北京“7.21”暴雨的不稳定性及其触发机制分析

本文利用WRF模拟的高分辨率资料对2012年7月21日北京特大暴雨过程的对流不稳定和条件对称不稳定性及其触发和维持机制进行了诊断分析。分析结果表明:(1)在临近暴雨发生时刻及暴雨初期, 大气低层主要以对流不稳定为主, 随后对流触发, 不稳定性减弱, 而低空急流和湿斜压性的增强, 使得条件性对称不稳定加强, 维持和加强了暴雨的不稳定性。(2)分析表明, 在暴雨过程中主要由于较强的水平风的垂直切变造成湿位涡的斜压分量异常, 从而导致条件性对称不稳定的产生。(3)本文分别对暴雨发生过程中的对流不稳定与条件对称不稳定的触发机制进行了分析, 主要结论如下:暴雨初期对流性降水阶段, 切变线上有利的垂直上升环境与地形的强迫抬升相互配合, 触发了对流性降水。另外, 北京上空的干冷空气入侵, 也增强了大气的对流不稳定性, 更易触发对流;对称不稳定导致的降水阶段, 主要是由于北京上空冷暖空气的长期对峙, 冷空气逐渐深入到暖湿空气下方, 使得暖湿气团沿冷气团爬升, 从而触发对称不稳定, 造成持续性降水。此次暴雨过程中0900～1300 UTC时刻暴雨增幅的重要原因是0900 UTC北京风向突变, 转为偏东风, 且风速骤增, 北京西北侧的喇叭口状的地形的强迫抬升作用, 与上空750 hPa移来的切变线上的垂直运动相互叠加, 形成中尺度涡旋, 产生了强烈的上升运动, 触发不稳定, 产生大暴雨。     

高空急流在北京“7.21”暴雨中的动力作用

利用常规观测、加密自动气象站降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料等,使用天气动力学诊断方法,重点研究了高空急流对北京2012年7月21日（“7.21”）暴雨中降水突然增强时刻14时（北京时）和降水最强时刻19时的动力作用。结果表明,“7.21”暴雨的发生和西来的高空急流东移至北京上空有关,高空急流及其散度场和与高空急流相伴随的次级环流对“7.21”暴雨的发生起重要的动力作用。7月21日14时,高空急流轴的经向度开始增大,高空急流入口区右侧的散度场南北范围明显扩大,北京上空为深厚的对流运动,受来自低层的东南气流带来的暖湿空气的影响,北京地区降水量突然增大;20时,对流层高空急流轴的经向度进一步增大,此时由于北上西北低涡导致的低层辐合,使得北京上空对流层高层出现强辐散区,北京上空出现强烈的上升运动,加之来自东南的暖湿气流的影响,使得北京地区降水量在19时达到最大值。“7.21”暴雨中降水突然增强时刻和降水最大时刻,上升支均出现在高空急流入口区右侧,但是,次级环流的下沉支均发生在北京的东南部,这是影响“7.21”暴雨次级环流的一个重要特征。     

北京“7.21”特大暴雨高分辨率模式分析场及预报分析

2012年7月21-22日,61年以来最强降水袭击北京,北京大部分地区出现大暴雨,局部特大暴雨,过程雨量大、雨势强、范围广,造成了严重影响。此次强降水配置较为典型,业务预报提前指示出了此次过程,但预报结果存在强度偏弱,峰值偏晚等偏差。在对此次大暴雨进行综合分析的基础上,利用中国自动气象站与NOAA气候预测中心卫星反演降水资料CMORPH(Climate Prediction Center Morphing Technique)产品融合的逐时降水量网格数据资料作为观测,着重对北京市气象局新的快速更新循环同化和预报系统(BJ-RUC v2.0)的3 km高分辨率模式分析场和预报场进行了检验与分析,以期通过对中尺度模式预报性能的了解,为暴雨可预报性问题提供进一步的参考。研究结果表明,此次特大暴雨过程水汽条件极佳,降水区域较为集中,呈现西南一东北走向的中尺度雨带特征。利用常规检验评分对预报降水的时间序列进行检验发现,预报降水在时间上滞后,降水强度偏弱,存在偏西南的位置误差,并且未能反映降水系统的线状特征。进一步利用检验连续降水区域定量降水预报的CRA(contiguous rain area)方法,对预报误差进行分解表明,整体降水(5 mm/h)的主要误差来自于位置和形状误差;而在暴雨(20 mm/h)的预报中,降水强度的偏差占误差的主要部分。最后结合对预报场大尺度环流和物理量的诊断(水汽条件和不稳定条件),分析探讨了此次极端暴雨预报不佳的原因。     

