2015年北京田徑世錦賽開幕式天氣的精細(xì)化預(yù)報(bào)與方法

王 華，郭金蘭，仲躋芹，時(shí)少英，劉 卓，何 娜

（1.中國(guó)氣象局城市氣象研究所，北京 100089；2.北京市氣象服務(wù)中心，北京100089；3.北京市氣象臺(tái)，北京 100089）

重大活動(dòng)關(guān)鍵時(shí)段的定點(diǎn)預(yù)報(bào)一直是天氣預(yù)報(bào)服務(wù)的難點(diǎn)。近些年來，北京舉行了奧運(yùn)會(huì)、國(guó)慶閱兵等重大活動(dòng)，對(duì)精細(xì)化要素預(yù)報(bào)和重大活動(dòng)的氣象保障服務(wù)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。時(shí)少英等[1-3]針對(duì)奧運(yùn)會(huì)開幕式天氣、賽事精細(xì)化預(yù)報(bào)等做了研究分析，總結(jié)了有借鑒意義的大型活動(dòng)精細(xì)化預(yù)報(bào)和服務(wù)保障的經(jīng)驗(yàn)。郭虎等[4]提出了跟進(jìn)式精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)的思路，指出需要充分發(fā)揮多種新型探測(cè)資料的服務(wù)價(jià)值；潘進(jìn)軍等[5]對(duì)國(guó)慶60周年慶祝活動(dòng)的氣象服務(wù)從多方面進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并指出在高影響天氣預(yù)報(bào)預(yù)警方面還有待進(jìn)一步提高水平。伴隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)天氣預(yù)報(bào)和氣象服務(wù)的需求也越來越高。湯緒[6]闡述了世界氣象組織關(guān)于未來氣象服務(wù)的發(fā)展方向，指出鼓勵(lì)與指導(dǎo)以無縫隙預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)技術(shù)為支撐的新型服務(wù)業(yè)務(wù)的發(fā)展。近年我國(guó)數(shù)值預(yù)報(bào)模式快速發(fā)展[7-9]、集合預(yù)報(bào)廣泛應(yīng)用、高時(shí)空分辨率氣象探測(cè)網(wǎng)日趨完善，降水、氣溫等要素的精細(xì)化預(yù)報(bào)[10-12]和高影響天氣[13-18]的預(yù)報(bào)預(yù)警水平有了進(jìn)一步提高，使得精細(xì)化預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和重大活動(dòng)服務(wù)保障有了更加豐富的內(nèi)涵。

2015年北京世錦賽于8月22日17時(shí)在國(guó)家體育場(chǎng)“鳥巢”隆重開幕。此次開幕式表演活動(dòng)在“鳥巢”露天舉行，參演人員眾多，道具、服裝等都要求避開下雨時(shí)段。據(jù)氣象資料分析，8月下旬華北及北京地區(qū)仍處于汛期，發(fā)生強(qiáng)對(duì)流和暴雨等天氣的概率較大[19]；而2015年8月22日華北地區(qū)正處于東北冷渦的環(huán)流背景下。孫明生、孫繼松等[20-21]研究表明，東北冷渦是北京發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的典型天氣形勢(shì)，易出現(xiàn)冰雹、雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水，強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生時(shí)間集中在午后至傍晚的14—20時(shí)，峰值時(shí)段在16—18時(shí)；而開幕式正處于該時(shí)段內(nèi)。在這樣的天氣氣候背景下，做好開幕式期間的定時(shí)、定點(diǎn)、定量的精細(xì)化預(yù)報(bào)難度很大，氣象服務(wù)保障面臨極大的挑戰(zhàn)。

