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北京奥运会开幕式期间的中尺度天气系统研究
Meso scale Weather Systems During the Opening Ceremony of Beijing Olympic Games
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摘要: 利用北京地区稠密的地面观测网资料以及北京市观象台、海淀、上甸子3部风廓线仪的观测资料，通过分析2008年8月8日北京奥运会开幕式期间发生在北京地区的降水过程，讨论了此次过程中在环境风场、地形和城市热岛作用下，中尺度系统发展或减弱的可能机制及对城区降水的影响。结果表明：城市热岛和地形作用形成的次级环流圈对城区南北两侧的影响不同，在城区南侧，次级环流圈使南风减弱，同时受次级环流圈下沉气流影响，中尺度系统北上时会减弱；在城区北侧，次级环流圈使南风加强，中尺度系统南下时会使气流辐合增强，有利于中尺度系统发展。当环境风场是较弱的偏南风时，城市热岛 地形次级环流圈在城区1500 m以下形成辐合，以上辐散，在3000 m 左右辐散最强，不利于北上的中尺度系统向城区发展形成降水。Abstract: The Opening Ceremony is one of the most influential events during 2008 Beijing Olympic Games. And the meteorological service of the Opening Ceremony is of great importance. The weather situation is very complicated, on one hand, analysis of upper air and surface layer circulation at 20：00 8 August suggests there is a great possibility of precipitation, on the other hand, the strong radar echo belts of the southeast area developed at around 21：20 begin to constantly move northward, which may combine with the strong meso scale radar echoes from northeast, and lead to heavy rainfall in the urban area. But in fact, medium and heavy rainfall occurs in the southwest and northeast suburb, but almost no precipitation occurs in the urban area. The fact is beyond the explanation of conventional meteorological data. So high resolution ground based meteorological data observed by auto weather stations (AWS), wind and temperature data from the surface layer to the tropopause observed by thee wind profilers located at Beijing Weather Observatory, Haidian Station and Shangdianzi Station are used. The possible mechanism of the meso scale weather system developing and weakening which affects the precipitation in Beijing urban areas are discussed considering the influences of the environmental wind field, topography and urban heat island effect. It is concluded that the impact of secondary circulation loop formed by the heat island and topography effect to the south urban area is different from that to the north. In the south part of the city, the secondary circulation weakens the southerly, and its subsiding air weakens the northward branch of meso scale system. But in the north part, the secondary circulation strengthens the southerly, and the air convergence will become stronger, promoting the development of meso scale system. When weak southerly environmental wind exists, the secondary circulation loop will lead to air convergence below 1500 meters high. But the air divergence above the height of 1500 meters is unfavorable for the meso scale system to develop northward and bring heavy rainfall to Beijing urban area.
