北京“7.21”特大暴雨云降水結(jié)構(gòu)及云雨轉(zhuǎn)化特征

周毓荃,蔣元華,蔡淼

(1.南京信息工程大學(xué),江蘇 南京 210044;2.中國氣象科學(xué)研究院,北京 100081)

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北京“7.21”特大暴雨云降水結(jié)構(gòu)及云雨轉(zhuǎn)化特征

周毓荃1,2,蔣元華1,蔡淼2

(1.南京信息工程大學(xué),江蘇 南京 210044;2.中國氣象科學(xué)研究院,北京 100081)

摘要：利用多普勒雷達(dá)資料、FY-2E靜止衛(wèi)星和MODIS極軌衛(wèi)星反演產(chǎn)品,研究2012年7月21日北京特大暴雨的云降水結(jié)構(gòu)及云雨轉(zhuǎn)化特征。結(jié)果表明:降水過程三階段的云降水垂直結(jié)構(gòu)不同。1)在暖區(qū)對(duì)流降水階段,降水以暖雨機(jī)制啟動(dòng),雨滴在暖區(qū)存在深厚的碰并增長過程,暖雨過程對(duì)降水起主要貢獻(xiàn)。隨著云體的發(fā)展,冷雨過程加劇。T-Re分析表明,-10 ℃層以下云滴凝結(jié)碰并顯著,-10 ℃層以上為深厚的冰相增長帶,云頂以冰相大粒子為主,云水向雨水轉(zhuǎn)化迅速。2)在鋒面對(duì)流降水階段,降水系統(tǒng)為高度組織化的“低質(zhì)心”強(qiáng)降水液態(tài)MCC(Mesoscale Convective Complex)系統(tǒng)?；夭◤?qiáng)度在冰水混合層增長較快,凍結(jié)層是此階段成雨微物理的關(guān)鍵層。降水粒子在暖云區(qū)碰并增長較快,而蒸發(fā)或破碎過程并不顯著。3)在鋒后降水階段,0 ℃層附近冰晶粒子與云水的碰并增長較為明顯。前期降水存在明顯的雨滴蒸發(fā)過程。隨著云體的發(fā)展,暖區(qū)云水含量較少,降水粒子不能有效碰并增長。

關(guān)鍵詞：特大暴雨;云降水結(jié)構(gòu)特征;多普勒雷達(dá);衛(wèi)星反演云參數(shù)

0引言

中尺度暴雨是導(dǎo)致中國洪澇災(zāi)害的主要天氣過程之一,環(huán)流背景、天氣系統(tǒng)和垂直環(huán)流是影響暴雨的重要因素(陶詩言等,1979;陶詩言,1980;丁一匯,1993)。姜學(xué)恭等(2010)將蒙貝低渦導(dǎo)致的環(huán)北京暴雨過程劃分成三種類型,并給出相應(yīng)的天氣學(xué)概念模型。對(duì)流層底層的中尺度低渦是暴雨天氣的直接制造者(吳翠紅和王珊珊,2012;趙宇等,2013),中尺度復(fù)合體是暴雨的直接影響系統(tǒng)(馬紅等,2010)。

2012年7月21日,北京經(jīng)歷了一次罕見的特大暴雨,全市平均降水量達(dá)190.3 mm,房山區(qū)最大降水量達(dá)到460 mm(諶蕓等,2012)。多位學(xué)者對(duì)此次過程進(jìn)行了研究(諶蕓等,2012;俞小鼎,2012;孫建華等,2013),研究多聚焦在暴雨發(fā)生的天氣和動(dòng)力方面,關(guān)于此次暴雨的云降水結(jié)構(gòu)和云雨轉(zhuǎn)化特征尚未見系統(tǒng)闡述。云降水垂直結(jié)構(gòu)能一定程度上反映降水云團(tuán)的熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu),以及云團(tuán)中降水的微物理特征(Szoke et al.,1986;Hobbs,1989;Zipser and Lutz,1994)。高分辨率的雷達(dá)資料是研究云降水結(jié)構(gòu)的重要手段。多位學(xué)者利用雷達(dá)資料分析了暴雨的回波結(jié)構(gòu)及降水特征(杜秉玉等,1999;陳明軒等,2006)。一些研究表明,降水回波隨高度向地表的增加(或減小)能反映降水粒子經(jīng)歷的增長(或蒸發(fā))微物理過程(Hobbs,1989;傅云飛等,2003)。此外,TITAN(Thunderstorm Identification,Tracking,Analysis and Nowcasting)系統(tǒng)(Dixon and Wiener,1993)采用加權(quán)線性外推的方法對(duì)雷暴進(jìn)行追蹤分析,便于分析回波的結(jié)構(gòu)特征。

