“7.21”北京特大暴雨个例分析I：水汽条件分析

谭伟才，文映方，李启华

(解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京 211101)



“7.21”北京特大暴雨个例分析I：水汽条件分析

谭伟才，文映方，李启华

(解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京 211101)

摘要利用地面观测资料、NCEP再分析资料、FNL资料等，对2012年7月21～22日北京地区发生的一次特大暴雨过程中的大尺度环流背景场和水汽条件进行了分析。结果表明，此次降水过程可分为2个阶段，第1阶段为21日10：00～20：00，呈现对流性降水的特点，第2阶段为21日20：00～22日04：00，以锋面降水为主；此次特大暴雨过程的影响天气系统主要有500 hPa低槽、低空低涡、地面倒槽、冷锋；7月21日北京全天整个对流层水汽含量充沛；水汽来源主要有2支：一支来自副高外围海上暖湿东南气流和南风气流的输送，一支来自西南低空急流水汽输送，其中后一支水汽输送在此次暴雨过程中起主要作用；北京地区低空有非常强烈的水汽辐合中心。

关键词暴雨；环流背景；水汽条件；强对流

暴雨是北京地区夏季主要的灾害性天气之一，常给人们的生命、财产造成严重的损失[1]。因此，许多气象学者对北京地区暴雨进行了大量的研究[2-6]，如丁青兰等[3]研究了北京暴雨的气候特征，孙继松[7]分析了地形和城市环流对北京大暴雨的影响。这些研究成果为认识北京地区暴雨的形成机理、提高暴雨和强对流天气的预报水平提供了参考依据。但暴雨出现的变率很大，影响因素复杂，再加上暴雨一般具有范围小、历时短、强度大和时空分布不均匀等特点，给暴雨的预报带来了很多困难。笔者选取2012年7月21日发生在北京的一次特大暴雨过程，利用北京市国家级自动观测站门头沟站、延庆站、密云站降水资料以及NCEP 2.5°×2.5°逐日位势高度场再分析资料、1.0°×1.0°的FNL资料，分析了此次暴雨发生发展过程中的大尺度环流背景和水汽条件，以期为北京乃至华北地区暴雨的天气预报提供参考。

1降水过程概况

2012年7月21日10：00～22日02：00北京大部分地区出现大暴雨、局地特大暴雨天气过程。此次过程共造成北京约160.2万人受灾，78人死亡，525架次航班取消，道路桥梁多处受损，经济损失达116.4亿元[8]。

从图1可以看出，此次北京特大暴雨过程大致可分为2个阶段，第1个阶段发生在21日10：00～20：00，其主要特点是短时、雨强大、强度变化波动显著等；第2个阶段发生在21日20：00～22日04：00，降水逐渐平缓，雨强显著减小，该时段降水表现为锋面降水特征。以门头沟站为例，该站21日13：00～14：00雨强最大，达54.7 mm/h，之后雨强略有减弱，3 h后雨强又达51.2 mm/h，具有显著的中尺度对流系统活动特征；20：00后，降水逐渐减少，主要表现为锋面降水特征。由上述分析可见，此次特大暴雨具有雨量大、雨势强、范围广的特点，在北京历史上极为罕见。

图1　2012年7月21日11：00～22日03：00门头沟站、延庆站、密云站逐时降水量Fig.1　Hourly precipitation in Mentougou Station，Yanqing Station，Miyun Station from 11：00 on July 21 to 03：00 on July 22，2012

2大尺度环流形势分析

从7月21日500 hPa环流形势(图2)可以看出，中高纬度地区位势高度场呈两槽两脊型，即位于乌拉尔山的低压槽、乌拉尔山东部的高压脊、贝加尔湖的低压槽、鄂霍次克海的高压脊；巴尔喀什湖北部至贝加尔湖西北部为稳定的阻塞高压，其两侧为低值系统，特别是其东侧贝加尔湖附近低压系统不断有来自极地冷空气补充，因此呈稳定维持状态；华北位于贝加尔湖的高空槽前，有正相对涡度平流输送，在中低空产生上升运动，有利于暴雨的生成；中纬度东部是稳定副高，西部有来自贝加尔湖低压向南伸展的高空冷槽活动，形成有利华北大暴雨的东高西低形势。850 hPa(图3)，华北平原出现闭合低涡，且低涡中心位于北京及其附近地区，有利于降水形成。分析地面要素场分布可知，21日08：00一个倒槽从华南向北一直伸展到我国的最北端，并已形成3个闭合的低压中心，其中中间的一个位于华北地区，北京位于冷锋锋前，地面盛行西南气流；21日20：00华北地区受冷锋控制，北京恰好位于冷锋锋面附近(图4)，冷锋进入位于华北地区的低压系统，降水加强[9]。

