2022年7月10日北京城區(qū)局地暴雨分析（二）

1、2022年7月10日北京城區(qū)局地暴雨分析二二、降雨成因分析強(qiáng)降水的形成通常受多種因素影響，與此相關(guān)的因素卻極為復(fù)雜。而且它們彼此之間穿插反應(yīng)，互相影響，形成各種各樣的有利與不利條件。這些因素的變化，不僅與大雨滴增長和降落的物理過程親密相關(guān)，而且與強(qiáng)降水的降水效率也有很大的關(guān)聯(lián)。無論是宏觀、微觀，或哪一種尺度的影響因素，它們都是錯(cuò)綜復(fù)雜的，而且是互相制約的。但是，最根本的形成必須具備充足的水汽以及水汽凝結(jié)成大量大雨滴并降落下來的條件，即水汽條件、垂直運(yùn)動(dòng)條件、云滴增長條件。1、各高度上的水汽分布分析7月9日20時(shí)和10日08時(shí)850HPA、700HPA、500HPA圖的溫度露點(diǎn)差的分布情況，見表

2、2。表2.北京上空各層濕度狀況等高面日期850HPA700HPA500HPATT-TdTT-TdTT-Td9日20時(shí)180.8101.54.91110日08時(shí)151.371.80.715從表2中我們可以看出，在850HPA500HPA的大氣層結(jié)中，下層的水汽含量遠(yuǎn)比上層的水汽含量大，并且，這種下濕上干的配置日趨加強(qiáng)。我們知道，這種上干下濕的構(gòu)造，配合低層的持續(xù)高溫，正是典型強(qiáng)對(duì)流天氣形成的必要條件。此外，從天氣圖中也可以反映出濕度在華北地區(qū)各層中分布的不均勻性。一般來講，高濕度帶與雨帶的配置極為親密，與強(qiáng)降水過程的對(duì)應(yīng)關(guān)系非常好。不僅可以反映出雨帶的位置的挪動(dòng)情況，而且還可以反映出雨強(qiáng)的大校高

3、濕度區(qū)對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)大，低濕度區(qū)對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)校不難看出，此次北京城區(qū)的暴雨比周邊地區(qū)強(qiáng)的原因也就是由于這種高濕高雨強(qiáng)互相對(duì)應(yīng)的一個(gè)很好的例證。從本站地面觀測(cè)資料中相對(duì)濕度的連續(xù)變化也可以反映出低層的這種不斷的增濕過程。見表3.表3.石景山氣象站近地層濕度連續(xù)變化情況時(shí)日7月7日時(shí)月日時(shí)本相對(duì)濕度連續(xù)觀測(cè)值21222324123456789101112131415161718192074951515968727777856968595351464038406982646367718747479848887909391907773605551534736353551586265979889490949797

4、989796867773686160515450555457616510717479859192928990908684828077777790919497989997從上表我們可以看到,本站下層連續(xù)5日都處于高濕狀態(tài),尤其從8日17時(shí)開場(chǎng)持續(xù)增濕,10日11時(shí)起,濕度呈明顯的遞增趨勢(shì),直到13時(shí)38分降雨開場(chǎng)。可見濕空氣在北京地區(qū)積聚時(shí)間已達(dá)相當(dāng)長一段時(shí)期，這說明，北京地區(qū)的上空為一大濕度區(qū)，這樣的低空濕度環(huán)境對(duì)這次局地性暴雨的形成創(chuàng)造了極其有利的條件。2、有利于對(duì)流開展的單站條件下面以石景山氣象站觀測(cè)資料為例，分析有利于北京地區(qū)形成暴雨的單站溫、濕度環(huán)境。7月4日起至8日，本站日平均氣溫為

