北京市朝陽區一次冰雹強對流天氣成因分析

戴高菊，張子曰，王瑋琦

(北京市朝陽區氣象局，北京 100016)

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北京市朝陽區一次冰雹強對流天氣成因分析

戴高菊，張子曰，王瑋琦

(北京市朝陽區氣象局，北京 100016)

利用Micaps資料、華北區域雷達拼圖及北京地區區域自動站數據，對2015年8月7日發生在北京市朝陽區的一次冰雹強對流天氣過程環流形勢、物理量場及地面自動站要素場進行分析，并對此次過程的預警服務情況進行總結，得出以下結論：此次冰雹強對流天氣過程臨近時，從雷達上看，回波對流云團發展強烈，較小對流云團合并后移速減慢、停滯，是造成局地暴雨的主要原因。高空各層較好的動力條件，上干下濕，上冷下暖及低層能量鋒等不穩定能量條件，超低空東南風急流的建立，為冰雹強對流天氣發生提供有利條件。地面風場存在多小尺度輻合區，有利于對流云團發展，能量鋒密集帶與強對流發生區域較為對應，移動方向一致。風廓線圖上急流及風切變的出現對提前發布局地強對流天氣預警有一定指示意義。

冰雹；強對流；預警服務；北京朝陽區

1 引言

短時強降水、雷暴大風、冰雹等強對流天氣是北京地區夏季主要的災害性天氣，隨著北京城市化進程的不斷加快，氣象災害的影響也越來越大，大城市面對極端強對流災害的脆弱性也日益凸顯。其中冰雹破壞力極大，局地性強、預報難度大，給工農業、社會經濟發展及人民生命財產安全帶來嚴重危害，如何準確的預報冰雹天氣，及時發布預警，防范和減少冰雹造成的危害，這一直是廣大學者研究及業務實踐工作中的重點和難點。

國內許多學者應用統計、診斷、數值模擬等不同方法，從不同角度對冰雹天氣進行了相關研究。岑啟林、鄭芬、鄒書平等主要對冰雹的云的演變特征、環流背景雷達回波特征進行了分析[1-3]。針對京津冀及北京地區的冰雹天氣，楊貴名等[4]對華北地區降雹的時空分布特征進行了分析，指出陰山山脈以及太行山山脈降雹高頻區組成了T形分布，冰雹年變化具有3峰型。蘇永玲等[5]對京津冀地區強對流時空分布特征分析表明，京津冀地區冰雹以中雹為主，京津冀西北部、北部和京津冰雹直徑較大，冰雹的多發期集中在6月，主要伴隨雷雨大風和短時暴雨，主要對應冷渦型天氣。廖曉農[6]對北京的罕見大冰雹時間進行分析發現，北京在高能帶的中心，特別是在-30～-10 ℃層內有高的CAPE值，增加了大冰雹出現的可能性，對流層中下層較強的環境風垂直切變增加了冰雹出現的概率。吳劍坤[7]對強冰雹天氣的有利環境背景條件和強冰雹的多普勒天氣雷達識別和預警技術進行了詳細分析，提出了一系列具有指示意義的指標。葉彩華[8]等利用1978—2006年北京地區的冰雹資料，對北京地區冰雹發生的時空分布特征進行了分析，并提出了應對冰雹的防災減災對策。孫明生等[9]對北京地區冰雹落區與中尺度天氣系統及各種要素場的分布進行分析，概括了冰雹落區的概念模式。雷蕾等[10]對北京地區強對流指數的研究指出，雹暴發生的條件是0 ℃層高度在4 km左右，-20 ℃層在7.4 km左右，冰雹的發生一般低層有較深厚的逆溫層，冰雹的K指數在臨近6 h出現4 ℃左右的增幅，半數以上的冰雹天氣低空垂直風切變6 h增幅>2 m/s。張琳娜[11]等對2000—2009年北京地區出現的30次冰雹過程進行了詳細分析，對降雹的天氣類型進行分類，并給出了常用物理參數的閾值。

以上研究主要從冰雹天氣尺度環流形勢分型、中尺度天氣形勢多普勒天氣雷達圖像特征等方面對京津冀、北京地區冰雹發生的天氣條件、物理要素條件進行了分析，但對于觸發局地冰雹的小尺度環流場研究較少。本文利用風云E星衛星資料、Micaps資料、華北區域雷達拼圖及北京地區區域自動站數據，對2015年8月7日朝陽區范圍內冰雹天氣過程發生的天氣尺度、中尺度及物理條件進行詳細分析，并對預報預警服務效果作出評估。

