房山區2021年9月8日冰雹天氣過程分析

摘 要：2021年9月8日下午至夜間，受冷渦東移影響，北京市房山區大部分鄉鎮出現冰雹天氣過程，最大冰雹直徑達

5 cm，伴有短時強降水和雷暴大風天氣。利用北京市南郊觀象臺S波段雷達資料和睿圖—雷達系統對此次過程進行分析，結果表明：（1）此次冰雹天氣由3個強對流單體造成，出現雷暴大風、短時強降雨天氣；（2）探空圖上的逆溫層、喇叭口和垂直風切變以及合適的0 ℃、-20 ℃層高度等特征對冰雹天氣有較好的指征；（3）冰雹天氣在雷達回波圖上出現三體散射、旁瓣回波、回波懸垂等特征越明顯，表明冰雹尺寸越大；（4）利用雙偏振雷達的差分反射率因子、差分傳播相移率、相關系數等產品可以有效判斷出降水相態和降水強度。

關鍵詞：冰雹；對流單體；雙偏振雷達；雷達資料分析

中圖分類號：P458 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）12–0-05

房山區地處北京西南部，山地、丘陵、平原各占三分之一，地形復雜，對流性天氣頻發。冰雹是房山區夏季主要的災害性天氣之一，具有突發性、局地性、范圍小、持續時間短、破壞性強等特點。冰雹天氣可損毀農作物，摧毀房屋，破壞基礎設施，嚴重時危及居民的生命安全。冰雹局地性和突發性較強，導致冰雹的預報難度大，預警提前量短，使得冰雹災害預警成為天氣預報中的難點。近年來，越來越多的氣象學者對冰雹天氣過程進行了深入的研究，對中尺度特征、時空分布、環境條件、雷達回波特征等進行了系統的分析，得出了冰雹預警的幾個實用指標和典型特征[1-11]。基于此，利用常規觀測資料和新一代雙偏振天氣雷達監測資料，對2021年9月8日傍晚至夜間房山區出現的強冰雹天氣過程進行分析，重點分析雷達回波特征及新型產品資料，助力房山區冰雹預警工作的開展。

1 天氣實況

受冷渦影響，2021年9月8日16：00～22：00房山區

出現降水天氣，先后出現短時強降雨、強冰雹和雷暴大風，具有對流性強、局地性強、持續時間短的特點。全區平均降水量為10.2 mm；最大降水量為48.6 mm，出現在千河口站，最大小時雨強也出現在該站，達36.1 mm；

監測到最大瞬時風速出現在石樓站，為24 m/s（9級，平原站）。當日17：30～20：00全區多個鄉鎮出現不同大小的冰雹，其中，十渡鎮、張坊鎮出現最大直徑約

50 mm的冰雹，為房山區歷史上較為少見的強冰雹天氣。在此過程中，房山區農業設施、車輛、樹木等受到不同程度的影響，產生較大經濟損失。

2 環流背景

2.1 天氣形勢分析

此次強冰雹天氣是由東北冷渦槽后冷空氣南下造成的，從9月8日08：00 500 hPa天氣圖看出，冷渦中心位于外興安嶺附近，北京處于槽底部，干冷空氣順槽后偏北風南下，有較明顯的冷平流，溫度在-16 ℃左右，在北京上空減速，使動量下傳。700 hPa在內蒙古南側邊界上空有明顯切變線，呈西南—東北方向，切變線東側至河北與北京的交界處。850 hPa北京處于暖脊控制下，南部偏南風提供水汽，位于河北南部的暖中心溫度超過20 ℃，使整層大氣出現上冷下暖、上干下濕的不穩定結構。地面圖上冷鋒鋒線位于河北西北地區，鋒前溫度在20 ℃以上，鋒后溫度降至10 ℃上下，在午后給北京地區帶來明顯的降溫影響。

由此可知，自午后開始影響北京的環流系統在高空表現為冷渦東移，槽后冷空氣南下，低層有暖脊且具備較強的熱力不穩定條件，還存在切變線，這為強對流天氣的形成提供了有利條件。

2.2 探空資料分析

北京探空站處于房山區東部（下游），測得的探空資料具有滯后性，對流發生時間為8日17：00～21：00，

故20：00探空資料僅與08：00對比參考。9日8日08：00

北京探空顯示（表1），在對流層低層850 hPa以下出現逆溫層，濕度接近飽和，有利于能量聚集，CAPE值為599 J/kg、K指數為29，DCAPE為949 J/kg，大體呈現上干下濕的喇叭口結構，有利于雷暴大風形成。T850-T500＞25 ℃，0 ℃層高度為3.783 km，-20 ℃層高度為6.811 km，

