周玉淑1 劉璐1, 2 朱科鋒3 李建通4

?

北京“7.21”特大暴雨過程中尺度系統(tǒng)的模擬及演變特征分析

周玉淑劉璐朱科鋒李建通

1中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029;2中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049;3南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京210093;4廈門市氣象局，廈門361012

在2012年7月21日北京特大暴雨過程天氣尺度環(huán)流背景分析的基礎(chǔ)上，主要用WRF模式對該次暴雨過程進行了高分辨率的模擬。利用模擬資料分析了影響此次北京特大暴雨的輻合線及輻合線上生成的中尺度低渦的熱動力結(jié)構(gòu)及其演變。從熱力場來看，來自于西北和東北方向的強冷空氣與西南和東南暖濕氣流的長時間對峙形成的輻合以及中低層冷空氣從西北和東北方向向西南的入侵迫使整層暖濕空氣抬升，以及低空急流的暖濕平流與低空弱冷空氣之間形成的“西冷東暖”的結(jié)構(gòu)，對對流不穩(wěn)定的觸發(fā)有一定作用，有助于該次特大暴雨的發(fā)生。對流層低層的西（東）南風(fēng)與西北風(fēng)之間形成了一條持續(xù)時間長的輻合切變線，切變線上不斷有中尺度低渦生成并沿切變線發(fā)展移動，模擬資料分析表明，低渦不斷沿切變線生成并移動經(jīng)過北京從而對該次暴雨造成影響，這與“列車效應(yīng)”現(xiàn)象類似。切變線上生成的中尺度低渦位置也同時處于急流左前側(cè)和山前，低渦加強和發(fā)展時對應(yīng)有暴雨的明顯增強，是直接造成北京特大暴雨的中尺度系統(tǒng)，其生成與低層輻合、低空急流及地形均有關(guān)系。低層輻合引發(fā)的垂直運動在地形迎風(fēng)坡附近得到加強，低層輻合及地形抬升共同導(dǎo)致了強垂直運動的發(fā)展和維持，是暴雨持續(xù)的重要原因。大氣中層有下沉氣流與低層上升氣流相互作用，在大氣中低層形成一系列中尺度環(huán)流，房山附近一直有中尺度環(huán)流的垂直上升支維持，也是暴雨中心出現(xiàn)在房山的原因之一。

暴雨 數(shù)值模擬 結(jié)構(gòu)分析 中尺度低渦

1 引言

北京東臨渤海，西部和北部分別為太行山和燕山山脈，天氣狀況復(fù)雜且多樣。其中，暴雨等強對流天氣是北京夏季的主要災(zāi)害性天氣之一，對地形影響、暴雨天氣系統(tǒng)發(fā)展機理及結(jié)構(gòu)分析等都是北京暴雨研究的重點。已有工作從氣候統(tǒng)計、理論、數(shù)值模擬及各種觀測資料分析等方面對北京暴雨發(fā)生的機理、暴雨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面做過很多個例研究。其中，對北京地區(qū)暖季對流天氣的氣候統(tǒng)計表明：北京地區(qū)暖季發(fā)生對流的概率很高，暴雨發(fā)生的氣候概率為10.84%，多發(fā)季節(jié)為7月中旬到8月上旬，多發(fā)區(qū)域為東北部山區(qū)、中部和東南部平原，而西北部和西南部山區(qū)很少發(fā)生暴雨（丁青蘭等，2007）。北京的暴雨影響因素很多，包括低渦、切變線、中緯度槽、副熱帶高壓、冷鋒、高低空急流、臺風(fēng)、北京獨特的地形特征、城市熱島效應(yīng)及城市邊界層過程等（陶詩言，1980；華北暴雨編寫組，1992；張朝林等，2005，孫繼松等，2006），北京暴雨可由中緯度斜壓系統(tǒng)引起，其發(fā)生機制可以用準地轉(zhuǎn)運動理論來解釋（葛國慶等，2002）。北京暴雨的發(fā)生多與中尺度輻合線的發(fā)展及中尺度對流系統(tǒng)有關(guān)，對流層中低層的中尺度輻合線和低壓以及中b尺度對流系統(tǒng)是北京局地暴雨的重要影響系統(tǒng)（矯梅燕和畢寶貴，2005；毛冬艷等，2008；趙瑋和王建捷，2008）。此外，北京特殊的地形和城市熱島效應(yīng)對暴雨天氣有顯著影響，城市熱島形成的水平溫度梯度在靠近城區(qū)的山前迎風(fēng)坡產(chǎn)生中尺度風(fēng)的垂直切變，是中尺度對流降水發(fā)生、發(fā)展的重要條件（孫繼松，2005; 孫繼松和楊波, 2008）。這些研究在揭示北京地區(qū)暴雨的氣候特征、暴雨系統(tǒng)發(fā)展機理和結(jié)構(gòu)及地形和城市熱島環(huán)流影響等各種可能的北京暴雨影響因子及暴雨系統(tǒng)的雷達觀測特征方面有很大進展，但是由于北京地區(qū)地形復(fù)雜，暴雨天氣形勢及暴雨系統(tǒng)多變，每次暴雨過程中的天氣背景、中尺度系統(tǒng)發(fā)展過程等都有所不同，對暴雨中尺度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)認識及發(fā)生發(fā)展機理等方面都還需要進行更深入的探討。

