2 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴院重点实验室(LACS), 北京 100029
3 中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049
4 北京应用气象研究所, 北京 100029
2 Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
3 College of Earth Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
4 Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing 100029
京津冀是华北主要区域,也是中国的三大城市群之一,更是国际政治、文化、外交等活动最集中的地区之一,一旦出现气象灾害(如暴雨、雷电等)及次生灾害(如山洪、泥石流、城市内涝等),往往造成巨大人员伤亡、经济损失及严重国际影响。而最近50多年来,我国降水强度普遍趋于增加,且降水极值变化还具有明显的区域性特点。在华北地区,年降水量明显趋于减少的同时,平均降水强度极值却显著增加(李红梅等,2008;王萃萃和翟盘茂, 2009, 刘海文和丁一汇,2010),近年发生在华北的暴雨灾害事件时有发生,如2012年“7.21”暴雨引发城市内涝和山洪,仅在北京就造成79人死亡,经济损失近百亿元(尤焕苓等,2014)。2016年7月19~20日发生在京津冀暴雨造成的洪灾和城市内涝,给当地人民生命和财产均造成严重损失。对京津冀引发气象灾害的天气系统的研究一直是科研和业务工作的焦点之一,尤其是在有利的大尺度天气系统制约下的暴雨机理和预报,更是气象科研和业务的重点。
关于京津冀强降水的研究有很多成果。在影响系统方面,早期,陶诗言及丁一汇等(1980)就归纳出低涡、暖切变线和低槽冷锋是造成华北暴雨的主要天气尺度系统,大部分暴雨发生时有低空急流的出现,并且华北地形对暴雨的发生、发展有一定的作用。此后,孙建华等(2005)对造成华北夏季特大暴雨过程进行了再分型,认为华北暴雨大体可分为5型,包括了台风与低槽(低涡)远距离相互作用,低涡(登陆台风)与西风槽相互作用,登陆台风北上受高压阻挡停滞,低涡暴雨及暖切变暴雨,其中台风和低涡是主要影响系统。刘还珠等(2007)研究指出,北京地区强降水(降雨量≥25 mm d-1)天气有72%出现在7~8月份,主要产生在西风槽与副热带高压(副高)相互作用的天气形势下。此外,华北强降水研究更多地体现在暴雨个例的诊断分析和数值模拟方面,如:针对2004年7月10日的暴雨诊断得出:(1)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;(2)城市与郊区下垫面物理属性造成的热力差异,形成了城市中尺度地面风场辐合线,对对流单体具有明显的组织作用并且导致边界层内中心城区风场垂直切变加强,郊区低空风速加大,有利于低空水汽在较大范围内向对流体中流入,维持对流降水的持续(孙继松等,2006;何立富等,2007)。赵宇等(2011)对2005年7月22~24日华北暴雨的模拟分析认为,该暴雨过程是由“海棠”台风减弱的低压倒槽和西风带冷空气相互作用造成的,台风倒槽内发展起来的2个中尺度对流系统是暴雨的直接影响系统。赵玮和王建捷(2008)对2006年北京两场连续暴雨进行分析得出500 hPa西来槽东移过程中两个不同发展阶段,加深的槽和切断的低压槽,分别是7月31日和8月1日两场暴雨的主要天气尺度影响系统,前者是典型的华北低槽冷锋暴雨,后者则是低压槽控制下的对流活动的产物,且地形与城市环流对此次降水有重要影响(孙继松和杨波,2008)。