应用气象学报  2007, 18 (5): 655-665   PDF    
引用本文
何立富, 陈涛, 周庆亮, 李泽椿. 北京“7.10”暴雨β-中尺度对流系统分析[J]. 应用气象学报, 2007, 18(5): 655-665.
He Lifu, Chen Tao, Zhou Qingliang, Li Zechun. The Meso β-Scale Convective System of a Heavy Rain Event on July 10, 2004 in Beijing[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2007, 18(5): 655-665  
北京“7.10”暴雨β-中尺度对流系统分析
何立富, 陈涛, 周庆亮, 李泽椿     
国家气象中心, 北京 100081
2006-03-20 收到, 2007-03-12 收到修改稿.
资助项目: 国家重点基础研究发展规划顶目(P40475030)和中国气象局新技术推广预报员专项(MATG2006Y01)共同资助    
摘要: 采用NCEP/NCAR再分析资料、自动站加密观测资料、逐时云顶亮温TBB资料、多普勒雷达资料以及成功模拟基础上的高分辨率模式输出资料，对2004年7月10日北京突发性暴雨过程β-中尺度对流系统的发生发展、结构与成因进行了综合分析。结果表明：此次过程影响系统为β-中尺度对流系统，它发生在大尺度暖脊之中，对流层中层的短波槽以及低层西风槽前西南气流与暖切变线北侧东南气流的汇合为其发生提供了良好的环境条件；该β-中尺度对流系统由两个对流云团合并而成，具有椭圆形结构特征，其水平尺度为150 km×100 km，时间尺度约为5 h；低层流场上它表现为中尺度辐合线或强辐合中心，雷达回波和径向速度场所反映的中尺度回波带和辐合线与它的演变有密切关系；在发展强盛期，β-中尺度对流系统具有较强的斜压性特征，垂直倾斜的上升气流及其两侧有明显的下沉补偿气流，显示它具有对流型风暴结构特征；在强对流不稳定层结条件下，700 hPa以下对流层低层具有明显的假相当位温θse暖湿舌，近地面层偏南风与偏东风两支气流的辐合及冷空气的侵入，导致行星边界层内能量锋区的加强，从而有利于β-中尺度对流系统发生发展。
关键词: β-中尺度对流系统    暖切变线    斜压性    对流型风暴    
The Meso β-Scale Convective System of a Heavy Rain Event on July 10, 2004 in Beijing
He Lifu, Chen Tao, Zhou Qingliang, Li Zechun     
National Meteorological Center, Beijing 100081
Abstract: An analysis on the meso β-scale convective system of a heavy rain event on July 10, 2004 in Beijing is performed by using the special observational data, including automatic meteorological stations data, radar images and satellite images and NCEP/NCAR reanalysis data on the basis of successful simulation. It is found that the heavy rainfall process is generated by a meso β-convective system which is produced in a large scale warm area. The short wave trough in the mid level of troposphere, the convergence between the southwest air current from west wind trough and the southeast air current from the north part of warm shear line in low troposphere provide a good background condition. The meso β-scale convective system is formed by the mergence of two meso-scale convective clusters, it shows an ellipse shape structure of a horizontal scale of 150 km×100 km and the time scale of about 5 hours. It shows the features of the meso-scale convergence line(or convergence center)in low levels stream fields during its occurrence and development stage, and the strong meso-scale convective clouds echo band and meso-scale convergence line exhibited in radar reflectivity image and in radar velocity fields are often related with the occurrence and the development of the meso β-scale convective system. During the stage of strong development, the meso β-scale convective system shows strong baroclinity perpendicular features and has a similar structure of slantwise updraft current to convective storm. Its occurrence and development are forced by the meso-scale convergence line of low troposphere in strong convective instability condition and a warm tongue below 700 hPa. The convergence between the southern air current and eastern air current and the invading of the cold air in the boundary layer lead to the strengthen of the energy front, which is helpful to induce the generation of the meso β-scale convective system. In addition, the cloud top infrared brightness temperature(TBB)of the meso β-scale convective system that induces the heavy rain on July 10, 2004 in Beijing is at-45 ℃ or so, and the updraft airflow reaches the height of around 300 hPa, which means in this case the convection is only activating in the low level of the troposphere in contrast with the deep convective systems of meso β-scale convective system in the mid and lower reaches of Yangtze River and South China, which symbolize with infrared brightness temperature between-70 and-85 ℃, and the updraft airflow reaches the top of troposphere. Future research is needed on whether this conclusion is characteristic for popular convective heavy rain process in North China.
Key words: meso β-convective system     warm shear line     baroclinity     convective storm    
引言

