譚偉才，文映方，李啟華

(解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京 211101)

?

“7.21”北京特大暴雨個(gè)例分析I：水汽條件分析

譚偉才，文映方，李啟華

(解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京 211101)

摘要利用地面觀測(cè)資料、NCEP再分析資料、FNL資料等，對(duì)2012年7月21～22日北京地區(qū)發(fā)生的一次特大暴雨過程中的大尺度環(huán)流背景場(chǎng)和水汽條件進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，此次降水過程可分為2個(gè)階段，第1階段為21日10：00～20：00，呈現(xiàn)對(duì)流性降水的特點(diǎn)，第2階段為21日20：00～22日04：00，以鋒面降水為主；此次特大暴雨過程的影響天氣系統(tǒng)主要有500 hPa低槽、低空低渦、地面倒槽、冷鋒；7月21日北京全天整個(gè)對(duì)流層水汽含量充沛；水汽來(lái)源主要有2支：一支來(lái)自副高外圍海上暖濕東南氣流和南風(fēng)氣流的輸送，一支來(lái)自西南低空急流水汽輸送，其中后一支水汽輸送在此次暴雨過程中起主要作用；北京地區(qū)低空有非常強(qiáng)烈的水汽輻合中心。

關(guān)鍵詞暴雨；環(huán)流背景；水汽條件；強(qiáng)對(duì)流

暴雨是北京地區(qū)夏季主要的災(zāi)害性天氣之一，常給人們的生命、財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失[1]。因此，許多氣象學(xué)者對(duì)北京地區(qū)暴雨進(jìn)行了大量的研究[2-6]，如丁青蘭等[3]研究了北京暴雨的氣候特征，孫繼松[7]分析了地形和城市環(huán)流對(duì)北京大暴雨的影響。這些研究成果為認(rèn)識(shí)北京地區(qū)暴雨的形成機(jī)理、提高暴雨和強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)水平提供了參考依據(jù)。但暴雨出現(xiàn)的變率很大，影響因素復(fù)雜，再加上暴雨一般具有范圍小、歷時(shí)短、強(qiáng)度大和時(shí)空分布不均勻等特點(diǎn)，給暴雨的預(yù)報(bào)帶來(lái)了很多困難。筆者選取2012年7月21日發(fā)生在北京的一次特大暴雨過程，利用北京市國(guó)家級(jí)自動(dòng)觀測(cè)站門頭溝站、延慶站、密云站降水資料以及NCEP 2.5°×2.5°逐日位勢(shì)高度場(chǎng)再分析資料、1.0°×1.0°的FNL資料，分析了此次暴雨發(fā)生發(fā)展過程中的大尺度環(huán)流背景和水汽條件，以期為北京乃至華北地區(qū)暴雨的天氣預(yù)報(bào)提供參考。

1降水過程概況

2012年7月21日10：00～22日02：00北京大部分地區(qū)出現(xiàn)大暴雨、局地特大暴雨天氣過程。此次過程共造成北京約160.2萬(wàn)人受災(zāi)，78人死亡，525架次航班取消，道路橋梁多處受損，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)116.4億元[8]。

從圖1可以看出，此次北京特大暴雨過程大致可分為2個(gè)階段，第1個(gè)階段發(fā)生在21日10：00～20：00，其主要特點(diǎn)是短時(shí)、雨強(qiáng)大、強(qiáng)度變化波動(dòng)顯著等；第2個(gè)階段發(fā)生在21日20：00～22日04：00，降水逐漸平緩，雨強(qiáng)顯著減小，該時(shí)段降水表現(xiàn)為鋒面降水特征。以門頭溝站為例，該站21日13：00～14：00雨強(qiáng)最大，達(dá)54.7 mm/h，之后雨強(qiáng)略有減弱，3 h后雨強(qiáng)又達(dá)51.2 mm/h，具有顯著的中尺度對(duì)流系統(tǒng)活動(dòng)特征；20：00后，降水逐漸減少，主要表現(xiàn)為鋒面降水特征。由上述分析可見，此次特大暴雨具有雨量大、雨勢(shì)強(qiáng)、范圍廣的特點(diǎn)，在北京歷史上極為罕見。

