常規(guī)與非常規(guī)觀測(cè)資料在局地冰雹強(qiáng)對(duì)流天氣中的精細(xì)化對(duì)比應(yīng)用

史辰　劉文軍　張瑋

摘要利用北京市自動(dòng)站觀測(cè)資料以及北京市海淀國(guó)家氣象觀測(cè)站中常規(guī)及非常規(guī)觀測(cè)資料，從區(qū)級(jí)氣象臺(tái)開展預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)工作的的角度，對(duì)2016年6月10日的一次強(qiáng)對(duì)流風(fēng)雹天氣進(jìn)行分析。結(jié)果表明，此次冰雹強(qiáng)對(duì)流過(guò)程是受高空低渦低槽以及地面冷鋒的配合下，由地面輻合線和高溫高濕熱力不穩(wěn)定等觸發(fā)的。綜合分析全市范圍地面常規(guī)要素分布發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜下墊面產(chǎn)生的熱力和動(dòng)力作用為對(duì)流發(fā)展加強(qiáng)提供一系列觸發(fā)機(jī)制，對(duì)于出現(xiàn)高溫高濕以及輻合線、輻合渦旋等特征，應(yīng)引起高度關(guān)注。綜合氣壓、溫度、風(fēng)速、水平能見度等多個(gè)本地常規(guī)觀測(cè)要素的變化來(lái)看，對(duì)于系統(tǒng)尚未影響當(dāng)?shù)貢r(shí)，氣壓在降雨提前30 min開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)是最先可識(shí)別的。風(fēng)廓線雷達(dá)中水平風(fēng)場(chǎng)和大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)分布變化相比較常規(guī)地面自動(dòng)站資料對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣特征的識(shí)別和預(yù)判更為顯著。

關(guān)鍵詞 冰雹；強(qiáng)對(duì)流；常規(guī)資料；非常規(guī)資料

中圖分類號(hào)S164文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2018）08-0147-06

Contrast and Application of Conventional and Unconventional Observational Data in Local Hail Strong Convective Weather

SHI Chen，LIU Wenjun，ZHANG Wei et al（Haidian District Meteorological Bureau，Beijing 100080）

AbstractUsing the observation data of Beijing automatic station and the conventional and unconventional observation data of Haidian National Meteorological Observatory in Beijing， from the perspective of forecasting and warning service of regional meteorological stations， a severe convective hail weather on June 10， 2016 was analyzed.The results showed that the haze strong convection process was triggered by the combination of highaltitude and lowvortex，low trough and ground cold front，which was caused by the ground convergence lines and high temperature and high humidity heat instability.A comprehensive analysis of the distribution of ground conventional elements in city's range found that the thermal and dynamical effects of complex underlying surfaces provided a series of triggering mechanisms for the enhancement of convective development.For the emergence of high temperature and high humidity，convergence line， convergent vortex and other features， should cause great concern.Comprehensive air pressure， temperature， wind speed， horizontal visibility and other local routine observation of changes in factors，for the system had not affected the local， the pressure began to decline 30 min before the rain began to decline was the first recognized.Distribution changes of horizontal wind field and atmospheric refractive index structure constant in wind profile radar compared to conventional ground automatic station data for the identification and prediction of the strong convection weather characteristics was more significant.

