不同类型大尺度环境背景下北京首都国际机场的雷暴特征分析及流型识别（二）

不同类型大尺度环境背景下北京首都国际机场

的雷暴特征及流型识别

—Ⅱ.不同类型雷暴的流型辨识

卓鸿 任佳 纪鹏飞 霍苗

华北空管局气象中心，北京 100621

 

摘要:利用北京首都机场（以下简称机场）的每半小时一次的观测资料和雷暴发生前的2-12h的micaps探空资料和0-3h的地面观测资料，在第Ⅰ部分的基础上，建立了低涡型、横槽型、西北气流型及西风槽型造成的不同类型雷暴的概念模型，并对相同影响系统造成的不同类型天气的原因进行了分析。低涡型雷雨的流型配置为：500hPa上，在110-116ºE，40-50ºN范围内有低涡中心，并有冷中心或冷槽与低涡中心配合，有冷平流向北京地区输送，在850hPa上常对应低涡中心或槽线，从河套至北京地区为一强盛的暖脊，有湿舌自南向北伸展到北京，北京及周围地区对应着大范围的高湿区，地面的冷锋或辐合线触发雷暴。横槽型雷暴的流型配置为：低涡中心位于我国东北地区，在北京的正北方向有一条西北—东南方向的横槽，槽后有东北气流向北京输送冷平流，850hPa上从青藏高原至河套地区为一强盛的暖脊，北京位于切变线（冷式或暖式）的前部，切变线前对应着湿舌和高湿区，地面的辐合线触发雷暴。西北气流型雷暴的流型配置为：在500hPa上北京受西北气流控制，顺着气流方向有冷平流向北京地区输送；850hPa或以下有东北-西南向的切变线，北京处在暖舌内或着有暖湿平流向北京地区输送；在地面上，北京境内有一条辐合线（或冷锋）触发雷暴。西风槽类雷雨的流型配置为：500hPa在北京上游有西风槽，西风槽与温度槽基本重合，有冷平流输送。850hPa为强的暖脊控制，北京的温度＞20℃，西风槽类雷雨造成的雨强大小取决于有无副高配合。

研究还发现，探空图的结构对预报不同类型的天气有重要意义：大风天气前在垂直方向上的温湿结构呈明显的“倒V字型”结构，而对流层中层的干层预示着强降水的发生。冰雹的产生除了地面的强辐合上升外，还与大的CAPE值和较低的0℃层和-20℃层高度及较小的0℃层和-20℃层之间的厚度有关。

关键词：首都国际机场  大尺度环流背景  流型辨识

1引言

Maddox et al（1979）使用 “流型辨识”（flow patterns recognition）方法将美国的强降水天气总结成三种典型的流型配置，这种“流型辨识”方法基于长期经验积累同时又有一定理论基础，能够帮助预报员快速识别出雷暴可能发生的区域，对大范围雷暴天气有较好的预报能力。在中国，“流型辨识”更倾向于被称为“分型”（俞小鼎，2011），分型标准不同，有的按照500hPa形势分型（丁一汇等，1982；孙明生等，1996；章国材，2011；郑媛媛等，2011），有的按照雷暴发生的条件分型（陈立祥等，1989；许爱华等，2013，2014）。

实际上，任何一种强天气的产生均是天气形势高低配合的结果，因此，Maddox et al（1979）的“流型辨识”不仅有500hPa的形势分析，同时也有850hPa的形势和地面形势的分析，即“天气流型配置”。在我国将这种“天气流型配置”称为“概念模型”，例如，许爱华等（2014）提出了中国中东部地区强对流天气的5种基本类别。苏永玲等（2011）总结了针对京津冀地区以冰雹天气为主的冷涡型概念模型、雷雨大风为主的冷槽型的概念模型及短时暴雨为主的低槽副高型概念模型，其研究发现，冷涡型天气多造成冰雹并伴随雷雨大风和短时暴雨，冷槽型多雷雨大风为主并伴随短时暴雨，低槽副高型多造成短时暴雨。Meng 等（2012）的研究发现，受短波槽、长波槽、冷涡及副高边缘影响产生的飑线，其500hPa和850hPa形势是不同的。郑媛媛等（2011）总结出安徽省冷涡槽后类和槽前类天气尺度概念模型，并对两种概念模型的物理量特征进行了对比分析。孙明生等（1996）将1983-1992年的强对流天气（平均风速≥17m/s或瞬时风速≥20m/s，冰雹，1小时降水量≥20 mm或6小时降水量≥50 mm的强雷雨）进行了合成分析，建立了北京地区斜槽性出现和不出现强对流天气的概念模型，但由于不同的强对流天气天气系统的配置会有所不同，这种合成只会发现它们之间的共性，但很难发现它们之间的差别。王笑芳等（1994）概括出冰雹落区的概念模型，但没有总结出其它天气类型的概念模型。

