北京局地暴雨的闪电及多普勒雷达分析.doc

北京局地暴雨的闪电及多普勒雷达分析蔡晓云1 宛 霞2 郭 虎11）北京市气象局气象台 100089 2）北京市人工影响天气办公室 100089摘要：本文利用闪电和多普勒雷达资料对北京密云石城暴雨过程进行分析，探讨中小尺度局地暴雨的成因。结果表明：带电风暴沿山脉移动后闪电数量减少，雷达反射率因子增强并长时间停留，速度图中辐合辐散、气旋反气旋与暴雨的形成、维持、消散关系密切。逆风区和速度梯度大的区域附近与反射率因子较大值相对应。地形对气流路径有阻挡偏离作用。关键词：局地暴雨 闪电雷达 地形作用前言 2003年7月26日夜间27日凌晨北京密云与怀柔交界地区石城出现暴雨，日降雨量达125mm（水文站资料）。与之相隔不远的密云气象站仅有1.7mm降水，属典型的局地暴雨(见图1b)。暴雨预报是个非常复杂的问题1，我国很多气象学家用多种方法探讨了地形对暴雨的增幅作用2 3，地形雨与气流的垂直分布4，水汽和不稳定能量在地面中尺度流场中的作用等5 6，通过分析：认为强对流不稳定天气导致局地暴雨的发生，产生的原因较复杂。有地形、热力、动力诸因素影响，但仍具有一定的时空分布特征，使用先进的闪电、多普勒雷达探测设备具有短时可预报性。1 大尺度环流背景此次局地暴雨受到副热带高压影响，26日出现了小阵雨过程。27日850、700、500hPa天气图上北京附近有一槽线南伸，本市处在高空冷空气和副热带高压边缘偏南暖湿气流影响下。20：00 02：00时图1a为垂直风廓线图，b石城26日08:00时27日08:00时雨量图2 7.27局地暴雨闪电、雷达特征2.1闪电定位资料使用的资料主要来源于闪电探测网加密资料，应用多站闪电定位仪采用方位汇交和时差定位综合算法定位的原理，由多个单独的测站探测得到数据，再汇交到主站而形成最终的定位结果，构成较精确的雷电分布图（见图2a）。图2 a2003年7月27日04时闪电分布图，b、c分别为27日2：18、4：39时PPI图。闪电频数的增加说明云中的电荷活动加剧，对流发展加强，存在不稳定能量。2003年7月27日04时闪电的位置与2：18雷达反射率因子图有较好的配合，特别是密云石城附近也有闪电点出现。观察电荷分布，正电荷出现的频数远远的超过负电荷的频数，说明云中有较强的电场，云地闪电有增大正常的晴天正电场的趋向7。在4：00左右北京西边界外围有较多的正地闪发生，意味着将有新的风暴产生。带电风暴在山脉前释放了大量的电荷。4：39出现了大面积的降水强回波（见图2c）。因此，闪电的出现预示着强天气过程的发生。2.2暴雨的形成阶段2003年7月26日夜间22:10本市西南和东北有小块对流云回波生成，强度分别为50、55dBz（图3a），22：15速度图雷达站附近19024010km处，西南方向呈现暖色离开、冷色朝向雷达中心现象，有正、负中心，是低层强辐合加中尺度弱气旋气流相结合图象（图3d）。 图3 7月26日22：107月27日1：21雷达图此后，对流逐渐发展加强，23：51强中心范围加大（图3b），速度图上21050km处出现小范围负速度包围正速度的闭合逆风区，其间有零度线分割，东北2875km处出现正速度包围负速度的更小范围的逆风区(图3e)。根据统计8它的出现预示着将要出现大暴雨或正在下雨9，西南方向逆风区与对流云强中心相对应，风速值3.8-7.7m/s从正到负跨越速度梯度近10m/s，逐渐发展成一条长140km、宽30km的回波带，给房山带来32.2mm的降水（图3c）。相应速度图上逆风区面积有所增大加强（3f）。27日1：27后怀柔地区的回波进入密云，此时回波范围较小，2：18分以后强中心在石城停留，远处东北方向不断有新的对流回波补充（图4a、b），同时小块对流云沿西南气流与石城回波合并（图4c、d）。从地面到高空西南气流，抵制了石城回波向西南运动，合并给原在石城滞留的对流云补充了新的能量，使反射率增强、生命史延长、雨量增大。从3：37图中看出整体回波前沿有小范围冷、暖两种颜色风速后演变成逆风区（图4h、i）。风速值 图4 2003年7月27日石城地区雷达回波图（第2象限）-19.23.8m/s从负到正跨越速度梯度超过20m/s，有利于石城局地大暴雨的形成。2.3暴雨的维持阶段这次石城局地暴雨是中小尺度天气现象，它的影响范围和维持时间有鲜明的局地性和短时性。降水集中在27日1：304：30分3小时内，密云县内降水分布极不均匀，密云气象站1.7mm，石城125mm，番子牌43mm，冯家峪99mm。