隨著衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展,衛(wèi)星資料在研究云結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮了重要作用。Rosenfeld and Lensky(1998)提出了利用衛(wèi)星資料反演云物理參數(shù)、結(jié)合云頂溫度與云頂粒子有效半徑關(guān)系分析云微物理特征的方法,并據(jù)此分析了對(duì)流云的垂直結(jié)構(gòu)和云降水的物理過程(Lensky and Rosenfeld,2003a,2003b;戴進(jìn)等,2010)。周毓荃等(2008)基于FY-2C/D衛(wèi)星資料研發(fā)了近10種云物理特性參量。蔡淼和周毓荃(2010)、蔡淼等(2011)提出云參數(shù)的演變優(yōu)先于地面降水,即云的發(fā)展先于降水。

本文利用多普勒雷達(dá)資料、衛(wèi)星資料反演云物理參數(shù)、極軌衛(wèi)星反演及云微物理分析方法,分析本次暴雨降水云系結(jié)構(gòu)和云雨轉(zhuǎn)化特征。

1天氣背景和降水實(shí)況

“7.21”暴雨是在西太平洋副高、貝蒙低渦低槽、“韋森特”臺(tái)風(fēng)、西南季風(fēng)以及低層低渦等不同尺度系統(tǒng)之間的有利配置作用下造成的。從7月21日10時(shí)—22日03時(shí)(北京時(shí)間,下同)降水時(shí)段的總雨量分布(圖1)來看,雨帶呈梯度明顯的西南—東北向分布,全市平均雨量170 mm,城區(qū)平均雨量達(dá)到215 mm,暴雨中心的房山區(qū)降水達(dá)到350 mm以上。

圖1　2012年7月21日10時(shí)—22日03時(shí)總雨量分布(單位:mm)Fig.1　Distribution of accumulated precipitation from 10:00 BST 21 to 03:00 BST 22 July 2012(units:mm)

根據(jù)多位學(xué)者的研究(諶蕓等,2012;俞小鼎,2012)以及冷鋒系統(tǒng)的移動(dòng),將北京特大暴雨過程劃分為三階段:暖區(qū)對(duì)流降水階段(21日10—16時(shí));鋒面對(duì)流降水階段(21日17—21時(shí));21日22時(shí)之后為鋒后降水階段。圖2為2012年7月21日10時(shí)—22日03時(shí)逐小時(shí)降水量和冷鋒位置分布圖。

圖2　2012年7月21日10時(shí)—22日03時(shí)逐小時(shí)雨量演變(暖區(qū)對(duì)流階段:10—16時(shí);鋒面線狀對(duì)流階段:17—21時(shí);鋒后降水階段:22時(shí)之后為鋒后降水;白色曲線表示鋒面位置;單位:mm/h)Fig.2　Evolution of hourly rainfall observed around Beijing from 10:00 BST 21 to 03:00 BST 22 July 2012(the warm area convective stage:from 10:00 BST to16:00 BST;the front liner convective stage:17:00 BST to 21:00 BST;the behind front precipitation stage:after 22:00 BST;white curves stand for front systems;units:mm/h)

21日10—16時(shí),北京地區(qū)主要降水位于鋒面東側(cè),以暖區(qū)對(duì)流降水為主,鋒面降水較弱。21日10時(shí),雨團(tuán)進(jìn)入北京西南地區(qū),并向東北向發(fā)展移動(dòng),雨強(qiáng)和降水范圍增加。15時(shí),西南地區(qū)有新雨團(tuán)移入,雨帶呈西南—東北向。16時(shí),形成一條雨強(qiáng)大于30 mm/h的強(qiáng)降水帶。

21日17—21時(shí),冷鋒移入北京,北京地區(qū)以鋒面強(qiáng)降水為主。17時(shí)雨帶中,雨帶西南部的雨核雨強(qiáng)達(dá)到70 mm/h以上,雨核強(qiáng)度和范圍逐漸增加,但移動(dòng)緩慢,維持在西南地區(qū)。至21時(shí),形成一條雨強(qiáng)大于50 mm/h的強(qiáng)降水帶。

21日22時(shí)之后,強(qiáng)降水帶隨冷鋒移出北京。同時(shí)鋒后西側(cè)出現(xiàn)降水強(qiáng)度較弱的雨帶,并于22日00時(shí)移入北京,雨核雨強(qiáng)大于10 mm/h,22日03時(shí)北京降水基本結(jié)束。