北京首都国际机场自2010年开始吞吐量跃居世界第二，仅次于美国的亚特兰大机场（首都国际机场气候志，2015），但目前为止没有人总结各类天气的概念模型。为了航空气象事业发展的需要，有必要将造成不同类型雷暴的天气学模型进行总结，并通过形成机制的差异性分析，使预报员更准确、快速地把握不同强对流过程中不同的天气特征和系统配置及其短期潜势分析重点，从而提高雷雨天气的预报预警水平。

在文章的第Ⅰ部分，我们已经将首都机场的雷暴日按雨量大小、有无大风和有无冰雹分成了八类，即强雷暴日、湿对流日、强冰雹日、混合对流日、弱雷暴日、干对流日、弱冰雹日和冰雹大风日，并按500hPa形势环流形势划分为西风槽、冷涡、横槽、西北气流、副高边缘、低压倒槽等六种，对不同形势造成的不同类型雷暴的气候特征进行了分析，使我们对首都机场雷暴产生的普遍规律进行了深入了解，但由于篇幅原因，第Ⅰ部分并未放入不同类型雷暴发生前的环流背景和流型辨识，在这篇文章中在第Ⅰ部分的基础上将分析不同类型雷暴发生前的环流背景和流型辨识，并简要分析形成机制的差异性。

2 资料和方法

使用的资料包括国家气象局Micaps系统中一天两次的常规高空探测资料和3h一次的地面观测资料及机场观测室雷雨观测资料。

雷暴定义与分类第Ⅰ部分相同，将雷暴日按雨量大小、有无大风和有无冰雹，仍分为八类：强雷暴日、湿对流日、强冰雹日、混合对流日、弱雷暴日、干对流日、弱冰雹日、冰雹大风日（分类标准见文章第Ⅰ部分）。

针对不同种类的雷暴日，随机抽取个例，使用Micaps系统中的强天气分析工具箱，分析500hPa、850 hPa及地面触发系统的配置，所使用的资料为雷暴发生前1-12h的探空资料及雷暴发生前0-3h的地面资料。

3 结果分析

3.1 低涡型雷暴的概念模型

3.1.1低涡型强雷暴的配置

以2009年8月9日为例,总降水量51.2mm，1h降水量≥20mm。

从500hPa上来看，北京的上游有一低涡，中心强度为5600gpm，并且至少两条闭合等压线。低涡中心与-12℃的温度槽相配合。850hPa上与500hPa相同的位置上同样对应着一个闭合环流，等温线基本与500hPa等温线重合。有湿舌自南向北伸展到北京地区（以B代表北京的位置，以下同），槽前对应着大范围的T-Td≤2℃区。这种中高层较强干冷空气叠加在低层相对（暖）湿气流上，有利于对流系统的发生发展。（图1a1）

从地面图上来看，地面有冷锋自西北方向向东南方向移动，但从雷暴的发生时间来看，最早触发雷暴的并非锋面，而是有弱冷空气先入侵到北京地区，与原来冷锋前部的南风之间形成辐合线，此辐合线触发了雷暴（图1a1）。

从T-logP图来看（图1b1），这次强雷暴发生前750hPa以下及300hPa以上湿度条件较好，但750hPa-300hPa之间有干空气侵入，湿度条件较差。干层在强降水中起着重要作用，数值模拟显示（王金兰，2009），干层携带高层冷空气的下沉逼迫作用，迫使高湿区堆积向上伸展，使不稳定能量不断向暴雨区积累，有利于垂直方向向深厚对流层发展，有利于暴雨的产生。

3.1.2低涡型弱雷暴的配置

以2010年7月9日为例,总降水量31.6mm, 1h降水量＜20mm。

500hPa上，高空低涡中心位于北京的上游，但只有一根闭合等压线，中心强度为5720gpm，冷涡中心对应着温度槽。在700hPa和850hPa上也对应着低涡中心。当低涡深厚时，高层的涡通常会诱发地面气旋的产生，雷暴有时由冷锋触发，但有时由于冷锋的斜压作用和北京西部的地形影响，通常在冷锋的前部、北京境内形成一条东南风与西南风之间的切变线，或者一条明显的东北风与东南风之间的辐合线，雷暴由辐合线触发。当低涡浅薄时，有弱冷空气从西北方向向东南方向移动，在地面形成西北风或北风与偏南风之间的辐合线，雷暴由辐合线触发（图1a2）。

