北京市2018年“7·16”極端暴雨特征及成因分析

于 超，賀 靚，張恒德，張夕迪，楊舒楠，陳 雙，權(quán)婉晴

(1.國(guó)家氣象中心，北京 100081； 2.中國(guó)氣象局-河海大學(xué)水文氣象研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081)

北京市地形復(fù)雜、背山面海，位于山地與平原的過渡地帶，年平均降水量為420～660 mm[1]。1951—2012年8時(shí)至次日8時(shí)200 mm以上的大暴雨及特大暴雨出現(xiàn)過兩次，100 mm以上的暴雨發(fā)生過22次，強(qiáng)降雨過程大多發(fā)生在7和8月，與年降水量分布主要集中在夏季[2]相對(duì)應(yīng)。北京市自2012年以來局地大暴雨、特大暴雨事件時(shí)有發(fā)生，如2012年7月21日(“7·21”暴雨)、2016年7月20日(“7·20”暴雨)的特大暴雨事件均呈現(xiàn)小時(shí)降水量大、降雨時(shí)間集中、局部降水量超過歷史極端值的特點(diǎn)，其中“7·21”暴雨北京市最大累計(jì)降水量460 mm，“7·20”暴雨河北省和北京市最大累計(jì)降水量分別為783.5 mm和453.7 mm[3]。

華北地區(qū)暴雨的發(fā)生通常與500 hPa西北太平洋副熱帶高壓的活動(dòng)有關(guān)，周鳴盛[4]將500 hPa環(huán)流分成4種形態(tài)，其中副熱帶高壓與500 hPa低槽東進(jìn)型是其中之一。丁一匯等[5]也提出3種有利于華北暴雨產(chǎn)生的基本環(huán)流形勢(shì)，其中之一為華北位于長(zhǎng)波槽前，下游有高壓脊或阻塞高壓，可使上游槽移動(dòng)緩慢或停滯，并指出這種西低東高的環(huán)流形勢(shì)是華北暴雨的最基本環(huán)流形勢(shì)。此外，華北暴雨除了有利的天氣尺度環(huán)流背景外，往往伴有中小尺度天氣系統(tǒng)的活動(dòng)。呂艷彬等[6]對(duì)華北平原上3個(gè)典型個(gè)例和MCC發(fā)生前的環(huán)境場(chǎng)進(jìn)行了分析，指出華北平原的MCC是發(fā)生在移動(dòng)性冷鋒前的暖區(qū)中。王迎春等[7]對(duì)2002年8月1日夜間北京市密云區(qū)的局地特大暴雨進(jìn)行分析指出，中尺度低壓和輻合線是對(duì)流的觸發(fā)系統(tǒng)，北京市北部處于中尺度低壓東部暖濕氣流的輻合區(qū)內(nèi)，在有利的地形條件下中尺度低壓和輻合線使密云西部山區(qū)出現(xiàn)特大暴雨。

研究表明，在氣候變暖的大背景下，有些地區(qū)在降水總量增加的同時(shí)，極端降水量也顯著增加[8-9]，而且極端降水量增加的趨勢(shì)顯著大于平均降水量增加的趨勢(shì)[10]。極端降雨造成的城市內(nèi)澇積水現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，社會(huì)關(guān)注度也越來越高[11]，王輝等[12]研究表明，昆明市1960—2017年極端降水量和嚴(yán)重程度均呈增加趨勢(shì)。精細(xì)化的暴雨預(yù)報(bào)特別是極端暴雨的預(yù)報(bào)在我國(guó)實(shí)際天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中難度較大，但是社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)精細(xì)化的預(yù)報(bào)服務(wù)要求和需求越來越高，研究極端暴雨的成因并提高防災(zāi)減災(zāi)能力十分必要。此外，已有專家學(xué)者研究了暴雨洪澇災(zāi)害對(duì)城市的危害[13],并進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[14-16]，旨在通過相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析工作查找氣候規(guī)律，提高城市對(duì)暴雨洪澇災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)能力。