應(yīng)用常規(guī)探測(cè)、雷達(dá)、加密自動(dòng)站、雷達(dá)四維變分同化系統(tǒng)（VDRAS）和多尺度數(shù)值模式、集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品，從短期到短時(shí)、臨近逐步分析總結(jié)世錦賽開幕式天氣預(yù)報(bào)的思路和方法，旨在為精細(xì)化要素預(yù)報(bào)、強(qiáng)對(duì)流短臨預(yù)報(bào)預(yù)警和重大活動(dòng)的氣象服務(wù)保障提供有益的參考。

1 北京田徑世錦賽開幕式天氣實(shí)況

2015年8月22日中午到傍晚，北京范圍內(nèi)出現(xiàn)了從小雨到暴雨的不同量級(jí)的分散性降雨。由圖1北京地區(qū)8月22日12—18時(shí)（北京時(shí)，以下同）降雨分布和逐小時(shí)自動(dòng)站加密觀測(cè)雨量可以看出，局地暴雨主要集中在北京東北部的平谷地區(qū)。其中，13—14時(shí)平谷區(qū)塔洼出現(xiàn)了小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)50.7 mm的短時(shí)強(qiáng)降水，同時(shí)平谷區(qū)局地出現(xiàn)了小冰雹和雷暴大風(fēng)天氣；14—17時(shí)北京的延慶、昌平、門頭溝和房山等地出現(xiàn)了小陣雨或雷陣雨，尤其是世錦賽開幕式開始前1 h（16—17時(shí)）距離“鳥巢”不足20 km的昌平東南部出現(xiàn)弱雷雨；開幕式期間（17—18時(shí)）北京西部山區(qū)和南部大興的局地出現(xiàn)雷雨天氣。雖然“鳥巢”附近沒有出現(xiàn)降雨，但周邊出現(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣給開幕式的精細(xì)化預(yù)報(bào)帶來很大的壓力。

圖1 2015年8月22日12—18時(shí)北京地區(qū)降雨分布

2 開幕式天氣的短期預(yù)報(bào)與方法

世錦賽開幕式期間短期天氣預(yù)報(bào)的重點(diǎn)是8月22日17—18時(shí)及準(zhǔn)備階段“鳥巢”地區(qū)的降水和強(qiáng)對(duì)流天氣。天氣尺度系統(tǒng)上，開幕式前期北京處于東北冷渦的底部。8月21日冷渦中心處于吉林中部，22日東北低渦中心移至黑龍江東部，影響北京地區(qū)的主要系統(tǒng)是冷渦后部的橫槽（圖2）。無論是確定性預(yù)報(bào)還是集合預(yù)報(bào)對(duì)東北低渦的系統(tǒng)位置、強(qiáng)度預(yù)報(bào)都比較穩(wěn)定，因此可以判斷8月22日下午北京地區(qū)易出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，而預(yù)報(bào)的難點(diǎn)在于開幕式期間“鳥巢”地區(qū)的定時(shí)定點(diǎn)預(yù)報(bào)。

圖2 2015年8月22日08時(shí)500 hPa高度場(chǎng)（藍(lán)色實(shí)線，單位：dagpm）、溫度場(chǎng)（紅色實(shí)線，單位：℃）、槽線系統(tǒng)（棕色實(shí)線）和風(fēng)場(chǎng)分布