2 冰雹強對流天氣發生過程概況

2015年8月7日北京市出現一次明顯的強對流天氣過程，部分地區出現短時強降水，并伴有雷暴、大風，房山、門頭溝、懷柔、昌平、順義、大興、朝陽等7個區縣出現了冰雹天氣過程，其中朝陽區有12個街道及鄉鎮出現冰雹天氣，是北京市受災最嚴重的地區之一，朝陽國家氣象站監測到的最大冰雹直徑為1.5 cm。此次過程，較強降水云團在朝陽區維持時間較長，主要降水時段集中在17時30分—21時，22時降水基本結束，全區平均降雨量41.0 mm，最大降水出現在金盞站85.6 mm，達大暴雨量級(北京地區大暴雨標準為12 h降雨量在70～139.9 mm之間)。最大小時雨強出現18—19時，金盞降雨量達60.7 mm。26個區域自動氣象站中有4個站累積降水量超過60 mm，21個站超過30 mm。

從圖1a的降水量分布可知，此次強對流天氣過程的主要特點是短時雨強較大，降水時段集中，雨量分布不均，且主要降水區域位于朝陽區中部及東北部金盞一帶。圖1b可知17時40分—19時20分朝陽區中西部地區自北向南出現冰雹天氣的時間。

圖1 朝陽區8月7日16—22時降水及冰雹出現地點、時間分布圖Fig.1 The distribution of the occurrence time and place of precipitation and hail from 16pm to 22pm on 7 Aug in Chaoyang district

3 形勢場分析

3.1 高空形勢場

2015年8月7日08時500 hPa有南、北兩支高空槽影響我國東部地區，北支槽位于東北西部，槽底位于河套、河北、山西與內蒙交界處一帶，南支槽位于西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱“副高”)西部，河北南部、河南、湖北一帶，內蒙古北部地區有弱冷平流。700 hPa與500 hPa低壓槽位置接近，副高西部兩條切變線分別位于渤海一帶、河北南部、河南、湖北一帶，內蒙古與河北西北部地區有冷平流。850 hPa東北低壓及副高西部切變線與中高層系統對應，河套地區有低壓輻合區，并向東伸到華北地區，北京地區露點溫度差為2 ℃。925 hPa與850 hPa對應，露點溫度差為1 ℃，近地層濕度大，副高西部偏南氣流將臺風北部水汽輸送至山東半島及渤海一帶。

至20時500 hPa低壓槽緩慢東移，北支槽底位于北京西部地區，副高西部邊緣西伸明顯，南支槽東移至山東半島，溫度場冷中心南壓，河北西北部、北京西北部地區受冷平流控制。700 hPa槽底移至北京西部，副高及大陸高壓之前存在切變線，北京地區受偏南氣流及暖平流影響。850 hPa河北東南部地區受切變線控制。925 hPa河北東南部存在切變線，臺風北部、沿副高西部邊緣，東南超低空急流在上海、江蘇、山東一帶建立，水汽通道較08時明顯，為河北東南部提供地區水汽條件。

圖2 2015年8月7日08時高空形勢場(a:500 hPa，b:700 hPa，c:850 hPa，d:925 hPa)Fig.2 The background of upper level on 7 Aug 2015(a:500 hPa，b:700 hPa，c:850 hPa，d:925 hPa)

分析可知，此次冰雹過程為東北冷渦型，從500～925 hPa各層均有東北低壓槽及切變線配合，由于副高維持且略有西伸，08—20時低層系統東移緩慢，使得高低層系統較為垂直，為對流發展提供較好動力條件及維持時間。中低層暖平流，500 hPa冷平流南壓，冷空氣侵入北京地區，為強對流發展提供較好的能量條件。925 hPa超低空東南急流的建立，為河北東南部地區提供有利的水汽條件。

3.2 地面形勢場

7日14時海平面氣壓場，河北東北部受高壓控制，北京受高壓后部偏南氣流影響，內蒙古與河北西北部一帶地面風場輻合；17時高壓向西伸，河北西部、內蒙古、陜西交界一帶有地面風場輻合區；20時北京地區風向發生變化，從偏南風轉為偏北風，東南部為地面風場輻合區。

