李 杰，吴剑坤，宋 歌，雷 蕾

(1.北京市房山区气象局，北京 102488；2.成都信息工程大学,四川 成都 610000；3.中国气象局北京城市气象研究所，北京 100089；4.北京市气象台，北京 100089；)

2016年6月30日北京强冰雹天气分析

李 杰1,2，吴剑坤3，宋 歌1，雷 蕾4

(1.北京市房山区气象局，北京 102488；2.成都信息工程大学,四川 成都 610000；3.中国气象局北京城市气象研究所，北京 100089；4.北京市气象台，北京 100089；)

利用常规气象观测、加密自动站、北京南郊观象台多普勒天气雷达、FY-2F静止卫星和微波辐射计等资料，对2016年6月30日凌晨北京地区一次罕见强冰雹天气过程进行了系统的分析，结果表明：此次强冰雹过程是在槽后西北气流的背景下发生的。多普勒天气雷达图上有明显的低层弱回波区和中高层回波悬垂及“三体散射”TBSS特征。TBB小于220 K，对流云发展旺盛。降雹前垂直累积液态水含量出现一次明显的跃增，地面热低压减弱转为冷高压控制，气压升高、气温降低、风速明显增大。此次强冰雹过程具有较大的CAPE值及适当的CIN值，为强冰雹的发生提供了较好的能量条件，较强的垂直风切变为降雹过程提供了很好的动力条件。0 ℃层、-20 ℃层高度适宜，沙氏指数、K指数均有利于强冰雹天气的发生发展。

强冰雹；TBSS；TBB；垂直风切变；回波悬垂

1 引言

冰雹是北京地区夏季主要的灾害性天气之一，其具有局地性强、历时短、破坏力强等特点。冰雹可摧毁建筑物，击伤人畜，重伤农作物，严重威胁着人民的生命财产安全。但因其时空尺度小、突发性强，所以冰雹的预报和预警成为了天气预报中的难点。近年来，国内外许多学者(俞小鼎[1]、廖玉芳[2]、 葛润生[3]等)对强冰雹天气进行了系统的分析，取得了一定的研究成果，为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。本文利用常规气象观测、加密自动站、北京多普勒天气雷达和FY-2F静止卫星等资料，对造成这次北京地区强冰雹的环境场和中尺度过程进行分析，揭示冰雹天气的成因，为今后中小尺度灾害性天气的预报提供重要的参考依据。

2 天气实况

受高空槽后部强冷空气影响，2016年6月30日02时开始北京市大部分地区出现雷阵雨天气，其中房山、大兴等地先后出现强冰雹和雷暴大风天气。房山区04时30分至05时30分自西向东出现强冰雹并伴有6～8级大风，冰雹最大直径5 cm左右，出现在南窖乡水峪村(04时40分)，时间持续10 min。此次强对流天气造成房山区琉璃河镇、窦店镇、青龙湖镇、城关街道、长阳镇、良乡镇、阎村镇、周口店镇、佛子庄乡、南窖乡、史家营乡、霞云岭乡12个乡镇不同程度受灾。受其影响，房山区农业受灾面积5 086.7 hm2万亩，造成经济损失约1.26亿元，林果业、农业设施受灾面积较大。

3 环境背景分析

3.1 天气形势分析

此次强冰雹是由东北冷涡分裂出来的冷空气东移南下造成的。6月29日20时500 hPa冷涡中心位于蒙古国，华北地区有两个高空槽：河北东部有一高空槽、蒙古国和内蒙古边界有一横槽，北京处于河北东部高空槽后的西北气流控制中。700 hPa北京位于槽后西北气流，无明显影响系统。850 hPa北京处于暖脊控制中，有所增温，此时已升至20 ℃，且在上游有一西南—东北向切变线存在，北京处于该切变线的东南侧。地面图上可以看出，30日02时地面冷锋锋面位于河北西北地区，预计在04时前后影响北京。综上所述，夜间影响北京地区的高空系统是蒙古国和内蒙古边界的横槽系统东移南下，低层为暖脊，有较强的热力不稳定，且存在低层切变线及地面冷锋，为强对流天气的出现提供条件。

3.2 探空资料分析

3.2.1 对流有效位能(CAPE)和对流抑制能量(CIN) 对流有效位能(CAPE)是一种浮力能，有可能转化为对流上升运动的能量。CIN是对流抑制能量。当CIN 很大时，对流将受到抑制而不能够发展，但是如果CIN 很小，也不利于强对流天气出现，因为能量将会分散释放不能形成深对流[4]。专家指出，强冰雹天气往往对应有较大的CAPE值。29日20时CAPE值为1 576.1 J/kg，CIN值为248.2 J/kg，由于此时有一定的对流抑制能量，所以20时北京并没有出现强对流天气，夜间随着系统的临近，抑制能量被打破，强对流天气逐渐开始。

