北京721特大暴雨极端性分析及思考（一）观测分析及思考

本文利用多种常规和非常规观测资料对北京2012年7月21日大暴雨过程的降水特点,引发特大暴雨的中尺度对流系统的环境场条件及其发生发展过程进行了全面的分析。观测分析发现：这次特大暴雨是一次极端性降水过程,具有持续时间长、雨量大、范围广的特点。降水过程由暖区降水和锋面降水组成。暖区降水开始时间早,强降水中心较为分散,持续时间长。锋面降水阶段,多个强降水中心相连,形成雨带,雨强大,降水效率高,持续时间较短。引发此次特大暴雨的中尺度对流系统的环境场条件分析发现：极端降水过程发生在高层辐散、中低层低涡切变和地面辐合线等高低空系统耦合的背景下。来源于热带和副热带的暖湿空气在暴雨区辐合,持续输送充沛的水汽,具有极高的整层可降水量、强低层水汽辐合等极端水汽条件。在充沛的水汽条件下,低涡切变、低空急流上的风速脉动、地面辐合线、地形作用等触发了强降水。随着锋面系统东移,在冷空气和适度的垂直风切变作用下对流系统组织化发展,产生较强的锋面降水。中尺度对流系统发生发展过程分析发现：降水过程首先以层状云降水和分散的对流性降水为主。随着干冷空气的侵入逐渐转化为高度组织化的对流性降水,多个中小尺度对流云团组织化发展并形成MCC,产生极端强降水。由于回波长轴方向、地形以及回波移动方向三者平行,此次过程的雷达回波具有明显的“列车效应”;并具有明显的后向传播特征和低质心的热带降水回波特点。通过此次罕见暴雨事件观测资料的综合分析,提出了需要进一步研究的问题：此次特大暴雨过程极端性降水特点及极端水汽条件的成因;北方地区暖区暴雨的形成机制;列车效应和后向传播的形成机制;对流单体的组织维持机制以及数值预报对暖区降水的模拟诊断能力等。     

2012年7月21日北京特大暴雨成因分析

2012年7月21日10时至22日02时,北京经历了自1963年8月8—9日极端降水事件以来最强的一次降水过程,导致人民生命和财产重大损失。文章对此次极端降水过程进行了详细分析和探讨,主要结论是:(1)高空低槽伴随地面冷锋东移,在华北遇到副热带高压和山西地形阻挡移动缓慢;另外2012年第8号台风韦森特登陆前,台风低压和副热带高压之间形成强气压梯度,导致通向华北地区的东南风/南风低空急流建立并加强,为华北地区输送了充分的水汽,为北京特大暴雨的发生提供了极为关键的条件。(2)导致北京极端暴雨的中尺度对流系统MCS起源于河套地区低层涡旋的发展。河套地区在7月20日20时左右类似热带气旋形态的α中尺度涡旋的形成有可能与涡旋自组织机制有关,而上述MCS系统是20日20时河套地区类似热带气旋形态的α中尺度涡旋的主要降水部分,该MCS系统从形成到消散历经44小时,其超长的生命史的主要原因包括:(a)其始终具有的明显的正垂直螺旋度(由正的垂直涡度和垂直上升气流组合而成)阻止了其动能向较小尺度串级输送;(b)低层暖湿平流、对流云团云顶辐射降温、下游地区正的对流有效位能这些使对流维持和加强的因素强过由对流垂直混合和非绝热加热等导致的对流消散的因素,或二者处于大致动态平衡的状态;(c)该MCS位于地面冷锋之前的暖区和地面的低压槽内,也始终位于500 hPa低槽前的正涡度平流区,那里盛行天气尺度上升气流。(3)21日北京及周边环境非常有利于大暴雨发生,包括500 hPa明显的正涡度平流、1000～2000 J·kg~(-1)的C APE值、深厚的湿层、强的低空急流、高的地面露点温度和异常大的可降水量。(4)21日08—20时,MCS主轴的走向与太行山和风暴承载层平均风(西南偏南风)大致平行,加上东部副热带高压的阻挡,使得MCS系统移动缓慢。中午之后加强的东南或偏南低空急流在向MCS区域输送大量水汽的同时,低空急流在太行山东坡强迫抬升,使得不断有新的单体在MCS强降水区的西南侧生成,在随后向东北偏北方向的移动过程中加强、维持和最终衰减,向西南方向的后向传播和速度更快向东北向的平流结合导致对流单体反复经过同一区域,形成列车效应,整个MCS系统在西风槽推动下缓慢东移的同时,不断有强回波移入北京地区,导致极端的降水。(5)21日12时以后逐渐增加的深层垂直风切变导致很多小型超级单体形成,其内部的旋转与环境垂直风切变的相互作用导致更强的上升气流、更大的雨强和更长的对流单体生命史,对极端降水事件的形成也起到一定作用。     