从温度场的配置来看，在850hPa上，自青藏高原至河套地区为一强盛的暖脊，北京地区为16℃的低温区，高层叠加着500hP的a温度槽。湿舌（12℃等露点温度线）自西南方向向东北方向伸展，16℃等露点温度线位于北京地区的西北方向，北京及其周边地区T-Td≤4℃。在这种配置下，首都机场产生了弱雷暴天气（图1a2）。

从图1a1和图1a2来看，低涡造成的强雷暴与弱雷暴的区别在于涡的强度（中心气压值和闭合等压线数）和槽前西南气流的输送，中心气压值越低，涡旋造成很强的上升运动越强，槽前西南气流越强，降水量越大（俞小鼎，2013），因此深厚的涡会比浅薄的涡造成更强的降水。此外，在图1b2中，整层的水汽条件较好，没有干冷空气的卷入，干冷空气卷入与否也是强雷雨与弱雷雨的明显差别。

3.1.3低涡型干对流雷暴的配置

以2004年7月4日的过程为例，总降水量10.6mm,在11：50Z分别产生了 21m/s的阵风。

图1低涡类雷暴的概念模型和探空曲线 （a1）-（a6）分别为强雷暴、弱雷暴、干对流、冰雹、冰雹大风、混合对流；（b1）-（b6）同（a1）-(a6)，但为探空曲线。

500hPa上，低涡有一根闭合等压线，中心强度为5680gpm，从低涡中心伸展出一条槽线，与温度槽基本重合。此槽较浅，深度小于图1a2。在850hPa上北京位于暖脊的东侧，500hPa的干冷空气叠加在暖脊之上，使北京上游大气温度垂直递减率大，有利于槽靠近的时候将不稳定能量输送到北京。在850hPa上自南向北有湿舌伸展，但北京及其周边地区湿度较差，位于T-Td≤6℃的区域内。北京境内有切变线穿过，切变线位于冷锋前部，触发了雷暴（图1a3）。

弱雷暴与干对流的背景场不同，虽然位于500hPa上的相同位置均有低涡存在，并且均对应温度槽，但850hPa的配置有很大不同：弱雷暴在850hPa上为冷中心，而干对流对应的是暖脊，此外，弱雷暴在低层的湿度条件较好，而干雷暴近地面层的湿度条件并不理想。

从弱雷暴的探空图上可以看出（图1b2），从地面至对流层高层T-Td值均较小，整层湿度较大，自由对流高度低，气块容易抬升而触发雷暴；而干对流雷暴的湿层很薄（图1b3），从850hPa高度至700hPa高度及300hPa高度以上湿度条件较好，但对流层中层有干冷空气卷入，850hPa高度以下空气再次出现干层，这样在垂直方向上干、湿层交替出现，形成两个“倒V型”廓线。对流层中层干冷空气的卷夹有利于降水蒸发而形成负浮力，形成下沉气流，而850hPa高度以下干绝热层的出现可能和白天出现的增温有关（此例中地面温度近30℃而弱雷暴个例中地面温度仅21-22℃），使雨滴遇热蒸发，使负浮力加强，从而使下沉气流增强，形成大风（章国财，2011）。从图1a1也可以看到强雷雨天气时，在对流层中层也有干冷空气的卷入，但并没有造成雷雨大风，这可能和雨滴尺度大有关。由于没有近地面层的干层，当降水通过不饱和空气层时，不能使负浮力增强，形成大风。由此可见，近地面层的干层和“倒V型”廓线是有无大风的关键。

3.1.4低涡型冰雹的配置

以2005年5月31日为例,累计降水量9mm,11:09-11:13Z产生冰雹。

500hPa上低涡至少有两条闭合等压线，中心强度为5520gpm，低涡中心对应-20℃的温度中心。850hPa上北京地区为一暖脊，槽前对应着4℃的相对湿舌，T-Td≤8℃。虽然水汽条件不如盛夏季节，边界层温度也低于盛夏季节，但与周围比较北京地区仍然是相对的高温高湿区。地面与高空冷涡中心对应的位置为一气旋，地面冷锋触发了这次雷暴（图1a4）。

从探空图来看（图1b4），这次冰雹过程只有925hPa的湿度条件较好，925hPa以下为干层，廓线呈“倒V型”。产生冰雹天气的一个必要条件是要有强的、能长时间支撑雹块的上升气流（章国材，2011），上升气流的产生除了地面的强触发系统（冷锋）以外，大的CAPE值也可以造成更强的上升气流，有利于冰雹的产生。