2018年7月15日夜間至16日，北京市出現(xiàn)2018年最強(qiáng)降雨過程(以下簡(jiǎn)稱“7·16”極端暴雨)。降雨過程中的小時(shí)降水量、最大累計(jì)雨量及持續(xù)時(shí)間在2012—2018年北京市降雨過程中均位居前三位，降雨的極端性非常明顯。受強(qiáng)降雨影響，北京市多地出現(xiàn)嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害和中小河流洪水等次生災(zāi)害。此外，極端暴雨過程中最強(qiáng)降雨發(fā)生在副熱帶高壓邊緣暖區(qū)中，沒有冷空氣參與，屬于典型的華北夏季暖區(qū)暴雨，大尺度天氣系統(tǒng)強(qiáng)迫非常弱，預(yù)報(bào)難度大，數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)強(qiáng)降雨中心位置強(qiáng)度和極端性均估計(jì)不足。基于此，本文利用地面自動(dòng)站、雷達(dá)及NCEP再分析和最終分析資料對(duì)“7·16”極端暴雨過程的降雨特征、環(huán)境場(chǎng)極端性、中尺度對(duì)流系統(tǒng)及地面輻合線演變進(jìn)行分析，總結(jié)造成極端降雨的天氣學(xué)概念模型，以進(jìn)一步提高極端暴雨的預(yù)報(bào)能力和防災(zāi)減災(zāi)能力。

1 研究數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)主要包括：①質(zhì)量控制后的逐1 h北京市加密區(qū)域自動(dòng)氣象站(437 個(gè))資料，用于分析降水量的分布和小時(shí)降水量的站次分布；②質(zhì)量控制后的華北區(qū)域逐1 h加密地面氣象觀測(cè)資料，用于地面輻合線分析；③逐6 min多普勒天氣雷達(dá)華北區(qū)域組合反射率拼圖和雙偏振雷達(dá)雨滴譜拼圖資料，用于分析中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變；④北京市觀象臺(tái) L 波段風(fēng)廓線雷達(dá)0.5 h和1 h平均采樣的水平風(fēng)場(chǎng)資料，用于分析風(fēng)速垂直變化；⑤一天 4 次NCEP(National Centers for Environmental Prediction)/NCAR(National Center for Atmospheric Research) 2.5°×2.5°再分析資料和 NCEP FNL(Final Operational Global Analysis)1°×1°最終分析資料，用于大尺度環(huán)流及環(huán)境條件分析。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)化異常度方法

杜鈞等[17]將某一天氣要素與氣候平均值的差來表示其異常程度，標(biāo)準(zhǔn)化異常程度的氣候標(biāo)準(zhǔn)差定義為標(biāo)準(zhǔn)化異常度。標(biāo)準(zhǔn)化異常度可用來分析天氣要素的極端性，通常認(rèn)為3σ即表示異常的天氣事件，即極端性突出。

標(biāo)準(zhǔn)化異常度SD的表達(dá)式為

SD=(F-M)/σ

(1)

式中：F為某一個(gè)時(shí)刻的某一變量值(如500 hPa高度)；M為變量場(chǎng)30 a的氣候平均值；σ為變量場(chǎng)30 a的氣候標(biāo)準(zhǔn)差。氣候場(chǎng)用1986—2015年的NCEP/NCAR 2.5°×2.5°再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行了21 d的滑動(dòng)平均。

2 降雨特征和預(yù)報(bào)情況

2.1 降雨特征

2018年7月15—17 日的北京市強(qiáng)降雨過程分為多個(gè)時(shí)段，最強(qiáng)降雨時(shí)段出現(xiàn)在15日夜至16日凌晨。此次暴雨天氣過程呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：①累計(jì)降水量大(圖1(a))，全市平均降水量103 mm，城區(qū)平均127.2 mm；最大累計(jì)降水量出現(xiàn)在密云區(qū)張家墳，達(dá)386 mm；②降雨效率高，短時(shí)雨強(qiáng)大，密云、懷柔、順義、房山、門頭溝16日凌晨均監(jiān)測(cè)到小時(shí)降水量50 mm以上的短時(shí)強(qiáng)降雨，密云區(qū)白蓮峪1 h降水量達(dá)117.0 mm(16日2—3時(shí))；③降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，從15日20時(shí)開始，至18日6時(shí)結(jié)束，持續(xù)58 h。

