京津冀“7·5”强对流天气形成的环境条件及中尺度特征

doi:10.11755/j.issn.1006-7639（2022）-06-0993

摘要/Abstract

摘要：

2021年7月5日下午至夜间，京津冀中部地区陆续出现短时强降水、雷暴大风、小冰雹等混合型强对流天气，基于地面区域自动气象站、多普勒雷达、FY-2G气象卫星、微波辐射计以及欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大气再分析资料ERA5等多源资料，重点对此次短时强降水形成的大气环境条件和中尺度特征进行探讨分析。结果表明：此次短时强降水、雷暴大风和局地小冰雹的混合型强对流天气发生前即显现出良好的水汽条件，低层和中层的水汽通量强辐合早于降水1~2 h出现，整层大气可降水量在强抬升作用下不断累积；垂直假相当位温（θ_se）能量锋区的形成，“上干下湿”不稳定层结的维持，0~6 km强垂直风切变以及对流有效位能（convective available potential energy，CAPE）、K指数、SI增强等条件的建立，为强对流的爆发创造了热力、动力和不稳定环境；高空槽东移携带干冷空气南下与低空暖舌共同形成的不稳定层结，为强对流天气的出现提供了天气尺度上升运动；下午时段出现的强对流较夜间能量释放更大，高强度的降水导致局地气温骤降，冷池效应更明显，其南移过程中与强降水落区对应，冷池边界的地面辐合线为中尺度触发系统；云底高度迅速下降、云底红外亮温骤增预示着强对流云团形成，云体东南边界清晰的暗影表明积雨云强烈发展。大尺度天气系统背景下，对中尺度系统深入分析得到的重要特征可用于强对流天气的短临预报预警。

关键词: 强对流, 中尺度特征, 冷池, 地面辐合线

Abstract:

From the afternoon to night on 5 July 2021, severe convective weather including short-time heavy precipitation, thunderstorm wind and small hail occurred in the central region of Beijing-Tianjin-Hebei. The atmospheric environmental conditions and mesoscale characteristics of the formation of this weather process were analyzed by using the data of egional automatic meteorological station, Doppler radar, FY-2G meteorological satellite and microwave radiometer, and the fifth generation atmospheric reanalysis ERA5 from European Centre for Medium-Range Weather Forecasts. The results show that favourable water vapor conditions appeared before the occurrence of the severe convective weather including heavy precipitation, thunderstorm winds and local hail. Strong convergence of water vapor fluxes in lower and middle layers occurred 1 to 2 hours earlier than precipitation. The whole layer atmospheric precipitable water had accumulated continuously under strong uplift. The heat and power unstable environment of severe convection breaking out was created by formation of vertical θ_se energy frontal zone, maintenance of "upper dry and lower wet" unstable stratification, establishment of strong vertical wind shear from 0 to 6 km and enhancement of CAPE, K and SI indexes. Unstable stratification formed by eastward movement of the upper though carrying dry and cold air southward and low warm tongue, which had provided synoptic-scale upward movement for the occurrence of severe convection. The strong convective happening released more energy in the afternoon than in the evening. Heavy rainfall caused the local temperature to drop significantly and cold pool effect was more significant, which corresponded to the heavy precipitation area during the southward movement process. The surface convergence line at the cold pool boundary was the mesoscale trigger system. The cloud base height dropped and infrared brightness temperature increased rapidly, which indicated the formation of strong convective cloud cluster. The clear shadow at the southeast boundary of cloud body indicated the strong development of cumulonimbus cloud. Under the background of large-scale weather system, the important characteristic indexes obtained from in-depth analysis of mesoscale system can be used for the short term forecast and warning of severe convective weather.

Key words: strong convection, mesoscale characteristics, cold pool, ground convergence line

中图分类号:

P458.2

许敏, 沈芳, 刘璇, 刘艳杰, 张湘涵. 京津冀“7·5”强对流天气形成的环境条件及中尺度特征[J]. 干旱气象, 2022, 40(6): 993-1002.

