北京市朝阳区一次冰雹强对流天气成因分析

戴高菊，张子曰，王玮琦

(北京市朝阳区气象局，北京 100016)



北京市朝阳区一次冰雹强对流天气成因分析

戴高菊，张子曰，王玮琦

(北京市朝阳区气象局，北京 100016)

利用Micaps资料、华北区域雷达拼图及北京地区区域自动站数据，对2015年8月7日发生在北京市朝阳区的一次冰雹强对流天气过程环流形势、物理量场及地面自动站要素场进行分析，并对此次过程的预警服务情况进行总结，得出以下结论：此次冰雹强对流天气过程临近时，从雷达上看，回波对流云团发展强烈，较小对流云团合并后移速减慢、停滞，是造成局地暴雨的主要原因。高空各层较好的动力条件，上干下湿，上冷下暖及低层能量锋等不稳定能量条件，超低空东南风急流的建立，为冰雹强对流天气发生提供有利条件。地面风场存在多小尺度辐合区，有利于对流云团发展，能量锋密集带与强对流发生区域较为对应，移动方向一致。风廓线图上急流及风切变的出现对提前发布局地强对流天气预警有一定指示意义。

冰雹；强对流；预警服务；北京朝阳区

1 引言

短时强降水、雷暴大风、冰雹等强对流天气是北京地区夏季主要的灾害性天气，随着北京城市化进程的不断加快，气象灾害的影响也越来越大，大城市面对极端强对流灾害的脆弱性也日益凸显。其中冰雹破坏力极大，局地性强、预报难度大，给工农业、社会经济发展及人民生命财产安全带来严重危害，如何准确的预报冰雹天气，及时发布预警，防范和减少冰雹造成的危害，这一直是广大学者研究及业务实践工作中的重点和难点。

国内许多学者应用统计、诊断、数值模拟等不同方法，从不同角度对冰雹天气进行了相关研究。岑启林、郑芬、邹书平等主要对冰雹的云的演变特征、环流背景雷达回波特征进行了分析[1-3]。针对京津冀及北京地区的冰雹天气，杨贵名等[4]对华北地区降雹的时空分布特征进行了分析，指出阴山山脉以及太行山山脉降雹高频区组成了T形分布，冰雹年变化具有3峰型。苏永玲等[5]对京津冀地区强对流时空分布特征分析表明，京津冀地区冰雹以中雹为主，京津冀西北部、北部和京津冰雹直径较大，冰雹的多发期集中在6月，主要伴随雷雨大风和短时暴雨，主要对应冷涡型天气。廖晓农[6]对北京的罕见大冰雹时间进行分析发现，北京在高能带的中心，特别是在-30～-10 ℃层内有高的CAPE值，增加了大冰雹出现的可能性，对流层中下层较强的环境风垂直切变增加了冰雹出现的概率。吴剑坤[7]对强冰雹天气的有利环境背景条件和强冰雹的多普勒天气雷达识别和预警技术进行了详细分析，提出了一系列具有指示意义的指标。叶彩华[8]等利用1978—2006年北京地区的冰雹资料，对北京地区冰雹发生的时空分布特征进行了分析，并提出了应对冰雹的防灾减灾对策。孙明生等[9]对北京地区冰雹落区与中尺度天气系统及各种要素场的分布进行分析，概括了冰雹落区的概念模式。雷蕾等[10]对北京地区强对流指数的研究指出，雹暴发生的条件是0 ℃层高度在4 km左右，-20 ℃层在7.4 km左右，冰雹的发生一般低层有较深厚的逆温层，冰雹的K指数在临近6 h出现4 ℃左右的增幅，半数以上的冰雹天气低空垂直风切变6 h增幅>2 m/s。张琳娜[11]等对2000—2009年北京地区出现的30次冰雹过程进行了详细分析，对降雹的天气类型进行分类，并给出了常用物理参数的阈值。

以上研究主要从冰雹天气尺度环流形势分型、中尺度天气形势多普勒天气雷达图像特征等方面对京津冀、北京地区冰雹发生的天气条件、物理要素条件进行了分析，但对于触发局地冰雹的小尺度环流场研究较少。本文利用风云E星卫星资料、Micaps资料、华北区域雷达拼图及北京地区区域自动站数据，对2015年8月7日朝阳区范围内冰雹天气过程发生的天气尺度、中尺度及物理条件进行详细分析，并对预报预警服务效果作出评估。