Key wordsHail；Strong convection；Conventional data；Unconventional data

作者簡(jiǎn)介史辰（1991—），女，北京人，助理工程師，從事強(qiáng)對(duì)流天氣風(fēng)廓線雷達(dá)資料應(yīng)用研究。

收稿日期2017-12-29

2013年12月，北京市在各區(qū)級(jí)氣象局成立了區(qū)級(jí)氣象臺(tái)，標(biāo)志著區(qū)級(jí)氣象臺(tái)將具體承擔(dān)開展所轄區(qū)域的精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)工作，而真正體現(xiàn)區(qū)級(jí)氣象臺(tái)價(jià)值的是通過(guò)開展分區(qū)預(yù)警來(lái)實(shí)現(xiàn)地方合理防范，而精準(zhǔn)把控分區(qū)預(yù)警的技術(shù)要點(diǎn)則在于開展所轄區(qū)域內(nèi)的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)。近年來(lái)，氣象部門在北京地區(qū)進(jìn)行了自動(dòng)氣象站網(wǎng)、風(fēng)廓線網(wǎng)以及新一代多普勒天氣雷達(dá)工程的建設(shè)，目前這些系統(tǒng)已經(jīng)可以為用戶提供不同種類的較高時(shí)空分辨率的實(shí)時(shí)觀測(cè)資料，為監(jiān)測(cè)和研究強(qiáng)對(duì)流天氣提供了較好基礎(chǔ)[1]。對(duì)于北京市的各基層氣象臺(tái)站，在應(yīng)對(duì)強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)工作的同時(shí)，還兼顧著觀測(cè)臺(tái)站各觀測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)任務(wù)。如何能夠在強(qiáng)天氣有限的影響時(shí)段內(nèi)，充分利用好該轄區(qū)內(nèi)的各項(xiàng)觀測(cè)要素的變化，以及觀測(cè)臺(tái)站內(nèi)各種常規(guī)和非常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，迅速識(shí)別天氣特征及變化趨勢(shì)，開展高質(zhì)量、高精度的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)可以說(shuō)是基層氣象臺(tái)最想突破也是最易實(shí)現(xiàn)的技術(shù)研究方向。

北京市海淀區(qū)位于北京城區(qū)的西北部，是強(qiáng)對(duì)流回波沿西北或偏西路徑入侵城區(qū)的重要關(guān)卡，同時(shí)受地理特征影響，海淀區(qū)有城市有山區(qū)，既要考慮高影響天氣對(duì)于城市人群密集生活區(qū)的影響，又要兼顧防范沿山區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。海淀區(qū)氣象臺(tái)位于海淀區(qū)中部、西北四環(huán)外側(cè)，是海淀區(qū)人口由稀疏轉(zhuǎn)向密集的、由郊區(qū)轉(zhuǎn)向城區(qū)的過(guò)渡區(qū)域，也是識(shí)別強(qiáng)對(duì)流回波“進(jìn)城”加強(qiáng)或減弱的關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)。筆者綜合北京市自動(dòng)站觀測(cè)資料以及海淀本站觀測(cè)常規(guī)和非常規(guī)觀測(cè)設(shè)備資料，對(duì)2016 年6月10日北京市海淀區(qū)冰雹天氣過(guò)程進(jìn)行逐分鐘精細(xì)化分析。

1強(qiáng)對(duì)流天氣背景分析

1.1過(guò)程概述

受高空低渦低槽影響，海淀區(qū)于2016年6月10日14：30出現(xiàn)雷陣雨，同時(shí)伴有短時(shí)大風(fēng)和冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，此次過(guò)程特點(diǎn)：下山迅速發(fā)展加強(qiáng)，并快速移動(dòng)，維持高強(qiáng)度影響下游地區(qū)。海淀本站冰雹最大直徑0.9 cm，10日16：00降雨基本結(jié)束。全區(qū)有降水地區(qū)平均降雨量6.5 mm，最大箭亭橋14.8 mm，最小車道溝1.7 mm，最大雨強(qiáng)出現(xiàn)在10日14：00—15：00永豐中學(xué)，為12.6 mm/h。海淀本站降雨時(shí)段為14：45—15：20；冰雹時(shí)段為14：49—14：53，本站出現(xiàn)6級(jí)以上大風(fēng)時(shí)段為14：52—14：54，最大值為14.7 m/s（出現(xiàn)時(shí)間14：52）。

