2018年7月15—16日房山區(qū)局地大暴雨天氣過程分析

宋歌

摘 要：本文利用常規(guī)觀測資料、自動氣象站降水資料、南郊觀象臺雷達(dá)資料、FY-2G衛(wèi)星資料、GPS水汽探測資料及霞云嶺風(fēng)廓線資料，對北京市房山區(qū)2018年7月15—16日局地大暴雨天氣過程進(jìn)行分析，探討此次天氣過程發(fā)生的成因。結(jié)果表明：此次暴雨天氣過程是由副高外圍暖濕氣流配合高空槽造成的，低層暖濕氣流加強(qiáng)為其提供動力條件；水汽平流輸送帶來豐沛的水汽，是形成此次強(qiáng)降雨過程的重要條件；高空槽系統(tǒng)前部發(fā)展的暖區(qū)對流是造成局地大暴雨的直接原因，但其發(fā)生發(fā)展的機(jī)制仍有待于進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：局地暴雨；水汽輸送；對流

中圖分類號：P458 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0154-05

Analysis of the July 15-16 2018 Local Torrential Rain Process in

Fangshan District

SONG Ge

（Fangshan Meteorological Bureau，Beijing 102488）

Abstract： By using conventional observation data， automatic weather station precipitation data， radar data of South suburban observatory， FY-2G satellite data， GPS water vapor data and wind profile data of Xiayunling， this paper analyzed the local torrential rain weather process of July 15—16， 2018 in Fangshan district， and discussed the causes of this weather process. The results showed that the process of rainstorm weather was caused by the peripheral warm and humid air of subtropical high combined with the high trough. The abundant water vapor brought by advection was an important condition of the rainstorm. The warm convection in the front of the high trough system was the direct cause of local torrential rain， but the mechanism of its occurrence and development was still to be further studied.

Keywords： local rainstorm；water vapor transmission；convection

暴雨是北京地區(qū)夏季常見的災(zāi)害性天氣，常引發(fā)城市內(nèi)澇、山洪、泥石流等次生災(zāi)害，嚴(yán)重影響城市交通，破壞工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，甚至造成人員傷亡。暴雨天氣由于其發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，預(yù)報難度較大，一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。近年來，科研工作者對暴雨天氣的研究不斷深入。章麗娜等[1]對暴雨的中尺度環(huán)境特征進(jìn)行了分析；雷蕾等[2]總結(jié)了北京地區(qū)夏季強(qiáng)對流天氣的探空資料特征；吳慶梅等[3]探討了地形和城市熱力環(huán)流對暴雨的影響；丁海燕等[4]利用GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了暴雨的水汽特征；劉璐等[5]從暴雨的不穩(wěn)定性和觸發(fā)機(jī)制的角度分析了北京“7.21”暴雨。

房山區(qū)位于北京西南，地處太行山與華北平原的過渡地帶，由于地表形態(tài)復(fù)雜，夏季暴雨天氣頻發(fā)，氣象災(zāi)害對經(jīng)濟(jì)社會活動、城市正常運(yùn)行、生態(tài)環(huán)境建設(shè)影響嚴(yán)重。受全球氣候變化影響，房山區(qū)夏季強(qiáng)降雨呈現(xiàn)逐漸增多的趨勢[6]。本文對房山區(qū)夏季一次局地大暴雨天氣個例展開分析，研究其發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，為做好房山區(qū)暴雨天氣預(yù)報工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 降雨實況及災(zāi)情

7月15日夜間至16日早晨，房山區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣，部分地區(qū)出現(xiàn)暴雨，局地大暴雨；15日08：00至16日08：00，全區(qū)平均降雨量為51.3mm，最大降雨出現(xiàn)在佛子莊鄉(xiāng)上英水村，為153.5mm，最大小時雨強(qiáng)出現(xiàn)在河北鎮(zhèn)河南村，為88.6mm（16日02：00—03：00）。全區(qū)有17個自動站雨量超過50mm，其中4個自動站雨量超過100mm。部分站點(diǎn)還出現(xiàn)了6級以上短時大風(fēng)（16日02：00—03：00）。具體數(shù)據(jù)見圖1。

受此次強(qiáng)降雨影響，房山區(qū)農(nóng)業(yè)、林業(yè)和畜牧業(yè)遭受一定損失，部分地區(qū)出現(xiàn)玉米及樹木倒伏、蔬菜受損、牲畜損失；山區(qū)發(fā)生6處塌方地質(zhì)災(zāi)害；此外還有少量民房及汽車受損[7]。