通常, 中尺度对流系统(MCS)泛指由若干对流单体或孤立对流系统及其衍生的层状云系所组成的深对流系统, 其水平尺度从数十到数百公里, 生命期为10 h左右。MCS包括飑线、中尺度对流复合体(MCC)和对流风暴群, 其中线状的飑线和椭圆形的中尺度对流复合体(MCC)是MCS的两种特殊形态, 更多MCS介于两者之间。Maddox[1]最早将MCC定义为外型呈椭圆形、尺度较大、卷云盖面积比单个雷暴大两个量级以上的强对流系统。鉴于我国实际情况, 马禹等[2]将数量较少的MCC扩大到了更为普遍的α-中尺度系统和β-中尺度系统, 给出了我国MCC的地理分布和生命史的研究结果。一些研究工作专门对我国南方地区的MCS进行了普查和分析, Fang[3]、李玉兰等[4]、项续康等[5]分别对长江中下游地区、西南地区和华南地区的中尺度对流系统进行了统计和分析, 认为MCC多发生在一年中最为潮湿的夏季(6—8月), 中尺度对流系统是造成南方夏季强降水的主要天气系统, 并给出了这些地区的MCC大尺度环境条件的概念模型。

与南方地区相比, 我国北方地区MCS的发生频率要少得多, 对北方地区MCS的研究也相对较少。石定朴等[6]、吕艳彬等[7]、卓鸿等[8]分别对发生在华北平原的MCS的环境场特征进行了分析, 认为华北地区MCS多发生在移动性冷锋前的暖区中, 而不同于南方地区多发生在静止锋的西端。另外, 统计结果也显示, 华北地区的MCS同样多发生在夏季。

近年来, 对我国暴雨的研究主要集中在对南方强降雨过程中尺度系统的分析方面[9-11]。由于南方暴雨特别是江淮暴雨和华南前汛期暴雨具有明显的对流性质, 对中尺度对流系统的分析也趋于活跃。例如, 王建捷等[12]对1998年6月的一次梅雨锋暴雨过程β-中尺度对流系统进行了数值模拟和诊断分析; 王智等[13]则成功模拟出了在α-中尺度低涡的东南部边界层所激发出的β-中尺度涡旋, 认为它是造成远离α-中尺度低涡的一个突发强降水区的直接影响系统; 孙建华等[14]对2002年6月一次低涡切变线上MCS不同的结构特征及形成原因进行了分析和模拟研究; 蒙伟光等[15]和张庆红等[16]则分别对华南前汛期典型暴雨过程MCS进行了成功的模拟和分析, 认为华南暴雨一般由多个相继生消的MCS造成, MCS的发生发展与冷暖空气的交汇密切相关, 这些研究从不同的侧面加深了人们对南方暴雨中尺度影响系统的认识。相比之下, 对北方暴雨中尺度系统的研究工作所见不多, 特别是对北方地区一些突发性和灾害性暴雨天气过程的分析还不够深入。

本文采用MM5 V3.6非静力中尺度模式对2004年7月10日北京突发性暴雨过程进行了成功的数值模拟, 利用高分辨率模式输出资料, 结合地面加密观测、每小时1次的地面自动气象站观测和GOES卫星提供的每小时TBB资料及多普勒雷达资料, 对造成本次暴雨过程β-中尺度对流系统的发生发展、结构特征及形成原因进行分析和探讨。

1 降水过程及β-中尺度对流系统发生的天气尺度环境

2004年7月10日16:00—20:00(北京时, 下同)北京市出现了20年来罕见的突发性暴雨天气。这场暴雨历时短、强度大、局地性强, 具有明显的对流性降水特征。强降雨主要分布在石景山、丰台、门头沟东部和中心城区, 其中天坛109 mm, 丰台96 mm, 天安门95 mm, 石景山81 mm, 门头沟57 mm, 丰台气象站1 h最大雨量达52 mm, 10 min, 23 mm。而北京的偏北地区和偏东地区则不足3 mm或基本无雨。由于这场降雨来势猛、强度大、降水时间集中, 给北京城区道路交通带来极为严重的影响, 部分路段严重积水, 城市交通几乎瘫痪。