1.2環(huán)流背景

200 hPa，10日08：00冷渦系統(tǒng)位于貝加爾湖以東（110°～115°E、52°N附近），北京處在低渦底部的槽區(qū)，且在高空急流軸的南側(cè)。500 hPa（圖1a），北京處于高空槽的底部偏西氣流控制，槽后部有干冷空氣侵入，是北京地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣比較典型的形勢(shì)；高度槽落后于溫度槽，有利于系統(tǒng)的加深發(fā)展，槽后有冷平流影響北京，槽前有明顯的正渦度平流，引起高空輻散。850 hPa（圖1b），北京位于槽前、急流軸的左側(cè)，且受暖平流影響。在地面圖中，10日08：00位于內(nèi)蒙東部的氣旋逐漸南擴(kuò)，北京處于氣旋底部弱輻合區(qū)（圖2）；到了14：00（圖3），地面冷鋒東移并逐漸靠近北京西部，低壓中心南擴(kuò)至北京，配合著14：00云圖可以看出，受低壓前部影響的對(duì)流云正不斷南伸發(fā)展，配合后面的冷鋒臨近，將會(huì)進(jìn)一步觸發(fā)新的對(duì)流單體產(chǎn)生。

1.3中尺度分析

1.3.1水汽條件。10日08：00高空700 hPa以上北京均處在水汽條件較差的干區(qū)，低層850 hPa有顯著濕度帶由南伸向北京，形成了上干下濕的水汽條件。結(jié)合08：00 850 hPa假相當(dāng)位溫分布（圖4a）來(lái)看，低層濕區(qū)與假相當(dāng)位溫的高值中心重疊，在保證水汽供應(yīng)的同時(shí)，聚集了不穩(wěn)定能量[2]。地面露點(diǎn)溫度較為理想，露點(diǎn)溫度是表征地面水汽絕對(duì)含量的指標(biāo)。按照張琳娜等[3]對(duì)北京地區(qū)冰雹特征分析提出，地面露點(diǎn)超過(guò)15 ℃作為預(yù)報(bào)冰雹的指標(biāo)，有助于增加不穩(wěn)定能量。10日08：00北京地區(qū)露點(diǎn)溫度為13～21 ℃，除西北部，露點(diǎn)溫度均在18 ℃以上（圖4b），可見，北京大部分地區(qū)還是存在明顯的不穩(wěn)定觸發(fā)條件的。

1.3.2動(dòng)力條件。高空500 hPa受弱冷平流影響，低層850 hPa受暖平流影響，形成上冷下暖的熱力不穩(wěn)定的垂直結(jié)構(gòu)，有助于對(duì)流條件的加強(qiáng)。

1.3.3抬升條件。從圖5可以看出，200 hPa處于低渦底部，850、700、500 hPa受低槽影響，地面冷鋒前有弱輻合線疊加，可見此次影響系統(tǒng)較為深厚。另外在急流方面，10日08：00低層（925～850 hPa）北京位于急流軸入口左側(cè)，中高層（500～200 hPa）北京處于急流軸南側(cè)，這種配置使北京高空形成強(qiáng)烈的水平輻散和對(duì)流層中層的正渦度平流輸送，造成明顯的上升運(yùn)動(dòng)[4-5]。