2 環(huán)流形勢演變

此次強(qiáng)降雨主要是由于副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）外圍的偏南暖濕氣流增強(qiáng)所造成的，下面對天氣形勢的演變進(jìn)行詳細(xì)分析。從高空500hPa形勢（見圖2）來看，7月15日08：00，北京地區(qū)處于副高外圍，受西南氣流控制，風(fēng)場較弱，588線位于遼寧東部—渤海灣—河北南部一帶，在河套地區(qū)以西有高空槽影響，溫度槽落后于高空槽，有利于高空槽系統(tǒng)加深發(fā)展；700hPa為弱的偏西風(fēng)控制；850hPa在河北與北京之間有風(fēng)場的暖式切變，西南風(fēng)速較弱；地面位于高壓后部，弱氣壓場控制。到15日20：00，副高588線明顯北抬至北京東南部地區(qū)，西南風(fēng)速加大至12m/s，河套以西的高空槽略有東移并有所加深，500hPa溫度由08：00的-1℃降至-4℃；700hPa轉(zhuǎn)為12m/s的西南風(fēng)控制；850hPa暖式切變維持，風(fēng)速增大至8m/s，且有一條10m/s的西南大風(fēng)速帶在河南—河北南部生成；地面高壓略有東退，1 005hPa等壓線位置已從08：00的北京西部地區(qū)東退至河北以東地區(qū)[8]。

從天氣形勢的演變情況可以看出：北京地區(qū)從7月15日20：00開始逐漸受到副高的控制，其外圍的西南氣流的強(qiáng)度開始增強(qiáng)，低層的暖濕氣流不斷增強(qiáng)，風(fēng)速接近低空急流標(biāo)準(zhǔn)。同時，高空槽系統(tǒng)攜帶的弱冷空氣開始影響北京地區(qū)。這種低層暖濕增強(qiáng)，高層溫度下降的高低空配置，是有利于產(chǎn)生降水的天氣形勢。

3 物理量診斷

3.1 動力條件

圖3是2018年7月15日500hPa渦度平流場。從圖3上可以看出，7月15日08：00，在500hPa槽前地區(qū)有正渦度平流，有利于地面輻合上升運(yùn)動增強(qiáng)。北京位于高空槽前，但正渦度平流強(qiáng)度較弱，低層輻合上升運(yùn)動較弱。到20：00，正渦度平流中心從河套以北移至內(nèi)蒙古中東部地區(qū)，強(qiáng)度減弱。北京地區(qū)繼續(xù)維持弱的正渦度平流。從整體來看，動力輻合條件偏弱。從整層的散度場分析來看，7月15日08：00，40N°附近在500hPa高度有極弱的輻合，500hPa以下為輻散場。到20：00，整層的輻合條件有所發(fā)展，近地面層以及500～700hPa高度出現(xiàn)輻合，16日02：00，輻合條件又有所減弱，除近地層有弱的輻合之外，其他層次均為輻散[9]。

圖4是2018年7月15日500hPa垂直速度剖面圖。垂直速度診斷結(jié)果表明：7月15日08：00[見圖4（a）]，在40N°附近，600hPa以上為弱的下沉運(yùn)動，中低層無明顯的上升運(yùn)動。到20：00（見圖4（b）），垂直速度場發(fā)生了較為明顯的變化。在40N°附近，整層轉(zhuǎn)為上升運(yùn)動，上升速度約為5Pa/s，整層動力條件有了明顯改善。到16日02：00（圖略），即強(qiáng)降水發(fā)生時段，400hPa以下的上升速度維持在5Pa/s，400hPa以上則逐漸轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動。這表明上升運(yùn)動條件開始逐漸減弱。

圖5為2018年7月15日18：00至16日05：00霞云嶺風(fēng)廓線。對7月15日18：00至16日05：00半小時間隔的霞云嶺風(fēng)廓線資料（見圖5）進(jìn)行分析可以看出：在500m高度以下層次，西南風(fēng)速基本維持在1～2m/s，風(fēng)速很弱。在500～1 500m高度上，隨著時間推移，風(fēng)速從2～3m/s逐漸增大到10～12m/s，輻合上升運(yùn)動加強(qiáng)。此外，在高空700hPa附近，16日01：30前后風(fēng)速加大至20m/s以上，且在01：30～02：00，風(fēng)速由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，表明有弱短波系統(tǒng)過境，動力條件增強(qiáng)。由此可以推斷，此短波系統(tǒng)在02：00以后逐漸向東北方向移動，造成了北部山區(qū)較強(qiáng)降雨[10]。