XU Min, SHEN Fang, LIU Xuan, LIU Yanjie, ZHANG Xianghan. Environmental conditions and mesoscale characteristics of severe convective weather in Beijing-Tianjin-Hebei on 5 July 2021[J]. Journal of Arid Meteorology, 2022, 40(6): 993-1002.

图/表 10

图1 2021年7月5日09：00至6日08：00京津冀中部累计降水量（a，单位：mm）、极大风速（b，单位：m·s-1）和代表站逐时降水量（c）

Fig.1 Cumulative precipitation (a, Unit: mm), extreme wind speed (b, Unit: m·s-1) and hourly rainfall of representative stations (c) in central Beijing-Tianjin-Hebei from 09:00 BST on 5 to 08:00 BST on 6 July 2021

图2 2021年7月5日15：00整层大气可降水量PWV（彩色填色区，单位：mm）和抬升指数LI（红色等值线，单位：℃）分布

Fig.2 Distribution of whole layer PWV （color shaded areas， Unit： mm） and LI （red isolines， Unit： ℃） at 15：00 BST on 5 July 2021

图3 2021年7月5日08：00至6日07：00天津武清区泗村店站水汽通量散度（彩色填色区，单位：10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1）和比湿（黑色等值线，单位：g·kg-1）的时间-高度剖面

Fig.3 The height-time cross sections of water vapor flux divergence （color shaded areas， Unit： 10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1） and specific humidity （black isolines， Unit： g·kg-1） in Sicundian station of Wuqing district in Tianjin from 08：00 BST on 5 to 07：00 BST on 6 July 2021

图4 2021年7月5日14：00北京探空站T-ln P图

Fig.4 T-ln P of Beijing sounding station at 14：00 BST on 5 July 2021

图5 2021年7月5日12：00—16：00廊坊大厂站相对湿度（a，单位：%）及5日08：00至6日07：00北京通州副中心办公区站假相当位温θse（b，单位：℃）的时间-高度剖面

Fig.5 The height-time cross sections of relative humidity at Dachang station of Langfang from 12:00 BST to 16:00 BST on 5 (a, Unit: %) and θse in sub-central office area station of Tongzhou in Beijing from 08:00 BST on 5 to 07:00 BST on 6 (b, Unit: ℃) July 2021

图6 2021年7月5日08：00 500 hPa位势高度场（绿色实等值线，单位：dagpm）、温度场（红色虚等值线，单位：℃）（a）及850 hPa风场（风矢量，单位：m·s-1）、温度场（彩色填色区，单位：℃）（b）

Fig.6 The geopotential height field （green solid isolines， Unit： dagpm）， temperature field （red dotted isolines， Unit： ℃） at 500 hPa （a） and wind field （wind vectors， Unit： m·s-1）， temperature field （color shaded areas， Unit： ℃） at 850 hPa （b） at 08：00 BST on 5 July 2021

图7 2021年7月5日14：00（a）、18：00（b）FY-2G卫星可见光云图（单位：％）和08：00—23：59廊坊大厂站云底高度、云底红外亮温（c）

Fig.7 The visible cloud picture from FY-2G satellite (Unit: ％) at 14:00 BST (a), 18:00 BST (b) and cloud base height, infrared brightness temperature from 08：00 BST to 23:59 BST at Dachang station of Langfang (c) on 5 July 2021

图8 2021年7月5日14：00（a）、15：00（b）、19：00（c）、20：00（d）地面1 h变温（彩色填色区，单位：℃）和风向（箭头）（棕色实线为地面辐合线，字母D为地面辐合中心）

Fig.8 Hourly variation of surface temperature （color shaded areas， Unit： ℃） and direction of the wind （arrows） at 14：00 BST （a）， 15：00 BST （b）， 19：00 BST （c） and 20：00 BST （d） on 5 July 2021 （The brown solid lines are the ground convergence lines， letter D is the ground convergence center）