3.1.5低涡型冰雹大风的配置

以2005年6月13日为例，过程累积降水量为2.2mm，07：57产生平均风力10m/s,阵风22m/s的雷雨大风并伴随有冰雹。

500hPa高空低涡有一根闭合等压线，中心强度为5560gpm，冷涡中心对应冷温度中心，槽虽然看起来较深，但槽前为西南偏西气流，水汽条件较差。850hPa槽线位于500hPa的槽线前，槽前T-Td≤6℃，6℃的Td线自西南向东北方向伸展。地面上北京位于冷锋前部，冷锋触发了这次雷暴（图1a5）。

低涡型的冰雹与冰雹大风天气从形势场的配置来看并没有很大不同（图1a5与图1a4），但从T-logP图来看，两者差别较大：这次冰雹天气的个例中，CAPE值较大（图1b4），但冰雹大风个例的CAPE值为0，上升气流完全依赖地面冷锋与锋前暖空气团带来的强辐合，如此小的CAPE值为何能造成冰雹大风天气？原因尚需要进一步研究。

冰雹要求特殊的0℃层和-20℃层高度, 0℃层过高时冰雹在下落过程中容易融化成雨滴，0℃层过低时，只能形成小雹粒，0℃层高度要在3800-4400m便成为必要条件（章国材，2011）。但从表1来看，机场冰雹天气的0℃层高度为3689 m,低于章国材上面的标准，但冰雹大风的0℃层高度为3932m，符合以上的标准。低涡类雷雨的0℃和-20℃层高度从高向低依次是：强雷雨、混合对流、弱雷雨、干对流、冰雹大风、冰雹；0℃和-20℃层高度之间的厚度从高向低依次是：弱雷雨、强雷雨、干对流、混合对流、冰雹大风、冰雹，在所有的天气中，冰雹天气0℃和-20℃层高度及0℃和-20℃层高度之间的厚度均最小。

表1 各类影响系统造成不同类型雷雨的0℃层、-20℃层高度及两者之间厚度

Table
1 The height of 0℃, -20℃ layer and the thickness between them.

3.1.6 混合对流的概念模型

低涡产生了一次混合对流天气，这是其它类型的雷暴所没有的。2007年7月9日，虽然过程累计降水量为40.6mm，没有达到50mm,但1h降水量达到≥20mm的强降水标准，同时在06:57-07:04Z产生了小冰雹（霰），在06:56Z产生了阵风27m/s的西北风。在这次个例中，既有强降水，也有小冰雹和雷雨大风，是一次典型的灾害性天气。

图1a6为低涡槽型混合对流的概念模型。500hPa上，低涡中心位于北京以北，有一根闭合等压线，中心强度为5680gpm，从低涡的西北方向有冷空气向低涡中心输送。850hPa的低涡中心及从低涡中心伸展出来的槽线基本与500hPa的槽线重合，北京附近的Td达到为12℃，T-Td≤6℃的高湿区从东北一直延伸到北京以南地区。地面上北京位于冷锋前部，冷锋触发了这次雷暴（图1a6）。

从探空图来看（图1b6），这次混合对流在600-400hPa之间有干层，并在400hPa和近地面层形成两个“v型结构”，因此这次过程有大风天气产生。冰雹与大的CAPE值和地面冷锋的强烈辐合抬升有关，从表1来看，这次混合对流的0℃层的高度为4266 m，与王晓民（2009）的研究成果——90%以上的暴雨或大暴雨0℃层的高度在4200-5600 m——的结论一致。20℃层的高度（7260 m）与干对流天气相近，而0℃层与-20℃层高度之间的厚度2833 m又与干对流和冰雹大风接近，因此这次过程具有强降水、大风和冰雹的共同特征。

低涡没有造成湿雷暴、强冰雹天气，在这篇文章中不作分析。

3.2 横槽型雷暴的概念模型

横槽只造成弱雷暴和干对流天气，没有造成其它类型天气。

3.2.1 横槽型弱雷暴的配置

以2012年7月11日为例，累积降水量2.6mm。

500hPa上的低涡有两条闭合等压线，中心强度为5680gpm，低涡中心位于东北地区。在北京的正北方向有一条西北—东南向的横槽，槽的位置对应低温区。850hPa上，从青藏高原至河套地区为一强盛的暖脊，北京位于20℃的等温线附近，一条切变线自北京伸展到河套地区，北京位于切变线的前部，槽前对应着16℃的湿舌和T-Td≤4℃的高湿区。地面辐合线较长，从东北地区延伸至河套地区，此辐合线触发了这次雷暴（图2a）。

