北京“7.21”特大暴雨天氣過程的數(shù)值模擬研究

楊 璐， 付延彧　(.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京 0；.總參氣象海洋空間天氣總站海口地面站，海南海口 5700)

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北京“7.21”特大暴雨天氣過程的數(shù)值模擬研究

楊 璐1， 付延彧2(1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京 211101；2.總參氣象海洋空間天氣總站?？诘孛嬲荆Ｄ虾？?571100)

摘要采用NCEP 1°×1°全球再分析資料和WRF3.2中尺度數(shù)值模式，利用天氣學(xué)分析、中尺度數(shù)值模擬和數(shù)值模擬輸出產(chǎn)品診斷方法，對2012年7月21～22日發(fā)生在北京地區(qū)的特大暴雨天氣過程的大尺度環(huán)流形勢背景及其演變、暴雨中心上空各物理量的時空分布特征以及暴雨發(fā)生發(fā)展的動力學(xué)機制進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，暖濕空氣在低層輻合形成強烈的上升運動，到高層輻散形成兩側(cè)的下沉次級環(huán)流，為暴雨的發(fā)生創(chuàng)造了必要的動力條件；在此次暴雨過程中，MCC內(nèi)“列車效應(yīng)”的產(chǎn)生和多個小型對流單體的形成，導(dǎo)致上升運動更為強烈，從而使得降水持續(xù)時間較長；等θse線高能舌從800 hPa一直延伸至600 hPa，觸發(fā)和加劇不穩(wěn)定的暖濕氣團(tuán)強烈地上升，為暴雨的發(fā)生輸送了必要的水汽和位勢不穩(wěn)定能量。源源不斷的西南氣流在中低層強烈的輻合上升為此次暴雨提供了充足的水汽條件。

關(guān)鍵詞數(shù)值模擬；中尺度暴雨；診斷分析

暴雨及其衍生災(zāi)害是我國最主要的自然災(zāi)害之一，暴雨時容易造成積水、洪澇等現(xiàn)象，還可以引起山體滑坡、山泥傾瀉等地質(zhì)災(zāi)害，給國民經(jīng)濟(jì)和人民的生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的損失，因此準(zhǔn)確預(yù)報暴雨的落區(qū)和時效是社會和公眾的迫切需求。但暴雨的預(yù)報一直是氣象界公認(rèn)的難題，一方面是因為暴雨的發(fā)生具有明顯的地域性和突發(fā)性，其發(fā)生發(fā)展受到局地地形、地貌和大氣中各種尺度的天氣系統(tǒng)的影響制約，形成機制復(fù)雜多樣；另一方面則是由于強天氣系統(tǒng)的識別受到觀測能力和資料分辨率的限制，即使是加密觀測試驗取得的資料，對研究這類較小的中尺度系統(tǒng)仍顯不夠。因此，對暴雨進(jìn)行數(shù)值模擬，研究暴雨成因必然對推動中尺度氣象學(xué)理論的發(fā)展具有重要的理論意義。

為了提高中小尺度災(zāi)害性天氣預(yù)報的準(zhǔn)確率，中尺度數(shù)值模擬的研究在最近30年內(nèi)得到了迅速發(fā)展，對華北暴雨研究取得了許多進(jìn)展[1-4]。如馬鴻青等[2]通過對冀中南一次強對流暴雨的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)垂直環(huán)流的形成及東北回流的加強是此次強對流暴雨產(chǎn)生的重要原因；郭虎等[4]分析發(fā)現(xiàn)由重力波所激發(fā)的小尺度波動對強降雨的發(fā)生及其時空分布起主導(dǎo)作用。但由于暴雨特別是極端的暴雨過程發(fā)生發(fā)展的機理相當(dāng)復(fù)雜，在現(xiàn)有認(rèn)識和方法的基礎(chǔ)上，對極端暴雨的預(yù)報過程仍相當(dāng)有限[5]，對極端暴雨進(jìn)行數(shù)值模擬并對其解剖分析顯得十分必要。筆者采用NCEP 1°×1°全球再分析資料初步分析了2012年7月21～22日發(fā)生在北京地區(qū)的特大暴雨天氣過程產(chǎn)生的大尺度環(huán)流背景及相應(yīng)的溫壓場演變特征，揭示了此次暴雨產(chǎn)生的背景條件，并在此基礎(chǔ)上，采用WRF3.2中尺度數(shù)值模式對此次暴雨進(jìn)行數(shù)值模擬，并對此次暴雨過程開展物理量場的診斷分析。

1資料選取和方案設(shè)計

采用WRFV3.2進(jìn)行模擬，具體模擬的方案設(shè)計如下[6-8]：利用NCEP 1°×1°再分析資料作為初始條件和邊界條件進(jìn)行積分；積分起始時間為2012年7月21日02：00，終止時間為22日08:00，積分時間為31 h；模式采用高分辨率的雙重嵌套網(wǎng)格，其模擬的網(wǎng)格中心為40°N、116°E；2個區(qū)域的水平格距分別為4和1 km，水平網(wǎng)格點數(shù)分別為65×82和97×139；垂直方向上取19個不等距的層；長波輻射、陸面過程、邊界層、近地面層、云微物理和積云參數(shù)化方案分別采用rrtm方案、Noah方案、YSU方案、Monin-Obukhov方案、Lin方案和Grell-3D方案。

