北京世园会开幕式期间弱降水天气成因

甘璐 郭金兰 雷蕾 邢楠

(北京市气象台，北京 100089)

引言

中国北京世界园艺博览会(以下简称“世园会”)于2019年4月29日至10月7日在北京延庆举行，是中国政府主办、北京市承办的最高级别A1类世界园艺博览会。世园会园区位于北京市延庆区妫河岸边，距八达岭长城10 km，又称“长城脚下的世界园艺博览会”。本届世园会历时162 d，跨越春、夏、秋三季，强降水、雷电、大风、高温、雾霾等灾害性天气频发。加上参观人数多，活动以户外活动为主，气象保障任务重。尤其是计划于4月28日20:00—22:00在世园会园区进行的开幕式大型文艺演出，是世园会最为重要的组成部分，社会关注度高、受天气因素影响大。总体上开幕式气象保障非常成功，但开幕式期间北京地区出现了一次弱天气过程，弱降雨出现的时间和空间上与重大活动时间节点、举办地点很接近，给现场服务造成一定的困扰。

此次降雨过程强度小、持续时间短，但是有无降雨对开幕式重大活动影响极大，属于典型的“弱强度、高影响”天气。近年来，弱降水天气短时临近预报及其对重大活动保障的影响越来越受到关注[1]。智能网格预报及天气预报技术的快速发展，使得天气预报精准度有了很大的提高[2-4]，高分辨率探测资料、气象服务规范和服务策略等在重大活动保障中得到充分应用[5-12]，但与重大活动保障高标准、严要求之间仍有差距。随着我国经济的快速发展和综合国力的提升，国际型的政治活动、体育赛事、文化汇演等大型活动越来越多。针对“弱强度、高影响”天气进行深入分析，总结短时临近预报服务经验，对于提高重大活动气象保障能力具有借鉴意义和参考价值。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文使用的资料包括国家气象信息中心提供的全国常规地面气象观测资料、高空气象观测资料，以及北京市气象信息中心提供的北京地区加密自动气象站资料、风廓线资料、云雷达资料。数值模式预报资料包括EC细网格全球预报模式降水量预报产品、日本模式降水量预报产品、NCEP模式降水量预报产品，以及北京城市气象研究院研发的睿图区域中尺度模式降水量预报产品。

1.2 开幕式保障需求

世园会开幕式于4月28日20:00—21:30在位于北京西北方向距离中心城区74 km的世园会园区演艺广场(图1a)举行。城市安全运行、文艺演出和烟花燃放为气象保障重点。文艺演出涉及到高空搭建物及多个高空表演项目，所期望的气象条件是无降雨、静风或微风、气温适宜、能见度10 km以上。烟花燃放需在微风无雨且风力小于5级的条件下；从图1b可以看到，风向东南风、东风或北风均较为适宜。随着世园会开幕式准备工作的就绪，天气逐步成为开幕式能否在室外举办的唯一决定性因素，也是最不确定的因素。气象保障工作面临极大的挑战：(1)世园会开幕式对气象条件的要求极高，气象部门至少需要提前6 h提供精准决策信息；(2)园区北部为山脉，园区及周边为平原，地形复杂，预报难度大；(3)首都气象保障重点区域聚焦在中心城区，远郊区的预报技术储备和经验积累相对薄弱。

图b红色方条为烟花燃放地图1 2019年中国北京世界园艺博览会会址(a)和世园会开幕式举办地(b)Fig.1 Venues of the 2019 Beijing World Horticultural Exposition (a) and its opening ceremony (b)

2 结果分析

2.1 天气实况

2019年4月28日白天北京市为阴有时多云天气。28日傍晚到夜间，北京北部地区出现了弱降水(图2a)。全市平均降水量为0.1 mm，最大降雨出现在昌平太平庄，为1.7 mm。世园会园区过程累计降水量为0.4 mm，主要出现时段在28日23:00至29日00:00(图2b)。世园会开幕式期间(20:00—21:30)园区以阴天为主，未观测到0.1 mm以上的有效降雨，仅在开幕式结束时段(21:30左右)有零星小雨出现。

