北京531冰雹天气的环境场特征分析.pdf

4 7 6 第十四届全国云降水物理和人工影响天气科学会议( 下册) 北京“5 ．3 1 ”冰雹天气的环境场特征分析 王华孙继松李津 ( 北京市气象台，1 0 0 0 8 9 ) 1引言 雹暴是北京地区夏季主要的灾害性天气之一，由于其具有来势迅猛、破坏力强、局地性很强的特 点，给工农业生产、国防建设及人民生命财产带来严重危害，因此加强冰雹等强对流天气的研究具有 重要意义2 0 0 5 年5 月3 1 日午后一场历史罕见的冰雹突袭北京，造成近9 万人受灾，直接经济损失 达4 0 0 0 余万元本文从大量观测事实人手，揭示造成此次冰雹天气发生发展的大尺度条件和环境场 特征，为今后能够有效地作好北京地区夏季灾害性天气的预报提供思路和方法 2 冰雹概况及环流背景简析 2 0 0 5 年5 月3 1 日1 3 时从西部的门头沟区开始，北京大部地区先后遭冰雹突袭其中1 4 ～1 5 时冰雹自西向东横扫城区，据观测南郊观象台冰雹最大直径达5 0 m m ，最大平均重量为3 7 9 ，为历史罕 见这次冰雹天气的主要特点是突发性强、强度大、路径复杂 这次冰雹天气是在典型的高空低涡、地面冷锋形势下发生的冰雹天气出现前期，欧亚范围环流 经向度较大，新疆北部到贝加尔湖西部为明显的低涡活动区。

我国4 0 N 一带多短波影响，华北大部 地区连续两天出现弱的降水天气到3 1 日0 8 时欧亚环流形势演变为稳定的阻塞结构( 图1 ) ，新疆 到贝湖以北为发展旺盛的高压脊区，一深厚的低涡系统位于贝湖东南部至华北北部( 中心位置5 0 N ， 1 1 5 E ) ，北京则处于该冷涡底部的低槽活动区内对应地面图上分别形成两条冷锋，其中一冷锋锋面 位于北京西部，直接影响北京地区 图12 0 0 5 年5 月3 1E t0 8 时5 0 0 h p a 、地面形势图( 粗实线分别为槽线、锋面) 3 热力条件分析 3 ．1 对流有效位能( C A P E ) 和对流抑制能量( C I N ) 大气对流是有效能量之间的相互转换和释放，对流有效位能从理论上反映出对流上升运动可能 发展的最大强度，对流抑制能量则是对流发生的先决条件通过计算冰雹过程前后华北区域的 S 8 一人工影响天气作业条件及指挥系统 4 7 7 C A P E 值和C I N 值发现( 图2 ) ，3 1 日0 8 时高能中心位于河北邢台附近，北京处于C A P E 高值区内达 7 4 6 ．6 6 J K g ～，而C I N 亦处于相对大值区，为3 0 0 ．0 6 J K g ～。

这种配置既有利于不稳定能量在低 层积聚，又有利于强对流的发生发展同时北京探空显示，9 7 0 ～9 5 9 h P a 之间存在一浅薄的逆温层， 对近地面层能量积聚起到重要作用到2 0 时冰雹天气过后，北京地区对流有效位能已被释放， C A P E 值显著减小，处于C I N 的大值中心 图2 华北区域3 1 日0 8 时C A P E 、C I N 分布( 单位：J K 9 1 ) 3 ．2 大气垂直不稳定特征 在能量条件具备的前提下，对流不稳定的存在是产生对流活动所必须的条件之一，以的垂直分 布可以反映大气的对流不稳定性从3 0 日0 8 时开始北京5 0 0 h P a 以下上空眈随高度减小，大气呈 对流不稳定状态到3 1 日0 8 时地面至7 0 0 h P a 各层均有高能舌伸向北京，对流层低层8 5 0 h P a 以下 0 随高度迅速减小，不稳定层结极为显著( 图3 ) ，8 5 0 h P a 至5 0 0 h P a 基本为中性层结2 0 时由于低层 潜热释放，8 5 0 h P a 以下艮随高度增加，转为稳定性层结 温度平流不仅可以造成大气层结不稳定，而且可以产生垂直运动，在强对流天气中起着重要作 用。

3 1 日0 8 时北京高层2 0 0 h P a 为显著的暖平流，中层有冷平流侵入，7 0 0 h P a 以下为弱的暖平流， 这种温度平流的垂直分布为雹暴的发生发展创造了层结不稳定条件到午后高中低各层温度平流均 有所增强，加剧了大气的不稳定度，2 0 时( 图3 ) 北京正处于高层( 2 0 0 h P a ) 暖平流、中层( 4 0 0 ～ 5 0 0 h P a ) 冷平流和低层( 8 5 0 h P a 以下) 暖平流相叠置的区域 ■■■■_ I N ,- 一 啊 图33 1 日氏的垂直分布( 实线为0 8 时、虚线为2 0 时) 3 1 日2 0 时北京上空温度平流垂直剖面图 4 水汽条件分析 水汽条件是产生冰雹等强对流天气的重要条件由于前期2 9 ～3 0 日华北大部地区均出现有降 水天气，近地面层湿度较大3 1 日0 8 时地面上太行山以东形成一条明显的东北一西南向湿度锋区， ．4 7 8 第十四届全国云降水物理和人工影响天气科学会议( 下册) 北京处于湿度锋区东侧的大湿度区中表明此时本地近地面层已经具备了强对流天气启动所需的水 汽条件到1 4 时，该区域的地面比湿进一步加大，北京地面比湿也从0 8 时的1 2 ．7 9 k g - 1 增大为 1 4 ．6 9 k g 一1 。

