北京世園會開幕式期間弱降水天氣成因

甘璐 郭金蘭 雷蕾 邢楠

(北京市氣象臺，北京 100089)

引言

中國北京世界園藝博覽會(以下簡稱“世園會”)于2019年4月29日至10月7日在北京延慶舉行，是中國政府主辦、北京市承辦的最高級別A1類世界園藝博覽會。世園會園區(qū)位于北京市延慶區(qū)媯河岸邊，距八達嶺長城10 km，又稱“長城腳下的世界園藝博覽會”。本屆世園會歷時162 d，跨越春、夏、秋三季，強降水、雷電、大風、高溫、霧霾等災(zāi)害性天氣頻發(fā)。加上參觀人數(shù)多，活動以戶外活動為主，氣象保障任務(wù)重。尤其是計劃于4月28日20:00—22:00在世園會園區(qū)進行的開幕式大型文藝演出，是世園會最為重要的組成部分，社會關(guān)注度高、受天氣因素影響大?？傮w上開幕式氣象保障非常成功，但開幕式期間北京地區(qū)出現(xiàn)了一次弱天氣過程，弱降雨出現(xiàn)的時間和空間上與重大活動時間節(jié)點、舉辦地點很接近，給現(xiàn)場服務(wù)造成一定的困擾。

此次降雨過程強度小、持續(xù)時間短，但是有無降雨對開幕式重大活動影響極大，屬于典型的“弱強度、高影響”天氣。近年來，弱降水天氣短時臨近預(yù)報及其對重大活動保障的影響越來越受到關(guān)注[1]。智能網(wǎng)格預(yù)報及天氣預(yù)報技術(shù)的快速發(fā)展，使得天氣預(yù)報精準度有了很大的提高[2-4]，高分辨率探測資料、氣象服務(wù)規(guī)范和服務(wù)策略等在重大活動保障中得到充分應(yīng)用[5-12]，但與重大活動保障高標準、嚴要求之間仍有差距。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和綜合國力的提升，國際型的政治活動、體育賽事、文化匯演等大型活動越來越多。針對“弱強度、高影響”天氣進行深入分析，總結(jié)短時臨近預(yù)報服務(wù)經(jīng)驗，對于提高重大活動氣象保障能力具有借鑒意義和參考價值。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文使用的資料包括國家氣象信息中心提供的全國常規(guī)地面氣象觀測資料、高空氣象觀測資料，以及北京市氣象信息中心提供的北京地區(qū)加密自動氣象站資料、風廓線資料、云雷達資料。數(shù)值模式預(yù)報資料包括EC細網(wǎng)格全球預(yù)報模式降水量預(yù)報產(chǎn)品、日本模式降水量預(yù)報產(chǎn)品、NCEP模式降水量預(yù)報產(chǎn)品，以及北京城市氣象研究院研發(fā)的睿圖區(qū)域中尺度模式降水量預(yù)報產(chǎn)品。

1.2 開幕式保障需求

世園會開幕式于4月28日20:00—21:30在位于北京西北方向距離中心城區(qū)74 km的世園會園區(qū)演藝廣場(圖1a)舉行。城市安全運行、文藝演出和煙花燃放為氣象保障重點。文藝演出涉及到高空搭建物及多個高空表演項目，所期望的氣象條件是無降雨、靜風或微風、氣溫適宜、能見度10 km以上。煙花燃放需在微風無雨且風力小于5級的條件下；從圖1b可以看到，風向東南風、東風或北風均較為適宜。隨著世園會開幕式準備工作的就緒，天氣逐步成為開幕式能否在室外舉辦的唯一決定性因素，也是最不確定的因素。氣象保障工作面臨極大的挑戰(zhàn)：(1)世園會開幕式對氣象條件的要求極高，氣象部門至少需要提前6 h提供精準決策信息；(2)園區(qū)北部為山脈，園區(qū)及周邊為平原，地形復(fù)雜，預(yù)報難度大；(3)首都氣象保障重點區(qū)域聚焦在中心城區(qū)，遠郊區(qū)的預(yù)報技術(shù)儲備和經(jīng)驗積累相對薄弱。