2012 年7 月21 日，京、津、冀等地出現(xiàn)強降雨，大暴雨中心出現(xiàn)在京、津和河北的北部，部分地區(qū)的降雨量突破歷史記錄。7月21日00時（協(xié)調(diào)世界時，下同）～22日00時觀測的日降水累積量，北京市平均降雨量為170 mm，城區(qū)平均降雨量達215 mm，是北京地區(qū)自1951年有氣象觀測記錄以來最強的一次降水天氣過程。強降水共造成北京約160.2萬人受災(zāi)，78人死亡，經(jīng)濟損失達116.4億元?，F(xiàn)有分析表明此次暴雨過程是在有利的大尺度環(huán)流背景下有中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的結(jié)果，降水強度超出預(yù)料，預(yù)報難度極大。暴雨中心出現(xiàn)在北京西南部山區(qū)，與以往北京暴雨多發(fā)生于東北部山區(qū)、中部和東南部平原有所不同，值得進一步深入研究。目前，對此次暴雨過程的分析已有部分成果發(fā)表，諶蕓等（2012）利用多種常規(guī)和非常規(guī)觀測資料對該次大暴雨過程的降水特點、引發(fā)特大暴雨的中尺度對流系統(tǒng)的環(huán)境場條件及其發(fā)生發(fā)展過程進行了分析，從降水效率、水汽、上升運動、持續(xù)時間等方面探討這次極端性降水的成因；孫繼松的研究（孫繼松等，2012，2013）認為暴雨過程與列車效應(yīng)與慣性重力波的傳播有關(guān)；俞小鼎（2012）的研究結(jié)果表明：高空低槽伴隨地面冷鋒東移，在華北遇到副熱帶高壓和山西地形阻擋移動緩慢以及臺風(fēng)登陸前在臺風(fēng)低壓和副熱帶高壓之間形成的強氣壓梯度導(dǎo)致低空急流建立并加強，為北京特大暴雨的發(fā)生提供了極為關(guān)鍵的條件。導(dǎo)致北京極端暴雨的中尺度對流系統(tǒng)（MCS）起源于河套地區(qū)低層渦旋的發(fā)展，該MCS位于盛行天氣尺度上升氣流的地面冷鋒之前的暖區(qū)和地面的低壓槽內(nèi)及500 hPa低槽前的正渦度平流區(qū)。孫建華等（2013）對該次特大暴雨過程的多尺度特征也進行了研究，指出暴雨是高空急流、低空急流與中低緯系統(tǒng)共同配合的結(jié)果，低渦、切變線、低槽冷鋒和低空急流是此次過程的主要影響天氣系統(tǒng)。雖然對該次暴雨過程的天氣背景及影響系統(tǒng)有了認識，但其中的機理還尚不十分明了。其中，直接影響此次暴雨過程的中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是什么樣的？其發(fā)生發(fā)展如何導(dǎo)致北京該次特大暴雨？數(shù)值模式能否模擬預(yù)報這種特大的暖區(qū)降水？為回答以上問題，本文利用雙向嵌套的WRF模式對此次降水進行了高分辨率的模擬分析，并與實況進行對比，在模擬與實況較為一致的基礎(chǔ)上，利用模擬資料分析了引起此次特大暴雨的中尺度系統(tǒng)發(fā)展演變及其結(jié)構(gòu)特征。

2 資料和方法

本文分析和模擬診斷所用的資料包括：NCEP/ NCAR的全球0.5°×0.5°時間間隔為6 h的分析資料，中國氣象局提供的全國6 h及24 h實況降雨量及WRF模式高分辨模擬輸出資料。利用WRF模式對該次暴雨過程進行時空高分辨模擬，在實況與模擬對比基礎(chǔ)上，分析造成北京地區(qū)暴雨的中尺度系統(tǒng)發(fā)展過程及結(jié)構(gòu)演變。

3 降水實況及大尺度環(huán)流背景簡介

3.1 降水實況

從7月21日00時～22日00時的24 h累積降水分布可見（圖1），華北大部分區(qū)域均有降 水，雨帶呈西南—東北向，京津冀等地均有強降雨，而大暴雨中心出現(xiàn)在京津和河北的北部。北京地區(qū)的特大暴雨主要位于西南部山前地區(qū)。21日20時前，北京位于鋒面東側(cè)，降水以暖區(qū)降水為主，雨量的大值中心比較分散，但降水持續(xù)時間長，累計雨量大。暖區(qū)降水前期降水單體分布零散，但后期逐漸組織化形成一條明顯有強中心的輻合帶。21日20時以后，鋒面逐漸移入北京，分散的降水中心形成一條西南東北向的強降水雨帶，北京地區(qū)以鋒面降水為主，降水逐漸平緩，雨強減弱。本文主要研究21日20時前的降水時段，分析對流比較強烈時的中尺度暴雨系統(tǒng)的發(fā)展過程及其結(jié)構(gòu)特征。

