2015年北京田徑世錦賽開幕式天氣的精細化預報與方法

王 華，郭金蘭，仲躋芹，時少英，劉 卓，何 娜

（1.中國氣象局城市氣象研究所，北京 100089；2.北京市氣象服務中心，北京100089；3.北京市氣象臺，北京 100089）

重大活動關鍵時段的定點預報一直是天氣預報服務的難點。近些年來，北京舉行了奧運會、國慶閱兵等重大活動，對精細化要素預報和重大活動的氣象保障服務積累了豐富的經驗。時少英等[1-3]針對奧運會開幕式天氣、賽事精細化預報等做了研究分析，總結了有借鑒意義的大型活動精細化預報和服務保障的經驗。郭虎等[4]提出了跟進式精細化預報服務的思路，指出需要充分發揮多種新型探測資料的服務價值；潘進軍等[5]對國慶60周年慶祝活動的氣象服務從多方面進行了評價，并指出在高影響天氣預報預警方面還有待進一步提高水平。伴隨著經濟增長和社會發展，人們對天氣預報和氣象服務的需求也越來越高。湯緒[6]闡述了世界氣象組織關于未來氣象服務的發展方向，指出鼓勵與指導以無縫隙預報業務技術為支撐的新型服務業務的發展。近年我國數值預報模式快速發展[7-9]、集合預報廣泛應用、高時空分辨率氣象探測網日趨完善，降水、氣溫等要素的精細化預報[10-12]和高影響天氣[13-18]的預報預警水平有了進一步提高，使得精細化預報業務和重大活動服務保障有了更加豐富的內涵。

2015年北京世錦賽于8月22日17時在國家體育場“鳥巢”隆重開幕。此次開幕式表演活動在“鳥巢”露天舉行，參演人員眾多，道具、服裝等都要求避開下雨時段。據氣象資料分析，8月下旬華北及北京地區仍處于汛期，發生強對流和暴雨等天氣的概率較大[19]；而2015年8月22日華北地區正處于東北冷渦的環流背景下。孫明生、孫繼松等[20-21]研究表明，東北冷渦是北京發生強對流的典型天氣形勢，易出現冰雹、雷暴大風和短時強降水，強對流天氣的發生時間集中在午后至傍晚的14—20時，峰值時段在16—18時；而開幕式正處于該時段內。在這樣的天氣氣候背景下，做好開幕式期間的定時、定點、定量的精細化預報難度很大，氣象服務保障面臨極大的挑戰。

應用常規探測、雷達、加密自動站、雷達四維變分同化系統（VDRAS）和多尺度數值模式、集合預報產品，從短期到短時、臨近逐步分析總結世錦賽開幕式天氣預報的思路和方法，旨在為精細化要素預報、強對流短臨預報預警和重大活動的氣象服務保障提供有益的參考。

1 北京田徑世錦賽開幕式天氣實況

2015年8月22日中午到傍晚，北京范圍內出現了從小雨到暴雨的不同量級的分散性降雨。由圖1北京地區8月22日12—18時（北京時，以下同）降雨分布和逐小時自動站加密觀測雨量可以看出，局地暴雨主要集中在北京東北部的平谷地區。其中，13—14時平谷區塔洼出現了小時雨強達50.7 mm的短時強降水，同時平谷區局地出現了小冰雹和雷暴大風天氣；14—17時北京的延慶、昌平、門頭溝和房山等地出現了小陣雨或雷陣雨，尤其是世錦賽開幕式開始前1 h（16—17時）距離“鳥巢”不足20 km的昌平東南部出現弱雷雨；開幕式期間（17—18時）北京西部山區和南部大興的局地出現雷雨天氣。雖然“鳥巢”附近沒有出現降雨，但周邊出現的強對流天氣給開幕式的精細化預報帶來很大的壓力。

圖1 2015年8月22日12—18時北京地區降雨分布

2 開幕式天氣的短期預報與方法

世錦賽開幕式期間短期天氣預報的重點是8月22日17—18時及準備階段“鳥巢”地區的降水和強對流天氣。天氣尺度系統上，開幕式前期北京處于東北冷渦的底部。8月21日冷渦中心處于吉林中部，22日東北低渦中心移至黑龍江東部，影響北京地區的主要系統是冷渦后部的橫槽（圖2）。無論是確定性預報還是集合預報對東北低渦的系統位置、強度預報都比較穩定，因此可以判斷8月22日下午北京地區易出現強對流天氣，而預報的難點在于開幕式期間“鳥巢”地區的定時定點預報。

