引言

根据持续时间的长短，降水可分为短历时降水(1~3 h)和长历时降水(＞6 h)(Yu et al，2007)。若降水量达到暴雨量级，则可进一步分为短历时暴雨和长历时暴雨。

目前针对不同历时降水的研究主要集中在时空分布特征和日变化规律、与大气环流的联系及长期变化趋势等三个方面，如Yu et al(2007)研究了中国东部地区5—9月长历时(＞6 h)和短历时(1~3 h)降水特征，发现不同地区长、短历时降水比率的空间分布差异很大，并推测不同历时降水的产生可能源于不同的物理机制。金炜昕等(2015)研究了夏季中国中东部1961—2012年5类(1~6、7~12、13~18、19~24 h和＞24 h)不同历时降水的空间分布特征，指出降水事件的平均历时由南向北呈“短—长—短”分布型，华南和北方地区以6 h以下的短历时降水为主，中部地区6 h以上长历时降水占总降水量60%以上。Li et al(2008)研究发现短历时降水造成了北京地区午后的降水峰值，而发生于凌晨的降水峰值则主要是由长历时降水构成。Yuan et al(2010)指出长历时(＞6 h)降水带的季节内移动与季风雨带相似，达到峰值的日期与季风降水相近，在季风降水减弱后短历时降水(1~6 h)逐渐达到峰值，且多发生于邻近热带的低纬地区。Yuan et al(2010)指出，虽然长江中下游地区小时降水强度略下降，但降水事件历时却是增长的，使得日降水量增多，进而导致日降水强度的增大。Li et al(2011)对华北和长江中下游地区长、短历时降水的变化进行了对比研究，指出近50年来“北旱”主要与长历时降水的减少有关，“南涝”则是由长历时降水和短历时降水的共同增加造成的。金炜昕等(2015)指出夏季南方大部分地区降水强度、时数和事件数均呈上升趋势，而北方地区降水时数和事件数显著减少，但降水强度呈增强趋势；中东部降水历时总体呈上升趋势，该地区短历时(1~6 h)降水无显著的年代际转折。

在不同历时暴雨研究方面，目前针对短历时暴雨的研究较多，很多气象工作者从时空分布特征、中尺度系统结构及维持机制、雷达产品特征和预报预警指标等方面进行了深入研究并取得了很多成果。如吴滨等(2015)分析了福建省短历时(1、3、6 h)及24 h降水强度达暴雨和大暴雨频次的时空分布以及暴雨极值的空间分布特征。孙建华等(2005)、王亦平等(2008)对短历时暴雨的中尺度对流系统的形成及其环境场、不稳定条件增加与维持的机制、湿位涡、MβCS等特征进行了深入分析，王黎娟等(2013)、东高红等(2011)、赵玮和王建捷(2008)分析了锋面垂直环流与中尺度对流系统的相互作用、海风锋在渤海西岸短时暴雨过程中的作用等。张沛源和陈荣林(1995)、刘黎平等(2004)、杜秉玉等(1998)、郑媛媛等(2009)和冯晋勤等(2014)分别利用多普勒天气雷达资料研究了雷达速度图上逆风区、β中尺度辐合系统、大气低层气流结构、中低层气旋性切变对短时暴雨形成和维持的影响。同时短时暴雨的预报预警指标也日趋完善，如王令等(2012)利用北京区域雷达拼图、VDRAS、卫星云图等多种探测资料，对比分析了两次突发性局地暴雨的中尺度系统特征，提炼了北京城区突发性短时暴雨的预报预警指标，段鹤等(2014)基于多普勒雷达产品建立了云南省三种短时暴雨的识别和预警指标。