3.2.2 垂直风切变 研究表明[5]，若0～6 km的风矢量差大于15 m/s，为中等强度以上垂直风切变，若大于20 m/s，为强垂直风切变。经计算，见表1，29日20时观象台的垂直风切变为13.0 m/s，为弱垂直风切变。30日08时垂直风切变为27.4 m/s，为强垂直风切变。此次冰雹出现在04时之后，可以推断出夜间垂直风切变有增大趋势，可能达到中等强度以上，有利于强冰雹的产生。

表1 大气层结特征表Tab.1 Table Atmospheric junction feature table

3.2.3 其他能量指数 沙氏指数SI是判断大气稳定度的依据。SI>0表示气层较稳定，SI<0则表示气层不稳定。K指数是分析大气稳定程度的气象学单位，反映大气的层结稳定情况，K指数越大，层结越不稳定。从各能量指数上看(表1)，29日20时，K指数为28，30日08时，K指数增大至36；沙氏指数由1.07降至-3.14。各项指标均有利于强对流的发生发展。

3.2.4 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[6]，冰雹的发生要求0 ℃层高度在4 km左右，-20 ℃层高度在7.4 km左右。6月29日20时0 ℃层高度为4.2 km，-20 ℃层高度为7.2 km，30日08时0 ℃层高度为4.3 km，-20 ℃层高度为7.3 km，都是适宜雹云发生发展的高度。

3.3 物理场分析

图1 假相当位温(单位℃)沿40°N垂直剖面图(丨为北京坐标)(a：2016年6月29日20时；b：2016年6月30日02时)Fig.1 Potential pseudo-equivalent temperature(℃)Along the vertical profile of 40 ° N(丨Coordinates of Beijing)(a：20∶00 on June 29, 2016；b：At 02∶00 on June 30, 2016)

3.3.2 水汽条件 研究表明地面露点温度超过15 ℃时，地面的湿度较高，有利于不稳定能量的增加。因此，地面露点超过15 ℃可以作为预报冰雹发生的参考依据[7]。29日20时—30日08时房山站和霞云岭站露点温度均在15 ℃以上，房山站30日03时露点温度为20.5 ℃，达到夜间的峰值，而后随着强对流天气的结束，露点温度有所下降。

29日20时探空图上整层湿度略差，30日08时中低层存在一定湿度，500 hPa以上偏干(图略)。由于期间没有探空数据，无法得知强冰雹发生时中低层是否有增湿。微波辐射计可以填补天气雷达、探空气球等在监测方面的空白，是有效的补充手段。图2为29—30日观象台微波辐射计图。可以看到，30日03时前整层湿度条件一般，03时0～3 km相对湿度为60%，高空3～5 km高度开始增湿，相对湿度达到80%以上，6 km以上相对湿度仅维持在40%左右。而后大湿度区仍然集中在700 hPa附近。05时大湿度区高度迅速下降，维持在2 km以下。从水汽含量来看，此时有较大的液态水含量，表明有可能有冰雹出现。700 hPa明显增湿的时间是从03时开始，比冰雹出现时间提前2个多小时，大湿度区高度迅速下降出现时间也比冰雹发生时间提前。微波辐射计对此次冰雹天气预报有一定的指导作用。

图2 观象台微波辐射计图Fig.2 Observatory Microwave Radiation Chart

4 卫星资料特征

30日03时开始，位于河北西部的云系开始发展，04时云系移至房山、门头沟西部山区，而后云系不断东移发展、面积不断扩大。06时移出北京西部地区。07时彻底移出北京。云团移动速度较快、结构紧密、范围大、色调明亮，说明强对流云团云顶高度较高(图略)。

应用TBB资料分析对流强度是美国普遍采用的分层方法，当云顶TBB≤241 K，认为是对流云，伴随着对流天气现象；当TBB≤211 K，则认为云顶已伸过了对流云顶，称为穿顶对流，会伴随强对流天气现象。选取TBB≤241 K作为对流云的阈值。30日04时TBB的低值区位于北京西部山区，对应红外云图上云系所在位置，此时TBB<220 K。04时15分随着对流云东移，TBB低值区的位置向东移动至北京中部地区，数值上TBB变化不大[8]。实况中04时—04时15分也是房山区对流云发展旺盛的阶段(图略)。

