“7.21”北京特大暴雨個例分析I：水汽條件分析

譚偉才，文映方，李啟華

(解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京 211101)

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“7.21”北京特大暴雨個例分析I：水汽條件分析

譚偉才，文映方，李啟華

(解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京 211101)

摘要利用地面觀測資料、NCEP再分析資料、FNL資料等，對2012年7月21～22日北京地區發生的一次特大暴雨過程中的大尺度環流背景場和水汽條件進行了分析。結果表明，此次降水過程可分為2個階段，第1階段為21日10：00～20：00，呈現對流性降水的特點，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日北京全天整個對流層水汽含量充沛；水汽來源主要有2支：一支來自副高外圍海上暖濕東南氣流和南風氣流的輸送，一支來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；北京地區低空有非常強烈的水汽輻合中心。

關鍵詞暴雨；環流背景；水汽條件；強對流

暴雨是北京地區夏季主要的災害性天氣之一，常給人們的生命、財產造成嚴重的損失[1]。因此，許多氣象學者對北京地區暴雨進行了大量的研究[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流對北京大暴雨的影響。這些研究成果為認識北京地區暴雨的形成機理、提高暴雨和強對流天氣的預報水平提供了參考依據。但暴雨出現的變率很大，影響因素復雜，再加上暴雨一般具有范圍小、歷時短、強度大和時空分布不均勻等特點，給暴雨的預報帶來了很多困難。筆者選取2012年7月21日發生在北京的一次特大暴雨過程，利用北京市國家級自動觀測站門頭溝站、延慶站、密云站降水資料以及NCEP 2.5°×2.5°逐日位勢高度場再分析資料、1.0°×1.0°的FNL資料，分析了此次暴雨發生發展過程中的大尺度環流背景和水汽條件，以期為北京乃至華北地區暴雨的天氣預報提供參考。

1降水過程概況

2012年7月21日10：00～22日02：00北京大部分地區出現大暴雨、局地特大暴雨天氣過程。此次過程共造成北京約160.2萬人受災，78人死亡，525架次航班取消，道路橋梁多處受損，經濟損失達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個階段，第1個階段發生在21日10：00～20：00，其主要特點是短時、雨強大、強度變化波動顯著等；第2個階段發生在21日20：00～22日04：00，降水逐漸平緩，雨強顯著減小，該時段降水表現為鋒面降水特征。以門頭溝站為例，該站21日13：00～14：00雨強最大，達54.7 mm/h，之后雨強略有減弱，3 h后雨強又達51.2 mm/h，具有顯著的中尺度對流系統活動特征；20：00后，降水逐漸減少，主要表現為鋒面降水特征。由上述分析可見，此次特大暴雨具有雨量大、雨勢強、范圍廣的特點，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大尺度環流形勢分析

從7月21日500 hPa環流形勢(圖2)可以看出，中高緯度地區位勢高度場呈兩槽兩脊型，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定的阻塞高壓，其兩側為低值系統，特別是其東側貝加爾湖附近低壓系統不斷有來自極地冷空氣補充，因此呈穩定維持狀態；華北位于貝加爾湖的高空槽前，有正相對渦度平流輸送，在中低空產生上升運動，有利于暴雨的生成；中緯度東部是穩定副高，西部有來自貝加爾湖低壓向南伸展的高空冷槽活動，形成有利華北大暴雨的東高西低形勢。850 hPa(圖3)，華北平原出現閉合低渦，且低渦中心位于北京及其附近地區，有利于降水形成。分析地面要素場分布可知，21日08：00一個倒槽從華南向北一直伸展到我國的最北端，并已形成3個閉合的低壓中心，其中中間的一個位于華北地區，北京位于冷鋒鋒前，地面盛行西南氣流；21日20：00華北地區受冷鋒控制，北京恰好位于冷鋒鋒面附近(圖4)，冷鋒進入位于華北地區的低壓系統，降水加強[9]。