圖1 2012年7月21日00時～22日00時的24h累積降水分布（單位：mm）

3.2 天氣形勢背景簡介

大范圍的強降雨過程都是在有利的大尺度環(huán)流背景下產(chǎn)生的，北京此次暴雨過程也不例外。暴雨前期（20日00時至20日18時），500 hPa天氣圖上（圖2a，以20日12時為例），500 hPa的西風(fēng)槽槽線位于貝加爾湖附近，切斷低壓中心也出現(xiàn)在貝加爾湖附近，而巴爾喀什湖（60°～90°E）和東亞沿岸為高壓脊控制，形成了“兩脊一槽”的形勢。副熱帶高壓的588 dagpm線由33°N北抬至36°N，形成了高壓壩，出現(xiàn)了華北暴雨典型的“東高西低”天氣形勢。與此同時，位于河套西部的低槽東移發(fā)展。暴雨臨近時的21日00時（見圖2b），貝加爾湖附近的低渦主槽與河套西部東移發(fā)展的低槽合并，槽前存在大范圍（35°N～50°N，105°E～120°E）西南氣流，溫度露點差小于1.8°C，水汽含量充足。北京、天津及河北北部都受強盛的西南暖濕氣流及暖式切變線影響。至22日10時，槽東移至114°E，槽前氣流由西南氣流逐漸轉(zhuǎn)為偏西氣流，22日00時，槽線移過北京。

700 hPa圖上，在暴雨前期的20日00時至20日18時（圖2c），河套附近的低槽向東北方向移動，槽前逐漸建立起偏南風(fēng)暖濕空氣輸送通道。暴雨臨近時（21日00時，圖2d），河套西部低槽東移并發(fā)展為低渦，中心位于（39°N，110°E）附近，西南急流中心已達16 m s，溫度露點差只有1.6°C，空氣基本可視為飽和，北京處于暖式切變線附近。在200 hPa等壓面層上，則存在高空急流東移加強現(xiàn)象，21日00時，急流核從內(nèi)蒙古西部向東延伸到東北地區(qū)上空，急流中心移至北京偏北及內(nèi)蒙中東部，北京處于高空急流的出口區(qū)（圖略），且高空輻散隨時間加強。暴雨開始階段（21日06時，圖2e），河套附近的低渦繼續(xù)發(fā)展并東移。最強降水時段（21日06～12時，見圖2f），700 hPa上低渦逐漸移至河北保定到北京附近，北京地區(qū)西南風(fēng)達到20 m s，為低空急流中心。22日00時，中層西風(fēng)槽和高低空急流都明顯東移，低渦減弱逐漸移出北京地區(qū)（圖略），整個華北北部處于西北氣流的控制下，北京地區(qū)降水基本結(jié)束。

圖2 位勢高度（實線，單位：gpm）及風(fēng)場（矢量箭頭，單位：m s?1）分布：（a）2012年7月20日12時500 hPa；（b）2012年7月21日00時500 hPa；（c）2012年7月20日18時700 hPa；（d）2012年7月21日00時700 hPa；（e）2012年7月21日06時700 hPa；（f）2012年7月21日12時700 hPa

4 中尺度數(shù)值模擬方案及降水對比

4.1 模式區(qū)域及微物理方案介紹

模擬采用WRF模式，模擬中心點在（39.6°N，116°E），兩層嵌套，大區(qū)格距4 km，小區(qū)格距1.33 km，水平方向格點數(shù)分別為751×622和841×826，垂直層數(shù)取51層，積分步長為25 s，微物理過程為Milbrandt-Yau 2-moment方案。模式背景場和邊界條件使用美國環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）和美國國家大氣研究中心（NCAR）的0.5°分辨率的分析資料得到，初始時刻加入中國氣象局常規(guī)地面和探空資料以及北京市氣象局新一代多普勒天氣雷達觀測資料對NCEP/NCAR得到的背景場進行了訂正。積分時間為7月21日00時到22日12時，共36 h，每20分鐘輸出一次資料。

4.2 模擬降水與實況對比

圖3 a、c、e給出了北京大暴雨21日06時、12時、18時每6小時的累計降水量分布，與實況（圖3b、d、f）對比可以看出，模擬結(jié)果能夠較好地反映出此次特大暴雨過程的雨帶移動及強度變化。模擬的主要雨帶與實況一致，呈西南—東北走向，雖然強降水中心稍微偏西，但基本反映出強降水從西南向東北方向擴張，強度不斷增強的趨勢，與實況雨帶和雨量變化趨勢一致。由于模擬具有較高的分辨率，模擬圖中出現(xiàn)多個小的強降水中心，而實況圖中由于觀測站點分辨率不夠高，實況中的強降水中心比較集中，位于河北與北京交界地帶，分析不到小的降水中心。從模擬的降水量來看，雖然模擬最大降水強度要小于實況降水強度，但在06～12時強降水時段的6 h累計降水量也都超過了100 mm以上。從模擬的每小時降水量來看（圖略），模擬降水帶和強度變化比實況滯后約3～4 h，強降水中心略有偏差，但降水的整體變化趨勢和持續(xù)時間與實況變化趨勢基本一致，因此，我們?nèi)匀豢梢岳媚Ｊ捷敵龅母邥r空分辨率結(jié)果對這次大暴雨的中尺度結(jié)構(gòu)進行研究。

圖3 北京及其周邊地區(qū)6 h累計降水量分布（單位：mm）：（a）00～06時觀測；（b）00～06時模擬；（c）06～12時觀測；（d）06～12時模擬；（e）12～18時觀測；（f）12～18時模擬

5 模擬中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變及其發(fā)生發(fā)展過程

北京該次特大暴雨的強度之強和持續(xù)時間之長實屬罕見，而導(dǎo)致特大暴雨發(fā)生的直接系統(tǒng)是中尺度系統(tǒng)，本節(jié)就利用WRF模擬資料對該次暴雨過程的中尺度系統(tǒng)進行熱動力結(jié)構(gòu)和發(fā)生發(fā)展過程分析。