2天氣實況和天氣背景分析

2.1天氣實況2012年7月21日10：00～22日02:00北京城遭遇2012年以來最大的降水，總體達(dá)到特大暴雨級別。截至22日02：00，全市平均降雨量164 mm，為61年以來最大，其中，最大降雨點房山區(qū)河北鎮(zhèn)達(dá)460 mm；全市受災(zāi)面積16 000 km2，受災(zāi)人口190萬人，其中房山區(qū)80萬人。

2.2天氣背景分析21日08：00，500 hPa亞歐中高緯環(huán)流表現(xiàn)為東高西低型(圖1a)，北京始終位于貝加爾湖低壓槽槽前，副熱帶高壓位于30°N附近，這種形勢有利于副高西北部的暖濕空氣與偏西冷空氣在華北地區(qū)相遇，形成暴雨，副熱帶高壓外圍的東南氣流也為暴雨提供了充沛的水汽條件；同時，在低緯地區(qū)有一南支短波波動沿副高北側(cè)向東移動，為暴雨區(qū)輸送大量的正渦度平流；高壓中心在雅庫次克到鄂霍次克海一帶，與西北太平洋副高呈南北向疊置，形成東亞阻塞高壓壩，阻礙了其上游系統(tǒng)向東移動，使得暴雨持續(xù)較長時間。850 hPa有一支西南氣流經(jīng)孟加拉灣北上與西太平洋輸送的東南氣流合并(圖1b)，給北京地區(qū)帶來充沛的水汽和不穩(wěn)定能量；此外在河套地區(qū)存在一低渦，有利于低層的輻合，為此次暴雨提供了有利的環(huán)流形勢。

3模擬結(jié)果分析

3.1降水模擬分析從7月21日02：00～22日08：00北京地區(qū)降水量分布(圖2a)可以看出，雨帶呈環(huán)狀分布，在北京房山(39.6°N、115.9°E)存在一個強降水中心，最大降水量可達(dá)270 mm。模擬的降水量分布(圖2b)顯示，模擬的降水中心位于40.5°N、116.4°E，與實際降水中心相距約100 km，模擬的最大降水量也達(dá)270 mm，降水中心模擬效果較好，雨區(qū)分布和走向與實況也非常接近。

3.2物理量特征模擬分析

3.2.1動力場。

3.2.1.1散度場。從模擬的散度沿116.5°E 垂直剖面(圖3)可看出，在暴雨發(fā)生之前(圖3a)，強降水中心上空出現(xiàn)了一定的輻合增長，在中層(700～850 hPa)出現(xiàn)了輻合中心，高空(200～300 hPa)存在一輻散中心；暴雨發(fā)生時(圖3b)，低層主要為輻合區(qū)，高層為輻散區(qū)，輻合區(qū)和輻散區(qū)交替分布，代表著多個對流單體的存在。在暴雨達(dá)到旺盛時期(圖3c)，多個對流單體合并，這種低層輻合、高層輻散的高低空配置更加明顯，低層輻合中心值可達(dá)-40×10-5s-1，輻散中心位于200 hPa，中心值可達(dá)60×10-5s-1，強的輻合區(qū)和強降水區(qū)有很好的對應(yīng)關(guān)系；在強降水中心兩側(cè)從地面到200 hPa范圍內(nèi)均為輻散層，證明有次級環(huán)流的生成，這更加促進(jìn)了低層的輻合作用。隨著暴雨的結(jié)束(圖3d)，形勢發(fā)生急劇的變化，輻合和輻散場均得到減弱，僅在低層較小范圍內(nèi)存在交錯分布的輻合區(qū)和輻散區(qū)，表明暴雨區(qū)上空的對流云團(tuán)已消亡成多個小的對流單體，并向東北方向傳播。

3.2.1.2垂直速度場。由模擬的垂直速度沿116.5°E的垂直剖面圖(圖4)可見，在暴雨發(fā)生之前，降水區(qū)上方出現(xiàn)較強的上升運動，從500 hPa一直延伸至200 hPa；隨著時間的推移，上升運動不斷增強，范圍也不斷變大。21日02：00，上升運動達(dá)至最強，最高可延伸至150 hPa，最大上升氣流位于350 hPa，最大上升速度可達(dá)2.4 m/s。強的上升運動促進(jìn)了水汽、動量、渦度和能量的垂直輸送，使對流維持較長時間，為強降水的持續(xù)提供了有利的動力條件。隨著暴雨的減弱，上升運動明顯減弱，僅達(dá)700 hPa，最大值也減小至0.3 m/s，在上升運動區(qū)兩側(cè)也出現(xiàn)明顯的下沉氣流。