注：黑色等值线代表位势高度(gpm)；红色等值线代表温度(℃)；箭头代表风场(m/s)。Note：Black contour represents geopotential height(gpm)；red contour represents temperature(℃)；arrow represents wind field(m/s).图2　2012年7月21日08：00(a)和20：00(b)500 hPa位势高度、风场、温度Fig.2　The 500 hPa geopotential height，wind and temperature at 08：00(a)and 20：00(b)on July 21，2012

注：等值线代表位势高度(gpm)；箭头代表风场(m/s)。Note：Contour represents geopotential height(gpm)；arrow represents wind field(m/s).图3　2012年7月21日20：00 850 hPa位势高度和风场Fig.3　The 850 hPa geopotential height and wind at 20：00 on July 21，2012

图4　2012年7月21日20：00地面要素场分布 Fig.4　The pressure at 20：00 on July 21，2012

综上所述，此次特大暴雨过程主要影响天气系统是500 hPa低槽、低空低涡、地面倒槽、冷锋。单独的冷锋降水本来不会很强烈，但在上述天气系统的配合下，形成产生特大暴雨极为有利的天气形势条件。

图5　2012年7月21日08：00～22日02：00北京站(40°N、116°E)相对湿度时间-高度垂直剖面(a)及21日20：00沿116°E的纬度-高度剖面(b)Fig.5　Time-height diagram of relative humidity in Beijing Station(40°N，116°E)from 08：00 on July 21 to 02：00 on July 22，2012(a)and latitude-height diagram along 116°E at 20：00 on July 21，2012(b)

3水汽条件分析

3.1水汽含量从北京站(40°N、116°E)相对湿度时间-高度剖面(图5a)可以看出，在300 hPa以下，北京地区的湿度条件经历了一个先增后减的过程；21日14：00～20：00 200 hPa以下整层大气的相对湿度均达100%，极有利于特大暴雨的产生；22日02：00以后，湿度条件逐渐减弱，500 hPa相对湿度回降至60%左右，对应降水较之前有所减少，但湿度条件仍然较好。从纬度-高度剖面图(图5b)可以看出，在38°～42° N整个对流层(200 hPa以下)相对湿度均达100%，表明水汽经向发展条件深厚，伸展范围较大。

3.2水汽输送从图6可以看出，在此次大暴雨过程中水汽来源主要有2支：一支是副热带高压外围的西太平洋海上暖湿东南气流输送，另一支则是来自西南低空急流携带来的暖湿西南气流。第2支水汽输送强度明显强于第1支，且第2支水汽输送中心位于华北地区，因此此次暴雨过程中第2支水汽输送起主要作用，而第1支水汽输送则是加剧了北京地区的水汽来源。

3.3水汽辐合由图7可知，21日08：00，华北地区水汽通量散度均为负值，北京水汽通量辐合较弱，不明显，水汽通量辐合中心位于山西省。14：00，水汽辐合带呈狭长的东北—西南走向，辐合中心向东移入河北省，且强度加强，最大水汽辐合中心达-70×10-8g/(cm2·hPa·s)以上，且辐合中心后方有连续的大片辐合带，说明有持续的水汽输入；北京位于该辐合中心的东侧外围，但北京西部及中部水汽通量辐合强度已经较强，北京西侧最大值已达-60 ×10-8g/(cm2·hPa·s)以上，此时降水主要发生在北京中西部。20：00，水汽辐合带进一步向东北方向移动，形状已接近于椭圆型，说明该辐合带已经发展成熟，达到最强；北京处于水汽辐合中心，最大值已达-120×10-8g/(cm2·hPa·s)以上，此刻北京全市降水强度达最大。22日02：00，水汽辐合带开始向东北移出北京，北京位于该辐合带中心的西侧，但北京东部水汽通量辐合强度仍然很强，此时北京西部降水减弱，降水主要发生在北京东部。综上所述，此次暴雨过程中，北京地区水汽通量散度与降水过程有很好的对应关系，水汽通量辐合较弱时，北京降水较少；水汽通量辐合强烈时，北京降水增强，降水显著。

