2013年北京地區一次強對流天氣過程分析

李浚河，耿建軍，張淅妍，伊群禮

（1.中國氣象科學研究院，北京　100081；2.南京信息工程大學，南京　210044；3.北京市氣象局，北京　100089；4.和田地區氣象局，新疆　和田848099）

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2013年北京地區一次強對流天氣過程分析

李浚河1，2，3，耿建軍3，張淅妍3，伊群禮4

（1.中國氣象科學研究院，北京100081；2.南京信息工程大學，南京210044；3.北京市氣象局，北京100089；4.和田地區氣象局，新疆和田848099）

摘要：2013年6月11日08時至12日08時，北京地區出現了一次強對流天氣過程，部分站點出現冰雹、短時強降水等災害性天氣。通過分析此次過程的大尺度天氣環流背景、物理量場、北京S波段新一代天氣雷達基本反射率因子、徑向速度、一小時累積雨量等產品、以及海淀風廓線探測數據、5min加密自動站數據，得出如下結論：（1）本次過程主要是對流層中層溫度槽落后于高度槽，系統斜壓性較強，發展較好。（2）源于東部沿海的暖濕空氣持續輸送，為后續強對流天氣提供了充沛的水汽和不穩定能量。（3）本站不穩定能量的積聚為對流性天氣的形成發展提供了良好的觸發維持條件。（4）懷柔、湯河口降雹之前，多普勒天氣雷達速度圖上反映出明顯的中氣旋特征；反射率因子圖存在鉤狀回波，相應的垂直剖面具有回波懸垂、三體散射等特征。（5）南風分量明顯加大，有利于水汽的輸送，中尺度切變線的存在有利于氣流輻合，強回波穩定少動,產生短時強降水。

關鍵詞：強對流；三體散射；中氣旋

李浚河，耿建軍，張淅妍，等.2013年北京地區一次強對流天氣過程分析[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（2）：25-30.

強對流天氣是造成氣象災害的主要天氣類型之一，主要包括冰雹、龍卷、雷雨大風和暴洪[1]。在中國，強對流天氣每年都會造成嚴重的人員傷亡和財產損失。據統計，我國每年因各類氣象災害而造成的損失，平均約占國民生產總產值3% ～5%，而強對流災害性天氣造成的危害占氣象災害總損失中的比例也較高[2]。現在頻繁出現的城市內澇、山洪泥石流等對國民經濟發展和人民生命財產安全均造成極大的威脅和傷害。強對流天氣具有空間尺度小、突發性強、生命期短等特點。在日常中短期業務中難以對其作出相對準確的預報，因此強對流天氣的監測和臨近預報、預警成為氣象業務部門最為關心的關鍵問題。國內外氣象工作者在這方面做了許多有益的工作，如Lemon LR.[3]提出一個可以業務化的預報大冰雹指標--三體散射特征。廖玉芳、俞小鼎[4]等分析了2002年5月14日19:00—21:00影響湖南常德地區的3個對流風暴的雷達回波，觀測到了與超級單體相聯系的中氣旋和龍卷式渦旋特征（TVS），這也是在中國首次探測到了三體散射（TBSS）和龍卷式渦旋特征（TVS），這兩個分別指示大冰雹和龍卷的雷達回波特征。李向紅、唐熠[5]等對2004年11月9—11日桂林一次強對流天氣過程的雷達回波進行特征分析，認為列車效應造成桂林北部的暴雨，三體散射長釘的雷達回波特征可用于提前15～22 min預警大冰雹。李文娟、鄭國光[6]等從大尺度影響系統、不穩定層結、上升運動、雷達回波特征等方面對山東境內的一次中氣旋冰雹天氣過程進行了診斷分析。孫靖、王建捷、孫軍、方翀，毛冬艷等對北京地區的強對流天氣及伴有的明顯中尺度降水特征也做了詳細的研究[7-9]。李圓圓、支竣[10]等對2013年6月18日發生在新疆喀什地區境內的一次罕見強冰雹天氣從天氣形勢、中尺度系統、水汽條件、雷達回波特征等多方面進行了綜合分析。上述氣象工作者的研究工作加深了我們對于強對流天氣的認識。

2013年6月11日08時—12日08時北京地區出現一次強對流天氣過程。此次過程有2點值得關注：1）豐臺、石景山、海淀、密云、湯河口5個測站出現冰雹，冰雹直徑最大為湯河口13 mm；2）雨量分布極不均勻，最大降雨出現在密云大城子38.4 mm，11 日19—20時該地小時雨強達33 mm/h。本文將從天氣環流形勢、物理量場、雷達回波特征等幾方面對本次強對流天氣過程進行分析，以期對今后此類強對流天氣的預報服務工作有所助益。

