北京地區(qū)一次暴雨過程分析

陳震　王丹　許歡

摘要 利用常規(guī)觀測(cè)資料、NCEP/NCAR FNL 1°×1°時(shí)間分辨率為6 h的再分析資料對(duì)2015年7月16—17日發(fā)生在北京地區(qū)的一次暴雨過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明，高空槽和西太平洋副熱帶高壓（以下簡(jiǎn)稱副高）、日本海高壓是主要的大尺度影響系統(tǒng)；日本海高壓與高緯度阻塞高壓同相位疊加阻擋高空槽東移，使低壓槽長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定少動(dòng)。同時(shí)副高加強(qiáng)北抬，副高西側(cè)西南暖濕氣流與低槽后部西北干冷氣流在華北地區(qū)相遇，造成此次強(qiáng)降水過程；低空急流雖不明顯，但華北地區(qū)處于高空急流的右后側(cè)，高空輻散條件較好。低層水汽豐富，偏東氣流將東海洋面水汽向華北地區(qū)輸送，2015年第12號(hào)臺(tái)風(fēng)“浪卡”也是重要的水汽輸送源，源源不斷的水汽向華北輸送，則高溫高濕的不穩(wěn)定能量在華北地區(qū)聚集，大氣層結(jié)處于條件不穩(wěn)定狀態(tài)。在暴雨發(fā)生前和發(fā)生時(shí)，假相當(dāng)位溫隨高度遞減，是有利于強(qiáng)降水的不穩(wěn)定大氣層結(jié)。地形對(duì)本次暴雨起到了重要的動(dòng)力作用。

關(guān)鍵詞 暴雨過程；環(huán)流形勢(shì)；物理量診斷；北京地區(qū)

中圖分類號(hào) P458.1+21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）15-0188-02

Abstract By using conventional observation datas，NCEP/NCAR FNL 1°×1° every 6 hours reanalysis data，the heavy rainsfall occurred in Beijing during July 16 to July 16，2015 was analyzed.The results showed as follows：upper trough，western pacific subtropical high and Sea of Japan high were the main large scale affected the system.Upper trough was blocked by blocking high and Sea of Japan high，it kept stable for a long time. Simultaneously，subtropical high continued to strengthen and moved northwards，the warm current at west side of subtropical high and cold current at northwest converge in North China，caused the heavy rainfall. Although low-level jet stream was not obvious，North China was at the right rear of the high altitude jet，high altitude divergence conditions were better.Guided by the low-level Partial airflow，low-level moister was abundant，the eastward airflow would transport the East China Sea surface water vapor to the North China region.The 12th typhoon“Nangka”in 2015 was also an important source of water vapor. Because of the moisture transfer and the latent heat transfer，unstable energy accumulated in North China，the atmospheric stratification was unstable.Before and after the occurrence of heavy rainfall，potential pseudo-equivalent temperature decreased with height，which was conducive to the precipitation of unstable atmospheric stratification.The terrain had played an important dynamic role in this heavy rainfall.

Key words heavy rainfall；circulation pattern；physical quantity diagnostic；Beijing area

對(duì)于暴雨這一類強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害，眾多氣象工作者均對(duì)其進(jìn)行了較深入的研究[1]。研究顯示，華北暴雨主要出現(xiàn)在東高西低（高壓壩）和2高對(duì)峙的環(huán)流形勢(shì)之下。陶詩(shī)言等研究指出北京暴雨的影響因素眾多，包括低空低渦、低空切變線、副熱帶高壓、冷鋒、高低空急流、臺(tái)風(fēng)、北京獨(dú)特地形等。此外，葛國(guó)慶等[2]也指出北京地區(qū)強(qiáng)降水也可由中緯度斜壓系統(tǒng)引發(fā)，發(fā)生機(jī)制可以用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論解釋。暴雨的產(chǎn)生與發(fā)展需要充足的水汽、大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)、垂直運(yùn)動(dòng)等眾多條件。王 宏等[3]研究表明，濕位渦與強(qiáng)降水有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在對(duì)河北一次暴雨過程的診斷分析中發(fā)現(xiàn)，濕正壓項(xiàng)“下負(fù)上正”的配置是有利于不穩(wěn)定能量釋放的，對(duì)流不穩(wěn)定會(huì)急劇發(fā)展。濕斜壓項(xiàng)正負(fù)值呈“蝴蝶狀”對(duì)峙，表明大氣呈斜壓不穩(wěn)定，對(duì)暴雨有指示作用。黃 億等[4]用WRF模式模擬一次臺(tái)風(fēng)暴雨時(shí)指出，位渦上、下層高值區(qū)相連使暴雨區(qū)長(zhǎng)期受高值區(qū)控制，同時(shí)，高位渦使低層擾動(dòng)增加，降低低層穩(wěn)定度。王婧羽等[5]在對(duì)北京“7·21”暴雨進(jìn)行水汽分析時(shí)指出，與水汽局地變化和水汽在垂直方向上的變化相比，低層水汽輻合與暴雨發(fā)生更具有時(shí)間上的一致性。臺(tái)風(fēng)對(duì)水汽的遠(yuǎn)距離輸送也是十分明顯的。孫明生等[6]對(duì)北京“7·21”暴雨成因分析時(shí)指出，地面盛行偏東風(fēng)，風(fēng)向與山脈走向近乎垂直，暖濕氣流被迫抬升，降雨中心位于山前迎風(fēng)坡，雨帶走向和山脈走向基本平行。此外，其他學(xué)者也在不同領(lǐng)域進(jìn)行了研究[7-9]。endprint