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Keywords:
- urban heat island /
- topography /
- wind profile data
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引言
北京奥运会开幕式是北京奥运会期间最具影响的活动之一，开幕式期间的气象服务保障工作至关重要，它甚至决定了开幕式的成败。而北京奥运会开幕式期间北京地区的天气极其复杂，常规探测资料和天气尺度分析根本无法满足这种精细化预报的气象服务保障需求。此前许多气象学家已经认识到，局地降水的发生是在有利的大尺度环流背景下引发的中小尺度天气系统发生、发展的结果，降水的落区往往与中尺度系统的发生、发展和移动密切相关[1-4]。气象工作者从北京的特殊地形和特大城市等特点出发，讨论了城市热岛环流与独特的地形环流之间的相互作用对中小尺度降水系统的发生、发展产生的重大影响。如孙继松等[5-9]对地形与环境风场相互作用过程在地形雨落区中的作用问题进行了探讨，详细研究了城市热岛对北京地区不同季节降水分布的影响。郭虎等[10]利用北京地区多种新型探测资料对一次引发北京西郊暴雨的中尺度系统进行了分析；李津等[11]讨论了一次强降水过程预报中常规资料相对于新型探测资料的不足。张朝林等[12]采用数值模拟方法研究了地形对北京一次局地暴雨的影响。郑祚芳等[13]、张光智等[14]研究了北京城市热岛的一些温度变化特征。这些研究成果在北京地区的天气预报，尤其是局地强对流预报中发挥了一定作用。但2008年8月8日北京奥运会开幕式的天气预报有其自身的复杂性，这不是一个典型的强对流天气系统，中尺度系统发展并不活跃，前面的研究成果并不能完全应用在此次过程的天气预报中，因而有必要在前人工作的基础上利用北京地区的新型探测资料对此次中尺度系统的发展、消亡机理及其对降水落区的影响进行探究。
1. 天气及形势概述
2008年8月8日20：00(北京时，下同) 至9日00：00是北京奥运会开幕式的进行时间，8日20：00，渤海上空500hPa上有一闭合的588dagpm线 (图略)，北京处于副热带高压西侧，从850hPa的环流形势来看，北京及河北大部地区都处在辐散气流中，北京鸟巢处在辐散中心 (图 1a)，但如图 1b所示，北京已位于副热带高压外围，天气尺度的切变线在张北、太原上空，切变线附近的张北地区有一个较强的上升运动中心 (图 1a)。从8日20：00鸟巢上空的垂直速度廓线 (图 1c) 可以看到，从地面到850hPa，鸟巢上空均为上升运动，其中950hPa的上升速度最强；850hPa至700hPa为下沉运动，750hPa的下沉速度最强；再往上，垂直速度上升、下沉运动均不明显，说明在北京地区，低层虽然有弱的上升气流，但受副热带高压辐散下沉气流抑制，大尺度的对流系统很难发展。地面图 (图 1d) 上北京处在海上副热带高压和河套西部高压之间的低压带中，在北京以北内蒙古东北部地区有一低压中心；850hPa在北京以西张北地区又有切变线存在，这种环流配置，极易在低压带边界层内诱发出中尺度对流系统。到8日20：00，在低压带内从内蒙古东北部到北京以西均有降水发生，雨带紧邻北京 (图 1d)，北部的雨带过去6h中心最大降水量达64mm，如果系统继续发展，南北雨带将汇合，在北京地区形成较强降水。
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图 1 2008年8月8日20：00环流形势(a)850hPa散度场 (黑色等值线，单位：10-6s-1; 实线为辐散；虚线为辐合) 和垂直速度场 (彩色填充，负值表示上升运动)，(b)850hPa环流形势场 (蓝色实线，单位：dagpm)、温度场 (红色实线，单位：℃)、风场 (单位：1个风羽=4m/s) 和辐合切变线 (棕色实线)(红色圆点是鸟巢位置)，(c) 鸟巢上空的垂直速度廓线 (负值表示上升运动)，(d) 海平面气压场 (黑色实线，单位：hPa) 和过去6h降水量 (彩色填充)Figure 1. The circulation of atmosphere at 20: 00 8 August 2008(a) the divergence field (black contour, unit: 10 -6S-1; solid line: divergence; dotted line: convergence) and the vertical velocity field (shaded, negative: upward motion) on 850 hPa, (b) the circulation situation of on 850 hPa (blue solid line, unit: dagpm), temperature field (red solid line, unit: C), wind field (unit:4 m/s) and the convergence line (brown solid line) (red dot denotes the location of the Olympic Center), (c) the profiler of the vertical velocity over the Olympic Center (the negative denotes the upward motion), (d) sea surface pressure field (black solid line, unit: hPa) and precipitation of the past 6 hours (shaded)2. 中尺度系统及降水
