京津冀地区“23·7”特大暴雨精细化特征及成因分析

doi:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-06-0878

摘要/Abstract

摘要：

为探究登陆台风强降水的形成机制，探索高分辨率资料在持续性强降水中的应用，剖析动力、热力等要素的协同作用，利用地面气象站降水资料、欧洲中期天气预报中心再分析资料、雨滴谱资料和双偏振雷达资料对发生在2023年7月29日—8月1日的“23·7”京津冀地区特大暴雨天气过程的观测特征及热动力成因进行分析。结果表明：1）副热带高压与大陆高压脊形成的高压坝阻滞台风“杜苏芮”残余环流，东高西低的环流配置为暴雨提供了稳定的环流背景；2）降水以小雨滴为主，标准化数浓度随雨强增大而升高，表明降水量级主要由高数浓度粒子驱动，呈现典型的热带降水特征；3）锋生作用通过切变变形项和水平散度项触发锋面次级环流，形成强烈的垂直运动，延长降水持续时间；4）凝结潜热释放通过正反馈机制增强上升运动与水汽辐合，与锋生作用协同驱动暴雨维持。三者关系表明：高数浓度小雨滴的微物理特征受暖云碰并-破碎平衡调控，锋生作用提供动力抬升条件，而凝结潜热释放则通过加热大气进一步强化动力环流，形成“微物理-动力-热力”耦合的暴雨增强机制。

关键词: “23·7”特大暴雨, 台风低压, 雨滴谱, 锋生函数, 视热源, 视水汽汇

Abstract:

To investigate the formation mechanisms of heavy precipitation during landfalling typhoons, explore the application of high-resolution data in persistent heavy rainfalls, and analyze the synergistic effects of dynamic and thermodynamic factors, the observational characteristics and thermodynamic causes of the torrential rainstorm process that occurred in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 29 July to 1 August 2023, were analyzed using ground meteorological station precipitation data, reanalysis data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, raindrop spectrum data, and dual-polarization radar data. The results are as follows: 1) The high-pressure dam formed by the subtropical high and the continental high-pressure ridge blocked the residual circulation of the Typhoon Doksuri, and the east-high-west-low circulation configuration provided a stable circulation background for the torrential rain. 2) Raindrop spectrum analysis revealed precipitation dominated by small raindrops with high number concentrations. The normalized number concentration increased with rain intensity, indicating that the torrential rainfall was primarily driven by high particle concentration, presenting typical tropical precipitation characteristics. 3) Frontogenesis, driven by shear deformation and horizontal divergence, triggered secondary frontal circulation, generating intense vertical motions that prolonged rainfall duration. 4) Latent heat release enhanced upward motion and moisture convergence through positive feedback, synergizing with frontogenesis to sustain the rainstorm. The relationship among the three indicates that the microphysical characteristics of small raindrops with high number concentration are regulated by the warm cloud collision-coalescence and breakup, and the frontogenesis effect provides the conditions for dynamic uplift, while the release of latent heat of condensation further strengthens the dynamic circulation by heating the atmosphere, thus forming a “microphysics-dynamics-thermodynamics” coupled mechanism for rainstorm intensification.

Key words: “23·7 torrential rain, tropical depression, raindrop spectrometer, frontogenesis function, apparent heat source, apparent moisture sink

中图分类号:

P458.1

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图/表 12

图1 京津冀区域2023年7月29日08：00—8月1日08：00累计降水量（a）及29日08：00—30日08：00（b）、30日08：00—31日08：00（c）、31日08：00—8月1日08：00（d）逐24 h降水量空间分布（单位：mm）

Fig.1 The spatial distribution of cumulative precipitation from 08：00 July 29 to 08：00 August 1 （a）， and 24-hour precipitation from 08：00 on 29 July to 08：00 on 30 July （b）， from 08：00 on 30 July to 08：00 on 31 July （c）， and from 08：00 on 31 July to 08：00 on 1 August 2023 （d） in the Beijing-Tianjin-Hebei region （Unit： mm）

图2 2023年7月29日08：00—8月1日08：00梁家庄站（a）和紫荆关站（b）逐小时雨量分布

Fig.2 The hourly rainfall distribution at Liangjiazhuang Station （a） and Zijingguan Station （b） from 08：00 on 29 July to 08：00 on 1 August 2023

图3 2023年7月30日20：00（a）和31日20：00（b）500 hPa高度场（黑色等值线，单位：dagpm）、850 hPa相对湿度（填色，单位：%）及风场（风矢，单位：m·s-1）（图中黑色方框为研究区域）

Fig.3 Height field （black contours， Unit： dagpm） at 500 hPa， relative humidity （the grey shaded， Unit： %） and wind field （wind vectors， Unit： m·s-1） at 850 hPa at 20：00 on 30 （a） and 20：00 on 31 （b） July 2023 （The black box represents the study area）