2常規(guī)地面自動(dòng)站資料分析

6月10日降雹主體回波從北京市門頭溝西北部進(jìn)入，14：00正處于門頭溝區(qū)東北部邊界，即將進(jìn)入海淀邊界，1.5°仰角基本反射率中心強(qiáng)度為48 dBz，回波頂高5 km，VIL垂直總降水含量3 kg/m2。從整體來(lái)看，整層影響系統(tǒng)配合不夠緊湊，回波較為分散，發(fā)展高度不高。根據(jù)雷達(dá)圖的實(shí)況定位，自動(dòng)站資料的反映比雷達(dá)回波更為明顯。從14：00溫度和露點(diǎn)溫度分布（圖6）來(lái)看，除了門頭溝西部回波已經(jīng)影響過(guò)后出現(xiàn)明顯降溫降濕以外，特別是城區(qū)及東南部地區(qū)都還是處于高溫高濕的高能環(huán)境中。從10日14：00近地面風(fēng)場(chǎng)（圖7）可以看出，與系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的位置前沿，即在海淀區(qū)西北邊界存在一條風(fēng)場(chǎng)輻合線。14：20，回波壓過(guò)輻合線，對(duì)應(yīng)著雷達(dá)回波在14：18—14：24迅速發(fā)展加強(qiáng)。孫繼松等[6]研究表明，城市與郊區(qū)下墊面物理屬性造成的熱力差異不僅形成了城市中尺度低空風(fēng)場(chǎng)輻合線，同時(shí)使邊界層內(nèi)中心城區(qū)風(fēng)場(chǎng)垂直切變加強(qiáng)，郊區(qū)低空風(fēng)速加大，造成低空水汽在較大范圍內(nèi)向?qū)α黧w中流入，維持對(duì)流降水的持續(xù)。結(jié)合14：30近地面風(fēng)場(chǎng)（圖8）可以看出，除了海淀北部受回波影響的輻合線之外，圍繞中心城區(qū)有一個(gè)明顯的風(fēng)場(chǎng)輻合渦旋，因此，在這樣的城市地面中尺度輻合渦旋的組織下，對(duì)流持續(xù)發(fā)展加強(qiáng)，由于具備充沛的能量、水汽以及持續(xù)的上升運(yùn)動(dòng)條件，使對(duì)流活動(dòng)更加劇烈，并隨風(fēng)場(chǎng)輻合線略向東移南擴(kuò)，在城區(qū)和下游地區(qū)造成明顯冰雹天氣。

從海淀本站常規(guī)觀測(cè)的逐分鐘資料分析（圖9）來(lái)看，本站氣壓在14：15提前降雨30 min時(shí)迅速下降，14：45又迅速回升，直到14：54，9 min內(nèi)氣壓涌升2.0 hPa，其余各項(xiàng)要素的變化趨勢(shì)基本都是在降雨前15 min內(nèi)陸續(xù)開始顯現(xiàn)的，溫度是在14：35后小幅下降，明顯降溫是在14：50—15：00，10 min降溫幅度達(dá)8.5 ℃。風(fēng)速在出現(xiàn)陣雨前15 min即從14：30起，有一個(gè)連續(xù)減弱的趨勢(shì)，而在降雹開始后14：50，風(fēng)速明顯增大，14：52極大風(fēng)速為14.7 m/s，很明顯這是由于氣壓涌升、氣溫驟降以及冰雹降落后造成拖曳作用；水平能見度也是在14：33左右開始從9.8 km緩慢下降，在15：05迅速回升至10.0 km以上。綜合氣壓、溫度、風(fēng)速、水平能見度等多個(gè)本地觀測(cè)要素的變化來(lái)看，對(duì)于系統(tǒng)尚未影響本地時(shí)，地面為熱低壓控制，地面溫度較高，儲(chǔ)存不穩(wěn)定能量，而氣壓在降雨前30 min開始出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)是最先可識(shí)別的。

3非常規(guī)觀測(cè)設(shè)備——邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)

為進(jìn)一步完善中尺度監(jiān)測(cè)網(wǎng)，配合地面自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)與其他非常規(guī)觀測(cè)設(shè)備，如地基遙感系統(tǒng)（廓線儀、雷達(dá)、閃電定位）、衛(wèi)星云圖和遙感探測(cè)，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)局地暴雨、雷暴、冰雹、颮線等空間尺度小、發(fā)展迅速、生命史短的中小尺度天氣系統(tǒng)提供了精細(xì)觀測(cè)資料。區(qū)氣象臺(tái)根據(jù)地理特征、業(yè)務(wù)需求等，安裝了一些非常規(guī)觀測(cè)設(shè)備，有助于該區(qū)域強(qiáng)天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)判。海淀區(qū)氣象臺(tái)的非常規(guī)觀測(cè)設(shè)備包括風(fēng)廓線雷達(dá)、雨滴譜、PM10以及PM2.5顆粒物監(jiān)測(cè)儀等。在此將以風(fēng)廓線雷達(dá)作為重點(diǎn)分析。

