北京特大暴雨成因分析一天氣特征層結與水汽條件生

1、7.21 特大暴雨成因分析（一）天氣特征、層結與水汽條件生 1,旺 1,1,2,1(1.氣象中心,100061;2.93642氣象臺,唐山 064001)摘 要本文利用常規(guī)、加密自動氣象站以及 NCEP1º×1º再分析資料，對“7.21”特大暴雨過程天氣特征和環(huán)境條件進行了初步分析。結果：（1）降水過程由鋒前暖區(qū)和鋒面降水組成。暖區(qū)降水持續(xù)時間長，小時雨量大，具有典型的“列車效應”，是造成特大暴雨的主要降水過程。（2）中低渦東移、副高北抬、中低層低渦暖式切變線影響是暴雨主要環(huán)流形勢特征，暴雨發(fā)生在低層低渦右前部暖式切變和高空強輻散氣流下方。（3）暴雨過程開始前對流

2、層中低層雙層濕暖蓋。位勢不層結的建立機制主要與低層增濕和中層變干的濕度差動平流有關，而低層增濕和中層變干過程與中低層風向轉(zhuǎn)變相關聯(lián)。（4）“7.21”暴雨是在對流層整層不斷增濕過程中醞釀、發(fā)生和發(fā)展的，而且對流層中比低層增濕效應更加明顯。與普通暴雨增濕過程和水汽主要集中在對流層中下層不同，深厚的濕度層次，較低的凝結高度和對流高度是其顯著特征。:特大暴雨;暖區(qū)降水;列車效應;層結與水汽條件分析1 引言暴雨是地區(qū)夏季最主要的氣象災害之一，每年和人民生命財產(chǎn)造成較大危害。由于暴雨是中小尺度天氣過程和小概率，對它們進行準確分析和精細化預報還比較，為此許多學者進1概括了華北地區(qū)暴雨主要天氣型，并指出強風

3、暴和暴雨研究中一個很重要的行了不斷的研究探索。2強調(diào)了位勢不問題是位勢不層結是如何形成以及怎樣被觸發(fā)的。層結、水汽等環(huán)境條件對暴雨發(fā)生發(fā)展的重要性。2012 年 7 月 21-22 日，、天津及河北北部成立以來最嚴重的損失，僅市因暴雨洪災遇難已達 79 人，直接特大暴雨，給人民生命財產(chǎn)造成損失超百億元。如此罕見的暴雨天氣過程，發(fā)生在怎樣的大尺度環(huán)流形勢之下？其天氣過程、層結和水汽條件又有哪些特殊性？這些問題都需要深入研究。本文利用常規(guī)、加密自動氣象站、NCEP1º×1º再分析資料，采用動力分析，對上述問題進行分析，希望能為提高地區(qū)暴雨天氣分析預報能力提供借鑒。2

4、天氣特征2.1 降水過程概況2012 年 7 月 21 日 10:00-22 日 02:00（時，下同），地區(qū)出現(xiàn)了一次全市性大暴雨，局地特大暴雨天氣過程（圖 1a）。全市平均降水量 195 mm，全市最大降水量出現(xiàn)在西南部房山區(qū)河北鎮(zhèn)，高達資助項目氣象科學災害天氣開放課題（2012lasw-B07LASW）1460 mm，接近 500 年一遇。暴雨降水帶呈西南-東北向，其中特大暴雨區(qū)域位于西南部房山區(qū)山前和東北部平谷、順義區(qū)山前地帶（圖 1b）。圖 1 暴雨過程降水量分布（a,mm）和地區(qū)地形圖（b）2.2 降水強度及強降水中心分布（圖 2），21 日 12:00 后小時強降水中心雨量均在

5、40 mmh-1地區(qū)暴雨過程逐時降水量分布以上，持續(xù)時間>10 小時；50 mmh-1 的強降水中心主要分布在西南部房山區(qū)和東北部平谷、順義區(qū)山區(qū)，持續(xù)時間長達 7 小時，其中有 4-5 小時強降水中心的降水強度達到 80-100 mmh-1。如此的降水強度和持續(xù)時間最終造成地區(qū)破歷史的特大暴雨天氣過程。2圖 2 暴雨過程逐小時雨量分布圖(mm),(a)21 日 10:00;(b)21 日 12:00;(c)21 日 14:00;(d)21 日 16:00;(e)21 日 17:00;(f)21 日18:00;(g)21 日 19:00;(h)21 日 20:00;(i)21 日 21:

