北京市石景山區(qū)2015年9月4日—5日暴雨天氣過程分析

李輝+++苗鳳梅+++朱立+++李朝+++許明+++曹云+++李蓓莉

摘 要：使用高空、地面、物理量及云圖資料，分析2015年9月4日發(fā)生在北京地區(qū)的一次強(qiáng)對(duì)流局地暴雨天氣過程的天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征，探討系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展機(jī)制。分析表明，500hpa低渦、700hpa和850hpa切變線是造成這次強(qiáng)降水過程的主要影響系統(tǒng)。500hpa冷平流、低層850hpa和925hpa明顯的暖平流輸送為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生提供了有利的熱力條件和溫濕條件。

關(guān)鍵詞：暴雨；低渦；冷鋒；暖平流

引言

極端性降水對(duì)某一地區(qū)而言是個(gè)小概率事件，但因其降水量太大，發(fā)生的天氣形勢(shì)往往比較典型，其中的天氣尺度和中尺度強(qiáng)迫、水汽輸送和輻合、大氣不穩(wěn)定等方面都比較清楚，天氣形勢(shì)一般都符合當(dāng)?shù)厮⒌谋┯旮拍钅Ｐ汀Ｔ斐蓸O端強(qiáng)降水的影響系統(tǒng)是多種多樣的，對(duì)北京而言，最多的是低渦暴雨[1-3]，這里的低渦是指東蒙高空冷性系統(tǒng)，其次是低槽冷鋒型，但降水又主要發(fā)生在暖區(qū)內(nèi)，同時(shí)低空低渦切變線又是非常重要的影響系統(tǒng)圖[4-7]。這些說明北京暴雨受天氣系統(tǒng)影響的復(fù)雜性。

但從天氣形勢(shì)上預(yù)報(bào)出是暴雨、大暴雨還是特大暴雨過程還是非常困難的，因此還必須對(duì)構(gòu)成降水的主要因子進(jìn)行分析。降雨量是一段時(shí)間內(nèi)雨強(qiáng)的累積，因此在極端降水中，雨強(qiáng)和降水持續(xù)時(shí)間都重要[8-10]，雨強(qiáng)與降水效率、垂直上升運(yùn)動(dòng)和水汽有關(guān)，降水持續(xù)時(shí)間與影響系統(tǒng)的移速、中尺度對(duì)流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演變有關(guān)。文章對(duì)天氣形勢(shì)及物理量做了初步分析，各因子形成及演變的機(jī)制還需以后進(jìn)一步研究分析。

1 天氣概況

受東移高空槽和低層偏東風(fēng)的共同影響，9月4日上午到5日白天北京出現(xiàn)2015年汛期以來最大降雨天氣過程，局地伴有弱雷電，主要降雨時(shí)段出現(xiàn)在4日下午到前半夜。大部分地區(qū)出現(xiàn)大雨到暴雨，其中豐臺(tái)、石景山、海淀、門頭溝、昌平、懷柔局地出現(xiàn)大暴雨。此次強(qiáng)降雨區(qū)域主要集中在石景山、海淀及西部、北部的區(qū)域的個(gè)別站點(diǎn)。其中石景山地區(qū)在9月4日15時(shí)-18時(shí)累計(jì)降水量超過80毫米，16-17時(shí)小時(shí)石景山八大處降雨量達(dá)40.3毫米。降水從9月4日10時(shí)開始持續(xù)到5日17時(shí)。

圖1 北京9月4日08時(shí)地面圖

2 天氣形勢(shì)

2.1 環(huán)流形勢(shì)分析

500hpa貝蒙低渦東移，對(duì)應(yīng)700hpa北京西部有明顯的切變存在，850hpa存在低空急流。3日20時(shí)，500hpa，在河套以西存在低壓槽，受高壓脊的阻礙，東移緩慢，槽后冷平流使其不斷加強(qiáng)，4日08時(shí)低渦環(huán)流形成，低渦東移南壓，北京處于其東部西南氣流控制。

700hpa，3日20時(shí)，北京處于高壓脊控制，西部存在明顯的切變。4日08時(shí)，在北京西部形成低渦，北京處于低渦前部偏南氣流控制。4日14時(shí)，低壓中心位于北京西部，即將影響北京。