最近几年对2012年7月21日北京的暴雨过程有很多研究,主要结论认为这是一次多尺度系统影响下的暴雨过程,地形强迫和低层风辐合对偏南暖湿空气抬升起到重要作用,有利于长时间“列车效应”的维持和的发展,并且强降水区域呈现与地形走向接近的带状分布,在低空急流前端左侧与切变线交汇的区域有低涡发生发展并沿切变线东北移,暴雨过程中伴随有锋生加强,低层大气存在对流不稳定和条件性对称不稳定的转换以及垂直涡度和倾斜涡度的发展,这些都利于暴雨的加强和维持(方翀等,2012;俞小鼎,2012;孙继松等, 2012, 2013;陈明轩等,2013;李娜等,2013;孙建华等,2013;冉令坤等,2014;周玉淑等,2014;刘璐等,2015)。
以上对华北(以京津冀为主)暴雨强对流的研究取得了极大进展,研究较为广泛,但是主要集中在暴雨个例的分析和模拟,研究时段一般集中在12 h到48 h,对京津冀持续性降水中局部时间段伴有雷雨过程的研究相对较少,其对应的天气尺度环流配置及中尺度系统的结构特征等的诊断分析还不多见,特别是缺乏对持续强降水日变化特征研究,因此,对京津冀持续性降水伴有暴雨雷电的天气过程及日变化特征研究尤为必要。2015年7月15日至19日,京津冀地区从南到北发生了傍晚到夜间的持续性降水。每天傍晚到夜间都有较强的雷阵雨出现,而白天减弱。为了揭示这种持续性夜间雷雨天气发生的原因,本文就以这次连续五天的持续性降水过程为例,进行常规天气诊断分析,阐明天气背景、不同系统配置及水汽输送辐合等对京津冀这种持续性雷雨天气的影响,并初步揭示雷雨发生于傍晚到夜间的可能机制。
2 降水过程及天气背景介绍 2.1 资料说明分析资料采用ERA-Interim再分析资料,空间分辨率为0.125°×0.125°,时间间隔为6 h(Dee et al., 2011)。ERA-Interim是最新的欧洲中期数值预报中心(ECMWF,European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的再分析数据,此套数据使用了四维变分同化方案,已得到广泛的认可与应用(秦育婧和卢楚翰,2013;韦芬芬等,2015)。降水资料是中国气象局提供的基于全国4万余个自动观测站逐小时降水量和CMORPH卫星反演降水产品的融合降水,空间分辨率为0.1°×0.1°,时间间隔为1 h。闪电资料为中国气象局闪电定位系统(ADTD)观测的地闪脉冲数据。
2.2 降水过程实况分析2015年7月14日00:00至20日04:00(协调世界时,下同),受大尺度天气系统影响,我国大部分地区从南到北出现了一次大范围的雷雨天气(图略),雨带最先出现在西南地区,并且伴随着大尺度槽的东北移逐渐向东北方向移动。14日18:00,雨带进入山西境内后快速北上,至15日05:00,山西大部分地区均出现降水。15日06:00至15日11:00,降水主要位于河南大部、山西东部、河北与内蒙古交界,约为400 km×1000 km的范围。此次降水过程中,雨带及降水中心呈带状分布,导致降水影响区域较大,随着天气系统北移,受太行山脉影响,降水落区沿太行山脉呈南北走向分布,落区位于山西、河北、内蒙古三省交界。在鄂霍次克海上空的低涡环流控制下,15日20:00至16日02:00,小范围的降水出现在河北和北京部分地区,降水中心范围较小,属于局地发展的暴雨,与前面的大范围降水过程有明显不同。随着低槽系统东北移,此次天气尺度降水过程于16日06:00结束。随后,中纬度有蒙古低压逐渐南移,在北京南侧与东南侧又产生新的局地降水中心。降水中心北上并发展成新的雨带并且在北京西南形成降水中心,与此同时,山西西北部地区出现多个降水中心,东移过程中逐渐形成雨带并东移,经太行山脉后,降水范围逐渐扩大,降水中心覆盖北京大部分地。18日03:00,晋、冀、蒙三省交界又出现新的降水中心,并与形成于山西南部后北移的雨带汇合,此后在京津冀地区不断在傍晚有新的降水中心形成,白天减弱,直至20日03:00才彻底结束此次持续五天的傍晚到夜间的降水过程。