從地面露點溫度場看出，地面有等露點線比較密集的區域(即露點鋒)存在，14時露點鋒位于河北西北部，呈東北—西南向，17時露點鋒東移至北京地區，20時露點鋒減弱，至23時等露點線稀疏。14—23時，北京地區地面露點溫度均在15 ℃以上，西北至東南向露點溫度增加，14時北京東南部露點溫度達24 ℃，朝陽區露點溫度在22 ℃，20—23時露點溫度減小至20 ℃。地面露點溫度Td是表征地面水汽絕對含量的指標。當地面露點溫度超過15 ℃時，地面的濕度較高，有利于不穩定能量的增加。因此，此次過程地面濕度大，為地面不穩定能量的儲存和觸發提供有利條件。張琳娜[11]等對北京地區冰雹天氣特征統計分析指出，北京地區冰雹天氣發生時，地面露點溫度分布范圍在10～20 ℃，平均值在15 ℃左右。

3.3 物理量場分析

3.3.1 能量條件 從850 hPa假相當位溫場看，有等能量線密集帶(即能量鋒)存在，與露點鋒類似，從08—20時，能量鋒從河北西北部、內蒙古交界處東移南壓，08—14時從67 ℃增加至70 ℃，20時減小至60 ℃，20時后等假相當位溫線變稀疏。08—14時500 hPa假相當位溫在49 ℃左右，20時增加至54 ℃。高層假相當位溫小于低層，靜力不穩定，因此08—14時靜力不穩定度增加，14—20時減小，為觸發強對流天氣提供較好能量條件。

3.3.2 水汽條件 08時850 hPa有顯著流線(當風速未達到低空急流的標準，但有風速明顯大于周圍的最大風速出現，靠近急流軸的位置，分析顯著流線)，黃海至渤海一帶偏南氣流明顯，北京地區相對濕度在80%以上，比濕達12 g·kg-1左右，20時切變線東移，顯著流線達急流標準(850 hPa風速達12 m/s以上的風速帶)，但相對濕度減小，比濕減小至10 g·kg-1左右；08—20時700 hPa有顯著流線輸送偏南氣流，相對濕度低于60%，比濕在4 g·kg-1左右。偏南氣流輸送水汽，使北京至渤海一帶低層濕度較大，但中層增濕并不明顯，此次強對流天氣過程造成的冰雹災害比強降水災害更明顯。這與張琳娜等[11]研究提出的北京地區出現冰雹時空中濕度并不是特別大的特征相符。

3.4 探空資料分析

分析54511站點(北京觀象臺國家基本站)的探空曲線圖，08時探空圖呈“喇叭口”形式，800 hPa以下濕度很大(圖3a)，800—600 hPa濕度減小，600 hPa以上濕度明顯減小，0 ℃層高度在600 hPa以下，-20 ℃層高度在400 hPa以下，濕對流有效位能達2 097.4 J·kg-1，700 hPa以下為暖平流，以上有弱冷平流。14時探空圖“喇叭口”形式更為明顯，低層濕度略有減小，但仍保持上干下濕形式，0 ℃、-20 ℃層高度維持不變，濕對流有效位能增加到3 379 J·kg-1，不穩定能量增大，且垂直風切變增大，600 hPa以下有弱暖平流，上部有冷平流。20時探空圖結構與前兩個時次明顯不同，中低層轉為弱冷平流，表明冷空氣已經侵入，氣層穩定度趨于穩定，濕對流有效位能基本釋放，為4.1 J·kg-1，低層對流抑制有效位能增加，-20 ℃層高度升高，冰雹過程基本結束，但降水仍然持續，整層濕度增大。從各能量指數看(表1)，08—14時，A指數從-17增加至-22，沙氏指數為-2.61，CAPE濕對流有效位能08—14時明顯增加，20時下降至4.1。

綜上所述，此次過程上冷下暖，上干下濕的結構，呈明顯“喇叭口”結構，極有利于不穩定能量的增加。0 ℃層高度在4 km左右和-20 ℃層高度在7～7.5 km，適宜雹云發生發展，與張琳娜[11]、吳劍坤[7]等的分析統計結果一致。各項指標均有利于強對流天氣的發展。

