北京市石景山区2015年9月4日—5日暴雨天气过程分析

李辉+++苗凤梅+++朱立+++李朝+++许明+++曹云+++李蓓莉

摘 要：使用高空、地面、物理量及云图资料，分析2015年9月4日发生在北京地区的一次强对流局地暴雨天气过程的天气系统结构特征，探讨系统的发生发展机制。分析表明，500hpa低涡、700hpa和850hpa切变线是造成这次强降水过程的主要影响系统。500hpa冷平流、低层850hpa和925hpa明显的暖平流输送为强对流的发生提供了有利的热力条件和温湿条件。

关键词：暴雨；低涡；冷锋；暖平流

引言

极端性降水对某一地区而言是个小概率事件，但因其降水量太大，发生的天气形势往往比较典型，其中的天气尺度和中尺度强迫、水汽输送和辐合、大气不稳定等方面都比较清楚，天气形势一般都符合当地所建立的暴雨概念模型。造成极端强降水的影响系统是多种多样的，对北京而言，最多的是低涡暴雨[1-3]，这里的低涡是指东蒙高空冷性系统，其次是低槽冷锋型，但降水又主要发生在暖区内，同时低空低涡切变线又是非常重要的影响系统图[4-7]。这些说明北京暴雨受天气系统影响的复杂性。

但从天气形势上预报出是暴雨、大暴雨还是特大暴雨过程还是非常困难的，因此还必须对构成降水的主要因子进行分析。降雨量是一段时间内雨强的累积，因此在极端降水中，雨强和降水持续时间都重要[8-10]，雨强与降水效率、垂直上升运动和水汽有关，降水持续时间与影响系统的移速、中尺度对流系统的结构和演变有关。文章对天气形势及物理量做了初步分析，各因子形成及演变的机制还需以后进一步研究分析。

1 天气概况

受东移高空槽和低层偏东风的共同影响，9月4日上午到5日白天北京出现2015年汛期以来最大降雨天气过程，局地伴有弱雷电，主要降雨时段出现在4日下午到前半夜。大部分地区出现大雨到暴雨，其中丰台、石景山、海淀、门头沟、昌平、怀柔局地出现大暴雨。此次强降雨区域主要集中在石景山、海淀及西部、北部的区域的个别站点。其中石景山地区在9月4日15时-18时累计降水量超过80毫米，16-17时小时石景山八大处降雨量达40.3毫米。降水从9月4日10时开始持续到5日17时。

图1 北京9月4日08时地面图

2 天气形势

2.1 环流形势分析

500hpa贝蒙低涡东移，对应700hpa北京西部有明显的切变存在，850hpa存在低空急流。3日20时，500hpa，在河套以西存在低压槽，受高压脊的阻碍，东移缓慢，槽后冷平流使其不断加强，4日08时低涡环流形成，低涡东移南压，北京处于其东部西南气流控制。

700hpa，3日20时，北京处于高压脊控制，西部存在明显的切变。4日08时，在北京西部形成低涡，北京处于低涡前部偏南气流控制。4日14时，低压中心位于北京西部，即将影响北京。

850hpa和925hpa东南风的维持为强降水提供了源源不断的水汽供应，低层偏南暖湿气流输送使低层维持暖湿的高能条件，为强降水的发生和维持提供了十分有利的环境场。

通过以上分析得出，500hpa低涡、700hpa和850hpa切变线是造成这次强降水过程的主要影响系统。500hpa冷平流、低层850hpa和925hpa明显的暖平流输送为强对流的发生提供了有利的热力条件和温湿条件。

图2 2015年9月4日08时地面天气图

2.2 中尺度分析

图3 9月4日08时中尺度分析图

根据9月4日08时中尺度分析图，北京西部500hpa，700hpa，850hpa存在槽和切变，地面存在辐合，西北部500hpa有冷槽，北京西部及西南部850hpa有湿区，850hpa风场流线将湿区水汽带到北京，遇西部过来的冷空气，形成降水。

2.3 物理量诊断分析

2.3.1 动力条件

4日08时，北京西北部上空伴有强烈的高层辐散、低层辐合。辐合中心位于内蒙中部与河北交界处，14时辐合区向东南方向移动，范围扩大、强度增强，北京完全处于辐合区控制，20时北京基本位于輻合中心，此后北京上空仍为辐合，但强度和范围均减弱。925hpa与850hpa类似，说明此次过程辐合主要在低层，且低层辐合非常强。