3.2.2熱力場。從模擬的假相當(dāng)位溫沿116.5°E的垂直剖面(圖5)可以看出，在暴雨發(fā)生之前(圖5a)，暴雨區(qū)上空有密集的等θse線，證明高空鋒區(qū)的存在，在700 hPa以下存在大量的不穩(wěn)定能量，但在500 hPa下沉氣流的抑制下，對流沒有暴發(fā)，不穩(wěn)定能量不斷積聚。在暴雨發(fā)生初期(圖5b)，在強降水區(qū)南北兩側(cè)高空中明顯存在2個θse低值中心，這是由于下沉的干冷空氣造成的；在2個低值中心之間存在一向高空傳輸?shù)呐瘽窀吣苌啵藭r不穩(wěn)定能量得到釋放。到暴雨強盛階段(圖5c)，該高能舌不斷發(fā)展，從800 hPa一直延伸至600 hPa，該股暖空氣不僅為強降水提供了充沛的水汽，同時也為不穩(wěn)定能量提供了傳輸通道。暴雨結(jié)束后(圖5d)，大氣趨于穩(wěn)定，高空大氣基本被下沉氣流控制。

3.2.3水汽場。從圖6可以看出，21日22：00強降水中心剛好位于西南氣流和西北氣流的交匯處，水汽通量散度輻合在此達(dá)最強，輻合中心值達(dá)-1×10-6g/(cm2·hPa·s);暖濕空氣在低層強烈的水汽輻合條件下冷卻上升，為暴雨的發(fā)生提供了充足的水汽條件[9]。到22日04：00(圖6b),水汽強輻合中心東移，移出北京地區(qū)，水汽通量散度的負(fù)值區(qū)基本消失，強降水也基本結(jié)束。

4小結(jié)

該研究選取了北京市2012年7月21～22日特大暴雨個例作為研究對象，分別利用天氣學(xué)分析、中尺度數(shù)值模擬和數(shù)值模擬輸出產(chǎn)品診斷方法，對此次暴雨過程的大尺度環(huán)流形勢背景及其演變、暴雨中心上空各物理量的時空分布特征以及暴雨發(fā)生發(fā)展的動力學(xué)機制進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)整個暴雨天氣過程中，北京始終位于貝加爾湖低壓南側(cè)的高空槽前，該槽強度不斷增強。與此同時，西太平洋副熱帶高壓不斷北抬，與槽前西南氣流在北京匯合，形成暴雨。西太平洋副高穩(wěn)定少動，阻礙高空槽東移，使暴雨持續(xù)較長時間。高低空急流的存在和特殊的地形也為極端降水提供了有利條件。

(2)暖濕空氣在低層輻合形成強烈的上升運動，到高層輻散形成兩側(cè)的下沉次級環(huán)流，促使和加劇了水汽、熱量、動量和渦度等的垂直輸送，為暴雨的發(fā)生創(chuàng)造了必要的動力條件。

(3)在此次暴雨過程中，MCC內(nèi)“列車效應(yīng)”的產(chǎn)生和多個小型對流單體的形成，導(dǎo)致上升運動更為強烈，從而使得降水持續(xù)時間較長。

(4)等θse線高能舌從800 hPa一直延伸至600 hPa，觸發(fā)和加劇不穩(wěn)定的暖濕氣團(tuán)強烈地上升，為暴雨的發(fā)生輸送了必要的水汽和位勢不穩(wěn)定能量。

(5)來自孟加拉灣和西太平洋的暖濕空氣是此次暴雨的主要水汽來源，水汽在中低層強烈的輻合上升為暴雨的發(fā)生創(chuàng)造了有利的條件。

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A Numercial Study on Weather Process of Beijing “7.21” Heavy Rainstorm

YANG Lu1, FU Yan-yu2

(1. Meteorological Institute of PLAUST, Nanjing, Jiangsu 211100; 2. Meteorological and Oceanic Space Weather Station, Haikou, Hainan 571100)

Key wordsNumerical simulation;Meso-scale heavy rainstorm; Diagnostic analysis

AbstractBased on synoptic analysis, meso-scale simulation and the diagnostic method of numerical simulation output products, a heavy rainstorm occurred in Beijing from July 21 to July 22, 2012 was simulated by using WRF3.2 (Weather Research and Forecasting Model) and NCEP (National Center of Enviroment Predicting) reanalyzed data. The large-scale circulation condition and its environment was researched, as well as the spatial and temporal distribution characteristics of each physical quantity above the storm center, and the dynamic mechanism of the heavy rainstorm development. Results showed that humid and warmer air had stronger convergence and upward motion in the lower troposphere and it provided necessary dynamic conditions for the formation of the heavy rain. During this process of rainstorm, the formation of “trains effects” in MCC and the multiple small convective cells led to stronger upward motion, so that the rainfall maintained for a relatively long time. High energy tongue of wet potential temperature extended from 800 to 600 hPa, and triggered unstable warm air rising strongly. As a result, the unstable energy in the atmosphere released and the storms maintained for a long time. The moisture convergence zone below 500 hPa was significant and it provided vapor environment for the heavy rainstorm.

作者簡介楊璐(1991- )，女，江蘇淮安人，碩士研究生，研究方向：中小尺度氣象學(xué)。

收稿日期2016-02-11

中圖分類號S 16

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)07-217-04