5、27.825.927.627.026.6，均高于7月上旬歷年溫度平均值25.8。由連續(xù)觀測(cè)記錄來看，7月上旬中29日，石景山站的日最高溫度均大于30，最高溫度達(dá)35.5，也就是說，到7月10日為止，持續(xù)高溫天氣為這次強(qiáng)降雨的形成創(chuàng)造了良好的熱力條件。表4.石景山站710日地面資料日期平均值6日7日8日9日10日氣溫25.927.026.625.424.0相對(duì)濕度5361657492氣壓993.1997.0998.1997.6996.1從上表可以得出這樣的結(jié)論:從6日至9日低層為一個(gè)增濕的過程。高溫、高濕的下墊面已經(jīng)產(chǎn)生，地面能量充分積累，這種潛在不穩(wěn)定能量一量得以觸發(fā)，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)雷雨天氣，形成

6、一場(chǎng)大量級(jí)的降水。3、垂直運(yùn)動(dòng)條件當(dāng)大氣具備了真潛不穩(wěn)定或?qū)α餍圆环€(wěn)定的層結(jié)時(shí)，它所具備的不穩(wěn)定能量是潛在的。要使?jié)撛诘淖優(yōu)楝F(xiàn)實(shí)，必須有足夠的抬升熱為和動(dòng)力的，否那么對(duì)流還是不會(huì)開展，這是對(duì)流開展的充要條件。抬升作用至關(guān)重要，一方面是使空氣上升到達(dá)飽和凝結(jié)志水滴降落下來，另一方面是將程度輸送來的水汽向上輸送。對(duì)于潮濕空氣，這種垂直運(yùn)動(dòng)顯得尤其關(guān)鍵，因?yàn)槟茉丛床粩嗟叵蛏陷斔退＿@次暴雨產(chǎn)生的大的環(huán)流背景是歐亞、中西伯利亞低渦、低槽的產(chǎn)生，在北緯40附近又多低槽活動(dòng)，北京地區(qū)處于兩個(gè)高空槽之間，受高壓脊控制。從9日20時(shí)500HPA分析圖上看到，河套地區(qū)西部有一低槽形成并逐漸緩慢向東挪動(dòng)，從10

7、日早晨08時(shí)的高空500HPA分析圖看到，高空槽前北京西南部的太原附近增濕明顯，高空槽挪動(dòng)加速，在河套地區(qū)北部產(chǎn)生切變，生成風(fēng)場(chǎng)氣旋，對(duì)應(yīng)-12冷中心。在低槽迅速東移的過程中，北京逐漸進(jìn)入槽區(qū)，受槽前上升氣流控制，上升速度呈北高南低的分布特點(diǎn)。強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動(dòng)使槽不斷加深，在北京東北部上空逐漸開展成一個(gè)完好的低渦系統(tǒng)。同時(shí)，在地面產(chǎn)生一條強(qiáng)冷鋒帶。這條強(qiáng)冷鋒突然加速，呈前傾形式，此時(shí)高空槽線700HPA與地面鋒位置根本重合。隨著高空冷空氣急速東移南下，不斷向北京移近，經(jīng)過北京上空時(shí)下沉增暖并被低層空氣加熱，變?yōu)榕傻目諝?，而低層由于低空急流的存在，使南方暖而濕的空氣不斷向北輸送。這兩種不同

8、性質(zhì)的氣團(tuán)相遇后，由于濕度梯度很大而形成了一干濕分界面。這使得暖空氣在此處被迫抬升，迅速凝結(jié)，形成大量可以降落的雨滴。在10日20時(shí)我們分析高空500HPA和700HPA高空?qǐng)D時(shí)都可以看到這個(gè)低渦系統(tǒng)，此時(shí)北京處于這個(gè)低渦系統(tǒng)的底部，受槽前上升氣流控制。但從下午的衛(wèi)星云圖分析，低渦中心的位置已有向東北方向挪動(dòng)的趨勢(shì)，并且其強(qiáng)度明顯的減弱。冷渦是一個(gè)深沉的斜壓系統(tǒng)，其形成、挪動(dòng)、滯留與大尺度環(huán)系統(tǒng)有親密關(guān)系。一般來講，低渦云系在內(nèi)陸地區(qū)的挪動(dòng)較為緩慢，中心位置不變或少變。由于受低渦底部槽前上升氣流的控制，北京城區(qū)的垂直上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)烈，濕層最厚，不穩(wěn)定能量最集中，產(chǎn)生的降雨也最多。因此，高空冷渦的

