牛敏 劉宇盟 李春玲 戴高菊

摘要 利用雷達(dá)、衛(wèi)星及地面氣象站常規(guī)觀測(cè)資料，對(duì)2021年出現(xiàn)在北京市海淀區(qū)的一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程進(jìn)行分析，并對(duì)此次過(guò)程的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)情況進(jìn)行總結(jié)。得出以下結(jié)論：此次過(guò)程是冷渦后偏北氣流影響，高空干冷平流強(qiáng)迫，地面東北風(fēng)與偏東風(fēng)山前輻合的結(jié)果，雷暴趨向于地面輻合區(qū)移動(dòng)，產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水。整層濕度條件較好，850 hPa比濕接近12 g/kg，為短時(shí)強(qiáng)降水的形成提供有利的水汽條件。850 hPa暖平流、較高的對(duì)流有效位能、強(qiáng)垂直風(fēng)切，是此次對(duì)流迅速組織發(fā)展、形成強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的主要原因。地面極大風(fēng)的風(fēng)速區(qū)及風(fēng)向輻合區(qū)，上游5 min雨強(qiáng)大值區(qū)，對(duì)暴雨預(yù)警發(fā)布提供有重要指示意義。

關(guān)鍵詞 短時(shí)強(qiáng)降水；雷暴大風(fēng)；對(duì)流云團(tuán)；預(yù)警服務(wù)

中圖分類號(hào)：P457.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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(jìn)程加快的背景下，全球大部分地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水事件的發(fā)生頻次和強(qiáng)度均呈顯著上升的趨勢(shì)。短時(shí)強(qiáng)降水的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警一直是氣象科研和業(yè)務(wù)工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。短時(shí)強(qiáng)降水（Flash Heavy Rain，簡(jiǎn)稱FHR）是短時(shí)間內(nèi)降水量級(jí)達(dá)到或超過(guò)一定閾值的天氣現(xiàn)象，具有尺度小、突發(fā)性強(qiáng)、生命史短、預(yù)測(cè)難度大等特征，短時(shí)間內(nèi)還可能引起城市內(nèi)澇、泥石流、山體滑坡等嚴(yán)重次生災(zāi)害。

早在20世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)已有不少學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域的短時(shí)強(qiáng)降水開(kāi)展研究，林建等[1]分析了30年中國(guó)暴雨的時(shí)空特征；沈澄等[2]利用2008—2012年南京自動(dòng)氣象站1 h降水量的觀測(cè)資料，分析南京短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的年、月、日變化及空間分布特征，為短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)；尹承美等[3]用2006—2008年5—9月濟(jì)南市區(qū)域自動(dòng)站，高空、地面資料進(jìn)行對(duì)比分析了濟(jì)南市區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水特征，短時(shí)強(qiáng)降水比較普遍的共性在于存在冷、暖空氣的活動(dòng)與匯合。但從天氣形勢(shì)上看，無(wú)論是明顯的天氣系統(tǒng)還是弱鋒區(qū)，甚至于減弱的氣旋性環(huán)流，都可能產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)+降水。

在近40年間，北京市夏季降雨總量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，但短歷時(shí)強(qiáng)降雨產(chǎn)生的降雨總量逐漸增多，而過(guò)程性降雨的總量卻大幅減少。該變化趨勢(shì)與氣候背景變化相關(guān)，也受到城市化效應(yīng)的顯著影響[4]。此外，由于城市不透水下墊面大幅擴(kuò)展，導(dǎo)致地面徑流增加，城市內(nèi)澇積水現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。強(qiáng)降水對(duì)城市運(yùn)行構(gòu)成極大威脅，越發(fā)受到社會(huì)各界的關(guān)注，也給氣象預(yù)報(bào)預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)提出了許多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

目前，海淀區(qū)在短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)預(yù)警方面的研究仍尚淺，因此利用雷達(dá)、衛(wèi)星及地面氣象站5 min降水量觀測(cè)資料，對(duì)海淀區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水天氣特征和成因進(jìn)行分析，擬在短臨預(yù)報(bào)、預(yù)警發(fā)布方面及選取海淀區(qū)預(yù)警指標(biāo)提供參考。

1 強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生概況

2021年8月16日傍晚至夜間北京市出現(xiàn)雷陣雨天氣，局地短時(shí)雨強(qiáng)大，昌平、海淀、石景山、豐臺(tái)和大興等區(qū)出現(xiàn)局地暴雨，雷雨時(shí)伴有7、8級(jí)短時(shí)大風(fēng)，延慶區(qū)局地出現(xiàn)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(xiàn)在石景山雕塑園96.2 mm，最大小時(shí)雨強(qiáng)也出現(xiàn)在該站，16日21：00～22：00降雨91.7 mm。

