2005年北京城区两次强冰雹天气的对比分析.pdf

2005年北京城区两次强冰雹天气的对比分析王 华 孙继松 李 津(北京市气象台, 100089)提 要:冰雹等强对流天气是北京夏季预报和服务的重点,针对2005年发生在北京 城区的两次强冰雹天气,利用常规探测和自动站、 雷达、 风廓线等资料进行天气动力 学和中尺度对比分析,结果表明:这两次冰雹天气在环流形势、 局地气象条件和中尺 度系统等方面有明显差异,5月31日的高低空急流配置、 能量和风的垂直切变等更 有利于强雹暴的发生;超级单体回波是5月31日北京城区降雹的直接影响系统,6月7日为典型的飑线天气过程,两次过程中雹云的发展演变、 冰雹的落区与地面中尺度 系统都有较好的对应;造成5月31日城区降雹的对流系统为中2 γ尺度,6月7日为 中2 β尺度,因此5月31日冰雹天气的预警难度较大,今后需充分应用高时空分辨率 的探测资料做好此类突发性天气的监测和临近预报 关键词:冰雹 急流 中尺度 辐合 切变 飑线A Comparative Analysis on Two Severe Hail Events in Beijing Urban District in 2005Wang Hua Sun Jisong Li Jin(Beijing Meteorological Observatory , 100089)Abstract : It is crucial to well forecast severe convective weather like hail and provide better ser2vice during summer in Beijing. Synoptic dynamics and mesoscale characteristics of two severehailstorms are analyzed by using conventional observation and the data from automatic weatherstations , Doppler radar and wind profiler , etc. Comparisons show that they differ greatly fromeach other on the circulation pattern , local weather condition and mesoscale system. The coupledupper and lower jet flows , energy condition and the vertical wind shear , conduced more to the oc2currence of the May231 hail event. It was under the direct influence of supercell structure. Incontrast , the June27 hail event developed from a typical squall2line.Evolvement of the two资助项目:北京市科技计划项目 “奥运会气象保障科学技术试验与研究” 、 中国气象局项目(CMATG2005Y03)、 北京市优秀人才培养资助项目(2005ID0200802)和北京市气象局自建项目共同资助收稿日期: 2006年9月11日; 修定稿日期: 2006年12月29日第33卷,第2期 2 0 0 7年2月气 象 METEOROLOGICAL MONTHL YVol. 33No. 2 February , 2007hailstorms and areas of hail fall have good relations with their mesoscale systems. For the May231hail , the influencing system is on meso2 γ 2scale , while it is on meso2 β 2scale for the June27 hail on.Warning and forecasting of the former hail event is relatively more difficult. To well monitor andnowcast these sudden events , full use of the high spatial and time resolution detection data isneeded in future.Key Words : hail jet flow mesoscale convergence wind shear squall2line引 言雹暴是北京地区夏季主要的灾害性天气之一,由于其具有破坏力大、 局地性强的特点,给工农业生产、 国防建设及人民生命财产带来严重危害。

早在1970年代,雷雨顺等[1]就对华北地区的冰雹天气进行了系统深入的研究近年来,王笑芳、 矫梅燕等[224]开展了北京地区强对流天气的研究;孙继松等[5]研究了地形热力和动力作用对冰雹等强对流天气的影响;杨晓霞等[6]分析了华北南部冰雹天气的产生机制上述研究成果对我们认识北京地区冰雹灾害的形成机理、 寻找预报着眼点提供了较好的天气动力学基础但是类似冰雹事件的中小尺度灾害性天气仍是当前预报技术的难点2005年5月31日午后北京遭冰雹袭击,造成近9万人口受灾,直接经济损失4000余万元,14—15时(北京时间,下同)罕见的冰雹突袭城区,受灾最为严重时隔一周的6月7日,冰雹再度袭击北京北部和部分城区据历史资料统计,北京的冰雹经常出现于山区,而这两次冰雹连续出现在城区,历史上十分少见,因此加强对这两次天气的分析研究工作非常必要本文利用常规观测、 雷达、 风廓线和自动站等资料,对造成这两次北京城区降雹的环境场条件和中尺度过程进行对比分析,揭示引发冰雹天气的成因,为今后中小尺度灾害性天气的预报提供参考1 两次冰雹天气过程的主要特点2005年5月31日13—20时北京境内 多次遭冰雹袭击,共有10个观测站点出现冰 雹,个别伴有短时雷暴大风。

