譚偉才， 文映方， 李啟華

(解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京 211101)

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“7.21”北京特大暴雨個(gè)例分析Ⅱ：動(dòng)力條件分析

譚偉才， 文映方， 李啟華

(解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京 211101)

利用FNL資料、衛(wèi)星TBB資料以及北京站點(diǎn)探空資料，對2012年北京“7.21”特大暴雨過程的垂直運(yùn)動(dòng)條件、不穩(wěn)定條件和TBB圖像特征進(jìn)行了診斷分析。結(jié)果表明，7月21日北京地區(qū)整個(gè)對流層盛行上升運(yùn)動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷了一個(gè)由弱到強(qiáng)的過程，18：00～21：00垂直速度強(qiáng)度最強(qiáng)，最大達(dá)-3 Pa/s，該階段對應(yīng)的北京降水強(qiáng)度最強(qiáng)；大暴雨發(fā)生前，CAPE值、地面抬升指數(shù)等多個(gè)對流環(huán)境參數(shù)均達(dá)到暴雨指標(biāo)，對暴雨預(yù)報(bào)有較好的指示意義；利用TBB資料分析中尺度系統(tǒng)表明，此次暴雨過程中中尺度對流系統(tǒng)起始是鑲嵌在低槽云團(tuán)中發(fā)展起來的，TBB演變趨勢與降水有很好的對應(yīng)關(guān)系，對此次暴雨預(yù)報(bào)有良好的指示作用。

暴雨；垂直運(yùn)動(dòng)；不穩(wěn)定條件；云頂亮溫

我國是一個(gè)受暴雨影響嚴(yán)重的國家，大范圍持續(xù)性的暴雨過程往往給國民經(jīng)濟(jì)和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來重大損失[1]。因此，加強(qiáng)對暴雨過程的預(yù)報(bào)和相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)工作變得尤為重要。較強(qiáng)的降水是在特定的天氣背景下產(chǎn)生的，一般具備一定的水汽、能量、動(dòng)力等條件，在局地強(qiáng)暴雨過程中各物理?xiàng)l件會更強(qiáng)[2-3]。朱義青等[2]分析表明大氣層結(jié)的不穩(wěn)定是強(qiáng)降水發(fā)生的前提，地面輻合、東風(fēng)波與中高層西北氣流的相互作用觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放，副高邊緣的西南氣流提供了水汽供應(yīng)。筆者利用美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心的1.0°×1.0° FNL資料、FY-2E衛(wèi)星TBB資料、北京站點(diǎn)探空資料，分析了“7.21”北京特大暴雨過程的垂直運(yùn)動(dòng)條件、不穩(wěn)定條件和TBB圖像特征，找出特大暴雨發(fā)生發(fā)展的成因，以期為今后北京乃至華北地區(qū)暴雨的預(yù)報(bào)提供有益參考。

1　垂直運(yùn)動(dòng)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(qū)的西南部存在強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心，最大值達(dá)-0.8 Pa/s以上，且上升運(yùn)動(dòng)中心外圍存在值為-0.2 Pa/s的等風(fēng)速線向東伸至北京市內(nèi)。14：00，西南部的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心進(jìn)一步發(fā)展且東移，中心數(shù)值達(dá)-1.8 Pa/s以上，但中心仍未到達(dá)北京。20：00，上升運(yùn)動(dòng)中心強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，輻射范圍幾乎涵蓋整個(gè)華北地區(qū)，中心最大數(shù)值達(dá)-4.0 Pa/s以上，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心從原來的1個(gè)分裂為2個(gè)，較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)中心剛移出北京，位于北京的東北部，而較弱的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心已進(jìn)入北京，其值達(dá)-2.5 Pa/s以上，此刻北京降水強(qiáng)度達(dá)最大。到22日02:00，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心已經(jīng)全部東移出北京，且顯著減弱，北京地區(qū)上升運(yùn)動(dòng)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(fù)值，即盛行上升運(yùn)動(dòng)，且上升運(yùn)動(dòng)垂直伸展達(dá)200 hPa以上；垂直速度大值區(qū)主要集中在39°00′～41°30′N，即集中在北京市內(nèi)(39°28′～41°05′N)，而北京的北側(cè)和南側(cè)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(shí)間變化(圖2b)可見，垂直運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷了一個(gè)由弱到強(qiáng)再減弱的過程。如果以ω的量級大于-100Pa/s為界限[4]劃分時(shí)間段，則在21日10：00～22日03：00ω>-100Pa/s，且21日18：00～21：00ω強(qiáng)度最強(qiáng)，中心達(dá)-3 Pa/s以上，與此次暴雨過程降水強(qiáng)度大值區(qū)時(shí)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(yùn)動(dòng)非常強(qiáng)烈；在100 hPa以下，整個(gè)對流層均盛行上升運(yùn)動(dòng)，為大暴雨的產(chǎn)生提供了極有利的條件。