2012年7月内蒙古极端降水事件及成因

2012年7月下旬内蒙古中部出现罕见的极端降水事件(简称"7·27"暴雨)。利用NCEP再分析资料、常规观测和精细化监测等资料分析了"7·27"暴雨成因。结果表明:(1)贝加尔湖低涡异于常年。巴尔喀什湖到鄂霍茨克海为阻塞高压,其底部横槽加深生成贝加尔湖低涡。低涡内有冷空气活动,在对流层低层及地面激发出低涡和气旋。(2)该过程的中尺度特征明显。地面中尺度切变线不断新生、稳定维持,形成多个中尺度雨带。高空β中尺度对流云团不断新生、合并加强,形成对流复合体M CS。河套西北部、河套南部、锡林郭勒盟中西部三个暴雨区均是中尺度对流复合体M CS发展的结果。(3)垂直方向上,暴雨发生前到暴雨期从地面至700 h Pa的大气比湿达10~22 g·kg-1,且850~700 h Pa水汽垂直输送达到最强;水平方向上,南风风力辐合,末端到达45°N以北,河套南部地区为"水汽汇"。(4)对流层高层大气涡旋运动是该过程的直接诱因。大气涡旋运动由200 h Pa向700 h Pa传播,正涡度平流在700 h Pa到200 h Pa随高度增加,高层水平辐散、低层补偿辐合,大气强迫上升产生暴雨。(5)对流层中层持续"干侵入",低层持续的暖湿输送,大气不稳定能量不断重建,这是极端暴雨过程的热力机制。(6)随着全球气候变暖,亚洲夏季风加强,来自孟加拉湾和南海的水汽向东亚副热带地区输送加强,水汽输送进一步向北扩展到我国华北内陆地区,是"7·27"暴雨过程的重要原因。     

北京7.21特大暴雨极端性分析及思考(一): 观测分析及思考

2021年7月18日08时—22日08时（北京时）,受黄淮低涡外围东风急流影响,郑州出现了历史罕见的极端暴雨天气,并造成严重山体滑坡、泥石流、城市内涝及人员伤亡。利用探空、地面自动站和雷达拼图产品等基本观测数据对此次天气过程进行初步分析。结果表明,此次极端暴雨天气表现出持续时间长、降水强度极强、累积降水量罕见等极端性特征。此次极端大暴雨的形成原因复杂,但就初步分析结果看,大气环流形势稳定、水汽和能量充足、地形作用明显以及对流系统不断向郑州地区积聚、合并及停滞是基本成因。本文旨在分析此次极端暴雨洪涝灾害性过程的基本观测现象,为深入开展此次严重致灾性罕见极端暴雨的机理及可预报性研究提供参考。

     