从天气尺度背景场上看到(图 1), 在暴雨即将发生前, 对流层中层500 hPa上, 欧亚地区中高纬度为稳定的单阻形势, 贝加尔湖至俄罗斯远东地区为一阻塞高压区, 中西伯利亚地区和鄂霍次克海一带各维持一个高空冷涡, 在中西伯利亚地区高空冷涡的东南侧不断有短波槽分裂出来, 并沿中纬度锋区东移。青藏高原东部为大陆高压控制, 冷空气不断从其东北部沿西北气流扩散南下。北京地区位于从华北平原伸展到江南东部一带的暖性高压脊区内, 在其上游, 有一短波槽在河套地区东部发展, 并与东移至重庆一带的高原槽同位相叠加。在低纬地区, 西太平洋副热带高压西伸加强, 并呈带状分布在日本东南部洋面至台湾以东洋面上空。大陆高压东北侧的西北气流和副热带高压西侧及东移的高原槽前的西南气流十分有利于冷暖空气在华北平原地区交汇; 在低层850 hPa上, 东移高原槽前的西南气流与副热带高压西北侧西南气流的汇合使得低空急流的风速出现急剧加强, 达到16~24 m/s, 这支气流在向北伸展过程中, 受位于河南南部低涡发展的影响, 在山东南部形成一条暖式切变线, 暖切变线北侧的东南气流与河套东部高空槽前的西南气流在华北平原西侧形成明显的辐合, 为北京地区β-中尺度对流系统的发生提供了良好的热力条件和动力条件。分析表明, 此次暴雨发生在大尺度暖脊之中, 对流层中层的短波槽与青藏高原东移西风槽波动的叠加、副热带高压和低空急流的加强以及低层暖式切变线的发生发展等天气系统的有效合理配置为触发北京突发性暴雨提供了十分有利的天气尺度背景条件。

图 1. 2004年7月10日14:00 500 hPa位势高度场(单位:dagpm)(a)和850 hPa风场(b) (加粗线为槽线, 虚线为切变线) Fig 1. The geopotential height of 500 hPa(unit:dagpm)(a)and wind field of 850 hPa(b)at 14:00 on July 10, 2004(solid thicken line is for the rough, dashed line is for the shear)

2 β-中尺度对流系统的发生发展 2.1 自动站观测和雷达资料分析

对2004年7月10日北京丰台和石景山两站逐小时自动站降水实况的分析(图略)看到, 这场降雨开始于10日16:00前后, 到20:00左右降雨明显减弱, 强降雨约持续4~5 h。降水峰值出现在17:00— 19:00, 最大雨强发生在18:00, 丰台站1 h降水量达52 mm, 并伴有雷暴及短时大风。从强降雨空间分布来看, 暴雨主要出现在北京地区的西南部和中心城区, 覆盖范围约为100 km×100 km。可见本次暴雨过程表现出明显的β-中尺度强对流特征。

从北京新一代多普勒雷达回波图(图略)上看到, 10日15:00—19:00, 北京地区有明显的对流云回波活动, 回波强度一般为45~55 dBz。15:00, 测站西北方向和西南方向分别有多个零散的单体回波, 中心强度只有35 dBz。16:03, 来自西南方向的回波在向东北方向移动过程中发展加强, 中心强度为50 dBz, 回波区前部接近北京地区西南部。16:43, 从西南方向移来的回波形成一条东北—西南向的回波带, 同时, 来自西北偏西方向的回波和从北京东南方向移来的回波又形成了一条西北—东南向的回波带。此后, 东部的回波带继续北上。17:10, 两条回波带合并增长, 形成一条东北—西南走向、尺度约50 km×120 km的更强回波带, 回波强度达到56 dBz, 对应丰台站地面1 h最大降水量达52 mm。至18:47, 这片回波区开始快速北移减弱。在相应的径向速度图上(图略), 16:43, 可以看到在测站以西约6 km处有一条中尺度辐合线与之对应。17:10达到最强, 与此时两条回波带的合并增强相对应。与MCS对应的区域为一条东北—西南向的速度辐合线, 其水平尺度约为60~130 km。18:03, 该中尺度辐合线略有加强并缓慢向东北移动; 19:03, 该中尺度辐合线强度明显减弱。可见, 径向速度场所反映的β-中尺度辐合线与β-中尺度对流系统的演变有密切的关系。

