北京“7.21”极端暴雨中暖区对流、龙卷性超级单体、飑线的发生机理及其可预报性研究

On 21 July 2012, the most severe heavy rain fall associated with a rare tornado and squall lines since the establishment of the weather station in 1951 occurred in Beijing.A total of 78 people were killed. Observational analyses show that warm-sector convection that occurred before the affect of large-scale system was the key to the forecast of this extreme weather,and the long-lasting mesoscale convective cluster was the direct reason for the extremely large precipitation. To investigate the predictbility of this kind of extreme weather, focusing on the operational forecast difficulties in warm-sector convection initiation and extremely large precipitation, through radar and wind profiler data assimilation and cloud-resolving high-resolution numerical simulation, this project will: (1) explore the possible roles of topography and mesoscale processes of PBL in warm-sector convection initiation, (2) examine the evolution mechanism of the disorganized warm-sector convection in early stage and the highly organized squall line later on; (3) investigate the dynamic and thermodynamic conditions for the formation of the supercells and the tornado in the heavy rainfall process. This study involves almost all large, meso to small scale systems and their complicated interaction that may be associated with heavy rainfall in North China. It is expected to find the reasons for the lag of the beginning of the forecast rainfall and the underestimation of the total precipitation, and provide scientific basis for the improvement of forecast capability of extreme rainfall event in Beijing and even also in North China.

2012年7月21日，北京发生了一次1951年建站以来最强的暴雨过程，并伴有罕见龙卷和飑线，死亡78人。观测分析表明，在大尺度系统影响之前发生在暖区的对流是此次极端天气预报的关键，长久维持的中尺度对流群是形成降水特别巨大的直接原因。为了探讨预报此类极端天气事件的可能性，本项目将针对暖区暴雨触发和极端降水的业务预报难点，通过对该过程雷达和风廓线等中尺度观测资料的分析同化和高分辨数值模拟，(1)探讨地形和边界层中尺度过程对暖区对流的触发机理；(2)研究前期暖区无组织对流和后期高度组织化飑线的演变机理；(3)考察大暴雨中产生超级单体和龙卷的动力和热力条件。上述研究涉及与华北暴雨相关联的几乎所有大、中、小尺度系统及它们之间复杂的相互作用，研究成果将为此次暴雨预报开始时间偏晚整体雨量偏小等预报误差找到可能的原因，为提高北京乃至华北地区极端降水事件预报能力提供必要的科学理论基础。

本项目揭示低涡是北京7.21极端暴雨的关键影响系统。该低涡呈现东西两个倒槽，东部倒槽北部的地面辐合线造成多条东西向雨带，不断自西南向东北移动，形成暖区暴雨。西侧倒槽和南侧低压槽构成一条狭长的东北西南向辐合线，造成一条弱雨带。后期两条槽线合并导致近似南北向的强对流雨带。极端暴雨主要由低涡东侧倒槽导致，多条雨带后向增长，移动缓慢。业务预报中暖区暴雨漏报以及雨量偏低的误差主要是源于低涡模拟的误差，特别是低涡东侧倒槽的结构和强度演变特征。项目使用EnKF集合同化技术通过对地面和探空资料的同化，改善了低涡的模拟，从而显著改善了暖区暴雨以及整个极端暴雨的模拟效果。 .项目通过我国首次精细到街道尺度的灾害调研证实了7.21暴雨过程中通县EF3龙卷的发生，揭示出超级单体中气旋和龙卷涡旋的演变与龙卷灾害路径和强度的变化高度一致，预示着业务雷达在龙卷预警中的重要性。项目通过理想云分辨数值试验较好地再现了超级单体和龙卷的演变，揭示了0-3km的风垂直切变是超级单体发生的关键因子，龙卷和超级单体的模拟对背景探空、初始热泡的强度、水平和垂直分辨率、以及地面摩擦力非常敏感，而提高分辨率和加进地面摩擦并不能改善超级单体和龙卷的模拟。这些结果对未来超级单体和龙卷的研究和预报具有重要参考价值。.项目基于7.21北京龙卷的研究经验，开展了一系列我国强风灾害调研和雷达分析的拓展研究。通过我国历史上首次的无人机气象灾害调研，揭示了2015年6月1日“东方之星”客轮倾覆时遭遇了飑线弓形回波里下击暴流的至少31m/s的强风；在国际上首次对台风龙卷做了详细的灾害调查和雷达分析，揭示了台风环境下龙卷与其母体超级单体的相互关系；通过对2016年6月23日盐城EF4龙卷的灾害调查和雷达分析揭示了我国稠密的地面分钟观测对龙卷监测和预警的关键作用。通过对2017年8月11日赤峰EF4龙卷的灾害调查和雷达分析揭示了复杂山地下垫面的多龙卷特征。这些研究为我国气象灾害调研走向正规化和专业化起到了引领和示范作用。