北京“623”暴雨过程的诊断分析及与“710”的比较

2024-07-28 作者:

北京“6.23”暴雨过程的诊断分析及与“7.10”的比较1

甘璐，韩超，李津，张焕越

（北京市专业气象台，北京 100089）

摘要

采用NCEP/NCAR再分析资料、自动站加密观测资料、多普勒雷达资料和大气电场监测资料对北京地区2011年6月23日（简称6.23过程）极端性降水的发生发展以及服务过程进行总结分析。结果表明：北京北边的高压系统和低纬地区副热带高压的稳定少动是造成这次极端性降水的主要原因。北边的阻高的维持使得华北地区出现高温高湿天气，6.23过程中阻高向东南倾斜，迫使横槽南压，其底部的偏东、偏北气流对冷空气输送十分有利；副高西侧的偏南暖湿气流将大量的不稳定能量和水汽输送到北京地区，与切变线的偏北气流在北京附近产生强烈的碰撞。对流不稳定的各项指数均显示北京地区水汽和能量的积累满足暴雨的条件。借助于雷达和大气电场等监测资料，北京市专业气象台提前给用户预报了这次过程的发生发展，确保了城市运行部门在极端性强降水天气发生前都能收到准确的天气预报。最后，通过与2004年7月10日（简称7.10过程）北京地区的极端降水过程的比较发现，无论是冷空气强度还是水汽条件6.23过程都明显比7.10过程好得多。

关键词：暴雨，诊断分析，比较

1. 引言

中尺度天气现象在天气学领域主要划分为两类：一类是雷暴、暴雨、冰雹、大风、下击暴流、风切变以及龙卷风等强对流性天气；另一类是局地低云、浓雾等稳定性天气。极端性降水事件大多是由于中尺度对流系统（MCS）引起，它们都是在一定的大尺度环流背景中由各种物理条件相互作用形成的中尺度天气系统影响的结果。中尺度对流系统及其影响的中尺度天气现象的明显特征就是生命期短、突发性强、空间范围小，但天气变化剧烈，如北京地区2004年7月10日的强降水过程

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。由于数值预报初始场是建立在平均场上，无法解决

中小尺度的预报问题。目前，对中尺度强对流天气系统的预报更多地依赖于监测手段。近20年来，为了解决中尺度天气预报问题，许多国家的气象部门都致力于临近预报(nowcasting)和甚短期预报(very short-range forecasting，VSRF)的研究。随着专门的中尺度观测网的建立，不少国家都已建立了试验性或正式的临近预报和甚短期预报(VSRF)业 1

基金项目：北京市气象局预报与服务业务平台建设创新团队和精细化预报团队共同资助

作者简介：甘璐，研究方向为专业气象服务。E-mail:****************

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务。尽管如此，关于中尺度强对流天气的预报准确率也难以令人满意。预报是基础，服务是重点，在中尺度强对流天气预报准确率难以短时间内得以改观的前提下如何提高服务的时效性以及服务方式的多样化是专业气象服务领域需要考虑的问题。本文根据北京市2011年6月23日的极端性降水过程浅谈这次预报和服务过程，为更好地做好专业气象服务提供参考。

2. 降水概况

2011年6月23日，受东移的蒙古冷涡和低层沿东北平原南下的冷空气以及偏南暖湿气流共同影响，北京城区出现了大暴雨，并伴有雷电，降雨强度之大,在北京历史上是罕见的。从南郊观象台站(116.47,39.78)、天安门（116.39,39.9）和模式口(116.15,39.93)逐时雨量演变来看(图1),本次降水时段主要集中在16-19时(北京时,下同), 石景山区模式口站17时达到最大雨强，为128.9 mm/h，天安门为40 mm/h，南郊观象台在18时达到该站最大雨强，为59 mm/h。20时之后主要雨带已撤出本市，局部地区仍有小雨。

140120降雨量（mm）01415观象台天安门模式口161718时间19202122

图1. 观象台站、天安门站和模式口站逐小时降水

图2 给出了2011年6月23日14-20时北京地区6小时降雨量分布图,可以看到这次降雨空间分布极不均匀，降雨主要集中在城区石景山和丰台附近，北京的其它地区, 如平谷、延庆、密云等地部分地区基本无降雨。从6小时雨情来看，全市平均降雨量为39毫米，城区平均降雨量为63毫米，其中最大降雨量出现在石景山区的模式口，为185.8毫米。6小石景山站135mm，紫竹院117mm，五棵松116mm，时雨量超过100毫米的其它站包括雕塑园150mm，老山114，中国气象局112mm,丽泽桥108mm和丰台体育中心105mm。此次暴雨过程由于降雨强度大、降雨时间集中, 并且主要降雨时段刚好处于下班高峰期，给北京城区的道路交通和部分基础

