雷蕾 孫繼松 喬林 陳明軒

（1 北京市氣象臺(tái)，北京 100089；2 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081； 3 京津冀環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警中心，北京 100089；4 北京城市氣象研究院,北京 100089）

0 引言

冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣具有突發(fā)性、局地性、致災(zāi)性強(qiáng)的特點(diǎn)，常常給大城市運(yùn)行帶來較大的困擾，并且在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)造成嚴(yán)重的安全隱患，對人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害。預(yù)報(bào)和科研人員一直致力于對其結(jié)構(gòu)特征、形成機(jī)制和預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)進(jìn)行探索研究，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展依賴于大氣的熱動(dòng)力條件，通常都是在有利的天氣背景下發(fā)展的，更與中小尺度天氣系統(tǒng)直接相關(guān)，此外，還與地形的影響密切相關(guān)[1-4]。近年的研究表明，中尺度的輻合（邊界層輻合線、陣風(fēng)鋒等）抬升機(jī)制、近地面冷池的增強(qiáng)往往與對流風(fēng)暴發(fā)生有緊密聯(lián)系[5-13]。冰雹在強(qiáng)對流天氣中致災(zāi)性強(qiáng)，北京地區(qū)5—9月均為冰雹多發(fā)月份，6月最多，其次為8月和7月[14]；從落區(qū)來看西北部山區(qū)是高發(fā)區(qū)[14-15]，主要的天氣影響系統(tǒng)有低槽冷鋒、蒙古渦、西北氣流和東北渦[16-18]，其中西北氣流類型下的對流往往具有獨(dú)立發(fā)展或多個(gè)對流局地發(fā)展后合并的特點(diǎn)，回波范圍不大，但很強(qiáng)[16]。本文研究的2014年7月16日這次大雹事件就屬于這種天氣類型降雹。

圖1 2014年7月16日16—22時(shí)北京地區(qū)（a）冰雹和短時(shí)大風(fēng)和（b）雨量分布 Fig. 1 Hail and wind gust (a), rainfall (b) distribution in Beijing area from 1600 BT to 2200 BT on 16 July 2014

7月16日下午至夜間（16—22時(shí)，北京時(shí)，下同），位于河北赤城的局地孤立單體進(jìn)入北京西北部，并發(fā)展成超級單體迅速南下，具有強(qiáng)度強(qiáng)，災(zāi)害嚴(yán)重等特點(diǎn)。北京西部和中心城區(qū)受其影響出現(xiàn)了嚴(yán)重的冰雹天氣（圖1a中紅色三角指示冰雹出現(xiàn)的地方），最大直徑7 cm（昌平流村）（圖2a），密度較大，持續(xù)時(shí)間約30 min，是繼2005年5月31日北京城區(qū)出現(xiàn)的5 cm大冰雹事件[19]之后的又一次更強(qiáng)的冰雹天氣，如此大尺寸在北京地區(qū)冰雹記錄中也屬罕見。冰雹導(dǎo)致西北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)房屋受損，果樹折斷、倒伏，玉米等農(nóng)作物大面積受損，現(xiàn)場調(diào)查了解，南口鎮(zhèn)花塔村桃園基本絕收，估算造成昌平區(qū)直接經(jīng)濟(jì)損失6700萬元。對流過程中伴有6級以上短時(shí)大風(fēng)、其中城區(qū)西部一帶局地陣風(fēng)達(dá)9級（圖1a），還伴有局地短時(shí)暴雨，最大小時(shí)雨強(qiáng)48.4 mm（圖1b），部分路段出現(xiàn)嚴(yán)重的積澇，海淀田村附近橋下短時(shí)間迅速積水達(dá)2 m、淹車18輛（圖2b）。7月16日，延慶、昌平、海淀、石景山等多區(qū)發(fā)布暴雨黃色（或藍(lán)色）預(yù)警信號和冰雹黃色預(yù)警信號。

圖2 2014年7月16日昌平（a）大冰雹及（b）短時(shí)強(qiáng)降水造成的局地內(nèi)澇 Fig. 2 Big hail (a) and waterlogging disaster (b) in Beijing on 16 July 2014