雷达回波图上，在北京的西南和东北方向有两条回波带。21：20开始西南方向的回波带经房山地区逐渐靠近北京城区，21：40(图 2a) 已有强回波单体接近城区西南侧，最大回波强度已达45dBZ以上；同时，北京东北方向的回波带在怀柔、密云等地也在发展 (图 2b)。而21：40以后西南方向的回波主体虽然继续向东北方向移动，但始终没有进入城区且是逐渐减弱的，40dBZ以上的雷暴单体也随之消亡。从整个过程的雨区分布来看 (图 3)，在北京西南部和东北部地区均有降水，并达到了大雨量级，但由于西南方向回波强度的减弱，城区基本没有降水。
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图 2 2008年8月8日北京车道沟多普勒雷达组合反射率因子(红色圆点是鸟巢位置)(a)21：40，(b)22：43Figure 2. Radar composite reflectivity factor by Doppler weather radar in Chedaogou Beijing on 8 August 2008(red dot denotes the location of the Olympic Center)(a) at 21:40, (b) at 22:43![]()
图 3 2008年8月8日19:00—9日01:00北京地区降水量 (红色圆点是鸟巢位置)Figure 3. Total precipitation of Beijing area from 19:00 8 August to 01:00 9 August, 2008 (red dot denotes the location of the Olympic Center)雷暴单体是一个个相对范围较小的强对流系统，其生成、发展和移动必须依赖于中尺度系统的发展情况。从位于北京城区东南方向的北京市观象台和西北方向的海淀站风廓线图 (图 4) 来看，19：24-20：24，北京市观象台和海淀站上空3000m至4000m左右均有中尺度短波活动，而20：24至奥运开幕式结束，短波活动的高度在降低，从3000 m逐渐下降到2000m，且影响范围也在减小，仅在海淀站上空有切变，北京市观象台上空已不明显，说明在此期间中尺度系统在城区不但没有发展反而减弱消亡。
3. 地形和城市热岛对中尺度系统的影响
随着城市化的发展，大城市的热岛效应已经被越来越多的科学家所关注。观测事实发现受城市热岛影响，在城区和郊区可以形成较强的水平温度梯度。在北京的北面和西面均为山区 (图 5a)，当天气尺度系统不明显时，北京局地风场的日变化反映为山谷风特征[15]：由于山区和平原存在热力差异，白天山区大气加热快，平原加热慢，中午前后大气低层平原地区逐渐由北风转为南风，即为上坡风；夜间，这种热力差异正好相反，午夜前后平原地区由南风转为北风，即为下坡风。相对于山谷风环流的影响，城市热岛环流是一个慢过程，也是一个弱过程，其热源主要来自于城区的低层，并相对滞后于山谷风环流，热岛现象往往从午后开始作用明显，在傍晚前后或凌晨前后达到最大[5]; 此时，山区已经开始降温或降到最低值，与城市温差达到最大，形成明显的温度梯度，最大的温度梯度往往是沿北京山区与平原的分界线分布的 (图 5b)。因而城市热岛作用会在城区与山区的交界处加强边界层内风场辐合，甚至激发出中尺度对流系统，这也是北京城区西部和北部多在傍晚或凌晨前后突发局地暴雨的原因之一。
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图 4 2008年8月8日13：54-23：54海淀站 (a) 和北京市观象台 (b)30min间隔风廓线图 (红色实线为切变线)Figure 4. Wind profiler map of Haidian Station (a) and Beijing Weather Observatory (b) atintervals of 30 minutes from 13:54 to 23:54 on 8 August 2008![]()
图 5 地形对温度分布的影响 (a) 北京地区地形图和主要自动站分布，(b)2008年8月8日21：00北京地区等温线 (彩色填充) 和风场Figure 5. The effect of terrain to distribution of temperature (a) the map of terrain and the locations of some main automatic weather stations in Beijing area, (b) isotherms of Beijing and wind plot at 21:008 August 2008孙继松等[5-9]指出城市热岛在迎风坡强迫产生相对独立的中尺度低空垂直切变是维系中尺度对流降水发生、发展的重要条件。另一方面，由于城市热岛增强了城区与周围山区的温度梯度，在近地面温度梯度最大的区域会形成一个指向城区的气压梯度力，而形成水平辐合或风切变。但降水的发生往往伴随有冷空气的入侵，当中低层有中尺度对流系统活动时，城市热岛会加强中尺度对流系统的发展，从而形成强降水。北京奥运会开幕式期间，城市热岛现象确实存在，城区的气温为32 33℃，西南、东北郊区的气温为28 29 ℃，西北山区气温更低，城区和郊区之间水平方向有4 5 ℃的温差。从风廓线 (图 4) 上看，19：00-20：00，海淀站和北京市观象台上空2500m至3500m左右均有风的切变；而地面自动站21：00温度梯度最大的城区西侧也存在明显的风切变 (图 5b)。在此期间雷达回波图上北京西南地区和东北部地区均有强雷暴单体活动，这些都说明了北京低空确实有中尺度对流系统活动，致使北京西南和东北部地区出现了大雨，但雨带却并没有进入中心城区。
