引言

持续性大范围强降雨过程一般是在稳定的环流形势背景下，由西风带、副热带、热带(简称三带)环流系统相互作用的结果，是各种尺度天气系统相互作用的产物^[1]。东北地区强降雨也不例外，但东北地区强降雨不同于南方强降雨，有其独特的环流形势特点。对东北地区强降雨，尤其是对1998年嫩江、松花江流域强降雨过程从大尺度环流特点、天气成因、天气分型等方面进行了较多研究。持续性大范围强降雨过程首先要有稳定的环流形势，对东北地区而言，东亚阻高、西太平洋副高是起稳定作用的重要环流系统，而东北冷涡及其低槽是直接带来暴雨的重要影响系统^[2-5]，除此之外，还有西风槽暴雨、低空切变型暴雨、台风暴雨等^[6-7]。水汽输送除了依靠自身及周围系统外，来自中低纬副热带、热带系统的水汽非常重要^{[5, 8]}。王东海等^[9]对东北暴雨的研究工作进行了较为全面的综述。近年来对产生东北暴雨的中尺度系统特征和环流系统等方面的研究开始逐渐增多^[10-15]，陈艳秋等^[16]对发生在辽宁省的一次大暴雨过程中的急流特征进行了分析，指出了超低空急流对大暴雨的作用。上述研究成果为东北暴雨的预报提供了一定的技术支持，但与精细化的预报需求仍有较大差距，因此仍需不断总结研究，不断探索和实践新的预报技术和方法。

2010年汛期，吉林省和辽宁省持续出现强降雨过程，降雨主要从7月19日开始，至8月底，先后共出现10次强降雨过程，降雨过程之频繁，降雨量之大在历史上是罕见的，吉林中部和东部、辽宁中北部7月降水量偏多3成至1倍^[17]。持续的强降雨造成吉林的中东部和辽宁的中东部地区发生了严重的洪涝灾害，带来了重大人员伤亡和财产损失。

2010年的强降雨过程虽然也体现了三带环流相互作用的特点，但各带环流在不同强降雨阶段表现明显不同，除了高空冷涡外，来自偏南地区的低涡也是重要的影响系统，这一点以前文献少有论述。本文就是针对7月19日至8月底东北地区发生的强降雨从过程分类、过程特点、强降雨成因等方面进行总结分析，并从个例分析中探讨强降雨的预报技术和方法，以期能够提高东北暴雨的预报准确率。

1 雨情特点及成因分析 1.1 雨情特点

从2010年7月19日开始，辽宁省和吉林省进入汛期，从7月19日到8月底，东北地区的降雨具有如下几个特点：一是降雨过程频繁，这段期间共出现10次降雨过程，平均4天1次；二是降水量大，10次过程中的9次国家观测站都出现了100 mm以上的降水量，其中有7次过程区域观测站降雨量达200 mm以上；三是落区重复，每次过程强降雨基本出现在吉林中东部和辽宁中东部地区，具体降雨过程详见表 1。

从7月19日至8月31日的累积降雨量来看(图 1a)，大于300 mm的范围主要出现在辽宁中东部和吉林中东部，覆盖了辽河中下游、辽河上游的东辽河支流、浑河、太子河、第二松花江上游及下游的饮马河支流、浑江等流域，最大降雨量中心出现在辽宁的东北部，部分地区达800 mm以上，局部地区超过了1000 mm，其中国家站辽宁凤城降雨量达1078 mm，接近历史同期的1985年(1098 mm)，局域站最大达1341 mm。吉林南部的第二松花江上游地区也出现了500~700 mm的累积降雨量。辽宁的中部、北部和东部、吉林的中部和南部的部分地区降雨量都达到历史同期第一位(图 1b)。

1.2 成因分析

上述的降雨特点是由大尺度环流形势异常导致的，首先，极涡不断分裂冷空气进入俄罗斯北部，导致西西伯利亚北部低值区异常偏强且稳定，从该低值区中不断有冷槽移出，携带一股股冷空气分裂东移；其次是日本附近的副热带高压(以下简称副高)异常偏强且稳定，导致上述东移冷空气在东北一带受阻，移速减慢；最后是副高西侧的西南风异常偏强，同时对应大的水汽通量异常偏大区。这样，在上述大尺度环流形势异常的背景条件下，导致不断有冷空气与偏南暖湿气流在吉林中东部和辽宁中东部交汇，从而在该地区反复形成强降雨过程。