圖1 7月15日20時(shí)至18日8時(shí)累計(jì)降水量和逐小時(shí)不同強(qiáng)度降雨站次分布Fig.1 Accumulated rainfall and station distribution of hourly precipitation of different intensity from 20 BT 15 July to 08 BT 18 July

從不同強(qiáng)度降雨站次分布(圖1(b))可以看出，有3個(gè)降雨集中時(shí)段，分別為16日1—5時(shí)、16日14—20時(shí)及17日8—20時(shí)，其中16日1—5時(shí)的小時(shí)降水量超過40 mm的站次最多，而超過60 mm和80 mm的站次也顯著高于其他兩個(gè)時(shí)段，特別是密云區(qū)西白蓮峪村16日2—3時(shí)降水量達(dá)117.0 mm。本文針對(duì)15日夜間至16日凌晨的強(qiáng)降雨進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2.2 災(zāi)情及降雨預(yù)報(bào)能力分析

受強(qiáng)降雨影響，懷柔、密云、房山、昌平、延慶、平谷多地出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害、小河流洪水和城市積水，其中懷柔區(qū)G111京加路、密云區(qū)琉辛路塌方嚴(yán)重；回龍觀、西二旗等地出現(xiàn)嚴(yán)重積水，部分車輛被淹。水情方面，白河上游及支流蛇魚川河、牤牛溝河及支流、白馬關(guān)河及支流、安達(dá)木河及6條小流域損毀嚴(yán)重；護(hù)村壩、護(hù)地壩損毀25.24萬m3；密云白河出現(xiàn)1998年以來最大洪水，密云水庫(kù)近20年來蓄水量再次突破22億m3，其下游潮河、潮白河兩座漫水橋及個(gè)別堤防受損。此次強(qiáng)降雨以單峰型降雨為主，雨強(qiáng)大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，最大徑流量超過60 m3/s，是造成小流域洪水的主要原因；同時(shí)強(qiáng)降雨造成土壤濕度增加，而短時(shí)強(qiáng)降雨的沖擊，造成在地質(zhì)物質(zhì)條件、能量條件具備的區(qū)域土體失穩(wěn)，這也是地質(zhì)災(zāi)害的主要原因之一。

國(guó)家氣象中心現(xiàn)有預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中使用的數(shù)值預(yù)報(bào)模式(全球尺度和中尺度兩類，共11個(gè)模式)對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)引發(fā)的突發(fā)性短時(shí)強(qiáng)降雨預(yù)報(bào)能力普遍較低[18]。從數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果來看，對(duì)15日8時(shí)至16日8時(shí)降雨預(yù)報(bào)，全球尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式包括歐洲中心天氣預(yù)報(bào)、中國(guó)氣象局全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)的36 h時(shí)效預(yù)報(bào)量級(jí)均明顯偏弱，預(yù)報(bào)的量級(jí)均為小到中雨；中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式包括北京新一代快速更新多尺度資料分析和預(yù)報(bào)系統(tǒng)(RMAPS)、中國(guó)氣象局區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和華東區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)預(yù)報(bào)量級(jí)也均偏弱。歐洲中心集合預(yù)報(bào)概率匹配產(chǎn)品預(yù)報(bào)15日8時(shí)至16日8時(shí)北京市為小雨，52個(gè)集合成員中對(duì)該時(shí)段的預(yù)報(bào)僅有一個(gè)成員預(yù)報(bào)北京市為大雨，較實(shí)況也明顯偏弱；對(duì)海淀站的預(yù)報(bào)僅有兩個(gè)成員預(yù)報(bào)累計(jì)降水量超過10 mm，概率不到4%，也明顯弱于實(shí)況(海淀站實(shí)況累計(jì)降水量為56 mm)。對(duì)于此次強(qiáng)降雨過程，所有數(shù)值預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)的量級(jí)均明顯偏弱，顯示對(duì)于局地性和突發(fā)性的中尺度強(qiáng)降雨，特別是極端強(qiáng)降雨的預(yù)報(bào)能力還有待提升。對(duì)于7月16日北京市6個(gè)區(qū)站的地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，命中4個(gè)站，空?qǐng)?bào)1站，漏報(bào)1站，且15日并未預(yù)報(bào)出16日的地質(zhì)災(zāi)害，預(yù)報(bào)區(qū)域相對(duì)于災(zāi)情點(diǎn)位置偏西。16日早晨發(fā)布的中小河流洪水氣象風(fēng)險(xiǎn)黃色預(yù)警，基本準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了潮白河流域部分?jǐn)嗝娉霈F(xiàn)的洪水。