圖b紅色方條為煙花燃放地圖1 2019年中國北京世界園藝博覽會會址(a)和世園會開幕式舉辦地(b)Fig.1 Venues of the 2019 Beijing World Horticultural Exposition (a) and its opening ceremony (b)

2 結(jié)果分析

2.1 天氣實況

2019年4月28日白天北京市為陰有時多云天氣。28日傍晚到夜間，北京北部地區(qū)出現(xiàn)了弱降水(圖2a)。全市平均降水量為0.1 mm，最大降雨出現(xiàn)在昌平太平莊，為1.7 mm。世園會園區(qū)過程累計降水量為0.4 mm，主要出現(xiàn)時段在28日23:00至29日00:00(圖2b)。世園會開幕式期間(20:00—21:30)園區(qū)以陰天為主，未觀測到0.1 mm以上的有效降雨，僅在開幕式結(jié)束時段(21:30左右)有零星小雨出現(xiàn)。

圖2 2019年4月28日19時至29日03時北京市累積降水量(a)、世園會氣象站逐10 min降雨、相對濕度和氣溫(b)Fig.2 Distribution of cumulative precipitation in Beijing (a),and time series of 10-min precipitation,relative humidity and temperature at the Shiyuanhui station (b) from 19:00 on April 28 to 03:00 on April 29,2019

開幕式期間園區(qū)平均風力維持在1—2級，逐10 min極大風極值為2.9 m·s-1。由于風力較小且風向不定，平均風以偏東分量為主。受天空狀況的影響，28日白天升溫效應(yīng)不明顯，白天最高氣溫為11.5 ℃，開幕式期間氣溫為9—11 ℃，相對濕度為80%—85%。由于氣溫低，近地面空氣相對濕度大，人體感覺較冷。

2.2 天氣形勢

從圖3a高空500 hPa環(huán)流形勢可以看到，4月28日08:00中高緯為緯向環(huán)流，華北地區(qū)40°N附近以偏西氣流為主。其中，700 hPa高度京津冀中北部為弱的反環(huán)流控制(圖略)。上游地區(qū)有高空短波槽配合濕區(qū)東移。18時左右，北京上游張家口一帶出現(xiàn)弱降水，降雨量不足1 mm。28日20:00，高空槽進一步東移至河套北部，且有加強趨勢(圖3b)。20時左右，冷切變位于北京中部，張家口轉(zhuǎn)為西北風，南郊觀象臺轉(zhuǎn)為西南風，濕度區(qū)減弱，上升運動區(qū)偏北。衛(wèi)星云圖可見帶狀云系隨短波槽東移并向東伸展，28日20時影響河北西北部至北京延慶西部山區(qū)。地面形成了“東高西低”的形勢，北京處于高壓后部和低壓輻合區(qū)的前部，低層表現(xiàn)為下沉或弱上升運動。同時，由于東路冷空氣影響，邊界層氣溫下降明顯，導致華北地區(qū)熱力條件變差。從南郊觀象臺站也可以看到(圖略)，850 hPa高度附近存在明顯的逆溫層，大氣層結(jié)穩(wěn)定，不具備強天氣發(fā)展的條件。

實心紅點為世園會園區(qū)，藍色線條為等高線，單位為dagpm圖3 2019年4月28日08時(a)和20時(b)500 hPa高度場及紅外云圖Fig.3 500-hPa height field and infrared cloud images at 08:00 (a) and 20:00 (b) on April 28,2019

總的來說，28日大尺度動力條件較弱，濕層主要位于700—500 hPa的高度層，明顯偏高，不利于北京平原地區(qū)出現(xiàn)降水天氣，但是濕度區(qū)和上升運動區(qū)偏北，西北部高海拔出現(xiàn)弱降水的可能性不能完全排除。

