房山區(qū)2021年9月8日冰雹天氣過程分析

摘 要：2021年9月8日下午至夜間，受冷渦東移影響，北京市房山區(qū)大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹天氣過程，最大冰雹直徑達(dá)

5 cm，伴有短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)天氣。利用北京市南郊觀象臺(tái)S波段雷達(dá)資料和睿圖—雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)此次過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明：（1）此次冰雹天氣由3個(gè)強(qiáng)對(duì)流單體造成，出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降雨天氣；（2）探空?qǐng)D上的逆溫層、喇叭口和垂直風(fēng)切變以及合適的0 ℃、-20 ℃層高度等特征對(duì)冰雹天氣有較好的指征；（3）冰雹天氣在雷達(dá)回波圖上出現(xiàn)三體散射、旁瓣回波、回波懸垂等特征越明顯，表明冰雹尺寸越大；（4）利用雙偏振雷達(dá)的差分反射率因子、差分傳播相移率、相關(guān)系數(shù)等產(chǎn)品可以有效判斷出降水相態(tài)和降水強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：冰雹；對(duì)流單體；雙偏振雷達(dá)；雷達(dá)資料分析

中圖分類號(hào)：P458 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）12–0-05

房山區(qū)地處北京西南部，山地、丘陵、平原各占三分之一，地形復(fù)雜，對(duì)流性天氣頻發(fā)。冰雹是房山區(qū)夏季主要的災(zāi)害性天氣之一，具有突發(fā)性、局地性、范圍小、持續(xù)時(shí)間短、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)。冰雹天氣可損毀農(nóng)作物，摧毀房屋，破壞基礎(chǔ)設(shè)施，嚴(yán)重時(shí)危及居民的生命安全。冰雹局地性和突發(fā)性較強(qiáng)，導(dǎo)致冰雹的預(yù)報(bào)難度大，預(yù)警提前量短，使得冰雹災(zāi)害預(yù)警成為天氣預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)。近年來，越來越多的氣象學(xué)者對(duì)冰雹天氣過程進(jìn)行了深入的研究，對(duì)中尺度特征、時(shí)空分布、環(huán)境條件、雷達(dá)回波特征等進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，得出了冰雹預(yù)警的幾個(gè)實(shí)用指標(biāo)和典型特征[1-11]。基于此，利用常規(guī)觀測(cè)資料和新一代雙偏振天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)2021年9月8日傍晚至夜間房山區(qū)出現(xiàn)的強(qiáng)冰雹天氣過程進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析雷達(dá)回波特征及新型產(chǎn)品資料，助力房山區(qū)冰雹預(yù)警工作的開展。

1 天氣實(shí)況

受冷渦影響，2021年9月8日16：00～22：00房山區(qū)

出現(xiàn)降水天氣，先后出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降雨、強(qiáng)冰雹和雷暴大風(fēng)，具有對(duì)流性強(qiáng)、局地性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)。全區(qū)平均降水量為10.2 mm；最大降水量為48.6 mm，出現(xiàn)在千河口站，最大小時(shí)雨強(qiáng)也出現(xiàn)在該站，達(dá)36.1 mm；

監(jiān)測(cè)到最大瞬時(shí)風(fēng)速出現(xiàn)在石樓站，為24 m/s（9級(jí)，平原站）。當(dāng)日17：30～20：00全區(qū)多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)不同大小的冰雹，其中，十渡鎮(zhèn)、張坊鎮(zhèn)出現(xiàn)最大直徑約

50 mm的冰雹，為房山區(qū)歷史上較為少見的強(qiáng)冰雹天氣。在此過程中，房山區(qū)農(nóng)業(yè)設(shè)施、車輛、樹木等受到不同程度的影響，產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)損失。

2 環(huán)流背景

2.1 天氣形勢(shì)分析

此次強(qiáng)冰雹天氣是由東北冷渦槽后冷空氣南下造成的，從9月8日08：00 500 hPa天氣圖看出，冷渦中心位于外興安嶺附近，北京處于槽底部，干冷空氣順槽后偏北風(fēng)南下，有較明顯的冷平流，溫度在-16 ℃左右，在北京上空減速，使動(dòng)量下傳。700 hPa在內(nèi)蒙古南側(cè)邊界上空有明顯切變線，呈西南—東北方向，切變線東側(cè)至河北與北京的交界處。850 hPa北京處于暖脊控制下，南部偏南風(fēng)提供水汽，位于河北南部的暖中心溫度超過20 ℃，使整層大氣出現(xiàn)上冷下暖、上干下濕的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。地面圖上冷鋒鋒線位于河北西北地區(qū)，鋒前溫度在20 ℃以上，鋒后溫度降至10 ℃上下，在午后給北京地區(qū)帶來明顯的降溫影響。