“7.21” 暴雨过程动力因子分析和预报研究

针对2012年7月21～22日发生在我国华北地区的暴雨过程,利用美国全球预报系统资料对湿热力平流参数、对流涡度矢量的垂直分量、热力波作用密度、热力位涡波作用密度、热力位势散度波作用密度和湿斜压涡度等动力因子进行计算和诊断分析,结果表明,该暴雨过程是由高、低空急流、高空槽、副热带高压、冷锋和辐合切变线等多个天气系统共同作用造成的。降水区具有垂直上升运动强烈,垂直热量输送明显,湿等熵面向下伸展和水平风垂直切变显著等动、热力学特征。湿热力平流参数等动力因子综合反映了上述动、热力垂直结构特征,因而与6小时观测降水的发展移动有一定相关性。全球预报系统48小时预报的动力因子高值区在走向和落区上与6小时观测降水区比较接近,代表动力因子对降水落区有一定的指示意义。利用全球预报系统的预报场资料对动力因子暴雨预报方程进行计算,结果表明,在降水中心位置预报方面,动力因子降水预报比全球预报系统本身的降水预报更接近观测实况。ETS（Equitable Threat Score）评分计算表明,对于降水的早期预报,动力因子降水预报评分略高于全球预报系统本身的降水预报评分,说明动力因子暴雨预报方程有一定的降水预报能力,可以应用到实际天气业务预报中。     

北京“7.21”特大暴雨环流形势极端性客观分析

2012年7月21日(简称“7.21”),北京发生了自1951年以来最强的暴雨事件。利用倾斜旋转T模态主成分分析法和美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心再分析资料,探讨了北京“7.21”特大暴雨的大尺度环流形势的极端性。结果表明,北京“7.21”暴雨日所属的大尺度环流型在1951—2012年夏季出现的频率为10.9%,而在“7.21”同类环流型中暴雨出现的概率为4.51%。和同类暴雨日平均场相比,“7.21”暴雨日当天西太平洋副热带高压西伸更强,北京地区对流层低空急流更强,并伴随环境大气中极端充沛的可降水量和较大的风垂直切变。在“7.21”同类环流型下的621 d中,“7.21”暴雨日北京南侧的低空急流排在第54位,北京局地风垂直切变排在第209位,可降水量排在第8位,显示出其在低空急流和可降水量上的极端性。1951—2012年夏季,具有“7.21”暴雨日同类环流形势、且925 hPa低空急流和可降水量均达到或超过“7.21”暴雨日值的个例有3次,相当于每21年发生一次。     

“7.21”暴雨过程动力因子分析和预报研究

针对2012年7月21~22日发生在我国华北地区的暴雨过程,利用美国全球预报系统资料对湿热力平流参数、对流涡度矢量的垂直分量、热力波作用密度、热力位涡波作用密度、热力位势散度波作用密度和湿斜压涡度等动力因子进行计算和诊断分析,结果表明,该暴雨过程是由高、低空急流、高空槽、副热带高压、冷锋和辐合切变线等多个天气系统共同作用造成的。降水区具有垂直上升运动强烈,垂直热量输送明显,湿等熵面向下伸展和水平风垂直切变显著等动、热力学特征。湿热力平流参数等动力因子综合反映了上述动、热力垂直结构特征,因而与6小时观测降水的发展移动有一定相关性。全球预报系统48小时预报的动力因子高值区在走向和落区上与6小时观测降水区比较接近,代表动力因子对降水落区有一定的指示意义。利用全球预报系统的预报场资料对动力因子暴雨预报方程进行计算,结果表明,在降水中心位置预报方面,动力因子降水预报比全球预报系统本身的降水预报更接近观测实况。ETS(Equitable Threat Score)评分计算表明,对于降水的早期预报,动力因子降水预报评分略高于全球预报系统本身的降水预报评分,说明动力因子暴雨预报方程有一定的降水预报能力,可以应用到实际天气业务预报中。     