降水过程伴有整层上升运动，上升运动强且较深厚；上升区与低槽和低涡系统相对应，14时和20时达到最强，且强中心位于北京西部。

2.3.2 水汽条件

850hpa层的比湿场说明造成强降水的主要是贝蒙低涡自身携带的充足水汽，随着低涡东移，大值区到达北京。

4日08时贝蒙低涡位于北京上游，与冷涡相对应水汽通量散度为明显的负值区，说明850hpa冷涡附近有明显的水汽通量辐合；14时，水汽通量散度负值区移到北京。

2.3.3 能量条件

4日08时500hpa冷空气主体在西部，北京地区附近处于相对的θ高值区。14时冷空气主体东移南压，北京西部相对于东部地区θ值较高。4日08时700hpa冷空气主体要稍偏南一些，北京地区上空为暖区。14时冷空气主体继续加强，并南压，河套至山西高原东部为一暖舌，北京地区处于暖舌东侧，也是高能区。

4日08时，华北中北部是一个南北向的高能舌，高低层θse相差较大的区域在华北北部，东北地区是低值区，表示冷空气在那聚集，北京地区未处于高能舌区。14时从西南向华北有一条高能输送带，高能舌反映的是一股高能、不稳定的暖湿气流，它向华北中部一带输送了大量的水汽和不稳定能量。由于水汽和能量输送，高能舌增强，中心处于115E、38N附近，最强值达346K，高低层θse差值的中心与高能舌的中心重叠，垂直结构非常明显，差值中心值约有20K左右，北京地区约有15K左右。与此同时，东北地区的低值区向高能舌区扩散，在华北中部交汇，在高能锋区附近产生强降水，而北京地区最强的降水也是产生于石景山，在北京西部。20时θse高值区完全南移到华南，高低层θse的差值降低，且高能输送带南压，北京地区已非高差值区，说明冷空气已侵入低层，高低层温差已有所降低。到5日08时，θse低值区控制北京上空，冷空气完全控制北京高低空。

2.4 卫星云图及雷达回波分析

从卫星云图上看，9月4日04时位于低涡东南侧对流云团开始发展进入河北，此后云团继续强烈发展，14时北京西部发展比较强烈，之后东移，15-17时南北对流云团在西部打通，合并后强烈发展，造成石景山区的强降水。

从雷达图可以看出，沿东南-西北方向有一条强回波带穿过石景山区，中心强度在40dBz以上。东南的强回波中心超过7540dBz。

3 模式检验

3.1 降水起止时间及强降水集中时间

由图6可知，三家模式模拟的出现明显降水的开始时间较为一致，在10时左右，与实际降水出现的时间也吻合。结束时间及最强降水出现时间由分歧，前两家模式预报的强降水出现时段均为4日14-17时，与实况较为吻合。第三家模式预报的强降水出现时间偏晚。模式预报降水量普遍偏低。

3.2 累积降水量

表1为各家模式9月2日起报的48h累积降水量，其中EC集合平均预报的累积降水量为40-80毫米，比较接近实况，其他各家模式均预报偏少。

表2为各家模式9月3日起报的降水时间分布，根据各家模式预报，降水强的时间主要集中在5日08-20时，偏晚于实况。

各家模式9月2日起报的48小时间隔降水量，其中EC预报的降水量在50-100毫米之间，接近于实况，并且降水落区也与实况比较吻合。其次，日本模式预报的降水落区也比较接近实况，但累积降水量偏少。其他两家模式均预报偏少且分布落区不准确。

4 结束语

500hpa低涡、700hpa和850hpa切变线是造成这次强降水过程的主要影响系统。500hpa冷平流、低层850hpa和925hpa明显的暖平流输送为强对流的发生提供了有利的热力条件和温湿条件。

强降水开始前从西南向华北有一条高能输送带，高能舌反映的是一股高能、不稳定的暖湿气流，它向华北中部一带输送了大量的水汽和不稳定能量。由于水汽和能量输送，高能舌增强，高低层θse差值的中心与高能舌的中心重叠，垂直结构非常明显。

强降水时段南北对流云团在西部打通，合并后强烈发展，造成石景山区的强降水。

根据模式检验分析，各家模式对降水开始时间都较为准确，EC和NCEP对强降水集中时间比较准确。模式整体对此次过程降水量预报偏少，但EC预报的降水量和强降水落区有一定的指导性。

参考文献

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