降水的发生，尤其是大降水的发生，在低空往往存在暖平流增强大气的位势不稳定，而当冷空气突然增强时，会破坏前期的位势不稳定，激发对流有效位能的释放，造成较强降水。海淀站位于城区西侧，对西南方向北上系统反应更为灵敏，海淀站距离鸟巢近，利用单部风廓线测风可以计算温度平流[16]。
图 6a是根据海淀站风廓线观测数据计算的温度平流，时间间隔为30 min。从8日13：54-23：54，海淀站上空900m以下基本上是暖平流，而900m以上冷平流维持时间相对较长，但暖平流远比冷平流要强。19：00-22：00，海淀上空有中尺度波动，冷暖平流均加强并呈波状向低层传递，强冷平流中心也渗透到低层400m左右，在此期间北京西南郊区发生了较强降水，在城区西部的五棵松发生了0.9mm的降水。但由于冷平流较弱，冷空气并没有大规模侵入，因而对城区的影响也非常有限。利用北京市观象台、海淀站、上甸子站风廓线探测资料，采用有限元方法可计算出3点之间各层次的散度[16]，从图 6b可以发现：1500m以下主要为辐合，而1500m以上主要为辐散，19：00开始辐散强度逐渐加强，并逐渐向下扩展，尤其在20：00-23：00，在3000 m至3300m辐散强度达到30×105s-1以上。这与城市热岛作用在傍晚至午夜达到最强的时间一致。由于城市热岛的作用，在中心城区和郊区之间形成一个城市环流圈，在低层中心城区较暖，郊区较冷，形成郊区指向城区的气压梯度力，以辐合为主，而高层随着低层对大气加热作用的减弱，低层上升的暖气流必然向外辐散形成城区和郊区的这种中小尺度的次级环流圈。由图 6b可知这种次级环流圈的辐合高度约为1500m，以辐散为主弥补低层的辐合。由图 4可知，海淀站和北京市观象台上空2000 4000 m虽然有中尺度系统活动，但此高度为北京城市热岛和地形共同作用下的次级环流辐散区，尤其在19：00以后，这种辐散作用更为明显。由于辐散作用会抑制海淀站和北京市观象台上空中尺度对流系统的发展，并使其减弱甚至消亡，这可能是造成城区降水偏弱的主要原因之一。
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图 6 2008年8月8日13：54-23：54根据海淀站风廓线计算温度平流 (正值为暖平流，负值为冷平流)(a) 及根据北京市观象台、海淀站、上甸子站风廓线计算散度 (b)Figure 6. Temperature advection of Haidian Station (positive: warm advection; negative: cold advection) (a) and divergence calculated from profile data of Beijing Weather Observatory, Haidian Station and Shangdianzi Station (b) rrom 13: 54 to 23: 54 8 August 2008 (b)城市热岛作用会增强北京地区的降水。图 7为北京地区2008年8月8-24日总降水量与历史同期30年的距平图。从统计结果看北京城区至山前地区降水量比历史同期增强了很多，尤其在城区北侧，降水比历史同期明显偏多，这与城市热岛对降水分布影响的研究结果一致[6]。当然，在此期间降水量比历史同期明显偏多，热岛效应只是其中一种可能原因。8月8日热岛效应对中尺度对流系统有抑制作用可能与环境风场有关，由图 1d可知，北京地区处于副热带高压外围的低压带中，地面以偏南风为主 (图 5b)，而且风力很弱，风速基本上超过2m/s，这说明当日形势非常稳定，北边没有强冷空气南下。而受城市热岛-地形次级环流圈的影响，在1500m至3000m高度上，城区上空是辐散气流，也就是说，这种辐散气流会减弱城区南侧的南风，而增强城区北侧的南风。当中尺度对流系统从南边北上时，在城区南侧受辐散气流影响，系统会减弱甚至消亡。而这种城市次级环流圈对城区北的影响不同，在假设环境风场为静风时，城市热岛-地形次级环流会在城区北侧形成南风，在城区南侧形成北风。当冷空气南下时，城市热岛-地形次级环流圈会在城区北侧加强低层辐合，甚至会激发出中尺度系统，因而在城区北侧容易形成较强降水。
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图 7 北京地区2008年8月8-24日降水量距平Figure 7. Total precipitation anomaly of Beijing area from 8 to 24 August 20084. 小结
通过对2008年8月8日奥运会开幕式期间北京地区的降水过程分析，可以得出以下结论：受城市热岛-地形次级环流圈影响，此次过程中北京城区上空在1500m以下为辐合，1500 3000m为辐散，环境风场为较弱偏南风，从北京西南方向北上的中尺度系统在城区南侧正好处在次级环流圈的辐散下沉区，中尺度系统减弱甚至消亡，这是城区没有明显降水的重要原因之一。另外，讨论了城市热岛-地形环流对北京城区南北两侧可能造成的不同影响，在城区北侧，城市热岛-地形次级环流形成南风，有冷空气南下时会增强城区北侧的辐合，形成较强降水；城区南侧，城市热岛-地形次级环流的辐散下层气流会抑制北上的中尺度系统的发展，致使其减弱甚至消亡。
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图 1 2008年8月8日20：00环流形势