相比于短历时暴雨，出现次数相对较少的长历时暴雨由于降水持续时间长、雨强大和总量大，更容易造成严重的洪涝灾害。目前的研究多集中在持续3天或以上的持续性暴雨过程的时空分布和影响系统(马学款等，2012；覃卫坚等，2015；何光碧等，2016；徐明等，2016；符矫兰等，2017；徐珺等，2014)、大气低频变化(陈彩珠等，2016)、环流异常特征(冯文等，2015；林爱兰等，2015；徐明等，2015；张云惠等，2015；钱维宏等，2016)、水汽源地和输送(孙建华等，2016)和预报技术方法研究(刘国忠等，2013；董颜等，2015；董全等，2016；孔期和林建，2017；张小玲等，2010)等方面。如王宁等(2016)分析了吉林省2013年一次持续性暴雨的环流形势演变和中尺度对流云团特征，发现此次强降水的产生与不稳定能量“释放—快速重建”机制密切相关，张家国等(2010)利用多普勒雷达资料对湖北一次长历时暴雨的回波结构特征、中尺度系统活动和地形作用进行了分析，发现中尺度超低空急流在地形的阻挡下转向与偏南暖湿气流在静止锋附近形成了持续性的中尺度气旋性辐合上升运动，对此次长历时强降水起到了关键作用。目前对发生在24 h内连续多个时次均出现强降水并且降水总量达到大暴雨甚至特大暴雨过程的研究较少。本文针对发生在辽宁地区三次典型长历时暴雨过程，分析了强降水发生期间的卫星红外云图、雷达回波结构和强度变化特征，总结了产生强降水的中尺度对流系统活动特征，为今后类似过程的预报预警工作提供参考。

1 资料及定义

本文所用的资料主要包括：(1)美国国家环境预报中心(NCEP)/美国国家大气研究中心(NCAR)提供的空间分辨率1°×1°、时间间隔6 h的再分析格点资料；(2)国家气象信息中心提供的FY-2E红外云图 0.1°×0.1°逐小时云顶黑体辐射亮温(TBB)资料；(3)辽宁省气象档案馆提供的辽宁省区域自动气象站逐小时降水量资料；(4)辽宁省多普勒天气雷达反射率拼图产品资料。

参照Yu et al(2007)的方法，本文将降水量≥0.1 mm的持续时间超过6 h、且24 h降水量≥50 mm的降水定义为长历时暴雨。

2 降水特征

本文选取的3个个例为：(1)2010年7月20日08时至21日08时(北京时，下同)，辽宁中部出现了大暴雨到特大暴雨，其中铁岭县阿吉乡出现了连续10 h雨强≥10 mm·h^-1的强降水，最大雨强为48 mm·h^-1，24 h降水量达361 mm(图 1a)，降水表现为雨强变化小、强降水持续时间长和降水阶段性不明显特征；(2)2010年8月20日08时至21日08时，辽宁东南部地区出现了暴雨、局部特大暴雨，其中丹东市五龙背乡出现了连续9 h雨强≥10 mm·h^-1的强降水，最大雨强达91 mm·h^-1，24 h降水量达498 mm(图 1b)，降水表现为雨强变化大、强降水持续时间长和降水有明显的阶段性特征；(3)2013年8月16日08时至17日08时，辽宁东部地区出现了暴雨到特大暴雨，其中清原县大苏河乡出现了连续9 h雨强≥10 mm·h^-1的强降水，最大雨强达77 mm·h^-1，24 h降水量达325 mm，降水表现为雨强变化大、强降水持续时间长和降水有明显的阶段性特征(图 1c)。

三次降水过程均具有如下特征：(1)降水总量大，24 h降水量均达到了特大暴雨；(2)雨强大，最大雨强分别达到了48、91和77 mm·h^-1，特别是五龙背乡连续3 h雨强≥50 mm·h^-1；(3)强降水持续时间长，雨强连续≥10 mm·h^-1的持续时间分别达到或接近10、9和9 h(图 1d~1f)。