6、00;(j)21 日 22:00;(k)22 日 00:00;(l)22 日 02:002.3 降水階段性分析分析華北地區(qū)多譜勒雷達回波演變（圖略）、逐時雨量分布圖（圖 2）和房山區(qū)坨里站逐時雨量圖（圖 3）可知，降水過程可分為鋒前暖區(qū)和鋒面降水兩個階段。暖區(qū)降水階段持續(xù) 10 個小時（10:00-20:00），其間西南方向不斷有回波生成（共 22 個），移向東北并在房山地區(qū)加強，具有明顯的列車效應，此期間的降水量為 336.3mm，占總量的 86.9%（圖 3）。鋒面降水階段持續(xù) 7 個小時（20:00-02:00），移向東南，降水量 50.8 mm，占總量的 13.1%。因此，可以說“7.

7、21”暴雨主要由暖區(qū)降水造成，并具有“范圍廣、強度大、持續(xù)時間長、移動規(guī)律，山地加強，災害嚴重”等特點。3100908070605040302010010 00 12:00 14:00 16:00 18 00 20:00 22:00 00:00 02:0004:00time圖 3 7 月 21 日 10:00-22 日 02:00房山區(qū)坨里站逐時雨量圖(:mm)3 成因分析3.1 環(huán)流形勢特征圖 4 500 hPa 位勢高度（實線,:gpm）,700 hPa 風場（矢量線）及 200 hPa 風速大于 30ms-1（陰影區(qū)）的分布,(a) 21 日08:00;(b) 21 日 14:00;(c

8、) 21 日 20:00由圖 4 可見，概略地說中低渦東移、副高北抬、中低層低渦暖式切變線影響是暴雨的主要環(huán)流形勢特征。低空急流為暴雨提供了充沛的水汽，而低層低渦、急流輻合及急流輻散抽吸作用為暴雨提供了良動力條件。暴雨發(fā)生在低層低渦右前部暖式切變和高空強輻散氣流下方。3.2 有利的層結分布4precipitation/mm5時在暴雨中心區(qū)附近（圖 6a）和雨帶移向的前方（圖 6b）均是強的位勢不中心，且雨帶移向前方位勢不中心這種特征保持至 20:00（圖略）。這樣的層結分布特征為暴雨中心出現(xiàn)在地區(qū)且暴雨云團在 20:00 前主要向東北方向移動提供了有利的條件，這也是暴雨云團“列車效應”（逐次由

9、西南京向東北移動）所要求的位勢不層結條件。通常位勢不層結的建立主要取決于高低層水汽和熱量平流的差異。由圖 5c 可知，在位勢不層結建立階段（02:00-08:00），溫度隨高度遞減率基本不變，而相對濕度低層（750 hPa 以下）明顯增濕（850 hPa 增加 17%），中層（750-550 hPa）強烈變干（650 hPa 減小 58%）的現(xiàn)象，這說明“7.21”暴雨過程中位勢不層結的建立主要與濕度差動平流有關。對比圖 5a、b 中 02:00 和 08:00 廓線同樣，位層結的建立與相對濕度變化有著相似的趨勢?！?.21”暴雨過程中溫度差動平流作用有限，并勢不沒有強對流天氣中常見的冷平流，

10、低層暖平流帶來的位勢不效應。這也“7.21”暴雨在 20:00前主要為暖氣團降水過程。對比圖 7 可知，造成位勢不層結的低層增濕和中層變干過程，與低層和中層的風向轉(zhuǎn)變有密切，即與低層（900-800 hPa）西風減小并開始向東風轉(zhuǎn)變，中層（800-650 hPa）東風轉(zhuǎn)為西風所帶來的不同的相對濕、干空氣有關。因此，關注暴雨前期中低層風向變化對暴雨預報具有重要作用，因為它既可以是低層水汽的重要來源之一，也是位勢不層結建立的一種機制。67：K）,水汽通量（矢量，：10-2g(cmhPas)-1 和水汽通量散度輻合（陰影）（圖 8 850 hPa（實線，：10-7g(cm2hPas)-1), (a)