2.2 卫星遥感TBB资料分析

从GOES卫星反演的TBB资料逐小时演变中(图 2), 可以非常清晰地追踪β-中尺度对流系统的发生发展过程。从10日13:00开始, 在北京地区的西部就有多个对流云区活动。14:00前后, 分别有两条对流云带在北京地区的西北部和西南部发生。16:00, 看到有两个中尺度对流云团A与B分别在北京西侧和西南侧发展加强, 两者的冷云盖温度都达到-40℃。17:00, 北京西部的对流云团(如图中A所示位置)强度略有减弱并缓慢向偏北方向移动; 同时, 位于北京西南侧的另一个对流云团(如图中B所示位置)在快速北移过程中强烈发展, 其冷云盖温度低于-45 ℃, 显示它的强度超过云团A。云团A与B均呈近似圆形结构, 水平尺度也相当, 约为50 km×50 km。到18:00前后, 发展强盛的对流云团B移到北京西南部与开始减弱的云团A合并, 进而形成一个150 km×100 km的椭圆形β-中尺度对流系统, 开始影响北京地区。

图 2. 2004年7月10日13:00—20:00的TBB分布 (单位:℃; 阴影为T BB低于-32 ℃) Fig 2. The infrared brig htness temperature during 13:00—20:00 on July 10, 2004 (unit:℃; shaded areas denote infrared brightness temperature below-32°)

从北京突发性暴雨过程主要影响系统的发生过程可以看到, β-中尺度对流系统由两个中尺度云团合并而成, 但对流垂直伸展高度并不深厚, TBB仅达到-45 ℃左右。其中一个对流云团并入之前在北京西南侧强烈发展, 从而引发北京地区自西南向东北方向出现强降雨。

17:00—18:00为β-中尺度对流系统的发展阶段。云团B在到达北京西南部后急剧加强, 同时, 由于与云团A发生合并, 使得对流系统中TBB低于-40℃的范围进一步扩大, 最强亮温低于-45 ℃。另外, 在发展加强阶段, β-中尺度对流系统位置稳定少动。19:00, 椭圆形对流系统开始减弱, 并向东北方向快速移动。20:00前后, β-中尺度对流系统进入北京北部地区, 强度进一步减弱, 云顶亮温小于-40 ℃的区域急剧减小, 北京地区强降雨过程也基本结束。

从上面的分析可知, 影响北京突发性强暴雨过程的直接影响系统是β-中尺度对流系统, 该β-中尺度对流系统是由两个中尺度对流云团合并而成, 具有椭圆形结构特征, 其水平尺度为150 km× 100 km, 时间尺度约为5 h。在发展加强阶段, 它的位置稳定少动。

3 数值模拟 3.1 模拟方案设计

本文利用NCAR/Penn联合开发的MM5 V3.6非静力模式, 对2004年7月10日08:00至11日08:00进行24 h模拟, 采用NCEP/NCAR的1°×1°再分析资料作背景场, 以3 h地面加密观测和12 h探空资料作分析形成初始场和侧边界条件。

模拟采用三重嵌套, 中心点定在暴雨中心附近(39.75°N, 116.25°E)。各区域的模式格点数分别为101×95, 91×121, 81×92, 网格距依次为45, 15 km和5 km。内两重嵌套使用双路嵌套方案, 最外层区域采用松弛边界条件, 内层嵌套区域采用时变边界条件。垂直方向使用23层σ坐标系, 时间步长120 s。模拟采用显式水汽方案和简化冰相方案, 积云对流方案分别使用KUO, GRELL方案, 但最内重不使用积云对流方案。边界层方案使用Blackadar方案, 大气辐射方案使用云辐射方案。

3.2 模拟结果分析

本次过程降水量的模拟结果显示, 模拟的主要雨带与实况分布较为一致(图 3)。对北京及附近地区暴雨落区的模拟较为准确, 但山东中部的暴雨区较实况略有偏南。从模拟的最大雨量来看, 北京过程最大降雨量为71 mm, 也较实况要小。从模拟的每小时降水来看(图略), 降水发生过程和持续时间与实况基本相符。对北京地区而言, 模拟的每小时雨量大于10 mm的区域主要出现在北京西南部和中心城区略偏西, 强降雨主要发生在15:00—21:00。