1 資料與方法

1.1 研究資料

本文所用資料為NCEP FNL資料，包含了從10～1 000 hPa共26層等壓面，也涵蓋了地面邊界層、sigma層、對(duì)流層頂以及其他層面。

1.2 研究方法

本文從環(huán)流形式出發(fā)，分析主導(dǎo)系統(tǒng)和影響系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上對(duì)水汽條件、動(dòng)力熱力條件、不穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)流特征分析

2015年7月16日20：00，500 hPa中高緯呈現(xiàn)出“北脊南槽”的環(huán)流形勢(shì)，阻塞高壓位于貝加爾湖附近，中緯度地區(qū)為較深的低壓槽，槽線從蒙古經(jīng)河套地區(qū)直至甘肅省南部。從日本海至我國(guó)東北地區(qū)為西北—東南方向的高壓脊，高壓中心位于日本海上。此處高壓脊與高緯阻塞高壓同相位疊加，在我國(guó)中東部地區(qū)形成“東高西低”的阻塞形勢(shì)。以584線作為副熱帶高壓范圍的參考線，20：00 584線從福建經(jīng)江西南部、湖北南部向西延伸至廣西南寧。17日8：00，河套地區(qū)槽線向東移動(dòng)大約1個(gè)經(jīng)度，華北地區(qū)處于低壓槽前大范圍上升區(qū)，日本海高壓脊有所減弱。同時(shí)，副高東段加強(qiáng)北抬，華北地區(qū)高空風(fēng)速明顯增大。700 hPa北京附近伴有弱輻合，內(nèi)蒙古北部有低渦活動(dòng)。2015年第11號(hào)臺(tái)風(fēng)“浪卡”為華北地區(qū)輸送大量水汽，受低層偏東氣流的影響，大量的不穩(wěn)定能量和水汽在華北地區(qū)聚集。700 hPa比濕為0.6×10-2～0.8×10-2 kg/kg，低層水汽非常豐富。

2.2 物理量診斷分析

2.2.1 水汽條件分析。水汽通量散度是衡量降水區(qū)水汽含量多少的一個(gè)物理量，負(fù)值表示水汽在某一地區(qū)輻合匯聚，正值表示水汽的輻散。2015年7月17日8：00在北京南部有大量的水汽聚集，輻合中心值在-6×10-7 g/（cm2·hPa·s）以上；同時(shí)，北京地區(qū)盛行偏東風(fēng)，偏東氣流將東部渤海海面上空的水汽源源不斷地輸送到北京境內(nèi)（圖1）。8：00在水汽通量散度沿40°N剖面圖（圖2）可見，由于925 hPa為偏東風(fēng)與地形恰好垂直，水汽輻合也位于地形抬升最大處。沿116°E剖面圖可見，水汽輻合位于山前迎風(fēng)坡，中心在900 hPa左右，中心值在-6×10-7 g/（cm2·hPa·s）左右。在這樣的條件下，北京地區(qū)上空水汽充足，有利于強(qiáng)降水過程的發(fā)生。