這次過程提前一天預(yù)報(bào)有雷陣雨天氣，但是全球及區(qū)域模式對于降雨量級、落區(qū)、出現(xiàn)的時(shí)間均分歧較大，北京的區(qū)域中尺度模式表現(xiàn)出較全球模式更接近實(shí)況的預(yù)報(bào)效果。近年來，北京市氣象臺(tái)在分類強(qiáng)對流天氣的潛勢預(yù)報(bào)中做了一些工作，研發(fā)了基于區(qū)域快速循環(huán)同化中尺度模式的強(qiáng)對流天氣分類概率預(yù)報(bào)系統(tǒng)[20]，但是臨近時(shí)次的實(shí)況探空、雷達(dá)等資料綜合分析依然是更準(zhǔn)確預(yù)報(bào)和預(yù)警的手段。對于這次罕見的大冰雹事件，仍需利用觀測資料進(jìn)行仔細(xì)分析其特征，并有必要對這次對流風(fēng)暴的組織結(jié)構(gòu)和形成原因進(jìn)行一些探討。

1 天氣背景

7月16日08時(shí)，華北東部500～700 hPa有低渦低槽影響，500 hPa溫度槽落后于高空槽，槽后冷平流有利于高空槽加深發(fā)展，同時(shí)，槽后西北氣流加強(qiáng)，北京正處于西北氣流影響中。低層850 hPa配合有南北向切變線，地面氣壓場呈現(xiàn)“東高西低”分布特征，京津冀處于高壓后部弱輻合區(qū)內(nèi)。高空槽系統(tǒng)配置表現(xiàn)為“前傾槽”結(jié)構(gòu)，槽后的冷平流疊加在低層切變線南側(cè)的偏南氣流暖平流之上，大氣層結(jié)不穩(wěn)定（圖3）。在槽和切變線影響下，華北地區(qū)850～700 hPa有垂直上升運(yùn)動(dòng)，并且北京處于850 hPa的上升中心（圖4a），700 hPa上升中心與之相比略偏西（圖4b），因此北京城區(qū)及以西地區(qū)均處于有利的動(dòng)力抬升區(qū)域。此外，北京地區(qū)850 hPa比濕11～12 g/kg、相對濕度75%以上（圖5a），且處于θse高能量中心（357～360 K），有利于強(qiáng)天氣的發(fā)生發(fā)展（圖5b）。這次降雹屬于西北氣流類型，這種類型下低層濕度往往是降雹的必要條件，切變線等擾動(dòng)和輻合上升區(qū)即雹云出現(xiàn)和發(fā)展地區(qū)。

圖3 2014年7月16日08時(shí)（a）500 hPa、（b）700 hPa、（c）850 hPa，以及（d）14時(shí)地面天氣形勢 Fig. 3 Synoptic maps at 500 hPa (a),700 hPa (b), 850 hPa (c) at 0800 BT and surface (d) at 1400 BT on 16 July 2014

圖4 2014年7月16日08時(shí)（a）850 hPa和（b）700 hPa垂直速度（單位：Pa/s） Fig. 4 Vertical velocity at 850 hPa (a), 700 hPa (b) at 0800 BT on 16 July 2014 (unit: Pa/s)

圖5 2014年7月16日08時(shí)850 hPa比濕（單位：g/kg）配合相對濕度（a）和假相當(dāng)位溫θse場（b）（單位：K） Fig. 5 Specific humidity (unit: g/kg) and relative humidity (a), θse (b) (unit:K) at 0800 BT on 16 July 2014