9、存在是這次暴雨產(chǎn)生的動(dòng)力條件。這次降水中心挪動(dòng)緩慢，從衛(wèi)星云圖和雷達(dá)回波上可以看到，雨區(qū)沿渦旋方向挪動(dòng)，直到不穩(wěn)定能量釋放完畢后，高空冷渦才由北京上空移出，向東北地區(qū)開展。2、風(fēng)風(fēng)傳輸水汽的重要?jiǎng)恿σ蜃?，西南氣流源源不斷地把水汽從海洋等源地?jīng)由水汽通道輸送到高緯地區(qū)，給中高緯地區(qū)帶來充足的水汽。單靠大氣中現(xiàn)存的水汽含量要產(chǎn)生大的降雨，特別是7月10日這樣的暴雨是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須有水汽的不斷供應(yīng)，水汽不斷凝結(jié)降落才有可能。因此，西南氣流的存在是大雨形成的重要因子。我們?cè)诜治?.10局地暴雨時(shí),特別分析了產(chǎn)生這次強(qiáng)降水的低空急流條件,即這次暴雨的重要水汽來源。低空急流是一支暖而濕的氣流，在急流軸上

10、和急流軸的附近，濕度很大，最大水汽軸線與最大風(fēng)速線是一致的，形成一個(gè)與急流走向一致的濕舌。所以低空急流是向北向上輸送水汽的最主要通道。在低空急流軸上，假相當(dāng)位溫se最大，而在軸的左側(cè)se隨高度減小，所以在急流軸左側(cè)經(jīng)常處于位勢(shì)不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于對(duì)流的開展。我們?cè)陲L(fēng)廓線圖上可以明顯地看到北京上空低層存在一個(gè)大風(fēng)速區(qū)，最大風(fēng)高度位于500米左右。在850HPA圖上14/s以上的較大范圍的西南氣流出如今雨區(qū)的南側(cè)，而且主要出如今降雨開展階段。隨著降雨的加強(qiáng)，西南風(fēng)急流的南風(fēng)分量不斷加強(qiáng)。南風(fēng)分量的加強(qiáng)，意味著水汽輸送才能的加強(qiáng)。強(qiáng)降雨開展前和開展期間，大量的暖濕氣流被輸送到雨區(qū)來，為這次強(qiáng)降水的開展

11、提供了充分的水汽條件。另外，在急流中，風(fēng)的垂直切變很大，使大氣層結(jié)處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。為中尺度系統(tǒng)的開展提供了有利條件。4、城市小氣候影響北京是個(gè)熱島效應(yīng)很強(qiáng)烈的城市，一般來講，在同緯度地區(qū)，北京的日平均溫度和年平均溫度最高，而熱力條件是降雨產(chǎn)生的一個(gè)必要條件，因此，這次暴雨的落區(qū)在北京城區(qū)內(nèi)也就缺乏為奇了。然而，溫度的上下并不能代表這個(gè)地區(qū)的降雨一定充分或是一定缺乏。降水的產(chǎn)生受多種因素的制約，如季風(fēng)、大尺度環(huán)流系統(tǒng)、局地地形、小氣候因子等等。我們這里討論的是這種地方性小氣候?qū)邓a(chǎn)生的影響。北京7月上旬的濕度一直維持在一個(gè)較高數(shù)值。這種低層高溫、高濕狀態(tài)在北京氣候史上曾屢次出現(xiàn)，已經(jīng)成為很具