圖1　2013年6月11日08時—12日08時雨量分布圖（單位：mm）

2　大尺度環流形勢背景及系統影響

6月10日500 hPa河套地區的溫度槽明顯落后于位于河套以東的高度槽。北京地區處于500 hPa槽前西南氣流中，850 hPa及以下低層有明顯的偏東風氣流。地面場上北京東部地區至山東半島呈氣旋式環流，為中尺度對流系統的發生發展提供了有利的上升條件。20時北京位于500 hPa高空槽前，在低層處于850 hPa低渦及地面輻合中心區，中低層系統有著較好的配置。11日08時冷空氣入境，北京地區發生了較強的對流天氣。12日08時影響系統已經過境，北京地區高低空都已轉為西北氣流控制，降水過程結束。

從風場上看，10日08時北京地區700 hPa主要為偏北氣流，850 hPa及以下為明顯的偏東氣流并且長時間維持。由11日08時850 hPa和925 hPa水汽通量散度也可以看出，北京及河北以東地區處于水汽通量散度負值區，表明北京地區位于水汽通量輻合區。從700 hPa相對濕度場看，大濕度區是集中在北京及其以東地區（圖2）。因此長時間維持并加強的偏東風不僅有利于北京地區的風場輻合，也給北京地區這次降水提供了較好的水汽條件。

圖2　2013年6月11日08時500　hPa高空槽（棕色實線）、溫度槽（藍色三角線）、700　hPa垂直速度上升區（黑虛線閉合區）和濕舌（綠線內區域）

3　物理量場分析

3.1垂直上升運動

10日20時開始至11日08時北京地區低層上空都是垂直速度負值區（圖2中黑虛線閉合區域），有較強的垂直上升運動，尤其北部地區更為明顯。11 日20時垂直速度上升區縮減到北京地區的東北區域，12日08時北京低層上空已轉為垂直速度正值區，抬升運動消失。

3.2不穩定條件

從北京54511站08時、14時、20時三次探空計算得到的物理量參數（表1）可以看出，K指數遞增，SI指數遞減，大氣越來越不穩定，為對流的觸發、發展提供了良好的環境；風暴相對螺旋度逐漸增大，過程中0℃層和-20℃層的高度的變化有利于冰雹的出現。

表1　6月11日08時、11時、14時探空物理量參數

從2013年6月11日14時北京溫度對數壓力圖（圖3）可以看到，從1000 hPa到300 hPa整層存在不穩定能量，同時850 hPa和1000 hPa間存在風向的垂直切變，700 hPa和850 hPa及以下層次存在風速切變。

圖3　2013年6月11日14時北京溫度對數壓力圖

4　多普勒天氣雷達資料分析

12:18懷柔北部有一塊強度為46 dBz的回波生成（圖4a），隨后其以30 km/h速度向東南方向移動，13：24在其右側有強度為38 dBz的對流單體新生，30 min后（13：54）該新生單體中心強度加強為58 dBz，同時在其右側出現兩個間距大約25 km的新生回波，他們的中心強度大約為30 dBz，隨后這些單體不斷加強，15：00形成弧狀中尺度對流復合體（圖4b），強中心強度為61 dBz，向東南偏南方向以30 km/h速度掠過北京城區，造成伴有雷電的降水。19：00一塊中心強度為58 dBz的強對流回波從密云東南部地區（圖4c），以25 km/h速度向西南方向移動，同時強度不斷增強，范圍不斷增大。19:30強中心強度達到64 dBz（圖4d），隨后回波穩定少動，強度維持在50 dBz以上，因此造成了密云大城子19—20時小時雨量達33 mm，多普勒雷達一小時累積降水產品顯示為44 mm。

20:00多普勒徑向速度產品出現中氣旋特征（圖5）：低層（1.5°）輻合，中層（2.4°）旋轉，高層（3.4°）輻散。從19：30—20：30該處垂直積分液態水含量的變化情況（圖6）可以看出，VIL在20：00前后有個明顯的躍升，從18 kg/m2跳變到48 kg/m2。20：10該處反射率因子圖上出現鉤狀回波，沿鉤狀回波作垂直剖面可看到明顯的回波懸垂、三體散射特征（圖7）。

圖4　1.5°基本發射率因子圖

以上分析可知：此次過程發生冰雹的相應時刻,多普勒天氣雷達速度圖上反映出明顯的中氣旋特征；反射率因子圖存在鉤狀回波，相應的垂直剖面具有回波懸垂、三體散射等特征。12日01：00降水回波基本移出北京境內，降水趨于結束。

圖5　2013年6月11日20時多普勒雷達1.5°、2.4°、3.4°基本速度圖

從6月11日20：35北京地區地面自動站探測圖也可看出：位于北京東部的密云、平谷交界處存在一個明顯的切變線，維持約30 min，這十分有利于氣流輻合，在切變線附近區域產生局地強降水。

