2015年北京田径世锦赛开幕式天气的精细化预报与方法

王 华，郭金兰，仲跻芹，时少英，刘 卓，何 娜

（1.中国气象局城市气象研究所，北京 100089；2.北京市气象服务中心，北京100089；3.北京市气象台，北京 100089）

重大活动关键时段的定点预报一直是天气预报服务的难点。近些年来，北京举行了奥运会、国庆阅兵等重大活动，对精细化要素预报和重大活动的气象保障服务积累了丰富的经验。时少英等[1-3]针对奥运会开幕式天气、赛事精细化预报等做了研究分析，总结了有借鉴意义的大型活动精细化预报和服务保障的经验。郭虎等[4]提出了跟进式精细化预报服务的思路，指出需要充分发挥多种新型探测资料的服务价值；潘进军等[5]对国庆60周年庆祝活动的气象服务从多方面进行了评价，并指出在高影响天气预报预警方面还有待进一步提高水平。伴随着经济增长和社会发展，人们对天气预报和气象服务的需求也越来越高。汤绪[6]阐述了世界气象组织关于未来气象服务的发展方向，指出鼓励与指导以无缝隙预报业务技术为支撑的新型服务业务的发展。近年我国数值预报模式快速发展[7-9]、集合预报广泛应用、高时空分辨率气象探测网日趋完善，降水、气温等要素的精细化预报[10-12]和高影响天气[13-18]的预报预警水平有了进一步提高，使得精细化预报业务和重大活动服务保障有了更加丰富的内涵。

2015年北京世锦赛于8月22日17时在国家体育场“鸟巢”隆重开幕。此次开幕式表演活动在“鸟巢”露天举行，参演人员众多，道具、服装等都要求避开下雨时段。据气象资料分析，8月下旬华北及北京地区仍处于汛期，发生强对流和暴雨等天气的概率较大[19]；而2015年8月22日华北地区正处于东北冷涡的环流背景下。孙明生、孙继松等[20-21]研究表明，东北冷涡是北京发生强对流的典型天气形势，易出现冰雹、雷暴大风和短时强降水，强对流天气的发生时间集中在午后至傍晚的14—20时，峰值时段在16—18时；而开幕式正处于该时段内。在这样的天气气候背景下，做好开幕式期间的定时、定点、定量的精细化预报难度很大，气象服务保障面临极大的挑战。

应用常规探测、雷达、加密自动站、雷达四维变分同化系统（VDRAS）和多尺度数值模式、集合预报产品，从短期到短时、临近逐步分析总结世锦赛开幕式天气预报的思路和方法，旨在为精细化要素预报、强对流短临预报预警和重大活动的气象服务保障提供有益的参考。

1 北京田径世锦赛开幕式天气实况

2015年8月22日中午到傍晚，北京范围内出现了从小雨到暴雨的不同量级的分散性降雨。由图1北京地区8月22日12—18时（北京时，以下同）降雨分布和逐小时自动站加密观测雨量可以看出，局地暴雨主要集中在北京东北部的平谷地区。其中，13—14时平谷区塔洼出现了小时雨强达50.7 mm的短时强降水，同时平谷区局地出现了小冰雹和雷暴大风天气；14—17时北京的延庆、昌平、门头沟和房山等地出现了小阵雨或雷阵雨，尤其是世锦赛开幕式开始前1 h（16—17时）距离“鸟巢”不足20 km的昌平东南部出现弱雷雨；开幕式期间（17—18时）北京西部山区和南部大兴的局地出现雷雨天气。虽然“鸟巢”附近没有出现降雨，但周边出现的强对流天气给开幕式的精细化预报带来很大的压力。

图1 2015年8月22日12—18时北京地区降雨分布

2 开幕式天气的短期预报与方法

世锦赛开幕式期间短期天气预报的重点是8月22日17—18时及准备阶段“鸟巢”地区的降水和强对流天气。天气尺度系统上，开幕式前期北京处于东北冷涡的底部。8月21日冷涡中心处于吉林中部，22日东北低涡中心移至黑龙江东部，影响北京地区的主要系统是冷涡后部的横槽（图2）。无论是确定性预报还是集合预报对东北低涡的系统位置、强度预报都比较稳定，因此可以判断8月22日下午北京地区易出现强对流天气，而预报的难点在于开幕式期间“鸟巢”地区的定时定点预报。

