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  气象   2008, Vol. 34 Issue (8): 3-14.  

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赵玮, 王建捷, 2008. 北京2006年夏季接连两场暴雨的观测对比分析[J]. 气象, 34(8): 3-14. DOI: .
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Zhao Wei, Wang Jianjie, 2008. Comparison and Analysis on Two Successive Torrential Rain Events over Beijing in Summer of 2006[J]. Meteorological Monthly, 34(8): 3-14. DOI: .
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资助项目

本文得到科技部奥运科技专项课题《北京奥运短时临近预报实时业务系统研发》(2005BA9 04B05)的支持

文章历史

2008年4月15日收稿
2008年5月22日收修定稿
北京2006年夏季接连两场暴雨的观测对比分析
赵玮 1, 王建捷 2    
1. 中国气象科学研究院,北京 100081
2. 北京市气象局
摘要:利用北京地区高时空分辨率的地面自动站资料、多普勒雷达数据、卫星图像、风廓线数据以及6小时一次的NCEP再分析资料等,对2006年7月31日和8月1日接连发生在北京地区的两场暴雨做观测对比分析。结果表明:(1)7月31日降水为典型的华北强低槽锋面影响下的北京大范围强对流降水,8月1日降水为该华北低槽东移变为低压后的一次飑线影响下的北京部分地区强对流降水;两场暴雨大尺度环境条件相似,但与7月31日相比8月1日贯通南北的远距离水汽输送以及干冷空气与暖湿空气在北京地区的对峙已明显减弱,即形成全北京范围扰动的环境条件已经减弱。(2)两场暴雨的中尺度对流系统在形状、强度、移动路径等方面均有不同,但两场暴雨的中尺度对流系统的发展都与地面中尺度辐合线的发展有密切联系。(3)两场暴雨发生前北京局地对流层低层风场短时间变化特征不同,但低层偏东风和近地面东南风的出现,对于北京这两场暴雨的产生是比较关键的,预报中应该加以关注。
关键词暴雨    中尺度对流系统    观测分析    
Comparison and Analysis on Two Successive Torrential Rain Events over Beijing in Summer of 2006
Zhao Wei1, Wang Jianjie2    
1. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081;
2. Beijing Meteorological Bureau
Abstract: Comparison and analysis on two successive torrential rain events occurred in Beijing on 31 July and 1 August of 2006 were conducted using high spatial-temporal resolution data, such as auto-weather station (AWS) network data, Doppler radar data, wind profile data, satellite images and NCEP analysis data. It is revealed that the two successive torrential rain events are affected by the same large-scale trough at 500hPa from Hetao area of North China, but in their different temporal phases. Although the two torrential rain events have similar large-scale environmental conditions, there are still slight differences in diagnostic results. For instance, the long distance transfer of moisture from south to north and the confrontment of cold air and warm air over Beijing area in the second event become weaker compared to those in the first one. Investigation using AWS and Weather Radar data shows that the two rainstorms are induced by mesoscale convective systems, developments of which are closely related to the evolutions of mesoscale convergence lines of surface. However, the features, such as the size, shape, track, radar reflectivity and lifetime of mesoscale convective systems between the two torrential rain events, are quite different. The occurrence and duration of easterly winds in planetary boundary layer (PBL) in Beijing few hours before the start of rainfall events seem essential to the formation of the torrential rainfalls, although vertical and temporal evolutions of easterly winds in PBL for the two events are different.
Key words: torrential rain    mesoscale convective system    observational analysis    
引言

暴雨是北京地区夏季比较多见的高影响天气之一。受所处地理位置、地形和城市发展等多种因素的影响,北京地区的暴雨有其独特性和复杂性[1-3],暴雨多出现在盛夏、降水量及暴雨次数虽然无法与南方地区相比,但是夏季降水常表现出的突发性、局地性、短历时和高雨强,对北京这样一个快速发展的超大城市的影响是多方面和严重的[4-5]