2.3 數(shù)值模式預(yù)報

2.3.1 全球模式預(yù)報

從4月27日20時起報的28日20—23時降水落區(qū)比較可以看到，歐洲EC模式、日本模式和NCEP全球模式均預(yù)報該時段華北北部有0—1 mm降水，但降雨落區(qū)范圍差異較大，對于定點的降水有/無的精確判斷較為困難。EC模式預(yù)報(圖4a)降水落區(qū)主要位于內(nèi)蒙中部至河北西北部，東部邊界進入北京延慶西部山區(qū)，不影響世園會地區(qū)。日本模式預(yù)報(圖4b)降水落區(qū)主要位于河北北部至北京延慶及懷柔北部山區(qū)，弱降水區(qū)接近世園會北部。NCEP全球模式(圖4c)預(yù)報降水落區(qū)影響北京大部地區(qū)，世園會地區(qū)有小于1 mm的降水。全球模式預(yù)報分析顯示，不同模式對弱降雨落區(qū)的預(yù)報有一定的差異，同一模式在不同的起報時間對于世園會園區(qū)出現(xiàn)降雨的有/無也反復(fù)調(diào)整。開幕式期間世園會園區(qū)出現(xiàn)明顯降雨的可能性基本可以排除，但出現(xiàn)弱降雨的可能性依然存在。

圖4 2019年4月27日20時起報的28日20—23時北京地區(qū)EC模式(a)、日本模式(b)和NCEP模式(c)預(yù)報的累計降雨落區(qū)分布Fig.4 Distribution of cumulative precipitation in Beijing from 20:00 to 23:00 on April 28,2019,predicted by the EC model (a),Japan model (b),and NCEP model (c) starting from 20:00 on April 27,2019

2.3.2 睿圖中尺度模式預(yù)報

由北京本地睿圖中尺度模式預(yù)報可以看到(圖5)，4月28日不同時次起報的降雨落區(qū)顯示世園會開幕式期間園區(qū)周邊有弱降雨，降雨落區(qū)基本位于河北西北部至內(nèi)蒙中部。降雨落區(qū)在北京延慶西部邊緣擺動，28日08時起報的降雨落區(qū)顯示22時(圖5c)世園會園區(qū)有降雨；11時起報的降雨落區(qū)則顯示世園會園區(qū)的降雨提前到21時(圖5e)；14時起報的20時(圖5g)、21時(圖5h)北京地區(qū)均無降雨，但22時(圖5i)左右延慶西部有降雨，且剛好位于世園會園區(qū)邊緣。同一模式不同時次起報的降雨落區(qū)預(yù)報也反復(fù)調(diào)整，對于世園會地區(qū)弱降水有/無的判斷分歧及不確定性較大，對于預(yù)報員的定點精細化預(yù)報可參考性有限。重大活動各項工作精準到分鐘級，需要提供與之相匹配的弱降水預(yù)報服務(wù)(幾點幾分下雨)。特別是弱降水有和無之間是截然相反的結(jié)論，不同的預(yù)報結(jié)論將可能引發(fā)完全不同的服務(wù)效果。

圖5 2019年4月28日睿圖中尺度模式08時起報的開幕式期間北京地區(qū)20時(a)、21時(b)、22時(c)、11時起報的20時(d)、21時(e)、22時(f)和14時起報的20時(g)、21時(h)、22時(i)降水落區(qū)分布Fig.5 Distribution of precipitation in Beijing at 20:00,21:00,22:00 on April 28,2019,predicted by the Ruitu mesoscale model starting at 08:00 (a-c),11:00 (d-f),and 14:00 (g-i) on the same day

2.4 短時臨近監(jiān)測

2.4.1 雷達回波演變

受高空短波槽東移的影響，世園會園區(qū)上游河北西北部張家口一帶28日15:00—18:00已出現(xiàn)降雨。從雷達回波演變可以看到，降雨回波在移動過程中強度基本維持在30 dBz以下，且回波主體整體偏北。18:30左右回波主體仍在河北張家口附近(圖6a)，距離世園會園區(qū)約100 km，中心最大降水量在1 mm左右。從回波移向及加密自動站降水量演變外推判斷，18:59弱降雨的前沿將進入延慶西部(圖6b)。隨后，雷達回波沿延慶北部發(fā)展，并略南壓。監(jiān)測表明，20時200 m風場由1—2 m·s-1南風轉(zhuǎn)為4 m·s-1東南風，使得延慶北部山前弱回波有所加強，高海拔地區(qū)出現(xiàn)弱降水。其中，延慶劉斌堡站(海拔高度為635 m)觀測到0.1 mm降水。結(jié)合雷達回波和延慶地形發(fā)現(xiàn)，弱降水基本沿600 m以上地形分布。由于世園會園區(qū)位于延慶平原地帶，海拔高度為481 m，且無明顯局地風場輻合配合。開幕式期間世園會園區(qū)出現(xiàn)弱降水的風險不斷增加，但并沒有預(yù)報降雨。