图3 2016年6月30日04时-05时42分反射率因子图(a:04时;b:04时18分;c:04时48分;d:05时12分;e:05时18分:f:05时42分)Fig.3 Reflectance Factor Graph at June 30, 2016 04∶00 -05∶42(a 04∶00；b 04∶48;c 04∶48;d 05∶12;e 05∶18;f 05∶42)

5 多普勒天气雷达回波特征

5.1 反射率因子图和剖面

30日03时北京延庆出现弱对流回波，河北西部有南北向回波发展，在其最南端最大反射率因子达到55 dBz以上，该强回波在移动过程中发展加强(图略)。04时开始进入门头沟和房山西部，最大反射率因子达到60 dBz，回波继续向东移动，移动过程中雷暴继续发展加强。04时18分最大反射率因子已达65 dBz以上，此时出现非常明显的“三体散射长钉”(TBSS)，且有“旁瓣回波”特征(图3)。04时48分回波移动至房山中东部地区，此时回波移动速度略有减慢，65 dBz以上强度的回波面积有所扩大。05时10分回波主体移出房山区，回波强度和影响范围均维持不变。05时18分以后TBSS消失，整个过程中TBSS维持约1 h。05时42分回波移出北京，此次天气过程结束。廖玉芳等[2]对近年来发生在我国的三体散射进行了分析，发现几乎所有的三体散射个例都伴随着强冰雹，因此TBSS的出现可以作为强冰雹发生的重要指标。

图4为2016年6月30日04时30分不同仰角反射率因子图，图中箭头所指位置均为同一位置。可以看到同一位置不同仰角的回波强度不同，低仰角回波强度弱，高仰角回波强度强。图5为沿房山蒲洼—南窖—坨里镇一线(图4 d中黑线位置)做剖面所得到的垂直剖面图。图中可以看出回波随高度升高发生倾斜，并有明显的强回波悬垂和弱回波区(WER)，最大回波强度达65 dBz以上，高度接近12 km，雹云伸展至-20 ℃层高度以上。

图4 2016年6月30日04时30分不同仰角反射率因子图(a:0.5°;b:1.5°;c:2.4°;d:6.0°)Fig.4 Different elevation reflectance factor graphs at 04∶30 June 30, 2016

图5 2016年6月30日04时30分垂直剖面图Fig.5 Elevation profile at 04∶30 June 30, 2016

5.2 径向速度图

风暴顶辐散是与风暴中强上升气流密切相关的小尺度特征，表现在径向速度图上风暴顶处正负速度差值特别大，它提供了上升气流强度的一个度量，可以与最大冰雹尺寸相关联[9]。在30日04时30分的9.9°仰角的径向速度图上(图6)，房山西部出现强风暴顶辐散，图中标记处有一对符号相反的径向速度，黄色区域产生速度模糊，经计算径向速度为-30 m/s，为负速度极值中心，靠近雷达；红色区域为正速度极值中心，径向速度为17 m/s，远离雷达。正负速度最大差值为47 m/s，说明有强辐散，预示有强冰雹的存在。

图6 2016年6月30日04时30分9.9°径向速度图Fig.6 9.9 ° Radial velocity map at 04∶30 June 30, 2016

5.3 垂直累积液态水含量(VIL)

垂直累积液态水含量的定义为液态水混合比的垂直积分。VIL如果大大高于相应季节的对流风暴的平均VIL值，则发生强冰雹的可能性很大。根据美国Oklahoma州的统计[10]，5月份出现强冰雹所对应的垂直累积液态含水量VIL的阈值为55 kg/m2，6、7和8月份为65 kg/m2。垂直积分液态含水量在降雹前跃增，可作为临近预报的一个依据。此次天气过程发生时云体内垂直累积液态水含量非常大，最大可达65 kg/m2。04时—04时24分垂直累计液态水含量最大值由35 kg/m2跃增至65 kg/m2，预示有强冰雹的出现[11]。

