吴进,主要从事北京地区天气预报.Email:
本文基于2013—2015年北京铁塔的气象观测数据,结合VDRAS、地面自动站、NCEP再分析资料等,将短时强降水个例分为地面辐合线型和无地面辐合线型两类,并着重对两类短时强降水天气的边界层气象要素演变特征进行分析,寻找短时强降水发生的预报信号。结果表明:根据铁塔气象要素变化基本无法预判无地面辐合线型强降水的发生;而铁塔气象要素变化对地面辐合线型短时强降水发生具有一定预报指示意义,地面辐合线型在强降水发生前1 h,温度和位温减小,温度变率显著增大,最大达每分钟下降0.35℃;在强降水开始前3 h,地面至325 m比湿增大,降水开始前20 min,比湿减小3.5 g·kg-1;低空风切变在强降水开始前20 min增大到“强烈”到“严重”程度,比湿跟低空风切变的提前量约为10~20 min。因此,预报业务中关注铁塔气象要素及衍生物理量演变,对地面辐合线型短时强降水预报预警有一定指示意义。
This article focuses on the application of the 2013-2015 Beijing meteorological tower data and derivative data, combined with conventional and unconventional observation data, such as VDRAS, automatic weather stations and NCEP reanalysis data. According to the evolution of the boundary layer elements, short-time heavy precipitation is divided into two types, one has the surface convergence line and the other has not. And we also focus on the evolution of the boundary layer elements of the two types short-time rainfalls to find the forecasting signal before heavy rainfalls occur in summer, which could provide reference for the short-time heavy rainfall forecasting. The results show that varivation of the elements of the meteorological power can not predict for the occurrence of the non-surface convergence line type, but it has certain guiding significance to the short-time severe rainfall of the surface convergence line type. Before such type of heavy rain occurs, the temperature and potential temperature begin to decrease obviously and decline rate gradually increases. The temperature change rate gradually increases to -0.35℃ per minute. The specific humidity increases significantly 3 h before the start of the heavy rainfall below 325 m. When it begins to rain, the specific humidity decreases about 3.5 g·kg-1 during 20 min before the rainfall begins. The low-level wind shear is up to the strong degree. But the specific humidity and low-level wind shear can show the signals at 10-20 min lead time. So the evolution of tower meteorological elements and the physical quantities have indicative meaning for the forecasting and warning of short-time rainfall of surface convergence line type.
暴雨往往不断挑战着大型城市应对自然灾害能力的底限。短时强降水具有突发性、强度大、局地性强等特点,极易导致泥石流、山体崩塌滑坡、城市内涝等次生地质灾害。我国的气象工作者在暴雨研究方面取得了较大进展,一般认为,在稳定的大尺度背景下,天气尺度系统的活动造成一次次短期暴雨过程;在有利的天气尺度背景中,中、小尺度系统的发生、发展触发了一次次的短时暴雨(
目前暴雨天气的研究资料大都在地面及925 hPa以上,对于边界层内的气象要素的观测手段在时空分辨率上都较为有限。而在2015年9月3日阅兵气象服务保障中,中国科学院大气物理研究所北京铁塔(以下简称北京铁塔)和香河铁塔、天津市气象局大气边界层铁塔联合为首都气象预报和服务提供了重要的边界层观测资料,同时,这一气象服务保障案例的圆满成功也给灾害性天气监测与预报的边界层气象要素探索带来极大启示。气象铁塔数据在以往的研究中,多用于研究大气边界层辐射特征(
