（气象学专业论文）北京奥运会期间一次短时强降水过程分析.pdf

摘要 利用北京地区高时空分辨率的地面自动站资料、微波辐射计资料、地基g p s 资料、风廓线数据、多普勒雷达数据、卫星云图和t b b 资料、3 小时一次的原 始报文数据以及6 小时一次的n c e p 再分析资料等，对北京地区2 0 0 8 年8 月 1 4 日的一次短时强降水过程进行细致的观测分析。 ( 1 ) 分析表明：此次强降水发生在大尺度阻塞高压底部，对流层中层低槽、 低涡切变线、西风槽、低空急流以及低层暖式切变线等天气系统在时空上的合 理配置为强降水的发生提供了有利的天气尺度背景条件。强降水发生前，北京 处在理想的大尺度环境中：动力抬升、充足的水汽输送和不稳定的大气层结。 ( 2 ) 通过对这场强降水的雨团特征进行分析发现，此次强降水具有明显的中 - b 尺度活动特征，历时短、强度大。此外，降水的分布为点状、范围小，是由 多个孤立小雨团( 直径约2 0 3 0 k i n ) 生成或合并所产生，降水出现在正午到傍晚， 雨团生命史较短、约2 小时。 ( 3 ) 利用卫星云图、t b b 资料、多普勒雷达资料以及地面自动站资料对此次 强降水的中尺度系统进行分析发现，此次强降水是由多个孤立发展的云团单体 以及后期合并而成的中b 一尺度对流系统引起的，这些对流云团是在低涡云系与 低槽槽前暖湿云系近距离交汇处产生的，对流系统在发展、成熟阶段都处在北 京上空。通过雷达和地面自动站的分析可知，强降水对流回波有组织的发展是 与地面中尺度辐合线的发展相联系的。 ( 4 ) 利用海淀的微波辐射计对强降水发生的局地物理条件进行分析，发现水 汽含量以及总液水含量在暴雨即将发生前成倍激增，相对湿度维持较高、达1 0 0 等现象。地基g p s 反演的大气水汽含量资料的显示，强降水发生前，北京地 区大气水汽含量的时空变化具有明显的局地性，这与形成降水的天气系统有一 定的关系：出现降水的区域，其大气水汽含量都超过了水汽含量的月平均值。 ( 5 ) 利用对流层中低层风廓线观测数据，分析强降水发生前后局地对流层低 层水平风的垂直变化和时变特征。降水发生前期，对流层1 8 0 0 m 到3 5 0 0 m 维持 着一支强而深厚的偏东气流，风向随高度顺转。在降水发生前2 小时偏东风向 低层伸展至9 0 0 m ，使偏东风曾在强降水发生前变得更加深厚，并且在对流层低 层局地边界层内有短时的偏东风建立；此外，在2 7 0 0 m - - - 3 5 0 0 m 高度层内呈现 东风大值区，特别是在强降水发生前1 小时，增强为一支低空急流。边界层内 偏东风的建立对强降水的发展也有着重要的作用。 ( 6 ) 分析认为，强降水发生在有利的大尺度环境中，高低空系统在时间和垂 直空间上发生耦合，给北京地区对流层中低层带来了长时间的暖平流输送，使 得强降水发生前数小时局地低层已经积累了对流活动发生所需的不稳定能量， 低空急流的突然加强提供了直接的中尺度动力强迫条件，从而触发了不稳定能 量的释放；此外，5 0 0 h p a 低槽东移过程中，西风槽后的冷空气不断沿蒙古阻塞 高压东侧的偏北气流南下，并向低层回流西灌，对流层中层冷、暖空气的交绥 也引发了对流活动的发生。 ( 7 ) 通过对r u c 系统预报产品的分析证明了前文中对此次强降水过程发生机 制的结论：对流层低层对流不稳定能量的释放以及中层冷、暖空气的交汇造成 了此次强降水；此外，还对形成此次强降水的中尺度对流系统的结构进行了分 析。 ( 8 ) 另外，从暴雨发生时及前后局地各物理变量的演变特征中，发现一些对 北京地区暴雨或明显降水临近预报具有一定先兆意义的特征，可为强降水短时 临近预报提供有意义的指示因子。即：大气水汽含量显著增加，并且超过了当 月的平均值，预示未来几小时出现较明显降水的可能性大；若再伴有气柱液态 水的成倍激增，预示未来数十分钟出现暴雨的可能性很大。在天气监视和预报 中可给与关注。 关键词：短时强降水，中尺度对流系统，观测分析 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，a na n a l y s i so fah e a v yr a i ne v e n to na u g u s t14 ，2 0 0 8i nb e i j i n g w a sc o n d u c t e dw i t hu s a g eo fal a r g en u m b e ro fa v a i l a b l eo b s e r v a t i o n , s u c ha sh i 曲 s p a t i a l t e m p o r a lr e s o l u t i o nd a t af r o mt h ea u t o w e a t h e rs t a t i o nn e t w o r k , o b s e r v a t i o n s f r o mm i c r o w a v er a d i o m e t e r , v e r t i c a ld i s t r i b u t i o no fw i n df r o mw i n dp r o f i l e ，d o p p l e r r a d a r , s a t e l l i t ei m a g e s ，t b bd a t a , c o n v e n t i o n a lw e a t h e ro b s e r v a t i o n a ld a t aa ta t i m e i n t e r v a lo f3 1 1 , a n dt h en c e pr e a n a l y s i sd a t a w i t ha ni n t e r v a lo f6 h ，e t c o b s e r v a t i o n a lr e s u l t sf r o mt h i ss t u d ya l el i s t e d 嬲f o l l o w s 1 ) i ti sf o u n dt h a tt h eh e a v yr a i n f a l l o c c u r r e da tt h eb o t t o mo ft h em o n g o l i a n h i 曲t h el o wt r o u g h ，w i n ds h e a rl i n eo fl o wv e r t e x ，w e s tw i n dt r o u g hi nt h e m i d d l et r o p o s p h e r ea n dt h ew a r ms h e a rl i n ei nl o wt r o p o s p h e r el o c a t e di ng o o d s p a t i a l - t e m p o r a ld i s t r i b u t i o ns u p p l i e daf a v o r a b l ec o n d i t i o nf o rt h eh e a v yr a i n b e f o r et h er a i n s t o r m ，b c i j i n gw a su n d e raw e l le n v i r o n m e n t a lb a c k g r o