2013年北京地区一次强对流天气过程分析

李浚河，耿建军，张淅妍，伊群礼

（1.中国气象科学研究院，北京　100081；2.南京信息工程大学，南京　210044；3.北京市气象局，北京　100089；4.和田地区气象局，新疆　和田848099）



2013年北京地区一次强对流天气过程分析

李浚河1，2，3，耿建军3，张淅妍3，伊群礼4

（1.中国气象科学研究院，北京100081；2.南京信息工程大学，南京210044；3.北京市气象局，北京100089；4.和田地区气象局，新疆和田848099）

摘要：2013年6月11日08时至12日08时，北京地区出现了一次强对流天气过程，部分站点出现冰雹、短时强降水等灾害性天气。通过分析此次过程的大尺度天气环流背景、物理量场、北京S波段新一代天气雷达基本反射率因子、径向速度、一小时累积雨量等产品、以及海淀风廓线探测数据、5min加密自动站数据，得出如下结论：（1）本次过程主要是对流层中层温度槽落后于高度槽，系统斜压性较强，发展较好。（2）源于东部沿海的暖湿空气持续输送，为后续强对流天气提供了充沛的水汽和不稳定能量。（3）本站不稳定能量的积聚为对流性天气的形成发展提供了良好的触发维持条件。（4）怀柔、汤河口降雹之前，多普勒天气雷达速度图上反映出明显的中气旋特征；反射率因子图存在钩状回波，相应的垂直剖面具有回波悬垂、三体散射等特征。（5）南风分量明显加大，有利于水汽的输送，中尺度切变线的存在有利于气流辐合，强回波稳定少动,产生短时强降水。

关键词：强对流；三体散射；中气旋

李浚河，耿建军，张淅妍，等.2013年北京地区一次强对流天气过程分析[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（2）：25-30.

强对流天气是造成气象灾害的主要天气类型之一，主要包括冰雹、龙卷、雷雨大风和暴洪[1]。在中国，强对流天气每年都会造成严重的人员伤亡和财产损失。据统计，我国每年因各类气象灾害而造成的损失，平均约占国民生产总产值3% ～5%，而强对流灾害性天气造成的危害占气象灾害总损失中的比例也较高[2]。现在频繁出现的城市内涝、山洪泥石流等对国民经济发展和人民生命财产安全均造成极大的威胁和伤害。强对流天气具有空间尺度小、突发性强、生命期短等特点。在日常中短期业务中难以对其作出相对准确的预报，因此强对流天气的监测和临近预报、预警成为气象业务部门最为关心的关键问题。国内外气象工作者在这方面做了许多有益的工作，如Lemon LR.[3]提出一个可以业务化的预报大冰雹指标--三体散射特征。廖玉芳、俞小鼎[4]等分析了2002年5月14日19:00—21:00影响湖南常德地区的3个对流风暴的雷达回波，观测到了与超级单体相联系的中气旋和龙卷式涡旋特征（TVS），这也是在中国首次探测到了三体散射（TBSS）和龙卷式涡旋特征（TVS），这两个分别指示大冰雹和龙卷的雷达回波特征。李向红、唐熠[5]等对2004年11月9—11日桂林一次强对流天气过程的雷达回波进行特征分析，认为列车效应造成桂林北部的暴雨，三体散射长钉的雷达回波特征可用于提前15～22 min预警大冰雹。李文娟、郑国光[6]等从大尺度影响系统、不稳定层结、上升运动、雷达回波特征等方面对山东境内的一次中气旋冰雹天气过程进行了诊断分析。孙靖、王建捷、孙军、方翀，毛冬艳等对北京地区的强对流天气及伴有的明显中尺度降水特征也做了详细的研究[7-9]。李圆圆、支竣[10]等对2013年6月18日发生在新疆喀什地区境内的一次罕见强冰雹天气从天气形势、中尺度系统、水汽条件、雷达回波特征等多方面进行了综合分析。上述气象工作者的研究工作加深了我们对于强对流天气的认识。

2013年6月11日08时—12日08时北京地区出现一次强对流天气过程。此次过程有2点值得关注：1）丰台、石景山、海淀、密云、汤河口5个测站出现冰雹，冰雹直径最大为汤河口13 mm；2）雨量分布极不均匀，最大降雨出现在密云大城子38.4 mm，11 日19—20时该地小时雨强达33 mm/h。本文将从天气环流形势、物理量场、雷达回波特征等几方面对本次强对流天气过程进行分析，以期对今后此类强对流天气的预报服务工作有所助益。