由于此次降水持续时间较长,并且雨带不断移动,降水中心多变,对五天降水量进行累计发现,此次降水量最大值中心为北京东部(图 1a),并且降水量以北京为中心,向周边递减。对图 1a的红框区域(下文的区域性统计均为该区域)进行从15~19日的每小时降水量的时间序列分析(图 1b)可以看出,这五天的降水量的峰值区集中在每天的12:00~24:00之间,这段时间对应傍晚到夜间。并且观测的地闪脉冲时间序列图(图 1c)的波峰与降水的时间序列图保持着高度的一致性,表明15~19日的降水和闪电活动集中发生在傍晚到夜间,属于明显的雷雨天气。下面通过对比00:00与12:00的天气形势分析及其相关诊断,分析降水持续发生在傍晚到夜间的原因。
7月15日到17日,东亚地区为两槽一脊天气形势(图 2),西部槽位于乌拉尔山附近,东部槽位于鄂霍次克海上空,由于冷空气旋转堆积,鄂霍次克海上空形成了明显的低涡系统,两槽之间的中高纬大范围地区为阻塞高压。蒙古上空有低涡维持并逐步减弱,京津冀处于蒙古冷涡的东南侧,西侧为一个小范围高压脊(此高压脊是由于副高西伸到陆地,被台风环流切断后,副高主体东退到洋面,东北部小范围高压带留在陆地形成)控制。随着蒙古冷涡缓慢东移以及台风“浪卡”东北移,高压脊向东北方向压缩后逐渐并入阻高,京津冀位于蒙古冷涡东南部,处于槽前西南暖平流控制区。
从18日和19日的环流背景(图 3)来看,随着乌拉尔山附近低槽向东南方向移动并发展,蒙古低涡逐渐减弱并入槽区,表现为低槽向东南发展加强,槽线为西北东南走向,同时,东部高压区向北伸展,与阻高南部高压区打通,京津冀处于西部大槽和东部副高之间,为明显的西低东高天气环流形势,是华北地区典型的暴雨环流形势之一。
从五天的环流背景可以看出,15~17日三天的天气主要受蒙古低涡、热带气旋“浪卡”和鄂霍次克海上空的低涡三大系统影响,京津冀处于槽前上升气流控制区。而18、19日两天,京津冀地区位于西低东高的天气背景下,也是有利于京津冀暴雨发生的天气形势。因此针对这两种天气背景,对这五天的常规天气诊断分成两类进行:15、16、17三天为第一类,18、19两天为第二类。
3 水汽及动热力条件分析 3.1 7月15~17三天平均概况 3.1.1 水汽输送分析从850 hPa水汽输送(图 4)可以看出,15~17日低纬洋面为一致性的西南气流,在向东北输送过程中,流入台风“浪卡”环流内,并且汇聚西太平洋上空的水汽,转为偏北偏东气流后,由黄海经山东进入京津冀区域,使得洋面上的水汽能够源源不断向京津冀地区输送,为暴雨的发生提供了有力的水汽条件。
对比00:00(图 4a)与12:00(图 4b)水汽输送,12:00来自鄂霍次克海上空低涡环流的水汽远大于00:00,使得夜间京津冀上空的水汽比白天更为丰富,有利于降水在傍晚和夜间发生。而从850 hPa的水汽通量散度可以看出,京津冀上空均为水汽辐合,为降水提供了有利的水汽条件。从12:00与00:00水汽通量及水汽通量散度的差值(图 4c)可见,水汽输送差为偏南及偏东风水汽输送,水汽通量散度的差值在京津冀表现为辐合,表明傍晚到夜间的偏南风及偏东风水汽输送强于白天,水汽辐合强度也强于白天,有利于夜间产生降水。
从15~17日三天的大气中低层(1000~500 hPa)平均水汽含量分布(图 5)可以看出,虽然江淮流域为水汽含量的大值中心,但在华北地区与水汽输送及辐合相对应,京津冀上空的水汽也很丰富,且00:00(图 5a)的整层水汽含量小于12:00(图 5b),并且渤海湾上空的水汽含量也是12:00大于00:00,说明大气中低层傍晚的水汽含量多于白天。华北地区的水汽含量大值区从京津冀到渤海湾延伸到辽宁中南部,这与图 4所示的西南暖湿气流和来自洋面的偏东气流对水汽的输送及辐合是一致的。