由此可知，自午后開始影響北京的環(huán)流系統(tǒng)在高空表現(xiàn)為冷渦東移，槽后冷空氣南下，低層有暖脊且具備較強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定條件，還存在切變線，這為強(qiáng)對(duì)流天氣的形成提供了有利條件。

2.2 探空資料分析

北京探空站處于房山區(qū)東部（下游），測(cè)得的探空資料具有滯后性，對(duì)流發(fā)生時(shí)間為8日17：00～21：00，

故20：00探空資料僅與08：00對(duì)比參考。9日8日08：00

北京探空顯示（表1），在對(duì)流層低層850 hPa以下出現(xiàn)逆溫層，濕度接近飽和，有利于能量聚集，CAPE值為599 J/kg、K指數(shù)為29，DCAPE為949 J/kg，大體呈現(xiàn)上干下濕的喇叭口結(jié)構(gòu)，有利于雷暴大風(fēng)形成。T850-T500＞25 ℃，0 ℃層高度為3.783 km，-20 ℃層高度為6.811 km，

0～6 km垂直風(fēng)切變達(dá)到15 m/s，為中等強(qiáng)度，比較適宜冰雹天氣的發(fā)生。早晨因存在對(duì)流抑制能量（CIN值為-402 J/kg），未出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，午后近地面氣溫升高，能量積聚，抬升作用增強(qiáng)，邊界層逆溫被打破。當(dāng)強(qiáng)對(duì)流天氣即將出現(xiàn)時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均有明顯好轉(zhuǎn)，有利于雷暴大風(fēng)、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水天氣的發(fā)生。

3 雷達(dá)資料分析

3.1 雷達(dá)組網(wǎng)回波實(shí)況資料

根據(jù)雷達(dá)組網(wǎng)回波資料可知，此次強(qiáng)對(duì)流天氣主要由3個(gè)不同的強(qiáng)對(duì)流單體先后影響造成，下面用單體A～C命名這3個(gè)強(qiáng)對(duì)流單體（圖1），箭頭指向方向?yàn)閱误w移動(dòng)方向。

單體A（圖1a）于16：50出現(xiàn)在房山區(qū)西北邊界，向東方向移動(dòng)，最大回波強(qiáng)度為63.5 dBz，房山區(qū)北部的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹和小雨天氣。單體B（圖1b）于

17：42自房山區(qū)西北邊界向東南方向移動(dòng)，至平原地區(qū)回波強(qiáng)度增強(qiáng)至72.5 dBz，引發(fā)大冰雹和短時(shí)大風(fēng)天氣，于19：00前后產(chǎn)生下?lián)舯┝鳌误wC（圖1c）在房山區(qū)西南部地區(qū)先后引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降雨、冰雹和大風(fēng)天氣，于18：24自房山區(qū)西部邊界向東南方向移動(dòng)，最大回波強(qiáng)度為69 dBz。

3.2 冰雹天氣的雷達(dá)回波特征

冰雹天氣的雷達(dá)回波特征包括存在超過65 dBz的反射率因子、回波懸垂、三體散射等。此外選擇分析對(duì)房山區(qū)影響較大的產(chǎn)生冰雹大風(fēng)天氣的單體B和單體C。

3.2.1 單體B的追蹤分析

單體B于17：42在房山區(qū)西北邊界進(jìn)入房山區(qū)并開始加強(qiáng)，18：06在1.5°仰角回波圖上（圖2a）最大回波強(qiáng)度達(dá)63 dBz，強(qiáng)回波已基本接地，降水效率高。在6.0°仰角速度圖（圖2b）上顯示強(qiáng)回波區(qū)域以輻合場(chǎng)為主，有利于降水產(chǎn)生。此外，在該體掃中識(shí)別出中氣旋，并持續(xù)識(shí)別出三個(gè)體掃。通過對(duì)比實(shí)況降水，在附近站點(diǎn)監(jiān)測(cè)到5 min最大雨強(qiáng)為3 mm左右，短時(shí)降水較為猛烈，與雷達(dá)回波特征一致。