2.2.2 不穩(wěn)定條件。因貝加爾湖附近阻塞高壓穩(wěn)定少動(dòng)，上游冷空氣東移受阻，移動(dòng)速度很小。因此，在暴雨發(fā)生前1～2 d，北京地區(qū)持續(xù)增溫，低層大氣呈現(xiàn)高溫高濕狀態(tài)，天氣非常悶熱。水汽條件、熱力條件和足夠的動(dòng)力條件是暴雨過程必須要滿足的3個(gè)條件。2015年7月17日2：00 500 hPa高度上存在范圍較大的低值中心，中心值在324 K以下，中層大氣干冷，位于北京西部。低層假相當(dāng)位溫?cái)?shù)值較大表明低層大氣暖濕。在垂直方向上假相當(dāng)位溫隨高度遞減，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，北京西部假相當(dāng)位溫等值線密集，表明鋒區(qū)存在。受鋒面的動(dòng)力作用，十分有利于能量和水汽沿鋒面抬升。17日20：00 500 hPa低值區(qū)明顯收縮，低層暖濕范圍擴(kuò)大，數(shù)值變化不大。大氣依然處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由于河套低壓槽穩(wěn)定少動(dòng)，槽前暖濕氣流不斷由南向北輸送。17日2：00 700 hPa等壓面從河北南部至北部有1條高能舌存在，它代表一股高溫、高濕、不穩(wěn)定的氣流由南向北輸送。此后高能舌逐漸東移，17日20：00 700 hPa高能舌范圍有所擴(kuò)大、加強(qiáng)，但已經(jīng)位于北京東南部。高能舌從西到東移動(dòng)的過程也對(duì)應(yīng)本次降水過程。

2.2.3 動(dòng)力抬升條件。2015年7月17日2：00在40°N出現(xiàn)散度負(fù)值中心，中心值在-5×10-5 s-1左右。垂直速度中心與散度負(fù)值中心上下相對(duì)。17日8：00垂直上升運(yùn)動(dòng)主要集中在700～925 hPa之間的對(duì)流層下層。垂直速度中心數(shù)值為0.6×10-2 hPa/s，與2：00相比略有上升。輻合區(qū)在850～925 hPa之間，輻合中心值在-6×10-5 s-1以上；同時(shí)輻散加強(qiáng)，出現(xiàn)了中心值為-4×10-5 s-1以上的散度正值中心。分析17日8：00 850 hPa垂直速度分布，北京中南部均為垂直速度負(fù)值區(qū)，中心值為0.6 Pa/s。而且負(fù)值區(qū)位于山前迎風(fēng)坡，負(fù)值中心與降水中心基本重合。雨帶分布與山脈近似平行。以上分析表明，山脈輻合抬升作用對(duì)本次暴雨起到了非常大的作用。輻合引起的上升運(yùn)動(dòng)加上豐富的水汽，造成了17日上午的傾盆暴雨。

3 結(jié)論

本文利用NCEP再分析資料與常規(guī)觀測(cè)資料對(duì)2015年7月17日發(fā)生在北京地區(qū)的降水過程進(jìn)行了分析。所得結(jié)論如下。

（1）副高逐漸北抬，河套低槽長(zhǎng)期穩(wěn)定，是此次強(qiáng)降水的環(huán)流背景。500 hPa呈現(xiàn)典型的“北脊南槽”環(huán)流形勢(shì)，阻塞高壓與日本海高壓脊相互疊加阻礙河套地區(qū)低槽東移，華北地區(qū)處于槽前大范圍上升運(yùn)動(dòng)區(qū)；850～700 hPa河套地區(qū)均有低壓槽對(duì)應(yīng)，同時(shí)低層也有弱切變和低渦活動(dòng)。

（2）水汽通量散度表明北京水汽條件較好。相對(duì)濕度和水汽通量大，而且在北京西部地區(qū)出現(xiàn)水汽輻合，輻合中心值在-6×10-7 g/（cm2·hPa·s）以上，有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展。

（3）假相當(dāng)位溫的高低層配置表明大氣層結(jié)不穩(wěn)定。低層暖平流高層干冷平流，干冷平流疊加在暖濕平流之上，假相當(dāng)位溫隨高度遞減，高能舌從西向東移過北京地區(qū)。

（4）地形抬升作用十分明顯。北京地區(qū)低層盛行東南風(fēng)，氣流前進(jìn)方向與山脈幾乎垂直，暖濕空氣被迫抬升。

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