除了大范围的水汽输送及辐合,暴雨发生时还要有一定的热力和动力触发及维持条件。大气层结、冷暖平流及高低空辐合辐散的配合等都可成为触发上升运动的原因。从15~17日三天的2 m温度(图 6a、6b)可以看出,京津冀东部,环渤海地区的近地面温度12:00明显高于00:00,温差高约2℃,且高于洋面上大气的温度(温差在4℃以上),从区域平均的气温廓线(图 6c)也可以看出,800 hPa以下的低层大气中12:00的气温稍高于00:00,但800 hPa以上的区域平均气温数值在00:00与12:00基本相当,这也意味着京津冀地区在低层大气的平均垂直温差在12:00更大,使得傍晚的近地面不稳定层结加剧,更利于对流发生在傍晚到夜间。
从散度沿40°N的纬向—气压剖面(图 7)可见,15~17日的00:00与12:00的平均场可以看出京津冀上空均为低层辐合、高层辐散,有利于上升运动的产生和维持。对比00:00(图 7a)与12:00(图 7b)的散度剖面,在114°~116°E上空,00:00主要是500 hPa以下辐合、550 hPa以上辐散的配置,而12:00则存在850 hPa以下辐合、600~850 hPa之间辐散、600~450 hPa辐合、450 hPa以上辐散的两个倾斜的辐合辐散中心的垂直配置,且低层辐合更为剧烈,有利于低层水汽的整体辐合抬升。
从图 8a、8b中假相当位温分布可见,京津冀上空500 hPa以下,假相当位温随着高度升高而减小,因此15~17日在00:00与12:00的平均场在500 hPa以下均为不稳定层结。400 hPa以下的渤海湾以东,西朝鲜湾附近(125°~130°E)存在一支下沉气流,在00:00该下沉支在400~700 hPa形成了一个纬向环流,有利于中层大气的垂直上升(从垂直速度廓线亦可看出),在12:00该下沉气流持续下沉到达洋面后辐散流出,其偏东气流分量能增强洋面原有的偏东风,这可能也是12:00水汽输送强于00:00的原因之一。对比00:00(图 8a)和12:00(图 8b)的风速垂直剖面(图 8a、b中箭头)可以看出,虽然12:00高层大气的垂直速度减小,但是从比湿可以看出,由于来自洋面偏东气流的作用,夜间低层大气的水汽含量显著增加,在116°~122°E区间,00:00的比湿高于0.01 kg kg-1的区域(图 8a黄色及橙色区域)集中在900 hPa以下,而12:00比湿高于0.01 kg kg-1的区域向上抬升到850 hPa附近(图 8b中黄色及橙色区域)。来自中层500 hPa附近的干冷空气到达京津冀(114°~116°E)上空后,在00:00以辐合上升为主(图 8a),下沉分量较弱,与低层偏东气流的辐合也较弱,但是,在12:00(图 8b),500 hPa附近的偏西气流到达京津冀上空后,其上升支明显减弱,下沉支明显加强,下沉气流可到850 hPa以下,这股下沉的干冷气流与东来的湿气流在京津冀地区中低层对峙辐合,加强了对低层水汽的辐合抬升。从垂直速度廓线(图 8c)可见,在京津冀上空,虽然上升运动在800 hPa以上是00:00大于12:00,但是00:00的950 hPa以下的空气垂直运动表现为弱下沉,不利于低层水汽向上的垂直输送。而低层大气12:00在800 hPa以下的空气垂直上升速度明显大于00:00的,且整层都表现为上升运动,使得低层水汽能够被垂直抬升和输送到中高层,利于雷雨天气在傍晚和夜间的发生。
18日开始,热带气旋“浪卡”在日本登陆,蒙古低压并入低槽,从850 hPa水汽输送(图 9)可以看出,来自南部洋面的西南暖湿气流向东北方向输送,在东海以东的西太平洋地区转向为东北风水汽输后持续向华东和华北地区输送,到达京津冀近地面层后有向北分量,盛行东南风,有利于洋面上水汽不断输送到京津冀地区。