3 環(huán)流形勢(shì)和環(huán)境條件分析

陶詩(shī)言[19]將華北夏季高空槽(相伴有冷鋒)暴雨的環(huán)流形勢(shì)分為3種類型，其中之一為強(qiáng)低槽冷鋒的情況，即低槽位于河套地區(qū)，并有鋒面氣旋發(fā)展。在冷鋒前有西南急流向北伸展，主要暴雨區(qū)在高低空急流之間、鋒前暖區(qū)中。此次暴雨過程的環(huán)流形勢(shì)符合強(qiáng)低槽冷鋒型。在15日夜間至16日白天，華北地區(qū)位于500 hPa副熱帶高壓和高空槽之間，低層存在西南急流，地面鋒面位置位于內(nèi)蒙古西部，北京市沒有明顯的冷空氣影響。15日20時(shí)，500 hPa上在蒙古人民共和國(guó)至甘肅南部有一個(gè)深厚的高空槽(圖2(a)，圖中位勢(shì)高度單位為dagpm)，北京市處于高空槽前和副熱帶高壓西北側(cè)西南氣流中，風(fēng)速為14 m/s；700 hPa具有和500 hPa同樣的環(huán)流形勢(shì)；850 hPa上空(圖2(b))，北京市為西南風(fēng)，風(fēng)速為8 m/s；地面冷鋒位于蒙古人民共和國(guó)至寧夏北部，北京市處于鋒前暖區(qū)，其中南部和中部地區(qū)為東南風(fēng)，北部為東北風(fēng)，存在明顯的切變輻合。16日8時(shí)，500 hPa高空槽東移加深，副熱帶高壓略有東退，北京市仍然位于高空槽前和588位勢(shì)10 m等高線西北側(cè)，此時(shí)風(fēng)速加大至16 m/s；850 hPa北京市東部西南風(fēng)加大至12 m/s，達(dá)到急流強(qiáng)度。北京市大部分地區(qū)處于低空850 hPa急流左側(cè)出口區(qū)域，輻合抬升條件較好?？傊?，15日20時(shí)至16日8時(shí)，大尺度環(huán)流形勢(shì)對(duì)于北京市的動(dòng)力輻合抬升非常有利。

圖2 7月15日20時(shí)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)Fig.2 Height field and wind field at 20 BT 15 July

此次暴雨過程發(fā)生在盛夏時(shí)節(jié)，水汽和熱力條件均有利于暴雨的產(chǎn)生。15日20時(shí)，河北石家莊至保定存在整層水汽含量高值中心，達(dá)65 mm，北京市中部地區(qū)和南部地區(qū)整層水汽含量也達(dá)到60 mm，K指數(shù)(K指數(shù)是反映垂直溫度遞減率和低層水汽含量的熱力綜合參數(shù))≥35℃的區(qū)域也由北京市中部地區(qū)和南部地區(qū)擴(kuò)大至整個(gè)北京市；16日8時(shí)，石家莊至保定一帶整層水汽含量降至60 mm，但北京市中部地區(qū)的整層水汽含量增至65 mm，北部地區(qū)由55 mm增至60 mm，16日8時(shí)K指數(shù)高值中心出現(xiàn)在昌平，達(dá)40℃。在強(qiáng)降雨發(fā)生的主要時(shí)段(15日20時(shí)至16日8時(shí))，保定和北京市大部地區(qū)的水汽和層結(jié)不穩(wěn)定條件均維持在較高水平，且高值中心由南向北發(fā)展。