注：阴影代表水汽通量[g/(cm·hPa·s)]；箭头代表风矢(m/s)。Note：Shadow represents moisture flux [g/(cm·hPa·s)]；arrow represents wind vector.图6　2012年7月21日20：00 850 hPa水汽通量和风矢Fig.6　The 850 hPa moisture flux and wind vectors at 20：00 on July 21，2012

注：a.21日08：00；b.21日14：00；c.21日20：00；d.22日02：00。Note：a.July 21 08：00；b.July 21 14：00；c.July 21 20：00；d.July 22 02：00.图7　2012年7月21～22日850 hPa水汽通量散度[单位：10-8g/(cm2·hPa·s)]Fig.7　The 850 hPa moisture flux divergence on July 21-22，2012

4结论

(1)此次“7.21”北京特大暴雨过程降水可分为2个阶段，第1阶段为21日10：00～20：00，呈现短时、雨强大且强度变化显著的对流性降水特点；第2阶段降水为21日20：00～22日04：00，降水相对平缓，降水强度显著减小，主要以锋面降水为主。

(2)此次“7.21”北京特大暴雨过程是一次典型的高空槽伴冷锋型的特大暴雨流型配置。中高纬度为两槽两脊形势，主要影响天气系统是500 hPa低槽、低空低涡、地面倒槽、冷锋。单独的冷锋降水本来不会很强烈，但在这些天气系统的配合下，形成了产生特大暴雨极为有利的天气形势条件。

(3)水汽条件分析表明，7月21日北京全天水汽含量充沛，相对湿度>60%的高湿条件达200 hPa以上，表明水汽含量相当深厚。从水汽输送来看，此次暴雨过程中，水汽来源主要有2支：一支来自副高外围海上暖湿东南气流和南风气流的输送，一支来自西南低空急流水汽输送，其中后一支水汽输送在此次暴雨过程中起主要作用。从水汽通量散度来看，北京地区低空有非常强烈的辐合中心。

参考文献

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[3] 丁青兰，王令，陈明轩，等.北京地区暖季对流天气的气候特征[J].气象，2007，33(10)：37-44.

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[9] 陶诗言.中国之暴雨[M].北京：科学出版社，1980：116-117，3-4，85-86.

基金项目国家自然科学基金项目(41175054)。

作者简介谭伟才(1991- )，男，湖南娄底人，硕士研究生，研究方向：中尺度气象学。

收稿日期2016-03-30

中图分类号S 165+.29

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)13-247-03

Analysis of a Torrential Rain Occurring in Beijing on 21 July 2012: Moisture Analysis

TAN Wei-cai, WEN Ying-fang, LI Qi-hua

(College of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing, Jiangsu 211101)

AbstractUsing the ground observational data, NCEP data, FNL data,etc.the large scale circulation background and moisture condition of a torrential rain occurring in Beijing during July 21-22, 2012 was analyzed.The results showed that the precipitation process can be divided into two phases.The first stage was from 10:00 to 20:00 on July 21,in which the precipitation was mainly from the convective system. The second stage was from 20:00 on July 21 to 04:00 on July 22,in which the precipitation was mainly from the frontal system.The main systems influencing the precipitation process were trough at 500 hPa,low vortex,the ground inverted trough,a cold front.On July 21,the whole troposphere in Beijing area had sufficient moisture.Moisture mainly came from water vapor transport by southeast flow and south flow outside the subtropical anticyclone and the southwest jet at low level which plays a major role in the whole process.Very strong vapor convergence center appeared in Beijing area.

Key wordsRainstorm; Circulation background; Moisture condition;Severe convection