5.1 熱力結(jié)構(gòu)

暴雨的發(fā)生離不開冷暖空氣的輻合對峙及相對運動，而溫度擾動可以表示冷暖空氣的活動（本文溫度擾動的計算是先求出模擬范圍內(nèi)各個經(jīng)度上的溫度的緯向平均，然后用同一緯度上的溫度值減去其平均值得到），因此，先分析與冷暖空氣活動對應(yīng)的溫度擾動在暴雨過程中的分布及其變化。從圖4a（見文后彩圖）中可以看出，北京暴雨發(fā)生前期（以21日05時為例），由于冷暖氣流的輸送及對峙，代表冷暖空氣活動的溫度負擾動和正擾動在陜西、山西交界附近形成了明顯的切變線，在切變線上有中尺度低渦生成并沿切變線向東北方向移動。在切變線東南為正溫度擾動，切變線西北方向為負溫度擾動。負溫度擾動區(qū)揭示的冷空氣來源主要有兩個，一個從02時開始，對流層底層不斷有從東北方向入侵的冷空氣，但較淺薄，這是由東北冷渦西側(cè)的較強的偏北氣流及由低空急流的垂直切變所產(chǎn)生的次級環(huán)流所造成，另一個是500 hPa及更高層槽后的西北氣流帶來的強冷空氣，這股氣流隨著東移大槽不斷加強東移并向低層擴展，逐漸與低空的冷空氣匯合。中低層則有強的呈西南—東北走向的低空暖濕氣流（伴隨有低空急流），造成了華北大部低層大氣的正溫度擾動，尤其是圖4b（見文后彩圖）中，隨著西南暖濕氣流的向北推進，切變線及沿切變線發(fā)展移動的低渦也移到北京以西，溫度擾動最大正值中心出現(xiàn)在河北中部及北京西南部，北京地區(qū)的溫度擾動完全為正，處于鋒前暖區(qū)中。

圖4 溫度擾動（陰影區(qū)，單位：K）和風(fēng)場（流線，單位：m s?1）水平分布：（a）21日05時800 hPa等壓面；（b）21日15時750hPa等壓面

圖5 沿圖4a和4b中切變線的相當位溫（單位：K）剖面：（a）21日05時；（b）21日15時。橫坐標為格點數(shù)

從沿圖4a、b中冷暖空氣交匯形成的切變線（圖4中紅色線）所做的等相當位溫垂直廓線分布可見，暴雨初期（圖5a），切變線沿線700 hPa以下都為不穩(wěn)定層結(jié)，都有相當位溫隨高度增加，隨著切變線往東北方向移動，到了21日15時（圖5b），空氣中水汽凝結(jié)潛熱已部分得到釋放（會加強垂直運動），相當位溫數(shù)值減小，但切變線上的不穩(wěn)定層結(jié)高度反而向上延伸到600 hPa，不穩(wěn)定層結(jié)加厚，表明暖濕空氣被持續(xù)向上抬升，仍然有水汽凝結(jié)潛熱繼續(xù)釋放。

與圖5中相當位溫分布表示的不穩(wěn)定層結(jié)及凝結(jié)潛熱釋放類似，從溫度擾動的剖面（圖6，見文后彩圖）也可看到，當冷暖空氣相遇后，冷空氣深入暖濕氣流的下方，抬升了整層暖濕空氣，使得華北地區(qū)850 hPa高度以上均為正溫度擾動，華北大部區(qū)域處于對流不穩(wěn)定層結(jié)下，一直有不穩(wěn)定能量的積聚。一旦不穩(wěn)定能量釋放就可觸發(fā)強對流。圖6中還可見冷空氣來源，一股由中高層入侵，冷空氣主體從300～500 hPa高度向東嵌入暖濕空氣下方（圖6中黑色箭頭所示），另一股冷空氣來自于低層，主體在700 hPa及850 hPa（圖6中紫色實心箭頭所示），主要是東北冷渦西側(cè)的偏北氣流及切變線附近次級環(huán)流的下沉支，也證實了圖4中水平等壓面所揭示的低層冷空氣的來源。另外，116°E以西的低層近地面還有較弱的偏東偏冷的氣流（圖6中紫色空心箭頭所示），對北京上空暖濕空氣的抬升可能也有一定作用，其來源有待進一步分析。由于來自于高低空的兩股冷空氣與深厚的低空西南暖濕氣流及東南氣流較長時間的對峙和維持，由此形成了低層的暖濕切變線。比較逐小時溫度擾動與降水落區(qū)可發(fā)現(xiàn)（圖略），正溫度擾動大值區(qū)都正好與降水落區(qū)相對應(yīng)，強降水時段主要是暖區(qū)降水，與冷暖空氣形成的中尺度輻合線和切變線及切變線上生成的中尺度低渦系統(tǒng)有關(guān)。溫度擾動分布表明，暖區(qū)降水可能與西部高低空的強冷空氣及東部低空的弱冷空氣滲透有關(guān)，低空急流的暖濕平流與冷空氣形成的“西冷東暖”的結(jié)構(gòu)，可能觸發(fā)暖區(qū)對流。

