2018年7月15—16日房山區局地大暴雨天氣過程分析

宋歌

摘 要：本文利用常規觀測資料、自動氣象站降水資料、南郊觀象臺雷達資料、FY-2G衛星資料、GPS水汽探測資料及霞云嶺風廓線資料，對北京市房山區2018年7月15—16日局地大暴雨天氣過程進行分析，探討此次天氣過程發生的成因。結果表明：此次暴雨天氣過程是由副高外圍暖濕氣流配合高空槽造成的，低層暖濕氣流加強為其提供動力條件；水汽平流輸送帶來豐沛的水汽，是形成此次強降雨過程的重要條件；高空槽系統前部發展的暖區對流是造成局地大暴雨的直接原因，但其發生發展的機制仍有待于進一步研究。

關鍵詞：局地暴雨；水汽輸送；對流

中圖分類號：P458 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0154-05

Analysis of the July 15-16 2018 Local Torrential Rain Process in

Fangshan District

SONG Ge

（Fangshan Meteorological Bureau，Beijing 102488）

Abstract： By using conventional observation data， automatic weather station precipitation data， radar data of South suburban observatory， FY-2G satellite data， GPS water vapor data and wind profile data of Xiayunling， this paper analyzed the local torrential rain weather process of July 15—16， 2018 in Fangshan district， and discussed the causes of this weather process. The results showed that the process of rainstorm weather was caused by the peripheral warm and humid air of subtropical high combined with the high trough. The abundant water vapor brought by advection was an important condition of the rainstorm. The warm convection in the front of the high trough system was the direct cause of local torrential rain， but the mechanism of its occurrence and development was still to be further studied.

Keywords： local rainstorm；water vapor transmission；convection

暴雨是北京地區夏季常見的災害性天氣，常引發城市內澇、山洪、泥石流等次生災害，嚴重影響城市交通，破壞工農業生產，甚至造成人員傷亡。暴雨天氣由于其發生機理復雜，預報難度較大，一直是國內外學者研究的重點。近年來，科研工作者對暴雨天氣的研究不斷深入。章麗娜等[1]對暴雨的中尺度環境特征進行了分析；雷蕾等[2]總結了北京地區夏季強對流天氣的探空資料特征；吳慶梅等[3]探討了地形和城市熱力環流對暴雨的影響；丁海燕等[4]利用GPS監測數據分析了暴雨的水汽特征；劉璐等[5]從暴雨的不穩定性和觸發機制的角度分析了北京“7.21”暴雨。

房山區位于北京西南，地處太行山與華北平原的過渡地帶，由于地表形態復雜，夏季暴雨天氣頻發，氣象災害對經濟社會活動、城市正常運行、生態環境建設影響嚴重。受全球氣候變化影響，房山區夏季強降雨呈現逐漸增多的趨勢[6]。本文對房山區夏季一次局地大暴雨天氣個例展開分析，研究其發生發展的規律，為做好房山區暴雨天氣預報工作提供科學依據。

1 降雨實況及災情

7月15日夜間至16日早晨，房山區出現強降雨天氣，部分地區出現暴雨，局地大暴雨；15日08：00至16日08：00，全區平均降雨量為51.3mm，最大降雨出現在佛子莊鄉上英水村，為153.5mm，最大小時雨強出現在河北鎮河南村，為88.6mm（16日02：00—03：00）。全區有17個自動站雨量超過50mm，其中4個自動站雨量超過100mm。部分站點還出現了6級以上短時大風（16日02：00—03：00）。具體數據見圖1。

受此次強降雨影響，房山區農業、林業和畜牧業遭受一定損失，部分地區出現玉米及樹木倒伏、蔬菜受損、牲畜損失；山區發生6處塌方地質災害；此外還有少量民房及汽車受損[7]。

2 環流形勢演變

此次強降雨主要是由于副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）外圍的偏南暖濕氣流增強所造成的，下面對天氣形勢的演變進行詳細分析。從高空500hPa形勢（見圖2）來看，7月15日08：00，北京地區處于副高外圍，受西南氣流控制，風場較弱，588線位于遼寧東部—渤海灣—河北南部一帶，在河套地區以西有高空槽影響，溫度槽落后于高空槽，有利于高空槽系統加深發展；700hPa為弱的偏西風控制；850hPa在河北與北京之間有風場的暖式切變，西南風速較弱；地面位于高壓后部，弱氣壓場控制。到15日20：00，副高588線明顯北抬至北京東南部地區，西南風速加大至12m/s，河套以西的高空槽略有東移并有所加深，500hPa溫度由08：00的-1℃降至-4℃；700hPa轉為12m/s的西南風控制；850hPa暖式切變維持，風速增大至8m/s，且有一條10m/s的西南大風速帶在河南—河北南部生成；地面高壓略有東退，1 005hPa等壓線位置已從08：00的北京西部地區東退至河北以東地區[8]。

