北京特大暴雨成因分析一天气特征层结与水汽条件生

1、7.21 特大暴雨成因分析（一）天气特征、层结与水汽条件生 1,旺 1,1,2,1(1.气象中心,100061;2.93642气象台,唐山 064001)摘 要本文利用常规、加密自动气象站以及 NCEP1º×1º再分析资料，对“7.21”特大暴雨过程天气特征和环境条件进行了初步分析。结果：（1）降水过程由锋前暖区和锋面降水组成。暖区降水持续时间长，小时雨量大，具有典型的“列车效应”，是造成特大暴雨的主要降水过程。（2）中低涡东移、副高北抬、中低层低涡暖式切变线影响是暴雨主要环流形势特征，暴雨发生在低层低涡右前部暖式切变和高空强辐散气流下方。（3）暴雨过程开始前对流

2、层中低层双层湿暖盖。位势不层结的建立机制主要与低层增湿和中层变干的湿度差动平流有关，而低层增湿和中层变干过程与中低层风向转变相关联。（4）“7.21”暴雨是在对流层整层不断增湿过程中酝酿、发生和发展的，而且对流层中比低层增湿效应更加明显。与普通暴雨增湿过程和水汽主要集中在对流层中下层不同，深厚的湿度层次，较低的凝结高度和对流高度是其显著特征。:特大暴雨;暖区降水;列车效应;层结与水汽条件分析1 引言暴雨是地区夏季最主要的气象灾害之一，每年和人民生命财产造成较大危害。由于暴雨是中小尺度天气过程和小概率，对它们进行准确分析和精细化预报还比较，为此许多学者进1概括了华北地区暴雨主要天气型，并指出强风

3、暴和暴雨研究中一个很重要的行了不断的研究探索。2强调了位势不问题是位势不层结是如何形成以及怎样被触发的。层结、水汽等环境条件对暴雨发生发展的重要性。2012 年 7 月 21-22 日，、天津及河北北部成立以来最严重的损失，仅市因暴雨洪灾遇难已达 79 人，直接特大暴雨，给人民生命财产造成损失超百亿元。如此罕见的暴雨天气过程，发生在怎样的大尺度环流形势之下？其天气过程、层结和水汽条件又有哪些特殊性？这些问题都需要深入研究。本文利用常规、加密自动气象站、NCEP1º×1º再分析资料，采用动力分析，对上述问题进行分析，希望能为提高地区暴雨天气分析预报能力提供借鉴。2

4、天气特征2.1 降水过程概况2012 年 7 月 21 日 10:00-22 日 02:00（时，下同），地区出现了一次全市性大暴雨，局地特大暴雨天气过程（图 1a）。全市平均降水量 195 mm，全市最大降水量出现在西南部房山区河北镇，高达资助项目气象科学灾害天气开放课题（2012lasw-B07LASW）1460 mm，接近 500 年一遇。暴雨降水带呈西南-东北向，其中特大暴雨区域位于西南部房山区山前和东北部平谷、顺义区山前地带（图 1b）。图 1 暴雨过程降水量分布（a,mm）和地区地形图（b）2.2 降水强度及强降水中心分布（图 2），21 日 12:00 后小时强降水中心雨量均在

5、40 mmh-1地区暴雨过程逐时降水量分布以上，持续时间>10 小时；50 mmh-1 的强降水中心主要分布在西南部房山区和东北部平谷、顺义区山区，持续时间长达 7 小时，其中有 4-5 小时强降水中心的降水强度达到 80-100 mmh-1。如此的降水强度和持续时间最终造成地区破历史的特大暴雨天气过程。2图 2 暴雨过程逐小时雨量分布图(mm),(a)21 日 10:00;(b)21 日 12:00;(c)21 日 14:00;(d)21 日 16:00;(e)21 日 17:00;(f)21 日18:00;(g)21 日 19:00;(h)21 日 20:00;(i)21 日 21:

6、00;(j)21 日 22:00;(k)22 日 00:00;(l)22 日 02:002.3 降水阶段性分析分析华北地区多谱勒雷达回波演变（图略）、逐时雨量分布图（图 2）和房山区坨里站逐时雨量图（图 3）可知，降水过程可分为锋前暖区和锋面降水两个阶段。暖区降水阶段持续 10 个小时（10:00-20:00），其间西南方向不断有回波生成（共 22 个），移向东北并在房山地区加强，具有明显的列车效应，此期间的降水量为 336.3mm，占总量的 86.9%（图 3）。锋面降水阶段持续 7 个小时（20:00-02:00），移向东南，降水量 50.8 mm，占总量的 13.1%。因此，可以说“7.

7、21”暴雨主要由暖区降水造成，并具有“范围广、强度大、持续时间长、移动规律，山地加强，灾害严重”等特点。3100908070605040302010010 00 12:00 14:00 16:00 18 00 20:00 22:00 00:00 02:0004:00time图 3 7 月 21 日 10:00-22 日 02:00房山区坨里站逐时雨量图(:mm)3 成因分析3.1 环流形势特征图 4 500 hPa 位势高度（实线,:gpm）,700 hPa 风场（矢量线）及 200 hPa 风速大于 30ms-1（阴影区）的分布,(a) 21 日08:00;(b) 21 日 14:00;(c

8、) 21 日 20:00由图 4 可见，概略地说中低涡东移、副高北抬、中低层低涡暖式切变线影响是暴雨的主要环流形势特征。低空急流为暴雨提供了充沛的水汽，而低层低涡、急流辐合及急流辐散抽吸作用为暴雨提供了良动力条件。暴雨发生在低层低涡右前部暖式切变和高空强辐散气流下方。3.2 有利的层结分布4precipitation/mm5时在暴雨中心区附近（图 6a）和雨带移向的前方（图 6b）均是强的位势不中心，且雨带移向前方位势不中心这种特征保持至 20:00（图略）。这样的层结分布特征为暴雨中心出现在地区且暴雨云团在 20:00 前主要向东北方向移动提供了有利的条件，这也是暴雨云团“列车效应”（逐次由

9、西南京向东北移动）所要求的位势不层结条件。通常位势不层结的建立主要取决于高低层水汽和热量平流的差异。由图 5c 可知，在位势不层结建立阶段（02:00-08:00），温度随高度递减率基本不变，而相对湿度低层（750 hPa 以下）明显增湿（850 hPa 增加 17%），中层（750-550 hPa）强烈变干（650 hPa 减小 58%）的现象，这说明“7.21”暴雨过程中位势不层结的建立主要与湿度差动平流有关。对比图 5a、b 中 02:00 和 08:00 廓线同样，位层结的建立与相对湿度变化有着相似的趋势。“7.21”暴雨过程中温度差动平流作用有限，并势不没有强对流天气中常见的冷平流，

10、低层暖平流带来的位势不效应。这也“7.21”暴雨在 20:00前主要为暖气团降水过程。对比图 7 可知，造成位势不层结的低层增湿和中层变干过程，与低层和中层的风向转变有密切，即与低层（900-800 hPa）西风减小并开始向东风转变，中层（800-650 hPa）东风转为西风所带来的不同的相对湿、干空气有关。因此，关注暴雨前期中低层风向变化对暴雨预报具有重要作用，因为它既可以是低层水汽的重要来源之一，也是位势不层结建立的一种机制。67：K）,水汽通量（矢量，：10-2g(cmhPas)-1 和水汽通量散度辐合（阴影）（图 8 850 hPa（实线，：10-7g(cm2hPas)-1), (a)

