房山區(qū)2021年汛期一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程分析

安祎聰，馬俊嶺，宋 歌，徐 冰

(北京市房山區(qū)氣象局,北京 102488)

房山區(qū)是首都西南門戶，平原、丘陵、山區(qū)各占1/3，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季常受冷渦、高空槽、切變線、鋒面等系統(tǒng)的影響，強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)。由于地形復(fù)雜，人口眾多，災(zāi)害性天氣對(duì)城市運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及人民生命財(cái)產(chǎn)安全的威脅尤為嚴(yán)重。為了滿足房山區(qū)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)的需要，利用Micaps常規(guī)氣象觀測(cè)、北京南郊觀象臺(tái)高空探測(cè)和風(fēng)廓線、多普勒天氣雷達(dá)和X波段雷達(dá)組網(wǎng)等資料，對(duì)2021年8月23日傍晚至夜間房山區(qū)出現(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行分析，找出有利于此次強(qiáng)對(duì)流天氣的各種條件，以期為主汛期的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)和服務(wù)提供支持。

1 過(guò)程概況

2021年8月23日19∶00—24日02∶00時(shí)，房山區(qū)出現(xiàn)了一次大雨局地暴雨天氣過(guò)程，并伴有7級(jí)左右短時(shí)大風(fēng)和小冰雹。全區(qū)平均降水量21.0 mm，最大降水量出現(xiàn)在河北鎮(zhèn)三十畝地站49.0 mm，最大小時(shí)降水量出現(xiàn)在南窖鄉(xiāng)成教中心站45.3 mm(21∶00—22∶00時(shí))(圖1a)。21∶16，霞云嶺國(guó)家氣象觀測(cè)站出現(xiàn)3～4 mm冰雹(玉米粒大小)。監(jiān)測(cè)最大瞬時(shí)風(fēng)速出現(xiàn)在河北鎮(zhèn)河南村站15.5 m/s(7級(jí))(圖1b)。房山區(qū)氣象臺(tái)20∶00時(shí)同時(shí)發(fā)布大風(fēng)藍(lán)色和暴雨藍(lán)色預(yù)警信號(hào)，21∶15時(shí)升級(jí)發(fā)布暴雨黃色預(yù)警信號(hào)。此次影響房山區(qū)的雷暴單體主要發(fā)生在先觸發(fā)的海風(fēng)鋒對(duì)流和冷渦高空槽系統(tǒng)合并后，配合偏東風(fēng)在山前輻合加強(qiáng)。合并后的雷暴單體發(fā)展迅速，移動(dòng)速度快，短時(shí)雨強(qiáng)強(qiáng)，短時(shí)陣風(fēng)大，對(duì)及時(shí)發(fā)布預(yù)警和服務(wù)都有很大的挑戰(zhàn)。

圖1 2021年8月23日19:00—8月24日02:00時(shí)房山區(qū)降雨量分布圖(a)、房山區(qū)極大風(fēng)圖(b)Fig.1 Precipitation distribution(a) and maximum wind(b) of Fangshan District from 19:00, Aug. 23 to 02:00, Aug.24, 2021

2 天氣形勢(shì)分析

2.1 天氣形勢(shì)分析

08∶00時(shí)500 hPa：冷渦高空槽位于蒙古及西北地區(qū)東部，冷渦系統(tǒng)深厚且一直伸展到850 hPa，并將不斷東移影響華北大部地區(qū)，預(yù)計(jì)傍晚北京地區(qū)將轉(zhuǎn)受低渦槽前影響。700 hPa受暖脊控制，河北南部、北京東部受山東地區(qū)冷渦外圍切變線影響。850 hPa冷中心影響，存在弱切變。地面：受不斷向東北方向移動(dòng)加深的氣旋影響，北京處于大濕度區(qū)內(nèi)。

20∶00時(shí)500 hPa(圖2a)：北京地區(qū)已處于冷渦高空槽前，受西南氣流影響。700 hPa(圖2b)冷渦后部有急流發(fā)展。850 hPa(圖2c)冷中心和偏南風(fēng)影響。地面(圖2d)：氣旋不斷加深北抬且氣旋頭部有偏東風(fēng)發(fā)展，偏東風(fēng)會(huì)掀起渤海灣地區(qū)海風(fēng)鋒的發(fā)展，為東部地區(qū)的對(duì)流發(fā)展提供了更好的條件，北京處于大濕度區(qū)影響。