位于北京市海淀國(guó)家氣象觀測(cè)站西側(cè)（116.29°E、39.98°N）的CFL-06 L波段低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)，能夠連續(xù)提供150～6 000 m探測(cè)高度的大氣水平風(fēng)場(chǎng)、垂直氣流、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素隨高度的分布，連續(xù)獲取探測(cè)地域的大氣折射結(jié)構(gòu)波動(dòng)和湍流起伏等氣象信息[7]。

3.1風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)資料

分析6月10日12：48—15：30位于海淀氣象觀測(cè)站的風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場(chǎng)資料（圖10）可以看出，在主體系統(tǒng)尚未影響時(shí)，12：48—14：42垂直方向1 km處上下為暖平流，高層是較為平直的偏西氣流；14：30起，5.5～6.0 km出現(xiàn)風(fēng)向的不連續(xù)，由西北風(fēng)隨高度逆時(shí)針轉(zhuǎn)為西風(fēng)，存在冷空氣擾動(dòng)；14：36不連續(xù)處降至4.0 km；14：42，垂直風(fēng)向上的不連續(xù)性擴(kuò)散為4.0～5.0 km，由西北風(fēng)垂直轉(zhuǎn)變?yōu)槟巷L(fēng)，再垂直轉(zhuǎn)為北風(fēng)，5.0 km以上轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，可見原在5.5～6.0 km高度的冷空氣明顯已降至4.0 km，說(shuō)明中層冷平流的厚度逐漸增加，冷平流也略有增強(qiáng)。根據(jù)實(shí)況來(lái)看，14：45本站開始出現(xiàn)陣雨；14：48，不連續(xù)性主要體現(xiàn)在0.5～1.5 km高度層，0.5～1.0 km高度上由東南風(fēng)順轉(zhuǎn)為南風(fēng)，1.0～1.5 km高度為東北風(fēng)逆轉(zhuǎn)為北風(fēng)，冷平流疊加在暖平流之上，打破原有的穩(wěn)定層結(jié)，促進(jìn)層結(jié)靜力穩(wěn)定度減小，此時(shí)對(duì)流天氣已經(jīng)發(fā)生。同時(shí)，1.0 km以下為東南風(fēng)，由于西部山前迎風(fēng)坡的強(qiáng)迫抬升作用影響，使從東移南下的對(duì)流單體進(jìn)一步加強(qiáng)發(fā)展。

從風(fēng)速時(shí)序變化（圖10）來(lái)看，10日14：36起，中層3 870～3 990 m出現(xiàn)風(fēng)速大于28 m/s的急流區(qū)，隨之急流逐漸滲透下沉，到14：48，急流下傳至2 790 m，可見降雹前10 min中空急流動(dòng)量下傳，也為冰雹形成提供動(dòng)力條件。14：48，近地面東風(fēng)高度達(dá)870 m，其中510～870 m的偏東風(fēng)風(fēng)速（21.3～32.5 m/s）明顯大于近地面層（2.0 m/s），可見低層風(fēng)切變的顯著增強(qiáng)進(jìn)一步使得大氣層結(jié)不穩(wěn)定性增加，有利于本地對(duì)流的發(fā)展加強(qiáng)。根據(jù)實(shí)況，本站于14：49開始降雹，14：54低層風(fēng)切變依然維持，但低層最大風(fēng)速有所減小，對(duì)流性相對(duì)減弱，此時(shí)降雹結(jié)束，轉(zhuǎn)為強(qiáng)降水，降水量達(dá)2 mm/min，此時(shí)測(cè)站風(fēng)速也明顯加大，分鐘內(nèi)最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)14.7 m/s；15：00，冷空氣進(jìn)一步下沉，1 300～3 600 m風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)；15：12，冷空氣進(jìn)一步下沉接地，對(duì)流減弱，降水逐漸結(jié)束。