北京16日08時(shí)探空顯示CAPE值達(dá)到1785 J/kg，K指數(shù)為36 ℃，SI指數(shù)達(dá)-4 ℃，0～6 km垂直風(fēng)切變約為10.92 m/s（圖6a）。14時(shí)，在強(qiáng)雷暴發(fā)生前，500 hPa以上有明顯的干空氣侵入，中低層濕度也略有減小，探空呈現(xiàn)出“喇叭口”型結(jié)構(gòu)，是典型的冰雹和雷暴大風(fēng)的探空曲線結(jié)構(gòu)（圖6b）。此外，低層轉(zhuǎn)為弱的東南風(fēng)，垂直風(fēng)切變進(jìn)一步增大。08時(shí)0 ℃層和-20 ℃層，層高度分別位于610 hPa、400 hPa附近，14時(shí)0 ℃層略有抬升，由4300 m左右升高到4500 m，使得和-20 ℃層之間的厚度減小，層結(jié)不穩(wěn)定性趨于增大，滿足北京地區(qū)出現(xiàn)冰雹的特性層高度條件[21]。

圖6 2014年7月16日08時(shí)（a）和14時(shí)（b）北京（54511）探空 Fig. 6 Radio sounding at 0800 BT (a) and 1400 BT (b) on 16 July 2014 at Beijing Observation Station

2 降雹的超級單體的雷達(dá)回波特征

由觀象臺(tái)SA雷達(dá)監(jiān)測可見，7月16日下午北京地區(qū)出現(xiàn)非常清楚的邊界層輻合線（由天津附近的雷暴陣風(fēng)鋒和海風(fēng)合并造成）由東南部向西移動(dòng)，表明低層的輻合條件非常好同時(shí)該輻合線也形成了向西伸展的濕舌和豐富的水汽輸送[13]。此時(shí)（16:18）河北赤城的局地孤立單體即將進(jìn)入延慶（圖7a）。該單體迅速向東南方向移動(dòng)，經(jīng)延慶進(jìn)入昌平。17:36，該單體與邊界層輻合線相遇后強(qiáng)度迅速加強(qiáng)，同時(shí)前側(cè)梯度加大；18時(shí)，6.0度仰角出現(xiàn)“三體散射”的特征，徑向速度上觀測到非常清楚的中氣旋（圖7b、7c），旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到23.5 m/s，表明超級單體已經(jīng)形成。其最強(qiáng)反射率因子達(dá)70 dBz，高度在6 km左右，回波頂高在15 km以上，垂直累積液態(tài)水含量達(dá)70 kg/m2。正是受該超級單體影響，昌平區(qū)多地遭冰雹襲擊，最大冰雹直徑達(dá)7 cm。

圖7 觀象臺(tái)SA雷達(dá)（a）1.5°反射率因子（16:18），（b）6.0°反射率因子（18:00），（c）6.0°徑向速度（18:00），（d）0.5°徑向速度(18:18)，（e）組合反射率因子（18:48），（f）垂直剖面（經(jīng)過圖e超級單體雷暴）（18:48） Fig. 7 Beijing SA-band radar reflectivity factor at 1.5° (1618 BT) (a) and 6.0° (1800 BT) (b) radial velocity at 6.0° (1800 BT) (c) and 0.5 andve BT) (d), composed reflectivity factor (1848 BT) (e), and vertical profile across the supercell (f) (1848 BT)

18:18，低層0.5度仰角的徑向速度上出現(xiàn)沿徑向的正負(fù)速度對（下?lián)舯┝鳎▓D7d），且中層4.3度、6.0度仰角有明顯的中層徑向輻合，預(yù)示地面將有較強(qiáng)的短時(shí)大風(fēng)。18:20昌平流村出現(xiàn)18.8 m/s的8級瞬時(shí)大風(fēng)，并且多地出現(xiàn)6～7級短時(shí)大風(fēng)。

該超級單體經(jīng)昌平進(jìn)入海淀后，反射率因子的垂直剖面仍然表現(xiàn)為非常典型的穹窿狀懸垂結(jié)構(gòu)，低層有明顯的有界弱回波特征，55 dBz以上的強(qiáng)回波高度達(dá)12 km，70 dBz強(qiáng)回波高度為10 km左右（圖7e、7f）。之后，強(qiáng)反射率因子核高度下降至1～2 km，演變?yōu)榈唾|(zhì)心、強(qiáng)降水對流系統(tǒng)，VIL由80 kg/m2降至40 kg/m2，但是強(qiáng)度依然維持在60 dBz以上，對應(yīng)海淀局地出現(xiàn)短時(shí)暴雨，導(dǎo)致了小范圍嚴(yán)重積澇。