18：36單體B移動(dòng)至房山區(qū)中部沿山地帶，回波繼續(xù)加強(qiáng)，1.5°仰角下最大回波強(qiáng)度達(dá)66 dBz，并出現(xiàn)旁瓣回波；粒子相態(tài)HCL產(chǎn)品標(biāo)注顯示對(duì)流自低層到高層均存在冰雹，在冰雹指數(shù)產(chǎn)品HI中有大冰雹指示。此外，根據(jù)實(shí)況附近車廠站18：35～18：40降水12.2 mm，局地短時(shí)雨強(qiáng)大，降雨時(shí)伴有小冰雹，5 min氣溫下降約6 ℃，強(qiáng)降雨拖曳作用將高層冷空氣帶至地表，造成短時(shí)大風(fēng)和強(qiáng)烈降溫。

18：56～19：02房山區(qū)中部石樓站出現(xiàn)短時(shí)大風(fēng)，瞬時(shí)風(fēng)速超過9級(jí)。通過分析雷達(dá)回波（圖3a）可知，回波中心強(qiáng)度達(dá)69.5 dBz，出現(xiàn)部分弓狀回波特征，風(fēng)速圖上出現(xiàn)明顯氣旋性輻合。18：55～19：00極大風(fēng)速實(shí)況圖（圖3b）顯示石樓站及周邊站點(diǎn)均出現(xiàn)明顯短時(shí)大風(fēng)，呈現(xiàn)輻散狀，局地性和瞬時(shí)性強(qiáng)。

對(duì)流移動(dòng)方向右后側(cè)觀測(cè)到ZDR柱，其相關(guān)系數(shù)CC處于小值區(qū)，與周邊形成明顯梯度。4 km以下對(duì)流中心近地面CC值在0.75左右，表明雨滴較大且密度不高，主導(dǎo)降水粒子以融化的冰雹為主。

多位學(xué)者研究表明，下?lián)舯┝鲾y帶的雨滴和碎片會(huì)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)CC明顯低于周邊環(huán)境；在下?lián)舯┝靼l(fā)生區(qū)域易產(chǎn)生較大雨滴，并伴隨強(qiáng)烈的下沉氣流，導(dǎo)致雨滴形狀偏扁，ZDR偏大[12-13]。由于無實(shí)況照片和災(zāi)情上報(bào)，僅能從理論上判斷19：00石樓站附近出現(xiàn)下?lián)舯┝魈鞖狻?/p>

利用風(fēng)暴追蹤產(chǎn)品（圖4）總結(jié)單體B，自17：42單體B影響房山區(qū)開始，最大回波強(qiáng)度始終處于60 dBz以上，回波底和質(zhì)心總體處于下沉趨勢(shì)，從7.5 km高度降至2 km左右，垂直液態(tài)水含量VIL總體呈上升趨勢(shì)，極大地提高了降水效率。冰雹概率顯示：自18：06該單體出現(xiàn)大冰雹的概率增加至100%并持續(xù)至19：24。在18：54前后質(zhì)心躍增，回波頂高從8 km躍升至11 km左右，VIL出現(xiàn)明顯升高趨勢(shì)，由40 kg/m2升高至60 kg/m2，此時(shí)垂直上升運(yùn)動(dòng)達(dá)到頂峰，對(duì)流強(qiáng)度達(dá)到最大，回波所處位置最近站點(diǎn)降水達(dá)到峰值，18：55

～19：05降水31.4 mm，實(shí)況與觀測(cè)一致。

3.2.2 單體C的追蹤分析

單體C在18：24從房山區(qū)西部向東南方向影響房山區(qū)，在上游河北境內(nèi)冰雹產(chǎn)品對(duì)該對(duì)流已識(shí)別出大冰雹，18：30及之后7個(gè)體掃均識(shí)別出中氣旋。19：24單體C移動(dòng)至房山區(qū)十渡鎮(zhèn)，強(qiáng)度始終保持在較高水平，在2.4°仰角最大回波強(qiáng)度超過60 dBz，并且存在明顯旁瓣回波，速度圖上有明顯氣旋性輻合，VIL水汽圖識(shí)別出垂直液態(tài)水含量50 kg/m2以上，HI冰雹產(chǎn)品、TVS龍卷識(shí)別、M中氣旋識(shí)別均在回波處有反應(yīng)，表明回波垂直對(duì)流強(qiáng)烈。