從上述對(duì)本站強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的分析表明，冰雹發(fā)生前10 min高層冷空氣入侵以及中層急流動(dòng)量下傳，為冰雹形成提供動(dòng)力條件；而冰雹發(fā)生時(shí)，0.5～1.5 km高度冷暖平流交替以及明顯的偏東風(fēng)風(fēng)速增強(qiáng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了近地面層結(jié)的不穩(wěn)定能量，有利于冰雹的發(fā)生和發(fā)展。

3.2大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)中大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)代表的是大氣湍流指數(shù)的變化形勢(shì)，通過(guò)分析其演變情況可以看出邊界層對(duì)流的發(fā)展[8-9]。受大氣湍流日變化的影響，日間地面熱輻射增強(qiáng)，近地面1 km左右，常數(shù)存在層結(jié)大值區(qū)。由圖11可知，6月10日10：00起，在4 km上下，常數(shù)也開始逐漸增大，表明上空大氣湍流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)；隨著降水系統(tǒng)臨近，14：24大于-170 dB區(qū)域突然提高，并從6.0 km處逐漸向下滲透，標(biāo)志著系統(tǒng)前沿的對(duì)流脈沖已經(jīng)開始影響本站。

4結(jié)論

利用海淀區(qū)所轄區(qū)域內(nèi)的自動(dòng)站觀測(cè)資料以及海淀本站常規(guī)和非常規(guī)觀測(cè)資料，對(duì)2016年6月10日冰雹強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行綜合分析，得到結(jié)論如下：

（1）此次冰雹強(qiáng)對(duì)流過(guò)程是受高空低渦低槽以及地面冷鋒的配合下，由地面輻合線和高溫高濕勢(shì)力不穩(wěn)定等觸發(fā)的局地強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程。綜合6月10日08：00的中尺度分析，此次天氣過(guò)程無(wú)論從水汽、動(dòng)力條件、抬升條件等都具備冰雹、雷暴、大風(fēng)的強(qiáng)對(duì)流天氣特征。

（2）綜合分析6月10日14：00全市范圍地面常規(guī)要素分布，對(duì)于出現(xiàn)高溫高濕以及輻合線、輻合渦旋等特征，應(yīng)引起高度關(guān)注。綜合氣壓、溫度、風(fēng)速、水平能見度等多個(gè)本地常規(guī)觀測(cè)要素的變化來(lái)看，對(duì)于系統(tǒng)尚未影響本地時(shí)，氣壓在降雨提前30 min開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)是最先可識(shí)別的。

（3）風(fēng)廓線雷達(dá)中水平風(fēng)場(chǎng)相比較常規(guī)地面自動(dòng)站資料對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣特征的識(shí)別和預(yù)判更為顯著。冰雹發(fā)生前10 min高層冷空氣入侵，中層急流動(dòng)量下傳以及低層明顯增強(qiáng)的垂直風(fēng)切變；近地面高度范圍內(nèi)冷暖平流交替以及明顯的偏東風(fēng)風(fēng)速增強(qiáng)，促進(jìn)對(duì)流維持加強(qiáng)；開始降水前，垂直速度在接近零速度線左右徘徊后突然增大，且增大至超過(guò)4 m/s；距離本站降雨前21 min，大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)大值區(qū)所在高度突然提高，并從6.0 km處大面積逐漸向下滲透，標(biāo)志著系統(tǒng)前沿的對(duì)流脈沖已經(jīng)開始影響本站，且常數(shù)值越大，表明該區(qū)域?qū)α髟讲环€(wěn)定。這些都將有利于預(yù)報(bào)員對(duì)回波發(fā)展趨勢(shì)及降水相態(tài)的快速識(shí)別和研判，及時(shí)開展精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。

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