“7.21”北京特大暴雨個例分析Ⅱ：動力條件分析

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Ⅱ：動力條件分析

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)

利用FNL資料、衛星TBB資料以及北京站點探空資料，對2012年北京“7.21”特大暴雨過程的垂直運動條件、不穩定條件和TBB圖像特征進行了診斷分析。結果表明，7月21日北京地區整個對流層盛行上升運動，上升運動經歷了一個由弱到強的過程，18：00～21：00垂直速度強度最強，最大達-3 Pa/s，該階段對應的北京降水強度最強；大暴雨發生前，CAPE值、地面抬升指數等多個對流環境參數均達到暴雨指標，對暴雨預報有較好的指示意義；利用TBB資料分析中尺度系統表明，此次暴雨過程中中尺度對流系統起始是鑲嵌在低槽云團中發展起來的，TBB演變趨勢與降水有很好的對應關系，對此次暴雨預報有良好的指示作用。

暴雨；垂直運動；不穩定條件；云頂亮溫

我國是一個受暴雨影響嚴重的國家，大范圍持續性的暴雨過程往往給國民經濟和人民群眾的生命財產安全帶來重大損失[1]。因此，加強對暴雨過程的預報和相應的防災減災工作變得尤為重要。較強的降水是在特定的天氣背景下產生的，一般具備一定的水汽、能量、動力等條件，在局地強暴雨過程中各物理條件會更強[2-3]。朱義青等[2]分析表明大氣層結的不穩定是強降水發生的前提，地面輻合、東風波與中高層西北氣流的相互作用觸發了不穩定能量的釋放，副高邊緣的西南氣流提供了水汽供應。筆者利用美國環境預報中心的1.0°×1.0° FNL資料、FY-2E衛星TBB資料、北京站點探空資料，分析了“7.21”北京特大暴雨過程的垂直運動條件、不穩定條件和TBB圖像特征，找出特大暴雨發生發展的成因，以期為今后北京乃至華北地區暴雨的預報提供有益參考。

1　垂直運動條件分析

從2012年7月21～22日700 hPa垂直速度ω的水平分布(圖1)可以看出，21日08：00，北京市區的西南部存在強上升運動中心，最大值達-0.8 Pa/s以上，且上升運動中心外圍存在值為-0.2 Pa/s的等風速線向東伸至北京市內。14：00，西南部的強上升運動中心進一步發展且東移，中心數值達-1.8 Pa/s以上，但中心仍未到達北京。20：00，上升運動中心強度明顯加強，輻射范圍幾乎涵蓋整個華北地區，中心最大數值達-4.0 Pa/s以上，強上升運動中心從原來的1個分裂為2個，較強的上升運動中心剛移出北京，位于北京的東北部，而較弱的強上升運動中心已進入北京，其值達-2.5 Pa/s以上，此刻北京降水強度達最大。到22日02:00，強上升運動中心已經全部東移出北京，且顯著減弱，北京地區上升運動不明顯，降水減弱。

從21日20：00垂直速度沿116°E的緯度-高度剖面(圖2a)可以看出，38°～40°N垂直速度均為負值，即盛行上升運動，且上升運動垂直伸展達200 hPa以上；垂直速度大值區主要集中在39°00′～41°30′N，即集中在北京市內(39°28′～41°05′N)，而北京的北側和南側均較?。淮丝瘫本┠喜看怪彼俣让黠@大于北部，說明此刻北京南部降水大于北部降水。

由北京站(40°N、116°E)垂直速度隨時間變化(圖2b)可見，垂直運動經歷了一個由弱到強再減弱的過程。如果以ω的量級大于-100Pa/s為界限[4]劃分時間段，則在21日10：00～22日03：00ω>-100Pa/s，且21日18：00～21：00ω強度最強，中心達-3 Pa/s以上，與此次暴雨過程降水強度大值區時段相匹配。從高度變化可以看到，此次大暴雨過程中的垂直上升運動非常強烈；在100 hPa以下，整個對流層均盛行上升運動，為大暴雨的產生提供了極有利的條件。