注：黑色等值線代表位勢高度(gpm)；紅色等值線代表溫度(℃)；箭頭代表風場(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位勢高度、風場、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：等值線代表位勢高度(gpm)；箭頭代表風場(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位勢高度和風場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是500 hPa低槽、低空低渦、地面倒槽、冷鋒。單獨的冷鋒降水本來不會很強烈，但在上述天氣系統的配合下，形成產生特大暴雨極為有利的天氣形勢條件。

圖5　2012年7月21日08：00～22日02：00北京站(40°N、116°E)相對濕度時間-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)相對濕度時間-高度剖面(圖5a)可以看出，在300 hPa以下，北京地區的濕度條件經歷了一個先增后減的過程；21日14：00～20：00 200 hPa以下整層大氣的相對濕度均達100%，極有利于特大暴雨的產生；22日02：00以后，濕度條件逐漸減弱，500 hPa相對濕度回降至60%左右，對應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整個對流層(200 hPa以下)相對濕度均達100%，表明水汽經向發展條件深厚，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，另一支則是來自西南低空急流攜帶來的暖濕西南氣流。第2支水汽輸送強度明顯強于第1支，且第2支水汽輸送中心位于華北地區，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的水汽來源。

3.3水汽輻合由圖7可知，21日08：00，華北地區水汽通量散度均為負值，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，水汽輻合帶呈狹長的東北—西南走向，輻合中心向東移入河北省，且強度加強，最大水汽輻合中心達-70×10-8g/(cm2·hPa·s)以上，且輻合中心后方有連續的大片輻合帶，說明有持續的水汽輸入；北京位于該輻合中心的東側外圍，但北京西部及中部水汽通量輻合強度已經較強，北京西側最大值已達-60 ×10-8g/(cm2·hPa·s)以上，此時降水主要發生在北京中西部。20：00，水汽輻合帶進一步向東北方向移動，形狀已接近于橢圓型，說明該輻合帶已經發展成熟，達到最強；北京處于水汽輻合中心，最大值已達-120×10-8g/(cm2·hPa·s)以上，此刻北京全市降水強度達最大。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，但北京東部水汽通量輻合強度仍然很強，此時北京西部降水減弱，降水主要發生在北京東部。綜上所述，此次暴雨過程中，北京地區水汽通量散度與降水過程有很好的對應關系，水汽通量輻合較弱時，北京降水較少；水汽通量輻合強烈時，北京降水增強，降水顯著。

注：陰影代表水汽通量[g/(cm·hPa·s)]；箭頭代表風矢(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結論

(1)此次“7.21”北京特大暴雨過程降水可分為2個階段，第1階段為21日10：00～20：00，呈現短時、雨強大且強度變化顯著的對流性降水特點；第2階段降水為21日20：00～22日04：00，降水相對平緩，降水強度顯著減小，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，主要影響天氣系統是500 hPa低槽、低空低渦、地面倒槽、冷鋒。單獨的冷鋒降水本來不會很強烈，但在這些天氣系統的配合下，形成了產生特大暴雨極為有利的天氣形勢條件。

(3)水汽條件分析表明，7月21日北京全天水汽含量充沛，相對濕度>60%的高濕條件達200 hPa以上，表明水汽含量相當深厚。從水汽輸送來看，此次暴雨過程中，水汽來源主要有2支：一支來自副高外圍海上暖濕東南氣流和南風氣流的輸送，一支來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。從水汽通量散度來看，北京地區低空有非常強烈的輻合中心。

參考文獻

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

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[8] 孫繼松.“7.21”北京大暴雨系統的結構演變特征及成因初探[J].暴雨災害，2012，31(3)：218-225.

[9] 陶詩言.中國之暴雨[M].北京：科學出版社，1980：116-117，3-4，85-86.

基金項目國家自然科學基金項目(41175054)。

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

收稿日期2016-03-30

中圖分類號S 165+.29

文獻標識碼A

文章編號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