圖6 7月21日14時沿40°N的溫度擾動（陰影，單位：K）和垂直環(huán)流（u，w）的剖面。u的單位：m s?1; w的單位：cm s?1

5.2 動力過程及動力結(jié)構(gòu)

華北暴雨與低空急流有密切關(guān)系，相關(guān)率可達80%（陶詩言，1980；華北暴雨編寫組，1992）。圖7給出了模擬的7月21日14時到19時，800 hPa的低空急流（圖中陰影區(qū)）和流場分布變化。從不同時刻低空急流分布可見，低空急流不斷加強，且急流中心向東北方向移動。其中16時到17時，模擬的急流發(fā)展到最強，中心值甚至可達40 m s，而后迅速減弱，并隨西南氣流移過北京。低空急流如此之強，為暴雨的產(chǎn)生提供了非常有利的條件，對于水汽輸送和集中以及中尺度低渦形成有重要作用。

圖7 7月21日不同時刻800hPa流場和低空急流（陰影區(qū)：風(fēng)速大于14m s?1）分布：（a）14時；（b）15時；（c）19時

從08時開始（圖略），低空輻合線就已到達河北西部，并不斷向北京方向加強和東移。從圖7a可以看到，21日14時，輻合線已到達河北北部，沿輻合線有大范圍的氣旋性氣流旋轉(zhuǎn)，輻合線附近，低空急流左前側(cè)上可見小的流場擾動和低渦雛形[圖7a中（39°N，115°E）附近]。15時，低空急流中心向北推進，急流左前側(cè)的輻合旋轉(zhuǎn)進一步加強，在之前低空急流左前側(cè)的小擾動區(qū)域有一個明顯的中尺度低渦生成（圖7b），該低渦緩慢由河北西部向東北方向的北京移動，到17時，低渦移到北京西南部房山附近，此時刻的模擬降水出現(xiàn)了明顯的加強，降水的大值中心恰好位于渦旋附近（圖略）。從15時到20時，該低渦從北京西南向東北方向緩慢移動，在北京上空維持時間較長（圖7c），約5個小時左右，而后相對快速移出同時強度減弱。在17時，原來低渦生成的地點（39°N，115°E）附近又出現(xiàn)流場的擾動，到19時，已形成的低渦繼續(xù)東北移動到北京中北部，而之前該低渦生成的地點，又有一個新的低渦形成并沿輻合切變線向東北方向移動影響北京（圖7c）。這與孫繼松等（2013）從北京雷達反射率因子觀測分析中提到的“列車效應(yīng)”現(xiàn)象類似，通過模擬資料得到了中尺度低渦在切變線附近不斷生成并沿切變線東北移的現(xiàn)象，由于不停地有中尺度對流系統(tǒng)生成并移過北京，從而導(dǎo)致了北京的降水持續(xù)不斷，形成了特大暴雨。

值得注意是，低渦生成并沿切變線東移的過程中，渦度有明顯變化（圖8）。過低渦沿切變線的垂直渦度的垂直剖面來看，14時的圖8a中，切變線上的垂直渦度呈現(xiàn)正負相間的分布，但在低渦生成區(qū)域（圖8中39.5°N附近，橢圓標注）的垂直渦度集中在39.5°N附近的狹窄區(qū)域，正渦度主要在700 hPa以下，而到了低渦形成后的15時，垂直渦度 在垂直方向上已經(jīng)發(fā)展到500 hPa，正渦度主體也前后擴展到39.5°～39.8°N的區(qū)域，渦度中心值從2×10s發(fā)展到4×10s，增長了一倍，表明低渦形成后沿切變線運動過程中強度在不斷加強。且渦度加強也位于地形迎風(fēng)坡附近，說明地形對其加強也有一定作用，后面就地形作用將有具體分析。

圖8 過圖7中低渦中心（紅線所示）的相對渦度的剖面（單位：10?5 s?1）：（a）14時；（b）15時

從200 hPa來看（圖略），低空急流位于高空急流出口區(qū)的右側(cè)，為次級環(huán)流的上升支，高空有氣流輻散，低空氣壓降低，低空急流的左側(cè)有切變線，在切變線上有明顯的氣流輻合，由此可以看出，這種高低空系統(tǒng)的耦合配置使得低空急流中心附近的抽吸作用非常強烈，從而造成強烈的上升運動，同時該上升運動受地形的強迫抬升而變得更加劇烈，是導(dǎo)致暴雨的主要動力過程。

