2017, Vol. 36
2. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081;
3. 中国气象局北京城市气象研究所, 北京 100089
北京地区夏季出现的大风通常与强对流天气密切相关, 即所谓的雷暴大风(Travis et al, 2004; 漆梁波等, 2006; 俞小鼎等, 2006; Fu et al, 2007; 廖晓农等, 2008; 姚叶青等, 2008; 张文龙等, 2011; 孙继松等, 2013; 张文龙等, 2014; 鲍媛媛等, 2015; 万明波等, 2015)。雷暴大风是指由对流活动带来的除龙卷以外的地面灾害性强风, 其产生有三种原因(俞小鼎, 2011; 孙继松, 2014): (1)对流风暴中的下沉气流到达地面产生扩散, 直接造成地面大风, 其成因是由于强烈的下沉运动转化为水平运动的结果——即所谓的下击暴流; (2)对流风暴中的下沉气流由于降水蒸发冷却在到达地面时形成冷空气堆(冷池), 向四面扩散, 冷空气堆与暖湿气流之间形成的阵风锋也是形成雷暴大风的重要因素(王越亚等, 2016; 岳彩军等, 2016); (3)低空暖湿气流在即将进入上升气流区时受到上升气流的抽吸作用而导致地面大风。北京地区雷暴大风大都是由冷池出流或阵风锋造成的(廖晓农等, 2008; 张文龙等, 2011, 2014; 孙继松等, 2013; 吴庆梅等, 2015), 有利于出现雷暴大风的气候特征、环流形势及特征参数, 目前已有较多研究(廖晓农等, 2004, 2009a, 2009b; 梁爱民等, 2006; 秦丽等, 2006)。
2014年7月14日午夜, 在本地没有强对流天气的背景下, 北京出现了持续数小时的6~8级罕见偏南大风, 风力在短时间内迅速增大, 突发性强, 主城区、南部和东北部地区均受到大风天气的影响, 全市有66个自动站出现6~8级偏南大风。这次大风天气给预报带来困难, 前期可捕捉到的预报征兆及其微弱。因此, 结合多种资料对此次天气进行分析, 以期提高北京地区夏季大风天气的预报准确率。
2 所用资料利用NCEP/NCAR再分析资料(Kalnay, 1996; 苏志侠等, 1999)、自动气象站观测数据、多普勒雷达产品及多普勒雷达四维变分分析系统资料对2014年7月14日夜间北京出现的大风天气成因进行分析。
其中, 多普勒雷达四维变分分析系统(Four Dimensional Variational Doppler Radar Analysis System, VDRAS), 采用了四维变分资料同化技术、云尺度数值模式及其伴随模式, 利用单部或多部多普勒雷达观测资料, 反演对流尺度风暴的动力结构和微物理结构, 包括三维风场、温度场、湿度场等(耿建军等, 2012; 孙继松等, 2013; 陈明轩等, 2016)。
3 天气概况北京的地势特征为西面、北面环山, 东南部为平原。受地形影响, 北京盛行山谷风, 即:白天为偏南风, 夜间转为偏北风。2014年7月14日入夜后, 北京大部分地区为1~2级偏北风。23:00(北京时, 下同)开始自南向北在短时间内风力迅速增大, 主城区、南部地区风向也迅速由偏北风转为偏南风, 至15日01:00偏南风已经到达东北部的顺义一带, 02:00之后偏南风势力逐渐减弱(图 1)。
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图 1 2014年7月自动站逐小时极大风(风羽, 单位: m·s-1) 粗黑线为南风边界 Figure 1 The automatic weather station maximum wind (barb, unit: m·s-1) in July 2014. The thick black line is the boundary of southerly wind |
14日20:00北京地区处在500 hPa短波槽前的偏西风控制下[图 2(a)], 15日08:00短波槽过境(图略); 低层700 hPa和850 hPa均受偏南风的影响, 但风速较小, 为4 m·s-1左右, 未达到低空急流的程度[图 2(b), (c)]; 35°N以北地区海平面气压为1 005.0~1 002.5 hPa, 气压差异较小[图 2(d)]。因此, 从大尺度的天气形势来看, 不具备出现低空急流或者地面大风的有利条件。
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图 2 2014年7月14日20:00天气形势(a, b, c, 实线为等高线, 单位: dgpm)和海平面气压场(d, 黑实线为等压线, 单位: hPa) Figure 2 The synoptic situation (a, b, c, black solid line is contour, unit: dgpm) and sea level pressure (d, black solid line is isobar, unit: hPa) at 20:00 on 14 July 2014 |
7月14日傍晚至夜间, 河北的东南部到山东的北部地区出现了强对流天气。石家庄雷达图显示14日20:00在河北东南部至山东北部持续存在大片稳定少动的混合型回波, 其中包含有多个发展旺盛的对流单体, 最大强度为55 dBZ, 回波前沿可达天津南部[图 3(a)]。14日21:00回波的整体强度有所减弱, 但其位置仍呈准静止的状态[图 3(b)]; 至22:00略向北推进, 回波强度继续减弱, 河北保定市以东附近回波强度为55 dBZ[图 3(c)]; 23:00回波强度明显减弱[图 3(d)]。
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图 3 2014年7月14日石家庄雷达的组合反射率(单位: dBZ) Figure 3 The composit reflectivity of Shijiazhuang radar on 14 July 2014.Unit: dBZ |
受对流天气影响, 河北东南部至山东北部在14日20:0023:00出现降水, 降水局地性较强。该地最大雨强为47 mm· h-1, 出现在14日20:00, 受强降水的影响, 河北东南部至山东北部温度快速下降, 20:00的1 h最大降温为4 ℃左右[图 4(a)]; 21:0022:00最大雨强为30 mm·h-1, 仍维持1~2 ℃的降温[图 4(b), (c)]; 23:00降水趋于结束, 相应降温幅度为1 ℃左右[图 4(d)]。温度的快速下降导致本地气压升高, 14日22:00的3 h最大正变压达5 hPa以上(图 5)。
