北京“7.21”特大暴雨天气过程的数值模拟研究

杨 璐， 付延彧　(.解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京 0；.总参气象海洋空间天气总站海口地面站，海南海口 5700)



北京“7.21”特大暴雨天气过程的数值模拟研究

杨 璐1， 付延彧2(1.解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京 211101；2.总参气象海洋空间天气总站海口地面站，海南海口 571100)

摘要采用NCEP 1°×1°全球再分析资料和WRF3.2中尺度数值模式，利用天气学分析、中尺度数值模拟和数值模拟输出产品诊断方法，对2012年7月21～22日发生在北京地区的特大暴雨天气过程的大尺度环流形势背景及其演变、暴雨中心上空各物理量的时空分布特征以及暴雨发生发展的动力学机制进行了研究。结果表明，暖湿空气在低层辐合形成强烈的上升运动，到高层辐散形成两侧的下沉次级环流，为暴雨的发生创造了必要的动力条件；在此次暴雨过程中，MCC内“列车效应”的产生和多个小型对流单体的形成，导致上升运动更为强烈，从而使得降水持续时间较长；等θse线高能舌从800 hPa一直延伸至600 hPa，触发和加剧不稳定的暖湿气团强烈地上升，为暴雨的发生输送了必要的水汽和位势不稳定能量。源源不断的西南气流在中低层强烈的辐合上升为此次暴雨提供了充足的水汽条件。

关键词数值模拟；中尺度暴雨；诊断分析

暴雨及其衍生灾害是我国最主要的自然灾害之一，暴雨时容易造成积水、洪涝等现象，还可以引起山体滑坡、山泥倾泻等地质灾害，给国民经济和人民的生命财产安全带来严重的损失，因此准确预报暴雨的落区和时效是社会和公众的迫切需求。但暴雨的预报一直是气象界公认的难题，一方面是因为暴雨的发生具有明显的地域性和突发性，其发生发展受到局地地形、地貌和大气中各种尺度的天气系统的影响制约，形成机制复杂多样；另一方面则是由于强天气系统的识别受到观测能力和资料分辨率的限制，即使是加密观测试验取得的资料，对研究这类较小的中尺度系统仍显不够。因此，对暴雨进行数值模拟，研究暴雨成因必然对推动中尺度气象学理论的发展具有重要的理论意义。

为了提高中小尺度灾害性天气预报的准确率，中尺度数值模拟的研究在最近30年内得到了迅速发展，对华北暴雨研究取得了许多进展[1-4]。如马鸿青等[2]通过对冀中南一次强对流暴雨的数值模拟，发现垂直环流的形成及东北回流的加强是此次强对流暴雨产生的重要原因；郭虎等[4]分析发现由重力波所激发的小尺度波动对强降雨的发生及其时空分布起主导作用。但由于暴雨特别是极端的暴雨过程发生发展的机理相当复杂，在现有认识和方法的基础上，对极端暴雨的预报过程仍相当有限[5]，对极端暴雨进行数值模拟并对其解剖分析显得十分必要。笔者采用NCEP 1°×1°全球再分析资料初步分析了2012年7月21～22日发生在北京地区的特大暴雨天气过程产生的大尺度环流背景及相应的温压场演变特征，揭示了此次暴雨产生的背景条件，并在此基础上，采用WRF3.2中尺度数值模式对此次暴雨进行数值模拟，并对此次暴雨过程开展物理量场的诊断分析。

1资料选取和方案设计

采用WRFV3.2进行模拟，具体模拟的方案设计如下[6-8]：利用NCEP 1°×1°再分析资料作为初始条件和边界条件进行积分；积分起始时间为2012年7月21日02：00，终止时间为22日08:00，积分时间为31 h；模式采用高分辨率的双重嵌套网格，其模拟的网格中心为40°N、116°E；2个区域的水平格距分别为4和1 km，水平网格点数分别为65×82和97×139；垂直方向上取19个不等距的层；长波辐射、陆面过程、边界层、近地面层、云微物理和积云参数化方案分别采用rrtm方案、Noah方案、YSU方案、Monin-Obukhov方案、Lin方案和Grell-3D方案。