图 3. 2004年7月10日08:00至11日08:00华北地区24 h降水实况(a)和模拟结果(b)(单位:mm) Fig 3. The precipition from 08:00 on July 10 to 08:00 on July 11 in 2004(unit:mm) (a)observation,(b)simulation

由上面的分析可知, 对北京“7.10”突发性暴雨过程的模拟与实况基本相符, 模式输出结果适用于对β-中尺度对流系统的分析研究。

3.3 β-中尺度对流系统的结构特征 3.3.1 水平结构

对模式输出结果的分析显示, 2004年7月10日北京暴雨过程β-中尺度对流系统的水平结构主要体现在700 hPa以下。10日17:00, 位于内蒙古河套地区东部的高空槽已经移到山西境内, 同时位于重庆附近的西南低涡受高空槽前西南气流引导移至河南南部。该西南低涡与东部大陆高压之间建立了一条暖式切变线, 并向北推进到华北平原南部。由于切变线北侧有一支气旋性切变的偏东气流不断向北推进, 同时另一支来自西风带高空槽前的西南气流向北京西部逼近, 这两支气流在北京的西部地区形成了明显的辐合区。在700 hPa中尺度风场上(图 4a)可清晰分辨出, 在β-中尺度对流系统发展期, 在北京地区的西部出现了一条近似南北向的中尺度辐合线, 其水平尺度为150 km左右, 风场辐合中心与暴雨中心相匹配。

图 4. 2004年7月10日17:00对流层低层流场 (a)700 hPa,(b)850 hPa Fig 4. The stream field at 17:00 on July 10, 2004 (a)700 hPa,(b)850 hPa

在850 hPa上, β-中尺度对流系统表现为更加清楚的β-中尺度辐合线的发生发展。模拟结果表明, 自10日15:00起有β-中尺度辐合线在北京西南山区形成, 并在下坡过程中逐渐增强, 16:00后开始影响北京城区。17:00, β-中尺度辐合线强烈发展, 并有中尺度强辐合中心出现(图 4b)。另外, 在β-中尺度辐合线发展过程中, 低层能量锋也很明显(图略), 沿低层辐合线为密集的假相当位温等值线, 其中在β-中尺度对流系统附近等值线梯度最大。实际上, 正是对流层低层中尺度辐合线或强辐合中心作为低层扰动源, 在对流不稳定层结条件下, 触发了强对流的产生, 并在有利的热力因素驱使下, β-中尺度对流系统不断发展加强。

3.3.2 垂直结构

沿39.75°N经北京暴雨中心的涡度垂直剖面显示(图 5a), 正涡度中心与β-中尺度对流系统的位置较为吻合, 与发展强盛的β-中尺度对流系统对应的正涡度柱从低层伸展到450 hPa高度附近。最大正涡度位于550 hPa附近, 涡度极值超过2× 10-5s-1; 400~200 hPa层为一明显的负涡度区, 负涡度中心位于300 hPa高度上, 值为-6×10-5s-1。中低层正涡度与对流层高层负涡度基本上垂直分布。

图 5. 2004年7月10日17:00过北京(39.75°N, 116. 25°E)各要素垂直剖面图(a)相对涡度(单位:10-5s-1), (b)水平散度(单位:10-5s-1),(c)垂直速度(单位:m/s),(d)水平速度v和100倍垂直速度w合成的垂直环流 Fig 5. Meridion-height cross section of relative vorticity(unit:10-5s-1)(a), horizontal divergence(unit:10-5s-1)(b)along 39.75°N, zone-height cross section of vertical velocity(unit:m/ s)(c), vertical circulation composed by meridional wind and vertical velocity amplified by 100 times(d)along 116. 25°E

散度场的分布表明, 最大低层辐合、高层辐散中心正好位于北京地区MCS上空(图 5b), 600 hPa以下为较强的辐合区, 800 hPa附近辐合最强, 辐合极值达10×10-5s-1以上; 600 hPa以上是辐散区, 辐散区直达150 hPa高度之上。400 hPa附近为强辐散中心, 强度达8×10-5s-1。低层辐合中心水平尺度约100 km, 高层辐散的尺度与低层的辐合区相当, 且高层的强辐散与低层的强辐合量值相当。这种低层辐合, 中高层辐散的散度场异位相垂直分布显示β-中尺度对流系统具有较强的斜压性特征, 也有利于中低层高温高湿的气流被抽吸到高层, 从而增加局地对流不稳定性。

