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北京城区两次强降水过程的中尺度观测分析及成因探讨

孙靖  
【摘要】:利用北京地区高时空分辨率的地面自动站资料、微波辐射计资料、风廓线数据、多普勒雷达数据、雷达变分同化分析系统(VDRAS)的高分辨率边界层分析场资料、以及6小时一次的NCEP再分析资料等,对奥运会期间影响北京地区特别是北京城区的两次强降水过程,即发生在2008年8月10日和14日的两场暴雨,进行了比较细致的分析和对比,得到如下主要结论: 1. 8月10日为一次全市性大-暴雨,降水持续时间达24小时左右,暴雨落区呈西南-东北走向,城区为该过程暴雨中心之一;其中10日下午和前半夜北京城区分别出现了短时暴雨,10日下午观测到45mm/h和12mm/5min的雨强;雨团总体的移动方向是自西南向东北移动。8月14日为一次北京中部平原地区的强降水,城区是降水主要影响区域,降水过程前后不过8小时,主要影响时间是在中午前后;累积雨量累大多在25~40mm,局部达到50mm以上,观测到的最大雨强是51.1mm/h和8mm/5min;雨团的主体移动方向是自东南向西北移动。这两次过程的影响范围、持续时间和累积雨量等存在着较明显的不同,但都具有短时雨强大的对流性降水特点。 2. 10日的全市性强降水是在对流层中低层比较深厚的河套低槽系统与对流层高层急流构成有利配置、冷暖空气在华北交汇及丰富的低纬水汽供应的条件下发生的。14日中部平原强降水的影响系统为对流层中层的切断低压,水汽来源主要是切断低压自身携带和少量来自东南沿海的水汽。与10日相比,14日缺少高层强辐散、较为深厚的中低层辐合和水汽持续输送的大尺度环流条件,但有着更为明显的对流不稳定度。大尺度动力、水汽和稳定度条件存在的差异,是10日和14日降水在范围、持续时间和累积雨量等方面存在明显差别的大尺度原因。另外分析发现,这两次强降水的主要落区都与对流层低层中α尺度系统的发生及位置有很大关系,低层中α暖式切变线偏东风一侧、中α地面倒槽顶端,是强降水发生的可能区域。 3.利用北京地区高时间分辨率的微波辐射计,捕捉到10日下午城区发生降水前1~2个小时、当地上空CAPE的短时快速积累过程(300hPa以下最大可达2000J/kg左右)。由风廓线资料观测到10日城区短时暴雨发生前2小时左右,城区一带3km以下的环境风由西南风转为偏东风、低层垂直切变明显加强的现象;14日北京东南部对流发生前1-2小时,北京近地层400-900m的环境风由西北风变成东北风。局地CAPE的快速积累和低层偏东风的发生,是北京强降水能够发展的重要局地环境条件,而这些关键的细节在已经加密了的6h间隔探空观测中常常仍不能被有效捕捉。 4.从雷达回波分析发现,(1)北京10日降水过程既有层状回波,又有对流回波。14:00之前,北京主要以层状回波为主,主要位于西北部山区,呈西南-东北向,强度不大,多在35dbz左右;14:00之后,随着大范围降水回波的逼近,在其移动的近前方北京房山东南部和河北交界处生成了一些分布不规侧的中γ尺度小对流单体,这些小单体呈准南北向组织化排列发展,形成了一条明显的中β尺度线状对流系统,其靠近和移经城区期间,其上的对流单体呈现出“右向”发展的现象,强烈发展的回波反射率达到55dbz,45dbz垂直厚度从地面一直伸到6km左右,35dbz可达到8km左右。正是受该线状对流系统的影响,北京城区10日下午出现了短时暴雨。(2)14日降水过程对流回波的发展更为迅速。14日11:00之前北京地区只有山区一带有零星回波;11:00刚过不久,在北京东南部靠近城区的大兴地区和北京东北部突然出现了若干强烈发展的对流单体,特别是产生于大兴的对流单体在短短的30分钟里,回波中心强度就达到了50dbz左右,且该对流单体具有超级单体的基本特征,有明显的钩状回波结构,低层有穹窿状弱回波区,回波顶高超过了10km。这个超级单体向西北移经城区时有些减弱但仍造成城区短时强降水,它移过城区到达昌平一带时再度加强。(3)两次强降水过程中,对流单体在不同的生命阶段,其内部回波垂直结构有一定的共同特征,即:在发展阶段,单体的回波垂直结构基本呈“椅状”;成熟阶段,则类似较光滑的“圆弧”;进入消亡阶段,回波垂直结构介于发展阶段和成熟阶段之间,呈“锯齿”状。 5.利用地面自动站和VDRAS分析场等资料,对10日下午造成城区强降水的对流单体的组织化发展的成因探讨显示,对流单体的线状组织化发展与大范围降水云系前部(北京城区南部到房山东部)近地面层中-β尺度切变线的产生直接相关,在城区暴雨发生前2~3个小时,随着北京西北部上游大范围降水云系的逼近,降水产生的近地面(主要在0.5km以下)冷性西北水平出流不断加强,与其移动前方边界层内的偏南环境风场在城区南部形成了比较明显的风切变(环境风向后来转为东南,使风切变进一步加强)。由于切变线附近低层辐合、存在上升运动,触发了对流并使对流单体沿着切变线趋于准南北向排列,组织化发展成为中-β尺度线状对流系统影响了城区。 6.基于地面自动站和风廓线等观测的分析,初步认为:14日对流在北京大兴的首先发生,可能与在那里先行出现的直径20km左右的近地面中尺度气旋性环流相关联。在该中尺度环流的触发下,局部对流发生并就地迅速发展加强,造成大兴局部暴雨。由于中空偏东气流的引导,在大兴发展起来的对流系统向偏西方向移动,且因离开了原近地面中尺度气旋性环流系统,对流系统经过城区时强度是减弱的。然而,在近地面层(400-900m)偏东环境风的作用下,西部山前一带由于地形使低层空气辐合比城区更为有利,因而对流系统在移到昌平(西部山前)一带时,再度加强和得到发展。 7.基于本论文的分析研究,提出以下关于北京地区强降水分析预报中值得注意的着眼点: (1)强降水落区与对流层低层中α尺度系统的发生及位置有很大关系,850hPa中α尺度暖式切变线偏东风一侧、中α地面倒槽顶端,是强降水的可能落区; (2)对于北京大范围降水而言,预报中需特别注意降水云系移动的近前方、边界层环境风和风向的变化,因为大范围降水发生后近地面层所形成的水平出流,可能与其前部偏南/偏东环境风构成明显风切变而激发对流的产生和组织化发展。 (3)强降水发生前后局地气象要素的变化显示,总液态水、总水汽含量和云底温度,在降水临近发生时都有明显变化和先兆指示性,对降水发生的临近预报有一定的指示意义。而一些传统要素(气压和风)骤变后趋于平稳,则预示着强降水很快结束。


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