2021年北京市海淀区一次短时强降水预报预警分析

牛敏 刘宇盟 李春玲 戴高菊

摘要 利用雷达、卫星及地面气象站常规观测资料，对2021年出现在北京市海淀区的一次强对流天气过程进行分析，并对此次过程的预报预警服务情况进行总结。得出以下结论：此次过程是冷涡后偏北气流影响，高空干冷平流强迫，地面东北风与偏东风山前辐合的结果，雷暴趋向于地面辐合区移动，产生短时强降水。整层湿度条件较好，850 hPa比湿接近12 g/kg，为短时强降水的形成提供有利的水汽条件。850 hPa暖平流、较高的对流有效位能、强垂直风切，是此次对流迅速组织发展、形成强对流风暴的主要原因。地面极大风的风速区及风向辐合区，上游5 min雨强大值区，对暴雨预警发布提供有重要指示意义。

关键词 短时强降水；雷暴大风；对流云团；预警服务

中图分类号：P457.6 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）12–0-03

Analysis of A Short-term Heavy Rainfall Forecast and Warning in Haidian District， Beijing in 2021

Niu Min et al（Haidian District Meteor-

ological Service， Beijing 100080）

Abstract Using conventional observation data from radar， satellites， and ground meteorological stations， analyze a severe convective weather process that occurred in Haidian District， Beijing in 2021， and summarize the forecast and early warning services for this process. The following conclusion can be drawn： this process was influenced by the northward airflow after the cold vortex， forced by the high-altitude dry cold advection， and the convergence of the surface northeast wind and the easterly wind in front of the mountain. The thunderstorm tends to move towards the surface convergence area， producing short-term heavy precipitation. The overall humidity conditions were good， with a specific humidity of nearly 12 g/kg at 850 hPa， providing favorable water vapor conditions for the formation of short-term heavy rainfall. The 850 hPa warm advection， high convective effective potential energy， and strong vertical wind shear are the main reasons for the rapid organization and development of convection and the formation of a strong convective storm. The extremely strong wind speed area and wind direction convergence area on the ground， and the upstream 5 min strong rain value area are of great significance for the issuance of rainstorm warning.

Key words Short-term heavy precipitation; Thunderstorms and Strong winds; Convective cloud clusters; Early warning services

在全球变暖加剧和城市化进程加快的背景下，全球大部分地区短时强降水事件的发生频次和强度均呈显著上升的趋势。短时强降水的监测和预报预警一直是气象科研和业务工作中的重点和难点。短时强降水（Flash Heavy Rain，简称FHR）是短时间内降水量级达到或超过一定阈值的天气现象，具有尺度小、突发性强、生命史短、预测难度大等特征，短时间内还可能引起城市内涝、泥石流、山体滑坡等严重次生灾害。

早在20世纪80年代，国内已有不少学者针对不同区域的短时强降水开展研究，林建等[1]分析了30年中国暴雨的时空特征；沈澄等[2]利用2008—2012年南京自动气象站1 h降水量的观测资料，分析南京短时强降水发生的年、月、日变化及空间分布特征，为短时强降水预报提供参考依据；尹承美等[3]用2006—2008年5—9月济南市区域自动站，高空、地面资料进行对比分析了济南市区短时强降水特征，短时强降水比较普遍的共性在于存在冷、暖空气的活动与汇合。但从天气形势上看，无论是明顯的天气系统还是弱锋区，甚至于减弱的气旋性环流，都可能产生短时强+降水。

在近40年间，北京市夏季降雨总量呈现减少趋势，但短历时强降雨产生的降雨总量逐渐增多，而过程性降雨的总量却大幅减少。该变化趋势与气候背景变化相关，也受到城市化效应的显著影响[4]。此外，由于城市不透水下垫面大幅扩展，导致地面径流增加，城市内涝积水现象时常发生。强降水对城市运行构成极大威胁，越发受到社会各界的关注，也给气象预报预警和防灾减灾提出了许多问题和挑战。

目前，海淀区在短时强降水预报预警方面的研究仍尚浅，因此利用雷达、卫星及地面气象站5 min降水量观测资料，对海淀区短时强降水天气特征和成因进行分析，拟在短临预报、预警发布方面及选取海淀区预警指标提供参考。

1 强对流天气发生概况

2021年8月16日傍晚至夜间北京市出现雷阵雨天气，局地短时雨强大，昌平、海淀、石景山、丰台和大兴等区出现局地暴雨，雷雨时伴有7、8级短时大风，延庆区局地出现冰雹。16日17：00—17日03：00，全市平均降雨量9.6 mm，最大降雨出现在石景山雕塑园96.2 mm，最大小时雨强也出现在该站，16日21：00～22：00降雨91.7 mm。