3.2 水汽條件

此次強(qiáng)降雨過程是在副高北抬的大尺度環(huán)流背景下發(fā)生的，因此具有較好的水汽條件。從7月15日08：00至20：00，北京地區(qū)中高層比濕明顯增大，500hPa和700hPa比濕分別從1g/kg和3g/kg增大到5g/kg和10g/kg；而850hPa和925hPa比濕則維持在14g/kg和18g/kg左右，水汽含量明顯增大，濕層厚度增加，比濕達(dá)到北京地區(qū)發(fā)生暴雨的閾值。從水汽平流的情況來看，從7月15日08：00開始，無論高層還是低層，水汽平流均為正值，這表明本地有較好的平流輸送條件，為強(qiáng)降雨的發(fā)生源源不斷地輸送水汽。到20：00，整層水汽平流加強(qiáng)，在中高層表現(xiàn)得更為明顯，水汽條件得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

從大尺度水汽條件分析來看，北京地區(qū)在強(qiáng)降雨發(fā)生之前大氣中具有充沛的水汽。那么局地水汽條件在降雨發(fā)生前具體如何呢？圖6為北京地區(qū)的GPS水汽分布圖。從圖中可以看出，在7月15日20：00，即降雨發(fā)生之前，北京中南部地區(qū)水汽含量已達(dá)60mm以上，房山區(qū)水汽含量分布呈現(xiàn)東高西低的特點(diǎn)，東部平原地區(qū)水汽含量達(dá)66mm以上，這一水汽含量即使在水汽充沛的夏季也是一個較高的數(shù)值，表明本地水汽條件極好，只要滿足一定的動力條件，極易造成強(qiáng)降雨天氣。從圖中可以看到，16日03：00，即在局地大暴雨發(fā)生前后，房山區(qū)大部分地區(qū)水汽含量達(dá)68mm以上，西南部地區(qū)局地更是超過了70mm。

盡管有較好的水汽輸送條件和本地水汽條件，但從水汽通量散度場上來看（圖略），從7月15日08：00至20：00，水汽通量散度在500hPa表現(xiàn)為輻合，在中低層均持續(xù)維持輻散狀態(tài)，這說明水汽在北京地區(qū)僅在高層出現(xiàn)聚合，低層并沒有明顯的水汽聚集，這對于出現(xiàn)持續(xù)區(qū)域性暴雨條件略顯不利。

總體來看，這次強(qiáng)降雨過程的水汽條件還是非常有利的。本地水汽含量及水汽輸送條件均有利于強(qiáng)降雨產(chǎn)生，唯一的不利條件就是水汽在低層沒有形成聚合，因此在15日夜間僅在局地出現(xiàn)了暴雨天氣。

3.3 不穩(wěn)定條件

從探空分析可以看出：7月15日08：00（見圖7），探空曲線表現(xiàn)為“上干下濕”的形態(tài)。濕層集中在850hPa以下層次，850hPa以上層次的大氣非常干燥。925hPa以下為弱的東北風(fēng)，850hPa和500hPa為西南風(fēng)，700hPa為偏西氣流。低層有暖平流，高層為冷平流。500hPa與850hPa溫差相對較小，為21℃，K指數(shù)為19℃，沙氏指數(shù)為0.82℃，CAPE值為562.6J/kg，此時大氣層結(jié)已經(jīng)具有一定的不穩(wěn)定性，但尚未達(dá)到發(fā)生明顯對流性天氣的條件。到14：00，探空曲線仍然維持“上干下濕”的形態(tài)。低層的風(fēng)場由東北風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)。850hPa到700hPa的濕度有所增加，CAPE值增加至669.2J/kg，不穩(wěn)定能量略有所增大。20：00的探空條件有了較為明顯的改變。首先，“上干下濕”的探空形態(tài)有所變化，850hPa以下濕度略有減小，850hPa以上濕度有所增加。中低層的西南風(fēng)風(fēng)速均有明顯增加。500hPa與850hPa溫差增大至25℃，K指數(shù)和CAPE分別躍升至37℃和1 108.2J/kg，沙氏指數(shù)降低至-0.78℃，大氣層結(jié)不穩(wěn)定性明顯增大，具有發(fā)生對流性天氣的潛勢。