從天氣形勢的演變情況可以看出：北京地區從7月15日20：00開始逐漸受到副高的控制，其外圍的西南氣流的強度開始增強，低層的暖濕氣流不斷增強，風速接近低空急流標準。同時，高空槽系統攜帶的弱冷空氣開始影響北京地區。這種低層暖濕增強，高層溫度下降的高低空配置，是有利于產生降水的天氣形勢。

3 物理量診斷

3.1 動力條件

圖3是2018年7月15日500hPa渦度平流場。從圖3上可以看出，7月15日08：00，在500hPa槽前地區有正渦度平流，有利于地面輻合上升運動增強。北京位于高空槽前，但正渦度平流強度較弱，低層輻合上升運動較弱。到20：00，正渦度平流中心從河套以北移至內蒙古中東部地區，強度減弱。北京地區繼續維持弱的正渦度平流。從整體來看，動力輻合條件偏弱。從整層的散度場分析來看，7月15日08：00，40N°附近在500hPa高度有極弱的輻合，500hPa以下為輻散場。到20：00，整層的輻合條件有所發展，近地面層以及500～700hPa高度出現輻合，16日02：00，輻合條件又有所減弱，除近地層有弱的輻合之外，其他層次均為輻散[9]。

圖4是2018年7月15日500hPa垂直速度剖面圖。垂直速度診斷結果表明：7月15日08：00[見圖4（a）]，在40N°附近，600hPa以上為弱的下沉運動，中低層無明顯的上升運動。到20：00（見圖4（b）），垂直速度場發生了較為明顯的變化。在40N°附近，整層轉為上升運動，上升速度約為5Pa/s，整層動力條件有了明顯改善。到16日02：00（圖略），即強降水發生時段，400hPa以下的上升速度維持在5Pa/s，400hPa以上則逐漸轉為下沉運動。這表明上升運動條件開始逐漸減弱。

圖5為2018年7月15日18：00至16日05：00霞云嶺風廓線。對7月15日18：00至16日05：00半小時間隔的霞云嶺風廓線資料（見圖5）進行分析可以看出：在500m高度以下層次，西南風速基本維持在1～2m/s，風速很弱。在500～1 500m高度上，隨著時間推移，風速從2～3m/s逐漸增大到10～12m/s，輻合上升運動加強。此外，在高空700hPa附近，16日01：30前后風速加大至20m/s以上，且在01：30～02：00，風速由西南風轉為西北風，表明有弱短波系統過境，動力條件增強。由此可以推斷，此短波系統在02：00以后逐漸向東北方向移動，造成了北部山區較強降雨[10]。

3.2 水汽條件

此次強降雨過程是在副高北抬的大尺度環流背景下發生的，因此具有較好的水汽條件。從7月15日08：00至20：00，北京地區中高層比濕明顯增大，500hPa和700hPa比濕分別從1g/kg和3g/kg增大到5g/kg和10g/kg；而850hPa和925hPa比濕則維持在14g/kg和18g/kg左右，水汽含量明顯增大，濕層厚度增加，比濕達到北京地區發生暴雨的閾值。從水汽平流的情況來看，從7月15日08：00開始，無論高層還是低層，水汽平流均為正值，這表明本地有較好的平流輸送條件，為強降雨的發生源源不斷地輸送水汽。到20：00，整層水汽平流加強，在中高層表現得更為明顯，水汽條件得到進一步增強。

從大尺度水汽條件分析來看，北京地區在強降雨發生之前大氣中具有充沛的水汽。那么局地水汽條件在降雨發生前具體如何呢？圖6為北京地區的GPS水汽分布圖。從圖中可以看出，在7月15日20：00，即降雨發生之前，北京中南部地區水汽含量已達60mm以上，房山區水汽含量分布呈現東高西低的特點，東部平原地區水汽含量達66mm以上，這一水汽含量即使在水汽充沛的夏季也是一個較高的數值，表明本地水汽條件極好，只要滿足一定的動力條件，極易造成強降雨天氣。從圖中可以看到，16日03：00，即在局地大暴雨發生前后，房山區大部分地區水汽含量達68mm以上，西南部地區局地更是超過了70mm。

盡管有較好的水汽輸送條件和本地水汽條件，但從水汽通量散度場上來看（圖略），從7月15日08：00至20：00，水汽通量散度在500hPa表現為輻合，在中低層均持續維持輻散狀態，這說明水汽在北京地區僅在高層出現聚合，低層并沒有明顯的水汽聚集，這對于出現持續區域性暴雨條件略顯不利。

總體來看，這次強降雨過程的水汽條件還是非常有利的。本地水汽含量及水汽輸送條件均有利于強降雨產生，唯一的不利條件就是水汽在低層沒有形成聚合，因此在15日夜間僅在局地出現了暴雨天氣。

