2018年7月15—16日房山区局地大暴雨天气过程分析

2018-09-10宋歌

河南科技 2018年23期

关键词：对流

宋歌

摘要：本文利用常规观测资料、自动气象站降水资料、南郊观象台雷达资料、FY-2G卫星资料、GPS水汽探测资料及霞云岭风廓线资料，对北京市房山区2018年7月15—16日局地大暴雨天气过程进行分析，探讨此次天气过程发生的成因。结果表明：此次暴雨天气过程是由副高外围暖湿气流配合高空槽造成的，低层暖湿气流加强为其提供动力条件；水汽平流输送带来丰沛的水汽，是形成此次强降雨过程的重要条件；高空槽系统前部发展的暖区对流是造成局地大暴雨的直接原因，但其发生发展的机制仍有待于进一步研究。

关键词：局地暴雨；水汽输送；对流

中图分类号：P458 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）23-0154-05

Analysis of the July 15-16 2018 Local Torrential Rain Process in

Fangshan District

SONG Ge

（Fangshan Meteorological Bureau，Beijing 102488）

Abstract： By using conventional observation data， automatic weather station precipitation data， radar data of South suburban observatory， FY-2G satellite data， GPS water vapor data and wind profile data of Xiayunling， this paper analyzed the local torrential rain weather process of July 15—16， 2018 in Fangshan district， and discussed the causes of this weather process. The results showed that the process of rainstorm weather was caused by the peripheral warm and humid air of subtropical high combined with the high trough. The abundant water vapor brought by advection was an important condition of the rainstorm. The warm convection in the front of the high trough system was the direct cause of local torrential rain， but the mechanism of its occurrence and development was still to be further studied.

Keywords： local rainstorm；water vapor transmission；convection

暴雨是北京地区夏季常见的灾害性天气，常引发城市内涝、山洪、泥石流等次生灾害，严重影响城市交通，破坏工农业生产，甚至造成人员伤亡。暴雨天气由于其发生机理复杂，预报难度较大，一直是国内外学者研究的重点。近年来，科研工作者对暴雨天气的研究不断深入。章丽娜等[1]对暴雨的中尺度环境特征进行了分析；雷蕾等[2]总结了北京地区夏季强对流天气的探空资料特征；吴庆梅等[3]探讨了地形和城市热力环流对暴雨的影响；丁海燕等[4]利用GPS监测数據分析了暴雨的水汽特征；刘璐等[5]从暴雨的不稳定性和触发机制的角度分析了北京“7.21”暴雨。

房山区位于北京西南，地处太行山与华北平原的过渡地带，由于地表形态复杂，夏季暴雨天气频发，气象灾害对经济社会活动、城市正常运行、生态环境建设影响严重。受全球气候变化影响，房山区夏季强降雨呈现逐渐增多的趋势[6]。本文对房山区夏季一次局地大暴雨天气个例展开分析，研究其发生发展的规律，为做好房山区暴雨天气预报工作提供科学依据。

1 降雨实况及灾情

7月15日夜间至16日早晨，房山区出现强降雨天气，部分地区出现暴雨，局地大暴雨；15日08：00至16日08：00，全区平均降雨量为51.3mm，最大降雨出现在佛子庄乡上英水村，为153.5mm，最大小时雨强出现在河北镇河南村，为88.6mm（16日02：00—03：00）。全区有17个自动站雨量超过50mm，其中4个自动站雨量超过100mm。部分站点还出现了6级以上短时大风（16日02：00—03：00）。具体数据见图1。

受此次强降雨影响，房山区农业、林业和畜牧业遭受一定损失，部分地区出现玉米及树木倒伏、蔬菜受损、牲畜损失；山区发生6处塌方地质灾害；此外还有少量民房及汽车受损[7]。

2 环流形势演变

此次强降雨主要是由于副热带高压（以下简称“副高”）外围的偏南暖湿气流增强所造成的，下面对天气形势的演变进行详细分析。从高空500hPa形势（见图2）来看，7月15日08：00，北京地区处于副高外围，受西南气流控制，风场较弱，588线位于辽宁东部—渤海湾—河北南部一带，在河套地区以西有高空槽影响，温度槽落后于高空槽，有利于高空槽系统加深发展；700hPa为弱的偏西风控制；850hPa在河北与北京之间有风场的暖式切变，西南风速较弱；地面位于高压后部，弱气压场控制。到15日20：00，副高588线明显北抬至北京东南部地区，西南风速加大至12m/s，河套以西的高空槽略有东移并有所加深，500hPa温度由08：00的-1℃降至-4℃；700hPa转为12m/s的西南风控制；850hPa暖式切变维持，风速增大至8m/s，且有一条10m/s的西南大风速带在河南—河北南部生成；地面高压略有东退，1 005hPa等压线位置已从08：00的北京西部地区东退至河北以东地区[8]。

从天气形势的演变情况可以看出：北京地区从7月15日20：00开始逐渐受到副高的控制，其外围的西南气流的强度开始增强，低层的暖湿气流不断增强，风速接近低空急流标准。同时，高空槽系统携带的弱冷空气开始影响北京地区。这种低层暖湿增强，高层温度下降的高低空配置，是有利于产生降水的天气形势。