垂直速度场的特征(图 5c)同样表明, β-中尺度对流系统对应的强上升运动略向北倾斜, 上升气流仅抵达300 hPa高度附近, 与云顶亮温TBB为-45 ℃的高度较为接近, 显示它的对流垂直伸展并不十分深厚。最强上升气流位于北京附近, 最大上升速度在500~400 hPa高度之间, 极值达到0.4 m/s。上升运动区的尺度约为50 km左右。另外, 其南北两侧还发现有弱的下沉运动, 南侧500 hPa附近弱干冷空气下沉可能与夹卷作用有关, 而其北侧下沉气流主要位于700 hPa以下的低层, 显示本个例中β-中尺度对流系统具有对流风暴的结构特征。

图 5d为经向风Ⅴ与100倍的垂直上升w速度合成的垂直环流特征, 不难看出, 39°N以南地区盛行偏南气流, 上升运动发生在迎风坡地形上空, 显示北京西部地形的抬升对暴雨和强对流天气具有明显的触发和加强作用。β-中尺度对流系统在经向上表现为一致向北倾斜的上升气流, 且上升气流抵达300 hPa层附近, 可见在β-中尺度云团发展强盛区域由于深厚强烈的上升运动, 云顶高度伸展到300 hPa以上。从模拟的θse垂直分布可见(图略), β-中尺度对流系统发生在假相当位温水平梯度极大、上冷下暖且低层具有明显暖舌的区域。

4 β-中尺度对流系统的成因分析 4.1 对流不稳定机制

由北京站探空曲线(图略)可见, 10日08:00, 北京近地层为偏东风, 低层800 hPa以下为西南风, 中高层700~300 hPa为西北风。风向随高度顺转, 表明中低层盛行暖平流。另外, 700 hPa高度以下, 温度露点差T-Td很小, 一般小于3 ℃, 表明低层空气较为潮湿。而700~400 hPa之间, 温度露点差急剧增大到15 ℃以上, 显示中层空气干冷。这种中层干冷、低层暖湿的大气层结显示北京上空为强对流不稳定, 其对流有效位能高达1037 J·kg-1, 为北京午后到傍晚的对流性降水提供了有利条件。

从10日08:00沿116.25 °E假相当位温θse经向垂直剖面(图 6)可知, 等θse线由冷区向暖区倾斜, 北京地区700 hPa以下低层为一明显的暖舌, 近地层假相当位温超过68 ℃。700 hPa高度以下, 等θse线密集且。在700~500 hPa之间为θse低值区, 其下θse很大, 形成一个强的不稳定层。只要低层有扰动出现, 即可触发强对流产生。在β-中尺度对流系统发展阶段, 即17:00(图略), 北京低层仍为θse大值区, 暖舌向上伸展到700 hPa, 700~500 hPa层为东西向带状θse小值区, 北京附近的θse线几乎呈直立状, 显示此高度上对流不稳定性减弱或呈中性层结。在减弱阶段(10日20:00), 由于强对流性降水天气的发生, 北京上空对流有效位能大幅减小, 表明已有大量凝结潜热释放。

图 6. 2004年7月10日08:00沿116.25°E的θse经向垂直剖面(单位:℃) Fig 6. Meridion-height cross section of θse along 116.25°E at 08:00 on July 10, 2004(unit:℃)