从海淀区的降水量分布（图略）可知，此次强对流天气过程的主要特点是短时雨强大，降水时段集中，雨量分布不均。16日20：00海淀区自北向南出现短时强降水，主要降雨时段为20：30～22：00，全区平均雨量41.1 mm，其中最大雨量闵庄站64.8 mm，最大小时雨强为闵庄站21：00～22：00 54.8 mm，最大5 min雨量达19.8 mm（21：00～21：05），21：00～21：15连续3个5 min雨量超10 mm，15 min降雨量达46.2 mm。海淀区阵风风速最大8级，为西小口（18.6 m/s，20：51），阵风风速达7级以上的站点有5个。

2 形势场分析

2.1 高空形势场

2021年8月16日08：00 500 hPa华北地区受冷涡后偏北气流控制（图1a），贝加尔湖一带暖脊发展强盛，槽后脊前经向度大，干冷平流显著，斜压性发展；700 hPa槽位于北京东南部（图1b），700 hPa和500 hPa温度差为17 ℃；850 hPa无明显影响系统，有暖平流输送，850 hPa和500 hPa温度差为23 ℃。

20：00 500 hPa高空西北气流加强，500 hPa高空风速增大至22 m/s，达急流级别，700 hPa槽移出北京市，该地区受槽后西北气流控制。700 hPa和500 hPa温度差为17 ℃；850 hPa有明显的暖平流输送（图1c），850 hPa和500 hPa温差进一步加大，达到30 ℃。因此，高空干冷平流强迫是此次强对流天气发生的主要原因。

2.2 地面形势场

从地面图上可以看到，北京市位于弱气压场控制区域，无明显影响系统。我国东北部地区受高压控制，大陆中西部地区受多个低压控制，北京市位于高压底部，低压带前部。08：00～20：00地面低压发展，北京市气压逐渐降低，08：00地面气压为1 015 hPa，20：00降低了2.5 hPa，此时北京地面气压为1 012.5 hPa（图2）。

2.3 不稳定能量分析

从16日08：00探空图上可以看到（图3a），700 hPa以下湿层深厚，以上较干，上干下湿结构明显；相对08：00探空14：00 700 hPa以上干层明显增大（图3b），不稳定能量增大，中低层湿度略下降，低层偏东风明显，有利于水汽输送，地面露点温度>20 ℃，水汽条件有利；20：00中低层湿度增大（图3c），湿层深厚；CAPE值不断增大，从08：00 980 J/kg，到14：00 1 900 J/kg，20：00达2 200 J/kg，有出现短时强降水的可能性。0 ℃层在600 hPa附近，-20 ℃层在400 hPa附近，有出现冰雹的可能性。14：00 0～6 km风切达24 m/s，为强风切条件，有利于对流的组织化发展，形成较强的对流风暴。

3 卫星资料分析

从红外云图上可以看到，16日19：00在北京北部延庆、怀柔一带有对流云团生成，是雷暴单体发展阶段，并逐渐加强；雷暴单体进入成熟阶段，此阶段的云团会导致强降水的产生，并且由于降水物的拖曳作用而会产生强烈的下沉气流。因此，在20：26至20：50昌平、海淀地区出现大风，极大风速最大值昌平十三陵16.2 m/s，海淀西小口达18.6 m/s。

20：20后云团面积不断扩大（图4），云顶亮温达到-60 ℃，说明对流云顶部发展旺盛，云顶高度高。雷暴下山由于地形的抬升和地面辐合线的作用，雷暴前沿又有新的雷暴单体生成，并与之合并在海淀区加强，自北向南快速移动并进一步加强，移速约40 km/h。

4 雷达资料分析

18：30，北京延庆北部有分散性云团生成，移动缓慢，风暴产生的出流形成地面辐合线。19：00，分散的雷暴单体沿着地面辐合线发展，形成一条回波带，雷暴单体发展旺盛。垂直液态水含量（VIL）增加。19：30（图5a），雷暴单体发展旺盛，合并增强，最强达64 dBz，沿辐合线向南移动，速度不快，垂直液态水含量（VIL）增加至37 kg/m2（图5b）。20：00 1.5°仰角径向速度图（PPI）上，2条辐合线相遇处将有强风暴发展，此时应开始关注上游地区雨强和风力（图5c）。

20：00后强度不断加强，从59 dBz增强至68 dBz。前方的雷达回波发展表明很不稳定，风暴将继续强烈发展。20：42～21：12回波强度维持在67～70 dBz。