3 影响系统特征

2010年7月20日铁岭县阿吉乡特大暴雨为典型的东北地区冷涡底部大范围槽前型暴雨。该型暴雨是东北地区主要的暴雨类型，约占总次数43%(孙力等，2010)，其一般为持续相对稳定性降水，降水持续时间长，雨强变化不大，天气形势特点是500 hPa冷涡中心位于东北地区北部或内蒙古东部地区，高空槽南北径向跨度很大，可一直向南伸展至长江流域，副热带高压强盛且呈东北—西南向块状，850 hPa强盛的偏南气流将南海或东海、黄海的水汽持续向北输送，强降水发生在850 hPa西南急流顶端的辐合区内。阿吉乡特大暴雨过程中，副热带高压西侧强盛的偏南气流输送的充沛暖湿空气与贝加尔湖高压脊前部西北气流引导南下的冷空气在辽宁东北部地区长时间相互作用，造成了连续10 h的强降水(图 2a)。

2010年8月21日丹东市五龙背乡特大暴雨为副热带高压脊上β中尺度暴雨。Maddox(1979)在对美国151个致洪暴雨个例进行分析时提出了该致洪暴雨类型，指出该型暴雨的MCS在弱地面锋附近的南风低空急流输送暖湿空气的区域生成，主要强迫因子是底层暖湿平流，MCS发生在较弱的高空西风急流反气旋一侧。孙建华等(2005)在研究1960—1999年华北夏季暴雨过程特征时也总结了该型致洪暴雨，指出该型暴雨的MCS生成于切变线南侧的西南暖湿气流中, 降水雨强大、持续时间长。2010年8月21日02时(图 2b)，丹东市五龙背乡位于副热带高压588和592 dagpm等位势线之间，副热带高压西侧的850 hPa西南急流和南侧的偏东急流将南海和东海的暖湿空气输送到辽宁东南部。通过分析8月20日20时与五龙背乡距离22.5 km的丹东站探空资料和地面图发现(图略)，地面露点达到了24℃，975 hPa以下饱和，975~600 hPa接近饱和，抬升凝结高度(近地面层)到0℃层高度(5 km左右)之间的暖云层厚度达到了5 km，对流有效位能(CAPE)较小为225 J·kg^-1且呈狭长分布，这种中低层高温高湿、低抬升凝结高度的大气环境，在近地面中尺度辐合线和地形的抬升触发下，使得五龙背乡产生了多个小时的强降水。

2013年8月16日清原县大苏河乡特大暴雨为西风带上短波槽影响的暴雨。该型暴雨500 hPa环流一般比较平直，但通常不断有短波槽自河套地区东移影响辽宁，冷空气为偏西路径，其降水具有阶段性特征、雨强变化大，短波影响期间雨强强，强降水一般发生在短波槽前850 hPa切变线附近。大苏河乡特大暴雨过程中，500 hPa贝加尔湖至鄂霍次克海一带为宽广的低槽区，来自极地的强冷空气南下至蒙古东部地区后东移影响辽宁，副热带高压呈东西向带状，辽宁处于500 hPa低槽区底部和地面东北低压冷锋前部，辽宁东部地区位于200 hPa高空急流轴右侧出口区的辐散区与850 hPa低空急流左侧辐合区的叠置区，海上副热带高压西北侧的西南气流引导北上的暖湿空气与极地南下的强冷空气在辽宁东部地区交汇(图 2c)。

4 中尺度对流系统特征 4.1 中尺度对流云团特征 4.1.1 阿吉乡特大暴雨过程

阿吉乡的强降水是先后受4个对流云团影响产生的(图 3)。第一个云团于7月20日15时在盘锦北部地区生成(图略)，于17—18时影响阿吉乡，中心TBB值为-41~-38℃，阿吉乡开始出现强降水。20日19—22时受渤海北部北上对流云团的影响，中心TBB最低值为-47℃，雨强也同时达到最大为48 mm·h^-1。20日23时至21日02时分别受阜新、盘锦地区生成东北方向移动的对流云团影响，阿吉乡又维持了4 h的强降水。21日02时之后由于上空的对流云团逐渐减弱并东移，降水明显减弱。分析发现，阿吉乡强降水发生在对流云团发展旺盛的冷云区的TBB梯度区内，在强降水发生前的16—17时，其上空云团的TBB值由-13℃快速下降至-38℃，1 h下降幅度达25℃。可以发现阿吉乡强降水发生期间，其上空云团的TBB值在-47~-36℃波动变化，雨强在24~48 mm·h^-1波动变化，TBB值和雨强均呈现小幅变化特征(图 6a)。