2 过程分类和特点 2.1 过程分类

对于东北地区的10次强降雨过程，从地面到高空会有较多的天气系统影响，但为了使问题简单化，易于预报员进行天气分析和预报，这里对最主要的影响系统过程进行分类。通过分析，将10次过程分成两类(表 2)，一类是低涡(切变)北下类，此类的低涡主要出现在对流层低层(一般是850 hPa)，并包含与低涡相伴的切变；另一类是冷涡(低槽)东移类，此类冷涡主要出现在对流层中层(一般是500 hPa)，包含与冷涡相伴的冷槽。从表 2可以看到，低涡(切变)北上类只有3次，而冷涡(低槽)东移类有7次，因此2010年东北地区的降雨主要是以西风带上的系统东移影响为主。

2.2 各类特点

3次低涡(切变)类过程的低涡初始位置各不相同，有西南涡移出的，有华北涡东北移的，也有位于黄海上的低涡偏北移的，然而各低涡都经过东北南部地区并北上，从而给该地区带来强降雨。7次冷涡(低槽)类的冷空气都源自西西伯利亚地区，但冷空气东移南下的路径不尽相同，主要有两条路径，一条是西北路径，冷空气经60°N附近的80°~90°E地区东移南下；另一条是偏西路径，冷空气经巴尔克什湖以北地区和新疆北部地区东移南下。尽管路径不同，但在东移过程中，冷空气也都经过东北地区，并与西南暖湿气流汇合，形成较强降雨。因此，无论是低涡(切变)还是冷涡(低槽)，它们最后都要经过东北地区，是造成该地区多降雨过程的重要系统。

比较两类的形势特点可以看出，低涡类环流以经向为主，高度距平呈东西向分布(图 2a)。日本附近副高异常偏强且呈块状，副高西侧槽较深，该槽区处即为低涡及切变活动区。冷涡类环流以纬向为主，高度距平呈南北向分布(图 2b)。副高呈东西向带状分布，其西侧槽较浅，该槽区为短波槽也就是影响槽的主要活动区，槽的北部为低值区，并对应一明显高度负距平区，该低值区即为高空冷涡主要活动地区。除了影响槽外，在其上游的俄罗斯北部到巴尔克什湖一带地区还有一个明显的槽区，该槽区的存在预示着后期还将有冷空气沿中纬度平直锋区东移，进而影响东北地区。

从水汽来源看，低涡类水汽主要来自于我国东部海区(图 3a)，从东部海区一直到辽宁和吉林的中东部地区为明显的水汽通量正距平区，水汽以副高西侧的强偏南风气流输送为主。图上还可以看到北风和西风气流不明显，即低涡类的低层冷空气活动较弱。冷涡类水汽来源有两部分，主要部分也来自于东部海区，以副高西侧偏南风气流输送为主，另一部分则来自于副高北侧西南风气流输送(图 3b)。与低涡类形势明显不同的是冷涡类在黑龙江北部地区也表现为一低层涡旋，涡旋南部有较明显的西北转偏西风，即冷涡类的冷空气作用较明显。

3 主要过程分析

从两类降雨过程中各选取一个过程进行分析，由于7月19—22日过程是辽宁和吉林省汛期降雨的开始，而7月26—28日的降雨过程中，吉林省防汛抗旱指挥部于7月28日09时启动了Ⅱ级防汛应急响应，吉林省汛情开始比较严重，因此选这两个降雨过程进行分析。