图1　2013年6月11日08时—12日08时雨量分布图（单位：mm）

2　大尺度环流形势背景及系统影响

6月10日500 hPa河套地区的温度槽明显落后于位于河套以东的高度槽。北京地区处于500 hPa槽前西南气流中，850 hPa及以下低层有明显的偏东风气流。地面场上北京东部地区至山东半岛呈气旋式环流，为中尺度对流系统的发生发展提供了有利的上升条件。20时北京位于500 hPa高空槽前，在低层处于850 hPa低涡及地面辐合中心区，中低层系统有着较好的配置。11日08时冷空气入境，北京地区发生了较强的对流天气。12日08时影响系统已经过境，北京地区高低空都已转为西北气流控制，降水过程结束。

从风场上看，10日08时北京地区700 hPa主要为偏北气流，850 hPa及以下为明显的偏东气流并且长时间维持。由11日08时850 hPa和925 hPa水汽通量散度也可以看出，北京及河北以东地区处于水汽通量散度负值区，表明北京地区位于水汽通量辐合区。从700 hPa相对湿度场看，大湿度区是集中在北京及其以东地区（图2）。因此长时间维持并加强的偏东风不仅有利于北京地区的风场辐合，也给北京地区这次降水提供了较好的水汽条件。

图2　2013年6月11日08时500　hPa高空槽（棕色实线）、温度槽（蓝色三角线）、700　hPa垂直速度上升区（黑虚线闭合区）和湿舌（绿线内区域）

3　物理量场分析

3.1垂直上升运动

10日20时开始至11日08时北京地区低层上空都是垂直速度负值区（图2中黑虚线闭合区域），有较强的垂直上升运动，尤其北部地区更为明显。11 日20时垂直速度上升区缩减到北京地区的东北区域，12日08时北京低层上空已转为垂直速度正值区，抬升运动消失。

3.2不稳定条件

从北京54511站08时、14时、20时三次探空计算得到的物理量参数（表1）可以看出，K指数递增，SI指数递减，大气越来越不稳定，为对流的触发、发展提供了良好的环境；风暴相对螺旋度逐渐增大，过程中0℃层和-20℃层的高度的变化有利于冰雹的出现。

表1　6月11日08时、11时、14时探空物理量参数

从2013年6月11日14时北京温度对数压力图（图3）可以看到，从1000 hPa到300 hPa整层存在不稳定能量，同时850 hPa和1000 hPa间存在风向的垂直切变，700 hPa和850 hPa及以下层次存在风速切变。

图3　2013年6月11日14时北京温度对数压力图

4　多普勒天气雷达资料分析

12:18怀柔北部有一块强度为46 dBz的回波生成（图4a），随后其以30 km/h速度向东南方向移动，13：24在其右侧有强度为38 dBz的对流单体新生，30 min后（13：54）该新生单体中心强度加强为58 dBz，同时在其右侧出现两个间距大约25 km的新生回波，他们的中心强度大约为30 dBz，随后这些单体不断加强，15：00形成弧状中尺度对流复合体（图4b），强中心强度为61 dBz，向东南偏南方向以30 km/h速度掠过北京城区，造成伴有雷电的降水。19：00一块中心强度为58 dBz的强对流回波从密云东南部地区（图4c），以25 km/h速度向西南方向移动，同时强度不断增强，范围不断增大。19:30强中心强度达到64 dBz（图4d），随后回波稳定少动，强度维持在50 dBz以上，因此造成了密云大城子19—20时小时雨量达33 mm，多普勒雷达一小时累积降水产品显示为44 mm。

20:00多普勒径向速度产品出现中气旋特征（图5）：低层（1.5°）辐合，中层（2.4°）旋转，高层（3.4°）辐散。从19：30—20：30该处垂直积分液态水含量的变化情况（图6）可以看出，VIL在20：00前后有个明显的跃升，从18 kg/m2跳变到48 kg/m2。20：10该处反射率因子图上出现钩状回波，沿钩状回波作垂直剖面可看到明显的回波悬垂、三体散射特征（图7）。

图4　1.5°基本发射率因子图

以上分析可知：此次过程发生冰雹的相应时刻,多普勒天气雷达速度图上反映出明显的中气旋特征；反射率因子图存在钩状回波，相应的垂直剖面具有回波悬垂、三体散射等特征。12日01：00降水回波基本移出北京境内，降水趋于结束。

图5　2013年6月11日20时多普勒雷达1.5°、2.4°、3.4°基本速度图

从6月11日20：35北京地区地面自动站探测图也可看出：位于北京东部的密云、平谷交界处存在一个明显的切变线，维持约30 min，这十分有利于气流辐合，在切变线附近区域产生局地强降水。