強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生需要水汽、不穩(wěn)定能量和觸發(fā)機(jī)制3個(gè)基本條件[22-24]。由于東北冷渦的位置偏東北，北京中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)（BJ-RUC）預(yù)報(bào)8月22日下午850 hPa的切變線位置位于河北東北部（圖3）。北京東北部的平谷處于切變線西側(cè)影響的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)內(nèi)，850 hPa相對(duì)濕度超過70%；城區(qū)“鳥巢”一帶處于偏北氣流里，850 hPa相對(duì)濕度為40%～50%。從不穩(wěn)定條件分析，22日下午北京低層的暖平流較弱，500 hPa無冷平流，但切變線后部自北向南有干空氣侵入北京，因此具有一定的不穩(wěn)定能量，東部地區(qū)的CAPE值相對(duì)較大。同時(shí)預(yù)報(bào)22日下午北京上空的垂直風(fēng)場(chǎng)存在一定的風(fēng)向切變，但風(fēng)速切變較弱。因此BJ-RUC中尺度系統(tǒng)預(yù)報(bào)22日午后平谷有局地強(qiáng)降水，西部、北部山區(qū)有分散陣雨，城區(qū)無降水（圖4）。其它多家數(shù)值模式均預(yù)報(bào)了8月22日下午北京地區(qū)有分散性陣雨，河北東北部及北京東北部地區(qū)的雨量相對(duì)明顯。而ECMWF確定性預(yù)報(bào)在22日下午“鳥巢”附近預(yù)報(bào)了1 mm左右的降水，集合預(yù)報(bào)的絕大多數(shù)成員也預(yù)報(bào)了小雨量級(jí)的降水，成員中最大降水量預(yù)報(bào)為6.2 mm。

綜合來看，在東北冷渦及切變線系統(tǒng)的影響下，北京具有一定的不穩(wěn)定能量和濕度，但是系統(tǒng)位置偏東，低層較干，垂直風(fēng)切變較弱，給出預(yù)報(bào)結(jié)論：8月22日下午北京無大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣，但局地將有對(duì)流天氣發(fā)生，東部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的可能性較大；“鳥巢”地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的可能性較小，但是可能出現(xiàn)弱降水天氣。鑒于“鳥巢”降水預(yù)報(bào)的不確定性，氣象部門21日向組委會(huì)提供了“開幕式期間鳥巢地區(qū)天氣以陰為主，或有小陣雨”的預(yù)報(bào)信息。

圖3 BJ-RUC中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)2015年8月21日20時(shí)預(yù)報(bào)22日16時(shí)850 hPa相對(duì)濕度、風(fēng)場(chǎng)分布

圖4 BJ-RUC中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)2015年8月21日20時(shí)預(yù)報(bào)22日08—20時(shí)雨量/mm

3 短時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣的精細(xì)化預(yù)報(bào)

8月22日開幕式當(dāng)天短時(shí)預(yù)報(bào)關(guān)注的重點(diǎn)是強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)的時(shí)間、范圍以及對(duì)“鳥巢”地區(qū)的可能影響。22日上午京津冀地區(qū)晴空，氣溫上升較快，11時(shí)河北北部山區(qū)局地有對(duì)流發(fā)展。12時(shí)河北與北京密云、平谷交界處的回波發(fā)展，中心強(qiáng)度超過50 dBz。此后回波進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)并向東南方向移動(dòng)，13時(shí)進(jìn)入到北京平谷的東北部，并于13:30前后達(dá)到最強(qiáng)（圖5），中心強(qiáng)度超過60 dBz，造成平谷塔洼13—14時(shí)降雨50.7 mm，局地出現(xiàn)了最大直徑為9 mm的小冰雹以及雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。短時(shí)預(yù)報(bào)面臨的難點(diǎn)是影響平谷的強(qiáng)對(duì)流回波是否會(huì)繼續(xù)東南移動(dòng)影響“鳥巢”或在“鳥巢”附近激發(fā)出新的回波？

圖5 2015年8月22日13:30北京雷達(dá)組合反射率回波

城區(qū)“鳥巢”附近的氣象條件不利于對(duì)流發(fā)展。14時(shí)北京觀象臺(tái)的加密探空顯示（圖6），不穩(wěn)定能量較大，CAPE值超過1000 J/kg，600 hPa中層干侵入明顯，但是700～850 hPa相對(duì)濕度在65%左右，925 hPa以下濕度不足40%，同時(shí)，中低層為弱的偏北風(fēng)，高低空溫度差動(dòng)平流和垂直風(fēng)切變都很弱，不利于雷暴的發(fā)展。VDRAS200 m擾動(dòng)溫度場(chǎng)（圖7）顯示，平谷的強(qiáng)對(duì)流天氣在邊界層形成了冷池，而城區(qū)“鳥巢”附近正好處于相對(duì)冷區(qū)中，也不利于雷暴的局地生成。