11、21 日 08:00; (b)21 日 14:00; (c)21 日 20:00; (d)21 日 02:00分析暴雨中心区（房山）不同时间相对湿度垂直廓线（图5b）可以看出“7.21”暴雨过程水汽分布特点和增长规律。暴雨前期（02:00）中低层水汽含量虽远大于，但暴雨时（08:00）850 hPa 相对湿度由 75%增至 92%，增量为 17%，450 hPa 相对湿度由 37%增至 93%，增量为 56%，可见中水汽增加的增幅比低层大得多。另一值得注意的现象是此时，中层大气经历了明显的变干过程，这为位势不稳定层结的建立提供了有利条件。而暴雨发生前至暴雨降水增强时段（08:00-14:00）

12、，相对湿度呈现出整层明显的增湿过程，这不仅表现在近地面层（850 hPa 以下），在对流层中层（700-500 hPa）增湿效应更加显著，甚至对流层上层也表现出相对湿度的增加。而且在暴雨主要降水阶段（14:00-20:00），对流层整层维持着相当高的湿度条件，甚至接近饱和。21 日 20:00 后，相对湿度逐渐减小，降水强度也随之减弱。“7.21”暴雨的 0层高度和 900 毫巴以下最高温度均高于普通暴雨，而凝结高度和对流高度均低于普通暴雨（表 1）。这说明此次暴雨过程较暴雨过程空气更为暖湿。，当湿层厚度达到 700 hPa 时，就有利于暴雨的发生2，而这次特大暴雨过程，是在对有研究流层整层不

13、断增湿过程中酝酿、发生和发展的，具有深厚的湿度层次和充沛的水汽条件，这与普通暴雨过程的增湿过程和水汽主要集中在对流层中下层有明显的不同2，这类似“7.21”特大暴雨过程不但要求低层水汽充分，也要求中异常潮湿，因此在进行暴雨分析预报，尤其是进行雨量预报时，除关注低层水汽外，还需重视水汽垂直输送及中增湿作用对特大暴雨的贡献。4 结论综上分析，“7.21”特大暴雨过程具有以下特征：（1）降水过程具有时间长、范围广、强度大等特点，并由锋前暖区和锋面降水组成。暖区降水时间长，8小时雨量大，具有典型的“列车效应”，是造成特大暴雨灾害的主要降水过程。（2）暴雨过程开始前 8 小时对流层中低层双层湿暖盖，开始

14、前 2 小时演变为较强的单层湿度暖盖，开始后湿暖盖消失。湿暖盖的不仅对低空水汽和能量聚集有重要作用，还可以造成其上层位势不的增强。（3）暴雨时刻，对流层中下层层结不性趋于加强，表现出与冰雹和雷暴大风层结度相同的演变趋势。强于普通暴雨的位势不层结为暴雨的发生发展提供了有利条件。位势不层结建立机制主要与低层增湿和中层变干的湿度差动平流有关，而低层增湿和中层变干过程与中低层风向转变相关联。（4）副高东南气流和西南低空急流为暴雨带来了有利的水汽输送和湿度条件。深厚的湿度层次，较低的凝结高度和对流高度是其显著特征。与普通暴雨增湿过程和水汽主要集中在对流层中下层不同，“7.21”暴雨是在对流层整层不断增湿

15、过程中酝酿、发生和发展的，而且对流层中比低层增湿效应更加明显。类似“7.21”特大暴雨过程不但要求低层水汽充分，也要求中异常潮湿，因此在进行暴雨分析与预报，尤其是进行雨量预报时，除关注低层水汽外，还需重视水汽垂直输送及中增湿作用对特大暴雨的贡献。水汽通量辐合与上升的有效配合是暴雨落区位置、强度变化预报的重要参考因素。参考文献：1.之暴雨M.:科学,1980:115-120.2.高等天气学M.:气象,1991:403-413.3,.利用探空资料判别地区夏季强对流的天气类别J.气象,2011, 37(2):136-141.4生,等.地区暴雨、强对流天气分析与预报技术M.:气象,2012:32-54.5,.梅雨暴雨系统中的暖盖J.气象科学院刊,1987, 2(1):12-23.6 Carlson T N, Benjamin S G, Forbes G S, et al.Elvated mi