2天气实况和天气背景分析

2.1天气实况2012年7月21日10：00～22日02:00北京城遭遇2012年以来最大的降水，总体达到特大暴雨级别。截至22日02：00，全市平均降雨量164 mm，为61年以来最大，其中，最大降雨点房山区河北镇达460 mm；全市受灾面积16 000 km2，受灾人口190万人，其中房山区80万人。

2.2天气背景分析21日08：00，500 hPa亚欧中高纬环流表现为东高西低型(图1a)，北京始终位于贝加尔湖低压槽槽前，副热带高压位于30°N附近，这种形势有利于副高西北部的暖湿空气与偏西冷空气在华北地区相遇，形成暴雨，副热带高压外围的东南气流也为暴雨提供了充沛的水汽条件；同时，在低纬地区有一南支短波波动沿副高北侧向东移动，为暴雨区输送大量的正涡度平流；高压中心在雅库次克到鄂霍次克海一带，与西北太平洋副高呈南北向叠置，形成东亚阻塞高压坝，阻碍了其上游系统向东移动，使得暴雨持续较长时间。850 hPa有一支西南气流经孟加拉湾北上与西太平洋输送的东南气流合并(图1b)，给北京地区带来充沛的水汽和不稳定能量；此外在河套地区存在一低涡，有利于低层的辐合，为此次暴雨提供了有利的环流形势。

3模拟结果分析

3.1降水模拟分析从7月21日02：00～22日08：00北京地区降水量分布(图2a)可以看出，雨带呈环状分布，在北京房山(39.6°N、115.9°E)存在一个强降水中心，最大降水量可达270 mm。模拟的降水量分布(图2b)显示，模拟的降水中心位于40.5°N、116.4°E，与实际降水中心相距约100 km，模拟的最大降水量也达270 mm，降水中心模拟效果较好，雨区分布和走向与实况也非常接近。

3.2物理量特征模拟分析

3.2.1动力场。

3.2.1.1散度场。从模拟的散度沿116.5°E 垂直剖面(图3)可看出，在暴雨发生之前(图3a)，强降水中心上空出现了一定的辐合增长，在中层(700～850 hPa)出现了辐合中心，高空(200～300 hPa)存在一辐散中心；暴雨发生时(图3b)，低层主要为辐合区，高层为辐散区，辐合区和辐散区交替分布，代表着多个对流单体的存在。在暴雨达到旺盛时期(图3c)，多个对流单体合并，这种低层辐合、高层辐散的高低空配置更加明显，低层辐合中心值可达-40×10-5s-1，辐散中心位于200 hPa，中心值可达60×10-5s-1，强的辐合区和强降水区有很好的对应关系；在强降水中心两侧从地面到200 hPa范围内均为辐散层，证明有次级环流的生成，这更加促进了低层的辐合作用。随着暴雨的结束(图3d)，形势发生急剧的变化，辐合和辐散场均得到减弱，仅在低层较小范围内存在交错分布的辐合区和辐散区，表明暴雨区上空的对流云团已消亡成多个小的对流单体，并向东北方向传播。

3.2.1.2垂直速度场。由模拟的垂直速度沿116.5°E的垂直剖面图(图4)可见，在暴雨发生之前，降水区上方出现较强的上升运动，从500 hPa一直延伸至200 hPa；随着时间的推移，上升运动不断增强，范围也不断变大。21日02：00，上升运动达至最强，最高可延伸至150 hPa，最大上升气流位于350 hPa，最大上升速度可达2.4 m/s。强的上升运动促进了水汽、动量、涡度和能量的垂直输送，使对流维持较长时间，为强降水的持续提供了有利的动力条件。随着暴雨的减弱，上升运动明显减弱，仅达700 hPa，最大值也减小至0.3 m/s，在上升运动区两侧也出现明显的下沉气流。

3.2.2热力场。从模拟的假相当位温沿116.5°E的垂直剖面(图5)可以看出，在暴雨发生之前(图5a)，暴雨区上空有密集的等θse线，证明高空锋区的存在，在700 hPa以下存在大量的不稳定能量，但在500 hPa下沉气流的抑制下，对流没有暴发，不稳定能量不断积聚。在暴雨发生初期(图5b)，在强降水区南北两侧高空中明显存在2个θse低值中心，这是由于下沉的干冷空气造成的；在2个低值中心之间存在一向高空传输的暖湿高能舌，此时不稳定能量得到释放。到暴雨强盛阶段(图5c)，该高能舌不断发展，从800 hPa一直延伸至600 hPa，该股暖空气不仅为强降水提供了充沛的水汽，同时也为不稳定能量提供了传输通道。暴雨结束后(图5d)，大气趋于稳定，高空大气基本被下沉气流控制。