0～6 km垂直風切變達到15 m/s，為中等強度，比較適宜冰雹天氣的發生。早晨因存在對流抑制能量（CIN值為-402 J/kg），未出現強對流天氣，午后近地面氣溫升高，能量積聚，抬升作用增強，邊界層逆溫被打破。當強對流天氣即將出現時，各項指標均有明顯好轉，有利于雷暴大風、冰雹、短時強降水天氣的發生。

3 雷達資料分析

3.1 雷達組網回波實況資料

根據雷達組網回波資料可知，此次強對流天氣主要由3個不同的強對流單體先后影響造成，下面用單體A～C命名這3個強對流單體（圖1），箭頭指向方向為單體移動方向。

單體A（圖1a）于16：50出現在房山區西北邊界，向東方向移動，最大回波強度為63.5 dBz，房山區北部的部分鄉鎮出現冰雹和小雨天氣。單體B（圖1b）于

17：42自房山區西北邊界向東南方向移動，至平原地區回波強度增強至72.5 dBz，引發大冰雹和短時大風天氣，于19：00前后產生下擊暴流。單體C（圖1c）在房山區西南部地區先后引發短時強降雨、冰雹和大風天氣，于18：24自房山區西部邊界向東南方向移動，最大回波強度為69 dBz。

3.2 冰雹天氣的雷達回波特征

冰雹天氣的雷達回波特征包括存在超過65 dBz的反射率因子、回波懸垂、三體散射等。此外選擇分析對房山區影響較大的產生冰雹大風天氣的單體B和單體C。

3.2.1 單體B的追蹤分析

單體B于17：42在房山區西北邊界進入房山區并開始加強，18：06在1.5°仰角回波圖上（圖2a）最大回波強度達63 dBz，強回波已基本接地，降水效率高。在6.0°仰角速度圖（圖2b）上顯示強回波區域以輻合場為主，有利于降水產生。此外，在該體掃中識別出中氣旋，并持續識別出三個體掃。通過對比實況降水，在附近站點監測到5 min最大雨強為3 mm左右，短時降水較為猛烈，與雷達回波特征一致。

18：36單體B移動至房山區中部沿山地帶，回波繼續加強，1.5°仰角下最大回波強度達66 dBz，并出現旁瓣回波；粒子相態HCL產品標注顯示對流自低層到高層均存在冰雹，在冰雹指數產品HI中有大冰雹指示。此外，根據實況附近車廠站18：35～18：40降水12.2 mm，局地短時雨強大，降雨時伴有小冰雹，5 min氣溫下降約6 ℃，強降雨拖曳作用將高層冷空氣帶至地表，造成短時大風和強烈降溫。

18：56～19：02房山區中部石樓站出現短時大風，瞬時風速超過9級。通過分析雷達回波（圖3a）可知，回波中心強度達69.5 dBz，出現部分弓狀回波特征，風速圖上出現明顯氣旋性輻合。18：55～19：00極大風速實況圖（圖3b）顯示石樓站及周邊站點均出現明顯短時大風，呈現輻散狀，局地性和瞬時性強。

對流移動方向右后側觀測到ZDR柱，其相關系數CC處于小值區，與周邊形成明顯梯度。4 km以下對流中心近地面CC值在0.75左右，表明雨滴較大且密度不高，主導降水粒子以融化的冰雹為主。

多位學者研究表明，下擊暴流攜帶的雨滴和碎片會導致區域內CC明顯低于周邊環境；在下擊暴流發生區域易產生較大雨滴，并伴隨強烈的下沉氣流，導致雨滴形狀偏扁，ZDR偏大[12-13]。由于無實況照片和災情上報，僅能從理論上判斷19：00石樓站附近出現下擊暴流天氣。

利用風暴追蹤產品（圖4）總結單體B，自17：42單體B影響房山區開始，最大回波強度始終處于60 dBz以上，回波底和質心總體處于下沉趨勢，從7.5 km高度降至2 km左右，垂直液態水含量VIL總體呈上升趨勢，極大地提高了降水效率。冰雹概率顯示：自18：06該單體出現大冰雹的概率增加至100%并持續至19：24。在18：54前后質心躍增，回波頂高從8 km躍升至11 km左右，VIL出現明顯升高趨勢，由40 kg/m2升高至60 kg/m2，此時垂直上升運動達到頂峰，對流強度達到最大，回波所處位置最近站點降水達到峰值，18：55