暴雨作为国际国内研究热点和难点之一,长期得到气象学者的关注。我国气象学者经过长期不懈的努力,特别是近20年来通过大型科学试验和重点研究与攻关项目的带动,对我国暴雨的研究不断深入,尤其是对我国南方暴雨进行了比较持续和系统性的研究,在季风与暴雨、暴雨产生的环境条件与系统、高低空急流与暴雨、水汽收支与能量输送、多尺度天气系统相互作用、不同纬度间系统的相互作用、暴雨云系的卫星云图和雷达回波特征以及暴雨预报方法等方面取得了一系列成果[6-18]。这些成果不仅对认识暴雨、而且对指导预报实践都产生了积极作用。然而,由于暴雨发生发展的机理相当复杂,它是多尺度天气系统相互作用的产物、由中尺度系统直接影响所致,而业务气象探测网对中尺度系统的探测能力仍然相当有限,因而关于暴雨中尺度系统及结构、对流发展的局地物理条件及其变化过程、暴雨发生发展机理等,仍然是暴雨研究中的挑战性难题。这些未解难题直接影响了对暴雨规律的认识和把握,从而成为提高暴雨预报准确率的瓶颈。

我国气象事业的发展和北京近些年筹备奥运气象服务工作的进展,极大推动了北京地区综合探测现代化建设的步伐和业务化进程,已经可以实时获取有着高时空分辨率的地面自动站资料、多普勒雷达数据、卫星云图和TBB资料、风廓线数据、微波辐射计资料等。这些资料不仅为北京地区暴雨预报预警,而且为暴雨观测分析和研究提供了有利条件和基础。本文即是应用时间分辨率≤1小时的地面自动站、雷达、卫星和风廓线以及每6小时一次的NCEP再分析资料等,对2006年7月31日和8月1日北京地区接连两场暴雨进行观测分析,因为这两场暴雨具有一定典型性,它们对北京城区的影响正好分别是在上班早高峰期和下班晚高峰期,给城市交通和市民正常工作和生活带来明显影响。本文期望通过较为细致的观测对比分析,揭示在同一个天气尺度系统不同阶段影响下的两场暴雨的特征和暴雨发生的大尺度环境条件及其差异,分析暴雨中-β尺度对流系统及其演变过程,并尝试为综合探测资料在夏季暴雨预报预警中的应用提供着眼点。

1 暴雨的特征

2006年7月31日和8月1日,北京地区先后下了两场暴雨。7月31日为华北地区较大范围的降雨过程,暴雨区覆盖整个河北中部至北京中南部地区,北京只是中尺度暴雨区的一部分;而8月1日暴雨的范围要小得多,是一场局地暴雨,主要落区为北京市区。本文关注的重点是北京地区的暴雨。地面降水观测显示,北京的两场暴雨分别发生在2006年7月31日08—14时和8月1日16—20时。从12小时累积降水量分布看,7月31日暴雨(此后简称第一场暴雨)过程华北中南部地区出现大范围较强降雨,北京出现全市性降雨、北京城区和整个南部郊区为大雨局部暴雨,最强降雨出现在城区的来广营(70.6mm•h-1),强降水分布在中南部呈片状;8月1日暴雨(此后简称第二场暴雨)过程北京市大部分地区出现了降雨,山前平原地区分布着东北西南向的窄长中雨区、其中局部点为大到暴雨,最强降雨出现在城区的青龙桥(45mm•h-1),强降水沿山前平原呈点状分布(见图 1)。

图 1a 2006年7月31日06—18时12小时(北京时)降水量

图 1b 2006年8月1日12时至8月2日00时12小时降水量图(北京时)