圖2 8月23日20∶00天氣圖500 hPa(a)、700 hPa(b)、850 hPa(c)、地面(d)Fig.2 Weather 500 hPa(a)，700 hPa(b)，850 hPa(c) and ground(d) at 20∶00, Aug.23

2.2 能量場(chǎng)分析

08∶00時(shí)探空可以看出(圖略各能量值見(jiàn)表1)，CAPE值大，中低層濕度深厚，中高層有一定干侵入，0℃層高度略高，-20℃層高度還可以。14∶00時(shí)500～700 hPa相對(duì)濕度較小，干空氣明顯，500 hPa到低層風(fēng)切不明顯，且沒(méi)有明顯增大，低層邊界層?xùn)|風(fēng)也還沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)。20∶00時(shí)中間干層還在，但是低層露點(diǎn)增大，說(shuō)明邊界層?xùn)|南風(fēng)推過(guò)來(lái)后絕對(duì)水汽含量和比濕含量在邊界層有一個(gè)明顯增大的趨勢(shì)，能量依舊非常大，配合對(duì)流有效位能，觸發(fā)對(duì)流條件很好。有干空氣侵入，考慮降水過(guò)程中局地會(huì)有大風(fēng)及山區(qū)風(fēng)力明顯一些。0℃層高度還可以，-20℃層高度略高，山區(qū)可能會(huì)有一些冰雹天氣過(guò)程，這樣的探空是比較有利于產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、大風(fēng)的。

表1 2021年8月23日08∶00、14∶00、20∶00時(shí)物理量參數(shù)Tab.1 Physical quantity parameter at 08∶00, 14∶00 and 20∶00 Aug.23, 2021

2.3 動(dòng)力及水汽條件

系統(tǒng)大濕區(qū)在17∶00—20∶00時(shí)開(kāi)始自西向東逐漸影響北京地區(qū)，500 hPa系統(tǒng)移動(dòng)更快一些，24日02∶00時(shí)前后整個(gè)濕區(qū)移出北京(圖3a、b)。從700 hPa(圖3c)和850 hPa(圖3d)來(lái)看，系統(tǒng)移動(dòng)得相對(duì)慢一些，大致都在02∶00—05∶00時(shí)前后移出北京，這樣的配置會(huì)導(dǎo)致低層比較濕的狀態(tài)，高層轉(zhuǎn)為較干的情況下更有利于對(duì)流的發(fā)展。

圖3 8月23日20∶00時(shí)500 hPa(a)，02∶00時(shí)500 hPa(b)、 700 hPa(c)、850 hPa(d)相對(duì)濕度圖Fig.3 Relative humidity of 500 hPa(a) at 02∶00 and 500 hPa(b), 700 hPa(c),850 hPa(d) at 02∶00 Aug.23

從風(fēng)廓線資料(圖4)來(lái)看，中午前后低層3 km以下主要受偏南風(fēng)影響，3 km以上轉(zhuǎn)東南風(fēng)，風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，說(shuō)明中層有冷平流存在，6 km又轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，高層有暖平流[4]。14∶00時(shí)前后，整層的偏南風(fēng)呈逐漸加強(qiáng)趨勢(shì)，冷空氣繼續(xù)向上層滲透，中低層存在明顯的垂直風(fēng)切變，為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了較好的動(dòng)力條件。

圖4 2021年8月23日11∶00—14∶00時(shí)北京南郊觀象臺(tái)風(fēng)廓線時(shí)間-高度-風(fēng)速圖Fig.4 Time-height-wind speed of wind profile of the observatory in southern suburbs in Beijing from 11∶00 to 14∶00 on Aug.23, 2021