12、地方特點(diǎn)的一種小氣候特征。這種狀態(tài)除了與低氣壓，空氣不易擴(kuò)散相聯(lián)絡(luò)，還與一些城市因子有關(guān)。如在石景山地區(qū)，石景山電廠、首都鋼鐵公司廠區(qū)內(nèi)都設(shè)置了排放量很大的工業(yè)用煙囪，因?yàn)橄M(fèi)需要，這些煙囪晝夜不停地向空中排放廢氣。一方面，高溫的廢氣對(duì)低層大氣起到加溫、增濕的作用，另一方面，煙囪中排放、汽車排放、空調(diào)制冷等在對(duì)空氣加熱的同時(shí)排放出來的細(xì)小塵粒大大增加了空氣中氣熔膠的數(shù)量使下層由于低氣壓而擴(kuò)散不開的水汽大量附著，懸浮在大氣低層。這就使得北京城市地區(qū)下層具備了優(yōu)于周邊地區(qū)的產(chǎn)生降雨的有利條件。根據(jù)這個(gè)假設(shè)，我們對(duì)歷史資料進(jìn)展模擬分析。驗(yàn)證低層大氣加熱和污染物的增加對(duì)降水系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每

13、當(dāng)大的降水系統(tǒng)，特別是穩(wěn)定的降水系統(tǒng)經(jīng)過潮濕的水體上空及周圍地區(qū)時(shí)，降雨強(qiáng)度加大，降雨總量也有明顯加大；同一降水系統(tǒng)經(jīng)過下方有加熱和污染物存在的地點(diǎn)時(shí)，降水強(qiáng)度也會(huì)有明顯加大，降水總量也明顯增多，與水體的加濕作用相類似。從2022年7月10日之后的幾場(chǎng)大雨來看也得出同樣的結(jié)論：北京城區(qū)降水量在各地的分布有很大差異，大的雨量點(diǎn)總是出如今較大的水體上空和空氣污染物較多的地方。這些地點(diǎn)小氣候特征明顯，極易形成良好的不穩(wěn)定能量聚集。這次強(qiáng)降雨的分布恰好吻合上述假設(shè)，因此，污染物的存在和下墊面空氣的加熱作用加劇了不穩(wěn)定能量的產(chǎn)生。低空污染源不僅對(duì)環(huán)境造成惡劣影響，也對(duì)強(qiáng)降雨具有不可忽略的奉獻(xiàn)。三、暴雨強(qiáng)

14、度分析本次分析重點(diǎn)計(jì)算松林閘雨量站和天安門雨量站不同時(shí)段的降水量，根據(jù)北京市水文手冊(cè)、北京市政暴雨強(qiáng)度公式，分別確定各時(shí)段降水量的重現(xiàn)期，見表5.、表6.。表5天安門站雨量重現(xiàn)期計(jì)算時(shí)段(分鐘)5101520304560901201802403601440雨量毫米19.030.04044.056.867.971.878.182.697.4102.8104.5106水文重現(xiàn)期年15201553市政重現(xiàn)期年20203015202015108表6松林閘站雨量重現(xiàn)期計(jì)算時(shí)段(分鐘)5101520304560901201802403601440雨量毫米6.511.516.520.526.034.042.

15、547.055.458.862.764.265.8水文重現(xiàn)期年1.52321.5市政重現(xiàn)期年0.40.50.80.90.91.31.81.82根據(jù)計(jì)算可以看出，本次局地暴雨的總量并不是特大，其24小時(shí)降水值的重現(xiàn)期為1.53年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于北京城市河道現(xiàn)有的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，本次暴雨并沒有給城市河道防洪帶來壓力。本次暴雨的短歷時(shí)降水非常大，降雨強(qiáng)度高，暴雨中心10分鐘、30分鐘、45分鐘、60分鐘等幾個(gè)特短歷時(shí)降雨強(qiáng)度重現(xiàn)期超過15年一遇，而北京城區(qū)目前大局部排水管道均按照0.5年、1年、2年一遇的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。因此可以說，降水強(qiáng)度超出排水設(shè)計(jì)才能是此次暴雨中心區(qū)發(fā)生了大面積積水情況的主要原因之一。

