2021年北京市海淀區一次短時強降水預報預警分析

牛敏 劉宇盟 李春玲 戴高菊

摘要 利用雷達、衛星及地面氣象站常規觀測資料，對2021年出現在北京市海淀區的一次強對流天氣過程進行分析，并對此次過程的預報預警服務情況進行總結。得出以下結論：此次過程是冷渦后偏北氣流影響，高空干冷平流強迫，地面東北風與偏東風山前輻合的結果，雷暴趨向于地面輻合區移動，產生短時強降水。整層濕度條件較好，850 hPa比濕接近12 g/kg，為短時強降水的形成提供有利的水汽條件。850 hPa暖平流、較高的對流有效位能、強垂直風切，是此次對流迅速組織發展、形成強對流風暴的主要原因。地面極大風的風速區及風向輻合區，上游5 min雨強大值區，對暴雨預警發布提供有重要指示意義。

關鍵詞 短時強降水；雷暴大風；對流云團；預警服務

中圖分類號：P457.6 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）12–0-03

Analysis of A Short-term Heavy Rainfall Forecast and Warning in Haidian District， Beijing in 2021

Niu Min et al（Haidian District Meteor-

ological Service， Beijing 100080）

Abstract Using conventional observation data from radar， satellites， and ground meteorological stations， analyze a severe convective weather process that occurred in Haidian District， Beijing in 2021， and summarize the forecast and early warning services for this process. The following conclusion can be drawn： this process was influenced by the northward airflow after the cold vortex， forced by the high-altitude dry cold advection， and the convergence of the surface northeast wind and the easterly wind in front of the mountain. The thunderstorm tends to move towards the surface convergence area， producing short-term heavy precipitation. The overall humidity conditions were good， with a specific humidity of nearly 12 g/kg at 850 hPa， providing favorable water vapor conditions for the formation of short-term heavy rainfall. The 850 hPa warm advection， high convective effective potential energy， and strong vertical wind shear are the main reasons for the rapid organization and development of convection and the formation of a strong convective storm. The extremely strong wind speed area and wind direction convergence area on the ground， and the upstream 5 min strong rain value area are of great significance for the issuance of rainstorm warning.

Key words Short-term heavy precipitation; Thunderstorms and Strong winds; Convective cloud clusters; Early warning services

在全球變暖加劇和城市化進程加快的背景下，全球大部分地區短時強降水事件的發生頻次和強度均呈顯著上升的趨勢。短時強降水的監測和預報預警一直是氣象科研和業務工作中的重點和難點。短時強降水（Flash Heavy Rain，簡稱FHR）是短時間內降水量級達到或超過一定閾值的天氣現象，具有尺度小、突發性強、生命史短、預測難度大等特征，短時間內還可能引起城市內澇、泥石流、山體滑坡等嚴重次生災害。

早在20世紀80年代，國內已有不少學者針對不同區域的短時強降水開展研究，林建等[1]分析了30年中國暴雨的時空特征；沈澄等[2]利用2008—2012年南京自動氣象站1 h降水量的觀測資料，分析南京短時強降水發生的年、月、日變化及空間分布特征，為短時強降水預報提供參考依據；尹承美等[3]用2006—2008年5—9月濟南市區域自動站，高空、地面資料進行對比分析了濟南市區短時強降水特征，短時強降水比較普遍的共性在于存在冷、暖空氣的活動與匯合。但從天氣形勢上看，無論是明顯的天氣系統還是弱鋒區，甚至于減弱的氣旋性環流，都可能產生短時強+降水。

在近40年間，北京市夏季降雨總量呈現減少趨勢，但短歷時強降雨產生的降雨總量逐漸增多，而過程性降雨的總量卻大幅減少。該變化趨勢與氣候背景變化相關，也受到城市化效應的顯著影響[4]。此外，由于城市不透水下墊面大幅擴展，導致地面徑流增加，城市內澇積水現象時常發生。強降水對城市運行構成極大威脅，越發受到社會各界的關注，也給氣象預報預警和防災減災提出了許多問題和挑戰。

目前，海淀區在短時強降水預報預警方面的研究仍尚淺，因此利用雷達、衛星及地面氣象站5 min降水量觀測資料，對海淀區短時強降水天氣特征和成因進行分析，擬在短臨預報、預警發布方面及選取海淀區預警指標提供參考。

1 強對流天氣發生概況

2021年8月16日傍晚至夜間北京市出現雷陣雨天氣，局地短時雨強大，昌平、海淀、石景山、豐臺和大興等區出現局地暴雨，雷雨時伴有7、8級短時大風，延慶區局地出現冰雹。16日17：00—17日03：00，全市平均降雨量9.6 mm，最大降雨出現在石景山雕塑園96.2 mm，最大小時雨強也出現在該站，16日21：00～22：00降雨91.7 mm。