北京夏季7月下旬较稳定的中低纬度环流使副热带高压北侧的西南暖湿气流与南下的冷空气交汇于石城地区，从而形成了持续而稳定的暴雨天气。分析认为是西南气流与副高西北侧的东南气流形成暴雨的水汽输送通道，构成东北西南向气旋性环流特征是石城局地暴雨的动力结构。低层辐合高层辐散形成新的上升气流，从图5d、e中可见右上角辐合气旋运动从22：15（图1d）维持到1：27（图5f）新的对流单体不断产生新的回波，这种新陈代谢的对流系统能够稳定维持较长时间10。天气图上明显的地面流场和密云水库到云梦山之间地形的配置有利于地面暖湿空气的抬升11，形成水汽循环给石城局地暴雨增添新的能源与动力。图5 2003年7月27日雷达回波图（第3象限） 强度、速度色标见图42.4暴雨的消散阶段当朝着雷达方向西南气流发生变化，负速度中心值减小，正速度面积和中心值加大，逆风区断裂走出闭合，原在雷达中心附近的辐合运动东移到9030km处，变顺时针旋转反气旋辐散运动，这种由低层辐合转为辐散的现象预示此次暴雨过程即将结束。但在PPI图上，其强度回波面积特别是石城区域回波仍没有减弱和消散的情况（图略）， 1小时后回波强度才明显减弱。速度场的变化提前于强度场的变化，对短时预报有一定的指导意义。2.5中小尺度结构特征分析随着降水的持续，不论是速度图上的逆风区还是辐合加弱气旋现象，都使零度线出现不规则的弯曲，说明该处有小尺度系统活动，低层正负速度中心之间距离接近，表示辐合加强。逆风区辐合辐散共轭同在，形成产生暴雨的垂直环流结构，这点从26日20点和27日02点高空风点绘的风垂直廓线图可看出300600m低层有风切变 (见图1a)。风切变有利于对流云不稳定的形成，提供潜在不稳定能量释放和强对流发生的触发机制。使对流中的上升气流发生倾斜，当新的单体随低层风移动到一定高度时，会跟随引导气流变化，再遇到山脉迎风坡和涡旋辐合区等特殊流畅，回波移动出现所谓的“停滞”现象。对流回波被“锁”在某地准“静止”，又有小单体不断介入，造成当地持久地对流性大暴雨甚至特大暴雨 12。这点在图2中得到证实。3 密云县地形特征密云县位于北京城区的东北部，地处华北平原与燕山山脉的过渡地带。东经116.7117.4,北纬40.340.8，总面积2226.km2,境内地貌复杂，山地高差较大，海拔500m以上的高峰有8座。其中海拔1000m以上山峰3座，平原面积700km2左右，密云水库面积约150km2，是华北最大的水库和北京城市最重要的水源供应地，特殊的地理地貌条件形成密云半湿润大陆性季风气候，夏季受西太平洋副热带高压和西风带辐合系统的作用潮湿多雨，年平均降水661.3mm。石城乡（116.85E,40.58N）位于山脉和平原及密云水库交界处，东、西、北三面是高山南面是平地，成为向南开口的喇叭口谷地。密云水库和山脉地表受热不均形成垂直环流，一旦被热力、动力抬升就成了对流发展的触发机制。从图3对流云移进密云，回波范围扩大，反射强度增强说明降水云系遇到山脉有明显的发展。低层西南气流沿山脉输送水汽和动力受北面山脉阻挡后在此停留，形成新的上升气流运动，在不稳定的大气层结下，对流系统会迅速地发展起来导致暴雨发生。地形引起的上升运动能产生一种或几种降水分布，此次降水就是先在北京城西南的房山后在城北的怀柔、密云石城一带。3 小结（1）利于产生暴雨的大尺度环流形势场是激发局地暴雨的条件之一，暴雨的落区和雨量的增大受地形影响。（2）副高西北侧的西南暖湿气流与南下冷空气交汇于石城，为降水提供了必要的水汽条件，形成了石城局地特大暴雨。（3）山脉地形对气流路径有明显作用，石城北面山脉对低层气流移动有直接的阻挡作用，西南山脉则有气流沿山脉运动发生偏离的动力作用11，两种作用的合成是引起石城暴雨的又一可能原因。参考文献 1陶诗言，中国之暴雨，北京：科学出版社，1980，1225。 2章名立，北京地区暴雨与地形的关系，暴雨及强对流天气的研究，北京：科学出版社125136。 3陆一强，副高北侧的强对流云团与局地暴雨，北方天气文集，北京：北京大学出版社，4，5056。 4孙继松，地形雨落区与气流的垂直分布，高原气象2004。1北京：科学出版社。 5雷雨顺，静力能量的天气学分析原理及应用，北方天气文集，北京：北京大学出版社，1982，111。 6熊传辉、袁民、祁东平等，中尺度天气气候分析手册，湖北省“七五”国家气象科技攻关课题领导小组办公室，湖北：湖北出版社。7B.J.梅森,云物理学,北京:科学出版社,1979。8蔡晓云，焦热光，卞素芬等，多普勒速度图上暴雨判据和短时预报工具研究，气象，2001，7，Vol.27No.7,1515。9张沛源，陈荣林，多普勒速度图上的暴雨判据研究，应用气