4.2 边界层中两支偏东气流的辐合和冷空气侵入

对10日14:00各标准等压面天气图的分析发现, 700 hPa及以上的对流层中低层的冷空气还未到达北京地区, 锋区位于河北北部到河套地区东部一线, 这点从第2章的分析及卫星云图上都得到证实。为了寻找冷空气的来源, 进一步分析了850 hPa以下的边界层, 发现在β-中尺度对流系统发生发展阶段, 850 hPa和925 hPa天气图上北京地区有弱的温度梯度出现, 表明有浅薄的弱冷空气开始侵入(图略)。图 7是对逐小时地面加密观测和自动站资料进行插值分析所得到的温度场和流场的分析结果。从地面温度场的演变看到, 10日14:00—18:00, 虽然地面主冷锋仍位于河北北部到河套地区东部一带, 但由于有干冷空气沿主冷锋的前缘从蒙古高原下滑, 同时有湿冷空气从渤海沿东路输送, 使得北京地区气温不断下降, 导致北京地区西部和南部的温度梯度急剧加大, 显示锋生作用十分显著。可见, β-中尺度对流系统的发生发展与边界层中冷空气的入侵有关, 冷空气入侵暖湿气流底部形成冷垫, 暖空气沿冷垫上滑, 引起冷暖空气在边界层内辐合加强。从地面流场上可以看到, 北京附近存在明显的东南气流与偏东气流两支气流, 14:00起, 这两支气流在北京西南部形成一条中尺度辐合线, 16:00, 中尺度辐合线强度进一步加强。至18:00, 中尺度辐合线演变为中尺度涡旋, 正好对应β-中尺度对流系统的发展加强。

图 7. 2004年7月10日14:00—18:00逐时地面加密观测的气温演变(单位:℃)和地面流场(a)14:00, 气温,(b)14:00, 流场,(c)16:00, 气温,(d)16:00, 流场,(e)18:00, 气温,(f)18:00, 流场 Fig 7. The hourly surface temperature(unit:℃)and stream field from 14:00 to 18:00 on July 10, 2004 from intensified observations(a)14:00, temperature,(b)14:00, stream field,(c)16:00, temperature, (d)16:00, stream field,(e)18:00, temperature,(f)18:00, stream field

4.3 水汽条件分析

对北京“7.10”突发性暴雨过程β-中尺度对流系统发生过程水汽条件的分析表明, 10日08:00, 华北大部的低层相对湿度小于70%。17:00前后出现了明显的增湿过程, 位于华中地区一带的低空西南急流(LLJ)明显加强并向东北方向扩展, 850 hPa上风速大于12 m·s-1的急流区北界抵达黄河下游一带, 同时黄河下游暖切变线北侧一支东南气流也在加强, 使得华北中南部空气的湿度加大, 相对湿度均高于70%, 北京达80%以上(图略), 满足了北京暴雨所需要的水汽条件, 但增湿过程历时较短。从17:00 1000~400 hPa整层积分的水汽通量散度(图 8a)可看出, 北京附近有一个水汽辐合中心, 中心值达4×106g·cm-2·hPa-1·s-1, 位置与暴雨中心相吻合。

在相应的地面图上(图 8b), 与西南低涡相配合的是地面倒槽, 北京位于地面倒槽的北部和冷锋前的暖舌中, 渤海湾至北京东南部盛行一致的东南气流, 有利于水汽从东路向华北平原一带的输送。

图 8. 2004年7月10日14:00—18:00整层积分的水汽通量散度(单位:106g·cm-2·hPa-1·s-1)(a)和14:00海平面气压(实线, 单位:hPa)与温度(虚线, 单位:℃)(b) Fig 8. T he divergence of water flux integrated from bottom to 400 hPa during 14:00—18:00(unit:106g·cm-2·hPa-1·s-1)(a), the sea level pressure(solid line, unit:hPa)and the temperature at 14:00(dashed line, unit:℃)(b)on July 10, 2004

5 结论和讨论

本文采用MM5 V3.6非静力中尺度模式对2004年7月10日北京突发性暴雨过程成功地进行了数值模拟, 利用高分辨率模式输出资料, 结合地面加密观测、每小时1次的自动站地面观测和GOES卫星提供的每小时TBB资料及多普勒雷达资料, 对造成本次暴雨过程β-中尺度对流系统发生发展、结构特征及形成原因进行分析和探讨, 主要结论有:

1) 此次暴雨发生在大尺度暖性高压脊区, 对流层中层的短波槽与青藏高原东移西风槽波动的叠加、副热带高压和低空急流的加强以及低层暖式切变线的发生等天气系统的有效合理配置为触发北京突发性暴雨提供了十分有利的天气尺度背景条件。

2) 本次暴雨过程的直接影响系统是β-中尺度对流系统, 它由两个中尺度对流云团合并而成, 具有椭圆形结构特征, 其水平尺度为150 km×100 km, 时间尺度约为5 h。在发展加强阶段, 其位置稳定少动。