從圖2逐小時(shí)雨量演變來看,三個(gè)降水階段的明顯降水過程基本發(fā)生在北京地區(qū),造成北京暴雨,強(qiáng)降水雨核基本是依次由北京西南地區(qū)進(jìn)入,后期維持少動(dòng),造成房山區(qū)雨強(qiáng)大,降水持續(xù)時(shí)間長,成為暴雨中心。

2云降水結(jié)構(gòu)特征分析

2.1　暖區(qū)對(duì)流云結(jié)構(gòu)特征

利用TITAN系統(tǒng)對(duì)回波進(jìn)行追蹤,發(fā)現(xiàn)河北境內(nèi)不斷有新生云體沿地面中尺度輻合線向東北傳播、發(fā)展形成“列車效應(yīng)”(俞小鼎,2012)。此階段處于衛(wèi)星反演光學(xué)厚度的最優(yōu)時(shí)段,同時(shí)MODIS極軌衛(wèi)星在21日13:30經(jīng)過北京上空,可以同時(shí)結(jié)合雷達(dá)、衛(wèi)星對(duì)云降水結(jié)構(gòu)和云雨轉(zhuǎn)化特征進(jìn)行分析。

2.1.1降水云系水平演變特征

利用石家莊和北京雷達(dá)拼圖(圖3)發(fā)現(xiàn),21日06:11,北京雷達(dá)站西西南100 km處有多個(gè)尺度較小,發(fā)展迅速的新生對(duì)流單體群1,在向東北移動(dòng)過程中合并成強(qiáng)回波團(tuán)a。10時(shí),強(qiáng)回波團(tuán)a進(jìn)入北京,沿其路徑上造成局地強(qiáng)降水。11時(shí)左右,在強(qiáng)回波團(tuán)a的右后側(cè),不斷出現(xiàn)新生發(fā)展的對(duì)流單體,并逐漸發(fā)展成一條線狀對(duì)流單體群2,向主體回波區(qū)靠近合并。12:30,兩者彌合形成一條西北—東南向的強(qiáng)降水回波帶。同時(shí)在強(qiáng)回波團(tuán)a后有多個(gè)中等強(qiáng)度回波發(fā)展彌合成一條回波帶,此回波帶逐漸追上前方回波群,形成大范圍強(qiáng)降水回波區(qū),為北京地區(qū)第一次大范圍強(qiáng)降水回波。

圖3　2012年7月21日06—16時(shí)石家莊和北京站雷達(dá)組合反射率拼圖(白色曲線表示鋒面位置)Fig.3　Composite reflectivity of Shijiazhuang and Beijing radars from 06:00 BST to 16:00 BST 21 July 2012(white curves stand for front systems)

21日09時(shí),石家莊雷達(dá)站西南90 km有弱回波團(tuán)3發(fā)展。10時(shí),在石家莊雷達(dá)站偏南120 km處,不斷出現(xiàn)新生對(duì)流回波,形成東南—西北走向的帶狀回波4,隨偏南主導(dǎo)氣流向東北北移動(dòng)過程中發(fā)展合并。15時(shí),不斷發(fā)展的回波團(tuán)3與線狀對(duì)流回波群4彌合,形成大范圍強(qiáng)回波團(tuán)b,并開始進(jìn)入房山地區(qū),為北京的二次強(qiáng)降水回波。16時(shí),強(qiáng)回波團(tuán)a和b逐漸彌合,形成西南—東北向的強(qiáng)回波帶?；夭ň徛驏|北移動(dòng)過程中,回波帶尾部不斷有新生回波向主體回波靠近,造成回波整體形態(tài)基本處于靜止?fàn)顟B(tài)。

從21日10—16時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)來看(圖略),由于太行山地形強(qiáng)迫作用,山前維持一條由平原東南風(fēng)和山區(qū)偏北風(fēng)形成的中尺度輻合線?；夭ㄔ谥谐叨容椇暇€附近不斷初生,進(jìn)入中尺度輻合帶后迅速發(fā)展增強(qiáng),并依次向東北移動(dòng),形成“列車效應(yīng)”。由于輻合線的存在,非常有利于邊界層暖濕空氣輻合抬升,這是暖區(qū)產(chǎn)生深對(duì)流的重要原因。