2 冰雹强对流天气发生过程概况

2015年8月7日北京市出现一次明显的强对流天气过程，部分地区出现短时强降水，并伴有雷暴、大风，房山、门头沟、怀柔、昌平、顺义、大兴、朝阳等7个区县出现了冰雹天气过程，其中朝阳区有12个街道及乡镇出现冰雹天气，是北京市受灾最严重的地区之一，朝阳国家气象站监测到的最大冰雹直径为1.5 cm。此次过程，较强降水云团在朝阳区维持时间较长，主要降水时段集中在17时30分—21时，22时降水基本结束，全区平均降雨量41.0 mm，最大降水出现在金盏站85.6 mm，达大暴雨量级(北京地区大暴雨标准为12 h降雨量在70～139.9 mm之间)。最大小时雨强出现18—19时，金盏降雨量达60.7 mm。26个区域自动气象站中有4个站累积降水量超过60 mm，21个站超过30 mm。

从图1a的降水量分布可知，此次强对流天气过程的主要特点是短时雨强较大，降水时段集中，雨量分布不均，且主要降水区域位于朝阳区中部及东北部金盏一带。图1b可知17时40分—19时20分朝阳区中西部地区自北向南出现冰雹天气的时间。

图1 朝阳区8月7日16—22时降水及冰雹出现地点、时间分布图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 形势场分析

3.1 高空形势场

2015年8月7日08时500 hPa有南、北两支高空槽影响我国东部地区，北支槽位于东北西部，槽底位于河套、河北、山西与内蒙交界处一带，南支槽位于西太平洋副热带高压(以下简称“副高”)西部，河北南部、河南、湖北一带，内蒙古北部地区有弱冷平流。700 hPa与500 hPa低压槽位置接近，副高西部两条切变线分别位于渤海一带、河北南部、河南、湖北一带，内蒙古与河北西北部地区有冷平流。850 hPa东北低压及副高西部切变线与中高层系统对应，河套地区有低压辐合区，并向东伸到华北地区，北京地区露点温度差为2 ℃。925 hPa与850 hPa对应，露点温度差为1 ℃，近地层湿度大，副高西部偏南气流将台风北部水汽输送至山东半岛及渤海一带。

至20时500 hPa低压槽缓慢东移，北支槽底位于北京西部地区，副高西部边缘西伸明显，南支槽东移至山东半岛，温度场冷中心南压，河北西北部、北京西北部地区受冷平流控制。700 hPa槽底移至北京西部，副高及大陆高压之前存在切变线，北京地区受偏南气流及暖平流影响。850 hPa河北东南部地区受切变线控制。925 hPa河北东南部存在切变线，台风北部、沿副高西部边缘，东南超低空急流在上海、江苏、山东一带建立，水汽通道较08时明显，为河北东南部提供地区水汽条件。

图2 2015年8月7日08时高空形势场(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，此次冰雹过程为东北冷涡型，从500～925 hPa各层均有东北低压槽及切变线配合，由于副高维持且略有西伸，08—20时低层系统东移缓慢，使得高低层系统较为垂直，为对流发展提供较好动力条件及维持时间。中低层暖平流，500 hPa冷平流南压，冷空气侵入北京地区，为强对流发展提供较好的能量条件。925 hPa超低空东南急流的建立，为河北东南部地区提供有利的水汽条件。

3.2 地面形势场

7日14时海平面气压场，河北东北部受高压控制，北京受高压后部偏南气流影响，内蒙古与河北西北部一带地面风场辐合；17时高压向西伸，河北西部、内蒙古、陕西交界一带有地面风场辐合区；20时北京地区风向发生变化，从偏南风转为偏北风，东南部为地面风场辐合区。

从地面露点温度场看出，地面有等露点线比较密集的区域(即露点锋)存在，14时露点锋位于河北西北部，呈东北—西南向，17时露点锋东移至北京地区，20时露点锋减弱，至23时等露点线稀疏。14—23时，北京地区地面露点温度均在15 ℃以上，西北至东南向露点温度增加，14时北京东南部露点温度达24 ℃，朝阳区露点温度在22 ℃，20—23时露点温度减小至20 ℃。地面露点温度Td是表征地面水汽绝对含量的指标。当地面露点温度超过15 ℃时，地面的湿度较高，有利于不稳定能量的增加。因此，此次过程地面湿度大，为地面不稳定能量的储存和触发提供有利条件。张琳娜[11]等对北京地区冰雹天气特征统计分析指出，北京地区冰雹天气发生时，地面露点温度分布范围在10～20 ℃，平均值在15 ℃左右。

3.3 物理量场分析

3.3.1 能量条件 从850 hPa假相当位温场看，有等能量线密集带(即能量锋)存在，与露点锋类似，从08—20时，能量锋从河北西北部、内蒙古交界处东移南压，08—14时从67 ℃增加至70 ℃，20时减小至60 ℃，20时后等假相当位温线变稀疏。08—14时500 hPa假相当位温在49 ℃左右，20时增加至54 ℃。高层假相当位温小于低层，静力不稳定，因此08—14时静力不稳定度增加，14—20时减小，为触发强对流天气提供较好能量条件。