图2 2019年4月28日19时至29日03时北京市累积降水量(a)、世园会气象站逐10 min降雨、相对湿度和气温(b)Fig.2 Distribution of cumulative precipitation in Beijing (a),and time series of 10-min precipitation,relative humidity and temperature at the Shiyuanhui station (b) from 19:00 on April 28 to 03:00 on April 29,2019

开幕式期间园区平均风力维持在1—2级，逐10 min极大风极值为2.9 m·s-1。由于风力较小且风向不定，平均风以偏东分量为主。受天空状况的影响，28日白天升温效应不明显，白天最高气温为11.5 ℃，开幕式期间气温为9—11 ℃，相对湿度为80%—85%。由于气温低，近地面空气相对湿度大，人体感觉较冷。

2.2 天气形势

从图3a高空500 hPa环流形势可以看到，4月28日08:00中高纬为纬向环流，华北地区40°N附近以偏西气流为主。其中，700 hPa高度京津冀中北部为弱的反环流控制(图略)。上游地区有高空短波槽配合湿区东移。18时左右，北京上游张家口一带出现弱降水，降雨量不足1 mm。28日20:00，高空槽进一步东移至河套北部，且有加强趋势(图3b)。20时左右，冷切变位于北京中部，张家口转为西北风，南郊观象台转为西南风，湿度区减弱，上升运动区偏北。卫星云图可见带状云系随短波槽东移并向东伸展，28日20时影响河北西北部至北京延庆西部山区。地面形成了“东高西低”的形势，北京处于高压后部和低压辐合区的前部，低层表现为下沉或弱上升运动。同时，由于东路冷空气影响，边界层气温下降明显，导致华北地区热力条件变差。从南郊观象台站也可以看到(图略)，850 hPa高度附近存在明显的逆温层，大气层结稳定，不具备强天气发展的条件。

实心红点为世园会园区，蓝色线条为等高线，单位为dagpm图3 2019年4月28日08时(a)和20时(b)500 hPa高度场及红外云图Fig.3 500-hPa height field and infrared cloud images at 08:00 (a) and 20:00 (b) on April 28,2019

总的来说，28日大尺度动力条件较弱，湿层主要位于700—500 hPa的高度层，明显偏高，不利于北京平原地区出现降水天气，但是湿度区和上升运动区偏北，西北部高海拔出现弱降水的可能性不能完全排除。

2.3 数值模式预报

2.3.1 全球模式预报

从4月27日20时起报的28日20—23时降水落区比较可以看到，欧洲EC模式、日本模式和NCEP全球模式均预报该时段华北北部有0—1 mm降水，但降雨落区范围差异较大，对于定点的降水有/无的精确判断较为困难。EC模式预报(图4a)降水落区主要位于内蒙中部至河北西北部，东部边界进入北京延庆西部山区，不影响世园会地区。日本模式预报(图4b)降水落区主要位于河北北部至北京延庆及怀柔北部山区，弱降水区接近世园会北部。NCEP全球模式(图4c)预报降水落区影响北京大部地区，世园会地区有小于1 mm的降水。全球模式预报分析显示，不同模式对弱降雨落区的预报有一定的差异，同一模式在不同的起报时间对于世园会园区出现降雨的有/无也反复调整。开幕式期间世园会园区出现明显降雨的可能性基本可以排除，但出现弱降雨的可能性依然存在。

图4 2019年4月27日20时起报的28日20—23时北京地区EC模式(a)、日本模式(b)和NCEP模式(c)预报的累计降雨落区分布Fig.4 Distribution of cumulative precipitation in Beijing from 20:00 to 23:00 on April 28,2019,predicted by the EC model (a),Japan model (b),and NCEP model (c) starting from 20:00 on April 27,2019

2.3.2 睿图中尺度模式预报

由北京本地睿图中尺度模式预报可以看到(图5)，4月28日不同时次起报的降雨落区显示世园会开幕式期间园区周边有弱降雨，降雨落区基本位于河北西北部至内蒙中部。降雨落区在北京延庆西部边缘摆动，28日08时起报的降雨落区显示22时(图5c)世园会园区有降雨；11时起报的降雨落区则显示世园会园区的降雨提前到21时(图5e)；14时起报的20时(图5g)、21时(图5h)北京地区均无降雨，但22时(图5i)左右延庆西部有降雨，且刚好位于世园会园区边缘。同一模式不同时次起报的降雨落区预报也反复调整，对于世园会地区弱降水有/无的判断分歧及不确定性较大，对于预报员的定点精细化预报可参考性有限。重大活动各项工作精准到分钟级，需要提供与之相匹配的弱降水预报服务(几点几分下雨)。特别是弱降水有和无之间是截然相反的结论，不同的预报结论将可能引发完全不同的服务效果。