北京铁塔高325 m,为保证铁塔气象要素能准确表征短时强降水发生前后的环境场,筛选了2013—2015年在铁塔本站发生超过20 mm·h-1的短时强降水个例,并结合铁塔数据完整性,选取7个个例(
2013—2015年北京铁塔出现短时强降水个例
Beijing Meteorological Tower short-term heavy precipitation cases in 2013-2015
短时强降水出现时间/BT | 降水量 > 20 mm·h-1的观测站 | 是否有地面辐合线 |
2013年7月8日00—01时 | 北京铁塔、顺义、平谷 | 是 |
2013年8月11日07—08时 | 北京铁塔 | 否 |
2014年7月30日00—01时 | 北京铁塔、大兴 | 否 |
2015年7月17日00—01时 | 北京铁塔、海淀 | 否 |
2015年7月27日20—21时 | 北京铁塔、海淀、朝阳、丰台、密云、平谷、顺义 | 是 |
2015年8月7日19—20时 | 北京铁塔、海淀、朝阳 | 是 |
2015年9月4日16—17时 | 北京铁塔、石景山、门头沟、海淀 | 否 |
本文主要使用北京铁塔(39°58′N、116°22′E)逐5 min观测数据,垂直方向15层,观测高度分别为8、15、32、47、65、80、102、120、140、160、180、200、240、280、320 m,观测要素为水平风向、风速、温度和相对湿度;垂直速度观测数据,垂直方向7层,观测高度分别为8、16、47、80、140、200、280 m,同时结合NCEP再分析资料、VDRAS反演要素场、地面自动站资料、观象台S波段雷达等常规和非常规观测资料进行详细分析。其中,VDRAS系统是利用四维变分同化技术和一个包含简化暖雨参数化方案的三维云尺度数值模式,对北京和天津两部新一代S波段天气雷达资料进行12分钟间隔的快速循环同化分析,并融合地面自动站观测、雷达VAD分析和精细数值预报结果,反演得到与对流风暴生消发展密切相关的低层热力、动力三维结构,包括水平风场、垂直速度、辐合辐散、扰动温度和扰动温度梯度等,以及它们的时间增量,用以指导北京及其周边地区对流风暴新生和发展演变的临近预报和预警(
受高空槽及低涡的共同影响,2015年9月4日北京出现全市性暴雨,城区最强降水时间段出现在16—17时(
2015年9月(a)4日16—17时北京降水强度(单位:mm·h-1),(b)4日14时925 hPa风场和温度场(单位:℃),(c)4—5日NCEP再分析资料剖面图(阴影为垂直速度,单位:Pa·s-1;红色虚线为温度,单位:℃)
(a) Rainfall intensity (unit: mm·h-1) in Beijing 16:00 BT to 17:00 BT 4 September, (b) 925 hPa wind and temperature fields (unit: ℃) at 14:00 BT 4 September, and (c) NCEP reanalysis data profile of 4-5 September 2015 (shaded area: vertical velocity, unit: Pa·s-1; red dashed lines: temperature, unit: ℃)
进一步通过短时强降水发生的天气形势的垂直结构,分析导致强降水发生的触发机理。NCEP再分析资料的垂直剖面显示(
2015年9月4日15:30北京地区(a)VDRAS反演2.0 km风场、相对湿度(阴影,单位:%)和扰动温度场(单位:℃),(b)地面自动站风场,(c)观象台雷达组合反射率
(a) VDRAS 2.0 km wind field, relative humidity (shaded area, unit: %) and the perturbation temperature (unit: ℃), (b) ground automatic station wind field, (c) radar reflectivity in Beijing Region at 15:30 BT 4 September 2015
北京地区9月4日15:30已出现了大范围的层状云降水(
与此同时,位于325 m以下近地面层的铁塔气象要素在无地面辐合线型短时强降水类型中有何种演变特征?为全面反映地面气象要素变化,通过铁塔数据的基础观测要素,即温度、相对湿度、风场及自动站气压等计算出温度变率、位温、比湿、低层风切变(
国际民航组织第五次航空会议采用的低空风切变等级标准(
Low-level wind shear standards adopted by the International Civil Aviation Organization (ICAO) in the Fifth International Aviation Conference (
类别 | 影响程度 | 数值标准 | |
(m·s-1)·(30 m)-1 | s-1 | ||
0 | 微弱 | < 1.0 | < 0.033 |
1 | 轻度 | 1.1~2.0 | 0.033~0.067 |
2 | 中度 | 2.1~4.0 | 0.068~0.133 |
3 | 强烈 | 4.1~6.0 | 0.134~0.20 |
4 | 严重 | > 6.0 | > 0.20 |
从9月4日11—18时325 m北京铁塔气象要素变化分析,温度与位温12时达到当日最高温度24~25℃,此后开始下降(
2015年9月4日11—18时北京铁塔各物理量随时间的变化(a)温度(阴影,单位:℃)、位温(等值线,单位:℃)和降水强度,(b)比湿(单位:g·kg-1),(c)低空风切变(单位:s-1),(d)风场(阴影为全风速,单位:m·s-1)