圖6 2019年4月28日18:29(a)、18:59(b)、19:30(c)、20:00(d)、20:12(e)和20:30(f)雷達云圖Fig.6 Radar cloud images at 18:29 (a),18:59 (b),19:30 (c),20:00 (d),20:12 (e),and 20:30 (f) on April 28,2019

2.4.2 風廓線演變

北京加密自動站風場顯示(圖略)，延慶地區(qū)近地面風場較弱，10 min最大平均風速在3 m·s-1以下，世園會園區(qū)站10 min最大平均風速為2 m·s-1，風向無序，無明顯風場輻合。從延慶站逐6 min風廓線可知(圖7)，19時開始邊界層風場逐步減弱；1700—2500 m高度風向始終維持偏西風，20:30開始整層逐步轉(zhuǎn)為西南風。21:30 高空風速再次增大，3200 m以上出現(xiàn)12—17 m·s-1風速層?？偟膩碚f，開幕式期間邊界層及對流層低層風場較弱，動力條件不足；同時地面溫度下降，受到地面弱風場控制，不存在降水回波局地新生、發(fā)展的環(huán)境條件。但隨著高空短波槽東移，21時以后3000 m以上偏南風擾動加強，并且地面至2500 m出現(xiàn)短波槽擾動和冷空氣影響，出現(xiàn)降雨的風險主要集中在21:30左右。

圖7 2019年4月28日19—22時延慶站逐6 min風廓線Fig.7 The 6-min wind profiles at Yanqing station from 19:00 to 22:00 on April 28,2019

2.4.3 云雷達垂直探測

從延慶站云雷達垂直探測可以看到(圖8)，28日19時前反射率相對明顯的在7 km以上，且強度在 10 dBz以下。19時開始，3—7 km高度處反射率明顯增強，濕度層增厚。隨著天氣系統(tǒng)的臨近，反射率因子強度有所增強，云層不斷增厚，但始終維持在4 km以上。21:30左右，3—6 km高度處的反射率強度已超過10 dBz，高度低于3 km。據(jù)現(xiàn)場觀測人員反饋，演出結(jié)束撤場時(21:30—22:00)，現(xiàn)場出現(xiàn)零星小雨。23時左右，垂直反射率強度最強，達到20 dBz以上，也是本次弱降水過程最為明顯的時段。垂直探測表明，開幕式期間高層以及近地面層水汽含量相對較高，但是2—4 km中層降雨回波反射率很弱，相對濕度很低。綜合考慮垂直探測資料，結(jié)合加密自動站實況分析，有助于做出弱降水有無的判斷。

圖8 2019年4月28日11時至29日11時北京市延慶站云雷達反射率Fig.8 Cloud radar reflectivity at Yanqing station in Beijing from 11:00 on April 28 to 11:00 on April 29,2019

2.5 風險分析及短時預(yù)報服務(wù)

2.5.1 氣象決策風險

隨著開幕式的臨近，天氣關(guān)注的重點也逐步聚焦到演出期間降雨有/無的確定性預(yù)報問題。假如因不利天氣的影響臨時改為室內(nèi)，效果將遠不如預(yù)期。氣象保障的風險主要有3方面：一是漏報的風險，即“預(yù)報無雨，實況出現(xiàn)降雨”；哪怕是零星小雨，都可能對室外演出效果和現(xiàn)場觀看秩序造成重要影響。二是空報的風險，即“預(yù)報有雨，實況未出現(xiàn)降雨”；若不調(diào)整，開幕式仍在室外舉辦，盡管降雨沒有影響，氣象部門的保障能力受到質(zhì)疑；開幕式臨時調(diào)整為室內(nèi)，不但造成前期室外場地布設(shè)所涉及的人力、物力資源的浪費，臨時調(diào)整還打亂原有的部署，應(yīng)對工作上難免不出紕漏，而且由于室內(nèi)整體效果不如預(yù)期，組委會對氣象服務(wù)的滿意度將大幅下降。三是“預(yù)報有雨，演出期間出現(xiàn)降雨”；即使預(yù)報準確，演出效果受到影響，氣象服務(wù)滿意度不高。