6 自动站

前文对天气形势及卫星资料、雷达资料进行了分析，下文对加密自动站气象要素变化特征进行更细致的分析。考虑地理位置、强冰雹落区及地形等因素，选取北京南部地区的房山霞云岭站、房山站、大兴站进行分析，3站分别代表房山山区、房山平原地区及大兴区。图7为霞云岭站、房山站、大兴站温度、风速、降水量、3 h变压随时间演变图，29日前半夜3个站点风速维持在2级左右，降雹发生前房山站、大兴站气温、露点温度均有小幅度上升，霞云岭站无明显变化。03时霞云岭站风速由2级加大到4级；房山站气温、露点温度下降，风速由2级加大到5级；04时开始大兴站气温、露点温度下降，风速由1级加大到4级，3个站点总体变化趋势一致。从3 h变压的情况来看，降雹前2 h内霞云岭站、房山站、大兴站3 h变压在-4～-2 hPa之间，均为负值。随着地面冷锋锋面过境，04时霞云岭站、房山站3 h变压转为正变压，分别为8 hPa和6 hPa，05时处在房山下游的大兴站也转为正变压，数值为2 hPa。由此可见，冰雹天气发生前，地面受热低压控制，温度较高，储存不稳定能量。随着地面冷锋过境影响本地，热低压转为冷高压控制，气压升高、气温降低、风速明显增大。锋生触发不稳定能量释放，导致强对流天气的发生。

图7 霞云岭站、房山站、大兴站气象要素随时间演变图Fig.7 Xiayunling station, Fangshan station, Daxing station meteorological elements with time evolution chart

7 总结

本文利用常规气象观测、加密自动站、北京南郊多普勒天气雷达、FY-2F静止卫星和微波辐射计等资料，对2016年6月30日凌晨北京地区一次罕见强冰雹天气过程进行了系统的分析，得出以下结论：

①2016年6月30日凌晨大冰雹过程是在槽后西北气流的背景下发生的。高层蒙古国和内蒙古边界的横槽系统东移南下，配合低层暖脊，有较强的热力不稳定，且存在低层切变线及地面冷锋，均为强对流天气的发生发展提供有利条件。

②较大的CAPE值及适当的CIN值为对流天气的发生提供了较好的能量条件；0～6 km垂直风切变29日20时为13.0 m/s，30日08时为27.4 m/s，较强的垂直风切变为降雹过程提供了很好的动力条件；0 ℃层和-20 ℃层高度合适(分别位于4.2 km、7.2 km)，其他各项能量指数均有利于强对流天气的发生发展。

③29日20时—30日08时房山站和霞云岭站露点温度均在15 ℃以上。冰雹发生前，0～5 km高度相对湿度大于60%，其中3～5 km为80%，而高层5 km以上相对湿度仅在40%，符合冰雹发生时“上干下湿”的特点。

④对流云系04时移至北京西部，而后云系不断东移发展、面积不断扩大，07时彻底移出北京。04—04时15分房山西部山区TBB小于220 K，说明对流云发展旺盛。

⑤多普勒天气雷达图上有明显的低层弱回波区、中高层回波悬垂及TBSS特征。径向速度图上存在强辐散。垂直累计液态水含量30日04时—04时24分最大值由35 kg/m2跃增至65 kg/m2，是临近预报中判断雹云的重要依据。

⑥冰雹天气发生前，地面为热低压控制，储存不稳定能量。随着地面冷锋过境影响本地，热低压转为冷高压控制，气压升高、气温降低、风速明显增大。锋生触发不稳定能量释放，导致强对流天气的发生。

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AnalysisofHeavyHailWeatherinBeijingonJune30, 2016

LI Jie1,2，WU Jiankun3，SONG Ge1，LEI Lei4

(1. Beijing Fangshan District Meteorological Administration，Beijing 102488， China；2. Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610000, China; 3.Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China;4.Beijing Meteorological Observatory, Beijing 100089, China)

Based on the data such as conventional meteorological observation, encryption automatic station, Doppler weather radar, FY-2F stationary satellite and microwave radiometer in the southern suburbs of Beijing, a rare haime weather process was carried out in the Beijing area on June 30, 2016. Analysis, the results show: conclusions: The strong hail process is in the back of the northwest airflow occurred in the background. The Doppler weather radar has obvious low-level weak echo and high-level echo overturning and "three-body scattering" TBSS. TBB is less than 220K, convective cloud development is strong. The vertical accumulation of liquid water has a significant jump. Ground heat low pressure weakened to cold high pressure control, air pressure, air temperature decreased, wind speed increased significantly.The high hail process has a large CAPE value and an appropriate CIN value, which provides a good energy condition for the occurrence of strong hail, and the strong vertical wind shear becomes a good dynamic condition for the hail process. 0 ℃ layer, -20 ℃ layer height suitable sand index, K index are conducive to the occurrence of high hail weather development.

strong hail; TBSS;TBB; vertical wind shear; echo drape

1003-6598(2017)05-0051-07

2017-04-26

李杰(1990—)，女，助工，主要从事短时临近天气预报服务工作，E-mail:961625377@qq.com。

B