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设施造成了较大的负面影响。强降雨导致多条环路及主干道积水拥堵，部分环路断路，地铁1号线、13号线、亦庄线等线路部分区段停运。一些主要交通干道上的立交桥和部分路段的排水设备满足不了当时的排水需求而造成了严重的城市积涝,造成了北京城区交通的严重堵塞,导致部分路段交通瘫痪，引起社会各界的广泛关注。

4140.8佛爷顶延庆40.4昌平40.2海淀门石头景沟山丰台房山汤河口上甸子040.6密云怀柔平谷顺义斋堂朝阳通州39.8霞云岭观象台大兴39.639.4115.4115.6115.8116116.2116.4116.6116.8117117.2117.4117.6

图2. 2011年6月23日14时至20时6小时北京地区降水量分布图

3. 天气尺度环流背景场分析

天气尺度环流场对中小尺度系统的发展具有直接的影响，为暴雨的发生创造了水汽条件和带来不稳定能量。从08时500hpa天气尺度环流背景场上看(图3a),在暴雨发生前对流层中层50N以北、贝加尔湖以东地区为一阻塞高压，阻挡了西北部系统的东移南下；从日本海北部经东北到华北北部为一横槽；与此配合，冷温度槽较明显。在较强的偏北偏东气流的引导下，切变线南压。使得冷空气不断补充到河套顶部的低值系统中，在偏北风引导下南下东移影响北京西北。青藏高原东部为高压脊区,冷空气不断从其东北部沿西北气流扩散南下。在低纬地区，西太平洋副热带高压稳定少动, 从高空到地面都是这种形势。副高西侧的偏南暖湿气流将不稳定能量和水汽大量地聚集在北京地区，与切变线的偏北气流在北京附近产生强烈的碰撞。从14时500hpa环流场（图3c）可以看到，由于阻高发生倾斜，迫使横槽南压；并且冷空气的补充南下，北京西北向激发出闭和的低压系统，在偏东偏北气流的引导下逐步影响北京，强降雨中心正好与该低压中心吻合。

700hpa系统和500hpa配合密切，在北京东、北方向有一高压脊，渤海至辽东有偏东风，这种形势的出现有利于大量的不稳定能量和水汽聚集，并且在北京西部的低压系统有西南气

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流和副高西侧的偏南气流将大量水汽输送到该地区。

从08时850hPa风场（图3b）可以看到，近地面有8-10米的低空急流，此时北京附近尚未有明显的切变线形成。由于地面有冷空气不断补充，低压不断加强，到14时850hPa风场（图3d）上看在河北中北部出现明显的切变线，温度场则表现为自西南向东北伸展的暖舌，北京处在暖舌的前部。高低空具有很强的风向切变，500hpa为西北风，850hpa为西南风。

图3. 2011年6月23日暴雨发生前500hpa位势高度场(dgpm)和850hpa风场(m/s)演变

(a和b: 23日08:00 BST，c和d: 23日14:00 BST)

随着低涡呈现东西向，经向环流转为纬向环流，并且横槽不断南压，使得700hap冷槽叠加于850hpa暖脊上，造成大范围不稳定。当500hPa干冷空气随着横槽一次次南摆加强时，造成北京地区出现很强的雷阵雨。一般地，850hpa和500hpa温差在23度以上容易造成高低层热力不稳定，容易出现雷雨。这次由于冷空气过于强大使得高低层热力作用并不明显；同时副高外围的暖湿气流将大量的水汽和不稳定能量输送到北京附近，对高、低层热力作用的要求已经不需要那么苛刻的条件。850hpa与 500hpa温差仅有22度的条件下产生雷雨，并且局部地区还出现了冰雹。

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4. 中尺度对流系统的分析

对流不稳定机制

水汽条件、热力条件和和足够的冲击力（动力条件）是任意一个暴雨过程都必须满足的三个条件。这些往往通过K指数、SI指数、假相当位温θse或感热和潜热通量的分析来判断。上干冷，下暖湿为强对流的天气分布。由北京站探空曲线可见，23日14时，北京低层850hpa以下为西南风，由于北京处于暖舌的前部，近低层暖湿气流很强，800hpa到925hpa整层的温度露点差接近0度，处于饱和状态。只有这么厚的水汽条件才有可能完全把阳光遮住，从16点开始在很短的时间内北京市出现了白天变黑夜的现象。由于低层暖湿气流强大，零度层高度从早上8点600hpa抬高到14点的580hpa。表1给出了6.23暴雨发生发展过程各项指数的比较分析。可以看到，CAPE指数在23日08时接近500，能量的积聚已经相当明显。SI指数在14时达到了-2.02，有利于不稳定天气的发生。