湖北“8·12”极端降水特征及成因初探

2021年8月11日20时—12日20时(北京时,下同)湖北北部发生极端降水,24 h降水量最大达518.5 mm,1 h降水量最大达117.9 mm,造成了严重灾害。基于常规气象观测资料和ERA5再分析资料,采用统计学方法和天气学诊断分析法,对该过程极端降水的特征及天气学成因进行初步分析。利用常规气象观测资料和ERA5再分析资料,对2021年8月12日湖北省北部极端降水特征及其中尺度演变特征、环流形势和物理量极端性的天气学成因进行初步分析。结果表明：(1)不同区域降水性质不同,总体有累计降水量大、小时雨强强、降水时段集中、极端性突出、致灾性强等特点。(2) β中尺度对流云团发展迅速、持续时间长、东移速度慢是造成此次极端降水的主要因素。(3)高层南亚高压、高空急流以及中层副热带高压和低槽是主要影响系统,中低层切变线、低层低涡以及偏东急流是直接参与者。(4) 925—850 hPa低涡和偏东急流异常强盛且长时间维持,导致低层形成强动力辐合中心和强水汽辐合中心,有利于700 hPa以下上升运动发展和维持。偏东急流也有利于低层能量锋加强南压以及θse高能区和对流不稳定层结的建立,促进对流性强...     

梅雨锋西段持续性暴雨的环境场特征及贵阳极端降水成因

利用高时空分辨率的ERA5再分析资料、湖北省雷达资料、MICAPS实况观测资料,对2020年7月16日鄂东北梅雨锋大暴雨进行综合分析。结果表明：（1）主雨带沿着山脉呈西北—东南向带状分布,具有持续时间长、累积雨量大、强降水范围集中的特点,有典型的β中尺度特征。（2）地面梅雨锋与925—500 hPa层的切变辐合系统形成了北倾切变系统,这一切变系统在16日白天稳定维持在鄂东北,为此次中尺度系统的发生发展和大暴雨的发生提供动力、水汽和热力条件。（3）MCS发展阶段出现了两种后向传播,即对流单体的后向传播和雨带的后向传播。这两种后向传播导致多个近乎平行排列的东北—西南向短雨带生成并维持,这些短雨带沿着MCS移动形成西北—东南向的“列车带效应”。MCS成熟阶段,雨带中单体移动方向和MCS走向一致,形成“列车效应”。（4）鄂东北地形复杂,在地形强迫作用下,桐柏山附近形成气旋性切变,陈巷站附近形成β中尺度辐合线,二者之间的辐合区有利于对流触发,使MCS西侧或西北侧形成新生雨带;桐柏山—大别山西端的地形阻挡作用,使冷堆形成冷出流,加强了925 hPa冷暖气流在山脉南侧辐合,有利于雨带西南侧的对流单体新生。

     

河南“7·19”豫北罕见特大暴雨降水特征及极端性分析

2016年7月18-20日受低涡气旋影响,河南省出现了一次全省大范围的强降水过程("7·19"),其中豫北部分地区出现特大暴雨,最大过程雨量达732 mm。本文基于自动气象站降水、地面风场观测资料、雷达组合反射率资料、常规气象探空资料和1°×1°ECMWF再分析资料,对"7·19"过程的降水特征、大尺度环流特征和中尺度系统进行了分析,同时也对比分析了"7·19"过程和1980-2016年以来发生在豫北太行山东麓的71个强降水过程(所选区域至少有一个站点的日降水量大于100 mm)的物理量场特征。结果表明:太行山地形和低涡气旋背景下有利的大尺度环流为"7·19"特大暴雨提供了充沛的水汽和辐合抬升条件;中尺度地形辐合线的生成、发展和维持、多个地面中尺度气旋移动造成的列车效应是导致局地特大暴雨的主要原因,对比不同强降水过程的物理量场显示"7·19"的动力因子具有明显的极端性特征。     

