北京市石景山區2015年9月4日—5日暴雨天氣過程分析

李輝+++苗鳳梅+++朱立+++李朝+++許明+++曹云+++李蓓莉

摘 要：使用高空、地面、物理量及云圖資料，分析2015年9月4日發生在北京地區的一次強對流局地暴雨天氣過程的天氣系統結構特征，探討系統的發生發展機制。分析表明，500hpa低渦、700hpa和850hpa切變線是造成這次強降水過程的主要影響系統。500hpa冷平流、低層850hpa和925hpa明顯的暖平流輸送為強對流的發生提供了有利的熱力條件和溫濕條件。

關鍵詞：暴雨；低渦；冷鋒；暖平流

引言

極端性降水對某一地區而言是個小概率事件，但因其降水量太大，發生的天氣形勢往往比較典型，其中的天氣尺度和中尺度強迫、水汽輸送和輻合、大氣不穩定等方面都比較清楚，天氣形勢一般都符合當地所建立的暴雨概念模型。造成極端強降水的影響系統是多種多樣的，對北京而言，最多的是低渦暴雨[1-3]，這里的低渦是指東蒙高空冷性系統，其次是低槽冷鋒型，但降水又主要發生在暖區內，同時低空低渦切變線又是非常重要的影響系統圖[4-7]。這些說明北京暴雨受天氣系統影響的復雜性。

但從天氣形勢上預報出是暴雨、大暴雨還是特大暴雨過程還是非常困難的，因此還必須對構成降水的主要因子進行分析。降雨量是一段時間內雨強的累積，因此在極端降水中，雨強和降水持續時間都重要[8-10]，雨強與降水效率、垂直上升運動和水汽有關，降水持續時間與影響系統的移速、中尺度對流系統的結構和演變有關。文章對天氣形勢及物理量做了初步分析，各因子形成及演變的機制還需以后進一步研究分析。

1 天氣概況

受東移高空槽和低層偏東風的共同影響，9月4日上午到5日白天北京出現2015年汛期以來最大降雨天氣過程，局地伴有弱雷電，主要降雨時段出現在4日下午到前半夜。大部分地區出現大雨到暴雨，其中豐臺、石景山、海淀、門頭溝、昌平、懷柔局地出現大暴雨。此次強降雨區域主要集中在石景山、海淀及西部、北部的區域的個別站點。其中石景山地區在9月4日15時-18時累計降水量超過80毫米，16-17時小時石景山八大處降雨量達40.3毫米。降水從9月4日10時開始持續到5日17時。

圖1 北京9月4日08時地面圖

2 天氣形勢

2.1 環流形勢分析

500hpa貝蒙低渦東移，對應700hpa北京西部有明顯的切變存在，850hpa存在低空急流。3日20時，500hpa，在河套以西存在低壓槽，受高壓脊的阻礙，東移緩慢，槽后冷平流使其不斷加強，4日08時低渦環流形成，低渦東移南壓，北京處于其東部西南氣流控制。

700hpa，3日20時，北京處于高壓脊控制，西部存在明顯的切變。4日08時，在北京西部形成低渦，北京處于低渦前部偏南氣流控制。4日14時，低壓中心位于北京西部，即將影響北京。

850hpa和925hpa東南風的維持為強降水提供了源源不斷的水汽供應，低層偏南暖濕氣流輸送使低層維持暖濕的高能條件，為強降水的發生和維持提供了十分有利的環境場。

通過以上分析得出，500hpa低渦、700hpa和850hpa切變線是造成這次強降水過程的主要影響系統。500hpa冷平流、低層850hpa和925hpa明顯的暖平流輸送為強對流的發生提供了有利的熱力條件和溫濕條件。

圖2 2015年9月4日08時地面天氣圖

2.2 中尺度分析

圖3 9月4日08時中尺度分析圖

根據9月4日08時中尺度分析圖，北京西部500hpa，700hpa，850hpa存在槽和切變，地面存在輻合，西北部500hpa有冷槽，北京西部及西南部850hpa有濕區，850hpa風場流線將濕區水汽帶到北京，遇西部過來的冷空氣，形成降水。

2.3 物理量診斷分析

2.3.1 動力條件

4日08時，北京西北部上空伴有強烈的高層輻散、低層輻合。輻合中心位于內蒙中部與河北交界處，14時輻合區向東南方向移動，范圍擴大、強度增強，北京完全處于輻合區控制，20時北京基本位于輻合中心，此后北京上空仍為輻合，但強度和范圍均減弱。925hpa與850hpa類似，說明此次過程輻合主要在低層，且低層輻合非常強。