3 物理量诊断

3.1 动力条件

图3是2018年7月15日500hPa涡度平流场。从图3上可以看出，7月15日08：00，在500hPa槽前地区有正涡度平流，有利于地面辐合上升运动增强。北京位于高空槽前，但正涡度平流强度较弱，低层辐合上升运动较弱。到20：00，正涡度平流中心从河套以北移至内蒙古中东部地区，强度减弱。北京地区继续维持弱的正涡度平流。从整体来看，动力辐合条件偏弱。从整层的散度场分析来看，7月15日08：00，40N°附近在500hPa高度有极弱的辐合，500hPa以下为辐散场。到20：00，整层的辐合条件有所发展，近地面层以及500～700hPa高度出现辐合，16日02：00，辐合条件又有所减弱，除近地层有弱的辐合之外，其他层次均为辐散[9]。

图4是2018年7月15日500hPa垂直速度剖面图。垂直速度诊断结果表明：7月15日08：00[见图4（a）]，在40N°附近，600hPa以上为弱的下沉运动，中低层无明显的上升运动。到20：00（见图4（b）），垂直速度场发生了较为明显的变化。在40N°附近，整层转为上升运动，上升速度约为5Pa/s，整层动力条件有了明显改善。到16日02：00（图略），即强降水发生时段，400hPa以下的上升速度维持在5Pa/s，400hPa以上则逐渐转为下沉运动。这表明上升运动条件开始逐渐减弱。

图5为2018年7月15日18：00至16日05：00霞云岭风廓线。对7月15日18：00至16日05：00半小时间隔的霞云岭风廓线资料（见图5）进行分析可以看出：在500m高度以下层次，西南风速基本维持在1～2m/s，风速很弱。在500～1 500m高度上，随着时间推移，风速从2～3m/s逐渐增大到10～12m/s，辐合上升运动加强。此外，在高空700hPa附近，16日01：30前后风速加大至20m/s以上，且在01：30～02：00，风速由西南风转为西北风，表明有弱短波系统过境，动力条件增强。由此可以推断，此短波系统在02：00以后逐渐向东北方向移动，造成了北部山区较强降雨[10]。

3.2 水汽条件

此次强降雨过程是在副高北抬的大尺度环流背景下发生的，因此具有较好的水汽条件。从7月15日08：00至20：00，北京地区中高层比湿明显增大，500hPa和700hPa比湿分别从1g/kg和3g/kg增大到5g/kg和10g/kg；而850hPa和925hPa比湿则维持在14g/kg和18g/kg左右，水汽含量明显增大，湿层厚度增加，比湿达到北京地区发生暴雨的阈值。从水汽平流的情况来看，从7月15日08：00开始，无论高层还是低层，水汽平流均为正值，这表明本地有较好的平流输送条件，为强降雨的发生源源不断地输送水汽。到20：00，整层水汽平流加强，在中高层表现得更为明显，水汽条件得到进一步增强。

从大尺度水汽条件分析来看，北京地区在强降雨发生之前大气中具有充沛的水汽。那么局地水汽条件在降雨发生前具体如何呢？图6为北京地区的GPS水汽分布图。从图中可以看出，在7月15日20：00，即降雨发生之前，北京中南部地区水汽含量已达60mm以上，房山区水汽含量分布呈现东高西低的特点，东部平原地区水汽含量达66mm以上，这一水汽含量即使在水汽充沛的夏季也是一个较高的数值，表明本地水汽条件极好，只要满足一定的动力条件，极易造成强降雨天气。从图中可以看到，16日03：00，即在局地大暴雨发生前后，房山区大部分地区水汽含量达68mm以上，西南部地区局地更是超过了70mm。

尽管有较好的水汽输送条件和本地水汽条件，但从水汽通量散度场上来看（图略），从7月15日08：00至20：00，水汽通量散度在500hPa表现为辐合，在中低层均持续维持辐散状态，这说明水汽在北京地区仅在高层出现聚合，低层并没有明显的水汽聚集，这对于出现持续区域性暴雨条件略显不利。

总体来看，这次强降雨過程的水汽条件还是非常有利的。本地水汽含量及水汽输送条件均有利于强降雨产生，唯一的不利条件就是水汽在低层没有形成聚合，因此在15日夜间仅在局地出现了暴雨天气。

3.3 不稳定条件

从探空分析可以看出：7月15日08：00（见图7），探空曲线表现为“上干下湿”的形态。湿层集中在850hPa以下层次，850hPa以上层次的大气非常干燥。925hPa以下为弱的东北风，850hPa和500hPa为西南风，700hPa为偏西气流。低层有暖平流，高层为冷平流。500hPa与850hPa温差相对较小，为21℃，K指数为19℃，沙氏指数为0.82℃，CAPE值为562.6J/kg，此时大气层结已经具有一定的不稳定性，但尚未达到发生明显对流性天气的条件。到14：00，探空曲线仍然维持“上干下湿”的形态。低层的风场由东北风转为西南风。850hPa到700hPa的湿度有所增加，CAPE值增加至669.2J/kg，不稳定能量略有所增大。20：00的探空条件有了较为明显的改变。首先，“上干下湿”的探空形态有所变化，850hPa以下湿度略有减小，850hPa以上湿度有所增加。中低层的西南风风速均有明显增加。500hPa与850hPa温差增大至25℃，K指数和CAPE分别跃升至37℃和1 108.2J/kg，沙氏指数降低至-0.78℃，大气层结不稳定性明显增大，具有发生对流性天气的潜势。