2　不穩定條件分析

從表1可以看出，暴雨發生前(7月20日20：00～21日08：00)CAPE值均超過北京暴雨標準[5]，暴雨期間CAPE值為0，對暴雨的預報有較好的指示意義。21日08：00，雖然K指數較小，但地面抬升指數(LI)達-1.31 ℃，超過暴雨指標[5]；850 hPa比濕和假相當位溫也均超過北京暴雨指標，特別是比濕遠超過北京暴雨預報指標，說明低層濕度條件非常大。21日20：00，K指數達27 ℃，接近K指數暴雨標準，CAPE值為0，表示在暴雨過程中對流能量釋放非常大；LI達6.86 ℃，說明大氣已經比較穩定；但比濕仍達 11 g/kg 以上，此時仍有較好的水汽條件；假相當位溫也降至65 ℃左右，不穩定條件較08：00有較大的減弱。到了22日08：00，各個物理量指數均明顯小于暴雨指標[5]，表明暴雨將結束。

綜上所述，21日08：00～20：00 6項暴雨指標中超過4項達到暴雨標準，而其他2項也接近表中列出的暴雨指標，說明“7.21”北京大暴雨過程具有非常好的不穩定、水汽條件和動力抬升條件，且維持時間達12 h以上。20：00以后，暴雨開始減弱，到了22日08：00以后，已經基本上不具有產生暴雨的條件。

注：a.21日08：00；b.21日14：00；c.21日20：00；d.22日02：00。Note: a. 08:00 on July 21; b. 14:00 on July 21; c. 20:00 on July 21; d. 02:00 on July 22. 圖1　2012年7月21～22日700 hPa垂直速度分布(單位： Pa/s)Fig. 1　Distribution of vertical velocity at 700 hPa from July 21 to July 22, 2012

圖2　2012年7月21日20：00沿116°E垂直速度緯度-高度剖面(a)和7月21日08：00～22日02：00北京站(40°N、116°E)垂直速度時間-高度剖面(b)(單位：Pa/s)Fig. 2　 The latitude-height diagram of vertical velocity along 116°E at 20:00 on July 21, 2012 (a) and the time-height diagram of vertical velocity in Beijing Station (40 °N, 116 °E) from 08:00 on July 21 to 02:00 on July 22, 2012 (b)

3　TBB圖像特征分析

從圖3可以看出，21日08：00，華北地區存在大片面積的低槽云團(即232 K等值線形成的區域)[6]，但此時中尺度對流云團仍處于冒泡階段，尚未組織化，中尺度對流系統鑲嵌在低槽云系中發展；北京上空云頂亮溫較四周低，最強中心亮溫達208 K，已經達到形成暴雨的標準[7]。到14：00，存在4個成熟的呈西南—東北向帶狀排列的中尺度對流云團向東北方向緩慢移動；之前位于華北地區的低槽云團范圍縮小，并形成2個對流云團，一個位于河北省內，一個位于河南省內；北京處于前一個對流云團的控制下，該對流云團中心最低亮溫也是北京最低亮溫，達204 K，較08：00顯著增強，對應北京降水增強，形成暴雨。20：00，之前位于河南省的對流系統向東北方向移動，與之前位于河北省的對流云團合并成一個較強的中尺度對流系統，因此，前一時刻影響北京地區的對流云團不但沒有減弱東移，反而穩定維持并增強，使這一時間段內發生強降水持續維持；位于北京上空的對流云團中心最低亮溫達198 K，達到過程最強，對應此時刻北京市區降水達到最強；同時，由于強降雨區總是位于云團前進的方向[7]，因此，在此次降水過程中北京的西南部山前和東南部降水最強。到22日02：00，影響北京地區的對流云團中心最低亮溫回升至204 K，且最低亮溫中心較前一時刻向東移動，北京西部最低亮溫已經回升至260 K，未達到形成暴雨的一般標準；對應此時刻北京西部降水開始明顯減少，東部降水維持但減弱，降水特點變為以鋒面降水為主，第2階段降水開始。