從海淀區的降水量分布（圖略）可知，此次強對流天氣過程的主要特點是短時雨強大，降水時段集中，雨量分布不均。16日20：00海淀區自北向南出現短時強降水，主要降雨時段為20：30～22：00，全區平均雨量41.1 mm，其中最大雨量閔莊站64.8 mm，最大小時雨強為閔莊站21：00～22：00 54.8 mm，最大5 min雨量達19.8 mm（21：00～21：05），21：00～21：15連續3個5 min雨量超10 mm，15 min降雨量達46.2 mm。海淀區陣風風速最大8級，為西小口（18.6 m/s，20：51），陣風風速達7級以上的站點有5個。

2 形勢場分析

2.1 高空形勢場

2021年8月16日08：00 500 hPa華北地區受冷渦后偏北氣流控制（圖1a），貝加爾湖一帶暖脊發展強盛，槽后脊前經向度大，干冷平流顯著，斜壓性發展；700 hPa槽位于北京東南部（圖1b），700 hPa和500 hPa溫度差為17 ℃；850 hPa無明顯影響系統，有暖平流輸送，850 hPa和500 hPa溫度差為23 ℃。

20：00 500 hPa高空西北氣流加強，500 hPa高空風速增大至22 m/s，達急流級別，700 hPa槽移出北京市，該地區受槽后西北氣流控制。700 hPa和500 hPa溫度差為17 ℃；850 hPa有明顯的暖平流輸送（圖1c），850 hPa和500 hPa溫差進一步加大，達到30 ℃。因此，高空干冷平流強迫是此次強對流天氣發生的主要原因。

2.2 地面形勢場

從地面圖上可以看到，北京市位于弱氣壓場控制區域，無明顯影響系統。我國東北部地區受高壓控制，大陸中西部地區受多個低壓控制，北京市位于高壓底部，低壓帶前部。08：00～20：00地面低壓發展，北京市氣壓逐漸降低，08：00地面氣壓為1 015 hPa，20：00降低了2.5 hPa，此時北京地面氣壓為1 012.5 hPa（圖2）。

2.3 不穩定能量分析

從16日08：00探空圖上可以看到（圖3a），700 hPa以下濕層深厚，以上較干，上干下濕結構明顯；相對08：00探空14：00 700 hPa以上干層明顯增大（圖3b），不穩定能量增大，中低層濕度略下降，低層偏東風明顯，有利于水汽輸送，地面露點溫度>20 ℃，水汽條件有利；20：00中低層濕度增大（圖3c），濕層深厚；CAPE值不斷增大，從08：00?980 J/kg，到14：00 1 900 J/kg，20：00達2 200 J/kg，有出現短時強降水的可能性。0 ℃層在600 hPa附近，-20 ℃層在400 hPa附近，有出現冰雹的可能性。14：00 0～6 km風切達24 m/s，為強風切條件，有利于對流的組織化發展，形成較強的對流風暴。

3 衛星資料分析

從紅外云圖上可以看到，16日19：00在北京北部延慶、懷柔一帶有對流云團生成，是雷暴單體發展階段，并逐漸加強；雷暴單體進入成熟階段，此階段的云團會導致強降水的產生，并且由于降水物的拖曳作用而會產生強烈的下沉氣流。因此，在20：26至20：50昌平、海淀地區出現大風，極大風速最大值昌平十三陵16.2 m/s，海淀西小口達18.6 m/s。

20：20后云團面積不斷擴大（圖4），云頂亮溫達到-60 ℃，說明對流云頂部發展旺盛，云頂高度高。雷暴下山由于地形的抬升和地面輻合線的作用，雷暴前沿又有新的雷暴單體生成，并與之合并在海淀區加強，自北向南快速移動并進一步加強，移速約40 km/h。

4 雷達資料分析

18：30，北京延慶北部有分散性云團生成，移動緩慢，風暴產生的出流形成地面輻合線。19：00，分散的雷暴單體沿著地面輻合線發展，形成一條回波帶，雷暴單體發展旺盛。垂直液態水含量（VIL）增加。19：30（圖5a），雷暴單體發展旺盛，合并增強，最強達64 dBz，沿輻合線向南移動，速度不快，垂直液態水含量（VIL）增加至37 kg/m2（圖5b）。20：00 1.5°仰角徑向速度圖（PPI）上，2條輻合線相遇處將有強風暴發展，此時應開始關注上游地區雨強和風力（圖5c）。

20：00后強度不斷加強，從59 dBz增強至68 dBz。前方的雷達回波發展表明很不穩定，風暴將繼續強烈發展。20：42～21：12回波強度維持在67～70 dBz。