圖2 2015年8月22日08時500 hPa高度場（藍色實線，單位：dagpm）、溫度場（紅色實線，單位：℃）、槽線系統（棕色實線）和風場分布

強對流天氣的發生需要水汽、不穩定能量和觸發機制3個基本條件[22-24]。由于東北冷渦的位置偏東北，北京中尺度數值預報系統（BJ-RUC）預報8月22日下午850 hPa的切變線位置位于河北東北部（圖3）。北京東北部的平谷處于切變線西側影響的上升運動區內，850 hPa相對濕度超過70%；城區“鳥巢”一帶處于偏北氣流里，850 hPa相對濕度為40%～50%。從不穩定條件分析，22日下午北京低層的暖平流較弱，500 hPa無冷平流，但切變線后部自北向南有干空氣侵入北京，因此具有一定的不穩定能量，東部地區的CAPE值相對較大。同時預報22日下午北京上空的垂直風場存在一定的風向切變，但風速切變較弱。因此BJ-RUC中尺度系統預報22日午后平谷有局地強降水，西部、北部山區有分散陣雨，城區無降水（圖4）。其它多家數值模式均預報了8月22日下午北京地區有分散性陣雨，河北東北部及北京東北部地區的雨量相對明顯。而ECMWF確定性預報在22日下午“鳥巢”附近預報了1 mm左右的降水，集合預報的絕大多數成員也預報了小雨量級的降水，成員中最大降水量預報為6.2 mm。

綜合來看，在東北冷渦及切變線系統的影響下，北京具有一定的不穩定能量和濕度，但是系統位置偏東，低層較干，垂直風切變較弱，給出預報結論：8月22日下午北京無大范圍強對流天氣，但局地將有對流天氣發生，東部地區出現強對流天氣的可能性較大；“鳥巢”地區出現強對流天氣的可能性較小，但是可能出現弱降水天氣。鑒于“鳥巢”降水預報的不確定性，氣象部門21日向組委會提供了“開幕式期間鳥巢地區天氣以陰為主，或有小陣雨”的預報信息。

圖3 BJ-RUC中尺度數值預報系統2015年8月21日20時預報22日16時850 hPa相對濕度、風場分布

圖4 BJ-RUC中尺度數值預報系統2015年8月21日20時預報22日08—20時雨量/mm

3 短時強對流天氣的精細化預報

8月22日開幕式當天短時預報關注的重點是強對流天氣出現的時間、范圍以及對“鳥巢”地區的可能影響。22日上午京津冀地區晴空，氣溫上升較快，11時河北北部山區局地有對流發展。12時河北與北京密云、平谷交界處的回波發展，中心強度超過50 dBz。此后回波進一步發展加強并向東南方向移動，13時進入到北京平谷的東北部，并于13:30前后達到最強（圖5），中心強度超過60 dBz，造成平谷塔洼13—14時降雨50.7 mm，局地出現了最大直徑為9 mm的小冰雹以及雷暴大風等強對流天氣。短時預報面臨的難點是影響平谷的強對流回波是否會繼續東南移動影響“鳥巢”或在“鳥巢”附近激發出新的回波？

圖5 2015年8月22日13:30北京雷達組合反射率回波

城區“鳥巢”附近的氣象條件不利于對流發展。14時北京觀象臺的加密探空顯示（圖6），不穩定能量較大，CAPE值超過1000 J/kg，600 hPa中層干侵入明顯，但是700～850 hPa相對濕度在65%左右，925 hPa以下濕度不足40%，同時，中低層為弱的偏北風，高低空溫度差動平流和垂直風切變都很弱，不利于雷暴的發展。VDRAS200 m擾動溫度場（圖7）顯示，平谷的強對流天氣在邊界層形成了冷池，而城區“鳥巢”附近正好處于相對冷區中，也不利于雷暴的局地生成。

圖6 2015年8月22日14時北京觀象臺探空層結圖

14時以后位于平谷的強回波緩慢南移，但強度開始減弱，14:48該回波前部的陣風鋒開始遠離雷暴主體（圖8）。Wilson等[25-26]的研究表明雷暴消散的指標有3個，其中一個是：當雷暴的出流邊界逐漸遠離雷暴時，雷暴將消散，因此可以判斷位于平谷的雷暴主體將趨于消散。同時，北京市氣象局新一代中尺度數值預報系統RMAPS-ST（3 km分辨率、3 h快速更新循環系統）的逐小時預報，15時到世錦賽開幕式期間城區“鳥巢”附近無降水。