表1　2012年7月20日20：00～22日08：00北京探空站計算出的物理量

注:CAPE為對流有效位能，LI為地面抬升指數，q850為850 hPa比濕，θse850為850 hPa假相當位溫，Δθse為850 hPa與500 hPa的θse之差。

Note:CAPEwas convective available potential energy,LIwas ground lifting index,q850was specific humidity at 850 hPa,θse850was pseudo-equivalent potential temperature at 850 hPa,Δθsewas difference ofθsebetween 850 and 500 hPa.

綜上所述，通過分析TBB資料可以明顯觀測到此次中小尺度對流系統的發生發展過程，對暴雨預報有良好的指示作用[8]。同時此次暴雨過程中TBB演變趨勢與降水有很好的對應關系，當TBB中心最低亮溫值逐漸減少時，降水量增大、降水強度增強，且減小過程越快，降水量越大；當TBB中心最低值逐漸回升時，降水量減小、降水強度減弱。此次暴雨過程，北京地區最低亮溫由21日08：00的208 K到20：00達最低(198 K)，再到22日02：00回升至260 K，整個過程時間不到18 h，變化非常迅速，因此，此次暴雨過程非常強烈。但降水演變趨勢較TBB演變趨勢有一定滯后性。

注：a.21日08：00；b.21日14：00；c.21日20：00；d.22日02：00。Note: a. 08:00 on July 21; b. 14:00 on July 21; c. 20：00 on July 21; d. 02:00 on July 22. 圖3　2012年7月21～22日FY-2E衛星云圖TBB演變(單位：K)Fig. 3　The TBB evolution of FY-2E satellite cloud image from July 21 to July 22, 2012

4　結論

(1)此次特大暴雨過程中北京地區垂直速度經歷了一個由弱到強再減弱的過程，在21日18：00～21:00垂直速度達

最強，其值達-3 Pa/s，對應此時北京降水強度達最大。從其在北京地區的垂直高度剖面分布可知，量值≥-100Pa/s的等值線垂直伸展至200 hPa附近，整個對流層均盛行上升運動，為大暴雨的產生提供了極有利的條件。

(2)利用北京探空站探空資料計算得到的物理量指數表明，大暴雨發生前，CAPE值、地面抬升指數等多個物理量指數均達到暴雨指標，對暴雨預報有較好的指示意義。

(3)利用FY-2E衛星探測并計算得到的相當黑體輻射亮溫(TBB)資料分析中尺度系統表明，此次暴雨過程中中尺度對流系統起始是鑲嵌在低槽云團中發展起來的，TBB演變趨勢與降水有很好的對應關系，對此次暴雨預報有良好的指示作用。此次暴雨過程發展十分強烈，云頂亮溫最低達198 K，給北京及其周邊地區帶來強烈的降水。

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

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

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

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

FNL (Final the Operational Global Analysis) data,TBB(Black Body Temperature) data, and sounding data in Beijing station were used to analyze the vertical movement condition, unstable condition andTBBimage feature of a torrential rain occurring in Beijing on 21 July 2012. The results showed that upward movement prevailed in the whole troposphere. The vertical velocity increased on July 21 in Beijing area. The vertical velocity was the strongest from 18:00 to 21:00 when the precipitation intensity was the greatest. The biggest vertical velocity was -3 Pa/s. Before torrential rain occurred, many convective environment parameters includingCAPEvalue and surface uplift index all reached the index of torrential rain, and had relatively good indicative significance for heavy rain forecast.TBBdata were used to analyze the mesoscale system, indicating that the developing mesoscale convective system was set in the cloud of trough in the beginning.TBBevolutional trend had very good corresponding relationship with precipitation, soTBBwas the good indicator of the rainstorm.

Rainstorm; Vertical movement; Unstable condition;TBB

國家自然科學基金項目(41175054)。

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。

2016-04-30

S 165

A

0517-6611(2016)17-202-03