由上述分析可知，低層西南風(fēng)除了為北京市提供有利的動(dòng)力輻合抬升外，還將北京市以南地區(qū)的水汽和層結(jié)不穩(wěn)定性持續(xù)向北輸送，為北京市產(chǎn)生強(qiáng)降雨提供了十分有利的條件。

4 極端降雨成因分析

4.1 環(huán)境條件極端性

高度場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化異常度分析顯示，北京市15日夜間至16日白天受200 hPa高空脊控制，其高度場(chǎng)為大于 3σ的正異常，高空臺(tái)風(fēng)殘余環(huán)流北側(cè)為高壓帶，隨著低渦的北上，高壓帶變窄，風(fēng)向切變?cè)黾樱呖蛰椛惓Ｖ抵饾u增加，出現(xiàn)大于 3σ～4σ的正異常(圖3(a))。500 hPa高度上副熱帶高壓整體偏北、偏強(qiáng)，降雨區(qū)位于副熱帶高壓西北側(cè)邊緣，SD呈現(xiàn)弱的正異常，對(duì)降雨的動(dòng)力條件作用不大，850 hPa位勢(shì)高度也略高于氣候平均值。850 hPa風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)化異常度分析顯示(圖3(b))，在副熱帶高壓西北側(cè)有較強(qiáng)的低空急流，低層風(fēng)場(chǎng)存在一條帶狀的大于 3σ～4σ的正異常帶，且主要異常出現(xiàn)在經(jīng)向風(fēng)速上，偏強(qiáng)的西南風(fēng)更加有利于水汽的向北輸送。

圖3 7月15日20時(shí)物理量及其標(biāo)準(zhǔn)化異常度Fig.3 Physical quantity and standardized anomaly at 20 BT 15 July

水汽及不穩(wěn)定條件的標(biāo)準(zhǔn)化異常分析顯示，850 hPa比濕異常明顯，普遍超過2σ～3σ，水汽通量和水汽通量散度也存在明顯的異常，整層可降水量為55～60 mm，達(dá)到3σ～4σ(圖3(c))。850 hPa假相當(dāng)位溫的異常為2σ～3σ，異常的不穩(wěn)定條件也有利于強(qiáng)降雨的發(fā)生。

從懷柔和石景山單站的要素概率分析來看，200 hPa散度非常強(qiáng)，均超過了歷史概率分布區(qū)間，500 hPa和850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)基本處于氣候平均附近，天氣系統(tǒng)較弱。850 hPa輻散非常強(qiáng)，懷柔站的850 hPa散度遠(yuǎn)超過了歷史概率分布區(qū)間，石景山的850 hPa散度也遠(yuǎn)小于5%，表明存在異常的低層輻合。上述分析標(biāo)明，低層的強(qiáng)輻合不是由高度場(chǎng)的天氣系統(tǒng)造成的，而是由低空急流引起的中尺度強(qiáng)輻合。懷柔站和石景山站的水汽條件和不穩(wěn)定條件均超過了歷史概率分布的最高值。此外，懷柔站在整個(gè)過程中整層水汽含量的異常值維持在2σ～4σ之間，平均值2.53σ，最大異常值達(dá)到4.3σ，假相當(dāng)位溫的異常值維持在2σ～3.5σ之間，平均值2.5σ，最大異常值達(dá)3.4σ，兩站的最大異常值均與強(qiáng)降雨最強(qiáng)時(shí)段相對(duì)應(yīng)。

通過上述分析可知，高層輻散、低層輻合、水汽和不穩(wěn)定能量的異常及其持續(xù)影響為此次極端降雨創(chuàng)造了極其有利的動(dòng)力、水汽和不穩(wěn)定條件。

4.2 強(qiáng)降雨的中尺度特征

華北地區(qū)夏季的極端降雨通常伴隨高效率的對(duì)流性降雨?！?·16”暴雨發(fā)生在暖區(qū)中，降雨效率高，屬于典型的中尺度對(duì)流性降雨。其中房山區(qū)河北鎮(zhèn)16日1—3時(shí)總降水量為132 mm，最大小時(shí)降水量達(dá)88.6 mm，密云區(qū)西白蓮峪村16日1—5時(shí)總降水量為280 mm，最大小時(shí)降水量達(dá)117 mm。