(a)850hPa散度场 (黑色等值线，单位：10-6s-1; 实线为辐散；虚线为辐合) 和垂直速度场 (彩色填充，负值表示上升运动)，(b)850hPa环流形势场 (蓝色实线，单位：dagpm)、温度场 (红色实线，单位：℃)、风场 (单位：1个风羽=4m/s) 和辐合切变线 (棕色实线)(红色圆点是鸟巢位置)，(c) 鸟巢上空的垂直速度廓线 (负值表示上升运动)，(d) 海平面气压场 (黑色实线，单位：hPa) 和过去6h降水量 (彩色填充)
Figure 1. The circulation of atmosphere at 20: 00 8 August 2008
(a) the divergence field (black contour, unit: 10 -6S-1; solid line: divergence; dotted line: convergence) and the vertical velocity field (shaded, negative: upward motion) on 850 hPa, (b) the circulation situation of on 850 hPa (blue solid line, unit: dagpm), temperature field (red solid line, unit: C), wind field (unit:4 m/s) and the convergence line (brown solid line) (red dot denotes the location of the Olympic Center), (c) the profiler of the vertical velocity over the Olympic Center (the negative denotes the upward motion), (d) sea surface pressure field (black solid line, unit: hPa) and precipitation of the past 6 hours (shaded)
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图 2 2008年8月8日北京车道沟多普勒雷达组合反射率因子
(红色圆点是鸟巢位置)(a)21：40，(b)22：43
Figure 2. Radar composite reflectivity factor by Doppler weather radar in Chedaogou Beijing on 8 August 2008
(red dot denotes the location of the Olympic Center)(a) at 21:40, (b) at 22:43
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图 3 2008年8月8日19:00—9日01:00北京地区降水量 (红色圆点是鸟巢位置)
Figure 3. Total precipitation of Beijing area from 19:00 8 August to 01:00 9 August, 2008 (red dot denotes the location of the Olympic Center)
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图 4 2008年8月8日13：54-23：54海淀站 (a) 和北京市观象台 (b)30min间隔风廓线图 (红色实线为切变线)
Figure 4. Wind profiler map of Haidian Station (a) and Beijing Weather Observatory (b) atintervals of 30 minutes from 13:54 to 23:54 on 8 August 2008
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图 5 地形对温度分布的影响 (a) 北京地区地形图和主要自动站分布，(b)2008年8月8日21：00北京地区等温线 (彩色填充) 和风场
Figure 5. The effect of terrain to distribution of temperature (a) the map of terrain and the locations of some main automatic weather stations in Beijing area, (b) isotherms of Beijing and wind plot at 21:008 August 2008
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图 6 2008年8月8日13：54-23：54根据海淀站风廓线计算温度平流 (正值为暖平流，负值为冷平流)(a) 及根据北京市观象台、海淀站、上甸子站风廓线计算散度 (b)
Figure 6. Temperature advection of Haidian Station (positive: warm advection; negative: cold advection) (a) and divergence calculated from profile data of Beijing Weather Observatory, Haidian Station and Shangdianzi Station (b) rrom 13: 54 to 23: 54 8 August 2008 (b)
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