圖1　2012年7月21日11：00～22日03：00門頭溝站、延慶站、密云站逐時(shí)降水量Fig.1　Hourly precipitation in Mentougou Station，Yanqing Station，Miyun Station from 11：00 on July 21 to 03：00 on July 22，2012

2大尺度環(huán)流形勢(shì)分析

從7月21日500 hPa環(huán)流形勢(shì)(圖2)可以看出，中高緯度地區(qū)位勢(shì)高度場(chǎng)呈兩槽兩脊型，即位于烏拉爾山的低壓槽、烏拉爾山東部的高壓脊、貝加爾湖的低壓槽、鄂霍次克海的高壓脊；巴爾喀什湖北部至貝加爾湖西北部為穩(wěn)定的阻塞高壓，其兩側(cè)為低值系統(tǒng)，特別是其東側(cè)貝加爾湖附近低壓系統(tǒng)不斷有來(lái)自極地冷空氣補(bǔ)充，因此呈穩(wěn)定維持狀態(tài)；華北位于貝加爾湖的高空槽前，有正相對(duì)渦度平流輸送，在中低空產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，有利于暴雨的生成；中緯度東部是穩(wěn)定副高，西部有來(lái)自貝加爾湖低壓向南伸展的高空冷槽活動(dòng)，形成有利華北大暴雨的東高西低形勢(shì)。850 hPa(圖3)，華北平原出現(xiàn)閉合低渦，且低渦中心位于北京及其附近地區(qū)，有利于降水形成。分析地面要素場(chǎng)分布可知，21日08：00一個(gè)倒槽從華南向北一直伸展到我國(guó)的最北端，并已形成3個(gè)閉合的低壓中心，其中中間的一個(gè)位于華北地區(qū)，北京位于冷鋒鋒前，地面盛行西南氣流；21日20：00華北地區(qū)受冷鋒控制，北京恰好位于冷鋒鋒面附近(圖4)，冷鋒進(jìn)入位于華北地區(qū)的低壓系統(tǒng)，降水加強(qiáng)[9]。

注：黑色等值線代表位勢(shì)高度(gpm)；紅色等值線代表溫度(℃)；箭頭代表風(fēng)場(chǎng)(m/s)。Note：Black contour represents geopotential height(gpm)；red contour represents temperature(℃)；arrow represents wind field(m/s).圖2　2012年7月21日08：00(a)和20：00(b)500 hPa位勢(shì)高度、風(fēng)場(chǎng)、溫度Fig.2　The 500 hPa geopotential height，wind and temperature at 08：00(a)and 20：00(b)on July 21，2012

注：等值線代表位勢(shì)高度(gpm)；箭頭代表風(fēng)場(chǎng)(m/s)。Note：Contour represents geopotential height(gpm)；arrow represents wind field(m/s).圖3　2012年7月21日20：00 850 hPa位勢(shì)高度和風(fēng)場(chǎng)Fig.3　The 850 hPa geopotential height and wind at 20：00 on July 21，2012

圖4　2012年7月21日20：00地面要素場(chǎng)分布 Fig.4　The pressure at 20：00 on July 21，2012

綜上所述，此次特大暴雨過程主要影響天氣系統(tǒng)是500 hPa低槽、低空低渦、地面倒槽、冷鋒。單獨(dú)的冷鋒降水本來(lái)不會(huì)很強(qiáng)烈，但在上述天氣系統(tǒng)的配合下，形成產(chǎn)生特大暴雨極為有利的天氣形勢(shì)條件。

圖5　2012年7月21日08：00～22日02：00北京站(40°N、116°E)相對(duì)濕度時(shí)間-高度垂直剖面(a)及21日20：00沿116°E的緯度-高度剖面(b)Fig.5　Time-height diagram of relative humidity in Beijing Station(40°N，116°E)from 08：00 on July 21 to 02：00 on July 22，2012(a)and latitude-height diagram along 116°E at 20：00 on July 21，2012(b)