2.5.2 短時預(yù)報服務(wù)

入夜后近地面相對濕度增加，加上高空槽系統(tǒng)的逼近，世園會園區(qū)出現(xiàn)降雨的風險越來越高。開幕式短時預(yù)報服務(wù)主要有3個關(guān)鍵決策點：第1個關(guān)鍵決策點是28日16時，組委會需要根據(jù)天氣情況決定是否需要調(diào)整到室內(nèi)。結(jié)合本地觀測資料的精細分析，以及氣象決策風險的把控，28日16時發(fā)布的預(yù)報提示21—22時有零星小雨；建議演出仍在室外舉行，同時提示撤場期間降雨的風險，需適時采取防雨措施。第2個關(guān)鍵決策點是28日18:30，組委會需要進一步掌握零星小雨出現(xiàn)的準確時間，以決定是否升級應(yīng)對降雨的防御措施。綜合風廓線、加密自動站及云雷達等資料分析得到，降雨回波在移動過程中并沒有發(fā)展加強的趨勢，加上世園會地區(qū)邊界層風場較弱、中層濕度小，溫度低，也不存在降水回波局地新生、發(fā)展的環(huán)境條件。因此，綜合判斷21:30前世園會園區(qū)出現(xiàn)降雨的風險較低。第3個關(guān)鍵決策點是28日19:40，組委會需要了解最新氣象條件，決定是否需要把最為精彩、對天氣最為敏感的“飛天”等空中演出節(jié)目往前調(diào)整。綜合延慶地形特征及降水落區(qū)分布，判斷園區(qū)21—22時陰轉(zhuǎn)零星小雨，21:30前無影響。據(jù)現(xiàn)場保障人員反饋，演出結(jié)束撤場時，現(xiàn)場出現(xiàn)零星小雨，實況與預(yù)報結(jié)論基本吻合。

3 結(jié)論與討論

(1)世園會保障期間主要受到弱短波槽影響，地面為“東高西低”的形勢，北京處于高壓后部和低壓輻合區(qū)的前部，低層表現(xiàn)為下沉或弱上升運動，由于東路冷空氣影響，邊界層氣溫下降明顯，華北地區(qū)熱力條件變差。盡管沒有明顯降雨，仍對開幕式保障造成一定的影響。

(2)重大活動的保障中弱降水預(yù)報的服務(wù)需求需要精準到分鐘級(幾點幾分下雨)，特別是弱降水有和無之間截然相反的結(jié)論，將可能引發(fā)完全不同的服務(wù)效果，對現(xiàn)場決策提出挑戰(zhàn)。弱降水天氣過程的動力條件往往較弱，各數(shù)值模式對弱降水過程的預(yù)報總體都有反應(yīng)，但在出現(xiàn)范圍以及定點降水有/無預(yù)報方面各模式均無明顯優(yōu)勢。

(3)近地面風的擾動和地形分布是此次短時預(yù)報服務(wù)的主要關(guān)注點。開幕式期間近地面風場較弱，溫度較低，中層濕度較差，不具備局地新生發(fā)展的條件。借助加密自動站實況、云雷達、風廓線等多種探測手段，有助于分析降水系統(tǒng)更精細的演變特征。

(4)現(xiàn)階段天氣預(yù)報還難以做到完全準確的定時定點定量預(yù)報，需要通過有效的服務(wù)及時彌補，將氣象風險和短時預(yù)報服務(wù)相結(jié)合，發(fā)揮更大的減災(zāi)效益。隨著重大活動保障任務(wù)的增加，仍需進一步加強氣象服務(wù)保障經(jīng)驗總結(jié)和服務(wù)策略研究，基于天氣的發(fā)展變化做好氣象風險把控，盡可能降低不利氣象條件的影響。