3.2.2 横槽型干对流的配置

以2009年7月23日为例，累计降水量26mm，0820Z产生了17m/s的阵风。

从500hPa的形势场来看，低涡中心强度为5640gpm，有一条闭合等压线，低涡中心同样位于东北地区，从东北至内蒙地区有一条东西向的横槽，槽后从东北方向有冷平流向槽区输送。850hPa上在北京的正北方有一个低涡中心（以D表示），低涡中心有“人”字型的切变线，北京位于冷式切变线的前部和很弱的温度槽内，暖式切变线的位置对应着12℃的湿舌和T-Td≤6℃的湿度区。地面辐合线与850hPa的冷式切变线基本重合，此辐合线触发了这次雷暴（图2c）。

从配置来看，横槽造成的弱雷暴和干雷暴的主要区别在850hPa,弱雷暴在850hPa上为暖脊和高湿区，而发生干雷暴前，北京在850hPa上处在温度槽区和湿度区的外部。从探空图上来看，干雷暴发生前，在500—400hPa高度上有明显的干冷空气入侵（图2d），而弱雷暴则没有干冷空气入侵（图2b）。

从表1来看，弱雷暴的0℃层高度、20℃层高度及他们之间的厚度均略大于干雷暴。

3.3 西北气流型雷暴的概念模型

西北气流型造成弱雷雨、干对流、冰雹大风和一次湿对流天气，无其它类型的雷暴产生。

a	b
c	d

图2 横槽型雷暴的概念模型和探空曲线 （a）弱雷暴的概念模型；（b）同（a），但为探空曲线；(c)干雷暴的概念模型；(d)同(c)，但为探空曲线。

3.3.1 弱雷暴的概念模型

以2013年6月24日为例，累计降水量13.4mm。

在500hPa上，北京的上游为西北气流（黑色箭头表示风向），沿着气流方向有冷平流向北京地区输送。 在850hPa上北京境内有一条东北-西南方向的切变线，切变线前有西南气流（红色箭头表示）将暖平流向北京地区输送。自东部的海上至北京地区为 T-Td≤4℃的高湿区。高层的干冷空气叠加在低层的暖湿气流上，增加了位势不稳定。地面上对应着一条辐合线，次辐合线触发了这次雷暴（图3a1）。

3.3.2 干对流的概念模型

2013年8月4日为例，过程累计降水量18.8mm，11：30Z出现了平均风力18m/s，阵风24m/s的西北风。

这次干对流发生前的500hPa形势与弱雷暴的相似，在北京的西北方向顺着气流方向（黑色箭头表示）有冷平流向北京地区输送。在850hPa上从北京至河套地区有一条东北-西南向的切变线，切变线前为西南气流（红色箭头表示）。与干对流的形势不同的是，北京地区处在20℃的暖舌内，湿舌位于北京的上游方向，顺着850hPa的西南气流有暖湿平流向北京地区输送。在地面上，北京境内有一条弱的辐合线，在北京的西北方向有一条较强的辐合线，这两条辐合线共同影响，触发了北京境内不同区域、不同时段的雷暴发生（图3a2）。

西北气流型的弱雷暴和干对流在探空图上有共同的地方，比如弱雷暴的湿度层较厚等等（图3b1），但弱雷暴从地面至450hPa的高度T-Td均较小，而干对流在600hPa和925hPa高度上湿度较小，在其它高度湿度较大，形成了两个“倒V型”结构，对大风的形成非常有利（图3b2）。

3.3.3 冰雹大风雷暴的概念模型

以2005年7月8日为例，累计降水量1.9mm,9:29Z产生冰雹，并产生阵风26m/s的东北风。

在500hPa上，-12℃的冷中心位于北京的东北方向，北京及其上游地区位于温度槽内，无明显的冷平流输送，但在850 hPa上，从青藏高原至河套地区为一强盛的暖脊，北京位于20℃的温度脊内，有一条切变线自东北方向向西南方向延伸，北京以西为Td≤8℃的干区，北京及以东地区为Td≥16℃的高温高湿区，T-Td≤2℃（图3a3）。

从T-logP图上来看（图3b3），冰雹大风雷暴与干对流雷暴相似，在500-300hPa高度之间均有干层，300hPa及近地面均出现两个“倒V型”结构。不同地方在于冰雹大风天气的触发系统是冷锋，850hPa以下的南风更大，而冰雹天气的触发系统为中尺度辐合线，因此，冷锋造成了造成更强的辐合上升，产生更加剧烈的天气。