3水汽條件分析

3.1水汽含量從北京站(40°N、116°E)相對(duì)濕度時(shí)間-高度剖面(圖5a)可以看出，在300 hPa以下，北京地區(qū)的濕度條件經(jīng)歷了一個(gè)先增后減的過程；21日14：00～20：00 200 hPa以下整層大氣的相對(duì)濕度均達(dá)100%，極有利于特大暴雨的產(chǎn)生；22日02：00以后，濕度條件逐漸減弱，500 hPa相對(duì)濕度回降至60%左右，對(duì)應(yīng)降水較之前有所減少，但濕度條件仍然較好。從緯度-高度剖面圖(圖5b)可以看出，在38°～42° N整個(gè)對(duì)流層(200 hPa以下)相對(duì)濕度均達(dá)100%，表明水汽經(jīng)向發(fā)展條件深厚，伸展范圍較大。

3.2水汽輸送從圖6可以看出，在此次大暴雨過程中水汽來(lái)源主要有2支：一支是副熱帶高壓外圍的西太平洋海上暖濕東南氣流輸送，另一支則是來(lái)自西南低空急流攜帶來(lái)的暖濕西南氣流。第2支水汽輸送強(qiáng)度明顯強(qiáng)于第1支，且第2支水汽輸送中心位于華北地區(qū)，因此此次暴雨過程中第2支水汽輸送起主要作用，而第1支水汽輸送則是加劇了北京地區(qū)的水汽來(lái)源。

3.3水汽輻合由圖7可知，21日08：00，華北地區(qū)水汽通量散度均為負(fù)值，北京水汽通量輻合較弱，不明顯，水汽通量輻合中心位于山西省。14：00，水汽輻合帶呈狹長(zhǎng)的東北—西南走向，輻合中心向東移入河北省，且強(qiáng)度加強(qiáng)，最大水汽輻合中心達(dá)-70×10-8g/(cm2·hPa·s)以上，且輻合中心后方有連續(xù)的大片輻合帶，說明有持續(xù)的水汽輸入；北京位于該輻合中心的東側(cè)外圍，但北京西部及中部水汽通量輻合強(qiáng)度已經(jīng)較強(qiáng)，北京西側(cè)最大值已達(dá)-60 ×10-8g/(cm2·hPa·s)以上，此時(shí)降水主要發(fā)生在北京中西部。20：00，水汽輻合帶進(jìn)一步向東北方向移動(dòng)，形狀已接近于橢圓型，說明該輻合帶已經(jīng)發(fā)展成熟，達(dá)到最強(qiáng)；北京處于水汽輻合中心，最大值已達(dá)-120×10-8g/(cm2·hPa·s)以上，此刻北京全市降水強(qiáng)度達(dá)最大。22日02：00，水汽輻合帶開始向東北移出北京，北京位于該輻合帶中心的西側(cè)，但北京東部水汽通量輻合強(qiáng)度仍然很強(qiáng)，此時(shí)北京西部降水減弱，降水主要發(fā)生在北京東部。綜上所述，此次暴雨過程中，北京地區(qū)水汽通量散度與降水過程有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，水汽通量輻合較弱時(shí)，北京降水較少；水汽通量輻合強(qiáng)烈時(shí)，北京降水增強(qiáng)，降水顯著。

注：陰影代表水汽通量[g/(cm·hPa·s)]；箭頭代表風(fēng)矢(m/s)。Note：Shadow represents moisture flux [g/(cm·hPa·s)]；arrow represents wind vector.圖6　2012年7月21日20：00 850 hPa水汽通量和風(fēng)矢Fig.6　The 850 hPa moisture flux and wind vectors at 20：00 on July 21，2012

注：a.21日08：00；b.21日14：00；c.21日20：00；d.22日02：00。Note：a.July 21 08：00；b.July 21 14：00；c.July 21 20：00；d.July 22 02：00.圖7　2012年7月21～22日850 hPa水汽通量散度[單位：10-8g/(cm2·hPa·s)]Fig.7　The 850 hPa moisture flux divergence on July 21-22，2012