從海淀區(qū)的降水量分布（圖略）可知，此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的主要特點(diǎn)是短時(shí)雨強(qiáng)大，降水時(shí)段集中，雨量分布不均。16日20：00海淀區(qū)自北向南出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，主要降雨時(shí)段為20：30～22：00，全區(qū)平均雨量41.1 mm，其中最大雨量閔莊站64.8 mm，最大小時(shí)雨強(qiáng)為閔莊站21：00～22：00 54.8 mm，最大5 min雨量達(dá)19.8 mm（21：00～21：05），21：00～21：15連續(xù)3個(gè)5 min雨量超10 mm，15 min降雨量達(dá)46.2 mm。海淀區(qū)陣風(fēng)風(fēng)速最大8級(jí)，為西小口（18.6 m/s，20：51），陣風(fēng)風(fēng)速達(dá)7級(jí)以上的站點(diǎn)有5個(gè)。

2 形勢(shì)場(chǎng)分析

2.1 高空形勢(shì)場(chǎng)

2021年8月16日08：00 500 hPa華北地區(qū)受冷渦后偏北氣流控制（圖1a），貝加爾湖一帶暖脊發(fā)展強(qiáng)盛，槽后脊前經(jīng)向度大，干冷平流顯著，斜壓性發(fā)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(wú)明顯影響系統(tǒng)，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(qiáng)，500 hPa高空風(fēng)速增大至22 m/s，達(dá)急流級(jí)別，700 hPa槽移出北京市，該地區(qū)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(jìn)一步加大，達(dá)到30 ℃。因此，高空干冷平流強(qiáng)迫是此次強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的主要原因。

2.2 地面形勢(shì)場(chǎng)

從地面圖上可以看到，北京市位于弱氣壓場(chǎng)控制區(qū)域，無(wú)明顯影響系統(tǒng)。我國(guó)東北部地區(qū)受高壓控制，大陸中西部地區(qū)受多個(gè)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(fā)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(shí)北京地面氣壓為1 012.5 hPa（圖2）。

2.3 不穩(wěn)定能量分析

從16日08：00探空?qǐng)D上可以看到（圖3a），700 hPa以下濕層深厚，以上較干，上干下濕結(jié)構(gòu)明顯；相對(duì)08：00探空14：00 700 hPa以上干層明顯增大（圖3b），不穩(wěn)定能量增大，中低層濕度略下降，低層偏東風(fēng)明顯，有利于水汽輸送，地面露點(diǎn)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(dá)2 200 J/kg，有出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的可能性。0 ℃層在600 hPa附近，-20 ℃層在400 hPa附近，有出現(xiàn)冰雹的可能性。14：00 0～6 km風(fēng)切達(dá)24 m/s，為強(qiáng)風(fēng)切條件，有利于對(duì)流的組織化發(fā)展，形成較強(qiáng)的對(duì)流風(fēng)暴。

3 衛(wèi)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(duì)流云團(tuán)生成，是雷暴單體發(fā)展階段，并逐漸加強(qiáng)；雷暴單體進(jìn)入成熟階段，此階段的云團(tuán)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)降水的產(chǎn)生，并且由于降水物的拖曳作用而會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的下沉氣流。因此，在20：26至20：50昌平、海淀地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)，極大風(fēng)速最大值昌平十三陵16.2 m/s，海淀西小口達(dá)18.6 m/s。

20：20后云團(tuán)面積不斷擴(kuò)大（圖4），云頂亮溫達(dá)到-60 ℃，說(shuō)明對(duì)流云頂部發(fā)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(qū)加強(qiáng)，自北向南快速移動(dòng)并進(jìn)一步加強(qiáng)，移速約40 km/h。

4 雷達(dá)資料分析

18：30，北京延慶北部有分散性云團(tuán)生成，移動(dòng)緩慢，風(fēng)暴產(chǎn)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(fā)展，形成一條回波帶，雷暴單體發(fā)展旺盛。垂直液態(tài)水含量（VIL）增加。19：30（圖5a），雷暴單體發(fā)展旺盛，合并增強(qiáng)，最強(qiáng)達(dá)64 dBz，沿輻合線向南移動(dòng)，速度不快，垂直液態(tài)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(qiáng)風(fēng)暴發(fā)展，此時(shí)應(yīng)開(kāi)始關(guān)注上游地區(qū)雨強(qiáng)和風(fēng)力（圖5c）。

20：00后強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，從59 dBz增強(qiáng)至68 dBz。前方的雷達(dá)回波發(fā)展表明很不穩(wěn)定，風(fēng)暴將繼續(xù)強(qiáng)烈發(fā)展。20：42～21：12回波強(qiáng)度維持在67～70 dBz。

在石景山、房山一帶，不斷有雷達(dá)回波生成。從20：01風(fēng)暴路徑判斷，雷達(dá)回波移動(dòng)路徑是自北向南移動(dòng)，連續(xù)多個(gè)體掃始終強(qiáng)度維持不變，因此可以確定強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)未來(lái)一定會(huì)影響海淀區(qū)（圖5d）。20：00可發(fā)布雷電藍(lán)色預(yù)警信號(hào)，對(duì)海淀區(qū)可能出現(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)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(qū)和弱中氣旋存在，但各層回波圖上無(wú)三體散射和旁瓣回波，不考慮冰雹預(yù)警。