北京721特大暴雨极端性分析及思考(一)观测分析及思考

暴雨过程致灾危险性评估是暴雨灾害风险评估的基础和重要环节,可为气象防灾减灾提供重要技术支撑。利用孝感市7个国家气象观测站及120个区域气象观测站逐日、逐时降水量观测资料及地理信息资料,采用暴雨过程灾害危险性动态评估方法,对2021年8月12日发生于湖北省孝感市的一次区域性暴雨过程进行了致灾危险性评估。基于暴雨过程降水特征量分析,确定暴雨过程致灾因子,采用信息熵权法确定4个致灾因子权重系数,计算了暴雨过程强度指数;基于暴雨区下垫面特征分析,明确地形影响系数、水系影响系数为孕灾环境因子,并等权求和构成孕灾环境综合指数;暴雨过程致灾危险性指数由暴雨过程强度指数和孕灾环境综合指数加权构成,采用自然断点法将暴雨过程致灾危险性指数划分为5个等级,基于GIS绘制了暴雨过程致灾危险等级分区图,利用主要承灾体灾情数据验证了危险性评估结果的合理性。结果表明：(1)此次暴雨过程具有来势猛、短时降水量大、降水集中等特点,暴雨过程86.1%降水量集中在6 h以内,最大6 h降水量达50 a一遇,选取致灾因子时重点考虑短历时降水量;(2)孝南区大部、云梦县中部、应城市东北部、安陆市西南部为暴雨过程致灾高危险区,而较高危险区覆盖孝感市中部,这与暴雨强度及地形、水系河网等环境敏感性有关;(3)高和较高危险区对应暴雨灾情较重的区域,实际灾害等级达到“大型”灾害等级,致灾危险性评估结果反映了主要承灾体灾害损失实际。

     

北京721特大暴雨极端性分析及思考(一)观测分析及思考

2023年7月29日08时—8月2日08时(北京时),华北地区出现历史罕见的特大暴雨,造成严重灾害。利用常规高空和地面、FY-4A卫星红外云顶亮温(TBB)等观测资料以及ERA5再分析资料对此次天气过程的降水实况特征和成因进行了分析。结果表明：此次过程的累计降水量、降水持续时间等在华北地区均具有显著极端性;北京西部、河北中部和西南部等多地出现特大暴雨,累计降水量超过400 mm,局地达1 000 mm以上,降水极值多分布于太行山东麓;根据FY-4A卫星TBB、逐小时降水量和主要影响系统的演变特征,强降水可分为三个阶段,第一阶段降水范围和累计降水量最大,第二阶段对流性最强,多站出现100 mm·h^-1以上的极端强降水。此次特大暴雨过程发生在台风残涡北上停滞的稳定环流背景下,台风“杜苏芮”和“卡努”提供了持续而充沛的水汽和能量,高空辐散与低层强辐合提供了稳定而强大的动力条件,偏东气流在太行山东麓强迫抬升,使降水增幅并持续。

     

北京721特大暴雨极端性分析及思考(一): 观测分析及思考

2023年7月29日至8月2日,受台风“杜苏芮”北上减弱低压影响,河北出现罕见特大暴雨天气过程(以下简称“23.7”暴雨过程),其中位于冀南的邢台市梁家庄自动站52 h累积降水量高达1 003.4 mm。利用常规地面与探空资料以及区域自动站资料、雷达拼图与ERA5再分析资料等,对“23.7”暴雨过程的降水演变特征、环流形势与环境条件、中尺度特征进行了初步分析。结果表明: 此次暴雨过程具有持续时间长、累计雨量大、覆盖范围广等特征;台风“杜苏芮”登陆北上后,受500 hPa华北北部“高压坝”阻挡而停滞,河北大部地区整层水汽总量达到其气候平均态的2倍以上,环境大气具有低的抬升凝结高度和自由对流高度及一定的对流不稳定能量,以及850 hPa倒槽切变线稳定少动提供的持久辐合抬升条件,使得降水回波长时间维持在河北西南部太行山前和河北中部。边界层东南风急流伴随台风倒槽向北发展,急流核风速在河北中部超过22 m·s^-1,大暴雨过程中地形作用明显。边界层急流影响河北西南部期间,回波强度30~40 dBz、质心高度低于6 km的多个对流单体先后移过梁家庄站上空,造成梁家庄站累计出现24 h的短时强降水;边界层急流北移后,8 m·s^-1左右的偏东风使太行山前层积混合云降水回波继续长时间维持造成雨区重叠,是梁家庄站52 h累积降水量超过1 000 mm的主要原因。