3.3.2 水汽条件 08时850 hPa有显著流线(当风速未达到低空急流的标准，但有风速明显大于周围的最大风速出现，靠近急流轴的位置，分析显著流线)，黄海至渤海一带偏南气流明显，北京地区相对湿度在80%以上，比湿达12 g·kg-1左右，20时切变线东移，显著流线达急流标准(850 hPa风速达12 m/s以上的风速带)，但相对湿度减小，比湿减小至10 g·kg-1左右；08—20时700 hPa有显著流线输送偏南气流，相对湿度低于60%，比湿在4 g·kg-1左右。偏南气流输送水汽，使北京至渤海一带低层湿度较大，但中层增湿并不明显，此次强对流天气过程造成的冰雹灾害比强降水灾害更明显。这与张琳娜等[11]研究提出的北京地区出现冰雹时空中湿度并不是特别大的特征相符。

3.4 探空资料分析

分析54511站点(北京观象台国家基本站)的探空曲线图，08时探空图呈“喇叭口”形式，800 hPa以下湿度很大(图3a)，800—600 hPa湿度减小，600 hPa以上湿度明显减小，0 ℃层高度在600 hPa以下，-20 ℃层高度在400 hPa以下，湿对流有效位能达2 097.4 J·kg-1，700 hPa以下为暖平流，以上有弱冷平流。14时探空图“喇叭口”形式更为明显，低层湿度略有减小，但仍保持上干下湿形式，0 ℃、-20 ℃层高度维持不变，湿对流有效位能增加到3 379 J·kg-1，不稳定能量增大，且垂直风切变增大，600 hPa以下有弱暖平流，上部有冷平流。20时探空图结构与前两个时次明显不同，中低层转为弱冷平流，表明冷空气已经侵入，气层稳定度趋于稳定，湿对流有效位能基本释放，为4.1 J·kg-1，低层对流抑制有效位能增加，-20 ℃层高度升高，冰雹过程基本结束，但降水仍然持续，整层湿度增大。从各能量指数看(表1)，08—14时，A指数从-17增加至-22，沙氏指数为-2.61，CAPE湿对流有效位能08—14时明显增加，20时下降至4.1。

综上所述，此次过程上冷下暖，上干下湿的结构，呈明显“喇叭口”结构，极有利于不稳定能量的增加。0 ℃层高度在4 km左右和-20 ℃层高度在7～7.5 km，适宜雹云发生发展，与张琳娜[11]、吴剑坤[7]等的分析统计结果一致。各项指标均有利于强对流天气的发展。

图3 高空探空图(a:08时，b:14时，b:20时)Fig.3 T-logp diagram of upper level.(a:08，b:14，b:20)

指数08时14时20时A指数-17-2214K指数292932SI沙氏指数-2．56-2．610．61CAPE湿对流有效位能2097．433794．1

4 雷达回波分析

利用北京地区短时临近天气监测预警一体化平台(vips3.0)雷达回波组合反射率图(图4)监测到，16时18分昌平区南部、海淀区与朝阳区交界一带，顺义区西南部、靠近朝阳一带有回波生成；至17时对流云团加强，回波强度达60 dBz，昌平南部回波云团向东南方向移动进入朝阳区北部，顺义区回波加强；17时30分两回波云团合并加强，18时回波继续加强并南移至朝阳区中部，移速减慢，18—18时30分此回波云团在朝阳区中部维持，强度变化不大，维持在65 dBz，但影响范围略有缩小，19时起此回波逐渐南移；至20时回波主体减弱移出朝阳区进入通州区。

从雷达回波的垂直液态水含量分布图(图5)可以看到，17时在顺义西部有一地区垂直液态水含量大值区，最大达55 kg/m2，至17时42分昌平、顺义、怀柔、朝阳区一带垂直液态水含量增加，朝阳区西北部垂直液态水含量达45 kg/m2，至19时昌平、海淀、门头沟东部，顺义、平谷、朝阳有两条垂直液态水含量大值带，至19时30分合并为一条垂直液态水含量大值带，并不断南压移出朝阳区。因此从垂直液态水含量分布图上可知，单个对流云团在顺义、朝阳、昌平一带生成后，不断发展，最终连成带状向南移动。