5 區(qū)域自動(dòng)站數(shù)據(jù)分析

5.1 自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)分析

北京市區(qū)域自動(dòng)站5 min極大風(fēng)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(fēng)速帶（圖6a），從20：20～20：50，風(fēng)速大值區(qū)范圍自北向南不斷擴(kuò)展并加強(qiáng)，昌平區(qū)十三陵極大風(fēng)速?gòu)?5.8 m/s增大至16.2 m/s，20：40～20：45在昌平區(qū)大風(fēng)區(qū)南側(cè)新生一個(gè)風(fēng)速大值區(qū)，東北風(fēng)和東南風(fēng)大風(fēng)速帶的輻合區(qū)位于昌平南部（圖6b）。風(fēng)速輻合大值區(qū)移向海淀北部街鎮(zhèn)，20：51海淀區(qū)西小口極大風(fēng)速增大至18.6 m/s，此時(shí)海淀區(qū)西小口5 min雨強(qiáng)13.0 mm。受地形和風(fēng)速輻合區(qū)的影響，雷暴云團(tuán)在石景山、豐臺(tái)、門(mén)頭溝一帶繼續(xù)加強(qiáng)，21：15在石景山站極大風(fēng)速達(dá)24.9 m/s。因此，風(fēng)速、風(fēng)向輻合區(qū)是降水極大值區(qū)，雷暴出流東北風(fēng)與偏東風(fēng)在山前輻合，有利于雷暴向輻合區(qū)移動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)降水。

5.2 自動(dòng)站雨強(qiáng)分析

北京市區(qū)域自動(dòng)站5 min降雨分布圖分析，16日20：20～20：40上游昌平區(qū)5 min雨強(qiáng)不斷增強(qiáng)。20：45在昌平區(qū)和海淀區(qū)交界區(qū)域昌平區(qū)老牛灣站5 min雨強(qiáng)達(dá)16.6 mm，連續(xù)3個(gè)5 min雨強(qiáng)超10 mm，且在不斷加強(qiáng)（圖7a），昌平區(qū)老牛灣5 min雨強(qiáng)增強(qiáng)達(dá)23.3 mm，降水效率極大（圖7b）。輻合區(qū)與降水大值區(qū)相對(duì)應(yīng)，因此上游地區(qū)5 min雨強(qiáng)對(duì)海淀區(qū)及時(shí)發(fā)布暴雨預(yù)警有很好的參考意義。

6 預(yù)警發(fā)布情況及災(zāi)情分析

8月16日19：00海淀區(qū)氣象局值班員監(jiān)測(cè)到上游的強(qiáng)雷達(dá)回波，回波穩(wěn)定少動(dòng)，在判斷回波是否下山及下山后是否加強(qiáng)及海淀區(qū)域站5 min降水量等情況后，于20：30發(fā)布雷電藍(lán)色預(yù)警信號(hào)，20：50發(fā)布大風(fēng)藍(lán)色預(yù)警信號(hào)，21：00暴雨藍(lán)色預(yù)警信號(hào)，21：15升級(jí)發(fā)布暴雨黃色預(yù)警信號(hào)，21：25升級(jí)發(fā)布暴雨橙色預(yù)警信號(hào)。

此次強(qiáng)對(duì)流天氣導(dǎo)致海淀區(qū)城市道路出現(xiàn)嚴(yán)重積水，積水滯水點(diǎn)19處，房屋漏雨3處，樹(shù)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(jīng)搶救無(wú)效，不幸遇難。

7 結(jié)論

利用天氣圖實(shí)況再分析資料、華北區(qū)域雷達(dá)拼圖及北京市區(qū)域自動(dòng)站資料，分析了2021 年夏季發(fā)生在北京市海淀區(qū)的一次短時(shí)強(qiáng)降水天氣，得到以下4點(diǎn)結(jié)論：

（1）高空干冷平流強(qiáng)迫是此次強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)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(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的直接原因。低層偏東風(fēng)增強(qiáng)，是低層濕度增大的直接原因。

（2）在衛(wèi)星紅外云圖上，中尺度對(duì)流云發(fā)展旺盛，云頂發(fā)展高，云團(tuán)厚度厚，云體結(jié)構(gòu)密實(shí)都預(yù)示著強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。地面風(fēng)場(chǎng)輻合線是風(fēng)暴下山加強(qiáng)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

（3）北京市區(qū)域自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)上明顯的極大風(fēng)風(fēng)速區(qū)以及風(fēng)向輻合區(qū)，上游5 min雨強(qiáng)大值區(qū)，對(duì)暴雨預(yù)警發(fā)布提供有重要指示意義。

（4）對(duì)于基層氣象臺(tái)，在掌握主要影響系統(tǒng)，物理量變化的天氣尺度環(huán)流背景的條件下，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展前衛(wèi)星云圖中暴雨云團(tuán)、雷暴云團(tuán)的識(shí)別與監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生臨近時(shí)雷達(dá)回波的監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)自動(dòng)站風(fēng)向輻合區(qū)及風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)變化的監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

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