850hpa和925hpa東南風(fēng)的維持為強(qiáng)降水提供了源源不斷的水汽供應(yīng)，低層偏南暖濕氣流輸送使低層維持暖濕的高能條件，為強(qiáng)降水的發(fā)生和維持提供了十分有利的環(huán)境場(chǎng)。

通過以上分析得出，500hpa低渦、700hpa和850hpa切變線是造成這次強(qiáng)降水過程的主要影響系統(tǒng)。500hpa冷平流、低層850hpa和925hpa明顯的暖平流輸送為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生提供了有利的熱力條件和溫濕條件。

圖2 2015年9月4日08時(shí)地面天氣圖

2.2 中尺度分析

圖3 9月4日08時(shí)中尺度分析圖

根據(jù)9月4日08時(shí)中尺度分析圖，北京西部500hpa，700hpa，850hpa存在槽和切變，地面存在輻合，西北部500hpa有冷槽，北京西部及西南部850hpa有濕區(qū)，850hpa風(fēng)場(chǎng)流線將濕區(qū)水汽帶到北京，遇西部過來的冷空氣，形成降水。

2.3 物理量診斷分析

2.3.1 動(dòng)力條件

4日08時(shí)，北京西北部上空伴有強(qiáng)烈的高層輻散、低層輻合。輻合中心位于內(nèi)蒙中部與河北交界處，14時(shí)輻合區(qū)向東南方向移動(dòng)，范圍擴(kuò)大、強(qiáng)度增強(qiáng)，北京完全處于輻合區(qū)控制，20時(shí)北京基本位于輻合中心，此后北京上空仍為輻合，但強(qiáng)度和范圍均減弱。925hpa與850hpa類似，說明此次過程輻合主要在低層，且低層輻合非常強(qiáng)。

降水過程伴有整層上升運(yùn)動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)且較深厚；上升區(qū)與低槽和低渦系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，14時(shí)和20時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，且強(qiáng)中心位于北京西部。

2.3.2 水汽條件

850hpa層的比濕場(chǎng)說明造成強(qiáng)降水的主要是貝蒙低渦自身攜帶的充足水汽，隨著低渦東移，大值區(qū)到達(dá)北京。

4日08時(shí)貝蒙低渦位于北京上游，與冷渦相對(duì)應(yīng)水汽通量散度為明顯的負(fù)值區(qū)，說明850hpa冷渦附近有明顯的水汽通量輻合；14時(shí)，水汽通量散度負(fù)值區(qū)移到北京。

2.3.3 能量條件

4日08時(shí)500hpa冷空氣主體在西部，北京地區(qū)附近處于相對(duì)的θ高值區(qū)。14時(shí)冷空氣主體東移南壓，北京西部相對(duì)于東部地區(qū)θ值較高。4日08時(shí)700hpa冷空氣主體要稍偏南一些，北京地區(qū)上空為暖區(qū)。14時(shí)冷空氣主體繼續(xù)加強(qiáng)，并南壓，河套至山西高原東部為一暖舌，北京地區(qū)處于暖舌東側(cè)，也是高能區(qū)。

4日08時(shí)，華北中北部是一個(gè)南北向的高能舌，高低層θse相差較大的區(qū)域在華北北部，東北地區(qū)是低值區(qū)，表示冷空氣在那聚集，北京地區(qū)未處于高能舌區(qū)。14時(shí)從西南向華北有一條高能輸送帶，高能舌反映的是一股高能、不穩(wěn)定的暖濕氣流，它向華北中部一帶輸送了大量的水汽和不穩(wěn)定能量。由于水汽和能量輸送，高能舌增強(qiáng)，中心處于115E、38N附近，最強(qiáng)值達(dá)346K，高低層θse差值的中心與高能舌的中心重疊，垂直結(jié)構(gòu)非常明顯，差值中心值約有20K左右，北京地區(qū)約有15K左右。與此同時(shí)，東北地區(qū)的低值區(qū)向高能舌區(qū)擴(kuò)散，在華北中部交匯，在高能鋒區(qū)附近產(chǎn)生強(qiáng)降水，而北京地區(qū)最強(qiáng)的降水也是產(chǎn)生于石景山，在北京西部。20時(shí)θse高值區(qū)完全南移到華南，高低層θse的差值降低，且高能輸送帶南壓，北京地區(qū)已非高差值區(qū)，說明冷空氣已侵入低層，高低層溫差已有所降低。到5日08時(shí)，θse低值區(qū)控制北京上空，冷空氣完全控制北京高低空。

