常规与非常规观测资料在局地冰雹强对流天气中的精细化对比应用

摘要利用北京市自动站观测资料以及北京市海淀国家气象观测站中常规及非常规观测资料，从区级气象台开展预报预警服务工作的的角度，对2016年6月10日的一次强对流风雹天气进行分析。结果表明，此次冰雹强对流过程是受高空低涡低槽以及地面冷锋的配合下，由地面辐合线和高温高湿热力不稳定等触发的。综合分析全市范围地面常规要素分布发现，复杂下垫面产生的热力和动力作用为对流发展加强提供一系列触发机制，对于出现高温高湿以及辐合线、辐合涡旋等特征，应引起高度关注。综合气压、温度、风速、水平能见度等多个本地常规观测要素的变化来看，对于系统尚未影响当地时，气压在降雨提前30 min开始出现下降趋势是最先可识别的。风廓线雷达中水平风场和大气折射率结构常数分布变化相比较常规地面自动站资料对于强对流天气特征的识别和预判更为显著。

关键词 冰雹；强对流；常规资料；非常规资料

中图分类号S164文献标识码

A文章编号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

作者簡介史辰（1991—），女，北京人，助理工程师，从事强对流天气风廓线雷达资料应用研究。

收稿日期2017-12-29

2013年12月，北京市在各区级气象局成立了区级气象台，标志着区级气象台将具体承担开展所辖区域的精细化预报预警服务工作，而真正体现区级气象台价值的是通过开展分区预警来实现地方合理防范，而精准把控分区预警的技术要点则在于开展所辖区域内的短时临近预报。近年来，气象部门在北京地区进行了自动气象站网、风廓线网以及新一代多普勒天气雷达工程的建设，目前这些系统已经可以为用户提供不同种类的较高时空分辨率的实时观测资料，为监测和研究强对流天气提供了较好基础[1]。对于北京市的各基层气象台站，在应对强天气预报预警服务工作的同时，还兼顾着观测台站各观测设备的监测任务。如何能够在强天气有限的影响时段内，充分利用好该辖区内的各项观测要素的变化，以及观测台站内各种常规和非常规观测数据的变化趋势，迅速识别天气特征及变化趋势，开展高质量、高精度的预报预警服务可以说是基层气象台最想突破也是最易实现的技术研究方向。

北京市海淀区位于北京城区的西北部，是强对流回波沿西北或偏西路径入侵城区的重要关卡，同时受地理特征影响，海淀区有城市有山区，既要考虑高影响天气对于城市人群密集生活区的影响，又要兼顾防范沿山区域地质灾害的风险。海淀区气象台位于海淀区中部、西北四环外侧，是海淀区人口由稀疏转向密集的、由郊区转向城区的过渡区域，也是识别强对流回波“进城”加强或减弱的关键结点。笔者综合北京市自动站观测资料以及海淀本站观测常规和非常规观测设备资料，对2016 年6月10日北京市海淀区冰雹天气过程进行逐分钟精细化分析。

1强对流天气背景分析

1.1过程概述

受高空低渦低槽影响，海淀区于2016年6月10日14：30出现雷阵雨，同时伴有短时大风和冰雹等强对流天气，此次过程特点：下山迅速发展加强，并快速移动，维持高强度影响下游地区。海淀本站冰雹最大直径0.9 cm，10日16：00降雨基本结束。全区有降水地区平均降雨量6.5 mm，最大箭亭桥14.8 mm，最小车道沟1.7 mm，最大雨强出现在10日14：00—15：00永丰中学，为12.6 mm/h。海淀本站降雨时段为14：45—15：20；冰雹时段为14：49—14：53，本站出现6级以上大风时段为14：52—14：54，最大值为14.7 m/s（出现时间14：52）。

1.2环流背景

200 hPa，10日08：00冷涡系统位于贝加尔湖以东（110°～115°E、52°N附近），北京处在低涡底部的槽区，且在高空急流轴的南侧。500 hPa（图1a），北京处于高空槽的底部偏西气流控制，槽后部有干冷空气侵入，是北京地区强对流天气比较典型的形势；高度槽落后于温度槽，有利于系统的加深发展，槽后有冷平流影响北京，槽前有明显的正涡度平流，引起高空辐散。850 hPa（图1b），北京位于槽前、急流轴的左侧，且受暖平流影响。在地面图中，10日08：00位于内蒙东部的气旋逐渐南扩，北京处于气旋底部弱辐合区（图2）；到了14：00（图3），地面冷锋东移并逐渐靠近北京西部，低压中心南扩至北京，配合着14：00云图可以看出，受低压前部影响的对流云正不断南伸发展，配合后面的冷锋临近，将会进一步触发新的对流单体产生。