圖6 2015年8月22日14時(shí)北京觀象臺(tái)探空層結(jié)圖

14時(shí)以后位于平谷的強(qiáng)回波緩慢南移，但強(qiáng)度開始減弱，14:48該回波前部的陣風(fēng)鋒開始遠(yuǎn)離雷暴主體（圖8）。Wilson等[25-26]的研究表明雷暴消散的指標(biāo)有3個(gè)，其中一個(gè)是：當(dāng)雷暴的出流邊界逐漸遠(yuǎn)離雷暴時(shí)，雷暴將消散，因此可以判斷位于平谷的雷暴主體將趨于消散。同時(shí)，北京市氣象局新一代中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)RMAPS-ST（3 km分辨率、3 h快速更新循環(huán)系統(tǒng)）的逐小時(shí)預(yù)報(bào)，15時(shí)到世錦賽開幕式期間城區(qū)“鳥巢”附近無降水。

圖7 VDRAS反演的2015年 8月22日14：30北京地區(qū)200 m擾動(dòng)溫度/℃

圖8 2015年8月22日14:48北京雷達(dá)組合反射率回波

通過對(duì)雷暴主體消散不會(huì)直接影響“鳥巢”地區(qū)、“鳥巢”地區(qū)的對(duì)流條件不利于雷暴的局地生成、中尺度數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果等多方面綜合研判，15時(shí)世錦賽現(xiàn)場(chǎng)氣象服務(wù)人員向組委會(huì)提供了“開幕式時(shí)段內(nèi)鳥巢地區(qū)無降水”的最新預(yù)報(bào)，組委會(huì)決定開幕式一切活動(dòng)正常進(jìn)行。

4 臨近天氣預(yù)報(bào)與中小尺度實(shí)況監(jiān)測(cè)

22日15時(shí)開始進(jìn)入世錦賽開幕式的臨近預(yù)報(bào)時(shí)段。從圖8可以看出東北部的陣風(fēng)鋒在向“鳥巢”方向推進(jìn)，西北部山區(qū)局地仍有較強(qiáng)回波。臨近時(shí)段監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是平谷的陣風(fēng)鋒西移是否會(huì)在“鳥巢”附近激發(fā)新的回波、西北部山區(qū)的回波下山后強(qiáng)度將如何變化？

“鳥巢”地區(qū)濕度小、層結(jié)趨于穩(wěn)定，不利于對(duì)流觸發(fā)。16時(shí)陣風(fēng)鋒移至“鳥巢”附近，西北部山區(qū)的回波下山到昌平中部時(shí)強(qiáng)度有所減弱（圖9）。由加密自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)、溫度和濕度的分布可以看出，處于陣風(fēng)鋒后部的北京東北部地區(qū)東風(fēng)加大，溫度降低，濕度增加，近地層有冷濕平流輸送；而昌平南部及城區(qū)的濕度很小，不具備回波下山加強(qiáng)的水汽條件。從“鳥巢”自動(dòng)站的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)的5 min時(shí)間變化（圖10）可以看出，16時(shí)前后，陣風(fēng)鋒從“鳥巢”過境，30 min內(nèi)自動(dòng)站氣溫下降了3.6℃，相對(duì)濕度上升了10%，氣壓也有所上升，風(fēng)也由前期的2 m/s的北風(fēng)轉(zhuǎn)為4 m/s的偏東風(fēng)。