2012年7月21日11—16時(shí),利用FY-2E衛(wèi)星資料和反演光學(xué)厚度(周毓荃等,2008)、雷達(dá)回波和地面降水進(jìn)一步分析云物理特征,其中整點(diǎn)降水量表示該時(shí)刻前1 h累積降水,例如12:00的降水量表示11:00—12:00的累積降水量。圖4顯示11時(shí)北京和河北境內(nèi),存在不斷發(fā)展的對(duì)流云體,出現(xiàn)大面積云頂黑體亮溫Tbb<-50 ℃的低值區(qū)。隨著對(duì)流云體發(fā)展,光學(xué)厚度相應(yīng)增加。14時(shí),強(qiáng)回波帶移入北京西南地區(qū),強(qiáng)回波團(tuán)有合并的趨勢(shì),Tbb<-60 ℃,光學(xué)厚度顯著增加,說明云體內(nèi)含有多個(gè)零散的高值液水云團(tuán),與強(qiáng)回波的位置基本一致。15時(shí),兩個(gè)強(qiáng)回波帶彌合形成西南—東北走向的強(qiáng)回波帶,形成一條液水豐富的云帶。

圖4　2012年7月21日11—16時(shí)(a)Tbb、(b)光學(xué)厚度、(c)組合反射率以及(d)12—17時(shí)地面降水量的演變Fig.4　Evolutions of Tbb(a),optical thickness(b) and composite reflectivity(c) from 11:00 BST to 16:00 BST,and precipitation(d) from 12:00 BST to 17:00 BST 21 July 2012

從圖4中可見,Tbb的強(qiáng)度能一定程度上表征云體的發(fā)展強(qiáng)弱,但是與強(qiáng)降水落區(qū)的匹配關(guān)系一般。而光學(xué)厚度能很好地表現(xiàn)云體內(nèi)部含有多個(gè)液水含量豐富的對(duì)流云體,云中液水分布不均勻。光學(xué)厚度高值區(qū)與強(qiáng)回波區(qū)和強(qiáng)降水區(qū)的時(shí)空有很好的一致性,三者呈正相關(guān),時(shí)間上基本無滯后,說明云水向雨水的轉(zhuǎn)化迅速。結(jié)合光學(xué)厚度有助于了解云內(nèi)液水含量的分布狀況,對(duì)判斷降水強(qiáng)度和落區(qū)有很好的指示意義。

2.1.2降水垂直結(jié)構(gòu)和云雨轉(zhuǎn)化特征

為揭示云降水結(jié)構(gòu)和云雨轉(zhuǎn)化特征,結(jié)合回波的垂直剖面、垂直廓線和衛(wèi)星反演云微物理參數(shù)分析云垂直結(jié)構(gòu)的方法來討論。

初始回波對(duì)了解云降水機(jī)制和云雨轉(zhuǎn)化特征具有重要意義,故針對(duì)影響北京降水的初始回波進(jìn)行了觀測(cè),由于這些回波特征十分相似,所以對(duì)25塊產(chǎn)生降水的初始回波的頂高(0 dBz)、中心高度、中心強(qiáng)度、回波頂升速進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表1)。

表1初期降水回波特征的統(tǒng)計(jì)平均值

Table 1Characteristic statistics of initial precipitation echo

個(gè)數(shù)/個(gè)0℃層高度/km回波頂高/km回波中心高度/km回波中心強(qiáng)度/dBz回波頂升速/(m·s-1)255.14.82.5312.1

從表1可見,初始回波是在暖區(qū)形成,降水以暖云降水啟動(dòng)?；夭敻咻^低,升速較慢,回波中心很低,比一般的對(duì)流云形成暖雨的初始回波高度偏低(胡志晉,1979),同時(shí)這些初始回波基本出現(xiàn)在地形中尺度輻合線附近,很可能是由于地形抬升和擾動(dòng)形成的云體。云底溫度基本大于20 ℃,回波在暖云區(qū)增長明顯,回波極值出現(xiàn)在暖區(qū),強(qiáng)度達(dá)到30 dBz以上,說明低層較暖的云具有豐沛的液水,降水粒子在暖云區(qū)的凝結(jié)—碰并過程顯著,暖雨過程在此時(shí)段具有重要作用。

選取第一次影響北京降水的對(duì)流云團(tuán)重點(diǎn)分析,圖5為目標(biāo)云體的水平演變和垂直剖面,圖6為回波垂直廓線。08時(shí)探空顯示,0 ℃層高度約為5.1 km,14時(shí)約為5.4 km,。

圖5　2012年7月21日對(duì)流性回波的組合反射率(a)及其垂直剖面(b)的發(fā)展演變Fig.5　Development and evolution of (a)composite reflectivity and its (b)vertical section for the developed convective echo on 21 July 2012

圖6　2012年7月21日07—16時(shí)對(duì)流云體回波強(qiáng)度的垂直廓線Fig.6　Vertical profiles of echo intensity of convective cloud from 07:00 BST to 16:00 BST 21 July 2012