圖7 VDRAS反演的2015年 8月22日14：30北京地區200 m擾動溫度/℃

圖8 2015年8月22日14:48北京雷達組合反射率回波

通過對雷暴主體消散不會直接影響“鳥巢”地區、“鳥巢”地區的對流條件不利于雷暴的局地生成、中尺度數值模式預報結果等多方面綜合研判，15時世錦賽現場氣象服務人員向組委會提供了“開幕式時段內鳥巢地區無降水”的最新預報，組委會決定開幕式一切活動正常進行。

4 臨近天氣預報與中小尺度實況監測

22日15時開始進入世錦賽開幕式的臨近預報時段。從圖8可以看出東北部的陣風鋒在向“鳥巢”方向推進，西北部山區局地仍有較強回波。臨近時段監測預報的重點和難點是平谷的陣風鋒西移是否會在“鳥巢”附近激發新的回波、西北部山區的回波下山后強度將如何變化？

“鳥巢”地區濕度小、層結趨于穩定，不利于對流觸發。16時陣風鋒移至“鳥巢”附近，西北部山區的回波下山到昌平中部時強度有所減弱（圖9）。由加密自動站風場、溫度和濕度的分布可以看出，處于陣風鋒后部的北京東北部地區東風加大，溫度降低，濕度增加，近地層有冷濕平流輸送；而昌平南部及城區的濕度很小，不具備回波下山加強的水汽條件。從“鳥巢”自動站的氣溫、氣壓、濕度、風的5 min時間變化（圖10）可以看出，16時前后，陣風鋒從“鳥巢”過境，30 min內自動站氣溫下降了3.6℃，相對濕度上升了10%，氣壓也有所上升，風也由前期的2 m/s的北風轉為4 m/s的偏東風。

陣風鋒雖然過境，但沒有激發新的回波，“鳥巢”地區氣溫下降，層結將逐漸趨于穩定，局地生成回波的可能性進一步降低。而昌平中部的回波在南下過程中于16:18前后與繼續西移的陣風鋒相遇，短時有所增強，由于水汽條件差，很快明顯減弱。基于這樣的實況，16:30現場跟進預報服務：“開幕式期間17—18時鳥巢地區無降水”。實況表明，“鳥巢”地區沒有降水和對流天氣出現，開幕式順利進行。

圖9 2015年8月22日16:00北京雷達組合反射率回波

圖10 2015年8月22日15—17時“鳥巢”自動站5 min氣溫（紅色實線）、氣壓（藍色實線）、相對濕度（綠色實線）、風的時間變化

5 結論

通過以上對2015年8月22日北京田徑世錦賽開幕式“鳥巢”天氣的成功預報，可以看出：

（1）在現有的天氣預報技術條件下，重大活動關鍵時段的精細化預報是從空間、時間逐步遞進式的預報，空間上從區域逐漸精細到定點，時間上從短期、短時、臨近最終達到無縫隙預報，而每個階段的預報重點和所采取的預報方法、使用的氣象信息是不同的。

（2）世錦賽開幕式“鳥巢”天氣短期預報的重點是降水和強對流天氣，在充分掌握東北冷渦氣候背景的條件下，以天氣診斷和數值預報分析方法為主，應用多尺度數值模式和集合預報產品，通過對影響系統、對流條件的分析，確定8月22日北京具有一定的不穩定能量，但是切變線位置偏東，低層較干，垂直風切變較弱，因此北京東部地區出現強對流天氣的可能性大，城區“鳥巢”附近出現強對流天氣的可能性小，但是不排除出現弱降水的可能性。

（3）開幕式當天短時預報的重點是中午在北京東北部局地生成的強回波是否會直接影響到“鳥巢”地區或能否在“鳥巢”地區激發出新的回波。依據雷達、云圖、探空等實況資料和VDRAS同化產品、RMAPS-ST中尺度數值模式，采用多種資料融合技術，預判雷暴主體將趨于消散，城區的水汽和熱力條件不利于雷暴的局地生成，提前2 h預報開幕式時段內“鳥巢”地區沒有降水。

（4）臨近預報時段加強對中小尺度實況的監測分析，應用高時空分辨率的加密自動站和雷達探測等對回波、穩定度和水汽等要素分析，預判開幕式期間“鳥巢”地區濕度小、層結趨于穩定，不利于對流發展，因此東北部的陣風鋒西移至“鳥巢”附近時不會觸發新的回波，西北部山區對流回波下山后將減弱消散，進一步提供了開幕式期間“鳥巢”無降水的服務信息，保障開幕式順利舉行。