3.3.4 湿对流的概念模型

低涡和横槽并没有造成湿对流天气，但西北气流型却造成了一次湿对流天气（2002年8月4日，过程累积降水量为54.8mm,并在14:06Z出现了19m/s的西北风。

这次湿对流发生前，在500hPa上北京为西北气流控制且西北方向为槽区，即有冷平流输送；在850hPa上，从河套到北京，维持一强盛的温度脊，北京的温度在20-24℃之间，一条准静止切变线穿过北京，稳定少动，北京850hPa的Td达到16℃，T-Td≤4℃；地面上，一条东北-西南向的辐合线触发了这次雷暴（图3a4）。

从雷雨发生前的探空图上来看（图3b4），700hPa高度以下湿度条件较好，空气接近饱和，在400hPa高度上空气近饱和，这样在400-550hPa之间造成“倒V型结构”，对大风的产生非常有利。

从表1来看，在西北气流型的雷暴中，湿对流的0℃层和-20℃层高度最高，其它几类从高到低依次为干对流、弱雷暴和冰雹大风，它们之间的厚度从大到小依次为湿对流、干对流、弱雷暴和冰雹大风。

a1	b1
a2	b2
a3	b3
a4	b4

图3 横槽型雷暴的概念模型和探空曲线 (a1)-(a4)分别为弱雷暴、干对流、冰雹大风和湿对流的概念模型；(b1)-(b4)同(a1)-(a4)，但为探空曲线。

3.4 西风槽型雷暴的概念模型

3.4.1 强雷雨的概念模型

以2011年7月24日为例，累积降水量77.8mm。

强降水总是和强的水汽输送有关。在此个例中，500hPa上西太平洋副热带高压（简称副高）的588线位于山东省南部，北京位于584线和588线之间，副高边缘的西南气流源源不断地将水汽向北京输送。西风槽位于河套地区，槽后有明显的温度槽配合，说明槽后有明显的冷空气，槽深且移动缓慢（图4a1）。850hPa上，与500hPa槽对应的位置同样有一西风槽，槽的位置对应着湿舌，北京位于T-Td≤2℃的高湿区内。地面东北风与东南风之间的辐合线触发了这次雷暴（图4a1）。

2.4.2 湿对流的概念模型

2006年7月31日-8月1日，北京先后两天出现强雷雨天气，两天的累积降水量达到110.4mm，并分别在31日的01：11Z和1日的09：55Z出现了28m/s和24m/s的西北风。

与强雷雨的500hPa环流形势相似，这次湿对流发生前的30日20时的500hPa上，北京位于副高边缘的588线与584线之间，西南气流源源不断地将水汽输送到北京地区，西风槽与温度槽基本重合，北京地区有冷平流输送。在850hPa上北京为强的暖脊控制，地面温度超过了20℃。湿对流850hPa上的形式与强雷雨形势不同的是：有一深厚的槽线刚移出北京，北京位于槽后的干气团中，T-Td≥8℃，河套地区有一西南风与东南风之间的切变线。在降水开始前，北京境内有一条东北-西南向的辐合线，此辐合线触发了这次雷暴（图4a2）。

强雷雨与湿对流不同的地方从探空图上也非常明显。与低涡型的干雷暴相似，湿对流在700hPa与925hPa两个高度上出现“倒V字型”结构，对大风的产生有利（图4b2）,而强雷雨的探空图上（图4b1），在500-350hPa之间有干层，干层的存在预示着高湿区向上伸展堆积，不稳定能量将不断向暴雨区积累，有利于垂直方向向深厚对流层发展，产生暴雨（王金兰，2009）。

2.4.3 弱雷暴的概念模型

强雷雨与弱雷雨的主要区别是水汽的输送，水汽输送有两个途径：副高边缘的水汽输送（如4a1和4a2）及西风槽前的水汽输送，其中，西风槽前的水汽输送和西风槽的深浅有关(如1a1)。如果满足这两个条件中的其中一条，则会产生强雷暴，否则则为弱雷暴。

2012年8月27日，同样是西风槽影响，但过程累计降水量仅为3.4mm，与西风槽较浅、水汽输送较弱有关。从500hPa形势上来看，槽线与温度槽均位于河套地区，北京位于槽前的偏南气流中，副高的588线位于中国东部的海上，距北京较远。在850hPa上，有一条切变线位于北京境内，北京的上游有一个20℃的温度脊和Td＜8℃的干线，北京位于暖脊和干线的东侧，Td≥12℃且T-Td≤6℃。在北京降水之前，地面有一条东北风与偏东风之间的辐合线（图4a3）。