3.1 2010年7月19—22日过程分析

7月19—22日降雨过程主要降雨时段出现在19—20日，这其中又分为两个阶段：19日和20日。其中19日降雨以低涡云系为主，具有云系移速快、大雨强持续时间短的特点，100 mm以上降雨主要出现在辽宁西南部；20日降雨以低空急流云系为主，具有云团反复生成并经过同一地区，大雨强持续时间长的特点，100 mm以上降雨出现在辽宁中部到吉林中部偏南地区，雨带呈东北—西南向，雨带上还分布有大于200 mm，甚至超过300 mm的强降雨中心。从当天出现最大累积降雨量的区域站1小时降雨量的时间演变可以看出(图 4)，19日阶段降雨只有两个时次小时降雨量超过20 mm(图 4a)，而20日阶段却有8个时次超过20 mm(图 4b)，其中4个时次超过40 mm，因此造成的过程累计降雨量较大。下面重点分析20日强降雨特点的成因。

针对上述20日降雨过程的特点，从预报角度要回答两个问题：对流云团为什么反复生成？生成后为什么经过同一地区？首先大尺度背景场提供一个稳定的环流形势是非常必要的，这里最重要的系统就是副热带高压。从16日开始，块状副高就稳定在日本岛附近，强度不断加强，至19日20时，形成596 dagpm中心，该中心一直持续到21日20时。正是由于此副高的阻挡，低涡从四川盆地移出后沿副高西侧的西南气流向东北方向移动，至20日08时，低涡一分为二，一个在河北东北部少动，一个快速北上(图 5)。伴随低涡的北上，低涡东侧西南急流也北上并加强，至19日20时，形成大于20 m·s^-1的急流核，同时伴有大于14 g·kg^-1的高比湿区北移，为强降水的发生提供充足的水汽。

从图 5还可以看到，大降水区位于地面低涡和冷锋东侧的暖区内，与冷锋近于平行。辽宁的强降雨带位于冷锋前80 km左右，同时与850 hPa低空急流近于平行，强降雨带与暖锋相交，并延伸到暖锋前，但最大降水区出现在冷锋前、暖锋后的暖区内。经分析卫星云图和雷达反射率动画，发现降雨云团反复在辽东湾北侧附近地区形成，并沿与北方成30°的角度向东北方向移动，云团不断经过同一地区，形成近10个小时的持续强降雨。从图 4b可以看到，强降雨主要出现在20日夜间，20日白天虽然有降雨但较小，可以作为降雨发生的大气环境，从大连站20日08时的T-logp图可以看到强降雨前环境特点(图 6a)：湿层厚，比湿大，250 hPa以下层相对湿度大于80%，850 hPa以下层比湿接近或超过15 g·kg^-1；对流有效位能小，对流发展不强；风垂直切变小，整个对流层风在20 m·s^-1左右，且都为西南风。上述特点容易形成较大降雨，而且降雨效率高。

对于云团反复生成，从抬升机制上可以认为有两个主要原因，一是低层地转偏差风的辐合，另一是高空锋的作用。本次降水过程一个较明显的环流特点是低空偏南急流较强，并叠加在降雨带上，从沿云带的涡度和散度垂直剖面图来看(图略)，在850 hPa以下层，分布一系列正涡度中心和辐合中心，因低空急流较平直，可以认为正涡度主要来自气流的水平切变。而由于低层风速超地转现象明显，在850 hPa上，从辽东湾北部到辽宁中西部普遍存在超地转风，最大超地转风达到12 m·s^-1以上，而这一带实际风在20 m·s^-1左右，因此超地转风几乎占到了一半。从图 7的地转偏差风散度可以看到，整个辐合带与对流云带基本一致，而且偏差风散度与实际风散度相差无几，因此低层辐合中心主要来自于偏差风的辐合。

本次强降雨过程的另一明显形势特点就是高空冷锋的存在，在500 hPa层附近存在一明显的相对湿度或相当位温梯度大值区，该梯度大值区形成于四川盆地东部，其北边界快速向东北方向移动，而其东边界移速相对缓慢，从20日08—20时，东边界基本稳定在辽东湾到莱州湾一带。高空冷锋超前于地面冷锋，它不同于前倾高空槽，这里的高空槽及相伴的温度锋区要比高空锋偏西2~4个纬距。高空冷锋一般在上升运动的组织中起重要作用^[18-19]。从沿图 5的AB剖面可以看到(图 8)，最大上升运动区就位于高空锋前，同时位于最大位势不稳定区之上，高空锋前相对湿度突然增加，厚度增厚，这里是对流云团最易产生的地方。