5 精细化自动站资料分析

5.1 自动站风场

对加密地面自动站2 min风场进行分析(图6)，16时15分朝阳区中部南部地区为东南风，北部地区为偏东风，17时10分朝阳区北部地区来广营、崔各庄、孙河、奥体中心站风向明显变化，从偏东风转为偏北风，在朝阳区西北部地区风场明显辐合，顺义西北部为辐散场。17时30分奥林匹克森林公园、四元桥、将台、朝阳本站均从偏东风转为偏北风，朝阳东部地区与东城区风场辐合，顺义西北部辐散区西移至昌平、顺义交界一带。18时风场辐合区进一步南移，朝阳区中部、北部地区风向转为偏北风，南部地区为东南风，顺义与海淀交界地区的辐散区范围扩大，强度加强，并西移至昌平区。19时朝阳区大部分地区受辐散区控制，说明此时朝阳区受雷暴高压后部下沉气流控制，地面风场多小尺度气旋性环流。19时15—30分朝阳区全区风场基本转为偏北风，风速略有加大，19时30分全区受辐散场控制并加强，随后辐散场减弱(图略)，此时段后冰雹天气基本结束，暴雨天气持续，20时起风向变化，风场多小尺度辐合、辐散，分布较无规律。

图4 北京地区短时临近天气监测预警一体化平台(vips3.0)组合反射率拼图(dBz)Fig.4 Combination of radar reflectivity puzzles of very-short-range interactive prediction system in Beijing area

图5 垂直液态水含量分布图 (a：17时；b：19时30分)Fig.5 The distribution of vertically integrated liquid(a：17；b：19∶30)

根据地面加密自动站风速风向分布看，对流云团发展前风场有辐合区，有利于对流云团发展，风向辐合区变化方向，与对流云团移动方向一致。在天气尺度背景环流形式下，地面风场小尺度辐合，有利于短时灾害性天气发生和发展。

5.2 能量锋

对地面加密自动站能量锋场变化进行分析发现，在系统影响前，朝阳区无明显能量锋存在，在北京北部怀柔地区有能量锋存在，17时起朝阳区东北部顺义区有假相当位温大值中心发展，产生能量锋，并逐渐南压，至18时能量锋明显加强，呈带状分布，能量锋大值区位于昌平、海淀、朝阳区一带，以及顺义、平谷、朝阳区一带，在朝阳区交汇，19时30分能量锋南移。能量锋密集带与强对流发生区域较为对应，移动方向一致。

图6 北京市区域自动站风场分布图Fig.6 The wind field distribution of Beijing ground automatic stations

5.3 风廓线

分析朝阳区上游海淀站风廓线资料及下游观象台站风廓线资料演变可知，此次过程从北京北部地区向南部地区移动，海淀比观象台先受系统影响。系统影响之前，即冰雹发生前海淀风廓线从地面—2 450 m为西南风，以上为偏西风，冰雹发生时18时24分近地层650 m以下转为偏东风，19时地面—1 590 m存在低空和超低空东南风急流，2 430～3 750 m西北风加大，达急流标准，并出现风向切变，随后迅速下传，19时18分地面—2 000 m附近出现明显风向切变，之后至20时30分500 m以下近地层为偏东风，以上转为偏北风，20时48分500～1 600 m有风向切变，西北急流加大，随后近地层出现风切变，系统移过海淀区，22时后整层转为偏北风控制。观象台风廓线图上垂直风场达急流标准，且存在明显风切变的时间晚于海淀，和大兴区冰雹发生时间相对应。朝阳站风廓线资料看出，与海淀、观象台风廓线资料一样，在系统影响之前，中低层为偏南风，中高层为偏西风，冰雹发生时17时30分开始高层出现风切变，18时30分风切变向下传，18时20分低层有西南急流出现。因此风廓线图上急流及风切变的出现对局地对流发生发展时间有一定指示意义。

6 结论

本文利用Micaps资料、华北区域雷达拼图及北京地区区域自动站数据，对2015年夏季发生在北京市朝阳区的一次冰雹强对流天气进行了分析，得到了以下结论：

①天气尺度背景场分析发现，此次冰雹过程为东北冷涡型，各层均有东北低压槽及切变线配合，高空各层系统分布较为垂直，提供了较好的动力条件。上干下湿，上冷下暖的垂直湿度分布以及低层能量锋的存在，为强对流天气的发展提供了较好的不稳定能量。925 hPa超低空东南急流的建立，为低层提供有利的水汽条件。

②局地强对流及冰雹的发生发展除天气尺度背景场外，地面自动站要素场风场多小尺度辐合区，有利于对流云团发展，风向辐合区变化方向，与对流云团移动方向一致。能量锋密集带与强对流发生区域较为对应，移动方向一致。风廓线图上急流及风切变的出现对局地对流发生发展时间有一定指示意义。

③对于基层气象台，在掌握主要影响系统，物理量变化的天气尺度环流背景的条件下，应加强对强对流天气发展前卫星云图中暴雨云团、雹暴云团的识别与监测，加强强对流天气发生临近时雷达回波的监测，加强自动站风向辐合区及风廓线雷达风场变化的监测。

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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)，工程师，主要从事城市气象方面的研究工作，E-mail:daigaoju@163.com。

P458.1+21.2

A