4 衛(wèi)星及雷達(dá)資料特征

4.1 衛(wèi)星云圖特征

從FY-2G紅外衛(wèi)星云圖（見圖8）上可以看出：從7月15日09：00開始，河套地區(qū)就在高空槽云系前部發(fā)展出對流云團(tuán)并向西北方向移動。12：00以后，隨著熱力條件不斷增強(qiáng)，對流云團(tuán)強(qiáng)度迅速增強(qiáng)，范圍也不斷擴(kuò)大。14：00在河套地區(qū)東部已經(jīng)出現(xiàn)6h雨量達(dá)到38mm的較強(qiáng)降雨。此后，對流云團(tuán)持續(xù)發(fā)展，高空槽云系在東移的過程中與其前部發(fā)展出的對流云團(tuán)逐漸合并，于18：00前后進(jìn)入河北西部地區(qū)。21：00，在主云系前部，房山區(qū)西部山區(qū)有小對流云團(tuán)生成并有所發(fā)展，于22：00后減弱消散，小時雨強(qiáng)不超過20mm。與此同時，在河北保定地區(qū)及北京北部地區(qū)，又有小的對流云團(tuán)生成并快速發(fā)展，向東北方向移動。保定地區(qū)的對流云團(tuán)于23：00進(jìn)入房山區(qū)西部地區(qū)。16日01：00前后，小對流云團(tuán)合并成一個面積較大的云團(tuán)，且強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，云頂亮溫最小值達(dá)到200K以下，此時降水強(qiáng)度明顯加大，最大小時雨強(qiáng)達(dá)到50mm以上。此后對流云團(tuán)一路北上，強(qiáng)度維持，并與北京北部地區(qū)的對流云團(tuán)合并成為一個更大的云團(tuán)控制整個北京地區(qū)。03：00后，對流云團(tuán)強(qiáng)度逐漸減弱并繼續(xù)向東北方向移動，07：00后基本移出房山區(qū)，最大小時雨強(qiáng)也隨之明顯減弱至10mm以下。

4.2 雷達(dá)回波特征

在反射率因子圖上（見圖9），15日20：00前后，房山區(qū)張坊鎮(zhèn)西南方向有一塊狀回波移入并向東北方向移動，最大回波強(qiáng)度約50dBZ，此回波在東移北上的過程中逐漸減弱消散，于22：00結(jié)束對房山區(qū)的影響。在這一階段，速度圖上無明顯的風(fēng)向輻合，因此不利于此塊狀回波加強(qiáng)發(fā)展。23：00前后，河北中部有一小片回波從房山區(qū)蒲洼—十渡一帶移入，自西南向東北影響房山區(qū)西部及北部山區(qū)，強(qiáng)度有所加強(qiáng)，范圍不斷擴(kuò)大。在其后部50km處有大片強(qiáng)回波東移北上，強(qiáng)度增強(qiáng)，范圍擴(kuò)大，在上游地區(qū)造成較強(qiáng)降雨。16日01：30前后，大片回波區(qū)與前部小回波區(qū)結(jié)合，組織化加強(qiáng)，形成范圍更大的強(qiáng)回波區(qū)，強(qiáng)度維持在50～55dBZ，持續(xù)給房山區(qū)造成強(qiáng)降雨。從圖9可以看出，16日00：30分左右，風(fēng)速開始加大，出現(xiàn)大于20m/s的大風(fēng)速區(qū)，在易縣附近有明顯的風(fēng)向輻合，同時在北部山區(qū)也開始出現(xiàn)風(fēng)向輻合，隨后在中部及北部地區(qū)不斷有小的渦旋生成，有利于回波強(qiáng)度的維持和發(fā)展。02：00前后，在南部平原地區(qū)至大興一帶開始出現(xiàn)局地新生回波并快速發(fā)展，逐漸形成一條狹窄的帶狀回波并入主體回波自南向北移動。大風(fēng)速區(qū)在此時也開始逐漸靠近，并于02：30左右進(jìn)入房山區(qū)。02：42在佛子莊—河北鎮(zhèn)一帶局地生成一大風(fēng)速區(qū)，約在03：00前后移出房山區(qū)。此后回波強(qiáng)度減弱至30～40dBZ，速度圖上風(fēng)速也明顯減弱，降雨強(qiáng)度開始下降。

5 結(jié)論與討論

本文對房山區(qū)夏季一次局地大暴雨天氣過程的大尺度天氣形勢、物理量診斷及中尺度特征進(jìn)行分析，主要得出如下結(jié)論。

①此次強(qiáng)降雨天氣過程是在副熱帶高壓外圍暖濕氣流與高空槽攜帶的弱冷空氣結(jié)合的環(huán)流形勢下發(fā)生的。低層西南氣流的不斷加強(qiáng)造成輻合上升運(yùn)動增強(qiáng)，為強(qiáng)降雨提供動力條件。

②此次過程的動力條件總體偏弱，但水汽條件極好，再加上大氣層結(jié)不穩(wěn)定度不斷增大，在低層動力條件觸發(fā)下，造成了局地大暴雨天氣。

③從衛(wèi)星和雷達(dá)回波資料特征來看，大尺度系統(tǒng)前部發(fā)展出的中尺度對流系統(tǒng)長時間維持并發(fā)展是造成強(qiáng)降雨的關(guān)鍵，但其發(fā)展變化規(guī)律還有待進(jìn)一步深入研究。

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