从地面逐时雨量图(图 2a)上可以看到,第一场暴雨为一个相对较大雨团连续移动所致。雨团是自西南的房山穿过城区移到顺义和平谷的,移动路径呈西南—东北走向;雨团直径大约60km,移到城区时发展到最强、移到平谷后明显减弱。8—9时,雨团中有3个强降水中心,分别位于北京南部、石景山区和海淀区,以北京南部的雨量最大(44.9mm•h-1);9—10时,雨团中强降水中心移到朝阳区变为一个中心,位于来广营,出现了该场暴雨的最大小时降水(达到了70.6mm•h-1);此后雨团向东偏北方向移动,分裂成两个降水中心但强度明显减弱。雨团在北京的活动期为7月31日上午的08—12时、维持了大约4小时,追溯进京前后,该雨团的生命期约为5~6小时。

图 2 2006年7月31日09—12时(北京时)(a)和8月1日16—19时(b)地面1小时降水量分布及雨团移动演变图

与第一场暴雨不同,第二场暴雨是孤立雨团移动或新生所致(图 2b)。雨团直径较小(在20~30km),16时首先在北京北部山前的怀柔出现了一个孤立雨团;17时该雨团南移并加强,与此同时在西部山前门头沟出现一个孤立雨团,并且沿西部和北部山前一线产生了弱降水,在海淀区也有一个孤立小雨团出现;18时山前平原区变成带状降水区,原在北部和西部山前的两个孤立雨团向东南移动,与海淀区发展加强的雨团呈东北—西南线状排列,该加强雨团造成青龙桥45mm•h-1暴雨;之后上述3个雨团继续向东南移动并减弱,19时以后进一步减弱消失或移出北京。几个雨团生成时间略有差异,但活动期在8月1日午后到傍晚的15—20时,雨团生命期大约为3小时。

总的来说,这两场暴雨都有明显的中-β尺度活动特征,历时短、强度大,最强降水出现在城区是其共同特点。与此同时,两场暴雨的中尺度特征具体表现又有明显不同。如:影响范围大小不同,第一场为面状、范围较大,由一个直径60km左右的较大雨团连续移动影响所构成;第二场为线状、范围相对要小,是孤立小雨团(直径约20~30km)移动或新生所产生。强降水区移动路径不同,第一场自西南向东北移动;第二场自西北向东南呈线状排列移动。影响时间和雨团生命史不同,第一场暴雨出现在上午,雨团生命史5~6小时;第二场暴雨出现在午后到傍晚,雨团生命史更短、约3小时。

2 暴雨大尺度环境条件及其差异

2006年7月31日至8月1日北京地区先后两场暴雨,发生在相似的高空大尺度环流背景下,受500hPa高空西来槽不同发展阶段的影响。在第一场暴雨发生前的7月31日08时,500hPa槽位于河套地区,北京处于低槽前部,即将受其影响。此时黑龙江西部到内蒙古东部地区有一个低压槽维持,西太平洋副热带高压主体呈块状分布,588线北界基本维持在38°N附近,大于592dgpm的闭合中心位于30°N附近的长江下游到江南一带。850hPa天气图(图 3a)上可看到,500hPa河套低槽系统在对流层低层表现为一个闭合低压并伴有冷、暖式切变线;暖式切变线位于北京西南方向的河北南部,北京在暖切变线前部的弱偏东气流中;切变线的南边是一支强劲的低空西南急流,最大风速中心位于山东(16m•s-1)。这支低空急流沿副高西部和北部边缘贯通南北,这显然对水汽和能量源源不断地从南海向华北输送十分有利。对应地面图上在110°E附近有一近于南北向的冷锋,北京位于锋前暖区低压倒槽中。值得注意的是在31日08时,低压倒槽顶部石家庄到北京南部地区有一个中-β尺度低压环流生成(图 3d),之后发展东移直接影响北京地区降水。在对流层高层,200hPa有一支明显的高空急流,最大风速超过50m•s-1,急流核在45°N附近,北京位于急流核入口区右侧,同时也是在低空急流核的左侧。7月31日暴雨是典型的华北低槽冷锋暴雨。