图9 2021年7月5日14：00（a）、14：30（b）、15：00（c）6.0°仰角（a、b、c）和15：00（d）、15：30（e）、16：00（f）0.5°仰角（d、e、f）北京雷达站反射率因子（单位：dBZ）（字母A、B为对流单体）

Fig.9 Radar reflectivity factor at 6.0° elevation angle （a， b， c） at 14：00 BST （a）， 14：30 BST （b）， 15：00 BST （c） and 0.5° elevation angle （d， e， f） at 15：00 BST （d）， 15：30 BST （e）， 16：00 BST （f） on 5 July 2021 from Beijing radar station （Unit：dBZ）（The letter A and B are convective cells）

图10 2021年7月5日14：00（a）、15：00（b）、16：00（c）1 h降水量（彩色填色区，单位：mm）和极大风速（红色等值线，单位：m·s-1）

Fig.10 One-hour precipitation （color shaded areas， Unit： mm） and extreme wind speed （red isolines， Unit： m·s-1） at 14：00 BST （a）， 15：00 BST （b） and 16：00 BST （c） on 5 July 2021

参考文献 35

[1]	孙继松, 何娜, 王国荣, 等. “7.21”北京大暴雨系统的结构演变特征及成因初探[J]. 暴雨灾害, 2012, 31(3):218-225.
[2]	孙伟, 曹舒娅, 解小寒, 等. 苏南一次深秋局地强对流的多源资料分析[J]. 沙漠与绿洲气象, 2018, 12(3):56-63.
[3]	孙继松, 戴建华, 何立富, 等. 强对流天气预报的基本原理与技术方法:中国强对流天气预报手册[M]. 北京: 气象出版社, 2014:2-158.
[4]	董春卿, 武永利, 郭媛媛, 等. 山西强对流天气分类指标与判据的应用[J]. 干旱气象, 2021, 39(2):345-355.
[5]	张武龙, 康岚, 杨康权, 等. 四川盆地不同强度短时强降水物理量特征对比分析[J]. 气象, 2021, 47(4):439-449.
[6]	郑媛媛, 姚晨, 郝莹, 等. 不同类型大尺度环流背景下强对流天气的短时临近预报预警研究[J]. 气象, 2011, 37(7):795-801.
[7]	樊李苗, 俞小鼎. 中国短时强对流天气的若干环境参数特征分析[J]. 高原气象, 2013, 32(1):156-165. DOI
[8]	周雅蔓, 孙迪, 赵勇, 等. 新疆北部夏季大范围极端降水及其环流异常特征[J]. 干旱气象, 2021, 39(2):215-224.
[9]	许敏, 张瑜, 张绍恢. 风廓线雷达资料在冀中一次强降水天气预报中的应用[J]. 干旱气象, 2016, 34(5):898-905. DOI
[10]	陈明轩, 肖现, 高峰. 出流边界对京津冀地区强对流局地新生及快速增强的动力效应[J]. 大气科学, 2017, 41(5):897-917.
[11]	徐娟, 纪凡华, 韩风军, 等. 2012年盛夏山东西部一次短时强降水天气的形成机制[J]. 干旱气象, 2014, 32(3):439-445+459. DOI
[12]	崔丽曼, 苏爱芳, 张宇星, 等. 2016年河南省一次大范围强对流天气成因分析[J]. 气象与环境学报, 2020, 36(2):9-19.
[13]	赵瑜, 赵桂香, 王思慜, 等. “7·28”山西中部强对流天气的中尺度分析[J]. 干旱气象, 2017, 35(5):874-885. DOI
[14]	张泽娇, 牛生杰, 丁辉. 利用亮温资料建立降水临近预报方法的研究[J]. 大气科学学报, 2015, 38(2):241-248.
[15]	蔡奕萍, 汪博炜, 冼星河. 微波辐射计资料在降水临近预报中的应用[J]. 广东气象, 2018, 40(5):31-34.
[16]	高美谭, 廖菲, 周芯玉, 等. 基于微波辐射计的短时强降水潜势预报[J]. 广东气象, 2021, 43(2):1-4.
[17]	贺哲, 王君, 栗晗, 等. 河南省一次副高边缘对流性暴雨的多尺度特征[J]. 干旱气象, 2020, 38(3):423-432.