21日06:12,目標(biāo)云體的主體回波位于暖區(qū),回波質(zhì)心位于3 km,強(qiáng)度達(dá)到38 dBz。06:24—07:00,回波中心強(qiáng)度迅速增長至50 dBz,回波頂高逐漸抬升至8 km左右,冷雨過程開始發(fā)展,但是強(qiáng)回波主體基本位于暖區(qū),回波在暖區(qū)增長較快,暖雨過程占主導(dǎo)。07:18,云體并合增長,從回波頂?shù)? ℃層,回波強(qiáng)度由0 dBz迅速增長至40 dBz,梯度達(dá)到8 dBz/km,說明雨滴在凍結(jié)層下落過程中經(jīng)歷了明顯的碰并增長過程,冷雨過程加劇;回波梯度最大值出現(xiàn)在0 ℃層至2.5 km高度處,說明雨滴下落到暖云區(qū)經(jīng)歷了更為深厚有效地碰并增長過程。08—14時(shí),雨強(qiáng)很大,冷區(qū)回波梯度較大,0 ℃層上方2 km區(qū)域,回波梯度較高,此層為冰晶過冷水混合層,雨滴增長較快。暖區(qū)回波依然有明顯的增長,主體回波位于暖區(qū),說明雨滴下落至暖區(qū)經(jīng)歷了深厚有效地碰并增長過程,此階段冷雨和暖雨過程共同起到了重要作用。15—16時(shí),云體處于減弱階段,回波頂較為平緩,回波在暖區(qū)依然維持增長至極大值50 dBz,2 km以下回波逐漸遞減,可能雨滴在下降過程中有蒸發(fā)或大雨滴發(fā)生破碎。

2.1.3云微物理特征分析

21日13:30NOAA極軌衛(wèi)星過境,利用NOAA衛(wèi)星反演云粒子有效半徑和云頂溫度(Rosenfeld and Lensky,1998),對(duì)云微物理特征進(jìn)行了分析。

圖7a為MODIS衛(wèi)星多光譜圖像,區(qū)域2為北京地區(qū),圖像主體為紅色,云頂溫度基本低于-40 ℃(冰化高度上限),Re基本達(dá)到閾值40 μm(圖7c),云系表現(xiàn)為深厚的降水云,云頂粒子為大冰相粒子。區(qū)域1包含了多個(gè)不同發(fā)展高度的對(duì)流云體,能較好地體現(xiàn)各態(tài)歷經(jīng)的假設(shè)(Rosenfeld and Lensky,1998),選其為T-Re分析代表云區(qū)。圖7b中不同顏色的曲線分別表示不同比例樣本的Re隨溫度的變化曲線,以第50%(深綠色)的T-Re曲線代表云的整體情況。

由圖7b可見,云底10～-10 ℃區(qū)間,為凝結(jié)碰并增長帶,Re值由4 μm迅速增長至14 μm,云滴有效半徑達(dá)到14 μm降水閾值。-dRe/dT值較大,說明水汽和液水條件充足,凝結(jié)—碰并作用較強(qiáng)。-20～-10 ℃為混合相增長帶,Re快速增長,由14 μm增長至閾值40 μm,說明冰水轉(zhuǎn)化過程非?？?碰并作用顯著。-20 ℃以上為冰化過程,云滴粒子半徑達(dá)到最大閾值40 μm,基本為冰相粒子,維持一個(gè)深厚的冰化增長帶,高空大粒徑的冰相粒子的下落,有利于降水的增強(qiáng)。

圖7　2012年7月21日13:30的MODIS衛(wèi)星GRB合成圖(a;白色方框?yàn)門-Re圖所選的云區(qū))和對(duì)應(yīng)的T-Re圖(b,c;不同顏色的曲線表示不同比例樣本的Re隨T的變化)Fig.7　 (a)RGB composite images of MODIS(the white panes stand for the cloud areas used for the T-Reimages) and (b,c)corresponding T-Reimages for cloud(the curves with different colors stand for variations of Rewith temperature for the corresponding samples with different proportion) at 13:00 BST 21 July 2012

因此,云體在-10 ℃以上存在一個(gè)深厚的冰相增長帶,云頂基本以冰相的大粒子為主,冰相過程為優(yōu)勢(shì)的云物理過程。在-10 ℃以下,云滴的凝結(jié)碰并作用顯著,云滴增長較快。這種云滴增長的垂直結(jié)構(gòu)與前文利用雷達(dá)回波垂直廓線得出的結(jié)論較一致,回波在暖區(qū)和冰水混合區(qū)有明顯的增長,說明暖區(qū)和過冷層的液水充沛,有利于降水粒子的碰并增長,同時(shí)也符合云滴在-10 ℃以下存在深厚的凝結(jié)碰并增長帶。