局部地形对北京“7.21”特大暴雨影响的数值研究

利用NCEP1°×1°再分析资料和WRF模式对2012年7月21日北京特大暴雨过程进行数值模拟,结果表明,WRF模式能够成功模拟出本次暴雨过程,特别是对100 mm以上的大暴雨也有较强的模拟能力。基于控制试验,针对北京地区复杂的地形,设计了4组地形敏感性试验。试验结果表明:北京地区局部地形的改变对暴雨落区的模拟影响不大,但对暴雨中心的分布和强度有影响,特别是西南部的局部地形对于本次暴雨过程中降水中心的落区具有很大影响,而北部和东北部的局部地形则作用不明显。进一步研究表明,北京地区西南部的局部地形主要是通过影响低层偏南风急流的流场结构,改变强辐合区和垂直运动的分布和强度,进而引起降水中心位置和强度的改变。     

北京“7.21”特大暴雨不同集合预报方案的对比试验

采用6套扰动方案(初值、多物理、3组随机物理和初值与随机物理的混合)对2012年7月21日(“7.21”)北京特大暴雨过程进行了集合降水预报试验,检验了不同方案的集合平均预报、集合区间预报和概率预报较控制预报改进的相对程度,分析了它们对该过程时空不确定性的预报能力、不同扰动方法的离散度贡献以及不同尺度扰动对预报误差的贡献等。结果表明:(1)所有集合方案特别是初值扰动、多物理和混合扰动的集合预报相对控制预报在暴雨强度和位置上都有较显著的改进,并为用户决策提供了包括预报不确定性在内的更多预报信息。(2)3组随机物理产生的集合预报离散度很相似, 都远小于初值扰动和多物理方案产生的离散度, 并且主要集中在强降水中心附近, 因此在初值扰动的基础上加入随机扰动,可以提高强降水中心的离散度, 但对强降水中心以外的地区作用甚微;尺度分析进一步表明随机物理产生的离散度贡献主要集中在较小尺度上(<320 km),在更小的尺度上(<160 km)它甚至可以与初值和多物理扰动的贡献相当,而初值扰动和多物理过程的贡献可以比随机物理过程多延伸400—500 km直到较大的尺度(如>1000 km), 其中多物理过程在较小尺度上(<100 km)可比初值扰动贡献更大, 并且能部分消除预报系统偏差。(3) 所有集合扰动方案所产生的离散度尺度谱都与实际预报误差尺度谱分布一致, 即随空间尺度增大而减小,但在幅度上都小于预报误差(离散度不够大),并且这种差异随着空间尺度的减小而加速增大,在小尺度上相差甚大。     

北京“7.21”特大暴雨过程中尺度系统的模拟及演变特征分析

在2012年7月21日北京特大暴雨过程天气尺度环流背景分析的基础上,主要用WRF模式对该次暴雨过程进行了高分辨率的模拟。利用模拟资料分析了影响此次北京特大暴雨的辐合线及辐合线上生成的中尺度低涡的热动力结构及其演变。从热力场来看,来自于西北和东北方向的强冷空气与西南和东南暖湿气流的长时间对峙形成的辐合以及中低层冷空气从西北和东北方向向西南的入侵迫使整层暖湿空气抬升,以及低空急流的暖湿平流与低空弱冷空气之间形成的"西冷东暖"的结构,对对流不稳定的触发有一定作用,有助于该次特大暴雨的发生。对流层低层的西(东)南风与西北风之间形成了一条持续时间长的辐合切变线,切变线上不断有中尺度低涡生成并沿切变线发展移动,模拟资料分析表明,低涡不断沿切变线生成并移动经过北京从而对该次暴雨造成影响,这与"列车效应"现象类似。切变线上生成的中尺度低涡位置也同时处于急流左前侧和山前,低涡加强和发展时对应有暴雨的明显增强,是直接造成北京特大暴雨的中尺度系统,其生成与低层辐合、低空急流及地形均有关系。低层辐合引发的垂直运动在地形迎风坡附近得到加强,低层辐合及地形抬升共同导致了强垂直运动的发展和维持,是暴雨持续的重要原因。大气中层有下沉气流与低层上升气流相互作用,在大气中低层形成一系列中尺度环流,房山附近一直有中尺度环流的垂直上升支维持,也是暴雨中心出现在房山的原因之一。     