3 形成條件

北京的地形三面環(huán)山，延慶、門頭溝，以及房山的西部地區(qū)海拔在500～2000 m，自西向東由山地向平原過渡，昌平山區(qū)向平原過渡地區(qū)處于喇叭口地形中（圖8），此外，由于午后至傍晚山區(qū)受熱不均，對流云容易在山區(qū)發(fā)展，配合邊界層輻合線恰好移動(dòng)到山前，低層偏東風(fēng)在山前有很好的輻合條件，可見超級單體在從延慶經(jīng)昌平山區(qū)后明顯加強(qiáng)與地形和邊界層輻合線有密切關(guān)系。這種從延慶經(jīng)昌平中部進(jìn)入海淀的冰雹路徑也是北京4條冰雹路徑之一[14]。

圖8 北京地形高度及2014年7月16日超級單體移動(dòng)路徑（表示超級單體；地形高度單位：米） Fig. 8 Topography height and supercell movement path on 16 July 2014 in Beijing (represents supercell；topography height unit: m)

此外，17—20時(shí)自動(dòng)站風(fēng)場及其后1 h降雨量客觀分析發(fā)現(xiàn)（圖9），17—18時(shí)延慶地區(qū)降水與偏東風(fēng)在海坨山山前的輻合抬升有關(guān)（圖9a）；18—21時(shí)超級單體出流使地面輻合線進(jìn)一步加強(qiáng)，強(qiáng)出流沿山坡加速下滑推動(dòng)地面輻合線快速向東南方向移動(dòng)[13]，平原地區(qū)強(qiáng)降水均出現(xiàn)在地面輻合線附近，并且雨團(tuán)隨輻合線向東南方向移動(dòng)，說明地面輻合線對于強(qiáng)對流系統(tǒng)的維持有很重要的作用（圖9b～d）。

圖9 2014年7月16日地面自動(dòng)站風(fēng)場疊加及其后1 h雨量 （a）17時(shí)；（b）18時(shí)；（c）19時(shí)；（d）20時(shí) Fig. 9 Surface ground wind and rainfall one hour later from 1700 BT to 2100 BT on 16 July 2014

圖10 2014年7月16日18:37 200 m VDRAS水平風(fēng)場（風(fēng)矢量）疊加擾動(dòng)溫度場（等值線）（a）和沿如圖所示剖面（等值線為垂直速度、填色為擾動(dòng)溫度，疊加流場）（b） Fig. 10 Wind field and perturbation temperature (contour) at 200 m of VDRAS (left), vertical profile of vertical velocity (dashed contour), perturbation temperature(shaded), and streamline(right) at 1837 BT on 16 July 2014

利用VDRAS資料對昌平的超級單體分析發(fā)現(xiàn)，18—19時(shí)低層擾動(dòng)溫度場上表現(xiàn)為明顯的冷池，中心的擾動(dòng)溫度可達(dá)-9 ℃左右，強(qiáng)度比一般對流系統(tǒng)形成的冷池強(qiáng)得多，并且冷池南側(cè)偏北風(fēng)出流與其前側(cè)偏東風(fēng)形成更強(qiáng)烈的輻合（圖10a）。沿雷暴冷池大梯度區(qū)和最大出流位置（圖10a中的A-B線）分析垂直擾動(dòng)溫度、流場以及上升運(yùn)動(dòng)發(fā)現(xiàn)（圖10b），-5 ℃以下的冷池厚度可到2 km，其上為明顯的下沉氣流，其前側(cè)為輻合上升氣流配合上升運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成了完整的垂直徑向環(huán)流。隨時(shí)間的推移，超級單體的增強(qiáng)造成冷池的增強(qiáng)，進(jìn)而造成了擾動(dòng)溫度大梯度，配合有利地形，前側(cè)輻合加強(qiáng)并出現(xiàn)更為顯著的垂直上升運(yùn)動(dòng)，因而超級單體得以繼續(xù)發(fā)展和不斷向南移動(dòng)。因此，18—19時(shí)、19—20時(shí)的雨量和擾動(dòng)溫度梯度場發(fā)展有明顯的相關(guān)關(guān)系（圖11），強(qiáng)降水位于擾動(dòng)溫度梯度中心偏雷暴移動(dòng)的右前側(cè)。