图 3a 2006年7月31日08时(北京时)850hPa天气图

图 3d 2006年7月31日08时(北京时)地面天气图

从天气图分析不难知道,在第一场暴雨到第二场暴雨间隔不到30小时里,中国大陆范围内的环流形势没有发生明显调整,500hPa槽脊系统缓慢东移,其分布没有明显改变。暴雨发生前的8月1日14时,河套地区低槽移动到116°E左右的北京上空,并且切断出低压中心,高空冷空气已开始侵入北京(图 3b);850hPa北京仍受低值系统影响,但已由暖切变控制变为低压槽控制,低空急流依然存在,最大风速中心往东北方向移动,北京虽还处于低空急流左侧但急流核位置已有所远离;200hPa高空急流经向度加大,最大风速中心东移有所减弱。对应在地面图上,冷锋南压过北京,北京处于高压底部的高低压过渡区里,地面高压尚未控制北京。8月1日暴雨则是华北低槽东移切断变为低压后的产物。将高中低层主要系统叠加在一张图上可以发现,两场暴雨都发生在有利的相似大尺度环境条件下,即北京处于500hPa低压槽前(或槽区)、位于高低空急流之间的高空急流核入口区右侧与低空急流核出口区,高空辐散、低空辐合,有利于动力抬升和低层能量输送的环境之中(图 3c)。

图 3b 2006年8月1日14时(北京时)500hPa天气图

图 3c 2006年7月31日08时(北京时)高低空系统配置

尽管两场暴雨的大尺度环流背景从天气图定性的角度看在整体上比较相似、差异不是很明显,但是进行具体的物理量诊断时,却可以清晰地看到两场暴雨大尺度环境条件的差异、特别是低层暖湿条件方面的差异。如:在水汽通量的分布上,在第一场暴雨(7月31日)存在一支贯通南北的水汽通道,使水汽沿着副热带高压外围从南海和台湾东南海面一带向华北输送;但在第二场暴雨时(8月1日)南北贯通一线的水汽输送通道不存在了,水汽的远距离输送明显减弱(图 4ab),这或许也是第二场暴雨持续时间比第一场暴雨短的原因之一。再看假相当位温θse的分布。第一场暴雨时(7月31日08时),全北京区域位于850hPa能量锋区中,即处于低层冷与暖、干与湿交绥最明显的区域,容易产生扰动并得到发展而影响整个北京(图 4c)。到了第二场暴雨时(8月1日14时),能量锋区已南压到河北南部一带并有所减弱,对于北京而言,产生大范围扰动所需的冷与暖、干与湿对峙的有利环境条件已明显减弱(图 4d)。这从116°E假相当位温θse和相对湿度垂直剖面图上可以看得更清楚,7月31日08时,北京(40°N附近)所在之处锋区两侧暖湿空气与干冷空气对峙明显,600hPa以下大气层结是对流不稳定的。8月1日14时,北京低层大气虽仍然是对流不稳定的,但锋区已南移,位于河北南部,高湿柱随着锋区一起移动到了北京以南地区(图略)。

图 4a 2006年7月31日08时850hPa水汽通量图

图 4b 2006年8月1日14时850hPa水汽通量图

图 4c 2006年7月31日08时850hPa假相当位温θse分布图(c)

图 4d 2006年8月1日14时850hPa假相当位温θse分布图(d)

综上所述,500hPa西来河套槽东移过程中的两个不同发展阶段,即加深的槽和切断为低压槽,分别是北京7月31日和8月1日两场暴雨的主要天气尺度影响系统。7月31日第一场暴雨是典型的华北低槽冷锋暴雨,它的大尺度环境场提供了有利暴雨发生的条件:较强的上升运动、充足的水汽输送以及不稳定的大气层结。8月1日,大尺度环流背景和动力条件虽与前一天有不少相似之处,但贯通南北的远距离水汽输送以及干冷空气与暖湿空气在北京地区的对峙已明显减弱,即形成全北京范围扰动的环境条件已经减弱,第二场暴雨是低压槽控制下的对流活动的产物,而非全区域性的暴雨。

