2018年8月23日北京市一次双单体下击暴流特征分析

刘 洋 吕 丽 杨浩丽 翟 亮

（1.北京市平谷区气象局，北京 101200；2.北京市气象台，北京 100089）

下击暴流由Fujita等[1]定义，即把地面上水平风速超过17.9m/s、中空气流向下、地面气流为辐散或直线型的灾害性大风定义为下击暴流，并根据灾害性范围和时间分为宏下击暴流和微下击暴流。宏下击暴流的空间尺度大于4km，持续时间大于10min，而微下击暴流的空间尺度小于4km，持续时间小于10min。下击暴流是一种低空风切变的表现形式，随之而来的常常是破坏性地引起树木、农作物倒伏和房屋倒塌，局地造成机毁人亡等巨大损失。

目前，关于下击暴流监的研究成果很多。随着多普勒天气雷达的使用越来越广泛，基于雷达高分辨率产品能够精准识别出下击暴流。在下击暴流的强迫形成机制理论方面，Parsons等[2]对下击暴流的旋转性进行数值模拟，认为负浮力由降水引起，降水导致上升气流崩塌被下沉切变所代替；许焕斌等[3]曾指出水凝结物粒子影响下击暴流的主要因子，且下沉气流输使下击暴流明显增强。另外，从动力学角度出发，认为下击暴流起作用的4个因子为气压梯度力项、浮力项、液态降水拖曳项、固态降水拖曳项[4]。在下击暴流产生前，风暴中的旋转不明显，并不能判断垂直气压梯度力的作用，其作用较其他3项明显偏小[4]。有些下击暴流的爆发以风暴反射率因子核的下降为前兆，因此可以判断降水（冰雹和雨滴）的拖曳作用是下击暴流产生的初始动力，冰雹融化和雨水蒸发冷却作用是次要作用[5]。

尽管关于下击暴流的研究已取得很多进展[6-10]，但是由于其时空尺度小、形成机理复杂，加之观测资料空间密度的局限，下击暴流个例及其成因认知的制约、受数值模式模拟性能的限制等问题依然无法得到合理解释。本文根据多种观测资料，针对2018年8月23日发生在北京市平谷区的一次双单体下击暴流天气的过程，寻找下击暴流天气的成因以及双单体强对流单体间可能的相互作用。

1 资料

该文所采用的数据资料包括北京南郊观象台的S波段多普勒雷达资料（空间分辨率为1°×1km，时间分辨率是6min， 时 间 段 为 2018年 8月 23日 13：00—17：00）、NECP再分析资料（空间分辨率为2.5°×2.5°，时间分辨率为6h）、北京市平谷区地面区域站观测资料[探测器型号为中环天仪的EL15-1C和EL15-1C（风向风速）、华云升达的HMP155A（温湿度），资料时间为2018年8月23日13：00—17：00]。

2 天气实况及灾情

2018年8月23日12：36，北京市平谷区东北部局地生成回波，13：06进入平谷境内后开始加强。13：50，平谷区北水峪、黑水湾等站陆续出现降水；金海湖站风力迅速增大，14：00阵风达6级；14：12北寨出现玉米粒大小冰雹，但落地即化。16：00左右，平谷区天气过程结束。此次天气过程共持续近3h，全区平均降雨量5.6mm，降雨量最大点出现在东高村（25.4mm），最大小时雨强出现在黑豆峪（22.8mm，15：00），西部、北部共13个站点无降水。全区共12个站点阵风达6级以上，其中东高村极大风达21.2m/s（9级，15：00），金海湖极大风达18.6m/s（8级，14：05）。

此次天气过程造成金海湖镇胡庄村部分村民房屋受损，农作物出现倒伏，电线杆受损。

3 天气成因

3.1 环流背景任何中小尺度天气的发生都有一定的大尺度环流背景场相配合。这次灾害天气出现前，高空500hPa北京市处于槽后脊前西北气流控制；700hPa北京市处于台风后部东北气流控制；850hPa存在东北风和偏东风的弱切变。

3.2 水汽条件根据NCEP相对湿度和比湿的垂直廓线，可以看出底层相对湿度在14：00左右高层饱和度较低的空气开始有向中低层饱和度较高的气层渗透，低层水汽条件开始转好。从14：00T-logp图可以看出，地面至850hPa存在逆温层，并且温度露点差逐渐减小，湿度逐渐增大，相应500hPa的湿度明显下降，说明高层有干空气。700hPa以下有明显的风向随高度顺时针旋转，说明中低层有暖平流，高空反之，有冷平流，这种高低空的温湿及温度平流的分布特征非常有利于强对流天气的发展。