3) 此次β-中尺度对流系统与对流层低层的中尺度辐合线或强辐合中心相对应, 雷达回波和径向速度场所反映的中尺度回波带和辐合线与β-中尺度对流系统的演变有密切关系。

4) 垂直结构分析表明, 在发展加强期, 低层辐合与中高层辐散几乎垂直, 显示β-中尺度对流系统具有较强的斜压性特征。垂直倾斜的上升气流以及两侧有明显的下沉补偿气流, 显示本个例β-中尺度对流系统具有对流型风暴结构特征。

5) 此次β-中尺度对流系统发生在强对流不稳定层结条件下, 在700 hPa以下对流层低层具有明显的假相当位温θse暖舌。近地面层偏南风与偏东风两支气流的辐合及冷空气的侵入, 导致行星边界层内能量锋区的加强, 从而有利于β-中尺度对流系统发生发展。

此外, 分析还表明, 引发北京“7.10”大暴雨的β-中尺度对流系统云顶亮温仅为-45 ℃左右, 垂直上升气流抵达高度在300 hPa附近, 显示本个例β-中尺度对流系统对流伸展高度较低, 这一点与长江中下游和华南地区MCS云顶温度达-70~-85 ℃, 垂直运动到达对流层顶部的深厚对流系统有明显区别。这一点是否适用于华北地区其他对流性暴雨过程, 仍有待今后进一步研究。

参考文献
[1] Maddox R A, Meso-scale convective complex. Bull Amer Meteor Sci, 1980, 61: 1374–1387. DOI:10.1175/1520-0477(1980)061<1374:MCC>2.0.CO;2
[2] 马禹, 王旭, 陶祖钰. 中国及其临近地区中尺度对流系统的普查和时空分布特征. 自然科学进展, 1997, 7: 701–706.
[3] Fang Zongyi, The preliminary study of medium-scale cloud clusters over the Changjiang basin in summer. Adv Atmos Sci, 1985, 2, (3): 334–340. DOI:10.1007/BF02677249
[4] 李玉兰, 王倩熔, 郑新江, 等. 我国西南、华南地区中尺度对流复合体(MCC)的研究. 大气科学, 1989, 13, (4): 417–422.
[5] 项续康, 江吉喜. 我国南方地区的中尺度对流复合体. 应用气象学报, 1995, 6, (1): 9–17.
[6] 石定朴, 朱文琴, 王洪庆, 等. 中尺度对流系统红外云图云顶黑体温度的分析. 气象学报, 1996, 54, (5): 600–611.
[7] 吕艳彬, 郑永光, 李亚萍, 等. 华北平原中尺度对流复合体发生的环境和条件. 应用气象学报, 2002, 13, (4): 406–412.
[8] 卓鸿, 姚秀萍, 郑永光, 等. 黄河下游春季一次中α对流系统暴雨过程的综合分析. 气象学报, 2004, 62, (4): 504–511.
[9] 方宗义, 项续康, 方翔, 等. 2003年7月3日梅雨锋切变线上的β-中尺度暴雨云团分析. 应用气象学报, 2005, 16, (5): 569–575.
[10] 覃丹宇, 江吉喜, 方宗义, 等. MCC和一般暴雨云团发生发展的物理条件差异. 应用气象学报, 2004, 15, (5): 590–600.
[11] 张小玲, 陶诗言, 张顺利. 1996年7月洞庭湖流域持续性暴雨过程分析. 应用气象学报, 2004, 15, (1): 21–31.
[12] 王建捷, 李泽椿. 1998年一次梅雨锋暴雨中尺度对流系统的模拟与诊断分析. 气象学报, 2002, 60, (2): 146–155.
[13] 王智, 翟国庆, 高坤. 长江中游一次β中尺度低涡的数值模拟. 气象学报, 2003, 61, (1): 66–77.
[14] 孙建华, 张小玲, 齐琳琳, 等. 2002年中国暴雨试验期间一次低涡切变上发生发展的中尺度对流系统研究. 大气科学, 2004, 28, (5): 675–691.
[15] 蒙伟光, 王安宇, 李江南, 等. 华南前汛期一次暴雨过程中的中尺度对流系统. 中山大学学报, 2003, 42, (3): 72–77.
[16] 张庆红, 刘启汉, 王洪庆, 等. 华南梅雨锋上中尺度对流系统的数值模拟. 科学通报, 2000, 45, (18): 1988–1992.