3.2 2010年7月26—28日过程分析

7月26—28日降雨过程也分为两个阶段：26日和27—28日，冷涡冷锋和副冷锋先后分别触发两个阶段降雨云系生成发展。26日冷锋降雨具有云系移速快，强降雨持续时间短的特点；27—28日阶段降雨以27日夜间为最大(下面将重点分析)，28日雨带南移。27日夜间副冷锋降雨具有对流云团不断在雨区上游生成并经过同一地区，强降雨持续时间长的特点。从1小时降雨量演变来看(图 9)，26日小时降雨量只有3个时次超过20 mm，先后有两个云团影响，而27日夜间小时雨量有6个时次超过20 mm，先后有4个云团经过影响。

7月27日夜间强降雨天气形势不同于7月20日，前者离副高位置较远，副热带系统尤其是低空急流不像后者那么显著，相比而言，西风带系统表现得更加明显，主要是有东北冷涡在黑龙江北部地区发展加强，冷涡中不断有冷槽下摆，携带冷空气东移南下影响。7月26日，受第一个下摆冷槽影响，吉林东部、辽宁东北部出现一些暴雨、大暴雨，27日，又有一冷槽下摆，至28日08时，副冷锋已经移到吉林中部偏西地区，而500 hPa高空槽已经移到吉林中部偏东地区，从而在吉林中部地区形成前倾槽形势(图 10a)，有利于该地区位势不稳定的增大。从强降雨发生前环境探空来看(图 6b)，具有与7月20日强降雨不同的特点：大比湿主要集中在近地层，超过17 g·kg^-1，其上有一干层，干层上面又有一深厚湿层；对流有效位能大，达到2072 J·kg^-1；风垂直切变较7月20日大，925~700 hPa风随高度顺转有暖平流，有利增加位势不稳定。上述特点容易形成短时强对流，但由于湿层仍较厚，低层比湿大，强对流主要以短时强降雨为主。从闪电监测来看(图略)，7月27日过程的闪电活动比7月20日过程明显多，说明7月27日过程的对流活动比7月20日过程要强。

此次过程的低空西南急流在925 hPa表现得更明显些，28日08时在辽宁中西部达到14~16 m·s^-1(图 10)。地面分析显示(图 10b)，从27日20时始，地面气压槽及其相伴暖锋从内蒙古中部向偏东方向移动，同时地面冷锋从黑龙江中部向偏南方向移动，27日23时开始，两条锋面移动都比较缓慢，28日凌晨，两条锋面在吉林中部偏南地区相交，位置正好位于强降水区的上游地区，而该地区又处于地面露点等值线东北部的脊区即湿舌上，同时又是500 hPa前倾槽与地面冷锋之间的不稳定区，因此该区极易产生对流云团。

4 预报技术探讨

强降雨的预报技术和方法是预报员不断探索、不断实践的一个永恒课题，对定量降水预报而言，某地强降雨可用两个量来衡量：雨强和持续时间^[20]。雨强强并且持续时间长，就会形成较大累积降雨量，并可能引起洪涝灾害。雨强主要取决于水汽垂直输送通量，进而取决于水汽辐合和水平输送，预报员平时分析的露点、比湿、水汽通量和通量散度等与水汽相关的物理量可有助于对降雨强度有个判断，但要判断降雨事件的极端性，可采用正规化标准差方法来判断^[21]。