图2 2015年8月22日08时500 hPa高度场（蓝色实线，单位：dagpm）、温度场（红色实线，单位：℃）、槽线系统（棕色实线）和风场分布

强对流天气的发生需要水汽、不稳定能量和触发机制3个基本条件[22-24]。由于东北冷涡的位置偏东北，北京中尺度数值预报系统（BJ-RUC）预报8月22日下午850 hPa的切变线位置位于河北东北部（图3）。北京东北部的平谷处于切变线西侧影响的上升运动区内，850 hPa相对湿度超过70%；城区“鸟巢”一带处于偏北气流里，850 hPa相对湿度为40%～50%。从不稳定条件分析，22日下午北京低层的暖平流较弱，500 hPa无冷平流，但切变线后部自北向南有干空气侵入北京，因此具有一定的不稳定能量，东部地区的CAPE值相对较大。同时预报22日下午北京上空的垂直风场存在一定的风向切变，但风速切变较弱。因此BJ-RUC中尺度系统预报22日午后平谷有局地强降水，西部、北部山区有分散阵雨，城区无降水（图4）。其它多家数值模式均预报了8月22日下午北京地区有分散性阵雨，河北东北部及北京东北部地区的雨量相对明显。而ECMWF确定性预报在22日下午“鸟巢”附近预报了1 mm左右的降水，集合预报的绝大多数成员也预报了小雨量级的降水，成员中最大降水量预报为6.2 mm。

综合来看，在东北冷涡及切变线系统的影响下，北京具有一定的不稳定能量和湿度，但是系统位置偏东，低层较干，垂直风切变较弱，给出预报结论：8月22日下午北京无大范围强对流天气，但局地将有对流天气发生，东部地区出现强对流天气的可能性较大；“鸟巢”地区出现强对流天气的可能性较小，但是可能出现弱降水天气。鉴于“鸟巢”降水预报的不确定性，气象部门21日向组委会提供了“开幕式期间鸟巢地区天气以阴为主，或有小阵雨”的预报信息。

图3 BJ-RUC中尺度数值预报系统2015年8月21日20时预报22日16时850 hPa相对湿度、风场分布

图4 BJ-RUC中尺度数值预报系统2015年8月21日20时预报22日08—20时雨量/mm

3 短时强对流天气的精细化预报

8月22日开幕式当天短时预报关注的重点是强对流天气出现的时间、范围以及对“鸟巢”地区的可能影响。22日上午京津冀地区晴空，气温上升较快，11时河北北部山区局地有对流发展。12时河北与北京密云、平谷交界处的回波发展，中心强度超过50 dBz。此后回波进一步发展加强并向东南方向移动，13时进入到北京平谷的东北部，并于13:30前后达到最强（图5），中心强度超过60 dBz，造成平谷塔洼13—14时降雨50.7 mm，局地出现了最大直径为9 mm的小冰雹以及雷暴大风等强对流天气。短时预报面临的难点是影响平谷的强对流回波是否会继续东南移动影响“鸟巢”或在“鸟巢”附近激发出新的回波？

图5 2015年8月22日13:30北京雷达组合反射率回波

城区“鸟巢”附近的气象条件不利于对流发展。14时北京观象台的加密探空显示（图6），不稳定能量较大，CAPE值超过1000 J/kg，600 hPa中层干侵入明显，但是700～850 hPa相对湿度在65%左右，925 hPa以下湿度不足40%，同时，中低层为弱的偏北风，高低空温度差动平流和垂直风切变都很弱，不利于雷暴的发展。VDRAS200 m扰动温度场（图7）显示，平谷的强对流天气在边界层形成了冷池，而城区“鸟巢”附近正好处于相对冷区中，也不利于雷暴的局地生成。

图6 2015年8月22日14时北京观象台探空层结图

14时以后位于平谷的强回波缓慢南移，但强度开始减弱，14:48该回波前部的阵风锋开始远离雷暴主体（图8）。Wilson等[25-26]的研究表明雷暴消散的指标有3个，其中一个是：当雷暴的出流边界逐渐远离雷暴时，雷暴将消散，因此可以判断位于平谷的雷暴主体将趋于消散。同时，北京市气象局新一代中尺度数值预报系统RMAPS-ST（3 km分辨率、3 h快速更新循环系统）的逐小时预报，15时到世锦赛开幕式期间城区“鸟巢”附近无降水。