北京“7.21”特大暴雨云降水结构及云雨转化特征

利用多普勒雷达资料、FY-2E静止卫星和MODIS极轨卫星反演产品,研究2012年7月21日北京特大暴雨的云降水结构及云雨转化特征。结果表明:降水过程三阶段的云降水垂直结构不同。1)在暖区对流降水阶段,降水以暖雨机制启动,雨滴在暖区存在深厚的碰并增长过程,暖雨过程对降水起主要贡献。随着云体的发展,冷雨过程加剧。T-Re分析表明,-10℃层以下云滴凝结碰并显著,-10℃层以上为深厚的冰相增长带,云顶以冰相大粒子为主,云水向雨水转化迅速。2)在锋面对流降水阶段,降水系统为高度组织化的\"低质心\"强降水液态MCC(Mesoscale Convective Complex)系统。回波强度在冰水混合层增长较快,冻结层是此阶段成雨微物理的关键层。降水粒子在暖云区碰并增长较快,而蒸发或破碎过程并不显著。3)在锋后降水阶段,0℃层附近冰晶粒子与云水的碰并增长较为明显。前期降水存在明显的雨滴蒸发过程。随着云体的发展,暖区云水含量较少,降水粒子不能有效碰并增长。     

锋面暴雨雨团活动的波动性

一、前言在局地强对流天气中重力波的存在已为大家所公认。但在大范围的降水区中是否也存在着重力波呢?二宫等曾指出在日本梅雨期间存在着波长约为150公里,周期约为3小时左右的中尺度降水系统,他们认为这种中尺度系统具有重力内波的性质。李麦村也论证了重力波对暴雨的触发作用。我国的许多暴雨中分析,主要着重于分析暴雨雨团。这种雨团有时仅单个地活动,有时则成群地活动,每个雨团都具有一定的     

北京“7.21”特大暴雨过程暖区降水和锋面降水的时空分布特征

利用常规观测资料、地面加密自动站资料、FY-2E红外卫星云图、多普勒天气雷达产品以及NCEP/NCAR逐6 h再分析资料,对2012年7月21日北京特大暴雨过程暖区降水与锋面降水阶段进行了细致划分,并对其不同阶段降水的时空分布特征作了比较分析。结果表明:以锋面相对于该过程总降水量中心的锋面移动情况作为降水阶段划分的主要依据,降水可划分为三个阶段,第一阶段(21日08—16时)主要为锋前暖区降水,降水中心位于河北省拒马河流域,北京西南部为次大值降水中心;第二阶段(21日16—20时)主要为锋面过境降水,降水中心位于北京西南部的房山区;第三阶段(21日20时—22日03时),北京西南部有显著锋后降水,降水中心与过境锋面相对应,位于北京东南部与河北交界处。该过程暴雨中心降水由暖区降水、锋面过境降水和锋后降水构成,其分别约占总降水量的40%、46%、14%。北京西北部、东北部和东南部降水主要由锋面降水构成,暖区降水所占比例在15%以下。河北省拒马河流域洪涝灾害主要由暖区暴雨引起,北京西南部洪涝灾害既有暖区降水的作用,又有锋面过境降水的作用。     

多普勒雷达资料同化在“7.21”北京特大暴雨个例中的应用

基于WRF(Weather Research Forecast)模式和GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)同化系统,研究了同化4部多普勒雷达探测资料对"7.21"北京特大暴雨过程中降水预报的改善作用。GSI系统直接同化径向风,而采用云分析的方式间接同化反射率。2012年7月20日21时—21日00时(世界时)雷达探测资料同化试验采用30 min循环同化径向风和反射率资料。结果表明,循环同化雷达探测资料改善了短时(0—6 h)和短期(0—24 h)降水预报,ETS评分提高了约0.2。同化反射率资料增加了初始场的水凝物,改善了温度场分布,直接影响了降水的形成,同时还使650—250 hPa位势高度的均方根误差平均降低了8 gpm。直接同化径向风资料对中尺度风场产生了一定影响。ETS评分结果表明:同化反射率资料的效果要优于同化径向风。     