16、四、暴雨產(chǎn)匯流計(jì)算本次計(jì)算以城市中心區(qū)為計(jì)算區(qū)，面積為94平方公里，雨量及雨型直接采用天安門雨量站資料。該區(qū)不透水面積大于70%，徑流系數(shù)采用0.6。根據(jù)計(jì)算區(qū)域總降水量996.4萬立方米，產(chǎn)流量597.8萬立方米。匯流采用納須瞬時(shí)單位線模型計(jì)算。瞬時(shí)單位線就是在瞬時(shí)無限小的時(shí)段內(nèi)，流域上降一個(gè)單位的地面凈雨水量在出口斷面形成的地面徑流過程線，通常以u(píng)(0,t)表示。瞬時(shí)單位線假設(shè)流域的匯流作用可以由串聯(lián)的n個(gè)一樣的線性水庫的調(diào)蓄作用來代替，那么，流域出口斷面的流量過程便是流域凈雨經(jīng)過這些水庫調(diào)蓄后的出流。根據(jù)這個(gè)設(shè)想，導(dǎo)出瞬時(shí)單位線的數(shù)學(xué)方程為式中n線性水庫的個(gè)數(shù)n的嘎函數(shù)K線性水庫的調(diào)蓄系

17、數(shù)，具有時(shí)間因次e自然對(duì)數(shù)的底。本次計(jì)算瞬時(shí)單位線所取時(shí)段為1小時(shí)，這主要是由于計(jì)算面積小匯流時(shí)間快的原因。計(jì)算徑流過程結(jié)果如下列圖，最大流量282立方米/秒，這與樂家花園實(shí)際測(cè)驗(yàn)流量接近，此外此次城市河湖排掉污水100萬立方米，蓄滯雨水150萬立方米。五、結(jié)論與建議1、本次降雨具有強(qiáng)度大、雨量大、突發(fā)性強(qiáng)、短歷時(shí)強(qiáng)度大、不均勻分布和持續(xù)時(shí)間較長的特點(diǎn)。是北地區(qū)入汛以來的第一場(chǎng)暴雨。降水初期以陣性為主，后轉(zhuǎn)穩(wěn)定性降水。降水量在時(shí)空分布上呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，降水量以城區(qū)為中心向周邊遞減。2、降水的主要影響系統(tǒng)是來自河套地區(qū)的高空低槽移近北京上空時(shí)與北京上空的曖濕空氣相結(jié)合產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流不穩(wěn)定。在低

18、槽移的過程中高空冷低渦的產(chǎn)生是此次暴雨形成的動(dòng)力條件。低空急流的存在是這次持續(xù)性暴雨產(chǎn)生的一個(gè)重要水汽來源。它源源不斷地將南方曖濕氣流向北輸送，與來自北方的干冷空氣在北京的上游地區(qū)相遇，給這次大暴雨的形成提供了一條水汽通道。3、城市小氣候?qū)@次暴雨所產(chǎn)生的作用十清楚顯，下墊面的加熱作用和懸浮微粒的存在加大降水量級(jí)。因此，污染物的排放對(duì)大范圍降水的影響不容無視。4、通過本文分析，可以看出7.10降雨總量并不是太大，重現(xiàn)期1.53年，而造成一定災(zāi)害主要是由于短歷時(shí)降雨強(qiáng)度大，城市下墊面不透水面積大造成徑流系數(shù)大、匯流時(shí)間縮短，雨量小而峰量大。、此次暴雨短歷時(shí)強(qiáng)度超出現(xiàn)有大多數(shù)排水管道的設(shè)計(jì)排水標(biāo)準(zhǔn)，造成積水。這與路面整體構(gòu)造設(shè)計(jì)和路面鋪設(shè)材料的選取有直接關(guān)系。建議今后在重要路段排水設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)進(jìn)步設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，改良路面材料的浸透性，盡可能減少主要交通干道的積現(xiàn)象。、建立完善的城市洪水排蓄體系，最大程度搞好城市蓄水，減少因