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北京地区夏季暴雨的中尺度对流系统及环境条件的观测分析

赵玮  
【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、卫星云图和TBB资料、3小时一次的原始报文数据以及6小时一次的NCEP再分析资料等,对北京地区2006年7月31日(第一场暴雨)和8月1日(第二场暴雨)接连下的两场暴雨进行细致的观测对比分析。 (1)分析表明:500hPa西来河套槽东移过程中的两个不同发展阶段,即加深的槽和切断为低压槽,分别是北京7月31日和8月1日两场暴雨的主要天气尺度影响系统。两场暴雨具有相似的大尺度环流背景,但是8月1日水汽的远距离输送以及干冷空气与暖湿空气在北京的对峙要比前一天明显减弱,即形成全北京范围扰动的环境条件已经减弱。第一场暴雨是典型的华北低槽冷锋暴雨,而第二场暴雨是低压槽控制下的对流活动的产物,而非全区域性暴雨。 (2)通过对两场暴雨的雨团特征进行分析发现,两场暴雨都有明显的中-β尺度活动特征,历时短、强度大,最强降水出现在城区是其共同特点。同时,两场暴雨的中尺度特征具体表现又有明显不同,分别表现在影响范围大小、形状、移动路径、生命史及影响时段等方面。第一场为面状、范围较大,由一个直径60km左右的较大雨团自西南向东北连续移动所产生,暴雨出现在上午,雨团生命史5-6小时;第二场为线状、范围相对要小,是孤立小雨团(直径约20-30km)移动或新生所产生,自西北向东南成线状排列。第二场暴雨出现在午后到傍晚,雨团生命史更短、约3小时。 (3)利用卫星云图、TBB资料、多普勒雷达资料以及地面自动站资料对两场暴雨的中尺度系统进行分析发现,两场暴雨均由中-β尺度对流系统引起,第一场暴雨的中-β尺度对流系统是冷锋云系与副热带高压西北边缘暖湿云带近距离交汇处产生后发展影响北京,第二场暴雨的中尺度对流系统是冷涡内午后热对流引发的飑线。通过雷达和地面自动站的分析可知,两场暴雨对流回波有组织的发展是与地面中尺度辐合线的发展相联系的。 (4)利用海淀和观象台的微波辐射计对两场暴雨发生的局地物理条件进行分析,发现云底温度在暴雨发生前数小时急剧增长,相对湿度维持较高、达90%以上,水汽含量以及总液水含量在暴雨即将发生前成倍激增等现象。在直线距离约32km的海淀和观象台两地点,上述物理量在第一场暴雨中的变化同时发生、而在第二场暴雨中的变化存在时间位相差,说明7月31日云系的发展具有一定范围和系统性,降水不是非常局地,相比之下8月1日的云系发展和降水更为局地。 (5)利用对流层低层风廓线已观测数据,分析暴雨发生前后局地对流层低层水平风的垂直变化和时变特征,发现两场暴雨发生前对流层低层局地水平风的变化特征是有明显不同的,尽管两场暴雨的发生都与局地边界层内短时(数小时)偏东风的建立有关。7月31日暴雨前数小时,偏东气流建立、风向随高度顺转,在1500-1800m和300-600m分别为上下两个东风大值层,1500-1800m层东风是对流层低层切变线北侧的系统性东风,而300-600m层东风与局地环流有关。其中1500-1800m层偏东风在暴雨发生前1小时迅速向上扩展接近3000m,使偏东风垂直层在暴雨即将发生时变得更加深厚。第二场暴雨前发生4-5个小时,900m以下的近地面层首先出现东南风,之后东南风逐渐向上发展达到1200m高度。与第一场暴雨发生前偏东风相比,第二场暴雨东南风垂直厚度相对浅薄、风速相对要小、偏东风风向随高度的变化亦缺乏系统性。 (6)利用高时空分辨率的微波辐射计数据设计计算了20分钟的CAPE值以及1小时间隔的LCL值。结果显示,暴雨发生期间,抬升凝结高度在950hPa-970hPa层间有小幅升降变化,并不是总维持在一个高度上,小幅升高伴随着降水率的降低;抬升凝结高度比较显著的升高伴随着暴雨的结束。两场暴雨发生前300hPa以下大气层中均有较大的正CAPE(2000-3000J/kg),7月31日暴雨前的正CAPE值比8月1日暴雨前的更大,这或许是7月31日暴雨比8月1日暴雨强度更强的原因之一。两场暴雨过程中都存在着对流层深厚层次CAPE的释放与再聚集与再释放过程,整层CAPE释放大约为1-1.5小时;对流有效位能CAPE的大值出现在对流层中高层(5.5-10km),对流层中下层(1.5-5.5km)能量值次之,对流层低层(1.5km)以下的能量值最小。 (7)分析认为,500hPa河套西来冷槽东移过程中,槽前低层850hPa中尺度暖式切变线由南向北京的逼近和地面倒槽中石家庄到北京之间的β中低压环流的生成,在时间和垂直空间上的耦合发生,是直接诱发7月31日第一场暴雨的成因。在高空低压槽后部,低层暖平流的环境里,北京特殊地形条件下,午后北部、西部山区迎风坡孤立的对流系统生成,在对流层中低层中尺度正涡度扰动影响下有组织地发展为飑线并向东南移动,引发了8月1日第二场暴雨。 (8)另外,从暴雨发生时及前后局地各物理变量的演变特征中,发现一些对北京地区暴雨或明显降水临近预报具有一定先兆意义的特征,可为强降水短时临近预报提供有意义的指示因子。即:云底显著下降至500-600米且对流层低层(至少是边界层)出现一致的偏东风,预示未来几小时出现较明显降水的可能性大;若再伴有气柱液态水的成倍激增,预示未来数十分钟出现暴雨的可能性很大。在天气监视和预报中可给与关注。


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