2.2　鋒面對(duì)流云結(jié)構(gòu)特征

21日17—21時(shí),為鋒面線狀對(duì)流階段,北京以雨強(qiáng)大的高度組織化線狀對(duì)流云降水為主。結(jié)合FY-2E衛(wèi)星和雷達(dá)資料對(duì)云系特征和回波結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行分析。

2.2.1云場(chǎng)Tbb特征

從Tbb特征演變來看(圖8),17時(shí)開始,Tbb≤-52 ℃的冷云蓋面積迅速增長,呈西西南—東東北走向。19時(shí),逐漸形成一個(gè)橢圓狀的Tbb≤-52 ℃的冷云蓋,隨后冷云蓋面積迅速增加。20時(shí),Tbb≤-52 ℃的內(nèi)部冷云罩面積超過5×104km2,形成明顯的橢圓形冷云區(qū),偏心率大于0.7,成為典型的MCC(Mesoscale Convective Complex)系統(tǒng),內(nèi)部出現(xiàn)對(duì)沖對(duì)流云頂,最大降水強(qiáng)度出現(xiàn)在此階段。在此階段,對(duì)流云團(tuán)的Tbb<-52 ℃的云砧出現(xiàn)顯著擴(kuò)張,根據(jù)流體水平散度的定義計(jì)算的云團(tuán)單位面積膨脹速度,在20時(shí)達(dá)到1.84×10-4s-1,達(dá)到中尺度散度的量級(jí)。根據(jù)云蓋面積膨脹速度、云頂亮溫與垂直運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系,說明云團(tuán)內(nèi)部形成有序的上升運(yùn)動(dòng),同時(shí)在19—22時(shí),出現(xiàn)明顯的上沖云頂,位置與線狀對(duì)流群的位置匹配。22時(shí)之后,冷云區(qū)面積持續(xù)增加,但移速加快,雨帶迅速移出北京地區(qū)。

圖8　2012年7月21日19—22時(shí)北京地區(qū)FY-2E衛(wèi)星的Tbb演變Fig.8　Evolution of Tbbbased on FY-2E satellite over Beijing region from 19:00 BST to 22:00 BST 21 July 2012

MCC發(fā)展階段,最強(qiáng)位置移動(dòng)緩慢,基本位于北京偏南地區(qū),云蓋向東北方向顯著擴(kuò)展。云團(tuán)西南部Tbb等值線較為密集,同時(shí)也是對(duì)流云體發(fā)展最為旺盛,降水強(qiáng)度最大的區(qū)域;東北向云體邊緣的Tbb等值線較稀疏,對(duì)流云體處于消亡階段。

2.2.2回波結(jié)構(gòu)特征

結(jié)合回波水平分布和垂直剖面以及徑向速度的演變來看(圖9),鋒面對(duì)流回波帶主要由線狀對(duì)流云體構(gòu)成,回波強(qiáng)度大,移動(dòng)緩慢,且移向與回波走向一致,造成局地累積降水時(shí)間長。21日17時(shí),回波帶由多個(gè)強(qiáng)回波團(tuán)組成,并逐漸對(duì)流組織化,19時(shí),演變成直線形對(duì)流強(qiáng)回波帶,回波帶向東東北移動(dòng)。20—21時(shí),回波帶中前段向東偏南加速移動(dòng),南端回波帶的尾部不斷出現(xiàn)多個(gè)新生對(duì)流單體,向主體回波移動(dòng)、發(fā)展,導(dǎo)致南段回波帶的回波強(qiáng)度和形態(tài)基本維持,移速較緩,逐漸演變成“弓形”回波結(jié)構(gòu)。21時(shí)之后,強(qiáng)回波帶基本移出北京,北京強(qiáng)降水結(jié)束。1 km高度的徑向速度場(chǎng)顯示,17—20時(shí),低空存在徑向風(fēng)速超過20 m/s的偏南急流,對(duì)后期暴雨的水汽輸送起著重要作用。同時(shí)偏南低空急流與強(qiáng)回波帶的夾角較大,容易形成抬升氣流。在強(qiáng)回波帶的西南段,在負(fù)速度區(qū)出現(xiàn)帶狀的正速度逆風(fēng)區(qū),可能是由于強(qiáng)降水造成的西北向冷出流,同時(shí)與平原地區(qū)偏南急流形成中尺度輻合帶,形成強(qiáng)烈的輻合抬升,維持云體的發(fā)展。中高層風(fēng)向轉(zhuǎn)為西南氣流,由于強(qiáng)回波帶的走向與主導(dǎo)西南氣流夾角很小,導(dǎo)致回波帶整體移速較小。21時(shí)之后,低空急流南撤,強(qiáng)回波帶迅速東移。

