An observational analysis of warm-sector rainfall characteristics associated with the 21 July 2012 Beijing extreme rainfall event

Authors

Abstract

An observational analysis of the multiscale processes leading to the extreme rainfall event in Beijing on 21 July 2012 is performed using rain gauge records, Doppler radar, and satellite products, radiosondes, and atmospheric analysis. This rainstorm process included two heavy rainfall stages in the early afternoon [1300–1400 Beijing Standard time (BST) (0500–0600 UTC)] and the evening (1600–1900 BST), respectively. The first stage exhibited warm-sector rainfall characteristics as it occurred under low-level warm and moist southeasterly flows ahead of a synoptic-scale vortex and a cold front. When the southeasterly flows turned northeastward along a southwest-northeast oriented mountain range in western Beijing, mesoscale convergence centers formed on the windward side of the mountain range in the early afternoon, initiating moist convection. Radar echo showed a northeastward propagation as these flows extended northward. Despite the shallowness of moist convection in the warm sector, atmospheric liquid water content showed the rapid accumulation, and a large amount of supercooled water and/or ice particles was possibly accumulated above the melting level. These appeared to contribute to the occurrence of the largest rainfall rate. During the second stage, as the synoptic-scale vortex moved across Beijing, with southeastward intrusion of its northwesterly flows, the vortex-associated lifting caused the generation of strong updrafts aloft and formed deep convection. This facilitated the further accumulation of supercooled water and/or ice particles above the melting level. Radar echo propagated southeastward. Liquid water showed a decrease in the lower troposphere, and there were strong downdrafts due to evaporation of liquid water particles, which resulted in the relatively weak hourly rainfall rates.

1 Introduction

Summer rainstorms in east China are often dominated by southwesterly or southeasterly monsoonal flows [e.g., Tao, 1981; Chen et al., 1991; Ding, 2004; Zhao et al., 2007]. The strong southerly flows transport abundant warm and moist air from tropical oceans and supply sufficient moisture for the development of rainstorms. Moreover, the development and track of extratropical cyclones are also sensitive to moist disturbance [Cao and Moore,1998; Cao and Zhang, 2005]. When the southerly flows hit mountains [Huang et al., 1986] or are lifted by “old” cold boundaries associated with previously dissipated mesoscale convective systems (MCSs), there is usually the occurrence of heavy rainfall events [Zhang and Zhang, 2012; Luo et al., 2014]. These rainstorms occur within warm and moist air masses with little thermal gradients that are far away from cold fronts, so they are referred to as warm-sector rainstorms [Nozumi and Arakawa, 1968; Tao, 1981]. The warm-sector rainstorms are found to account for many heavy rainfall events in China [Tao, 1981].

There have been numerous studies of warm-sector rainstorms occurring in south China. They are closely related to onsets of southwesterly monsoon or accompanied by low-level southwesterly jets ahead of Meiyu fronts [Feng and Luo, 1997; Xue, 1999; Zhou et al.,2012年7月21日北京极端降雨事件暖区降雨特征的观察分析

观测分析此次多尺度过程导致的2012年7月21日北京的极端降水事件，采用的方法有雨量计记录、多普勒雷达和卫星产品、无线电探空仪和大气分析。这次暴雨过程分为两个暴雨阶段，分别在午后和晚上。第一阶段表现出的暖区降雨特征发生在低空暖湿的东南风流动的天气尺度涡旋和冷锋下。当东南流沿着西南东北向的山脉在北京西部转向东北，中尺度辐合中心在午后在山脉迎风面形成，引发湿对流。雷达回波显示向东北传播的这些流动向北扩展。尽管浅薄的湿对流在暖区，但大气液态水含量的快速积累，以及大量的过冷水或冰粒子的积累可能高于熔点，这些有助于最大降雨率的发生。在第二阶段中，当天气尺度涡旋过北京，在北京的偏西气流入侵西北流，造成了北京一带强烈的上升气流，形成深对流。这促进了过冷水或冰粒子熔点以上水平的进一步积累。雷达回波向东南方向传播。液态水出现在对流层低层减少，并有很强的下沉气流，由于水的液体粒子的蒸发，导致相对弱小时降雨率。

中国东部夏季暴雨往往由西南或东南季风流引起。强劲的偏南气流从热带海洋传输丰富的暖湿空气为暴雨的发展提供足够的水分。此外,温带气旋的发展也有潮湿扰动。当偏南气流遇到山地地形或是有“老”的冷边界与先前消散的中尺度对流系统(mcs),通常有强降雨事件的发生。这些暴雨发生在温暖、潮湿的空气具有小的热梯度,远离冷空气。因此他们被称为暖区暴雨。

相比之下，在中国北方的暴雨通常与冷锋系统有关，干冷空气从上层侵入到对流层低层暖湿的气流中，很少发生在暖区。这阻碍了更好地理解和预测强降雨事件与华北暖区暴雨的相关关系。然而,2012年7月21日,自1976年以来在北京和邻近地区发生的最严重的每日总降雨量。这次暴雨在北京地区的区域平均有190.3thinsp;毫米（远远超过七月气候平均160.5thinsp;毫米），在北京西部的山区，24thinsp;小时累计降水460thinsp;毫米（约等于542thinsp;毫米的地方年降水量），一小时降雨85毫米以上。一些研究表明，这次暴雨是两个不同的阶段：第一阶段，锋前暴雨与地形抬升，东风出现在午后，西北风出现在晚上；第二阶段在晚上的降雨相对较弱，是一个大规模的冷锋接近北京的过程。因为它的高冲击和极端降雨事件,几项北京暴雨的研究已经出版。这些研究研究了大尺度环流系统的结构和演化(如高空急流，,暖湿的低空急流,低槽,冷锋,和切变线)有关的极端事件,也探讨了线性mcs生成和暴雨雷达回波的作用。他们比较注重前面阶段之间的差异。前阶段包括两个过程：午后一个典型的暖区暴雨（发生在东南流），产生最大小时降水量，另一个是在晚上一个低涡和西北流侵入有关，产生一个相对较弱的小时降水量。然而，以往的研究主要集中在前阶段之间的比较，而不是暖区和低涡暴雨。因此，有几个问题仍然没有答案。