5.3 地形作用

地形對北京降水有重要影響，因此，有必要分析地形在該次暴雨過程中的作用。圖9為風(fēng)場過房山的緯向剖面。從圖9均可以看到中高層盛行西風(fēng)，400～500 hPa之間一直有小擾動自西向東傳播，而低空850 hPa以下東風(fēng)與西風(fēng)相向而行，輻合產(chǎn)生上升運動。115°～116°E之間的垂直運動強弱相間，有明顯波動特征。05時（圖9a），在850 hPa到700 hPa之間近地面有一連串渦旋生成，垂直上升速度主要分為兩部分，近地面700 hPa以下有較分散的小范圍上升運動，以及500 hPa高空槽所帶來的高空的較大范圍的垂直上升運動。09時在115°E附近為偏東及偏西氣流的輻合帶（圖9b），由于115°E以西偏東氣流在地形迎風(fēng)坡處有明顯抬升，輻合加上地形的抬升作用，上升運動強烈發(fā)展，一直延伸到200 hPa。在115°～116°E的強垂運動的右側(cè)產(chǎn)生了一連串的小渦旋向地面延伸（圖中箭頭所示）。分析單點的垂直風(fēng)廓線圖（圖略），可以發(fā)現(xiàn)，由于低空急流影響，850 hPa高度的低空風(fēng)速大于高空風(fēng)速，從而在垂直方向上產(chǎn)生氣旋式旋轉(zhuǎn)的次級環(huán)流，當垂直于山體的氣流隨高度減小時，地形的作用表現(xiàn)為迎風(fēng)坡上水平輻合，氣旋式渦度增加，降水明顯增強。從圖9c可見，隨著西南暖濕氣流向西北方向推進，東西風(fēng)氣流的輻合也向西移，9c中的垂直運動大值區(qū)較圖9b已明顯偏東，但強烈的上升運動仍然處于東西風(fēng)輻合及地形抬升區(qū)域。從圖9中還可見，在115°E以東，強的垂直上升氣流在中高層受到偏西下沉氣流的影響，出現(xiàn)了分支，一部分氣流傾斜上升（圖9b中115°E上空400 hPa附近最明顯），一部分則表現(xiàn)為下沉，中低層的下沉氣流與低層上升氣流之間耦合形成明顯的次級環(huán)流。圖9b中600 hPa以下，圖9c中700 hPa以下，在115°E以東，都有多個中尺度垂直環(huán)流存在，房山附近一直有該環(huán)流的上升支維持（此后時段圖略），與偏東風(fēng)在房山西部山區(qū)迎風(fēng)坡抬升有關(guān)，長時間維持的東西風(fēng)的輻合上升配上地形抬升的加強作用，為低渦系統(tǒng)在此處加強發(fā)展提供了有力的動力條件，在水汽充沛的條件下有利于房山地區(qū)的持續(xù)性降水，也是該次房山成為北京地區(qū)暴雨中心的原因之一。這一結(jié)構(gòu)與方翀等（2012）利用自動氣象站觀資資料得到的分析結(jié)果一致，也進一步證實了模擬資料的可靠性。

圖9 過房山站的垂直速度（陰影，單位：cm s?1）與風(fēng)矢量的垂直剖面：（a）21日05時；（b）21日09時；（c）21日10時

5.4 房山站風(fēng)廓線及溫度擾動分析

由于北京該次的特大暴雨中心出現(xiàn)在北京西南部的房山附近，本小節(jié)特別給出模擬的房山站的風(fēng)廓線的時間演變及溫度擾動演變。從圖10a中我們可以清楚地看到高低空風(fēng)場隨時間的變化。從初始時刻到16時，850 hPa以上風(fēng)向均隨高度順轉(zhuǎn)，整個對流層均為暖平流，對產(chǎn)生垂直上升運動有正貢獻。21日06時和07時，近地層有淺薄的冷空氣入侵抬升了暖濕空氣，觸發(fā)對流。而后，低層700 hPa以下變?yōu)轱L(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，有強冷平流入侵，風(fēng)速較大，對流減弱。從21日00時到22日02時，高層為相對平直的偏西風(fēng)，其中10～14時，高空200 hPa以上出現(xiàn)了較強的急流中心。在降水發(fā)生前后，500 hPa以下的風(fēng)場發(fā)生了明顯的變化。降水開始前，中層為西南風(fēng)，低層為5～10 m s的南風(fēng)，近地層為東南風(fēng)。隨后，低空風(fēng)速明顯加強且轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，700 hPa附近處的急流從08時開始一直持續(xù)到19時，在房山附近維持了12個小時，保證了暴雨過程的水汽供應(yīng)和動力條件。受高空急流東移影響，16～17時的低空急流達到最強，急流中心的下方存在明顯的垂直風(fēng)切變，有利于切變線上低渦對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，也有利于地形迎風(fēng)坡上的正渦度生成。同時，風(fēng)的垂直切變增強了中層干冷空氣的入侵，加強了輻合線上及低渦系統(tǒng)中的下沉氣流和冷空氣的外流，迫使暖濕空氣抬升（圖10b），導(dǎo)致對流強烈發(fā)展。隨后，低空急流減弱，中層轉(zhuǎn)為西風(fēng)，低層轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，輻合線移過房山，低層850 hPa以下冷暖空氣擾動減弱，降水逐漸減弱并結(jié)束。

圖10 模擬房山站的（a）垂直風(fēng)廓線（單位：m s?1）及（b）溫度擾動（單位：K）時間演變

6 小結(jié)與討論

本文通過對7月21日北京大暴雨進行了天氣背景的環(huán)流分析及高時空分辨率的模擬，通過模擬資料分析了此次暴雨過程中的溫度擾動特征、低空急流、切變線及切變線上中尺度低渦系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展及結(jié)構(gòu)變化。主要結(jié)論如下：（1）“7.21”北京暴雨過程是高低空天氣系統(tǒng)共同配合作用的結(jié)果，暴雨發(fā)生在“東高西低”的天氣環(huán)流形勢下，低渦、切變線、低槽冷鋒和高低空急流是此次暴雨過程的主要天氣尺度系統(tǒng)；（2）暴雨發(fā)生前后，有中低層冷空氣合并入侵迫使暖濕大氣抬升，觸發(fā)對流強烈發(fā)展。西北冷空氣與深厚的暖濕空氣之間形成了較長時間的對峙，冷暖氣流輻合形成了維持時間長的切變線，在低層輻合、低空急流及地形共同作用下，切變線上不斷有中尺度低渦生成并沿切變線移動發(fā)展影響北京地區(qū)，是造成北京強降水的主要原因；（3）這次北京暴雨的強對流上升運動主要出現(xiàn)在山區(qū)地形的迎風(fēng)坡處。西北氣流與東南氣流的輻合上升運動在地形的強迫抬升下得到加強。中高層偏西氣流中有波動出現(xiàn)，伴隨的下沉氣流與低層上升氣流相互作用，在大氣中低層形成一系列的中尺度垂直環(huán)流，山前的房山附近一直有垂直環(huán)流的上升支維持，是暴雨中心出現(xiàn)在房山的原因之一。