[18]	田付友, 杨舒楠, 郑永光, 等. 北京地区两次极端特大暴雨过程中短时强降水环境条件对比分析[J]. 暴雨灾害, 2021, 40(1):27-36.
[19]	方翀, 毛冬艳, 张小雯, 等. 2012年7月21日北京地区特大暴雨中尺度对流条件和特征初步分析[J]. 气象, 2012, 38(10):1278-1287.
[20]	雷蕾, 邢楠, 周璇, 等. 2018年北京“7·16”暖区特大暴雨特征及形成机制研究[J]. 气象学报, 2020, 78(1):1-17.
[21]	杨波, 孙继松, 毛旭, 等. 北京地区短时强降水过程的多尺度环流特征[J]. 气象学报, 2016, 74(6):919-934.
[22]	SUN J Z, XUE M, WILSON J W, et al. Use of NWP for nowcasting convective precipitation: recent progress and challenges[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2014, 95(3):409-426. DOI URL
[23]	JAMES P M, REICHERT B K, HEIZENREDER D. NowCastMIX: automatic integrated warning for severe convection on nowcasting time scales at the German weather service[J]. Weather and Forecasting, 2018, 33(5):1413-1433. DOI URL
[24]	于怀征, 刁秀广, 孟宪贵, 等. 山东省一次罕见强对流天气的环境场及雷达特征分析[J]. 暴雨灾害, 2020, 39(5):477-486.
[25]	罗琪, 郑永光, 陈敏. 2017年北京北部一次罕见强弓状飑线过程演变和机理[J]. 气象学报, 2019, 77(3):371-386.
[26]	孙京, 蔡然, 柴健, 等. 基于微波辐射计和闪电观测资料估算对流性降水方法初探[J]. 干旱气象, 2018, 36(3):438-446.
[27]	DOSWELL C A, BROOKS H E, MADDOX R A. Flash flood forecasting: an ingradients-based methodology[J]. Weather and Forecasting, 1996, 11(4): 560-581. DOI URL
[28]	何跃, 李强, 刘伯骏, 等. 四川盆地一次西南涡作用下大暴雨过程的短时强降水分析[J]. 沙漠与绿洲气象, 2019, 13(6):29-38.
[29]	朱乾根, 林锦瑞, 寿绍文, 等. 天气学原理和方法[M]. 北京: 气象出版社, 2007:422-426.
[30]	张楠, 何群英, 刘彬贤, 等. 非典型环流形势下天津一次局地暴雨过程中尺度特征分析[J]. 暴雨灾害, 2018, 37(3):230-237.
[31]	雷蕾, 孙继松, 乔林, 等. 一次超级单体雹暴的中尺度对流特征和形成条件分析[J]. 气象科技进展, 2019, 9(5):16-23.
[32]	程月星, 孙继松, 戴高菊, 等. 2016年北京地区一次雷暴大风的观测研究[J]. 气象, 2018, 44(12):1529-1541.
[33]	WILSON J W, FENG Y, CHEN M, et al. Nowcasting challenges during the Beijing Olympics: successes, failures, and implications for future nowcasting systems[J]. Weather and Forecasting, 2010, 25(6):1691-1714. DOI URL
[34]	WILSON J W, SCHREIBER W E. Initiation of convective storms at radar-observed boundary-layer convergence lines[J]. Monthly Weather Review, 1986, 114(12):2516-2536. DOI URL
[35]	丁青兰, 王令, 卞素芬, 等. 北京局地降水中地形和边界层辐合线的作用[J]. 气象科技, 2009, 37(2):152-155+261.