从850 hPa的水汽通量散度(图 9中阴影区)也可见,京津冀上空均为水汽辐合,水汽的积聚为降水发生提供了有利条件。对比00:00(图 9a)与12:00(图 9b)可以看出,12:00黄海上空的水汽输送明显增强。12:00与00:00水汽输送及水汽通量散度差值图(图 9c)中水汽输送在黄海上空仍为西北向输送,且北京上空仍为辐合,表明水汽输送及辐合整体上是12:00大于00:00,意味着傍晚到夜间的水汽输送和辐合均强于白天。
从18、19两天的中低层(1000~500 hPa)大气水汽含量分布(图 10)可见,虽然“浪卡”登陆,来自西太平洋太空的水汽逐渐变小,但是随着西南气流及其辐合的增强,江淮流域、黄海及京津冀上空的水汽含量不减反增。对比00:00与12:00水汽含量可以看出,虽然江淮流域的整层水汽含量12:00比00:00减弱,但是黄海、西太平洋以及京津冀区域上空水汽含量在12:00大于00:00。由于18、19两天京津冀上空水汽主要是由西南气流在黄海上空转向输送而来,东部洋面12:00水汽含量增强,在东北风的输送下,也意味着傍晚后京津冀地区的水汽含量会增强,导致京津冀上空的水汽在傍晚到夜间积聚更为显著。
从18、19两天的平均的2 m气温分布(图 11)可以看出,与前3天温度分布较为相似,京津冀及其南部和东侧区域的近地面温度也是在12:00明显高于00:00,但其温差更为明显。尤其京津冀南部,12:00的2 m的气温在24℃以上,但是00:00基本维持在22℃左右,温差保持在2℃以上,仍然是利于傍晚不稳定层结的加剧。同时,渤海湾中西部洋面附近也是12:00的温度高于00:00,区域平均的气温廓线也呈现出800 hPa以下低层大气中12:00的温度始终高于00:00的分布,京津冀平均的垂直温度差仍然是12:00大于00:00,表明低层大气不稳定度在12:00更强,比00:00更容易产生对流。
从沿40°N散度的纬向—气压剖面(图 12)可见,与15~18日的00:00与12:00的辐合、辐散配置在垂直方向上有明显区别(图 7),18~19日,00:00与12:00的辐合、辐散在垂直方向上均有低层辐合,中间出现辐散,中高层又有辐合和辐散的配置,但12:00的850 hPa以下的低层辐合更为剧烈,对水汽的抬升作用更强。
从40°N的纬向—气压剖面(图 13)亦可见,京津冀附近的大气仍然保持上升运动,上升支在地形迎风坡得以加强,从相当位温分布可以看出,与15~17日平均场相似,18、19两天在1000~500 hPa的相当位温随气压增加,显示500 hPa以下均为层结不稳定。且在500 hPa以下的渤海湾以东,西朝鲜湾附近(125°~130°E)存在一支下沉气流(该下沉气流在00:00不明显),下沉到达洋面后的偏东气流分量能增强洋面原有的偏东风,这可能也是12:00水汽输送强于00:00的原因之一。从比湿分布可见,夜间低层大气的水汽含量显著增加,在115°~125°E区间,00:00的比湿高于0.012 kg kg-1的区域(图 13a中橙色及红色区域)集中在850 hPa以下,且几乎没有大于0.014 kg kg-1的区域,而12:00比湿高于0.012kg kg-1的区域向上抬升到850 hPa以上,大于0.014 kg kg-1的区域抬升至800 hPa的高度(图 13)。与前3天不同,来自中层500 hPa附近的干冷空气向东移动时,00:00在106°E以西,下沉分量到850 hPa附近后又抬升向东,呈明显的波动似东传,与偏东气流辐合后加强了京津冀上空的垂直运动(图 13a),但是在12:00,这支下沉气流到达105°E(下沉位置较00:00偏西)时,强度明显加强,下沉到850 hPa后,向东的抬升分量不明显,而是出现向西的低层流出后抬升,在105°E以西形成了一个小的次级环流(图 13b),导致京津冀附近的低层没有明显的偏西风与偏东风间的辐合,因此,12:00京津冀地区的上升运动小于00:00(00:00上升运动高度达到250 hPa,12:00的上升运动只到400 hPa附近),12:00上升支主要由来自低层东部的气流抬升维持。