从T-logP图来看，北京的整层均为南风，T-Td值较小，干冷空气的入侵不明显，并且自由对流高度和平衡高度之间的距离较大，有一定的正浮力（图4b3）。

2.4.4 干对流的概念模型

2006年6月12日，受西风槽的影响，机场产生了6.2mm的降水，在11:06Z,产生平均风力11m/s，阵风24m/s的雷雨大风。

从500hPa来看，北京位于槽前，有-12℃的冷中心，而850hPa的槽超前于500hPa槽，槽前为16℃的温度脊。500hPa的冷中心叠加在850hPa的暖脊之上，造成位势不稳定层结。同时，T-Td≤4℃的高湿区位于北京的西北方向，北京850hPa为干气团（图4a4）。从T-logP图（图4b4）可以看到，在垂直方向上，北京500hPa以上的湿度条件较好，但500hPa以下空气越来越干燥，呈明显的“倒V型”结构，造成较大的负浮力，产生大风天气。

雷雨的产生除了“上干下湿”的配置外，“上冷下暖”也是雷暴发生的一种配置，两种配置有时可以同时出现，但从这次个例来看，只要其中一个出现，也可以产生雷暴天气。此外，雷暴天气可以发生在强的热力条件和强动力条件下，也可以发生在强热力条件和弱动力条件下或者弱热力条件和强动力条件下（徐爱华等，2014），在本例中，热力条件较弱，但地面有冷锋过境，造成很强的动力抬升，因此也同样可以造成雷暴天气。

图4 西风槽型雷暴的概念模型和探空曲线 (a1)-(a5)分别为强雷暴、湿对流、弱雷暴、干对流、冰雹大风的概念模型；(b1)-(b5)同(a1)-(a5)，但为探空曲线。

2.4.5冰雹大风的概念模型

以2014年6月15日为例，过程降水量17.8mm，伴随冰雹和大风天气（平均风力18m/s，阵风23m/s）。

在500hPa上，河套地区有一槽线，北京位于槽前，槽前为暖脊。850hPa上对应槽的位置为一低涡，涡前同样为暖脊，北京从850hPa-500hPa始终位于暖脊的控制中。在850hPa低涡的东侧有12℃的露点温度线，对应一湿舌。地面降水之前，冷锋位于河套地区，锋前有一条东北风与东南风的切变线，切变线触发了北京地区的雷暴（图4a6）。

这次冰雹大风天气的探空图上也出现两个“倒V型”的结构，有利于大风的产生，但CAPE值并不大，地面的抬升条件并不强，为何产生了冰雹天气？可能与850hPa的涡旋产生的强辐合上升有关，具体原因还需要进一步的研究（图4b6）。

从表1来看，在西风槽类的雷暴中，0℃层高度从高到低依次强雷雨、湿对流、弱雷雨、干对流、冰雹大风，0℃层和-20℃层高度之间的厚度大小分别为强雷暴、弱雷暴、冰雹大风、湿对流、干对流。

2001年-2014年中西风槽产生的弱冰雹天气共有2次，一次为2001年5月3日，一次为2009年11月8日，但2009年11月8日仅出现了霰，产生冰雹的背景场不具有代表性，且2001的探空图资料不全，因此，西风槽类的冰雹天气在本文中没有个例可以讨论。由于篇幅问题，副高边缘型和低压倒槽型的天气模型在本文中也不做讨论。

4 结论与讨论

利用首都机场的每半小时一次的观测资料和雷暴发生前的2-12h的micaps探空资料和0-3h的地面观测资料，使用micaps中的中尺度工具箱建立了低涡型、横槽型、西北气流型及西风槽型造成的不同类型天气的概念模型，并对相同影响系统造成的不同类型天气的原因进行了分析，得出的结论如下：

1、低涡类雷雨的共同特点是在500hPa上，110-116ºE，40-50ºN范围内有低涡中心，并有冷中心或冷槽与低涡中心配合，有冷平流向北京地区输送，在850hPa上常对应低涡中心或槽线，从河套至北京地区为一强盛的暖脊，有湿舌自南向北伸展到北京地区，北京及周围地区对应着大范围的T-Td≤6℃区或T-Td≤2℃区湿度。这种中高层较强干冷空气叠加在低层相对（暖）湿气流上，有利于对流系统的发生发展。当低涡深厚时，高层的涡通常会诱发地面气旋的产生，雷暴有时由地面冷锋触发，但有时由于冷锋的斜压作用和北京西部的地形影响，通常在冷锋的前部、北京境内形成一条东南风与西南风之间的切变线，或者一条明显的东北风与东南风之间的辐合线，雷暴由辐合线触发；当低涡浅薄时，有弱冷空气从西北方向向东南方向移动，在地面形成西北风或北风与偏南风之间的辐合线，雷暴由辐合线触发。