11、21 日 08:00; (b)21 日 14:00; (c)21 日 20:00; (d)21 日 02:00分析暴雨中心區(qū)（房山）不同時間相對濕度垂直廓線（圖5b）可以看出“7.21”暴雨過程水汽分布特點和增長規(guī)律。暴雨前期（02:00）中低層水汽含量雖遠大于，但暴雨時（08:00）850 hPa 相對濕度由 75%增至 92%，增量為 17%，450 hPa 相對濕度由 37%增至 93%，增量為 56%，可見中水汽增加的增幅比低層大得多。另一值得注意的現(xiàn)象是此時，中層大氣經(jīng)歷了明顯的變干過程，這為位勢不穩(wěn)定層結的建立提供了有利條件。而暴雨發(fā)生前至暴雨降水增強時段（08:00-14:00）

12、，相對濕度呈現(xiàn)出整層明顯的增濕過程，這不僅表現(xiàn)在近地面層（850 hPa 以下），在對流層中層（700-500 hPa）增濕效應更加顯著，甚至對流層上層也表現(xiàn)出相對濕度的增加。而且在暴雨主要降水階段（14:00-20:00），對流層整層維持著相當高的濕度條件，甚至接近飽和。21 日 20:00 后，相對濕度逐漸減小，降水強度也隨之減弱。“7.21”暴雨的 0層高度和 900 毫巴以下最高溫度均高于普通暴雨，而凝結高度和對流高度均低于普通暴雨（表 1）。這說明此次暴雨過程較暴雨過程空氣更為暖濕。，當濕層厚度達到 700 hPa 時，就有利于暴雨的發(fā)生2，而這次特大暴雨過程，是在對有研究流層整層不

13、斷增濕過程中醞釀、發(fā)生和發(fā)展的，具有深厚的濕度層次和充沛的水汽條件，這與普通暴雨過程的增濕過程和水汽主要集中在對流層中下層有明顯的不同2，這類似“7.21”特大暴雨過程不但要求低層水汽充分，也要求中異常潮濕，因此在進行暴雨分析預報，尤其是進行雨量預報時，除關注低層水汽外，還需重視水汽垂直輸送及中增濕作用對特大暴雨的貢獻。4 結論綜上分析，“7.21”特大暴雨過程具有以下特征：（1）降水過程具有時間長、范圍廣、強度大等特點，并由鋒前暖區(qū)和鋒面降水組成。暖區(qū)降水時間長，8小時雨量大，具有典型的“列車效應”，是造成特大暴雨災害的主要降水過程。（2）暴雨過程開始前 8 小時對流層中低層雙層濕暖蓋，開始

14、前 2 小時演變?yōu)檩^強的單層濕度暖蓋，開始后濕暖蓋消失。濕暖蓋的不僅對低空水汽和能量聚集有重要作用，還可以造成其上層位勢不的增強。（3）暴雨時刻，對流層中下層層結不性趨于加強，表現(xiàn)出與冰雹和雷暴大風層結度相同的演變趨勢。強于普通暴雨的位勢不層結為暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了有利條件。位勢不層結建立機制主要與低層增濕和中層變干的濕度差動平流有關，而低層增濕和中層變干過程與中低層風向轉(zhuǎn)變相關聯(lián)。（4）副高東南氣流和西南低空急流為暴雨帶來了有利的水汽輸送和濕度條件。深厚的濕度層次，較低的凝結高度和對流高度是其顯著特征。與普通暴雨增濕過程和水汽主要集中在對流層中下層不同，“7.21”暴雨是在對流層整層不斷增濕

15、過程中醞釀、發(fā)生和發(fā)展的，而且對流層中比低層增濕效應更加明顯。類似“7.21”特大暴雨過程不但要求低層水汽充分，也要求中異常潮濕，因此在進行暴雨分析與預報，尤其是進行雨量預報時，除關注低層水汽外，還需重視水汽垂直輸送及中增濕作用對特大暴雨的貢獻。水汽通量輻合與上升的有效配合是暴雨落區(qū)位置、強度變化預報的重要參考因素。參考文獻：1.之暴雨M.:科學,1980:115-120.2.高等天氣學M.:氣象,1991:403-413.3,.利用探空資料判別地區(qū)夏季強對流的天氣類別J.氣象,2011, 37(2):136-141.4生,等.地區(qū)暴雨、強對流天氣分析與預報技術M.:氣象,2012:32-54.5,.梅雨暴雨系統(tǒng)中的暖蓋J.氣象科學院刊,1987, 2(1):12-23.6 Carlson T N, Benjamin S G, Forbes G S, et al.Elvated mi