圖9　2012年7月21日17—21時(shí)北京地區(qū)組合反射率(a)、回波剖面(b)和1 km高度徑向速度(c)的分布Fig.9　Distributions of (a)composite reflectivity,(b)cross sectron of echo and (c)radial velocity at 1 km altitude in Beijing region from 17:00 BST to 21:00 BST 21 July 2012

圖10為剖線處回波垂直廓線,0 ℃層高度約為5.5 km。21日17—21時(shí),回波頂高達(dá)到14 km,冷層厚度超過9 km,回波頂高到0 ℃層,回波增長至40 dBz,說明冷云深厚且含水量充沛,降水粒子在冷層中增長較快,含有大量的冰晶、雪、霰等固態(tài)大降水粒子,冷雨過程顯著。5.5 km(0 ℃層)至4.5 km處,回波強(qiáng)度略有增長,可能是由于冷云區(qū)固態(tài)降水粒子下落至暖云區(qū),融化碰并過程造成的。4.5 km以下,回波基本維持不變,說明暖區(qū)云水含量減弱,降水粒子不能明顯碰并增長。此階段在0 ℃層以下,基本表現(xiàn)為雨滴的碰并增長過程,而雨滴的破碎或蒸發(fā)過程并不明顯,也是此階段雨強(qiáng)大的原因。

圖10　2012年7月21日17—21時(shí)對(duì)流云體回波強(qiáng)度的垂直廓線Fig.10　Vertical profile of echo intensity of convective cloud from 17:00 BST to 21:00 BST 21 July 2012

2.3　鋒后云系結(jié)構(gòu)特征

21日21時(shí)之后,鋒后西北風(fēng)速加大,強(qiáng)回波帶加速移出北京地區(qū)。圖11給出了鋒后和鋒上兩條云系的組合反射率及垂直剖面。22時(shí),在冷鋒后有一發(fā)展的帶狀回波逐漸東移,于22日00時(shí)形成一條回波強(qiáng)度40 dBz的回波帶,進(jìn)入北京并向東北移動(dòng)。22日02時(shí),回波帶逐漸消亡,北京降水基本結(jié)束。

圖12表示鋒后云系回波強(qiáng)度垂直廓線,剖面位置見圖11。結(jié)合圖11、12可見,21日22時(shí),鋒后云系回波中心出現(xiàn)在0 ℃層附近,相對(duì)于前兩階段明顯升高。隨著云體發(fā)展,21日23時(shí)—22日01時(shí),回波強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),強(qiáng)回波區(qū)逐漸由0 ℃層附近向上下擴(kuò)展延伸,回波頂高達(dá)到11 km以上。22日02時(shí),回波強(qiáng)度明顯減弱,回波頂高下降,說明對(duì)流云體處于消散階段。

圖11　2012年7月21日22時(shí)—22日02時(shí)北京地區(qū)組合反射率(a)和回波剖面(b)分布Fig.11　Distributions of (a)composite reflectivity and (b)cross section of echo in Beijing region from 22:00 BST 21 to 02:00 BST 22 July 2012

圖12　2012年7月21日22時(shí)—22日02時(shí)對(duì)流云體回波強(qiáng)度的垂直廓線Fig.12　Vertical profile of echo intensity of convective cloud from 22:00 BST 21 to 02:00 BST 22 July 2012

鋒后降水回波結(jié)構(gòu)相對(duì)于鋒面云系有明顯的不同,鋒面云系對(duì)流旺盛,回波頂較高,回波主體位于0 ℃層以下。鋒后云系初期回波主體基本位于0 ℃層附近,回波強(qiáng)度在0 ℃層附近增長較快,說明在此處冰晶粒子與云水的碰并作用較為顯著,降水粒子出現(xiàn)明顯增長。降水粒子下落到暖區(qū),回波基本維持不變,說明暖區(qū)云水含量較少,降水粒子不能有效碰并增長。

3結(jié)論

綜合利用多普勒雷達(dá)資料、FY-2E靜止衛(wèi)星反演云參數(shù)、MODIS極軌衛(wèi)星反演產(chǎn)品,對(duì)北京2012年7月21日特大暴雨三階段的云降水結(jié)構(gòu)及云雨轉(zhuǎn)化特征進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