在石景山、房山一带，不断有雷达回波生成。从20：01风暴路径判断，雷达回波移动路径是自北向南移動，连续多个体扫始终强度维持不变，因此可以确定强对流云团未来一定会影响海淀区（图5d）。20：00可发布雷电蓝色预警信号，对海淀区可能出现的强对流天气进行提前提示。20：42，分别在0.5°、2.4°、4.3°仰角反射率图上以及4.3°仰角径向速度图上存在有界弱回波区和弱中气旋存在，但各层回波图上无三体散射和旁瓣回波，不考虑冰雹预警。

5 区域自动站数据分析

5.1 自动站风场分析

北京市区域自动站5 min极大风分布图可以看出，在北京延庆北部、北京东北部和北京东南部分别有3条大风速带（图6a），从20：20～20：50，风速大值区范围自北向南不断扩展并加强，昌平区十三陵极大风速从15.8 m/s增大至16.2 m/s，20：40～20：45在昌平区大风区南侧新生一个风速大值区，东北风和东南风大风速带的辐合区位于昌平南部（图6b）。风速辐合大值区移向海淀北部街镇，20：51海淀区西小口极大风速增大至18.6 m/s，此时海淀区西小口5 min雨强13.0 mm。受地形和风速辐合区的影响，雷暴云团在石景山、丰台、门头沟一带继续加强，21：15在石景山站极大风速达24.9 m/s。因此，风速、风向辐合区是降水极大值区，雷暴出流东北风与偏东风在山前辐合，有利于雷暴向辐合区移动，产生强降水。

5.2 自动站雨强分析

北京市区域自动站5 min降雨分布图分析，16日20：20～20：40上游昌平区5 min雨强不断增强。20：45在昌平區和海淀区交界区域昌平区老牛湾站5 min雨强达16.6 mm，连续3个5 min雨强超10 mm，且在不断加强（图7a），昌平区老牛湾5 min雨强增强达23.3 mm，降水效率极大（图7b）。辐合区与降水大值区相对应，因此上游地区5 min雨强对海淀区及时发布暴雨预警有很好的参考意义。

6 预警发布情况及灾情分析

8月16日19：00海淀区气象局值班员监测到上游的强雷达回波，回波稳定少动，在判断回波是否下山及下山后是否加强及海淀区域站5 min降水量等情况后，于20：30发布雷电蓝色预警信号，20：50发布大风蓝色预警信号，21：00暴雨蓝色预警信号，21：15升级发布暴雨黄色预警信号，21：25升级发布暴雨橙色预警信号。

此次强对流天气导致海淀区城市道路出现严重积水，积水滞水点19处，房屋漏雨3处，树木倒伏折枝1 540棵，受积水影响旱河路田村铁路桥下有2名人员被困，经抢救无效，不幸遇难。

7 结论

利用天气图实况再分析资料、华北区域雷达拼图及北京市区域自动站资料，分析了2021 年夏季发生在北京市海淀区的一次短时强降水天气，得到以下4点结论：

（1）高空干冷平流强迫是此次强对流天气发生的主要原因。上冷下暖、上干下湿，低层高温高湿，地面辐合线是短时强降水、雷暴大风产生的直接原因。低层偏东风增强，是低层湿度增大的直接原因。

（2）在卫星红外云图上，中尺度对流云发展旺盛，云顶发展高，云团厚度厚，云体结构密实都预示着强对流天气的发生。地面风场辐合线是风暴下山加强发展的关键因素。

（3）北京市区域自动站风场上明显的极大风风速区以及风向辐合区，上游5 min雨强大值区，对暴雨预警发布提供有重要指示意义。

（4）对于基层气象台，在掌握主要影响系统，物理量变化的天气尺度环流背景的条件下，应加强对强对流天气发展前卫星云图中暴雨云团、雷暴云团的识别与监测，加强强对流天气发生临近时雷达回波的监测，加强自动站风向辐合区及风廓线雷达风场变化的监测。

参考文献

[1] 林建，杨贵名.近30年中国暴雨时空特征分析[J].气象，2014，40（7）：816-826.

[2] 沈澄，颜廷柏，刘冬晴，等.2008—2012年南京短时强降水特征分析[J].气象与环境学报，2015，31（1）：28-33.

[3] 尹承美，梁永礼，冉桂平，等.济南市区短时强降水特征分析[J].气象科学， 2010，30（2）：262-267.

[4] 陈静，刘琳.2011年汛期北京城市暴雨特征及其灾害成因初步分析[J].暴雨灾害，2011，30（3）：282-287.