圖3 高空探空圖(a:08時，b:14時，b:20時)Fig.3 T-logp diagram of upper level.(a:08，b:14，b:20)

指數08時14時20時A指數-17-2214K指數292932SI沙氏指數-2．56-2．610．61CAPE濕對流有效位能2097．433794．1

4 雷達回波分析

利用北京地區短時臨近天氣監測預警一體化平臺(vips3.0)雷達回波組合反射率圖(圖4)監測到，16時18分昌平區南部、海淀區與朝陽區交界一帶，順義區西南部、靠近朝陽一帶有回波生成；至17時對流云團加強，回波強度達60 dBz，昌平南部回波云團向東南方向移動進入朝陽區北部，順義區回波加強；17時30分兩回波云團合并加強，18時回波繼續加強并南移至朝陽區中部，移速減慢，18—18時30分此回波云團在朝陽區中部維持，強度變化不大，維持在65 dBz，但影響范圍略有縮小，19時起此回波逐漸南移；至20時回波主體減弱移出朝陽區進入通州區。

從雷達回波的垂直液態水含量分布圖(圖5)可以看到，17時在順義西部有一地區垂直液態水含量大值區，最大達55 kg/m2，至17時42分昌平、順義、懷柔、朝陽區一帶垂直液態水含量增加，朝陽區西北部垂直液態水含量達45 kg/m2，至19時昌平、海淀、門頭溝東部，順義、平谷、朝陽有兩條垂直液態水含量大值帶，至19時30分合并為一條垂直液態水含量大值帶，并不斷南壓移出朝陽區。因此從垂直液態水含量分布圖上可知，單個對流云團在順義、朝陽、昌平一帶生成后，不斷發展，最終連成帶狀向南移動。

5 精細化自動站資料分析

5.1 自動站風場

對加密地面自動站2 min風場進行分析(圖6)，16時15分朝陽區中部南部地區為東南風，北部地區為偏東風，17時10分朝陽區北部地區來廣營、崔各莊、孫河、奧體中心站風向明顯變化，從偏東風轉為偏北風，在朝陽區西北部地區風場明顯輻合，順義西北部為輻散場。17時30分奧林匹克森林公園、四元橋、將臺、朝陽本站均從偏東風轉為偏北風，朝陽東部地區與東城區風場輻合，順義西北部輻散區西移至昌平、順義交界一帶。18時風場輻合區進一步南移，朝陽區中部、北部地區風向轉為偏北風，南部地區為東南風，順義與海淀交界地區的輻散區范圍擴大，強度加強，并西移至昌平區。19時朝陽區大部分地區受輻散區控制，說明此時朝陽區受雷暴高壓后部下沉氣流控制，地面風場多小尺度氣旋性環流。19時15—30分朝陽區全區風場基本轉為偏北風，風速略有加大，19時30分全區受輻散場控制并加強，隨后輻散場減弱(圖略)，此時段后冰雹天氣基本結束，暴雨天氣持續，20時起風向變化，風場多小尺度輻合、輻散，分布較無規律。

圖4 北京地區短時臨近天氣監測預警一體化平臺(vips3.0)組合反射率拼圖(dBz)Fig.4 Combination of radar reflectivity puzzles of very-short-range interactive prediction system in Beijing area

圖5 垂直液態水含量分布圖 (a：17時；b：19時30分)Fig.5 The distribution of vertically integrated liquid(a：17；b：19∶30)

根據地面加密自動站風速風向分布看，對流云團發展前風場有輻合區，有利于對流云團發展，風向輻合區變化方向，與對流云團移動方向一致。在天氣尺度背景環流形式下，地面風場小尺度輻合，有利于短時災害性天氣發生和發展。

5.2 能量鋒

對地面加密自動站能量鋒場變化進行分析發現，在系統影響前，朝陽區無明顯能量鋒存在，在北京北部懷柔地區有能量鋒存在，17時起朝陽區東北部順義區有假相當位溫大值中心發展，產生能量鋒，并逐漸南壓，至18時能量鋒明顯加強，呈帶狀分布，能量鋒大值區位于昌平、海淀、朝陽區一帶，以及順義、平谷、朝陽區一帶，在朝陽區交匯，19時30分能量鋒南移。能量鋒密集帶與強對流發生區域較為對應，移動方向一致。