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图 4 2014年7月14日20:0023:00自动站极大风(风羽, 单位: m·s-1)、小时雨量(蓝色阴影区, 单位: mm·h-1)和1 h负变温(红色线, 单位: ℃) Figure 4 The maximum wind of automatic weather station (barb, unit: m·s-1), hourly precipitation (the shaded, unit: mm·h-1) and hourly temperature changes(red line, unit: ℃) from 20:00 to 23:00 on 14 July 2014 |
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图 5 2014年7月14日22:00的3 h变压(等值线, 单位: hPa)和地形海拔(阴影区, 单位: m) Figure 5 The 3-hour pressure change (contour, unit: hPa) and terrain height (the shaded, unit: m) at 22:00 on 14 July 2014 |
利用VDRAS反演的近地面风场与扰动温度场(图 6)表明:在河北东南部至山东北部地区由于短时间内温度骤降、气压骤升, 该地区的北部为弱北风和暖空气, 另外受太行山脉以及泰山地形的阻挡(图 5), 形成向北的冷池出流。冷池出流气流在20:0023:00期间不断向北扩展, 但冷池中心的强度逐渐减弱(图 6)。
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图 6 VDRAS反演的2014年7月14日187.5 m风场(矢量, 单位: m·s-1)和扰动温度(阴影区, 单位: ℃) Figure 6 The retrieved wind (vector, unit: m·s-1) and perturbation temperature (the shaded, unit: ℃) from VDRAS at 187.5 meters on 14 July 2014 |
加密自动站资料显示, 偏南风风力于14日20:00在河北与山东交界处开始加大, 风力达5~6级[图 4(a)]。3 h后偏南风向北推进约300 km, 至14日23:00到达北京南部[图 4(d)]。
4.2 局地降水的入流抽吸作用北京东北部的平谷地区受北上南风和偏东风辐合作用的影响, 低层湿度达60%以上(图 7), 在有利的动力辐合条件、水汽和地形共同影响下, 于14日23:00至15日01:00出现局地降水, 其中明显降水出现在14日23:00至15日00:00, 最大小时雨强为19.2 mm·h-1[图 8(a)], 15日00:0001:00降水减弱[图 8(b)]。
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图 7 VDRAS反演的7月15日00:00 187.5 m风场(风羽, 单位: m·s-1)和相对湿度(阴影区, 单位: %)的分布 Figure 7 The distribution of retrieved wind (barb, unit: m·s-1) and relative humidity (the shaded, unit: %) from VDRAS at 187.5 meters at 00:00 on 15 July 2014 |
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图 8 2014年7月14日23:00至15日01:00逐小时降水分布(单位: mm·h-1) Figure 8 The distribution of hourly rainfall from 23:00 on 14 to 01:00 on 15 July 2014.Unit: mm·h-1 |
俞小鼎(2011)和孙继松(2014)指出低空暖湿空气在快要进入上升气流区时受到上升气流的抽吸作用而加速, 导致地面大风, 但这种大风范围较小, 其方向是指向雷暴区(即降水区)的。
图 9为沿116.4°E的V与W×10合成流场图, 阴影代表上升区。从图 9可以看出, 与14日22:25相比, 随着偏南气流不断向北推进, 北京南部39.4°N39.5°N地区上空的上升气流在23:00明显增强, 最大上升速度中心在2 km附近达0.07 m·s-1, 此时正是平谷局地开始出现强降水的时间。23:30偏南气流和上升气流发展最为强盛; 至15日00:00上升运动明显减弱, 最大中心值减弱为0.04 m·s-1, 与此同时平谷地区的降水也趋于减弱[图 8(b)]。以上分析表明:北京出现偏南大风与平谷地区降水的时段基本一致, 偏南风不仅指向平谷降水区, 并且随着偏南气流的增强, 其上空的上升气流也随之增强。
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图 9 VDRAS反演的沿116.4°E流场合成图(V和W×10合成)和上升速度(阴影区, 单位: m·s-1) Figure 9 The retrieved streamline of cross-section along 116.4°E (V and W×10) and ascending speed (the shaded, unit: m·s-1) from VDRAS |
2014年7月14日午夜, 北京地区突发6~8级的偏南风并持续数小时, 造成此次大风天气的成因是:
(1) 前期(14日20:0023:00)河北东南部—山东北部的局地强降水导致该地温度骤降、气压涌升, 冷空气的出流作用增强; 冷池北部为弱北风和暖空气, 另外受地形阻挡, 出流气流向北推进形成偏南风。
(2) 偏南风与北京东北部平谷地区出现的局地强降水形成正反馈, 偏南风使得平谷地区的辐合作用增强, 有利于降水的发生; 同时伴随着偏南气流的发展, 其上空的上升气流也随之增强, 降水区的入流抽吸作用进一步促进了偏南风的加速。
因此, 北京以南地区较大尺度对流性降水冷池的北向出流与北京局地降水南侧入流的共同作用, 造成了北京2014年7月14日夜间罕见的偏南大风天气。由于出现这类大风需要对流云系在时空、尺度、强度及发展状态等有紧密的配合, 所以虽是罕见的, 但却是合理的。
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2. State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China;
3. Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China