降水過程伴有整層上升運動，上升運動強且較深厚；上升區與低槽和低渦系統相對應，14時和20時達到最強，且強中心位于北京西部。

2.3.2 水汽條件

850hpa層的比濕場說明造成強降水的主要是貝蒙低渦自身攜帶的充足水汽，隨著低渦東移，大值區到達北京。

4日08時貝蒙低渦位于北京上游，與冷渦相對應水汽通量散度為明顯的負值區，說明850hpa冷渦附近有明顯的水汽通量輻合；14時，水汽通量散度負值區移到北京。

2.3.3 能量條件

4日08時500hpa冷空氣主體在西部，北京地區附近處于相對的θ高值區。14時冷空氣主體東移南壓，北京西部相對于東部地區θ值較高。4日08時700hpa冷空氣主體要稍偏南一些，北京地區上空為暖區。14時冷空氣主體繼續加強，并南壓，河套至山西高原東部為一暖舌，北京地區處于暖舌東側，也是高能區。

4日08時，華北中北部是一個南北向的高能舌，高低層θse相差較大的區域在華北北部，東北地區是低值區，表示冷空氣在那聚集，北京地區未處于高能舌區。14時從西南向華北有一條高能輸送帶，高能舌反映的是一股高能、不穩定的暖濕氣流，它向華北中部一帶輸送了大量的水汽和不穩定能量。由于水汽和能量輸送，高能舌增強，中心處于115E、38N附近，最強值達346K，高低層θse差值的中心與高能舌的中心重疊，垂直結構非常明顯，差值中心值約有20K左右，北京地區約有15K左右。與此同時，東北地區的低值區向高能舌區擴散，在華北中部交匯，在高能鋒區附近產生強降水，而北京地區最強的降水也是產生于石景山，在北京西部。20時θse高值區完全南移到華南，高低層θse的差值降低，且高能輸送帶南壓，北京地區已非高差值區，說明冷空氣已侵入低層，高低層溫差已有所降低。到5日08時，θse低值區控制北京上空，冷空氣完全控制北京高低空。

2.4 衛星云圖及雷達回波分析

從衛星云圖上看，9月4日04時位于低渦東南側對流云團開始發展進入河北，此后云團繼續強烈發展，14時北京西部發展比較強烈，之后東移，15-17時南北對流云團在西部打通，合并后強烈發展，造成石景山區的強降水。

從雷達圖可以看出，沿東南-西北方向有一條強回波帶穿過石景山區，中心強度在40dBz以上。東南的強回波中心超過7540dBz。

3 模式檢驗

3.1 降水起止時間及強降水集中時間

由圖6可知，三家模式模擬的出現明顯降水的開始時間較為一致，在10時左右，與實際降水出現的時間也吻合。結束時間及最強降水出現時間由分歧，前兩家模式預報的強降水出現時段均為4日14-17時，與實況較為吻合。第三家模式預報的強降水出現時間偏晚。模式預報降水量普遍偏低。

3.2 累積降水量

表1為各家模式9月2日起報的48h累積降水量，其中EC集合平均預報的累積降水量為40-80毫米，比較接近實況，其他各家模式均預報偏少。

表2為各家模式9月3日起報的降水時間分布，根據各家模式預報，降水強的時間主要集中在5日08-20時，偏晚于實況。

各家模式9月2日起報的48小時間隔降水量，其中EC預報的降水量在50-100毫米之間，接近于實況，并且降水落區也與實況比較吻合。其次，日本模式預報的降水落區也比較接近實況，但累積降水量偏少。其他兩家模式均預報偏少且分布落區不準確。

4 結束語

500hpa低渦、700hpa和850hpa切變線是造成這次強降水過程的主要影響系統。500hpa冷平流、低層850hpa和925hpa明顯的暖平流輸送為強對流的發生提供了有利的熱力條件和溫濕條件。

強降水開始前從西南向華北有一條高能輸送帶，高能舌反映的是一股高能、不穩定的暖濕氣流，它向華北中部一帶輸送了大量的水汽和不穩定能量。由于水汽和能量輸送，高能舌增強，高低層θse差值的中心與高能舌的中心重疊，垂直結構非常明顯。

強降水時段南北對流云團在西部打通，合并后強烈發展，造成石景山區的強降水。

根據模式檢驗分析，各家模式對降水開始時間都較為準確，EC和NCEP對強降水集中時間比較準確。模式整體對此次過程降水量預報偏少，但EC預報的降水量和強降水落區有一定的指導性。

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