3.3 不穩定條件

從探空分析可以看出：7月15日08：00（見圖7），探空曲線表現為“上干下濕”的形態。濕層集中在850hPa以下層次，850hPa以上層次的大氣非常干燥。925hPa以下為弱的東北風，850hPa和500hPa為西南風，700hPa為偏西氣流。低層有暖平流，高層為冷平流。500hPa與850hPa溫差相對較小，為21℃，K指數為19℃，沙氏指數為0.82℃，CAPE值為562.6J/kg，此時大氣層結已經具有一定的不穩定性，但尚未達到發生明顯對流性天氣的條件。到14：00，探空曲線仍然維持“上干下濕”的形態。低層的風場由東北風轉為西南風。850hPa到700hPa的濕度有所增加，CAPE值增加至669.2J/kg，不穩定能量略有所增大。20：00的探空條件有了較為明顯的改變。首先，“上干下濕”的探空形態有所變化，850hPa以下濕度略有減小，850hPa以上濕度有所增加。中低層的西南風風速均有明顯增加。500hPa與850hPa溫差增大至25℃，K指數和CAPE分別躍升至37℃和1 108.2J/kg，沙氏指數降低至-0.78℃，大氣層結不穩定性明顯增大，具有發生對流性天氣的潛勢。

4 衛星及雷達資料特征

4.1 衛星云圖特征

從FY-2G紅外衛星云圖（見圖8）上可以看出：從7月15日09：00開始，河套地區就在高空槽云系前部發展出對流云團并向西北方向移動。12：00以后，隨著熱力條件不斷增強，對流云團強度迅速增強，范圍也不斷擴大。14：00在河套地區東部已經出現6h雨量達到38mm的較強降雨。此后，對流云團持續發展，高空槽云系在東移的過程中與其前部發展出的對流云團逐漸合并，于18：00前后進入河北西部地區。21：00，在主云系前部，房山區西部山區有小對流云團生成并有所發展，于22：00后減弱消散，小時雨強不超過20mm。與此同時，在河北保定地區及北京北部地區，又有小的對流云團生成并快速發展，向東北方向移動。保定地區的對流云團于23：00進入房山區西部地區。16日01：00前后，小對流云團合并成一個面積較大的云團，且強度顯著增強，云頂亮溫最小值達到200K以下，此時降水強度明顯加大，最大小時雨強達到50mm以上。此后對流云團一路北上，強度維持，并與北京北部地區的對流云團合并成為一個更大的云團控制整個北京地區。03：00后，對流云團強度逐漸減弱并繼續向東北方向移動，07：00后基本移出房山區，最大小時雨強也隨之明顯減弱至10mm以下。

4.2 雷達回波特征

在反射率因子圖上（見圖9），15日20：00前后，房山區張坊鎮西南方向有一塊狀回波移入并向東北方向移動，最大回波強度約50dBZ，此回波在東移北上的過程中逐漸減弱消散，于22：00結束對房山區的影響。在這一階段，速度圖上無明顯的風向輻合，因此不利于此塊狀回波加強發展。23：00前后，河北中部有一小片回波從房山區蒲洼—十渡一帶移入，自西南向東北影響房山區西部及北部山區，強度有所加強，范圍不斷擴大。在其后部50km處有大片強回波東移北上，強度增強，范圍擴大，在上游地區造成較強降雨。16日01：30前后，大片回波區與前部小回波區結合，組織化加強，形成范圍更大的強回波區，強度維持在50～55dBZ，持續給房山區造成強降雨。從圖9可以看出，16日00：30分左右，風速開始加大，出現大于20m/s的大風速區，在易縣附近有明顯的風向輻合，同時在北部山區也開始出現風向輻合，隨后在中部及北部地區不斷有小的渦旋生成，有利于回波強度的維持和發展。02：00前后，在南部平原地區至大興一帶開始出現局地新生回波并快速發展，逐漸形成一條狹窄的帶狀回波并入主體回波自南向北移動。大風速區在此時也開始逐漸靠近，并于02：30左右進入房山區。02：42在佛子莊—河北鎮一帶局地生成一大風速區，約在03：00前后移出房山區。此后回波強度減弱至30～40dBZ，速度圖上風速也明顯減弱，降雨強度開始下降。

5 結論與討論

本文對房山區夏季一次局地大暴雨天氣過程的大尺度天氣形勢、物理量診斷及中尺度特征進行分析，主要得出如下結論。

①此次強降雨天氣過程是在副熱帶高壓外圍暖濕氣流與高空槽攜帶的弱冷空氣結合的環流形勢下發生的。低層西南氣流的不斷加強造成輻合上升運動增強，為強降雨提供動力條件。

②此次過程的動力條件總體偏弱，但水汽條件極好，再加上大氣層結不穩定度不斷增大，在低層動力條件觸發下，造成了局地大暴雨天氣。

③從衛星和雷達回波資料特征來看，大尺度系統前部發展出的中尺度對流系統長時間維持并發展是造成強降雨的關鍵，但其發展變化規律還有待進一步深入研究。

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