表1. 6.23暴雨过程各项指数比较分析

22日20时

23日08时

23日14时

23日20时

K指数25

33

31 30

SI指数3.32

0.39

-2.02 3.25

CAPE指数

0

483.6

354 59.3

零度层（m）

3972

4225

4647 4135

潜热是对局地热力条件最好的反映，预报员大多通过假相当位温的变化来判断潜热的聚集和分布情况。图4给出了6.23强降水过程中潜热在不同阶段的发展情况。由于阻高维持在贝加尔湖以东地区，上游的冷空气难以东移，大量水汽和不稳定能量在华北地区积累。因此暴雨发生前三、四天，北京地区高温高湿，天气感觉比较闷热。从08时的潜热分布（图5a）来看北京上空的潜热中心已经达到200 W/m^2。同时，由于于副高外围偏南气流对水汽和不稳定能量的输送使得该高值中心的强度在下午14时（图5b）达400 W/m^2。20时之后主要过程已经结束，局部地区仍出现稳定性降水，此时潜热中心的值减少为50 W/m^2，至24日02时之后潜热基本完全释放，副热带高压对水汽和不稳定能量的输送完成了一次西进和东撤的过程。

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图4. 6.23暴雨过程潜热的演变情况（单位：W/m^2）

(a:23日08:00 BST，b:23日14:00 BST，23日20:00 BST，b:24日02:00 BST)

暴雨发生前涡度场和垂直速度的分析

由图6可以看到，6.23暴雨发生前北京地区的涡度和垂直速度处于增大的趋势。从08时涡度场来看（图5a）北京地区涡度场并不明显。由于受到高空冷空气的影响，在14时诱发出一个强度为6×10 s-1的闭合小涡旋，在冷空气的引导下靠近北京西北方向。与此相对

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应的是，700hpa上的垂直速度场也发生明显的改变，从08时的-6×10hpa/s增到到-15×10hpa/s。对于水汽在垂直方向上的输送非常有利。

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图5. 6.23暴雨发生前850hpa涡度场（10-5s-1）和散度场（10-5s-1）演变

(a和b: 23日08:00 BST，c和d: 23日14:00 BST)

5. 6.23过程的监测及服务情况

从北京市气象局多普勒雷达回波（图略）可以明显地看到东北‐西南向的雷雨云团东移南压的发展过程。强回波在张家口东部形成后逐步向东南方向移动，并不断加强，形成了一个“丁”字口的缺口。17时之后强回波带到达城区并与北京西向对流云团东移合并，并且由于受到高空强冷空气诱发的低涡辐合的影响，城区出现大面积的强回波区。根据闪电定位资料显示，海淀区16:02开始打雷，11分钟后朝阳开始打雷，南郊观象台出现雷闪的时间为16:50。从大气电场的监测情况来看，6.23过程四个电场仪均出现了快变抖动。根据文献[5]的研究结果，将北京地区三级雷电警报阈值设置为2.84

kV/m、5.58kV/m、8.29kV/m，则北边的水上公园和海淀电场仪先后在15:15和15:46突破一级警报阈值，其值分别为‐2.93 kV/m和‐3.67 kV/m，紧接着朝阳电场仪和观象台分别在15:59和16:21突破一级警报阈值，其值分别为‐4.51 kV/m 和‐3.97 kV/m。大气电场的监测过程预警了这次雷电的发生。 

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1040(a)5E(kV/m)0-5-1015:0016:3818:1619:5421:32time(hh:mm)40E(kV/m)200-20(b)-4015:0016:3818:1619:5421:32time(hh:mm)20(c)20E(kV/m)0-20-4015:0016:3818:1619:5421:32time(hh:mm)E(kV/m)100-10(d)-2015:0016:3818:1619:5421:32time(hh:mm)

图6 6.23雷雨过程15:00～22:00时各电场仪的监测曲线

(a.海淀,b.水上公园,c.观象台,d.朝阳）

北京市专业气象台针对6.23暴雨过程提前通过各种服务手段及时向城市运行行业服务单位和公众发布了强降雨预报和预警，并提醒城市运行管理部门和司机行人要注意道路积水和交通阻塞，确保行车安全。在早上06时36小时天气预报提示和7:10给用户的警报中均提示午后到夜间有中到大雨局地暴雨，城区雨量15‐40毫米，局地80毫米，雷雨时短时风力较大。市气象台在15:15对外发布雷电黄色预警信号，提示未来6小时内本市有雷雨天气，局地有短时大风、冰雹和短时强降水；并于16:10分加发了暴雨蓝色预警，提示城区部分降雨量达50毫米以上。确保了城市运行部门在极端天气发生前都能收到准确的天气预报。