這次暴雨過程天氣尺度系統(tǒng)很清楚，是在非常有利于暴雨發(fā)生的天氣尺度環(huán)流背景下發(fā)生的，但對暴雨中心的落區(qū)和強度的預(yù)報難度極大，主要是對其中造成暴雨中心的中尺度暴雨系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的過程及機理不清楚。本文用WRF高分辨的模擬資料分析了暴雨過程中的切變線、中尺度低渦及中尺度環(huán)流的發(fā)生發(fā)展和結(jié)構(gòu)變化，但還只是對現(xiàn)象的陳述和簡單的機理分析，模擬結(jié)果也還需要繼續(xù)改進，以更好地區(qū)別暖區(qū)降水和鋒面降水之間的差別，以便理解暖區(qū)降水的形成機理。對其中動力過程的討論也還需進一步加強，如切變線上低渦生成的類似“列車效應(yīng)”現(xiàn)象與慣性重力波的關(guān)系，大氣中低層一系列中尺度環(huán)流形成和維持的動力過程，地形在低渦生成發(fā)展過程中的作用，以及低空急流的暖濕平流與低空冷空氣形成的“西冷東暖”的結(jié)構(gòu)和近地面低層偏東氣流的來源及其對暖區(qū)降水的對流觸發(fā)過程等，都需要開展更多更深入的機理分析，將是本研究工作下一步的關(guān)注重點。

諶蕓, 孫軍, 徐珺, 等. 2012. 北京721特大暴雨極端性分析及思考 (一)觀測分析及思考[J]. 氣象, 38 (10): 1255–1266. Chen Yun, Sun Jun, Xu Jun, et al. 2012. Analysis and thinking on the extremes of the 21 July 2012 torrential rain in Beijing. Part l: Observation and thinking [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 38 (10): 1255–1266.

丁青蘭, 王令, 陳明軒, 等. 2007. 北京地區(qū)暖季對流天氣的氣候特征[J]. 氣象, 33 (10): 37–44. Ding Qinglan, Wang Ling, Chen Mingxuan, et al. 2007. Climate character analysis of convective weather during warm season (May to September) in Beijing [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 33 (10): 37–44.

方翀, 毛冬艷, 張小雯, 等. 2012. 2012年7月21日北京地區(qū)特大暴雨中尺度對流條件和特征初步分析[J]. 氣象, 38 (10): 1278–1287. Fang Chong, Mao Dongyan, Zhang Xiaowen, et al. 2012. Analysis on the mesoscale convective conditions and characteristics of an extreme torrential rain in Beijing on 21 July 2012 [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 38 (10): 1278–1287.

葛國慶, 錢婷婷, 陶祖鈺. 2002. 一次北京暴雨的環(huán)流成因分析[J]. 氣象, 28 (9): 3–7. Ge Guoqing, Qian Tingting, Tao Zuyu. 2002. Analysis of circulational cause for a case of heavy rainfall in Beijing [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 28 (9): 3–7.

《華北暴雨》編寫組. 1992. 華北暴雨[M]. 北京: 氣象出版社, 1–182. Compilers of “Heavy rainfall in North China”. 1992. Heavy rainfall in North China (in Chinese) [M]. Beijing: Chinese Meteorological Press, 1–182.

矯梅燕, 畢寶貴. 2005. 夏季北京地區(qū)強地形雨中尺度結(jié)構(gòu)分析[J]. 氣象, 31 (6): 9–14. Jiao Meiyan, Bi Baogui. 2005. Mesoscale structure analysis of topography-induced heavy rainfall in Beijing in summer [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 31 (6): 9–14.

毛冬艷, 喬林, 陳濤, 等. 2008. 2004年7月10日北京局地暴雨數(shù)值模擬分析[J]. 氣象, 34 (2): 25–32. Mao Dongyan, Qiao Lin, Chen Tao, et al. 2008. Numerical simulation and analysis of a local storm in Beijing on 10 July 2004 [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 34 (2): 25–32.

孫繼松. 2005. 氣流的垂直分布對地形雨落區(qū)的影響[J]. 高原氣象, 24 (1): 62–69. Sun Jisong. 2005. The effects of vertical distribution of the lower level flow on precipitation location [J]. Plateau Meteorology (in Chinese), 24 (1): 62–69.

孫繼松, 楊波. 2008. 地形與城市環(huán)流共同作用下的β中尺度暴雨[J]. 大氣科學(xué), (6): 352–364. Sun Jisong, Yang Bo. 2008. Meso-β scale torrential rain affected by topography and the urban circulation [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 32 (6): 352–364.