圖11 2014年7月16日1 h降水量（a. 18—19時(shí)，b. 19—20時(shí)，單位：mm）和擾動(dòng)溫度梯度（c. 18—19時(shí)，d. 19—20時(shí)，單位：℃） Fig. 11 Precipitation (a, b, unit: mm) and gradient perturbation temperature (c, d, unit: ℃) on 16 July 2014 (a, c are from 1800 to 1900 BT, and b, d are from 1900 to 2000 BT)

4 結(jié)論與討論

本文通過多種觀測資料分析了這次由超級單體導(dǎo)致的強(qiáng)對流天氣的中尺度特征和形成條件，初步分析結(jié)果表明：

1）這次過程是高空西北氣流型的降雹，出現(xiàn)在低層切變線和地面輻合區(qū)（輻合線）附近。在這種天氣形勢下，低層有明顯的垂直上升運(yùn)動(dòng)，并且垂直風(fēng)切變較大。850 hPa以下偏南風(fēng)、近地面東南風(fēng)的水汽輸送使得本地低層比濕大，水汽條件好是這種類型下降雹的必要條件。此外，1500 J/kg以上的高CAPE以及上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)、850 hPa θse360 K的高能舌中心均有利于強(qiáng)對流的發(fā)生；“喇叭口”型探空、適宜的0 ℃層和-20 ℃層高度以及這兩個(gè)特性層之間厚度變小是大冰雹天氣出現(xiàn)的典型環(huán)境。

2）造成此次大冰雹的超級單體有非常明顯的三體散射、穹窿狀回波懸垂、中氣旋等典型特征。而后期強(qiáng)降水時(shí)段，強(qiáng)反射率因子核所在高度迅速下降，演變?yōu)榈唾|(zhì)心結(jié)構(gòu)，指示地面強(qiáng)降水和短時(shí)大風(fēng)發(fā)生。

3）昌平山區(qū)向平原過渡地區(qū)的喇叭口地形，以及由于午后至傍晚山區(qū)受熱不均，配合低層偏東風(fēng)在山前很好的輻合條件（邊界層輻合線恰好移動(dòng)到山前），有利于超級單體下山增強(qiáng)，是強(qiáng)對流維持和發(fā)展的原因之一。

4）由超級單體強(qiáng)降雹、降水導(dǎo)致的低層強(qiáng)烈降溫使雷暴冷池增強(qiáng)，進(jìn)而造成了擾動(dòng)溫度大梯度前側(cè)輻合的加強(qiáng)和更為顯著的垂直上升運(yùn)動(dòng)，因而雷暴得以繼續(xù)發(fā)展和不斷向南移動(dòng)。雨量和擾動(dòng)溫度梯度場發(fā)展有明顯的相關(guān)關(guān)系，強(qiáng)降水位于擾動(dòng)溫度梯度中心偏雷暴移動(dòng)的右前側(cè)。

雖然這次強(qiáng)對流天氣發(fā)生在華北“七下八上”雨季的開端，但是從前期的環(huán)流形勢來看，副熱帶高壓的主體仍然偏南，環(huán)流徑向度較大，仍然以冷空氣頻繁活動(dòng)為主，因此出現(xiàn)風(fēng)雹類的強(qiáng)對流天氣的可能性更大；而在7月18日副高明顯北跳后，西南暖濕氣流隨之向北推進(jìn)，雨季才真正開始，對流天氣逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐远虝r(shí)強(qiáng)降水造成的暴雨天氣為主。因此，在強(qiáng)對流天氣類別潛勢預(yù)報(bào)中，預(yù)報(bào)員對于大尺度形勢的把握是至關(guān)重要的。