图5 2019年4月28日睿图中尺度模式08时起报的开幕式期间北京地区20时(a)、21时(b)、22时(c)、11时起报的20时(d)、21时(e)、22时(f)和14时起报的20时(g)、21时(h)、22时(i)降水落区分布Fig.5 Distribution of precipitation in Beijing at 20:00,21:00,22:00 on April 28,2019,predicted by the Ruitu mesoscale model starting at 08:00 (a-c),11:00 (d-f),and 14:00 (g-i) on the same day

2.4 短时临近监测

2.4.1 雷达回波演变

受高空短波槽东移的影响，世园会园区上游河北西北部张家口一带28日15:00—18:00已出现降雨。从雷达回波演变可以看到，降雨回波在移动过程中强度基本维持在30 dBz以下，且回波主体整体偏北。18:30左右回波主体仍在河北张家口附近(图6a)，距离世园会园区约100 km，中心最大降水量在1 mm左右。从回波移向及加密自动站降水量演变外推判断，18:59弱降雨的前沿将进入延庆西部(图6b)。随后，雷达回波沿延庆北部发展，并略南压。监测表明，20时200 m风场由1—2 m·s-1南风转为4 m·s-1东南风，使得延庆北部山前弱回波有所加强，高海拔地区出现弱降水。其中，延庆刘斌堡站(海拔高度为635 m)观测到0.1 mm降水。结合雷达回波和延庆地形发现，弱降水基本沿600 m以上地形分布。由于世园会园区位于延庆平原地带，海拔高度为481 m，且无明显局地风场辐合配合。开幕式期间世园会园区出现弱降水的风险不断增加，但并没有预报降雨。

图6 2019年4月28日18:29(a)、18:59(b)、19:30(c)、20:00(d)、20:12(e)和20:30(f)雷达云图Fig.6 Radar cloud images at 18:29 (a),18:59 (b),19:30 (c),20:00 (d),20:12 (e),and 20:30 (f) on April 28,2019

2.4.2 风廓线演变

北京加密自动站风场显示(图略)，延庆地区近地面风场较弱，10 min最大平均风速在3 m·s-1以下，世园会园区站10 min最大平均风速为2 m·s-1，风向无序，无明显风场辐合。从延庆站逐6 min风廓线可知(图7)，19时开始边界层风场逐步减弱；1700—2500 m高度风向始终维持偏西风，20:30开始整层逐步转为西南风。21:30 高空风速再次增大，3200 m以上出现12—17 m·s-1风速层。总的来说，开幕式期间边界层及对流层低层风场较弱，动力条件不足；同时地面温度下降，受到地面弱风场控制，不存在降水回波局地新生、发展的环境条件。但随着高空短波槽东移，21时以后3000 m以上偏南风扰动加强，并且地面至2500 m出现短波槽扰动和冷空气影响，出现降雨的风险主要集中在21:30左右。

图7 2019年4月28日19—22时延庆站逐6 min风廓线Fig.7 The 6-min wind profiles at Yanqing station from 19:00 to 22:00 on April 28,2019

2.4.3 云雷达垂直探测

从延庆站云雷达垂直探测可以看到(图8)，28日19时前反射率相对明显的在7 km以上，且强度在 10 dBz以下。19时开始，3—7 km高度处反射率明显增强，湿度层增厚。随着天气系统的临近，反射率因子强度有所增强，云层不断增厚，但始终维持在4 km以上。21:30左右，3—6 km高度处的反射率强度已超过10 dBz，高度低于3 km。据现场观测人员反馈，演出结束撤场时(21:30—22:00)，现场出现零星小雨。23时左右，垂直反射率强度最强，达到20 dBz以上，也是本次弱降水过程最为明显的时段。垂直探测表明，开幕式期间高层以及近地面层水汽含量相对较高，但是2—4 km中层降雨回波反射率很弱，相对湿度很低。综合考虑垂直探测资料，结合加密自动站实况分析，有助于做出弱降水有无的判断。

