过程起到重要作用（王东海和杨帅，2009；吴迪等，2010；钟水新等，2011；刘英等，2012；任丽和杨艳敏，2021；傅朝等，2022）。

选取近年来2次典型东北冷涡影响下沈阳城市强降水个例进行对比分析，重点关注干侵入过程对降水的影响，旨在提高对干侵入条件下强降水的认识，以期为冷涡影响下的强降水预报提供帮助。

使用资料：1）2016年6月30日和2020年8月3—4日辽宁省1744个区域自动站逐5 min地面观测降雨量用于分析强降水时空分布特征，资料来源于辽宁省气象局信息中心；2）欧洲中期数值预报中心ERA5再分析资料（水平分辨率为0.25°×0.25°），用于分析强降水过程的环流形势、热力、动力和水汽特征，及计算干侵入指数；3）风廓线雷达资料，来自沈阳市浑南站L波段边界层风廓线雷达，探测起始高度为150 m，150~1 950 m高度垂直分辨率为120 m，1 950~9 150 m高度垂直分辨率为240 m，时间分辨率为5 min。文中所用时间均为北京时。

根据姚秀萍等（2009年）对干侵入指数的定义，干侵入（Dry Intrusion Index，DII）的计算公式为：

式中：P（hPa）为等压面气压；T（K）为温度；-v→p×∇p⋅T（K·s^-1）为水平温度平流；PV（10^-6 m²·K·s^-1·kg^-1）为位涡；θ_se（K）为假相当位温。由（1）式可知，由于θ_se>0，当存在高位涡异常，即PV>0时，且冷平流效应-v→p×∇p⋅T<0时，DII>0。当高位涡异常越强、假相当位温越低、冷平流效应越强时，DII越大，表示干侵入强度越强（姚秀萍等，2009）。

2016年6月30日、2020年8月3日2次冷涡强降水个例，分别简称为“6·30”、“8·03”过程。图1显示了2次强降水过程的降水量分布。“6·30”过程午后—傍晚（15：00—20：00）辽宁省普降小到中雨，局部出现暴雨，强降水中心位于沈阳南部地区至铁岭一带，沈阳市城区零公里泵站最大小时雨量达57.6 mm，2 h累计降水量达88.2 mm，降水持续时间短、局地性强。“8·03”过程傍晚—夜间（3日17：00—4日01：00）辽宁省出现局部大暴雨，降水大值区位于沈阳南部地区，沈阳城区累计最大雨量为134.0 mm（于洪沙岭站），最大小时雨量为73.8 mm。

2次降水过程均发生在冷涡天气背景下，开始时间均为午后—傍晚时分。由于降水强度大、突发性强、分布不均，全球和区域数值模式预报产品预报的降水强度较小（图略）。预报员综合各类数值模式预报和天气分析，给出了“阵雨或雷阵雨，局地雨量达到或超过30 mm”的预报结论，与实况有较大差距。特别是“8·03”过程，沈阳城区局地伴有11级短时大风，造成较大影响。

图2显示了2次天气过程中500 hPa高度场、850 hPa温度场和风场。可看出，这2次强降水天气过程在500 hPa高度上均受东北冷涡天气系统影响，冷涡中心分别位于内蒙古呼伦贝尔市北部和内蒙古兴安盟地区。“6·30”过程冷涡中心偏北，位于55°N附近，而“8·03”过程冷涡中心位置为47°N，冷涡中心值分别为556 hPa和564 hPa。“6·30”过程中，辽宁省处于东北冷涡底部、高空槽前位置；而“8·03”过程，辽宁省位于冷涡底前部，更接近冷涡中心。