4.1.2 丹东市五龙背乡特大暴雨过程

丹东市五龙背乡的强降水分为两个阶段(图 6b)。第一阶段(8月20日18—21时)3 h总降水量和1 h最大降水量分别达到了116和70 mm，20日18时五龙背乡东北方向有两个对流云团逐渐发展，20日19时两个云团合并后向东北方向移动，但五龙背乡并未受该云团的直接影响(图 4)，其上空云团的TBB值在20日18时、19时分别为4℃、3℃，20日20时才逐渐降低到-6℃(图 6b)，这说明五龙背乡上空云团在很低的高度便凝结产生降水，具有明显的暖云降水特征。第二阶段(8月21日01—06时)五龙背乡出现了连续5 h的强降水，3 h总降水量和1 h最大降水量分别达到了211和91 mm。与第一阶段强降水类似，21日01—03时，五龙背乡的东北方向和西南方向分别有两个对流云团发展加强，但两个云团均并未直接影响五龙背乡，其上空云团的TBB值为-20~-8℃，直至21日04时两个云团合并加强后，其上空云团的TBB值快速降低到-43℃，并处于云团南侧的TBB梯度大值区内，才开始转为较明显的对流云团影响。

由于五龙背乡强降水没有明显的大尺度抬升系统，在红外云图上也没有明显的强对流云团特征，在监测和预报中容易被忽视，因此预报员应特别关注这种低层高湿、凝结高度低、整层近乎饱和，同时又具有局地地形抬升触发条件地区的强降水的监测和预报。

4.1.3 清原县大苏河乡特大暴雨过程

大苏河乡的强降水是由两个深厚的强对流云团造成的。16日15时抚顺西部对流云团发展，同时抚顺东部对流云团加强，降水开始加强，强降水处于TBB梯度陡增处(图 5)。16时抚顺西部对流云团东移并入东部云团，沈阳抚顺交接出一小尺度对流云团产生，并迅速发展加强，抚顺地区产生强降水，强降水仍处于TBB梯度陡增处。17—19时小尺度对流云团东移逐渐并入东部云团，形成向西突起的椭圆型对流云团，对流云团发展到强盛，TBB值降低到-68℃，之后逐渐减弱东移，强降水产生在云团突起部位亮温梯度大值区内，大苏河乡16—19时3 h雨量达到140 mm(图 6c)。20—21时抚顺东部局地生成的小尺度对流云团影响，与辽宁东南部发展的对流云团北部合并加强，TBB梯度陡增处出现强降水，小时雨强达60 mm·h^-1，22时辽宁东南部的对流云团转为东移，抚顺地区降水迅速减小。可以发现此次过程降水的强烈增幅发生在对流云团合并加强时期，强降水发生在云顶亮温低值中心偏向最大温度梯度的区域。