3 暴雨中尺度对流系统 3.1 暴雨中尺度对流系统的云图特征

从大范围的卫星云图可以看到,7月31日02时在上游,500hPa河套低槽前有一条冷锋云系缓慢东移发展;与此同时河套南部到黄河中下游一带是西太平洋副高西北边缘的带状降水云系,此云系亦正好位于低层的能量锋区(θse密集带)附近,与低层切变线相配合,一些大小不一、发展强烈的中尺度对流云团或复合体主要分布在河套槽冷空气和副高边缘暖湿气流近距离交汇的地带(图略)。7月31日早晨08时33分,随着河套槽逼近北京和低层切变线北移,槽前冷锋云系与副高边缘云带在北京西南上游的河北南部地区耦合,在两条云带的交汇处,一个新生的中尺度对流系统发展并随冷槽东移,在此过程中影响北京、造成第一场暴雨(图 5,见彩页)。此后北京上空对流云系消散,副高边缘云带南撤。第二场暴雨发生前北京上空有小的对流云团发展,西太平洋副高西北边缘的带状云系从黄河中下游南移到黄淮地区(位于低层能量锋区附近)。与7月31日相比,8月1日北京地区上空为局地孤立对流云团,副高云系南撤,没有出现两条系统性云带交接的现象。

图 5 2006年7月31日08时红外卫星云图(北京时)
3.2 暴雨中尺度对流系统的雷达回波特征

用北京南郊每6分钟一次体扫的SA新一代多普勒雷达资料对两场暴雨的中尺度对流系统的发展演变作分析诊断,发现第一场暴雨的中尺度对流系统是尺度为50~60km的块状对流系统,而第二场暴雨的中尺度对流系统是一条飑线。2006年7月31日早晨7时07分,位于北京西南方向的河北涿州市和涞水县一带有零星对流回波生成发展,回波强度约40dBz。8时左右,这些零星对流回波合并发展,强度达到55dBz,成为水平尺度约为50km的对流回波系统,其前部已经进入北京南部,受地形影响,回波沿着北京西部山脉向东偏北方向前进,此时北京西山山前有多个孤立弱回波单体发展(图 6a,见彩页),对应地面北京房山区南部、门头沟、昌平等区县出现零星降水。8时40分以后,该中尺度对流回波系统在前进过程中与山前对流单体回波连成一片,呈现出更有组织的发展,9时左右在回波图上呈现出一个横着的“人”字形回波(图 6b,见彩页)。所谓“人”字形回波是与高低空影响系统相联系的,“撇”是低槽云系的反映,“捺”是切变线回波,是造成北京暴雨的主要云团。本文主要关注的是人字形回波的“一捺”,在其前进过程中不断有对流单体发展并且汇入其中,9时20分左右对流系统主体逐渐移动到海淀、朝阳区上空,强回波面积不断增大,水平尺度增长到60~70km(图 6c,见彩页),低层风场为大片风向辐合区,9时到10时之间该对流系统缓慢移动,造成市区大暴雨,朝阳的来广营站9—10时降水量70.6mm。图 6e(见彩页)是沿9时20分回波图上最强回波所做的剖面图,可以看到回波体的顶端发展到12km以上,大于50dBz的回波从8km左右高度一直伸展到地面,该单体还会继续发展加强。10时以后,对流系统东移减弱,11时以后北京城区上空剩下一些零碎的对流回波。

图 6 2006年7月31日雷达1.5°仰角反射率因子 (a) 08:04, (b) 08:59, (c) 09:20, (d) 10:00, (e) 09时20分城区上空最强对流回波单体反射率因子垂直剖面图(北京时)