在石景山、房山一帶，不斷有雷達回波生成。從20：01風暴路徑判斷，雷達回波移動路徑是自北向南移動，連續多個體掃始終強度維持不變，因此可以確定強對流云團未來一定會影響海淀區（圖5d）。20：00可發布雷電藍色預警信號，對海淀區可能出現的強對流天氣進行提前提示。20：42，分別在0.5°、2.4°、4.3°仰角反射率圖上以及4.3°仰角徑向速度圖上存在有界弱回波區和弱中氣旋存在，但各層回波圖上無三體散射和旁瓣回波，不考慮冰雹預警。

5 區域自動站數據分析

5.1 自動站風場分析

北京市區域自動站5 min極大風分布圖可以看出，在北京延慶北部、北京東北部和北京東南部分別有3條大風速帶（圖6a），從20：20～20：50，風速大值區范圍自北向南不斷擴展并加強，昌平區十三陵極大風速從15.8 m/s增大至16.2 m/s，20：40～20：45在昌平區大風區南側新生一個風速大值區，東北風和東南風大風速帶的輻合區位于昌平南部（圖6b）。風速輻合大值區移向海淀北部街鎮，20：51海淀區西小口極大風速增大至18.6 m/s，此時海淀區西小口5 min雨強13.0 mm。受地形和風速輻合區的影響，雷暴云團在石景山、豐臺、門頭溝一帶繼續加強，21：15在石景山站極大風速達24.9 m/s。因此，風速、風向輻合區是降水極大值區，雷暴出流東北風與偏東風在山前輻合，有利于雷暴向輻合區移動，產生強降水。

5.2 自動站雨強分析

北京市區域自動站5 min降雨分布圖分析，16日20：20～20：40上游昌平區5 min雨強不斷增強。20：45在昌平區和海淀區交界區域昌平區老牛灣站5 min雨強達16.6 mm，連續3個5 min雨強超10 mm，且在不斷加強（圖7a），昌平區老牛灣5 min雨強增強達23.3 mm，降水效率極大（圖7b）。輻合區與降水大值區相對應，因此上游地區5 min雨強對海淀區及時發布暴雨預警有很好的參考意義。

6 預警發布情況及災情分析

8月16日19：00海淀區氣象局值班員監測到上游的強雷達回波，回波穩定少動，在判斷回波是否下山及下山后是否加強及海淀區域站5 min降水量等情況后，于20：30發布雷電藍色預警信號，20：50發布大風藍色預警信號，21：00暴雨藍色預警信號，21：15升級發布暴雨黃色預警信號，21：25升級發布暴雨橙色預警信號。

此次強對流天氣導致海淀區城市道路出現嚴重積水，積水滯水點19處，房屋漏雨3處，樹木倒伏折枝1 540棵，受積水影響旱河路田村鐵路橋下有2名人員被困，經搶救無效，不幸遇難。

7 結論

利用天氣圖實況再分析資料、華北區域雷達拼圖及北京市區域自動站資料，分析了2021 年夏季發生在北京市海淀區的一次短時強降水天氣，得到以下4點結論：

（1）高空干冷平流強迫是此次強對流天氣發生的主要原因。上冷下暖、上干下濕，低層高溫高濕，地面輻合線是短時強降水、雷暴大風產生的直接原因。低層偏東風增強，是低層濕度增大的直接原因。

（2）在衛星紅外云圖上，中尺度對流云發展旺盛，云頂發展高，云團厚度厚，云體結構密實都預示著強對流天氣的發生。地面風場輻合線是風暴下山加強發展的關鍵因素。

（3）北京市區域自動站風場上明顯的極大風風速區以及風向輻合區，上游5 min雨強大值區，對暴雨預警發布提供有重要指示意義。

（4）對于基層氣象臺，在掌握主要影響系統，物理量變化的天氣尺度環流背景的條件下，應加強對強對流天氣發展前衛星云圖中暴雨云團、雷暴云團的識別與監測，加強強對流天氣發生臨近時雷達回波的監測，加強自動站風向輻合區及風廓線雷達風場變化的監測。

參考文獻

[1] 林建，楊貴名.近30年中國暴雨時空特征分析[J].氣象，2014，40（7）：816-826.

[2] 沈澄，顏廷柏，劉冬晴，等.2008—2012年南京短時強降水特征分析[J].氣象與環境學報，2015，31（1）：28-33.

[3] 尹承美，梁永禮，冉桂平，等.濟南市區短時強降水特征分析[J].氣象科學， 2010，30（2）：262-267.

[4] 陳靜，劉琳.2011年汛期北京城市暴雨特征及其災害成因初步分析[J].暴雨災害，2011，30（3）：282-287.