2数据和方法

雷达反射率及其检索产品可以清晰的表现出降水的高分辨率特性，中尺度对流系统，云和液态水。在目前的研究中，多普勒天气雷达资料在北京站（116.47°E、经度/纬度39.81°N和M 92thinsp;海拔高程）与10thinsp;厘米（S波段）的波长，大约1°波束宽度1thinsp;公里距离分辨率，和一个体积扫描6thinsp;最小采样频率的使用。每卷扫描由九个扫描，仰角范围从0.5（基扫描）到19.5。对原始雷达数据质量控制是通过消除噪声和杂波并根据奥耶等人的方法校正多普勒速度。[ 1995 ]。尽管数据质量控制，偶尔有些噪声的雷达数据。在球形坐标中的扫描的数据，然后转换成直角坐标。使用四维变分资料同化（4DVAR）分析系统与三维云模型。三维网格（U，V，风和W）的数据来自一个在北京的单多普勒雷达径向速度。该模型包含六个预测方程，即，三个动量方程，热力学方程，雨水方程，和总水方程。模型的物理过程，冷凝和云的水分蒸发，空气中的雨滴蒸发，云降雨，沉淀的雨。此外，四维变分资料同化技术应用于这种分析系统。目标是找到一个初始状态，可以在模型集成后，产生尽可能密切的输出参数相匹配的意见。在这种分析系统中，雷达反射率的同化对反演的水平风影响不大。一些研究表明，同化分析系统检索的水平风速误差小。

在这项研究中，我们运行的四维变分同化分析系统与水平，垂直分辨率为5thinsp;公里/ 500，6thinsp;分钟间隔的研究环境thinsp;和考虑数值动态云模型。探空资料的压力，温度，和北京气象站的露点温度（54511，纬度/经度39.48°N / 116.28°E，和31.3thinsp;米海拔高程）在0800 BST 2012年7月21日作为初始轮廓。单雷达速度方位显示（VAD）在北京雷达站插值到4 dvar网格。在北京雷达站分布在网格插值同化。从雷达VAD分析计算初始水平风场、垂直速度和初始假设为零的速度，正常的边界条件被假定为零，而且，对于其他变量，它们的衍生物正常的边界也被假定为零。

在这雨滴谱被假定为M-P分布；Zi是三维网格的雷达反射率因子I级；Delta;h是不同的（500thinsp;米）高度水平；n是总垂直水平数。使用这种方法，VIL从表面熔化层（或0°C级）来自雷达反射率。尽管这些雷达的反演产品有不确定性，他们仍然被广泛地应用于分析结构和演进的对流系统。此外，相当黑体温度（以下简称TBB）与水平分辨率为5thinsp;公里在30分钟间隔来自中国风云静止气象卫星数据，也被用于研究云的特点。

他们的研究表明,当这个过滤器执行三次网格数据的水平分辨率≦100公里,仍然超过95%(约2000公里)天气尺度的信息和超过70%(约500公里)的中尺度信息。他们把这个过滤器应用于分析华北中尺度特征。在目前的研究中,我们应用这个过滤器的NCEP最终分析数据集。此外，我们使用的准地转omega;（速度）方程量化速度由天气尺度的隔离效果和地形强迫。准地转omega;方程写为

3时间和空间特征

高分辨率雷达拼图（以下简称CR列的最大反射率）表现出21日12.00强烈的对流反射率在北京西南部超过40dbz，小值（低于35thinsp;dbz）在HB附近（图2a–2D），12.00（图2E和2F），西北东南方向的高Cr值（与中央值45dbz以上的）在北京西南向东北方向移动。14.00（图2G），这种高Cr带穿过HB，在其附近再次出现一个新的Cr中心。当地暴雨期间13.00 - 14.00 (如图1c)，这些庞大的CR值相一致的发展。随后，15.00在HB附近下降。同时，大面积Cr40dbz以上thinsp;出现在北京西南部（近39.5°N / 115.5°E）向东移动。这强回声带在16.00-19.00穿过HB，这对应于暴雨在晚上的时间（图1C）。

很明显,从中午到晚上的暴雨，雷达回波显示两种不同的传播通过HB.从12.00-14.00，Cr在北京的西南向东北移动并加强,这在HB恰逢第一次强降雨过程。7月21日16.00-23.00,CR显示以偏西风传播为主，来自北京西部通过HB向东南传播，并持续很长一段时间,伴随着晚上HB第二强降雨过程。这种差异表明两个暴雨过程可能与两种不同的天气系统有关,下面检查。

在本节中,我们利用大气分析数据,雷达衍生产品(如水平和等),和卫星产品，分析天气尺度和中尺度大气环流特征的两个暴雨过程(在午后和晚上)。