楊忠林等對(duì)R類極端對(duì)流和H類極端對(duì)流微物理特征的雙偏振雷達(dá)觀測(cè)研究表明[20]，R類極端對(duì)流較H類極端對(duì)流的總體雨滴粒徑更小而濃度更高，導(dǎo)致R類極端對(duì)流的地面降雨更強(qiáng)。同R類極端對(duì)流相比，H類極端對(duì)流的上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)，將更多的水汽和過冷水輸送到0 °C層以上，有利于形成更大的冰相粒子(如霰粒子等)，并通過融化形成大雨滴。極端降雨主要是中等高度的對(duì)流引起的，可以理解為高效低質(zhì)心的對(duì)流系統(tǒng)相比上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)發(fā)展高度更高的對(duì)流系統(tǒng)，通常會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的降雨。本文通過分析雷達(dá)組合反射率和雙偏陣?yán)走_(dá)雨滴譜的演變特征來解釋中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)和組織化過程。

從雷達(dá)發(fā)射率的演變來看，對(duì)流系統(tǒng)的活動(dòng)可分為兩個(gè)主要階段。第一階段為對(duì)流觸發(fā)階段(15日20時(shí)至16日1時(shí)，圖4(a)～(f))。15日20—23時(shí)，保定附近有對(duì)流生成，自西南向東北方向移動(dòng)，16日0時(shí)進(jìn)入房山區(qū)，移速減慢，強(qiáng)度加強(qiáng)，最大回波強(qiáng)度為45 dBZ，房山區(qū)1—2時(shí)出現(xiàn)43.4 mm的降雨。22時(shí)保定市南部有新的對(duì)流系統(tǒng)生成，向東北方向移動(dòng)的過程中快速加強(qiáng)。同時(shí)，16日0時(shí)，懷柔區(qū)也有中尺度對(duì)流系統(tǒng)生成并向東北方向移動(dòng)，1時(shí)移至密云區(qū)后停滯少動(dòng)，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)。第二階段為對(duì)流組織化階段(16日2—4時(shí)，圖4(g)～(i))。保定市南部地區(qū)觸發(fā)并北移的中尺度對(duì)流系統(tǒng)16日1時(shí)進(jìn)入房山區(qū)，2時(shí)與其北部的對(duì)流系統(tǒng)合并，強(qiáng)度和影響范圍均進(jìn)一步增強(qiáng)，過程中最大回波強(qiáng)度為55 dBZ，3時(shí)房山1 h降水量達(dá)88.6 mm。影響密云區(qū)的對(duì)流系統(tǒng)緩慢北移，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，最大回波強(qiáng)度達(dá)55 dBZ，對(duì)流系統(tǒng)的停滯少動(dòng)及加強(qiáng)使得密云區(qū)在2時(shí)和3時(shí)的小時(shí)降水量分別達(dá)67.6 mm和117 mm。房山區(qū)的對(duì)流系統(tǒng)在3—5時(shí)北移至密云，北移過程中強(qiáng)度和范圍基本維持不變，最大回波強(qiáng)度為55 dBZ，4時(shí)和5時(shí)密云區(qū)再次出現(xiàn)小時(shí)降水量分別為63.2 mm和32.2 mm的強(qiáng)降雨。5時(shí)后，上述對(duì)流系統(tǒng)移出北京市，此階段降雨趨于結(jié)束。

圖4 間隔1 h的華北雷達(dá)組合反射率Fig.4 Combined reflectivity of radar in North China with 1 h interval

通過雙偏陣?yán)走_(dá)不同距地面高度組網(wǎng)的降雨粒子相態(tài)識(shí)別拼圖(圖略)可見，16日1時(shí)36分至2時(shí)24分，房山區(qū)和密云區(qū)1 km和3 km組網(wǎng)觀測(cè)中均識(shí)別到大雨相態(tài)，3 km觀測(cè)中大滴范圍明顯增大，5 km高度以上干雪濕雪增加，有部分冰晶，表明此時(shí)段對(duì)流系統(tǒng)降雨效率較高。對(duì)應(yīng)房山區(qū)和密云區(qū)在3時(shí)分別出現(xiàn)88.6 mm和117 mm的小時(shí)降水量。另外，滄州雷達(dá)2時(shí)36分的反射率剖面圖也顯示房山的強(qiáng)回波質(zhì)心高度在6 km左右，屬于比較典型的低質(zhì)心高效率降雨。