广义Ertel-Rossby不变量在北京“7.21”暴雨过程分析中的应用

在绝热无摩擦大气中,具有守恒性及可反演性的Ertel位涡(PV)在大尺度天气系统分析中有广泛应用。由于忽略了力管项的作用,PV用于分析中小尺度天气系统演变时受到局限。从广义速度推导得到的广义Ertel-Rossby不变量(GERI)除了包含有PV的守恒性,还包含了螺旋度效应及力管项的作用,对于分析研究快变流型的中小尺度系统演变有一定优势。用GERI分析2012年7月21日北京地区的特大暴雨过程,表明GERI在暴雨区有明显的异常出现,其异常基本与暴雨出现时间同位相,表明GERI的定义涵盖了螺旋度和PV,也包含了暴雨发生时的旋转斜压大气的力管项效应,确实能体现暴雨过程中的流型快变的特点,可以作为独立的变量来分析和揭示造成暴雨的低涡系统的动力结构,为诊断和预报暴雨落区提供新的动力物理量。     

北京7.21暴雨低涡演变的湿位涡分析

通过诊断再分析资料和数值模拟结果,从中层湿位涡守恒和低层湿位涡变化的角度分别对北京7.21暴雨过程中中尺度低涡的演变进行分析。结果表明,暴雨前期,对流层中高层高湿位涡的冷空气扩散南下,冷空气到达华北地区上空时,在有利等熵面的引导下从稳定层结向不稳定层结快速下滑,产生了剧烈的正涡度个别变化,使得低涡得到发展加强。另一方面,等熵面上冷暖空气的剧烈交汇在增强雨势的同时,也使得对流层低层至中层产生明显的涡度制造。在不考虑稳定度影响时,低层的非绝热过程引起的湿位涡制造与低涡发展有着很好的正相关,二者在位置上和量级上都有很好的对应。进一步分析表明,非绝热加热的水平不均匀分布是引起湿位涡变化的主要原因。     

中尺度雨团在区域性暴雨中的作用

对2000年8月19日信阳一次区域性大暴雨过程中各站逐时降水资料分析发现信阳区域性暴雨是由1～3个相互分隔的中尺度雨团构成,中尺度雨团的移动决定了暴雨的分布,中尺度雨团移动方向与地面风向一致.     

中尺度雨团在区域性暴雨中的作用

对2000年8月19日信阳一次区域性大暴雨过程中各站逐时降水资料分析发现：信阳区域性暴雨是由1～3个相互分隔的中尺度雨团构成，中尺度雨团的移动决定了暴雨的分布，中尺度雨团移动方向与地面风向一致。     

黔北暴雨过程的中尺度雨团活动研究

本文首先分析黔北暴雨的频数分布，得到大娄山南侧的遵义，绥阳一带为多暴雨区，自８０年代以来，黔北暴雨呈增长趋势。然后据逐时降雨量的分布，定义了雨团，活动雨团，准静止雨团、强雨团。统计了各类雨团的时空分布，发生源地，移动路径及面积大小，并分析了雨量极值的分布情况，最后根据７１３雷达资料分析了中尺度雨团的回波特征，归纳得到中尺度雨团回波主要有三种类型，平行多带型，弥合型，涡旋型。     

太行山对北京“7.21”特大暴雨的影响及水汽敏感性分析的数值研究

运用GRAPES_Meso模式对2012年7月21—22日发生在北京地区附近的特大暴雨过程进行数值模拟和地形、水汽的敏感性试验。地形敏感性试验发现,在这次特大暴雨过程中,由于太行山北端的阻挡作用,使得气流和水汽辐合、抬升,加强了对流过程;对流层低层山前东南风和西南风、北风的辐合带增大了气旋性涡度,使东移到北京的低涡稳定维持5 h左右,对降水有明显的增幅作用;而且地形起伏和地形海拔高度对降水都有明显增幅作用,地形起伏的增幅作用较地形高度的大。水汽敏感性试验发现在这次特大暴雨过程中,水汽条件较小的变化,会导致水汽输送的明显差异,从而导致降水量显著地改变。