4結(jié)論

(1)此次“7.21”北京特大暴雨過程降水可分為2個(gè)階段，第1階段為21日10：00～20：00，呈現(xiàn)短時(shí)、雨強(qiáng)大且強(qiáng)度變化顯著的對(duì)流性降水特點(diǎn)；第2階段降水為21日20：00～22日04：00，降水相對(duì)平緩，降水強(qiáng)度顯著減小，主要以鋒面降水為主。

(2)此次“7.21”北京特大暴雨過程是一次典型的高空槽伴冷鋒型的特大暴雨流型配置。中高緯度為兩槽兩脊形勢(shì)，主要影響天氣系統(tǒng)是500 hPa低槽、低空低渦、地面倒槽、冷鋒。單獨(dú)的冷鋒降水本來(lái)不會(huì)很強(qiáng)烈，但在這些天氣系統(tǒng)的配合下，形成了產(chǎn)生特大暴雨極為有利的天氣形勢(shì)條件。

(3)水汽條件分析表明，7月21日北京全天水汽含量充沛，相對(duì)濕度>60%的高濕條件達(dá)200 hPa以上，表明水汽含量相當(dāng)深厚。從水汽輸送來(lái)看，此次暴雨過程中，水汽來(lái)源主要有2支：一支來(lái)自副高外圍海上暖濕東南氣流和南風(fēng)氣流的輸送，一支來(lái)自西南低空急流水汽輸送，其中后一支水汽輸送在此次暴雨過程中起主要作用。從水汽通量散度來(lái)看，北京地區(qū)低空有非常強(qiáng)烈的輻合中心。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學(xué)原理和方法[M].北京：氣象出版社，2011：321-323.

[2] 李健，宇如聰，王建捷.北京市夏季降水的日變化特征[J].科學(xué)通報(bào)，2008，53(7)：829-832.

[3] 丁青蘭，王令，陳明軒，等.北京地區(qū)暖季對(duì)流天氣的氣候特征[J].氣象，2007，33(10)：37-44.

[4] 陳靜，劉琳.2011年汛期北京城市暴雨特征及其災(zāi)害成因初步分析[J].暴雨災(zāi)害，2011，30(3)：282-287.

[5] 張朝林，季崇萍，KUO Y H，等.地形對(duì)“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(jìn)展，2005，15(5)：572-578.

[6] 吳慶梅，郭虎，楊波，等.地形和城市熱力環(huán)流對(duì)北京地區(qū)一次β中尺度暴雨的影響[J].氣象，2009，35(12)：58-65.

[7] 孫繼松.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)，2008，32(6)：1352-1364.

[8] 孫繼松.“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，2012，31(3)：218-225.

[9] 陶詩(shī)言.中國(guó)之暴雨[M].北京：科學(xué)出版社，1980：116-117，3-4，85-86.

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41175054)。

作者簡(jiǎn)介譚偉才(1991- )，男，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向：中尺度氣象學(xué)。

收稿日期2016-03-30

中圖分類號(hào)S 165+.29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)13-247-03

Analysis of a Torrential Rain Occurring in Beijing on 21 July 2012: Moisture Analysis

TAN Wei-cai, WEN Ying-fang, LI Qi-hua

(College of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing, Jiangsu 211101)

AbstractUsing the ground observational data, NCEP data, FNL data,etc.the large scale circulation background and moisture condition of a torrential rain occurring in Beijing during July 21-22, 2012 was analyzed.The results showed that the precipitation process can be divided into two phases.The first stage was from 10:00 to 20:00 on July 21,in which the precipitation was mainly from the convective system. The second stage was from 20:00 on July 21 to 04:00 on July 22,in which the precipitation was mainly from the frontal system.The main systems influencing the precipitation process were trough at 500 hPa,low vortex,the ground inverted trough,a cold front.On July 21,the whole troposphere in Beijing area had sufficient moisture.Moisture mainly came from water vapor transport by southeast flow and south flow outside the subtropical anticyclone and the southwest jet at low level which plays a major role in the whole process.Very strong vapor convergence center appeared in Beijing area.

Key wordsRainstorm; Circulation background; Moisture condition;Severe convection