850 hPa高度上，2次过程均有涡旋配合，涡旋前侧伴有12~14 m·s^-1的西南风。“6·30”过程的涡旋呈东北—西南向，位于500 hPa冷涡前侧；“8·03”过程的涡旋呈圆形，涡旋中心与500 hPa冷涡中心接近重合，动力条件较“6·30”过程更有利。海平面气压场上，2次过程均受蒙古气旋控制，中心分别位于吉林与哈尔滨交界处和内蒙古兴安盟地区（图略），中心气压分别为1 002.5 hPa、997.5 hPa。总体来看，对于沈阳地区，动力场上“8·03”过程较“6·30”过程更为有利。

随着冷涡系统旋转东移，沈阳地区“6·30”过程白天和“8·03”过程白天500 hPa高度上均伴有1~2 ℃的冷平流。850 hPa高度上，“6·30”过程白天沈阳地区北部有1 ℃的冷平流，而“8·03”过程白天沈阳地区有1 ℃的暖平流。可以看出，“8·03”过程傍晚前后，上冷下暖的层结更加明显，位势不稳定能量更强。

探空观测每日只有2次，观测时间往往与强降水时段无法很好对应，并且受浑南探空观测站迁址的影响，2次过程均没有探空观测数据。为了分析2次过程的大气垂直结构和不稳定特征，基于ERA5再分析资料得到“6·30”和“8·03”2次强降水天气过程城区强降水位置（零公里泵站和于洪沙岭站）的探空图（图3），时间分别为2016年6月30日15：00和2020年8月3日15：00。

从图3可以看出，随着冷涡系统的旋转东移，700~500 hPa之间，“6·30”过程温度露点差约为5 ℃，而“8·03”过程达10~20 ℃，“8·03”过程中层较“6·30”过程中层更干。2次过程近地层比湿均达到10~14 g·kg^-1，而500 hPa高度上仅有2 g·kg^-1，大气层结均呈现中高层干冷、近地层相对暖湿的不稳定特征。当蒙古气旋配合的冷锋过境时，触发了对流天气，“8·03”降水过程监测到11级短时大风。

从水平风场随高度的变化来看，2次过程6 km以下均为西南风，0~6 km垂直风切变分别为14、16 m·s^-1，为对流的维持和发展创造了良好条件。温度层结上，“6·30”过程和“8·03”过程0 ℃层约在4 km高度上，-20 ℃层约在7 km高度。融化层附近的垂直风切变和垂直上升运动可能不利于云内冰粒子循环增长，2次过程均未监测到冰雹。总之，从温度层结分布来看，“8·03”过程较“6·30”过程上干下湿的位势不稳定更强，更利于强对流的发生发展。

研究表明，东北冷涡为北方强降水天气的爆发提供良好动力条件（陈力强等，2006；刘会容和李崇银，2010；汤鹏宇等，2015；许敏等，2022）。从浑南站2020年8月3日16：00—8月4日02：00的风廓线（图4）可知，3日18：00—21：00，近地层由西北风转为偏西风，900 m以上转为西南风，风向随高度顺时针旋转，浑南站具有明显暖平流特征；3日18：00—22：00、3日23：00—4日01：00，浑南站有强上升运动，高度达3.5 km，最大风速约8 m·s^-1。由“8·03”过程小时降水量随时间变化[图5（b）]可知，于洪沙岭站的主要降水时段为3日18：00—21：00和3日23：00—4日00：00，浑南站位于城区于洪沙岭站的东侧下游方向，降水时间略滞后，浑南站的上升运动与降水量的变化有很好的对应关系。

干侵入携带的干空气减少了大气对流层中上层云量，导致地面接收到的太阳辐射较周围地区更多，从而增加了局地范围内不稳定能量的积累，为强降水的触发创造了有利条件（Yang et al.， 2009；刘会容和李崇银，2010）。由于缺乏相关观测，对干侵入的分析往往借助于数值预报模式产品和再分析资料。本文使用ERA5再分析资料，通过计算干侵入相关的物理量及干侵入指数，分析其与强降水的关系。