低涡类的雷雨在500hPa上的形势类似，但850hPa温度场配置及地面触发系统的强弱和垂直方向上温湿结构决定了不同类型天气的产生。强雷暴与涡的强度（中心气压值和闭合等压线数）和槽前西南气流的输送有关，在对流层中层有干空气卷入，而弱雷暴850hPa上有时为冷中心或冷槽，整层湿度条件较好，无干层。干对流天气低层较干，在垂直方向上干、湿层交替出现，形成两个“倒V型”廓线。冰雹和冰雹大风天气均与地面冷锋的强辐合抬升有关，有的个例CAPE值较大。混合对流既有强雷暴的特征，也有干对流和冰雹天气的特征。

2、横槽只造成弱雷暴和干对流天气，两种天气的共同特征是：低涡中心位于东北地区，在北京的正北方向有一西北—东南向的横槽，槽后有东北气流输送冷平流，850hPa上从青藏高原至河套地区为一强盛的暖脊，北京位于切变线（冷式或暖式）的前部，槽前对应着湿舌和高湿区。地面有辐合线，辐合线触发了雷暴。两者之间的区别在探空图上，干雷暴在500—400hPa高度上有明显的干冷空气入侵，但弱雷暴则没有。

3、西北气流型雷暴的共同特点：在500hPa上北京受西北气流控制，顺着气流方向有冷平流向北京地区输送；850hPa上有东北-西南向的切变线，北京处在暖舌内或有与暖湿平流向北京地区输送；在地面上，北京境内有一条辐合线（或冷锋）触发雷暴。

几种天气的不同点主要在垂直方向的温湿结构不同：弱雷暴的湿度层较厚，整个温湿结构呈“正Y型”，450hPa高度以下湿度较大，450hPa高度以上湿度较小，但干对流在600hPa和925hPa高度上湿度较小，在其它高度湿度较大，形成了两个“倒V型”结构。冰雹大风与干对流雷暴相似，在500-300hPa高度之间均有干层，300hPa及近地面均出现两个“倒V型”结构，但冰雹大风天气的触发系统是冷锋，850hPa以下的南风较大，造成更强的辐合上升，而干对流雷暴的触发系统通常为辐合线。湿对流雷暴的湿度层较厚，700hPa高度以下及400hPa高度上空气趋于饱和，因此，在400-550hPa之间造成“倒V型结构”，形成强降水与大风共存的天气现象发生。

4、西风槽类强雷暴和湿对流在500hPa上的环流形势相似，均处在副高与西风槽的共同作用下，北京位于副高边缘的588线与584线之间，西南气流源源不断地将水汽输送到北京地区，西风槽与温度槽基本重合，北京有冷平流输送。在850hPa上，北京被强暖脊控制，地面温度超过20℃，但两类雷暴在 850hPa上的形势不同：强雷雨发生前，北京位于T-Td≤2℃的湿气团中，但湿对流发生前，北京位于T-Td≥8℃的干气团中。在探空图上，湿对流在700hPa与925hPa两个高度上出现“倒V字型”结构，而强雷雨的探空图上，在500-350hPa之间有干层，预示着深厚对流层的发展，产生强降水。

西风槽类弱雷暴、干对流和冰雹大风天气没有副高的参与，500hPa的槽较浅，槽前的西南气流较弱，850hPa上北京均位于湿气团或暖气团中，三种天气的影响系统分别为切变线、槽线和低涡。在垂直方向上，弱雷暴整层的T-Td值较小，干冷空气的入侵不明显，而干对流则呈明显的“倒V型”结构，冰雹大风天气的探空图上出现两个“倒V型”的结构，但造成冰雹天气的原因尚不清楚。

5、从0℃层和-20℃层高度及它们之间的厚度来看，强雷暴和湿对流的0℃层和-20℃层较高，0℃层和-20℃层之间的厚度较大，冰雹和冰雹大风的0℃层和-20℃层较低，0℃层和-20℃层之间的厚度较小。本文只是统计了几个个例的0℃层和-20℃层高度，需要用更多的个例对所有雷暴个例的指数进行专门的研究。

    “流型辨识”有一定的局限性（俞小鼎，2011），下一步还需要用 “配料法”针对不同类型的雷暴进行进一步的研究。

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