2.4 衛(wèi)星云圖及雷達(dá)回波分析

從衛(wèi)星云圖上看，9月4日04時(shí)位于低渦東南側(cè)對(duì)流云團(tuán)開始發(fā)展進(jìn)入河北，此后云團(tuán)繼續(xù)強(qiáng)烈發(fā)展，14時(shí)北京西部發(fā)展比較強(qiáng)烈，之后東移，15-17時(shí)南北對(duì)流云團(tuán)在西部打通，合并后強(qiáng)烈發(fā)展，造成石景山區(qū)的強(qiáng)降水。

從雷達(dá)圖可以看出，沿東南-西北方向有一條強(qiáng)回波帶穿過石景山區(qū)，中心強(qiáng)度在40dBz以上。東南的強(qiáng)回波中心超過7540dBz。

3 模式檢驗(yàn)

3.1 降水起止時(shí)間及強(qiáng)降水集中時(shí)間

由圖6可知，三家模式模擬的出現(xiàn)明顯降水的開始時(shí)間較為一致，在10時(shí)左右，與實(shí)際降水出現(xiàn)的時(shí)間也吻合。結(jié)束時(shí)間及最強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)間由分歧，前兩家模式預(yù)報(bào)的強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)段均為4日14-17時(shí)，與實(shí)況較為吻合。第三家模式預(yù)報(bào)的強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)間偏晚。模式預(yù)報(bào)降水量普遍偏低。

3.2 累積降水量

表1為各家模式9月2日起報(bào)的48h累積降水量，其中EC集合平均預(yù)報(bào)的累積降水量為40-80毫米，比較接近實(shí)況，其他各家模式均預(yù)報(bào)偏少。

表2為各家模式9月3日起報(bào)的降水時(shí)間分布，根據(jù)各家模式預(yù)報(bào)，降水強(qiáng)的時(shí)間主要集中在5日08-20時(shí)，偏晚于實(shí)況。

各家模式9月2日起報(bào)的48小時(shí)間隔降水量，其中EC預(yù)報(bào)的降水量在50-100毫米之間，接近于實(shí)況，并且降水落區(qū)也與實(shí)況比較吻合。其次，日本模式預(yù)報(bào)的降水落區(qū)也比較接近實(shí)況，但累積降水量偏少。其他兩家模式均預(yù)報(bào)偏少且分布落區(qū)不準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

500hpa低渦、700hpa和850hpa切變線是造成這次強(qiáng)降水過程的主要影響系統(tǒng)。500hpa冷平流、低層850hpa和925hpa明顯的暖平流輸送為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生提供了有利的熱力條件和溫濕條件。

強(qiáng)降水開始前從西南向華北有一條高能輸送帶，高能舌反映的是一股高能、不穩(wěn)定的暖濕氣流，它向華北中部一帶輸送了大量的水汽和不穩(wěn)定能量。由于水汽和能量輸送，高能舌增強(qiáng)，高低層θse差值的中心與高能舌的中心重疊，垂直結(jié)構(gòu)非常明顯。

強(qiáng)降水時(shí)段南北對(duì)流云團(tuán)在西部打通，合并后強(qiáng)烈發(fā)展，造成石景山區(qū)的強(qiáng)降水。

根據(jù)模式檢驗(yàn)分析，各家模式對(duì)降水開始時(shí)間都較為準(zhǔn)確，EC和NCEP對(duì)強(qiáng)降水集中時(shí)間比較準(zhǔn)確。模式整體對(duì)此次過程降水量預(yù)報(bào)偏少，但EC預(yù)報(bào)的降水量和強(qiáng)降水落區(qū)有一定的指導(dǎo)性。

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