图6为“6·30”过程沈阳市城区零公里泵站和“8·03”过程于洪沙岭站位涡、相对湿度和假相当位温经向、纬向剖面和时间-高度剖面，其中使用相对湿度低值（小于等于50%）和位涡高值（大于等于1×10^-6 m²·K·s^-1·kg^-1）代表干冷空气的活动（吴迪等，2010）。可以看到，“6·30”过程中零公里泵站东南部近地层为假相当位温的高值区，但“8·03”过程于洪沙岭站南部较“6·30”过程近地层位温更高，340 K的假相当位温伸展到800 hPa高度。

对照图5的2次强降水过程区域自动站逐小时降水量可知，2016年6月30日17：00零公里泵站强降水发生时，经向剖面上123.6°E以西650 hPa 高度以上为干区，自西向东逐渐侵入强降水发生的位置，300~200 hPa有明显的高位涡区，并且从高层向下伸展。“8·03”过程中零公里泵站位涡和相对湿度随高度-时间的变化也有类似特点，不仅经向剖面上123.2°E以西600 hPa上空为干区，纬向剖面上41.8°N以北500 hPa高度以上也有明显的干区，相对湿度在30%以下，上干下湿的特征较“6·30”过程更强。2020年8月3日18：00于洪沙岭站强降水发生时，400~200 hPa也有明显的高位涡区，并且自高层向下伸展。2次过程强降水发生时，700~500 hPa，强降水站点以西、以北位涡最大值为（1~2）×10^-6 m²·K·s^-1·kg^-1。相比而言，“6·30”过程西部上空位涡更强、北部较弱；“8·03”过程虽然西部上空位涡弱于“6·30”过程，但北部上空位涡强度更强，可达1.5×10^-6 m²·K·s^-1·kg^-1，这可能与2次过程系统特点有关。“6·30”过程冷涡中心偏北，沈阳地区主要受冷涡底部槽前影响，冷空气侵入方向自西向东，而“8·03”过程则受冷涡主体影响，伴随着涡旋的旋转，冷空气既有自西向东的，也有由北向南的。

此外，由图6中位涡时间-高度的剖面来看，2次过程700~500 hPa位涡均达到1×10^-6 m²·K·s^-1·kg^-1后进入强降水阶段，因此中层位涡接近1×10^-6 m²·K·s^-1·kg^-1对强降水发生具有指示意义。“6·30”过程零公里泵站上空位涡值在30日16：00后逐渐增强，700~500 hPa高度17：00达到1×10^-6 m²·K·s^-1·kg^-1，此时降水强度最强[5（a）]，小时降水量达60 mm；30日19：00，高空槽过境，中层位涡达到最大，而零公里泵站在位涡最大前于18：00之后降水减小。“8·03”过程于洪沙岭站3日18：00开始中层位涡增加，19：00小时降水量达40 mm，18：00—20：00位涡最大值为1×10^-6 m²·K·s^-1·kg^-1，20：00后700~500 hPa位涡减小到1×10^-6 m²·K·s^-1·kg^-1以下，降水强度也减小。“8·03”过程整个降水时段于洪沙岭站中层位涡值低于“6·30”过程零公里泵站，站点降水强度弱于“6·30”过程，但“8·03”过程系统移动缓慢，降水持续时间更久。

干侵入与位涡异常、相对湿度、下沉运动、急流有关（Browing，1997）。本文使用ERA5再分析资料，计算干侵入指数。图7为2016年6月30日16：00—20：00和2020年8月3日17：00—21：00逐2 h干侵入指数和小时降水量。可以看出，在强降水发生前，2次过程上游地区的干侵入指数偶极分布已经建立，随着系统东移，干侵入指数呈增加趋势，等值线也更加密集。2016年6月30日18：00和2020年8月3日19：00，正值中心均达到30×10^-6 m²·K·s^-2·kg^-1。结合图5可看出，两个时段均为沈阳地区降水强度增大时段，最大小时降水量均达60 mm，干冷空气和暖湿气流交汇明显。从图7可看出，“6·30”过程和“8·03”过程小时降水量大于等于10 mm的降雨带大值发生在正负值密集带，等值线越密集，冷暖空气对峙越强，降水强度也越大。