3.3 能量条件从假相当位温廓线图可以看出，平谷地区低层超过335K，并且在14：00，850hPa到700hPa快速降低，说明低层有强烈不稳定。

综上所述，本次过程高层有干冷空气扩散南下，中低层有暖平流，这种上层干冷、底层暖湿的大气层结特征，并且在近地层有倒“喇叭口”探空廓线特征，符合强对流天气，尤其是雷暴大风、下击暴流等的形成，通常这种强对流天气伴有大风、冰雹，有时伴有局地短时强降水，但往往过程降水量较小。

4 雷达资料分析

从雷达0.5°仰角回波反射率因子上可以看到：13：00，北京南郊观象台雷达站东北方向有20～35dBz的回波，从速度图上可以看出此处弱的风速辐合。

13：12，在风速辐合区域有小的对流回波单体生成，中心强度50dBz左右，随后回波向南移动并逐渐减弱，但在回波的南侧新生一条窄带回波，强度30dBz左右。

13：53，一个发展成熟的雷暴（代号S-1），该雷暴的出流步激发了其西北方向的雷暴新生。

14：00，S-1回波发展加强，强度在50dBz左右，而同时西北方向的雷暴（S-2）开始发展。此时在速度图上可以明显看出风速辐合区，且辐合区在中层更明显。

14：00—14：06，S-1强回波中心开始快速下降（7～8km下降至3～4km），而位于回波西侧的金海湖站点降雨14：04开始加强（1.6mm/min），风力明显加大（8级），风向转变为偏东风，形成下击暴流。由于S-1底层产生强烈的辐散，致使S-2底层气流辐合剧烈，上升运动更加明显，S-2得到迅速发展（最大回波强度发展至60dBz左右，强回波中心发展至8km左右）。另外，雷暴的下沉气流强烈，因为其本身温度较低周围大气更低，地面形成强的冷池。而且扰动温度梯度的大值区位于冷池的西南方向，有利于引导雷暴向西偏南方向传播。同样，地面温度梯度大也有利于梯度风加强，进一步为地面的灾害性大风创造有利条件。

14：18，S-2已经发展成熟，而此时的S-1已经减弱。双强对流单体此消彼长，交替发展并不断完成雷暴的“新城代谢”。双单体之间相互影响、相互作用，共同造成此次灾害性大风天气。

14：24，S-2中心最大回波强度60dBz左右；有明显的悬垂结构和有界弱回波区；强回波核心高度降低至4～5km。从速度上可以看到，此时中层存在强烈的辐合，低层强辐散场并伴有小冰雹（实况：黑豆峪等5min雨量大于5mm）。

14：24—14：30：由于冰雹下降的融化和拖拽作用，致使S-1悬垂结构再次下，雷暴中的下沉气流强烈。而位于S-1北部金海湖镇胡庄村在14：29左右风力骤然加大，大风持续5min左右，以致当地受灾。

14：42，由于S-2的强烈发展，雷暴的出流再次给S-1提供了动力辐合抬升，S-1再次发展起来，由于强对流单体本身的下沉气流与地面猛烈“撞击”，在东高村再次有8级以上大风。S-1和S-2同时成为发展旺盛的雷暴，而下沉气流随着对流的加强而加强。

14：54，回波核心高度继续下降，回波强度继续减弱，但由于强下沉气流的影响，低层辐散场速度大于33m/s，正负速度对差值50m/s，形成下击暴流。

15：00—15：24，风速辐散范围不断扩大，辐散风切变不断减小，回波强度不断减弱南移，速度剖面中层辐合变弱，至16：00左右，整层变为弱的下沉气流，过程接近结束。

5 结论

通过对2018年8月23日发生在北京市平谷地区的强对流天气进行NCEP资料及实况分析，得出如下结果。

（1）此次天气过程，高空槽后侧的下滑冷空气影响明显，中低空配合暖平流，形成了强烈不稳定气层；边界层辐合线触发了这次强对流发展，从而产生降水天气，使雷暴单体核心快速下降，最终产生下击暴流天气。

（2）首轮下击暴流是多个单体中首先发展起来的第1个单体发动的，随着第一个单体反射率因子核心快速下降，第2个单体会变得更加强大。一个单体形成下击暴流可以加强其他单体的强度，从而产生一系列下击暴流。

（3）从多普勒雷达产品上可以看出，风暴初始回波形成于雷达站周围大范围的层状晴空回波中的一条回波强度小于20dBz的回波窄带上，小块回波通过增长，带动周围环境变化，最后发展为孤立的强烈的多单体风暴，造成了持续的下击暴流天气和冰雹及局地短时强降水。所以，短时临近需及时关注晴空回波上小于20dBz的回波窄带上弱小回波的发展。