～19：05降水31.4 mm，實況與觀測一致。

3.2.2 單體C的追蹤分析

單體C在18：24從房山區西部向東南方向影響房山區，在上游河北境內冰雹產品對該對流已識別出大冰雹，18：30及之后7個體掃均識別出中氣旋。19：24單體C移動至房山區十渡鎮，強度始終保持在較高水平，在2.4°仰角最大回波強度超過60 dBz，并且存在明顯旁瓣回波，速度圖上有明顯氣旋性輻合，VIL水汽圖識別出垂直液態水含量50 kg/m2以上，HI冰雹產品、TVS龍卷識別、M中氣旋識別均在回波處有反應，表明回波垂直對流強烈。

單體C回波冰雹特征最強時段出現在19：42（圖5a），多個仰角均能觀測到超過60 dBz的強回波，1.5°仰角上V形缺口最明顯，表明前側入流強烈。3.4°仰角存在清晰的三體散射和旁瓣回波現象，回波中心強度達到64 dBz，剖面產品能看到明顯的回波懸垂（圖5b）。大于60 dBz的質心位于距離地面5 km以下，并出現界弱回波區，此時VIL達到峰值62.5 kg/m2，并識別出大冰雹。

利用WER多層次分析回波位置的速度圖（圖5c），

強回波區在0.5°～2.4°低仰角上觀測到氣旋性輻合，識別出中氣旋；在4.3°和6.0°仰角上觀測到速度模糊

的40 m/s左右強急流出現，距地面不足6 km；在9.9°仰角上可以看到對流頂端輻散，抽吸作用加劇了垂直

上升運動，此時回波頂高躍升至15 km左右，且60 dBz

以上旺盛回波達到10 km以上。

此時強回波前部ZDR值較大（圖6a），后部ZDR在0～1，證明此處降水粒子呈球形，以冰雹為主；KDP較高，中心最高值達到4°/km，表明冰雹在下落過程中出現融化現象，表層覆蓋液態水，或者下落過程中伴隨較大的雨滴；CC出現0.9左右的低值區（圖6b），表明所屬區域降水粒子不均勻，同時存在液態降水和固態降水。結合粒子分類HCL，判斷降水以表層融化的大冰雹為主，且降雹期間伴隨降雨。對比實況，19：45監測到鄰近站點張坊站出現直徑為5 cm左右的大冰雹，與雷達產品反映的情況一致。

4 結論

（1）此次強冰雹天氣過程發生在冷渦條件下，整層大氣呈上冷下暖、上干下濕的不穩定結構，高空冷渦、短波槽和低層切變線配合低層暖區，有較強的不穩定能量，為此次強對流天氣的觸發提供了有利的基礎條件。

（2）較大的CAPE值和逆溫層為強對流天氣的發生提供能量條件；0～6 km的垂直風切變為降雹提供了有利的動力條件；合適的0 ℃層與-20 ℃層高度以及其他指數均有利于強對流天氣的發生。

（3）在雷達回波的剖面圖上，強反射率因子的質心越接近地面，降水效率越高，當該質心強度大于

60 dBz時，通常意味著有冰雹，其原因在于冰雹表層覆蓋融化的水膜，該粒子的后向散射能力大幅增強，從而在雷達反射率產品中能觀測到大于60 dBz的回波。

（4）雷達回波圖上有明顯的三體散射、旁瓣回波、懸垂回波以及風暴頂強輻散等特征，此次過程回波最強反射率因子超過65 dBz。三體散射出現在雷達徑向方向上，旁瓣回波顯示在風暴核切向反射率因子梯度大值區一側，回波懸垂和風暴頂輻散表明存在強上升運動，這些均預示有大冰雹出現。

（5）根據雙偏振產品（差分反射率因子ZDR、差分傳播相移率KDP、相關系數CC），能夠有效判斷出降水類型；在回波強度超過60 dBz的區域內，存在ZDR和CC的小值區，且KDP接近4，為降雨伴隨大冰雹的特征。

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收稿日期：2024-09-21

作者簡介：屈巍（1998—），男，北京人，助理工程師，研究方向為短時臨近天氣預報預警。