分析表明，強(qiáng)中尺度對(duì)流系統(tǒng)活動(dòng)的兩個(gè)階段均伴有明顯的“列車效應(yīng)”，主要表現(xiàn)為保定市附近多個(gè)時(shí)次均有對(duì)流系統(tǒng)生成并向東北方向移動(dòng)，在移動(dòng)過程中發(fā)展加強(qiáng)，或與其下游對(duì)流系統(tǒng)合并再加強(qiáng)。降雨最強(qiáng)階段對(duì)應(yīng)雷達(dá)回波質(zhì)心較低，降雨效率極高，以上均是房山區(qū)和密云區(qū)產(chǎn)生極端小時(shí)降水量的重要原因。

4.3 低空急流對(duì)強(qiáng)降雨的增幅作用

分析顯示850 hPa低空急流在強(qiáng)降雨期間異常偏強(qiáng)。15日20時(shí)至16日2時(shí)，850 hPa低空急流軸左側(cè)和出口處伴有明顯的垂直上升運(yùn)動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)從低層發(fā)展至500 hPa，為強(qiáng)降雨的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力抬升條件。

風(fēng)廓線和多普勒雷達(dá)組網(wǎng)風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)顯示，自15日21時(shí)至16日4時(shí)，1 500 m高度大于12 m/s的強(qiáng)風(fēng)速帶由河北滄州衡水一帶逐漸北傳至北京市，北京市風(fēng)速在15日23時(shí)至16日2時(shí)顯著增強(qiáng)。從南郊站的半小時(shí)平均雷達(dá)風(fēng)廓線觀測(cè)來看，15日14時(shí)開始2 500 m左右西南風(fēng)增強(qiáng)并逐步向低層擴(kuò)展，17時(shí)開始，風(fēng)隨高度增加由東南風(fēng)向西南風(fēng)順轉(zhuǎn)，低層存在暖平流。北京市850 hPa 15日14—20時(shí)的假相當(dāng)位溫和對(duì)流有效位能均顯著增強(qiáng)，表明低層西南風(fēng)的存在將北京市以南地區(qū)的高溫高濕空氣向北京市輸送，有利于北京市不穩(wěn)定大氣層結(jié)的建立。南郊站平均雷達(dá)風(fēng)廓線觀測(cè)顯示(圖5)，15日20時(shí)至16日8時(shí)，低層維持西南風(fēng)且風(fēng)速維持在14～16 m/s，整層可降水量從52 mm增加至60 mm，表明低層西南急流有利于北京市水汽的輸送和增強(qiáng)。

上甸子站的半小時(shí)平均風(fēng)雷達(dá)風(fēng)廓線組網(wǎng)觀測(cè)顯示，16日2—5時(shí)低層西南風(fēng)維持在急流強(qiáng)度，最大達(dá)16 m/s，低空急流在上甸子附近產(chǎn)生輻合抬升，與2—5時(shí)的小時(shí)降水量均超過50 mm相匹配。

上述分析表明，低空急流的維持，一方面在其左側(cè)出口區(qū)保持強(qiáng)的低空輻合，另一方面將暖濕空氣向北京市輸送，使北京市上空大氣迅速建立不穩(wěn)定層結(jié)并保持高溫高濕狀態(tài)，為強(qiáng)降雨的加強(qiáng)和維持創(chuàng)造了有利的環(huán)境條件。