第二场暴雨发生前8月1日下午14时,北京北部山区首先有多个对流单体生成,随后对流单体发展下山,在15时27分,北部山前和西部山区多个孤立单体排成一线,这些对流单体或移动或发展(图 7a,见彩页),在16时04分,北部怀柔—密云一带几个单体连成一线,最大回波强度达67dBz,此时西部山前也有几个发展比较旺盛的对流单体逐渐连在一起。24分钟后(图 7b,见彩页),在海淀区出现一个对流单体,并且该单体在几分钟之内快速发展,回波强度在16时34分由50dBz增至64dBz,对这个对流单体做剖面(图 7e,见彩页)可以看到大于55dBz的回波从8km高度一直伸展到地面,最强回波在3km高度达到65dBz以上,说明这个单体发展是很旺盛的。此后北部和西部的对流带向这个新生单体移动,在17时左右形成一条飑线(图 7c,见彩页)。图 7f (见彩页)是沿飑线的排列方向剖面,可以看到该飑线由多个对流单体组成,这些单体的回波高度并不高,大于40dBz的回波高度不超过10km,但是这些单体的回波强度较强,多数单体的最大回波强度达到60dBz以上。18—19时飑线移过北京,移动方向西北—东南向,给北京市区带来暴雨天气。

图 7 2006年8月1日15:27(a)、16:28(b)、17:35(c)、18:59(d)雷达1.5°仰角反射率因子演变和16:34分回波单体(e)、17:35与飑线平行方向(f)雷达反射率因子垂直剖面
3.3 暴雨中尺度对流系统的地面观测特征

结合地面自动站逐时资料分析看,7月31日8—9时雷达回波在北京、特别是南部地区更有组织地发展,是与图 3d中石家庄到北京南部地面中-β低压环流北部一侧风场辐合区的发展相联系。由图 8a可知,7月31日07时,北京西山山前形成了一条近南北向的中尺度风场辐合线,辐合线的左侧是偏北风,右侧是偏东风,08时,中尺度辐合线向东移动,辐合线上及其后部出现块状中尺度正变压和冷中心,中心位于辐合线后,这正是对流发展在地面要素上的表现。09时,中尺度辐合线移动到城区,且辐合加强,其后部中尺度正变压中心强度有所增强,块状结构更为明显,说明中尺度对流系统在08时到09时之间发展旺盛。10时中尺度辐合线有所减弱,11时中尺度辐合线减弱消失。降水发生后,地面温度场上表现出降水的伴随降温现象,冷中心与暴雨中心较一致。

图 8a 2006年7月31日07—09时(北京时)地面风场、1小时变压场

对应地面温、压、风场可知,8月1日16时北京城区是一个暖中心,而北部山区的温度要比城区低8℃左右。强烈的温度差异引发热力对流,在海淀区出现尺度很小的气旋性环流,对应雷达回波在海淀区产生了一个强对流单体(图略)。17时地面风场上有两条风场辐合线,一条位于北部密云县区,一条位于城区及以南。值得注意的是在密云县辐合线的后部有反气旋环流出现,说明有中尺度高压产生,配合变压场上有正变压出现。16—17时温度场上表现出强烈的温度梯度,有一条等温线密集带沿西南—东北向分布,其后有几个小的温度低值中心紧随温度密集带移动,在这段期间海淀区温度骤降。17—18时,两条辐合线合并成一条,向东南方向移动,其后部中尺度正变压呈带状且强度加强,此时海淀和朝阳区有暴雨。对应温度场上出现伴随降温,在海淀和朝阳区是一个低温中心,19时中尺度辐合线移出北京(图 8b)。

图 8b 2006年8月1日14时、17—18时(北京时)地面风场、1小时变压场

通过上述分析可知,两场暴雨中尺度对流系统发生发展的相同之处表现在对流的旺盛发展均与地面中尺度辐合线的加强相联系,辐合线上及其后部有正变压尾随辐合线移动。不同之处表现在:(1)第一场暴雨的中-β尺度对流系统生成于北京地区东面的冷锋云系和北京南面的暖切变云带近距离交汇处,第二场暴雨是局地对流云团影响。(2)第一场暴雨为块状中-β尺度对流系统连续移动造成,第二场的中尺度对流系统为一条飑线。(3)第二场暴雨中尺度对流系统的雷达回波强度比第一场的低,发展高度没有第一场的高,这也可能是第二场暴雨降水比第一场降水量少的原因之一。