对于强降雨持续时间可从降雨系统的大小和移动来考虑，前面给出的两个例子都涉及到降雨云团反复生成并经过同一地区，这就造成了降雨时间长，如果雨强也较强，更容易造成大的累积雨量。因此判断对流云团生成源地和生成后的移动非常重要，也是预报分析中的一个难点。前面的降雨过程分析中已经对对流云团的生成源地作了分析，其中包括判断引起上升运动的边界(气流辐合、地面锋、高空锋面等)，判断水汽通量和辐合区，判断最不稳定区的位置等。对流系统及其中单体生成后的移动可用Corfidi向量法来判断^[22-23]，Corfidi向量法是业务预报中判断中尺度对流系统(MCS)移动的一个非常实用方法，MCS的移动矢量近似于单体的移动矢量和单体传播矢量的合成，而单体的移动矢量可用风暴承载层的平均风矢表示，单体的传播矢量可用低空急流矢量表示，但方向相反。如7月20日的降雨过程中(图 11a)，通过大连站T-logp图分析(图 6a)，风暴承载层925~250 hPa平均风矢量方向或略偏右方向可以作为对流单体的移动方向，而850 hPa层上低空急流的反方向可以作为对流单体的传播方向，这样整个对流系统的移动矢量就是两者的合成，从图中可以看到整个对流系统的移动将非常缓慢，而其中的单体将快速向东北方向移动。同样，7月27日夜间的降雨过程中，虽然整个大的对流系统移速较快，但由于对流系统与其中单体近于同向，从源地不断有对流单体(或小的对流云团)生成，生成后即沿850~200 hPa平均风矢量方向移动(图 6b)，也造成了持续经过同一地区的现象，从而引起强降雨(图 11b)。上述结果与雷达观测基本一致。

5 结论

2010年7月19日至8月底东北地区降雨具有过程频繁、降水量大、落区重复的特点，主要原因归结于西风带和副热带环流形势的异常，包括以下几个方面：西西伯利亚北部低值区异常偏强且稳定，不断导致冷空气分裂东移；副高异常偏强且稳定，导致东移冷空气受阻，移速减慢；副高西侧的西南风异常偏强，同时对应大的水汽通量异常偏大区。这些异常的结果导致较强偏南暖湿气流与冷空气在吉林中东部和辽宁中东部交汇，形成持续不断的降雨过程。

对这段期间出现的10次降雨过程，从主要影响系统方面分为两类：低涡(切变)北上类和冷涡(低槽)东移类。其中，低涡类的环流以经向为主，高度距平呈东西向分布，日本附近副高异常偏强呈块状，副高西侧槽较深，槽区为低涡及切变活动区，东西向高度距平分布明显，水汽主要来自于我国东部海区，副高西侧强偏南气流输送明显，低层冷空气活动弱。而冷涡类的环流以纬向为主，南北向高度距平分布明显，副高呈东西向带状分布，副高西侧槽较浅，槽区为短波槽活动区，槽的北部低值区即为高空冷涡主要活动地区。水汽主要也来自于东部海区，以副高西侧偏南气流输送为主，也有部分来自于副高北侧西南气流输送。该类冷空气活动强。

对于强降雨的定量预报，重点考虑雨强和持续时间。两个强降雨过程都涉及到降雨云团反复生成并经过同一地区，不但雨强强而且持续时间长，从而造成较大累积降雨量。两个过程大尺度环流形势都比较稳定，7月20日过程是副高比较稳定，7月27日夜间过程则是高空冷涡较稳定。两个过程中的水汽供应都比较充分，都存在低空急流，尤其是7月20日过程大于20 m·s^-1强暖输送带源源不断供应水汽，是判断强雨强的很好指标。在形势稳定、雨强强的情况下，对于持续时间就要涉及到判断对流云团生成和移动问题。就这两个过程而言，7月20日过程的对流云团发生于沿低空急流带上超地转偏差风辐合区、高空冷锋前部的上升运动区和位势不稳定区。7月27日夜间过程的上升运动主要是近地层锋面抬升即冷暖空气辐合的结果，对流云团生成于不同天气系统带来的地面南下冷锋和东移暖锋两锋面结合处，该地区也位于湿舌东北部的脊上，前倾槽后的位势不稳定区内。

对流云团生成后的移动可用Corfidi向量法判断。7月20日过程对流单体的移动和传播近于速度相等、方向相反，造成整个系统移动缓慢，单体反复经过强降雨区。7月27日夜间的降雨过程中，对流系统与对流单体近于同向，也造成不断生成的对流单体(或小的对流云团)持续经过同一地区现象，引起强降雨。