图8 2019年4月28日11时至29日11时北京市延庆站云雷达反射率Fig.8 Cloud radar reflectivity at Yanqing station in Beijing from 11:00 on April 28 to 11:00 on April 29,2019

2.5 风险分析及短时预报服务

2.5.1 气象决策风险

随着开幕式的临近，天气关注的重点也逐步聚焦到演出期间降雨有/无的确定性预报问题。假如因不利天气的影响临时改为室内，效果将远不如预期。气象保障的风险主要有3方面：一是漏报的风险，即“预报无雨，实况出现降雨”；哪怕是零星小雨，都可能对室外演出效果和现场观看秩序造成重要影响。二是空报的风险，即“预报有雨，实况未出现降雨”；若不调整，开幕式仍在室外举办，尽管降雨没有影响，气象部门的保障能力受到质疑；开幕式临时调整为室内，不但造成前期室外场地布设所涉及的人力、物力资源的浪费，临时调整还打乱原有的部署，应对工作上难免不出纰漏，而且由于室内整体效果不如预期，组委会对气象服务的满意度将大幅下降。三是“预报有雨，演出期间出现降雨”；即使预报准确，演出效果受到影响，气象服务满意度不高。

2.5.2 短时预报服务

入夜后近地面相对湿度增加，加上高空槽系统的逼近，世园会园区出现降雨的风险越来越高。开幕式短时预报服务主要有3个关键决策点：第1个关键决策点是28日16时，组委会需要根据天气情况决定是否需要调整到室内。结合本地观测资料的精细分析，以及气象决策风险的把控，28日16时发布的预报提示21—22时有零星小雨；建议演出仍在室外举行，同时提示撤场期间降雨的风险，需适时采取防雨措施。第2个关键决策点是28日18:30，组委会需要进一步掌握零星小雨出现的准确时间，以决定是否升级应对降雨的防御措施。综合风廓线、加密自动站及云雷达等资料分析得到，降雨回波在移动过程中并没有发展加强的趋势，加上世园会地区边界层风场较弱、中层湿度小，温度低，也不存在降水回波局地新生、发展的环境条件。因此，综合判断21:30前世园会园区出现降雨的风险较低。第3个关键决策点是28日19:40，组委会需要了解最新气象条件，决定是否需要把最为精彩、对天气最为敏感的“飞天”等空中演出节目往前调整。综合延庆地形特征及降水落区分布，判断园区21—22时阴转零星小雨，21:30前无影响。据现场保障人员反馈，演出结束撤场时，现场出现零星小雨，实况与预报结论基本吻合。

3 结论与讨论

(1)世园会保障期间主要受到弱短波槽影响，地面为“东高西低”的形势，北京处于高压后部和低压辐合区的前部，低层表现为下沉或弱上升运动，由于东路冷空气影响，边界层气温下降明显，华北地区热力条件变差。尽管没有明显降雨，仍对开幕式保障造成一定的影响。

(2)重大活动的保障中弱降水预报的服务需求需要精准到分钟级(几点几分下雨)，特别是弱降水有和无之间截然相反的结论，将可能引发完全不同的服务效果，对现场决策提出挑战。弱降水天气过程的动力条件往往较弱，各数值模式对弱降水过程的预报总体都有反应，但在出现范围以及定点降水有/无预报方面各模式均无明显优势。

(3)近地面风的扰动和地形分布是此次短时预报服务的主要关注点。开幕式期间近地面风场较弱，温度较低，中层湿度较差，不具备局地新生发展的条件。借助加密自动站实况、云雷达、风廓线等多种探测手段，有助于分析降水系统更精细的演变特征。

(4)现阶段天气预报还难以做到完全准确的定时定点定量预报，需要通过有效的服务及时弥补，将气象风险和短时预报服务相结合，发挥更大的减灾效益。随着重大活动保障任务的增加，仍需进一步加强气象服务保障经验总结和服务策略研究，基于天气的发展变化做好气象风险把控，尽可能降低不利气象条件的影响。