4 局地低层风场变化对暴雨的影响 4.1 第一场暴雨低层风场特征

7月31日和8月1日两场暴雨最大中心都发生在城区,利用城区海淀站风廓线(有效探测高度约3.5km)资料,分析暴雨发生前后局地对流层低层水平风的垂直变化和时变特征,发现两场暴雨发生前对流层低层局地水平风的变化特征有明显不同,尽管两场暴雨的发生都与局地边界层内短时(数小时)偏东风的建立有关。

分析可知:第一场暴雨发生前约4小时(7月31日凌晨4点左右),海淀局地对流层低层有偏东风开始建立,水平风从前期比较零乱的垂直分布状态向比较系统的偏东气流转变,风向随高度顺转,即本站对流层低层开始有一致的暖平流输送。偏东气流在1500~1800m和300~600m两个层次里表现尤为清楚,呈现上下两个东风大值层,其中1500~1800m层偏东风在暴雨发生前1小时(7月31日早晨7时左右)迅速向上扩展接近3000m,使偏东风垂直层在暴雨即将发生时变得更加深厚(图 9a)。海淀东偏南方向直线距离约32km的南郊观象台风廓线也观测到上述低层偏东风发展变化的类似特征,说明低层东风的发生在水平空间上具有一定范围(中-β尺度或者更大一些),应该是与低层一定尺度系统的演变相联系的。结合850hPa天气系统和地面中尺度系统进行分析,可以知道:第一场暴雨发生前数小时北京局地低层较深厚的一致偏东风的建立,特别是1500m~1800m偏东风大值层的发展,是850hPa位于北京南部的中-α尺度暖式切变线向北京逼近的结果,即1500~1800m东风层是对流层低层切变线北侧的系统性东风。而近地面偏东风大值层的出现则很可能是地面倒槽中石家庄到北京之间的中-β低压环流(图 3d)的产物,即300~600m东风层的出现与局地环流有关。因为暴雨临近时这一地面中-β低压环流系统的生成,正好使位于该环流中心北侧的北京南部地区(包括城区)出现偏东风,随着该中-β低压环流的东移,海淀暴雨发生后风廓线图上近地面转为偏北风,似乎也佐证了这一点。

图 9 2006年7月31日(a)、8月1日(b)海淀风廓线图 时间分辨率为6分钟,垂直高度单位:m

以上分析显示,在高低空有利的大尺度背景和系统配置下(图 3c),500hPa河套西来冷槽东移过程中,7月31日凌晨,槽前低层850hPa的中-α尺度暖式切变线由南向北京的逼近和地面倒槽中石家庄到北京之间的中-β低压环流的生成(从风廓线观测估计,该系统可能具有一定垂直厚度,即在600m以内的近地面层都有表现),在时间和垂直空间上的耦合发生,一方面诱发了北京南部地区到城区一带低层深厚的偏东风的发展和暖平流输送,使第一场暴雨发生前数小时局地低层能量积累明显增强、对流潜势加大;另一方面为北京第一场暴雨的发生提供了直接的中尺度动力强迫条件——850hPa和近地面的中尺度辐合和正涡度,从而触发对流的发生。

4.2 第二场暴雨低层风场特征

分析表明,第二场暴雨(8月1日)发生前数小时,北京局地低层也有偏东风建立。由图 9b可看到,从第二场暴雨前发生4~5个小时(即8月1日中午),900m以下的近地面层首先开始由偏北风主导转为以东南风主导,之后东南风逐渐向上发展达到1200m高度。与第一场暴雨发生前偏东风相比,第二场暴雨东南风垂直厚度相对浅薄、风速相对较小、偏东风风向随高度的变化亦缺乏系统性。然而,第二场暴雨(临近时)低层东南风建立之前,连续十多个小时(从第一场暴雨之后的31日夜间至8月1日上午),对流层低层尤其是850hPa及其以下为偏北风或东北风,风向随高度始终是顺转的(海淀和南郊观象台风廓线表现出同一特征),表明北京地区对流层低层有持续暖平流输送,这显然会加大对流不稳定(31日20时南郊观象台探空显示700hPa以上是冷平流),并为第二场暴雨的发生积累能量。