1.3中尺度分析

1.3.1水汽条件。10日08：00高空700 hPa以上北京均处在水汽条件较差的干区，低层850 hPa有显著湿度带由南伸向北京，形成了上干下湿的水汽条件。结合08：00 850 hPa假相当位温分布（图4a）来看，低层湿区与假相当位温的高值中心重叠，在保证水汽供应的同时，聚集了不稳定能量[2]。地面露点温度较为理想，露点温度是表征地面水汽绝对含量的指标。按照张琳娜等[3]对北京地区冰雹特征分析提出，地面露点超过15 ℃作为预报冰雹的指标，有助于增加不稳定能量。10日08：00北京地区露点温度为13～21 ℃，除西北部，露点温度均在18 ℃以上（图4b），可见，北京大部分地区还是存在明显的不稳定触发条件的。

1.3.2动力条件。高空500 hPa受弱冷平流影响，低层850 hPa受暖平流影响，形成上冷下暖的热力不稳定的垂直结构，有助于对流条件的加强。

1.3.3抬升条件。从图5可以看出，200 hPa处于低涡底部，850、700、500 hPa受低槽影响，地面冷锋前有弱辐合线叠加，可见此次影响系统较为深厚。另外在急流方面，10日08：00低层（925～850 hPa）北京位于急流轴入口左侧，中高层（500～200 hPa）北京处于急流轴南侧，这种配置使北京高空形成强烈的水平辐散和对流层中层的正涡度平流输送，造成明显的上升运动[4-5]。

2常规地面自动站资料分析

6月10日降雹主体回波从北京市门头沟西北部进入，14：00正处于门头沟区东北部边界，即将进入海淀边界，1.5°仰角基本反射率中心强度为48 dBz，回波顶高5 km，VIL垂直总降水含量3 kg/m2。从整体来看，整层影响系统配合不够紧凑，回波较为分散，发展高度不高。根据雷达图的实况定位，自动站资料的反映比雷达回波更为明显。从14：00温度和露点温度分布（图6）来看，除了门头沟西部回波已经影响过后出现明显降温降湿以外，特别是城区及东南部地区都还是处于高温高湿的高能环境中。从10日14：00近地面风场（图7）可以看出，与系统对应的位置前沿，即在海淀区西北边界存在一条风场辐合线。14：20，回波压过辐合线，对应着雷达回波在14：18—14：24迅速发展加强。孙继松等[6]研究表明，城市与郊区下垫面物理属性造成的热力差异不仅形成了城市中尺度低空风场辐合线，同时使边界层内中心城区风场垂直切变加强，郊区低空风速加大，造成低空水汽在较大范围内向对流体中流入，维持对流降水的持续。结合14：30近地面风场（图8）可以看出，除了海淀北部受回波影响的辐合线之外，围绕中心城区有一个明显的风场辐合涡旋，因此，在这样的城市地面中尺度辐合涡旋的组织下，对流持续发展加强，由于具备充沛的能量、水汽以及持续的上升运动条件，使对流活动更加剧烈，并随风场辐合线略向东移南扩，在城区和下游地区造成明显冰雹天气。

从海淀本站常规观测的逐分钟资料分析（图9）来看，本站气压在14：15提前降雨30 min时迅速下降，14：45又迅速回升，直到14：54，9 min内气压涌升2.0 hPa，其余各项要素的变化趋势基本都是在降雨前15 min内陆续开始显现的，温度是在14：35后小幅下降，明显降温是在14：50—15：00，10 min降温幅度达8.5 ℃。风速在出现阵雨前15 min即从14：30起，有一个连续减弱的趋势，而在降雹开始后14：50，风速明显增大，14：52极大风速为14.7 m/s，很明显这是由于气压涌升、气温骤降以及冰雹降落后造成拖曳作用；水平能见度也是在14：33左右开始从9.8 km缓慢下降，在15：05迅速回升至10.0 km以上。综合气压、温度、风速、水平能见度等多个本地观测要素的变化来看，对于系统尚未影响本地时，地面为热低压控制，地面温度较高，储存不稳定能量，而气压在降雨前30 min开始出现明显下降趋势是最先可识别的。

3非常规观测设备——边界层风廓线雷达

为进一步完善中尺度监测网，配合地面自动观测网与其他非常规观测设备，如地基遥感系统（廓线仪、雷达、闪电定位）、卫星云图和遥感探测，为实时监测局地暴雨、雷暴、冰雹、飑线等空间尺度小、发展迅速、生命史短的中小尺度天气系统提供了精细观测资料。区气象台根据地理特征、业务需求等，安装了一些非常规观测设备，有助于该区域强天气的监测和预判。海淀区气象台的非常规观测设备包括风廓线雷达、雨滴谱、PM10以及PM2.5颗粒物监测仪等。在此将以风廓线雷达作为重点分析。

位于北京市海淀国家气象观测站西侧（116.29°E、39.98°N）的CFL-06 L波段低对流层风廓线雷达，能够连续提供150～6 000 m探测高度的大气水平风场、垂直气流、大氣折射率结构常数等气象要素随高度的分布，连续获取探测地域的大气折射结构波动和湍流起伏等气象信息[7]。