3.2.3水汽场。从图6可以看出，21日22：00强降水中心刚好位于西南气流和西北气流的交汇处，水汽通量散度辐合在此达最强，辐合中心值达-1×10-6g/(cm2·hPa·s);暖湿空气在低层强烈的水汽辐合条件下冷却上升，为暴雨的发生提供了充足的水汽条件[9]。到22日04：00(图6b),水汽强辐合中心东移，移出北京地区，水汽通量散度的负值区基本消失，强降水也基本结束。

4小结

该研究选取了北京市2012年7月21～22日特大暴雨个例作为研究对象，分别利用天气学分析、中尺度数值模拟和数值模拟输出产品诊断方法，对此次暴雨过程的大尺度环流形势背景及其演变、暴雨中心上空各物理量的时空分布特征以及暴雨发生发展的动力学机制进行了研究，得出以下结论：

(1)整个暴雨天气过程中，北京始终位于贝加尔湖低压南侧的高空槽前，该槽强度不断增强。与此同时，西太平洋副热带高压不断北抬，与槽前西南气流在北京汇合，形成暴雨。西太平洋副高稳定少动，阻碍高空槽东移，使暴雨持续较长时间。高低空急流的存在和特殊的地形也为极端降水提供了有利条件。

(2)暖湿空气在低层辐合形成强烈的上升运动，到高层辐散形成两侧的下沉次级环流，促使和加剧了水汽、热量、动量和涡度等的垂直输送，为暴雨的发生创造了必要的动力条件。

(3)在此次暴雨过程中，MCC内“列车效应”的产生和多个小型对流单体的形成，导致上升运动更为强烈，从而使得降水持续时间较长。

(4)等θse线高能舌从800 hPa一直延伸至600 hPa，触发和加剧不稳定的暖湿气团强烈地上升，为暴雨的发生输送了必要的水汽和位势不稳定能量。

(5)来自孟加拉湾和西太平洋的暖湿空气是此次暴雨的主要水汽来源，水汽在中低层强烈的辐合上升为暴雨的发生创造了有利的条件。

参考文献

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A Numercial Study on Weather Process of Beijing “7.21” Heavy Rainstorm

YANG Lu1, FU Yan-yu2

(1. Meteorological Institute of PLAUST, Nanjing, Jiangsu 211100; 2. Meteorological and Oceanic Space Weather Station, Haikou, Hainan 571100)

Key wordsNumerical simulation;Meso-scale heavy rainstorm; Diagnostic analysis

AbstractBased on synoptic analysis, meso-scale simulation and the diagnostic method of numerical simulation output products, a heavy rainstorm occurred in Beijing from July 21 to July 22, 2012 was simulated by using WRF3.2 (Weather Research and Forecasting Model) and NCEP (National Center of Enviroment Predicting) reanalyzed data. The large-scale circulation condition and its environment was researched, as well as the spatial and temporal distribution characteristics of each physical quantity above the storm center, and the dynamic mechanism of the heavy rainstorm development. Results showed that humid and warmer air had stronger convergence and upward motion in the lower troposphere and it provided necessary dynamic conditions for the formation of the heavy rain. During this process of rainstorm, the formation of “trains effects” in MCC and the multiple small convective cells led to stronger upward motion, so that the rainfall maintained for a relatively long time. High energy tongue of wet potential temperature extended from 800 to 600 hPa, and triggered unstable warm air rising strongly. As a result, the unstable energy in the atmosphere released and the storms maintained for a long time. The moisture convergence zone below 500 hPa was significant and it provided vapor environment for the heavy rainstorm.

作者简介杨璐(1991- )，女，江苏淮安人，硕士研究生，研究方向：中小尺度气象学。

收稿日期2016-02-11

中图分类号S 16

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)07-217-04