6. 6.23与7.10过程的比较分析

6.23过程与2004年7月10日（简称7.10）强对流天气过程均给北京市带来了严重的反响。两次强降雨中心都在城区的石景山区附近。从高空环流场看，两次过程都在北京北边维持强大的高压，但6.23过程的降水强度之所以比7.10要强得多，起码可以体现在以下几个方面：①6.23过程冲击力（动力条件）要比7.10强得多，7.10过程与东亚季风极度的向北涌进和冷空气的强烈南下有关，它主要是西来槽的影响，槽后冷空气东移南下和高压底部

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偏东风引导的冷空气在华北东区产生强烈的交汇，叠加在华北暖舌的上空，能够造成如此强降水过程的西来槽必定足够深厚，其前方也必定存在高压脊阻挡西来槽的东移速度；6.23过程则主要是阻高倾斜，迫使横槽南压，叠加在副高外围的暖湿气流中，北京刚好处于横槽的尾部，俗称“龙摆尾”，处于该位置能量极大。②6.23过程中的水汽条件要比7.10好得暖湿气流的输送主要靠槽前偏南气流和低空多；7.10过程中588线副高脊点在135E以东，急流；6.23过程中副高西侧的偏南气流对水汽和不稳定能量的输送起了主要的作用。③6.23过程热力条件要比7.10强得多，7.10过程中阻高略为偏北，在中西伯利亚地区高空冷涡的东南侧不断有短波槽分裂东移，沿西北气流扩散南下；6.23过程中阻高位置比7.10更为偏南，受到阻高的阻挡作用西部冷空气难以靠近北京，并且副高脊线维持在30N附近，使得暴雨发生前3、4天北京地区高温高湿，大量不稳定能量在华北地区聚积，同时阻高主体呈东北-西南向倾斜，在阻高底部偏东、偏北的冷空气补充下，横槽一次次南摆加强，叠加在副高外围的暖湿气流上，造成剧烈的碰撞而产生大暴雨。从500hpa冷中心的强度可以看出，6.23过程的冷空气比7.10要强，6.23冷中心强度达249℃，7.10为264℃。另一方面，6.23过程中副高脊线偏西、偏北的条件下冷空气仍然可以如此强烈地南下，也足以说明6.23冷空气的强度。

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7. 小结和讨论

（1）引起6.23极端性降水过程的主要系统是北京北边的阻塞高压和低纬地区副热带高压的共同作用。北边阻塞高压的倾斜作用迫使横槽一次次南压，并且高压底部的偏东、偏北气流不但使得强冷空气南下，也在北京地区诱发出一闭合的小低压，强降水中心与该低压的位置相吻合；副高西侧的偏南暖湿气流将大量的不稳定能量和水汽源源不断地输送到华北地区，与切变线的偏北气流在北京附近产生强烈的碰撞。

（2）对流不稳定的各项指数均显示北京地区水汽和能量的积累满足暴雨的条件。借助于雷达和大气电场等监测资料，北京市专业气象台提前给用户预报了这次过程的发生，确保了城市运行部门在极端天气发生前都能收到准确的天气预报。 

（3）通过与2004年7月10日（简称7.10过程）北京地区的极端降水过程的比较发现，无论是冷空气强度还是水汽条件6.23过程都明显比7.10过程好得多，降水强度也比7.10要强。

引发极端性降水的中小尺度系统必定是受大的环流背景场的影响，如阻高的维持将会使得下游地区连续几天高温高湿，有利于不稳定能量和水汽的积累，副高外围对于暖湿气流和

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不稳定能量的输送有利于暴雨的发生，若出现西来槽时其移动速度如何等都对降雨的强度造成影响。天气预报是预报员集合各种资料进行集合预报的结果，极端性天气是数值预报难以解决的问题，定时、定量、定点的降水预报服务已经成为专业气象服务的一个难点。如何有效地做好极端性天气的气象服务是专业气象服务所需要考虑的问题。

参考文献

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陶祖钰,葛国庆,郑永光,等. 2004年7月北京和上海两次重大气象事件的异同及其科学问题.气象学报,2004,62(6):882-886

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毛冬艳,乔林,陈涛,等. 2004年7月10日北京局地暴雨数值模拟分析.气象,2008,34(2):25-32

郭虎,季崇萍,张琳娜,等.北京地区2004年7月10日局地暴雨过程中的波动分析.大气科学,2006,30(4):703-711 丁德平,甘璐,邓长菊,等.北京地区大气电场的特征及在雷电预警中的应用.

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