第二场暴雨前,东南风的出现发生在午后,主要表现在近地面层,风由平原吹向山区(图 8b,14时)。这一表现以及东风出现前(31日夜间至8月1日中午)北京地区地面要素特征——北京处于地面高压前部低压倒槽后部的弱气压梯度区内(地面自动站观测显示,北京西部北部山前的平原地带基本上是一个“均压”区,气压差别很小);地面没有明显冷空气活动,平原与山区之间的温差主要是地形高度不同所造成的“自然”差别(按照干绝热递减率订正到同一高度时,平原与山区之间就表现不出什么温差了),似乎暗示第二场暴雨前东南风的出现与北京特殊地形条件(西部北部是山区,山前东南部为平原)有一定关系,即与山区和平原地表热力差异引起的“山-谷”风环流的日变化有关。进一步可以看到,东南风出现两小时后(大约下午16-17时),北部、西部山区迎风坡先后有孤立的对流系统(单体)发展和局地中雨发生(图 2b),可见近地面东风的出现,对第二场暴雨早期对流的发生是有贡献的。

5 小结

本文通过对7月31日和8月1日北京地区接连两场暴雨进行细致的观测对比分析,得出以下结论:

(1) 500hPa西来河套槽东移过程中的两个不同发展阶段,即加深的槽和切断为低压槽,分别是北京7月31日和8月1日两场暴雨的主要天气尺度影响系统。第一场暴雨是典型的华北低槽冷锋暴雨,第二场暴雨是低压槽控制下的对流活动的产物,而非全区域性的暴雨。

(2) 这两场暴雨都有明显的中-β尺度活动特征,历时短、强度大,最强降水出现在城区是其共同特点。同时,两场暴雨的中尺度特征具体表现又有明显不同,分别表现在影响范围大小不同、强降水区移动路径不同、影响时间和雨团生命史不同等方面。

(3) 两场暴雨均有有利的大尺度环境条件,较强的上升运动、不稳定的大气层结等。8月1日大尺度环流背景和动力条件虽然与前一天有不少相似之处,但是远距离水汽输送以及干冷空气与暖湿空气在北京的对峙比前一天明显减弱,即形成全北京范围扰动的环境条件已经减弱。

(4) 两场暴雨均由中-β尺度对流系统引起,第一场暴雨的中-β尺度对流系统是冷锋云系与副热带高压西北边缘暖湿云带近距离交汇处产生,发展影响北京,第二场暴雨的中尺度对流系统是冷涡内午后热对流引发的飑线。

(5) 通过雷达回波分析(配合地面温、压、风场信息)可知,第一场暴雨是由水平尺度在60km左右的块状中尺度对流系统自西南向东北连续移动产生,8—9时雷达回波在北京、特别是南部地区更有组织地发展,是与北京城区及南部地面中尺度辐合线的发展相联系的。随着中尺度辐合线的东移,雷达回波主体移动到城区,在9—10时旺盛发展,致使城区出现暴雨。第二场暴雨是线性中尺度对流系统——飑线自西北向东南方向移过北京造成的,16—17时对流的发展与地面中尺度辐合线的发展加强有关。伴随飑线过程,地面中尺度辐合线后部尾随中尺度高压,16—17时地面温度场表现出很强的温度梯度,海淀区降温明显。

(6) 分析可知,两场暴雨发生前的局地风场演变条件是不同的。但北京低层偏东风和近地面东南风的出现以及地面辐合线的形成,对于北京这两场暴雨的产生是比较关键的,预报中应该加以关注。

致谢:感谢北京市气象局王迎春、孔荣、魏东,中国气象科学研究院樊利强为本文提供资料和在数据处理方面给予的帮助。

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