陣風(fēng)鋒雖然過境，但沒有激發(fā)新的回波，“鳥巢”地區(qū)氣溫下降，層結(jié)將逐漸趨于穩(wěn)定，局地生成回波的可能性進(jìn)一步降低。而昌平中部的回波在南下過程中于16:18前后與繼續(xù)西移的陣風(fēng)鋒相遇，短時(shí)有所增強(qiáng)，由于水汽條件差，很快明顯減弱?；谶@樣的實(shí)況，16:30現(xiàn)場(chǎng)跟進(jìn)預(yù)報(bào)服務(wù)：“開幕式期間17—18時(shí)鳥巢地區(qū)無降水”。實(shí)況表明，“鳥巢”地區(qū)沒有降水和對(duì)流天氣出現(xiàn)，開幕式順利進(jìn)行。

圖9 2015年8月22日16:00北京雷達(dá)組合反射率回波

圖10 2015年8月22日15—17時(shí)“鳥巢”自動(dòng)站5 min氣溫（紅色實(shí)線）、氣壓（藍(lán)色實(shí)線）、相對(duì)濕度（綠色實(shí)線）、風(fēng)的時(shí)間變化

5 結(jié)論

通過以上對(duì)2015年8月22日北京田徑世錦賽開幕式“鳥巢”天氣的成功預(yù)報(bào)，可以看出：

（1）在現(xiàn)有的天氣預(yù)報(bào)技術(shù)條件下，重大活動(dòng)關(guān)鍵時(shí)段的精細(xì)化預(yù)報(bào)是從空間、時(shí)間逐步遞進(jìn)式的預(yù)報(bào)，空間上從區(qū)域逐漸精細(xì)到定點(diǎn)，時(shí)間上從短期、短時(shí)、臨近最終達(dá)到無縫隙預(yù)報(bào)，而每個(gè)階段的預(yù)報(bào)重點(diǎn)和所采取的預(yù)報(bào)方法、使用的氣象信息是不同的。

（2）世錦賽開幕式“鳥巢”天氣短期預(yù)報(bào)的重點(diǎn)是降水和強(qiáng)對(duì)流天氣，在充分掌握東北冷渦氣候背景的條件下，以天氣診斷和數(shù)值預(yù)報(bào)分析方法為主，應(yīng)用多尺度數(shù)值模式和集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品，通過對(duì)影響系統(tǒng)、對(duì)流條件的分析，確定8月22日北京具有一定的不穩(wěn)定能量，但是切變線位置偏東，低層較干，垂直風(fēng)切變較弱，因此北京東部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的可能性大，城區(qū)“鳥巢”附近出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的可能性小，但是不排除出現(xiàn)弱降水的可能性。

（3）開幕式當(dāng)天短時(shí)預(yù)報(bào)的重點(diǎn)是中午在北京東北部局地生成的強(qiáng)回波是否會(huì)直接影響到“鳥巢”地區(qū)或能否在“鳥巢”地區(qū)激發(fā)出新的回波。依據(jù)雷達(dá)、云圖、探空等實(shí)況資料和VDRAS同化產(chǎn)品、RMAPS-ST中尺度數(shù)值模式，采用多種資料融合技術(shù)，預(yù)判雷暴主體將趨于消散，城區(qū)的水汽和熱力條件不利于雷暴的局地生成，提前2 h預(yù)報(bào)開幕式時(shí)段內(nèi)“鳥巢”地區(qū)沒有降水。

（4）臨近預(yù)報(bào)時(shí)段加強(qiáng)對(duì)中小尺度實(shí)況的監(jiān)測(cè)分析，應(yīng)用高時(shí)空分辨率的加密自動(dòng)站和雷達(dá)探測(cè)等對(duì)回波、穩(wěn)定度和水汽等要素分析，預(yù)判開幕式期間“鳥巢”地區(qū)濕度小、層結(jié)趨于穩(wěn)定，不利于對(duì)流發(fā)展，因此東北部的陣風(fēng)鋒西移至“鳥巢”附近時(shí)不會(huì)觸發(fā)新的回波，西北部山區(qū)對(duì)流回波下山后將減弱消散，進(jìn)一步提供了開幕式期間“鳥巢”無降水的服務(wù)信息，保障開幕式順利舉行。