其中14—15时 冰雹自西向东横扫北京城区,南郊观象台最大雹块直径达50mm ,冰雹的最大平均重量 为37g ,为历史罕见①一周后,6月7日下 午从北京的北部地区开始出现冰雹和雷暴大 风天气,19—20时西部城区出现冰雹,石景 山雹块直径最大为12mm ,市区观测到飑的天气现象对比发现这两次过程都在城区内 降雹,具有突发性强的特点,但是5月31日 的冰雹天气比6月7日的强度大、 范围广2 大尺度环流形势特征2.1 天气形势简析这两次冰雹天气过程都是在欧亚范围环 流经向度比较大,有高空冷涡配合的环流背 景下产生的,但是冷涡的位置、 主要影响系统以及地面形势有明显不同(图略)5月31 日高空图上蒙古国东部为深厚的冷涡系统, 北京处于该低涡南部的槽区内,对应地面图 上有冷锋东移影响北京地区6月7日的高 空低涡位置与5月3 1日相比明显偏北,①这是气象站观测到的记录,据悉灾情报告中有更大者05气 象 第33卷 500hPa上低涡中心位于贝加尔湖北部,40°N 沿低涡底部的偏西气流有低槽东移,主要的 影响系统是850hPa位于内蒙古东部至河北 的切变线,切变线南侧从北京到东北为一支 偏南低空急流,地面图上北京处于低压前部的弱气压场中,但过程中有切变线系统移过 北京。

2.2 急流在雹暴过程中的作用Polston[7]的分析表明,降雹一般发生在低空急流前部与高空急流垂直投影相交的区 域分析发现,降雹日08时北京上游都有中 低空(500～850hPa)急 流,南 侧 有 高 空(200hPa)急流,但是急流的空间配置不同5月31日北京处于500hPa急流中心的前方,高空副热带急流出口区的左侧,正好位于 两支急流轴垂直投影的相交点附近(图1a)图1 2005年5月31日08时(a)和6月7日08时(b)急流分布图等值线为200hPa全风速场,阴影部分为500hPa全风速 ≥20m·s- 1区域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,同时造成对流层中下层的温度差 动平流(中层冷平流、 低层暖平流) ,加强层结 不稳定,从而具备形成雹暴的动力和热力条件相对而言,6月7日500hPa急流轴位置 略偏北,副热带急流轴偏南,北京位于这两支 急流投影相交区的西北侧(图1b) ,对流层中 层的冷平流和正涡度平流明显比5月31日 弱,因此高低空的动力配置对冰雹的产生不及5月31日有利3 局地气象条件对比分析3.1 对流有效位能(CAPE)和对流抑制能量(CIN)大气对流是对流有效位能(CAPE)向对 流运动动能的转换,对流抑制能量(CIN)的强弱反映了对流层低层的气块参与对流的难图2 2005年5月31日08时(a)和6月7日08时(b) CAPE分布(单位: J·kg- 1)15第2期 王 华等:2005年北京城区两次强冰雹天气的对比分析 易程度,这两个参量在近年的强对流天气预 报中得到广泛的应用[829]。

运用强对流参数 分析系统计算发现,降雹日08时北京均处于CAPE(图2)和CIN(图略)的高值区内,由于 近地面层都存在逆温,有利于不稳定能量积聚,但是5月31日CAPE值达746. 66 J·kg- 1,显著高于6月7日08时的468. 82J·kg- 1,说明5月31日的能量条件更有利于强 回波的产生,因此降雹强度较大3.2 风的垂直切变很多文献指出,在给定的大气热力条件 下,环境风场的垂直切变特征对雷暴发生发 展有重要的影响从图3看出,两个冰雹日08时北京都存在环境风的垂直切变,但是垂直切变的强度不同通气管指数I通=( v300-v850)2+( u300-u850)2可以反映垂直风切变的强度[10]图3 北京测站2005年5月31日(实线)、6月7日(虚线)08时风的垂直分布计算北京5月31日08时的通气管指数 为175. 8m2·s- 2,6月7日为108. 3m2·s- 2, 可见5月31日的垂直切变较强,尤其是低层700hPa以下风向随高度顺转显著,对流层中 层(700～400hPa)风向逆转,风速随高度明 显增大,说明低层有利于辐合上升运动,中层 有较强的冷平流侵入,有利于促进中尺度天 气系统的发展。

而6月7日对流层中下层风的垂直切变相对较弱,特别是中层的冷空气 势力不强,因此降雹的强度不如5月31日3.3. 0℃ 层和- 20℃ 层高度0℃ 层和- 20℃ 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,是表 示雹云特征的重要参数据统计,北京降雹 日08时 的0℃层 高 度 一 般 在3300～4400gpm , - 20℃ 层高度在6300～7600gpm5月31日08时北京的0℃ 层和- 20℃ 层高 度分别为3583、6500gpm ,6月7日08时分 别为3685、6800gpm ,都是适宜于雹云发生发 展的高度但是5月31日的0℃层高度距 离地面较近,雹块的融化过程较短,降大雹块 的可能性较大4 中尺度系统及其发展演变特征4.1 雷达回波演变特征根据北京气象局车道沟的多普勒雷达6 分钟一次、 扫描半径150km的回波图像分析 发现: (1) 5月31日造成城区冰雹的回波于12时在北京西部山区局地生成,生成后发展 迅速12 :10该回波位于门头沟中部,水平 尺度10km左右,强度50dBz到13 :01移至 雷达测站正西约20km处开始发展增强后强 度达到55dBz ,直到13 :51回波少动,造成门 头沟测站出现冰。