Changes of physical quantities with time of tower from 11:00 to 18:00 BT 4 September 2015 (a) temperature (shadow, unit: ℃), potential temperature (contour, unit: ℃) and rainfall intensity, (b) specific humidity (unit: g·kg-1), (c) low-level wind shear (unit: s-1), (d) wind field (shadow: full wind speed, unit: m·s-1)
受东北冷涡及偏南气流影响,2015年8月7日北京出现大到暴雨,城区最强降水时段为19—20时,北京铁塔、海淀、朝阳降水强度分别达42、48和37 mm·h-1(
2015年8月7日(a)19—20时北京地区降水强度(单位:mm·h-1),(b)20时850 hPa温度场(阴影,单位:℃)和风场,(c)VDRAS反演要素场(阴影:垂直速度,单位:Pa·s-1;黑线:散度,单位:s-1;红线:扰动温度,单位:℃)
(a) Spatial distribution of rainfall intensity (unit: mm·h-1) from 19:00 BT to 20:00 BT, (b) 850 hPa wind field and temperature field (shaded, unit: ℃) at 20:00 BT, and (c) VDRAS inversion filed of the elements on 7 August 2015 (shaded area: the vertical velocity, unit: Pa·s-1; black lines: divergence, unit: s-1; red lines: perturbation temperature, unit: ℃)
为反映短时强降水发生的天气形势的垂直结构,分析导致强降水发生的触发机制,采用时空分辨率较常规资料高的VDRAS反演要素场进行分析(
2015年8月7日18:18的1 km(a)和18:40的3.4 km(b)VDRAS散度场(单位:s-1)及18:40北京地区地面自动站风场(c)
VDRAS 1.0 km at 18:18 BT (a) and 3.4 km at 18:40 BT (b) divergence fields (unit: s-1), Beijing ground automatic station wind field at 18:40 BT (c) 7 August 2015
在此类在地面辐合线生成并维持之后发生的短时强降水类型,铁塔数据及其衍生物理量会有何种演变特征?从7日14—21时北京铁塔要素变化场上发现,17时温度和位温开始显著减小,递减率逐渐增大(
同
Changes of physical quantities with time of tower from 14:00 to 21:00 BT 7 August 2015 (a) temperature (shadow, unit: ℃) and potential temperature (contour, unit: ℃), (b) change rate of temperature (unit: ℃·min-1), (c) specific humidity (unit: g·kg-1), (d) low-level wind shear (unit: s-1), (e) wind field (shadow: full wind speed)
为了进一步凝练两类短时强降水个例的共性,将两类个例的天气尺度环流场与北京铁塔气象要素变化场进行了合成分析。环流场合成结果表明,无地面辐合线型的天气尺度垂直运动条件、925 hPa及以下的水汽条件较好于地面辐合线型,但在地面上,地面辐合线型弱上升运动及弱冷平流均强于无地面辐合线型(图略)。
与此同时,我们将每个个例短时强降水发生前7 h与发生过程中1 h,共8 h的北京铁塔数据进行了合成分析,结果表明,无地面辐合线型铁塔气象要素在短时强降水发生前与发生时变化不剧烈,基本无法捕捉短时强降水来临的信号(图略);地面辐合线型在强降水发生前1 h,温度和位温开始明显下降(
地面辐合线型强降水个例铁塔要素合成分析
Component analysis of the convergence line type rainfal
本文重点应用铁塔气象要素及衍生物理量,结合VDRAS、地面自动站、NCEP资料等常规和非常规观测资料,将短时强降水分类并针对边界层要素演变特征进行了分析研究,寻找到短时强降水发生的提前信号,为夏季短时强降水天气预报预警提供参考。
(1) 通过对2013—2015年北京铁塔发生短时强降水个例初步分析,将短时强降水个例分为地面辐合线型和无地面辐合线型。
(2) 铁塔气象要素变化基本无法预判无地面辐合线型短时强降水的发生,强降水前期未发现明显预报指示信号。
(3) 铁塔气象要素变化对地面辐合线型强降水发生具有一定预报指导意义。地面辐合线型在强降水发生前1 h,温度和位温开始明显减小,温度变率显著增大,最大达每分钟下降0.35℃;在强降水开始前3 h,地面至325 m比湿增大,降水开始前20 min,比湿减小3.5 g·kg-1;低空风切变在强降水开始前20 min增大到“强烈”到“严重”程度,比湿跟低空风切变的提前量约为10~20 min。
本文将325 m以下气象要素代表边界层要素变化并不严谨,但由于目前观测资料的限制,边界层气象要素探测手段仍很有限,还需不断挖掘边界层新资料的研究及应用。
衷心感谢中国科学院大气物理研究所铁塔分部提供的北京气象铁塔数据并给予的耐心指导帮助;感谢北京市气象台季崇萍及付宗钰对本文的建议。
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