4.2 多普勒天气雷达特征 4.2.1 铁岭县阿吉乡特大暴雨过程

铁岭县阿吉乡特大暴雨过程中的雷达回波表现出明显的“列车效应”特征。从雷达反射率因子的演变特征看，20日15时，在铁岭县西南方向的盘锦一带开始出现一条混合云降水回波带，16时左右回波带内生成了多个强度≥40 dBz的雷暴单体沿西南—东北走向传播(图略)，雷暴单体的移动方向与回波带方向一致，雷暴单体17时左右开始陆续影响阿吉乡，同时阿吉乡处于传播路径的顶端，雷暴单体移到此处明显加强(图 7a~7d)，而在传播路径后端的盘锦地区仍不断有对流单体新生并向西北方向移动，在同时次雷达回波剖面图上可见(图 7e，7f，7g，7h)，此次过程雷达回波具有明显的低质心、垂直发展特征，≥40 dBz回波的顶高在3 km以下，这种形势维持了近10 h，在生命史周期内整个雨带的轴线位置也基本不变。至21日02时带状回波开始断裂，回波范围逐渐扩大，逐渐转为层状云降水回波，阿吉乡的降水逐渐减弱。由此可见，阿吉乡的长历时暴雨是由上游不断生成的降水回波持续移入影响形成的“列车效应”造成，回波的强度变化小，强回波发展高度不高，雨强变化小。

4.2.2 丹东市五龙背乡特大暴雨过程

丹东市五龙背乡特大暴雨过程中的雷达回波表现出本地生成并迅速加强与“列车效应”共同影响的特征。从雷达反射率因子的演变特征可以看出，五龙背乡第一阶段(20日18—21时)的强降水是由本地生成并加强的回波影响造成，20日18时之前五龙背乡附近没有明显的降水回波(图略)，20日19时五龙背乡上空开始有回波发展，19：48(图 8a)对流回波迅速发展，多个单体降水回波逐渐合并成一条西南—东北走向的中尺度对流性降水回波带(图 8e)，该回波20日21时后逐渐减弱东移。五龙背乡第二阶段(21日01—06时)的强降水是由上游移入并强烈发展加强的降水回波持续影响造成，20日23时开始，五龙背乡其西南方向开始有回波发展，但强度不强。21日01：30—03：24中尺度对流性降水回波带内强对流性单体降水回波不断相互合并加强(图 8b，8c，8d)，降水回波结构趋于完整，水平宽度达50 km，回波具有低质心、垂直发展特征，≥40 dBz回波的顶高在6 km以下，≥50 dBz回波的顶高在4 km以下，强回波中心强度超过60 dBz(图 8f，8g，8h)，中尺度对流活动发展到最鼎盛阶段，五龙背乡出现了91 mm·h^-1的强降水，雨强持续5 h超过30 mm·h^-1。由此可见，五龙背乡第一阶段的强降水是由本地生成并迅速加强的回波影响造成的，第二阶段的强降水是由上游移入并强烈发展加强的降水回波持续影响造成的，回波的强度变化大，强回波发展高度高，雨强变化大。

4.2.3 清原县大苏河乡特大暴雨过程

清原县大苏河乡特大暴雨程中的雷达回波表现出不同方向的强回波先后移入影响的特征。从雷达反射率因子的演变特征可以看出，大苏河乡三个阶段的强降水分别是由三次不同方向移入的强回波影响造成，第一阶段(16日15—17时)的强降水是前期位于抚顺市区附近的强回波由正西方向移入影响造成(图 9a)，该回波小时平均强度42 dBz，宽度较窄移动速度较快，仅影响了2 h左右。第二阶段(16日17—20时)的强降水是前期位于铁岭南部地区的强回波由西北方向移入影响造成(图 9b，9c)，该回波在移动过程中始终维持较强的强度，小时平均强度达到45~50 dBz且为东西向宽带状，使大苏河乡出现了强降水，3 h降水量达142 mm，最大雨强达到77 mm·h^-1。第三阶段(16日21时至17日00时)的强降水同样是前期位于铁岭南部地区的强回波由西北方向移入影响造成(图 9d)，该回波为东西向窄带状，在移动过程中同样始终维持较强的强度，小时平均强度达到50 dBz，使大苏河乡出现了雨强达55 mm·h^-1的强降水。在同时次雷达回波剖面图上可以看出，此次过程雷达回波同样具有明显的低质心、垂直发展特征，≥40 dBz回波的顶高在6 km以下，≥50 dBz回波的顶高在2 km以下(图 9e~9h)。由此可见，大苏河乡三个阶段的强降水均是由上游生成的强回波始终维持较强的强度移入影响造成，该类型回波的降水表现为雨强变化大、强降水持续时间长和降水有明显的阶段性特征。