圖6 北京市區域自動站風場分布圖Fig.6 The wind field distribution of Beijing ground automatic stations

5.3 風廓線

分析朝陽區上游海淀站風廓線資料及下游觀象臺站風廓線資料演變可知，此次過程從北京北部地區向南部地區移動，海淀比觀象臺先受系統影響。系統影響之前，即冰雹發生前海淀風廓線從地面—2 450 m為西南風，以上為偏西風，冰雹發生時18時24分近地層650 m以下轉為偏東風，19時地面—1 590 m存在低空和超低空東南風急流，2 430～3 750 m西北風加大，達急流標準，并出現風向切變，隨后迅速下傳，19時18分地面—2 000 m附近出現明顯風向切變，之后至20時30分500 m以下近地層為偏東風，以上轉為偏北風，20時48分500～1 600 m有風向切變，西北急流加大，隨后近地層出現風切變，系統移過海淀區，22時后整層轉為偏北風控制。觀象臺風廓線圖上垂直風場達急流標準，且存在明顯風切變的時間晚于海淀，和大興區冰雹發生時間相對應。朝陽站風廓線資料看出，與海淀、觀象臺風廓線資料一樣，在系統影響之前，中低層為偏南風，中高層為偏西風，冰雹發生時17時30分開始高層出現風切變，18時30分風切變向下傳，18時20分低層有西南急流出現。因此風廓線圖上急流及風切變的出現對局地對流發生發展時間有一定指示意義。

6 結論

本文利用Micaps資料、華北區域雷達拼圖及北京地區區域自動站數據，對2015年夏季發生在北京市朝陽區的一次冰雹強對流天氣進行了分析，得到了以下結論：

①天氣尺度背景場分析發現，此次冰雹過程為東北冷渦型，各層均有東北低壓槽及切變線配合，高空各層系統分布較為垂直，提供了較好的動力條件。上干下濕，上冷下暖的垂直濕度分布以及低層能量鋒的存在，為強對流天氣的發展提供了較好的不穩定能量。925 hPa超低空東南急流的建立，為低層提供有利的水汽條件。

②局地強對流及冰雹的發生發展除天氣尺度背景場外，地面自動站要素場風場多小尺度輻合區，有利于對流云團發展，風向輻合區變化方向，與對流云團移動方向一致。能量鋒密集帶與強對流發生區域較為對應，移動方向一致。風廓線圖上急流及風切變的出現對局地對流發生發展時間有一定指示意義。

③對于基層氣象臺，在掌握主要影響系統，物理量變化的天氣尺度環流背景的條件下，應加強對強對流天氣發展前衛星云圖中暴雨云團、雹暴云團的識別與監測，加強強對流天氣發生臨近時雷達回波的監測，加強自動站風向輻合區及風廓線雷達風場變化的監測。

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Causes analysis of a hail and strong convective weather in Beijing Chaoyang district

DAI Gaoju,ZHANG Ziyue,WANG Weiqi

(Chaoyang Meteorological Service of Beijing City, 100016, China)

Micaps data, radar puzzle of North China area and ground automatic data of Beijing stations were used to analyze the weather scale circulation background, physical quantity and elements of ground automatic station data of a hail and strong convective weather on the 7th, Aug 2015 in Beijing Chaoyang district. Then the warning service of this process was discussed. Results show that when the hail and strong convective process approached, radar echo developed strongly. After smaller convective cloud merged, the cloud moved slowly and stagnation is the main cause of local heavy rain. Upper layers better dynamic conditions, dry wet, cold with warm and energy front in low level provided unstable energy conditions, the establishment of the southeast low-level jet provided favorable conditions for hail strong convective weather. There are many small scale convergence zones in wind field of ground automatic station which is advantageous to the convective cloud cluster development. Energy front corresponds to strong convective zones and moves in the same direction. The occurrence of jet stream and the wind shear on the wind profile chart has the certain instruction significance of local convection development time.

hailstone; strong convective; warning service; Beijing Chaoyang district

1003-6598(2016)05-0007-07

2016-09-02

戴高菊(1987—)，女(土家族)，工程師，主要從事城市氣象方面的研究工作，E-mail:daigaoju@163.com。

P458.1+21.2

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