京津冀上空的中高层,12:00的上升运动小于00:00,但是,从垂直速度廓线(图 13c)却可以看出,京津冀上空的低层大气12:00的上升速度明显大于00:00,且该上升运动主要由来自洋面的偏东风的辐合抬升,起到了对低层水汽输送辐合抬升的作用,更有利于12:00低层水汽向中高层的抬升。
通过持续5天的环流背景、水汽输送辐合特点以及常规动热力变量分析发现,虽然京津冀地区持续性夜间雷雨的天气背景有差异,但是在京津冀地区仍存在共性的影响因素,利于持续性的雷雨天气发生在傍晚到夜间,主要结论如下:
(1)虽然都是傍晚到夜间出现雷雨天气,但是前3天与后2天的天气形势不同。15~17日这3天的500 hPa天气形势为两槽一脊,京津冀地区处于低槽前的不稳定区,主要天气系统为东移南下的蒙古低涡、西太平洋热带气旋、东亚上空的闭合性低涡。18~19日两天则主要表现为西低东高的天气形势。水汽输送路径也有明显区别,15~17日以西南暖湿气流直接向东北方向输送以及台风外围偏东风环流向京津冀输送水汽为主,18~19日则为西南暖湿气流在东海以东洋面上转为偏东风后向京津冀输送为主。虽然水汽输送路径不完全相同,但水汽辐合中心均在京津冀区域,且京津冀地区的水汽通量及水汽输送均是在12:00大于00:00,意味着傍晚的水汽条件好于白天。
(2)在此次持续性雷雨天气过程中,均有中层的干冷偏西气流和低层暖湿偏东气流的辐合抬升,使得强的上升运动得以维持,但气流辐合特点也有明显区别:15~17日,00:00的干冷气流主要在中层与偏东气流辐合抬升,中低层的下沉支不明显;12:00的干冷空气的下沉支增强,下沉到850 hPa左右后与低层暖湿的偏东风辐合加剧,导致12:00的低层垂直运动大于00:00。18~19日,00:00的中层干冷气流下沉与偏东气流辐合后加强了京津冀上空中高层的垂直运动;12:00京津冀上空的上升运动主要由来自低层偏东风的加强对暖湿气流的抬升。低层的上升速度均是12:00大于00:00,配合12:00低层较强的水汽输送及辐合,傍晚的动力和水汽条件都更利于降水发生。
(3)此次持续性雷雨天气过程中,虽然京津冀地区500 hPa以下均为不稳定层结,但是,京津冀南部及东部的2 m的气温始终是12:00高于00:00,同时,温度垂直温差也是12:00高于00:00,有利于不稳定层结的加剧,配合12:00低层较强的上升运动和更强的水汽输送及辐合,12:00的动热力和水汽条件都更利于对流触发降水,这些可能都是降水总发生在傍晚到夜间的原因。
本文从环流场和动热力场及水汽条件方面初步分析了导致京津冀地区此次雷雨天气总是发生在夜间的原因,但还没有更细致地考虑地形抬升及城市下垫面加热等因素的作用,如在京津冀降水初期,降水在太行山脉附近加强,地形的强迫抬升有多大作用尚未能分析。此外,降水实况总量显示出此次降水过程以北京为中心,降水量向周边递减,造成这种现象的原因可能跟城市化进程有关,城市化通过改变城市下垫面属性、城郊热平衡差异、局地环流等,从而可影响到降水的时空分布(Zhang et al., 2006, 张朝林等,2007;李玉焕等,2013;张珊等,2015)。同时,雷雨天气发生的原因,除了合适的动热力条件外,微物理过程也很重要,尤其是闪电活动,直接与大气中的冰相过程有关,论文目前的分析揭示不出雷雨总是发生在夜间的微物理过程的区别,下一步的相关工作将设计数值模拟方案,针对城市化以及微物理过程的影响,对这次雷雨过程进行高分辨数值模拟和机理分析。
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