4.2.4 回波强度和高度与雨强的关系特征

降水雨强的变化特征可在一定程度上反映中小尺度对流系统的演变特征。通过对三次过程强降水发生地上空的不同高度雷达反射率、组合反射率的强度和高度与强降水发生地雨量站的降水雨强进行对比分析发现(图 10)，阿吉乡特大暴雨的雷达反射率与地面雨强变化幅度均不大，小时平均回波强度43~47 dBz，降水雨强普遍在20~40 mm·h^-1，≥40 dBz的回波顶高在6 km以下。五龙背乡特大暴雨的雷达反射率与地面雨强变化幅度较大，平均回波强度为45~58 dBz，雨强普遍在30~90 mm·h^-1，≥40 dBz的回波顶高在7 km，≥50 dBz的回波顶高在6 km。大苏河乡特大暴雨的雷达反射率与地面雨强变化幅度很大，平均回波强度39~51 dBz，雨强普遍在20~70 mm·h^-1，≥40 dBz的回波顶高达到7 km。同时可以发现，当小时平均回波强度≥50 dBz时，雨强均超过了50 mm·h^-1，当小时平均回波强度增大或减小时，雨强也基本随之增大或减小。由此可见，利用小时平均雷达回波强度变化分析这种长历时降水的雨强变化趋势有较好的参考意义。

5 结论和讨论

本文对辽宁三次典型长历时暴雨过程的降水实况、天气形势背景、卫星红外云图、雷达回波的结构和强度变化特征进行了分析，主要研究结论如下：

(1) 三次过程均是发生在有利于辽宁产生暴雨的大尺度环境背景下，但具有不同的天气背景和降水特征。2010年7月20日铁岭县阿吉乡暴雨为典型的北方大范围槽前型暴雨，雨强相对较小且强度变化小；2010年8月21日丹东市五龙背乡暴雨为副热带高压脊上β中尺度暴雨，雨强大且强度变化大；2013年8月16日清原县大苏河乡暴雨为西风带上短波槽暴雨，雨强大且强度变化大。

(2) 三次过程在卫星红外云图上表现出一般性对流云团、暖云和深对流云团三种特征。其中铁岭县阿吉乡暴雨为一般性对流云团特征，云顶亮温-47~-36℃，云顶亮温和降水雨强均呈现小幅变化；丹东市五龙背乡暴雨为暖云特征，云顶亮温-8~9℃，云顶亮温和降水雨强变化幅度均较大；清原县大苏河乡为深对流云团特征，云顶亮温在-68~-50℃，强降水发生在云顶亮温低值中心偏向温度梯度大值区一侧。

(3) 铁岭县阿吉乡特大暴雨过程中的雷达回波表现出明显的“列车效应”特征，丹东市五龙背乡特大暴雨过程中的雷达回波表现出本地生成并迅速加强与“列车效应”共同影响的特征，清原县大苏河乡特大暴雨程中的雷达回波表现出不同方向的强回波先后移入影响的特征。

(4) 该型暴雨的雷达反射率因子强回波质心较低，≥40 dBz回波的顶高在6 km以下，≥50 dBz回波的顶高在4 km以下。小时平均雷达反射率因子强度及其变化对降水强度和趋势有较好的指示意义，当小时平均雷达反射率因子强度≥50 dBz时，雨强均超过了50 mm·h^-1，当小时雷达反射率因子强度增大或减小时，雨强也随之增大或减小。

(5) 尤其需要指出的是，对类似五龙背乡这种暖云造成的强降水过程，由于在天气尺度上没有明显的抬升系统，在红外云图上也没有明显的强对流云团特征，但其处于低层高能高湿、凝结高度低、整层近乎饱和且又具有局地地形抬升触发条件的区域，因此在业务中应特别注意此类暖云强降水的分析和监测。