2　不穩(wěn)定條件分析

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

綜上所述，21日08：00～20：00 6項(xiàng)暴雨指標(biāo)中超過4項(xiàng)達(dá)到暴雨標(biāo)準(zhǔn)，而其他2項(xiàng)也接近表中列出的暴雨指標(biāo)，說明“7.21”北京大暴雨過程具有非常好的不穩(wěn)定、水汽條件和動(dòng)力抬升條件，且維持時(shí)間達(dá)12 h以上。20：00以后，暴雨開始減弱，到了22日08：00以后，已經(jīng)基本上不具有產(chǎn)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(shí)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(qū)存在大片面積的低槽云團(tuán)(即232 K等值線形成的區(qū)域)[6]，但此時(shí)中尺度對流云團(tuán)仍處于冒泡階段，尚未組織化，中尺度對流系統(tǒng)鑲嵌在低槽云系中發(fā)展；北京上空云頂亮溫較四周低，最強(qiáng)中心亮溫達(dá)208 K，已經(jīng)達(dá)到形成暴雨的標(biāo)準(zhǔn)[7]。到14：00，存在4個(gè)成熟的呈西南—東北向帶狀排列的中尺度對流云團(tuán)向東北方向緩慢移動(dòng)；之前位于華北地區(qū)的低槽云團(tuán)范圍縮小，并形成2個(gè)對流云團(tuán)，一個(gè)位于河北省內(nèi)，一個(gè)位于河南省內(nèi)；北京處于前一個(gè)對流云團(tuán)的控制下，該對流云團(tuán)中心最低亮溫也是北京最低亮溫，達(dá)204 K，較08：00顯著增強(qiáng)，對應(yīng)北京降水增強(qiáng)，形成暴雨。20：00，之前位于河南省的對流系統(tǒng)向東北方向移動(dòng)，與之前位于河北省的對流云團(tuán)合并成一個(gè)較強(qiáng)的中尺度對流系統(tǒng)，因此，前一時(shí)刻影響北京地區(qū)的對流云團(tuán)不但沒有減弱東移，反而穩(wěn)定維持并增強(qiáng)，使這一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生強(qiáng)降水持續(xù)維持；位于北京上空的對流云團(tuán)中心最低亮溫達(dá)198 K，達(dá)到過程最強(qiáng)，對應(yīng)此時(shí)刻北京市區(qū)降水達(dá)到最強(qiáng)；同時(shí)，由于強(qiáng)降雨區(qū)總是位于云團(tuán)前進(jìn)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(qiáng)。到22日02：00，影響北京地區(qū)的對流云團(tuán)中心最低亮溫回升至204 K，且最低亮溫中心較前一時(shí)刻向東移動(dòng)，北京西部最低亮溫已經(jīng)回升至260 K，未達(dá)到形成暴雨的一般標(biāo)準(zhǔn)；對應(yīng)此時(shí)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(diǎn)變?yōu)橐凿h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(jì)算出的物理量

注:CAPE為對流有效位能，LI為地面抬升指數(shù)，q850為850 hPa比濕，θse850為850 hPa假相當(dāng)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(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過程，對暴雨預(yù)報(bào)有良好的指示作用[8]。同時(shí)此次暴雨過程中TBB演變趨勢與降水有很好的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)TBB中心最低亮溫值逐漸減少時(shí)，降水量增大、降水強(qiáng)度增強(qiáng)，且減小過程越快，降水量越大；當(dāng)TBB中心最低值逐漸回升時(shí)，降水量減小、降水強(qiáng)度減弱。此次暴雨過程，北京地區(qū)最低亮溫由21日08：00的208 K到20：00達(dá)最低(198 K)，再到22日02：00回升至260 K，整個(gè)過程時(shí)間不到18 h，變化非常迅速，因此，此次暴雨過程非常強(qiáng)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(wèi)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(jié)論

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

最強(qiáng)，其值達(dá)-3 Pa/s，對應(yīng)此時(shí)北京降水強(qiáng)度達(dá)最大。從其在北京地區(qū)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(gè)對流層均盛行上升運(yùn)動(dòng)，為大暴雨的產(chǎn)生提供了極有利的條件。

(2)利用北京探空站探空資料計(jì)算得到的物理量指數(shù)表明，大暴雨發(fā)生前，CAPE值、地面抬升指數(shù)等多個(gè)物理量指數(shù)均達(dá)到暴雨指標(biāo)，對暴雨預(yù)報(bào)有較好的指示意義。

(3)利用FY-2E衛(wèi)星探測并計(jì)算得到的相當(dāng)黑體輻射亮溫(TBB)資料分析中尺度系統(tǒng)表明，此次暴雨過程中中尺度對流系統(tǒng)起始是鑲嵌在低槽云團(tuán)中發(fā)展起來的，TBB演變趨勢與降水有很好的對應(yīng)關(guān)系，對此次暴雨預(yù)報(bào)有良好的指示作用。此次暴雨過程發(fā)展十分強(qiáng)烈，云頂亮溫最低達(dá)198 K，給北京及其周邊地區(qū)帶來強(qiáng)烈的降水。

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

[2] 朱義青, 高安春, 李炳文,等. 一次罕見的局地大暴雨動(dòng)力條件診斷分析[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011,39(27):16815-16818.

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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(xué)基金項(xiàng)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(xué)。

2016-04-30

S 165

A

0517-6611(2016)17-202-03