3 雷達(dá)探測(cè)資料分析

17∶00時(shí)主要的降水回波位于河北東部山東半島附近。受位于山東半島低渦外圍偏東風(fēng)水汽輸送及海風(fēng)鋒影響，中午前后就開(kāi)始在北京、天津東南一帶邊界上出現(xiàn)對(duì)流觸發(fā)，雨強(qiáng)約50 mm/h。西邊高空槽前沿對(duì)應(yīng)回波，降水強(qiáng)度稍弱一點(diǎn)，雨強(qiáng)約20 mm/h。位于淶源、蔚縣回波強(qiáng)度局地大于45 dBZ，且移動(dòng)速度較快，并局地略有發(fā)展，體積不斷增加。19∶00時(shí)，受海風(fēng)鋒影響，在雄安附近生成的回波不斷向東北方向移動(dòng)，且不斷向西伸展，與高空槽前沿局回波靠近合并，且穩(wěn)定停留了一段時(shí)間，在雄安附近不斷加強(qiáng)，向東北方向移動(dòng)開(kāi)始影響房山區(qū)，上游雄縣、永清縣出現(xiàn)大于30 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水。與此同時(shí)，多普勒雷達(dá)6.0°仰角識(shí)別到大風(fēng)速區(qū)(圖5a)，自動(dòng)站監(jiān)測(cè)到房山琉璃河地區(qū)賈河站陣風(fēng)9.6 m/s、上游易縣陣風(fēng)16.3 m/s、淶源縣陣風(fēng)15 m/s、雄縣陣風(fēng)15.2 m/s。受低渦高空槽云系影響，延慶海陀山附近觸發(fā)的對(duì)流單體，反射率強(qiáng)度達(dá)60 dBZ以上。20∶00X波段雷達(dá)在對(duì)流單體發(fā)展旺盛位置識(shí)別到了冰雹。20∶20時(shí)，延慶區(qū)氣象臺(tái)上報(bào)張山營(yíng)、東門營(yíng)地區(qū)出現(xiàn)冰雹，從雷達(dá)剖面可以看到回波接地，回波頂高15 km以上(圖5b)。20∶21X波段雷達(dá)監(jiān)測(cè)到房山區(qū)出現(xiàn)了一些大于60dBZ的回波，且在對(duì)應(yīng)位置識(shí)別到了一些冰雹回波，并且回波還在不斷向東北方向移動(dòng)。20∶40時(shí)，韓村河、石樓、房山站雨強(qiáng)變大。21∶12時(shí)，霞云嶺雨強(qiáng)大于25 mm/h。21∶15時(shí)，霞云嶺剖面可以看到回波接地，且回波頂高大于10 km(圖5c)。21∶16時(shí)，霞云嶺出現(xiàn)直徑3～4 mm的小冰雹。21∶18時(shí)，霞云嶺雨強(qiáng)大于30 mm/h，多普勒雷達(dá)2.4°仰角。21∶30時(shí)識(shí)別到大風(fēng)區(qū)開(kāi)始影響房山西南及東北部地區(qū)(圖5d)。22∶00時(shí)回波繼續(xù)向東北方向移動(dòng)，但在移動(dòng)過(guò)程中呈現(xiàn)逐漸減弱分散的趨勢(shì)。23∶00時(shí)主要降水回波已移出房山，逐漸轉(zhuǎn)受槽后西北氣流控制。

圖5 8月23日多普勒雷達(dá)6.0°、2.4°仰角徑向速度圖和剖面圖Fig.5 Radial velocity maps and profiles from Doppler radar at 6.0° and 2.4° elevation angles on Aug.23

4 小結(jié)

從環(huán)流形勢(shì)分析，此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程是受冷渦和高空槽東移和海風(fēng)鋒共同影響，水汽、動(dòng)力條件都很理想，十分有利于短時(shí)強(qiáng)降水、大風(fēng)天氣的形成。

從雷達(dá)圖上看，在降水開(kāi)始初期，受海風(fēng)鋒影響，在雄安附近生成的回波不斷向東北方向移動(dòng)，不斷向西伸展與高空槽前沿局回波靠近合并，且穩(wěn)定停留了一段時(shí)間，然后在雄安附近不斷加強(qiáng)，向東北方向移動(dòng)開(kāi)始影響房山區(qū)，加之本地特有的地形作用，配合偏東風(fēng)在山前輻合，從而在霞云嶺鄉(xiāng)、南窖鄉(xiāng)、河北鎮(zhèn)等山前地區(qū)造成了強(qiáng)降水。

通過(guò)當(dāng)日不同時(shí)探空?qǐng)D來(lái)看，CAPE值和DCAPE值均較高，中低層濕度深厚，中高層有明顯干侵入，0℃層、-20℃層高度較好，這樣的探空是比較有利于產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、大風(fēng)的。

這次的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，僅憑常規(guī)的觀測(cè)資料還不能滿足業(yè)務(wù)需要，需充分利用雷達(dá)等高時(shí)空分辨率探測(cè)資料進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)跟蹤，爭(zhēng)取提前1～2 h作出預(yù)報(bào)，這樣才能達(dá)到更好的服務(wù)效果。