4 卫星及雷达资料特征

4.1 卫星云图特征

从FY-2G红外卫星云图（见图8）上可以看出：从7月15日09：00开始，河套地区就在高空槽云系前部发展出对流云团并向西北方向移动。12：00以后，随着热力条件不断增强，对流云团强度迅速增强，范围也不断扩大。14：00在河套地区东部已经出现6h雨量达到38mm的较强降雨。此后，对流云团持续发展，高空槽云系在东移的过程中与其前部发展出的对流云团逐渐合并，于18：00前后进入河北西部地区。21：00，在主云系前部，房山区西部山区有小对流云团生成并有所发展，于22：00后减弱消散，小时雨强不超过20mm。与此同时，在河北保定地区及北京北部地区，又有小的对流云团生成并快速发展，向东北方向移动。保定地区的对流云团于23：00进入房山区西部地区。16日01：00前后，小对流云团合并成一个面积较大的云团，且强度显著增强，云顶亮温最小值达到200K以下，此时降水强度明显加大，最大小时雨强达到50mm以上。此后对流云团一路北上，强度维持，并与北京北部地区的对流云团合并成为一个更大的云团控制整个北京地区。03：00后，对流云团强度逐渐减弱并继续向东北方向移动，07：00后基本移出房山区，最大小时雨强也随之明显减弱至10mm以下。

4.2 雷达回波特征

在反射率因子图上（见图9），15日20：00前后，房山区张坊镇西南方向有一块状回波移入并向东北方向移动，最大回波强度约50dBZ，此回波在东移北上的过程中逐渐减弱消散，于22：00结束对房山区的影响。在这一阶段，速度图上无明显的风向辐合，因此不利于此块状回波加强发展。23：00前后，河北中部有一小片回波从房山区蒲洼—十渡一带移入，自西南向东北影响房山区西部及北部山区，强度有所加强，范围不断扩大。在其后部50km处有大片强回波东移北上，强度增强，范围扩大，在上游地区造成较强降雨。16日01：30前后，大片回波区与前部小回波区结合，组织化加强，形成范围更大的强回波区，强度维持在50～55dBZ，持续给房山区造成强降雨。从图9可以看出，16日00：30分左右，风速开始加大，出现大于20m/s的大风速区，在易县附近有明显的风向辐合，同时在北部山区也开始出现风向辐合，随后在中部及北部地区不断有小的涡旋生成，有利于回波强度的维持和发展。02：00前后，在南部平原地区至大兴一带开始出现局地新生回波并快速发展，逐渐形成一条狭窄的带状回波并入主体回波自南向北移动。大风速区在此时也开始逐渐靠近，并于02：30左右进入房山区。02：42在佛子庄—河北镇一带局地生成一大风速区，约在03：00前后移出房山区。此后回波强度减弱至30～40dBZ，速度图上风速也明显减弱，降雨强度开始下降。

5 结论与讨论

本文对房山区夏季一次局地大暴雨天气过程的大尺度天气形势、物理量诊断及中尺度特征进行分析，主要得出如下结论。

①此次强降雨天气过程是在副热带高压外围暖湿气流与高空槽携带的弱冷空气结合的环流形势下发生的。低层西南气流的不断加强造成辐合上升运动增强，为强降雨提供动力条件。

②此次过程的动力条件总体偏弱，但水汽条件极好，再加上大气层结不稳定度不断增大，在低层动力条件触发下，造成了局地大暴雨天气。

③从卫星和雷达回波资料特征来看，大尺度系统前部发展出的中尺度对流系统长时间维持并发展是造成强降雨的关键，但其发展变化规律还有待进一步深入研究。

参考文献：

[1]章丽娜，王秀明，熊秋芬，等.“6.23”北京对流暴雨中尺度环境时空演变特征及影响因子分析[J].暴雨灾害，2014（1）：1-9.

[2]雷蕾，孙继松，魏东.利用探空资料判别北京地区夏季强对流的天气类别[J].气象，2011（2）：136-141.

[3]吴庆梅，郭虎，杨波，等.地形和城市热力环流对北京地区一次β中尺度暴雨的影响[J].气象，2009（12）：58-64，164.

[4]丁海燕，李青春，郑祚芳，等.利用北京GPS监测网分析夏季暴雨的水汽特征[J].应用气象学报，2012（1）：47-58.

[5]刘璐，冉令坤，周玉淑，等.北京“7.21”暴雨的不稳定性及其触发机制分析[J].大气科学，2015（3）：583-595.

[6]柯文华，俞小鼎，林伟旺，等.一次由“列车效应”造成的致洪暴雨分析研究[J].气象，2012（5）：552-560.