單體C回波冰雹特征最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)在19：42（圖5a），多個(gè)仰角均能觀測(cè)到超過60 dBz的強(qiáng)回波，1.5°仰角上V形缺口最明顯，表明前側(cè)入流強(qiáng)烈。3.4°仰角存在清晰的三體散射和旁瓣回波現(xiàn)象，回波中心強(qiáng)度達(dá)到64 dBz，剖面產(chǎn)品能看到明顯的回波懸垂（圖5b）。大于60 dBz的質(zhì)心位于距離地面5 km以下，并出現(xiàn)界弱回波區(qū)，此時(shí)VIL達(dá)到峰值62.5 kg/m2，并識(shí)別出大冰雹。

利用WER多層次分析回波位置的速度圖（圖5c），

強(qiáng)回波區(qū)在0.5°～2.4°低仰角上觀測(cè)到氣旋性輻合，識(shí)別出中氣旋；在4.3°和6.0°仰角上觀測(cè)到速度模糊

的40 m/s左右強(qiáng)急流出現(xiàn)，距地面不足6 km；在9.9°仰角上可以看到對(duì)流頂端輻散，抽吸作用加劇了垂直

上升運(yùn)動(dòng)，此時(shí)回波頂高躍升至15 km左右，且60 dBz

以上旺盛回波達(dá)到10 km以上。

此時(shí)強(qiáng)回波前部ZDR值較大（圖6a），后部ZDR在0～1，證明此處降水粒子呈球形，以冰雹為主；KDP較高，中心最高值達(dá)到4°/km，表明冰雹在下落過程中出現(xiàn)融化現(xiàn)象，表層覆蓋液態(tài)水，或者下落過程中伴隨較大的雨滴；CC出現(xiàn)0.9左右的低值區(qū)（圖6b），表明所屬區(qū)域降水粒子不均勻，同時(shí)存在液態(tài)降水和固態(tài)降水。結(jié)合粒子分類HCL，判斷降水以表層融化的大冰雹為主，且降雹期間伴隨降雨。對(duì)比實(shí)況，19：45監(jiān)測(cè)到鄰近站點(diǎn)張坊站出現(xiàn)直徑為5 cm左右的大冰雹，與雷達(dá)產(chǎn)品反映的情況一致。

4 結(jié)論

（1）此次強(qiáng)冰雹天氣過程發(fā)生在冷渦條件下，整層大氣呈上冷下暖、上干下濕的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，高空冷渦、短波槽和低層切變線配合低層暖區(qū)，有較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量，為此次強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)提供了有利的基礎(chǔ)條件。

（2）較大的CAPE值和逆溫層為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供能量條件；0～6 km的垂直風(fēng)切變?yōu)榻当⑻峁┝擞欣膭?dòng)力條件；合適的0 ℃層與-20 ℃層高度以及其他指數(shù)均有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。

（3）在雷達(dá)回波的剖面圖上，強(qiáng)反射率因子的質(zhì)心越接近地面，降水效率越高，當(dāng)該質(zhì)心強(qiáng)度大于

60 dBz時(shí)，通常意味著有冰雹，其原因在于冰雹表層覆蓋融化的水膜，該粒子的后向散射能力大幅增強(qiáng)，從而在雷達(dá)反射率產(chǎn)品中能觀測(cè)到大于60 dBz的回波。

（4）雷達(dá)回波圖上有明顯的三體散射、旁瓣回波、懸垂回波以及風(fēng)暴頂強(qiáng)輻散等特征，此次過程回波最強(qiáng)反射率因子超過65 dBz。三體散射出現(xiàn)在雷達(dá)徑向方向上，旁瓣回波顯示在風(fēng)暴核切向反射率因子梯度大值區(qū)一側(cè)，回波懸垂和風(fēng)暴頂輻散表明存在強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，這些均預(yù)示有大冰雹出現(xiàn)。

（5）根據(jù)雙偏振產(chǎn)品（差分反射率因子ZDR、差分傳播相移率KDP、相關(guān)系數(shù)CC），能夠有效判斷出降水類型；在回波強(qiáng)度超過60 dBz的區(qū)域內(nèi)，存在ZDR和CC的小值區(qū)，且KDP接近4，為降雨伴隨大冰雹的特征。

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收稿日期：2024-09-21

作者簡(jiǎn)介：屈?。?998—），男，北京人，助理工程師，研究方向?yàn)槎虝r(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)預(yù)警。