4.4 地面輻合線的作用

北京市的地形對(duì)暴雨的影響表現(xiàn)在迎風(fēng)坡對(duì)氣流有抬升作用，在山谷地區(qū)氣流輻合抬升和氣流遇山阻擋后繞流在山前出現(xiàn)地形切變輻合線，因此山區(qū)暴雨常出現(xiàn)在一定的風(fēng)向條件下[19]。由地面輻合線的演變可見(圖6，圖中風(fēng)向桿為地面風(fēng)場(chǎng)，紅色雙虛線為當(dāng)時(shí)的地面輻合線，填色為地形，紅色區(qū)域?yàn)楸本┦?，15日21時(shí)，在保定市至房山區(qū)，地面沿太行山有偏南風(fēng)和偏北風(fēng)輻合線，在輻合線西側(cè)有對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)，同時(shí)降雨在保定市西部開始產(chǎn)生，至23時(shí)，地面輻合線維持，其右側(cè)東南風(fēng)加強(qiáng)，保定市西部的降雨也得到加強(qiáng)。16日1—4時(shí)，地面輻合線緩慢東移，其右側(cè)東南風(fēng)逐漸加強(qiáng)，南部降雨區(qū)繼續(xù)向東北方向移動(dòng)，1—3時(shí)影響房山區(qū)；密云區(qū)北部有喇叭口地形，降雨1—4時(shí)持續(xù)在密云區(qū)北部產(chǎn)生。密云區(qū)降雨在2—3時(shí)達(dá)到巔峰，地面輻合線東移后，降雨開始減弱，降雨中心在密云北部喇叭口地形處持續(xù)近4 h。

圖6 7月15日夜間地面風(fēng)場(chǎng)及未來1 h降水量(等值線)Fig.6 Ground wind field and precipitation in the next 1 h (mm, contour line) at night on 15 July

在降雨主要時(shí)段，地面輻合線右側(cè)主要為東南風(fēng)，左側(cè)為偏北風(fēng)。地面輻合線維持西南—東北方向，與850 hPa低空急流方向一致，同時(shí)與強(qiáng)降雨對(duì)流云團(tuán)的移動(dòng)方向也一致，利于對(duì)流觸發(fā)之后出現(xiàn)“列車效應(yīng)”，使得多地重復(fù)出現(xiàn)強(qiáng)降雨且短時(shí)雨強(qiáng)較大。

圖7為北京市“7·16”極端暴雨的概念模型。在北京市夏季降雨的預(yù)報(bào)中，在西太平洋副熱帶高壓“588線”外圍高濕高能的環(huán)流形勢(shì)和環(huán)境背景下，需關(guān)注西部和北部山前地面輻合線的位置及其對(duì)對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)作用，同時(shí)關(guān)注西南急流增強(qiáng)后對(duì)降雨的持續(xù)和加強(qiáng)作用；此外，若對(duì)流系統(tǒng)移向與低空急流、地面輻合線一致，則需關(guān)注“列車效應(yīng)”導(dǎo)致的強(qiáng)降雨在同一地區(qū)多次出現(xiàn)從而產(chǎn)生極端降雨的可能性。

圖7 北京市2018年“7·16”極端暴雨概念模型Fig.7 Schematic diagram of extreme rainstorm on 16 July 2018 in Beijing

5 結(jié) 論

a.極端降雨發(fā)生在副熱帶高壓和高空槽之間、地面冷鋒前部暖區(qū)中，低層有明顯西南急流，來自南方的水汽向華北地區(qū)持續(xù)輸送，水汽充沛。

b.暴雨發(fā)生時(shí)，高層輻散、低層輻合、水汽和不穩(wěn)定能量均存在顯著的標(biāo)準(zhǔn)化異常，極端性環(huán)流和溫濕條件及其長(zhǎng)時(shí)間的維持是產(chǎn)生極端降雨的重要原因。

c.與強(qiáng)降雨對(duì)應(yīng)的中尺度對(duì)流系統(tǒng)活動(dòng)的兩個(gè)階段均伴有明顯的“列車效應(yīng)”，且降雨最強(qiáng)階段雷達(dá)回波質(zhì)心較低，降雨效率極高，這是造成房山區(qū)和密云區(qū)累計(jì)降水量較大的重要原因。

d.地面輻合線是對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)的重要因素，低空西南急流使得北京市上空大氣建立熱力和動(dòng)力不穩(wěn)定層結(jié)，并且持續(xù)地向北京市輸送水汽，兩者均是造成此次極端降雨的主要因素。