强降水发生在干侵入指数正负值相邻的区域，特别是快速增大的正值区偏北方向，2次过程均表现出一致性，并且2次过程干侵入指数正值区最大值接近，所以小时降水量最大值也相近。随着干侵入指数的增大，降水强度也增大；而随着干侵入指数正值区的移出，降水强度相应减弱。干侵入指数对于强降水位置的发生有较好的指示意义。

“6·30”过程零公里泵站和“8·03”过程于洪沙岭站干侵入指数在东西方向上随时间变化明显。图8为2016年6月30日16：00—18：00和2020年8月3日17：00—19：00干侵入指数经向剖面，可看出，6月30日16：00零公里泵站强降水开始前，其站点西侧122.0°E—123.0°E上空干侵入指数为正值，123.6°E上空干侵入指数为负值。随着降水自西向东发展，123.6°E上空17：00有干冷空气渗透，干侵入指数转为正值，大值区中心值为20×10^-6 m²·K·s^-2·kg^-1，高低空冷暖气流交汇，触发强降水的发生，降水强度增大；18：00干侵入指数接近为零，对应的降水强度急剧减小。“8·03”过程也表现出相似特征。于洪沙岭站17：00强降水开始前，站点及以西上空处于干侵入指数正负值相间的区域，123.2°E靠近正值区边缘，其值为（5~10）×10^-6 m²·K·s^-2·kg^-1；18：00，上空干侵入指数转为正值，中心值为15×10^-6 m²·K·s^-2·kg^-1，低于“6·30”过程，对应的强降水时段最大小时降水量也小于“6·30”过程；19：00，于洪沙岭站上空干侵入指数减小，降水趋于减弱。

总体而言，干侵入指数的正值区与强降水时段对应较好，干侵入指数越大，降水强度越强。这表明干侵入指数在预测强降水的发生和强度上具有重要指示意义。

为研究东北冷涡背景下干侵入对强降水天气的指示性意义，使用辽宁省加密自动气象站观测数据、ERA5再分析数据和风廓线雷达资料分析2次典型天气过程的降水特征及其与干侵入指数和物理诊断量之间的关系，得到以下结论。

1）2次强降水过程中，辽宁省沈阳市均位于东北冷涡偏南象限，500 hPa高度场上，冷涡旋转南下；850 hPa有涡旋配合，地面为蒙古气旋。强降水天气过程中，垂直上升运动高度达到3~5 km，垂直风速可达8 m·s^-1。2次过程均为午后触发对流，上午至中午时段天空晴好，近地层辐射加热明显，低层925 hPa比湿为10~14 g·kg^-1，高层有冷空气渗透，500 hPa比湿仅为2 g·kg^-1，高层干冷、低层暖湿不稳定层结明显，为强降水的发生提供了有利的水汽和能量条件。

2）强降水发生时，零公里泵站、于洪沙岭站以西650 hPa高度以上为干区，自西向东逐渐侵入强降水发生的位置，并且站点300~200 hPa有明显的高位涡区，自高层向下伸展，700~500 hPa高位涡值持续到降水减弱，中层位涡接近1×10^-6 m²·K·s^-1·kg^-1可以作为进入强降水时段的指示性参数。

3）干侵入指数能较好地反映干冷空气活动特征，对暴雨落区有较好的指示意义，对单站降雨增幅也有较好的指示意义。干侵入指数存在偶极分布特征，可反映干冷空气和暖湿气流间的相互作用。暴雨常发生在干侵入指数正负值相邻区域，特别是快速增大的正值区偏北方向，中高层干侵入指数正值区向中低层扩展，易触发不稳定能量，使降水强度增强。

由于强降水预报难度较大，且本文仅对比分析2个典型个例，所得结论可能存在不确定性，还需要更多个例研究加以验证。下一步，将对全球和区域数值模式预报数据作深入分析，进一步验证干侵入指数在降水预报中的指示性意义。