孫繼松, 王華, 王令, 等. 2006. 城市邊界層過程在北京2004年7月10日局地暴雨過程中的作用[J]. 大氣科學(xué), 30 (2): 221–234. Sun Jisong, Wang Hua, Wang Ling, et al. 2006. The role of urban boundary layer in local convective torrential rain happening in Beijing on 10 July 2004 [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 30 (2): 221–234.

孫繼松, 何娜, 王國榮. 等. 2012. “7.21” 北京大暴雨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)演變特征及成因初探[J]. 暴雨災(zāi)害, 31 (3): 218–225. Sun Jisong, He Na, Wang Guorong, et al. 2012. Preliminary analysis on synoptic configuration evolvement and mechanism of a torrential rain occurring in Beijing on 21 July 2012 [J]. Torrential Rain and Disasters (in Chinese), 31 (3): 218–225.

孫繼松, 何娜, 郭銳, 等. 2013. 多單體雷暴的形變與列車效應(yīng)傳播機制[J]. 大氣科學(xué), 37 (1): 137–148. Sun Jisong, He Na, Gou Rui, et al. 2013. The configuration change and train effect mechanism of multi-cell storms [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 37 (1): 137–148.

孫建華, 趙思雄, 傅慎明, 等. 2013. 2012年7月21日北京特大暴雨的多尺度特征[J]. 大氣科學(xué), 37 (3): 705–718, doi:10.3878/j.issn.1006-9895. 2013.12202. Sun Jianhua, Zhao Sixiong, Fu Shenming, et al. 2013. Multi-scale characteristics of record heavy rainfall over Beijing area on July 21, 2012 [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 37 (3): 705–718, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.12202.

陶詩言. 1980. 中國之暴雨[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1–225. Tao Shiyan. 1980. Heavy Rainfalls in China (in Chinese) [M]. Beijing: Science Press, 1–225.

俞小鼎. 2012. 2012年7月21日北京特大暴雨成因分析[J]. 氣象, 38 (11): 1313–1329. Yu Xiaoding. 2012. Investigation of Beijing extreme flooding event on 21 July 2012 [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 38 (11): 1313–1329.

張朝林, 季崇萍, Kuo Y H, 等. 2005. 地形對“00.7” 北京特大暴雨過程影響的數(shù)值研究[J]. 自然科學(xué)進展, 15 (5): 572–578. Zhang C L, Ji C P, Kuo Y H, et al. 2005. Simulation study on effect of the heavy rain process to terrain on ‘00.7’ over Beijing [J]. Progress in Natural Sciences (in Chinese), 15 (5): 572–578.

趙瑋, 王建捷. 2008. 北京2006年夏季接連兩場暴雨的觀測對比分析[J]. 氣象, 34 (8): 3–14. Zhao Wei, Wang Jianjie. 2008. Comparison and analysis on two successive torrential rain events over Beijing in summer of 2006 [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 34 (8): 3–14.

周玉淑, 劉璐, 朱科鋒，等. 2014. 北京“7.21”特大暴雨過程中尺度系統(tǒng)的模擬及演變特征分析[J]. 大氣科學(xué), 38 (5): 885?896, doi:10.3878/j.issn. 1006-9895. 2013.13185. Zhou Yushu, Liu Lu, Zhu Kefeng, et al. 2014. Simulation and evolution characteristics of mesoscale systems occurring in Beijing on 21 July 2012 [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 38 (5): 885?896.

Simulation and Evolution Characteristics of Mesoscale Systems Occurring in Beijing on 21 July 2012

ZHOU Yushu, LIU Lu, ZHU Kefeng, and LI Jiantong

1,,,100029;,100049;,210093;361012

On the basis of synoptic circulation pattern analyses of the torrential rain occurring in Beijing on July 21, 2012, the thermal and dynamical structure of the convergence line and the mesoscale vortex above it was analyzed by using output data of the high-resolution Weather Research and Forecasting (WRF) model. A convergence line formed between the strong, cold air from the northwest and northeast and the warm, moist air from southwest and southeast. The latter was lifted by mid–low-level invasion of the northern cold air, which triggered convective instability. The mesoscale vortex was generated and appeared continuously along the persistent convergence shear line in the low-level troposphere, which is similar to the influence of the train effect in torrential rain. The mesoscale vortices were generated at the left of low-level jet, which was located near mountain, and became the direct reacting system for the torrential rain. The precipitation was amplified with the enhancement of the vortices. This vortex formation was related to the low-level convergence line, the low-level jet, and the terrain. The vertical motion caused by the low-level convergence was enhanced by orographic lift, which is attributed to the persistence of the heavy rain. The lifted air appeared in upward and downward branches when contacting the western air flow at middle levels, and a series of the cyclonic mesoscale secondary circulation at lower levels was triggered when the downward branch mingled with the upward air current at those levels. An updraft was persistent above Fangshan district was the main cause for the torrential rain in that location.

Torrential rain, Numerical simulation, Structure analysis, Mesoscale vortex

1006?9895(2014)05?0885?12

P445

A

10.3878/j.issn.1006-9895. 2013.13185

2013?05?29，2013?08?23收修定稿

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目2014CB421505，國家自然科學(xué)基金資助項目41275065、41375054、41075044

周玉淑，女，1971年出生，博士，研究方向：中尺度動力診斷分析及數(shù)值模擬。E-mail: zys@mail.iap.ac.cn