图6　2013年6月11日19：30—20：30怀柔中气旋区域VIL变化图

5　海淀风廓线仪资料分析

根据位于北京海淀的风廓线仪观测资料可以看到（图8），降水发生前，海淀站925 hPa及以下低层为东南风,其长时间维持并有所加强，这十分有利于本站地区水汽的输送。

图7　2013年6月11日20：10怀柔雷达强回波区垂直剖面图

在13：00（图8中红色竖线处）之前，850 hPa以上为西北气流，风力达到10 m/s。850 hPa与925 hPa之间为偏西及偏南气流，925 hPa以下是偏东风。12:18之后低层东南风气流开始明显加强，240 m之上风速达到8 m/s。13:00开始，850 hPa高度发生明显风切变，一直维持到13:48左右，低层东南风在14：00前逐渐都转变为南风。这与14时探空曲线图上看到的850 hPa附近的明显风向切变是相一致的。结合高空图分析也可看出，高空700 hPa上下风向发生转向，因此在降水发生时有700 hPa高空横切变过境。

由此可见，在此次强对流发生之前1 h左右，已经可以在风廓线雷达的垂直结构上看到明显风切变，较强的垂直风切变是冰雹产生的必要条件之一。此外，低层东南风风速存在着风速的脉动，这种脉动也很容易触发强对流。

图8　海淀风廓线图（12:12—14:12，6月11日）

6　结论

（1）此次降水发生前500 hPa温度槽落后于高度槽，系统斜压性强。北京位于500 hPa槽前，低层有明显的偏东气流并且长时间维持，有利于北京地区的低层风场辐合。北京地区位于850 hPa低涡及地面辐合中心区，中低层有着较好的配置。11日冷空气过境引发了此次强对流天气。过程中较强的不稳定能量及垂直上升运动促进了短时强降水、冰雹等强对流天气的发生。

（2）本站不稳定能量的积聚为对流性降水的形成提供了良好的触发条件。同时850 hPa和1000 hPa间存在风向的垂直切变，700 hPa和850 hPa及以下层次存在风速切变；中尺度切变线的存在有利于强对流天气的形成。

（3）汤河口发生冰雹的相应时刻,多普勒天气雷达速度图上反映出明显的中气旋特征；反射率因子图存在钩状回波，相应的垂直剖面具有回波悬垂、三体散射等特征。

（4）风廓线雷达资料对于强对流天气的发生及维持具有一定的预报指示意义。从此次降水过程可以得出，通过对风廓线资料的风场垂直结构以及风速变化的分析，其对于强对流天气发生的预报指示性可以至少提前1 h以上。

（5）低层东南风的稳定维持及逐渐增强，有利于本地水汽的输送，为此次强降水提供了很好的水汽条件，因此低层东南气流的增强及维持，在强降水预报中值得关注。

（6）此次过程强降水发生1 h前，850 hPa高度附近出现明显风向切变，并且稳定维持1 h左右；降水发生时雷达强回波在局地的稳定少动，引发了局地强对流天气。因此通过将风廓线与探空、雷达回波、地面自动站等精细化资料的结合分析，将有助于局地短时强降水以及冰雹天气的预报。

参考文献：

[1]俞小鼎.强对流天气的多普勒天气雷达探测和预警气象科技进展，2011，1（3）：31-41.

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[3] Lemon L R.The radar“Three-Body ScatterSpike”:an operationallarge hailsignature [J].W eather Forecasting，1998，13：327-340.

[4]廖玉芳，俞小鼎，郭庆.一次强对流系列风暴个例的多普勒天气雷达资料分析[J].应用气象学报，2003，14（6）：656-661.

[5]李文娟，郑国光，朱君鉴，等.一次中气旋冰雹天气过程的诊断分析[J].气象科技，2006，34（3）：291-295.

[6]李向红，唐熠，郑传新，等.一次多种强对流天气过程的雷达回波特征分析[J].气象，2010，36（8）：61-71.

[7]孙靖、王建捷.北京地区一次引发强降水的中尺度对流系统的组织发展特征及成因探讨[J].气象，2010，36（12）：19-27.

[8]谌芸，孙军，徐珺，等.北京721特大暴雨极端性分析及思考（一）观测分析及思考[J].气象，2012，38（10）：1255-1266.

[9]方翀，毛冬艳，张小雯，等.2012年7月21日北京地区特大暴雨中尺度对流条件和特征初步分析[J].气象，2012，38（10）：1255-1266，1278-1287.

[10]李圆圆，支竣，张超.2013年6月喀什地区一次强冰雹天气的成因分析[J].沙漠与绿洲气象，2014，8（2）：19-26.

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[14]买文明，何丽华，田秀霞，等.一次高空槽与西南涡耦合影响下的华北暴雨过程分析[J].沙漠与绿洲气象，2013，7（4）：31-37.

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

中图分类号：P458.121

文献标识码：B

文章编号：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

基金项目：公益性行业专项（气象）科研专项“风廓线雷达组网观测资料业务化应用研究（201306136）”资助。

作者简介：李浚河（1974-），男，高级工程师，主要从事预报服务工作。E-mail：bjqxtfwk@163.com