1)暖區(qū)對(duì)流降水階段(21日10—16時(shí)),初始回波和回波主體位于暖云區(qū),降水以暖雨降水機(jī)制啟動(dòng),暖雨過程起主要貢獻(xiàn)。回波廓線表明,雨滴在暖區(qū)存在深厚有效的碰并增長過程。隨著云體的發(fā)展,凍結(jié)層以上降水粒子凝結(jié)碰并加強(qiáng),冷雨過程加劇。T-Re分析表明云底至-10 ℃高度,云滴的凝結(jié)碰并作用顯著,云滴增長較快。-10 ℃層以上為深厚的冰相增長帶,云頂以冰相大粒子為主。光學(xué)厚度與回波強(qiáng)度和降水強(qiáng)度呈正相關(guān),利用光學(xué)厚度能很好地判定地面降水強(qiáng)度和落區(qū)。云水向雨水轉(zhuǎn)化迅速。

2)鋒面線狀對(duì)流階段(21日17—21時(shí)),云系發(fā)展為高度組織化的“低質(zhì)心”液態(tài)MCC系統(tǒng),地面降水強(qiáng)度很大?；夭◤?qiáng)度在冰水混合層增長明顯,說明降水粒子在凍結(jié)層有明顯增長。從0 ℃層至下方1.5 km區(qū)間,回波增長至極大值,往下回波強(qiáng)度基本維持,反映了降水粒子下落至暖云區(qū)存在碰并增長過程,而雨滴的蒸發(fā)或破碎過程并不顯著。

3)鋒后降水階段(21日22時(shí)之后),初期回波主體基本位于0 ℃層附近,回波強(qiáng)度在0 ℃層附近增長較快,說明在此處冰晶粒子與云水的碰并作用較為顯。降水回波廓線表現(xiàn)前期降水粒子下落,存在明顯的雨滴蒸發(fā)過程。隨著云體發(fā)展,降水粒子下落到暖區(qū),回波基本維持不變,說明暖區(qū)云水含量較少,降水粒子不能有效碰并增長。

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(責(zé)任編輯：孫寧)

Characteristics and transformation of cloud and precipitation of the extreme torrential rain in Beijing on 21 July 2012

ZHOU Yu-quan1,2,JIANG Yuan-hua1,CAI Miao2

(1.Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China; 2.China Academy of Meteorological Sciences,Beijing 100081,China)

Abstract:Using the data of Doppler radar and the cloud paramters products retrieved from FY-2E geostationary satellite data and MODIS Polar-orbiting satellite data,this paper analyzes the structure and transformation of cloud and precipitation in the extreme torrential rain process in Beijing on 21 July 2012.It shows that three stages of the precipitation process have different vertical structures of cloud and precipitation.1)In the warm area convective precipitation stage,the precipitation starts with the warm rain process.The rain drops grow quickly with significant coagulation in the warm cloud area,and the warm rain process is important for precipitation.With the development of cloud,the cold rain process is intensified.T-Re analysis shows that cloud droplets grow quickly below -10 ℃ level with significant condensation-coagulation.There is a deep zone of mixed phase above -10 ℃ level,with the top of cloud dominated by ice particles,and cloud water converts to rainfall quickly.2)In the front convective precipitation stage,the liquid MCC(Mesoscale Convective Complex) system with highly organization and low centroid is the main precipitation system with high rainfall intensity.The echo intensity increases quickly at ice-water mixed layer,and the freezing layer is the key area of rain microphysical process.The rain drops grow quickly with significant coagulation in the warm cloud area,but the broken or evaporation is not obvious.3)In the backward front precipitation stage,the ice particles increase quickly at near 0 ℃ level by coagulating cloud water.There is obvious evaporation in the early precipitation process.With the development of cloud,cloud water is less in the warm cloud area,and the rain drops can not grow without effective coagulation.

Key words:extreme torrential rain;characteristics of cloud and precipitation;Doppler radar;cloud parameters retrieved from satellite data

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141201001

文章編號(hào)：1674-7097(2015)03-0321-12

中圖分類號(hào)：P458.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：周毓荃,博士,正研級(jí)高工,研究方向?yàn)樵平邓锢?、人工影響天氣和遙感反演,zhouyq05@163.com.

基金項(xiàng)目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA120902)

收稿日期：2014-12-01；改回日期：2015-03-31

周毓荃,蔣元華,蔡淼.2015.北京“7.21”特大暴雨云降水結(jié)構(gòu)及云雨轉(zhuǎn)化特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),38(3):321-332.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141201001.

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