3.1风廓线雷达水平风资料

分析6月10日12：48—15：30位于海淀气象观测站的风廓线雷达水平风场资料（图10）可以看出，在主体系统尚未影响时，12：48—14：42垂直方向1 km处上下为暖平流，高层是较为平直的偏西气流；14：30起，5.5～6.0 km出现风向的不连续，由西北风随高度逆时针转为西风，存在冷空气扰动；14：36不连续处降至4.0 km；14：42，垂直风向上的不连续性扩散为4.0～5.0 km，由西北风垂直转变为南风，再垂直转为北风，5.0 km以上转为偏西风，可见原在5.5～6.0 km高度的冷空气明显已降至4.0 km，说明中层冷平流的厚度逐渐增加，冷平流也略有增强。根据实况来看，14：45本站开始出现阵雨；14：48，不连续性主要体现在0.5～1.5 km高度层，0.5～1.0 km高度上由东南风顺转为南风，1.0～1.5 km高度为东北风逆转为北风，冷平流叠加在暖平流之上，打破原有的稳定层结，促进层结静力稳定度减小，此时对流天气已经发生。同时，1.0 km以下为东南风，由于西部山前迎风坡的强迫抬升作用影响，使从东移南下的对流单体进一步加强发展。

从风速时序变化（图10）来看，10日14：36起，中层3 870～3 990 m出现风速大于28 m/s的急流区，随之急流逐渐渗透下沉，到14：48，急流下传至2 790 m，可见降雹前10 min中空急流动量下传，也为冰雹形成提供动力条件。14：48，近地面东风高度达870 m，其中510～870 m的偏东风风速（21.3～32.5 m/s）明显大于近地面层（2.0 m/s），可见低层风切变的显著增强进一步使得大气层结不稳定性增加，有利于本地对流的发展加强。根据实况，本站于14：49开始降雹，14：54低层风切变依然维持，但低层最大风速有所减小，对流性相对减弱，此时降雹结束，转为强降水，降水量达2 mm/min，此时测站风速也明显加大，分钟内最大瞬时风速达14.7 m/s；15：00，冷空气进一步下沉，1 300～3 600 m风向随高度逆转；15：12，冷空气进一步下沉接地，对流减弱，降水逐渐结束。

从上述对本站强对流过程的分析表明，冰雹发生前10 min高层冷空气入侵以及中层急流动量下传，为冰雹形成提供动力条件；而冰雹发生时，0.5～1.5 km高度冷暖平流交替以及明显的偏东风风速增强，进一步增强了近地面层结的不稳定能量，有利于冰雹的发生和发展。

3.2大气折射率结构常数

风廓线雷达产品数据中大气折射率结构常数代表的是大气湍流指数的变化形势，通过分析其演变情况可以看出边界层对流的发展[8-9]。受大气湍流日变化的影响，日间地面热辐射增强，近地面1 km左右，常数存在层结大值区。由图11可知，6月10日10：00起，在4 km上下，常数也开始逐渐增大，表明上空大气湍流运动增强；随着降水系统临近，14：24大于-170 dB区域突然提高，并从6.0 km处逐渐向下渗透，标志着系统前沿的对流脉冲已经开始影响本站。

4结论

利用海淀区所辖区域内的自动站观测资料以及海淀本站常规和非常规观测资料，对2016年6月10日冰雹强对流天气进行综合分析，得到结论如下：

（1）此次冰雹强对流过程是受高空低涡低槽以及地面冷锋的配合下，由地面辐合线和高温高湿势力不稳定等触发的局地强对流天气过程。综合6月10日08：00的中尺度分析，此次天气过程无论从水汽、动力条件、抬升条件等都具备冰雹、雷暴、大风的强对流天气特征。

（2）综合分析6月10日14：00全市范围地面常规要素分布，对于出现高温高湿以及辐合线、辐合涡旋等特征，应引起高度关注。综合气压、温度、风速、水平能见度等多个本地常规观测要素的变化来看，对于系统尚未影响本地时，气压在降雨提前30 min开始出现下降趋势是最先可识别的。

（3）风廓线雷达中水平风场相比较常规地面自动站资料对于强对流天气特征的识别和预判更为显著。冰雹发生前10 min高层冷空气入侵，中层急流动量下传以及低层明显增强的垂直风切变；近地面高度范围内冷暖平流交替以及明显的偏东风风速增强，促进对流维持加强；开始降水前，垂直速度在接近零速度线左右徘徊后突然增大，且增大至超过4 m/s；距离本站降雨前21 min，大气折射率结构常数大值区所在高度突然提高，并从6.0 km处大面积逐渐向下渗透，标志着系统前沿的对流脉冲已经开始影响本站，且常数值越大，表明该区域对流越不稳定。这些都将有利于预报员对回波发展趋势及降水相态的快速识别和研判，及时开展精细化预报预警服务。

参考文献

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郑祚芳，刘红燕，张秀丽.局地强对流天气分析中非常规探测资料应用[J].气象科技，2009，37（2）：243-247.

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[5] 王华，孙继松，李津.2005年北京城区两次强冰雹天气的对比分析[J].气象，2007，33（2）：49-56.

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[7] 中国航天科工集团二院二十三所.CFL-06 L波段低对流层风廓线雷达用户操作手册[Z].2014：2-4.

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