图7 VDRAS反演的2015年 8月22日14：30北京地区200 m扰动温度/℃

图8 2015年8月22日14:48北京雷达组合反射率回波

通过对雷暴主体消散不会直接影响“鸟巢”地区、“鸟巢”地区的对流条件不利于雷暴的局地生成、中尺度数值模式预报结果等多方面综合研判，15时世锦赛现场气象服务人员向组委会提供了“开幕式时段内鸟巢地区无降水”的最新预报，组委会决定开幕式一切活动正常进行。

4 临近天气预报与中小尺度实况监测

22日15时开始进入世锦赛开幕式的临近预报时段。从图8可以看出东北部的阵风锋在向“鸟巢”方向推进，西北部山区局地仍有较强回波。临近时段监测预报的重点和难点是平谷的阵风锋西移是否会在“鸟巢”附近激发新的回波、西北部山区的回波下山后强度将如何变化？

“鸟巢”地区湿度小、层结趋于稳定，不利于对流触发。16时阵风锋移至“鸟巢”附近，西北部山区的回波下山到昌平中部时强度有所减弱（图9）。由加密自动站风场、温度和湿度的分布可以看出，处于阵风锋后部的北京东北部地区东风加大，温度降低，湿度增加，近地层有冷湿平流输送；而昌平南部及城区的湿度很小，不具备回波下山加强的水汽条件。从“鸟巢”自动站的气温、气压、湿度、风的5 min时间变化（图10）可以看出，16时前后，阵风锋从“鸟巢”过境，30 min内自动站气温下降了3.6℃，相对湿度上升了10%，气压也有所上升，风也由前期的2 m/s的北风转为4 m/s的偏东风。

阵风锋虽然过境，但没有激发新的回波，“鸟巢”地区气温下降，层结将逐渐趋于稳定，局地生成回波的可能性进一步降低。而昌平中部的回波在南下过程中于16:18前后与继续西移的阵风锋相遇，短时有所增强，由于水汽条件差，很快明显减弱。基于这样的实况，16:30现场跟进预报服务：“开幕式期间17—18时鸟巢地区无降水”。实况表明，“鸟巢”地区没有降水和对流天气出现，开幕式顺利进行。

图9 2015年8月22日16:00北京雷达组合反射率回波

图10 2015年8月22日15—17时“鸟巢”自动站5 min气温（红色实线）、气压（蓝色实线）、相对湿度（绿色实线）、风的时间变化

5 结论

通过以上对2015年8月22日北京田径世锦赛开幕式“鸟巢”天气的成功预报，可以看出：

（1）在现有的天气预报技术条件下，重大活动关键时段的精细化预报是从空间、时间逐步递进式的预报，空间上从区域逐渐精细到定点，时间上从短期、短时、临近最终达到无缝隙预报，而每个阶段的预报重点和所采取的预报方法、使用的气象信息是不同的。

（2）世锦赛开幕式“鸟巢”天气短期预报的重点是降水和强对流天气，在充分掌握东北冷涡气候背景的条件下，以天气诊断和数值预报分析方法为主，应用多尺度数值模式和集合预报产品，通过对影响系统、对流条件的分析，确定8月22日北京具有一定的不稳定能量，但是切变线位置偏东，低层较干，垂直风切变较弱，因此北京东部地区出现强对流天气的可能性大，城区“鸟巢”附近出现强对流天气的可能性小，但是不排除出现弱降水的可能性。

（3）开幕式当天短时预报的重点是中午在北京东北部局地生成的强回波是否会直接影响到“鸟巢”地区或能否在“鸟巢”地区激发出新的回波。依据雷达、云图、探空等实况资料和VDRAS同化产品、RMAPS-ST中尺度数值模式，采用多种资料融合技术，预判雷暴主体将趋于消散，城区的水汽和热力条件不利于雷暴的局地生成，提前2 h预报开幕式时段内“鸟巢”地区没有降水。

（4）临近预报时段加强对中小尺度实况的监测分析，应用高时空分辨率的加密自动站和雷达探测等对回波、稳定度和水汽等要素分析，预判开幕式期间“鸟巢”地区湿度小、层结趋于稳定，不利于对流发展，因此东北部的阵风锋西移至“鸟巢”附近时不会触发新的回波，西北部山区对流回波下山后将减弱消散，进一步提供了开幕式期间“鸟巢”无降水的服务信息，保障开幕式顺利举行。