从3 1 日0 8 时沿北京上空经向1 1 6 ．5 E 的水汽通量剖面( 图4 ) 可以看出，北京附近呈现下湿上 千的垂直分布，十分有利于冰雹的形成，但是0 8 时北京5 0 0 h P a 以下水汽通量散度均为正值，表现为 水汽辐散3 1 日白天北京地区低层水汽输送明显加强，2 0 时就转为显著的水汽辐合区，8 5 0 h P a 处于 一0 ．8 * 1 0 _ 7 9 s 1 h P a l c m _ 2 的水汽辐合中心内低层的这种强水汽辐合既为冰雹的形成提 供了充沛的原料，又对大气的不稳定性起到重要影响，从而促进了中尺度对流系统的发生发展 图43 1 日0 8 时水汽通量经向垂直剖面图3 1 日0 8 时垂直速度剖面图 5 动力场特征 从天气尺度动力场的诊断分析发现，冰雹天气发生前后高低空动力条件的配置演变迅速3 1 日 0 8 时8 5 0 h P a 以下散度场北京附近为辐散，以上为弱的辐合区，但到2 0 时则转为低层辐合高层辐散 的有利条件0 8 时5 0 0 h P a 上北京基本为零涡度平流，2 0 时转为明显的正涡度平流，并配合有1 2 * 1 0 1 0 S _ 2 的正涡度平流中心( 图略) 。

垂直速度的诊断分析发现，3 1 日0 8 时沿4 0 N 形成一垂直环流圈( 图4 ) ，2 0 0 h P a 以下各层北京 附近1 1 0 E ～1 2 0 E 均为下沉区，但其东西两侧1 0 0 E ～1 1 0 E 与1 2 0 E ～1 3 0 E 均为上升区这种配 置使3 1 日上午北京地区为辐散下沉气流控制，出现晴好天气，从而使边界层日射增温显著，不稳定能 量增加到了2 0 时天气已经出现，北京附近低层为明显的下沉区 6 风的垂直切变 风的垂直切变对强对流发展的作用，许多著作已有论述它在对流发展以后，起着加强雹云系统 环流“新陈代谢”的作用，致使雹云维持、传播和移动从3 1 日0 8 时各层风向、风速的垂直分布可以 看出，地面为东北风，8 5 0 h P a 为西南风，7 0 0 h P a 至4 0 0 h P a 均为偏西风，2 0 0 h P a 以下风速基本随高度 增加尤其是地面至8 5 0 h P a 之间风向顺时针旋转的幅度最大，风速的垂直切变也较强，有利于辐合 上升运动，促使中尺度天气系统的发展 7 适宜的0 C 层和- - 2 0 ℃层高度 0 ℃层和一2 0 ℃层分别是云中冷暖云分界线高度和大水滴的自然冰化区下界，这是表示雹云特征 的两个重要参数。

据统计，北京雹日当天0 8 时0 ℃层的高度一般在3 3 0 0 ～4 4 0 0 位势米，一2 0 ℃层的 高度一般在6 3 0 0 ～7 6 0 0 位势米3 1 日0 8 时北京上空0 ℃层和一2 0 ℃层高度分别为3 6 0 0 、6 5 0 0 位势 米左右，正是适宜于雹云发生发展的高度 S 8 一人工影响天气作业条件及指挥系统 4 7 9 8结语 通过以上对5 月3 1 日冰雹过程发生前后的常规测站资料进行诊断分析表明，这次冰雹天气是在 三度空间配合完善的低涡冷锋系统下产生的，冰雹期间具备了十分有利于雹暴发生发展的大尺度环 境条件：不稳定层结、充分的水汽条件、低层辐合高层辐散的动力配置、强的垂直风切变以及适宜的 0 ℃层、一2 0 ℃层高度等，但是3 1 日白天低空的强水汽辐合和高低空动力配置的快速演变，反映了这 次冰雹天气的突发性以及预报的难度 参考文献 [ 1 ] 雷雨顺等．冰雹概论．北京：气象出版社，1 9 7 8 [ 2 ] 王笑芳丁一汇．北京地区强对流天气短时预报方法的研究．大气科学，1 9 9 4 ，1 8 ( 2 ) ：1 7 3 ～1 8 3 1 - 3 3 孙明生等．北京地区强对流天气展望预报方法研究．应用气象学报，1 9 9 6 ，7 ( 3 ) ：3 3 6 ～3 4 3 E 4 ] j t 方冰雹预报科研协作组．华北大范围雹暴的天气学研究．1 9 8 2 [ 5 ] 刘健文等．天气分析预报物理量计算基础．北京：气象出版社，2 0 0 5 E 6 3 赵思雄．中尺度动力学与暴雨等灾害性天气预测理论的研究．大气科学，1 9 9 8 ，2 2 ( 4 ) ：5 0 3 5 1 0 1 - 7 3 孙继松等．城市边界层在”7 ．1 0 ”暴雨中的作用．大气科学，即将出版 E 8 3 杨晓霞等，连续冰雹天气的物理量特征分析．气象，2 0 0 0 ，2 6 ( 4 ) ：5 0 ～5 4 。