圖6　2013年6月11日19：30—20：30懷柔中氣旋區域VIL變化圖

5　海淀風廓線儀資料分析

根據位于北京海淀的風廓線儀觀測資料可以看到（圖8），降水發生前，海淀站925 hPa及以下低層為東南風,其長時間維持并有所加強，這十分有利于本站地區水汽的輸送。

圖7　2013年6月11日20：10懷柔雷達強回波區垂直剖面圖

在13：00（圖8中紅色豎線處）之前，850 hPa以上為西北氣流，風力達到10 m/s。850 hPa與925 hPa之間為偏西及偏南氣流，925 hPa以下是偏東風。12:18之后低層東南風氣流開始明顯加強，240 m之上風速達到8 m/s。13:00開始，850 hPa高度發生明顯風切變，一直維持到13:48左右，低層東南風在14：00前逐漸都轉變為南風。這與14時探空曲線圖上看到的850 hPa附近的明顯風向切變是相一致的。結合高空圖分析也可看出，高空700 hPa上下風向發生轉向，因此在降水發生時有700 hPa高空橫切變過境。

由此可見，在此次強對流發生之前1 h左右，已經可以在風廓線雷達的垂直結構上看到明顯風切變，較強的垂直風切變是冰雹產生的必要條件之一。此外，低層東南風風速存在著風速的脈動，這種脈動也很容易觸發強對流。

圖8　海淀風廓線圖（12:12—14:12，6月11日）

6　結論

（1）此次降水發生前500 hPa溫度槽落后于高度槽，系統斜壓性強。北京位于500 hPa槽前，低層有明顯的偏東氣流并且長時間維持，有利于北京地區的低層風場輻合。北京地區位于850 hPa低渦及地面輻合中心區，中低層有著較好的配置。11日冷空氣過境引發了此次強對流天氣。過程中較強的不穩定能量及垂直上升運動促進了短時強降水、冰雹等強對流天氣的發生。

（2）本站不穩定能量的積聚為對流性降水的形成提供了良好的觸發條件。同時850 hPa和1000 hPa間存在風向的垂直切變，700 hPa和850 hPa及以下層次存在風速切變；中尺度切變線的存在有利于強對流天氣的形成。

（3）湯河口發生冰雹的相應時刻,多普勒天氣雷達速度圖上反映出明顯的中氣旋特征；反射率因子圖存在鉤狀回波，相應的垂直剖面具有回波懸垂、三體散射等特征。

（4）風廓線雷達資料對于強對流天氣的發生及維持具有一定的預報指示意義。從此次降水過程可以得出，通過對風廓線資料的風場垂直結構以及風速變化的分析，其對于強對流天氣發生的預報指示性可以至少提前1 h以上。

（5）低層東南風的穩定維持及逐漸增強，有利于本地水汽的輸送，為此次強降水提供了很好的水汽條件，因此低層東南氣流的增強及維持，在強降水預報中值得關注。

（6）此次過程強降水發生1 h前，850 hPa高度附近出現明顯風向切變，并且穩定維持1 h左右；降水發生時雷達強回波在局地的穩定少動，引發了局地強對流天氣。因此通過將風廓線與探空、雷達回波、地面自動站等精細化資料的結合分析，將有助于局地短時強降水以及冰雹天氣的預報。

參考文獻：

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AnalysisofOne Severe Convective W eatherProcesswith Hails in 2013 in Beijing

LIJunhe1，2，3，GENG Jianjun3，ZHANG Xiyan3，YIQunli4
（1.The Chinese AcademyofMeteorologicalSciences，Beijing100081，China；2.Nanjing Information and Engineering Univeristy，Nanjing210044，China；3.Beijing MeteorologicalBureau，Beijing100089，China；4.Hotian MeteorologicalBureau，Hotian 848099，China）

AbstractA severe convective weatheralong with hails,shortterm heavy rain occurred in Beijing from 08:00 June11,2013 to 08:00 June 12,2013,synopticscaleenvironmentalconditions,physical parameterfields.Dopplerradarbase reflectivity,velocity and one hourprecipitation,wind profile and 5-minutesintensified automatic surface weatherobservation system data are analyzed.Results are showed asfollows.（1）Temperaturetrough laggingbehind heighttrough overthe baroclinic zone in the troposphere is favorable to system developing.（2）W arm moistaircontinuous transportation from eastcoastsupplied adequatewatervaporand unstableenergy.（3）Theaccumulation ofunstable energy is trigger and sustainable condition forthe severe convection weather.（4）There are some typical characteristics before hail falling in Tanghekou station, Huairou,such as meso-cyclone shown in radarvelocity,hook echo shown in radarreflectivity,and echo pendency and three-body scatter spike shown in corresponding vertical cross-section.（5）The south wind components becomingobviouslyisbeneficialtowatervaportransportation.Theexistence ofmesoscaleshearline isfavorableto airstream convergence.Strong maintainingand stillechoishelpfulto theshortterm heavyrain.

Key wordssevereconvection；threebodyscatterspike；meso-cyclone

中圖分類號：P458.121

文獻標識碼：B

文章編號：1002-0799（2016）02-0025-06

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.004

收稿日期：2014-12-03；修回日期：2015-06-06

基金項目：公益性行業專項（氣象）科研專項“風廓線雷達組網觀測資料業務化應用研究（201306136）”資助。

作者簡介：李浚河（1974-），男，高級工程師，主要從事預報服務工作。E-mail：bjqxtfwk@163.com