图4 2023年7月29日—8月1日怀来站（a、c）和保定站（b、d）雨滴数浓度（a、b，单位：mm-1·m-3）和雨强（c、d）随时间的变化

Fig.4 The variation of raindrop number concentration （a， b， Unit： mm-1·m-3） and rainfall intensity （c， d） at Huailai Station （a， c） and Baoding Station （b， d） from 29 July to 1 August 2023

图5 怀来站（a、c）和保定站（b、d）雨滴质量加权直径（a、b）和标准化数浓度（c、d）与雨强的散点图

Fig.5 The scatter plots of mass-weighted average diameter （a， b） and standardized number concentration （c， d） of raindrops with rain intensity at Huailai Station （a， c） and Baoding Station （b， d）

图6 2023年7月30—31日保定站双偏振雷达反射率因子（a，单位：dBZ）、差分反射率因子（b，单位：dB）、相关系数（c）及差分相移率[d，单位：（°）·km-1]的时间-高度剖面

Fig.6 The time-altitude profiles of the reflectivity factor （a， Unit： dBZ）， differential reflectivity factor （b， Unit： dB）， correlation coefficient （c）， and differential phase shift rate （d， Unit：（°）·km-1） of the dual-polarization radar at Baoding Station during 30-31 July 2023

图7 2023年7月30日14：00（a、c）和31日14：00（b、d）925 hPa锋生函数（灰色阴影，单位：10-9 K·m-1·s-1）和假相当位温（等值线，单位：K）（a、b）及沿115.5°E的经向风和垂直速度合成矢量（矢量箭头，单位：m·s-1）、假相当位温（等值线，单位：K）和锋生函数（灰色阴影，单位：10-9 K·m-1·s-1）的纬度-高度剖面（c、d）（黑色阴影是地形）

Fig.7 The 925 hPa frontogenetic function （the grey shaded， Unit： 10?? K·m?¹·s?¹） and pseudo-equivalent potential temperature （isolines， Unit： K）（a， b）， and the latitude-height cross sections of the zonal wind and vertical velocity composite vector （vector arrows， Unit： m·s?¹）， pseudo-equivalent potential temperature （isolines， Unit： K）， and frontogenetic function （the grey shaded， Unit： 10?? K·m?¹·s?¹） along 115.5°E （c， d） at 14：00 on 30 （a， c） and 14：00 on 31 （b， d） July 2023 （The black shaded represents the terrain）

图8 2023年7月30—31日保定（a）和北京（b）假相当位温（等值线，单位：K）和锋生函数（灰色阴影，单位：10-9 K·m-1·s-1 ）的时间-高度剖面

Fig.8 Time-height cross sections of pseudo-equivalent potential temperature （isolines， Unit： K） and frontogenetic function （the grey shaded， Unit： 10-9 K·m-1·s-1 ） over Baoding （a） and Beijing （b） during 30-31 July 2023

图9 2023年7月30日14：00（a、c）和31日14：00（b、d）925 hPa锋生函数水平散度项（灰色阴影，单位：10-9 K·m-1·s-1）叠加散度（等值线，单位：10-5 s-1）（a、b）和锋生函数水平变形项（灰色阴影，单位：10-9 K·m-1·s-1）叠加切变变形（等值线，单位：10-5 s-1）（c、d）

Fig.9 Horizontal divergence term of frontogenetic function （the grey shaded， Unit： 10-9 K·m-1·s-1 ） superimposed divergence （isolines， Unit： 10-5 s-1）（a， b） and horizontal deformation term of frontogenetic function （the grey shaded， Unit： 10-9 K·m-1·s-1） superimposed shear deformation （isolines， Unit： 10-5 s-1）（c， d） at 925 hPa at 14：00 on 30 （a， c） and 14：00 on 31 （b， d） July 2023

图10 2023年7月30日（a、b）和31日（c、d）视热源（Q1）（a、c）和视水汽汇（Q2）（b、d）的平均分布（单位：W·m-2）

Fig.10 Daily average distribution of apparent-heat-source （Q1）（a， c） and apparent-moisture-sink （Q2）（b， d） on 30 （a， b） and 31 （c， d） July 2023 （Unit： W·m-2）

图11 2023年7月30—31日保定（a）和北京（b）视热源（Q1）和视水汽汇（Q2）的时间分布

Fig.11 Temporal distributions of apparent-heat-source （Q1） and apparent-moisture-sink （Q2） over Baoding （a） and Beijing （b） during 30-31 July 2023

图12 2023年7月 30日（a、b）和31日（c、d）大尺度凝结潜热加热率（Hs）（a、c）和对流凝结潜热加热率（Hc）（b、d）的平均分布（单位：K·h-1）

Fig.12 Average distribution of large-scale condensation latent heat heating rate （Hs）（a， c） and convective condensation latent heat heating rate （Hc）（b， d） on 30 （a， b） and 31 （c， d） July 2023 （Unit： K·h-1）

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