u n d ： d y n a m i cu p l i f t i n g ，s u f f i c i e n tw a t e rv a p o rt r a n s p o r ta n du n s t a b l ea t m o s p h e r i c s t r a t i 丘c a t i o n 2 ) a n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c si nt h er a i n - m a s si nt h ee v e n ts h o w e dc o m m o n i n o b v i o u sm e s o b s c a l ea c t i v i t y , s h o r td u r a t i o na n ds e v e r ei n t e n s i t y t h er a i n - m a s s ， s h a p e di ns m a l lp u n c t u a t es h a p e ，w a sb r o u g h tb ym o v e m e n ta n dn e w o c o l r r e n c e o fi s o l a t ea i rm a s sw i mad i a m e t e ra r o u n d2 0 3 0 k m r a i n s t o r mp r e s e n t e df r o m n o o nt od u s k , w h i l et h el i f e - s p a nf o ra i rm a s sw a ss h o r t , a r o u n d2h o u r s 3 ) b yu s i n gt h ed a t af r o mt h ea u t o - w e a t h e rs t a t i o nn e t w o r k , d o p p l e rr a d a r , s a t e l l i t e i m a g e sa n dt b bd a t a , t h ea n a l y s i so nm e s o - 1 3 - - s c a l e c o n v e c t i v es y s t e mw a s c o n d u c t e d t h eh e a v yr a i nw a sb r o u g h tb ys o m ei s o l a t e dc o n v e c t i v ed o u da n d t h em c st h a tw e r ei n t e g r a t e db yt h ef o r m e r s t h ec o n v e c t i v ed o u dw a si n i t i a t e d a tt h ec r o s s i n go ft h eu p p e rl e v e lv e r t e xd o u db e l t sa n dl o wt r o u g h t h e c o n v e c t i v es y s t e m sw e r el o c a t e dw i t h i nb e i j i n gi nd e v e l o p i n ga n dm a t u r es t a g e m t h ea n a l y s i so ft h er a d a rd a t aa n di n f o r m a t i o nf r o ma u t o - w e a t h e rs t a t i o ns h o w t h a tt h ed e v e l o p m e n t so ft h em e s o s c a l ec o n v e c t i v es y s t e m sw e r ec l o s e l yr e l a t e d t ot h ee v o l u t i o n so fm e s o s c a l ec o n v e r g e n c el i n e sa n dm e s o s c a l ec y c l o n i c c i r c u l a t i o no fs r f f a c c 4 ) a n a l y z i n gt h el o c a lp h y s i c a lc o n d i t i o n sw h e nt h es t o r mh a p p e n i n gb yu s i n g m i c r o w a v er a d i o m e t e ra n dg r o t m g - b a s e dg p sp r e e i p i t a b l ew a t e rv a p o r ( p w d a t a , ap h e n o m e n o nw a sf o u n d , w h i c hi n c l u d e st h a tw a t e rv a p o rc o n t e n ta n d l i q u i dw a t e rc o n t e n tw e r ef o l dt oi n c r e a s ea n dr e l a t i v eh u m i d i t yk e p th i 曲t o a r o u n d10 0 b e f o r et h es t o r m t h ea n a l y s i so ft h eg p sd a t as h o w e dt h e c h a n g i n go fp w v w a sn o tu n i f o r mi ns p a t i a l - t e m p o r a ld i s t r i b u t i o n ，w h i c hw a s p r o b a b l yr e l a t e dt ot h ew e a t h e rs y s t e m t h er a i nh a p p e n e di nt h ea r e aw h e r et h e l o c a lp w vi n c r e a s e dt ob ea b o v et h em o n t h l ym e a n 5 ) o b s e r v e dw i n dp r o f i l e si nt r o p o s p h e r ea r eu s e dt oa n a l y z et h ev e r t i c a la n d t e m p o r a lc h a n g e so ft h eh o r i z o n t a lw i n d si nl o c a lc o n v e c t i v el a y e r sb e f o r ea n d a f t e rt h eh e a v yr a i n n e a re a s tf l o wa ta r o u n d18 0 0 - 3 5 0 0 mm a i n t a i n e da n d d i r e c t i o nv e e r e da l o n gh e i g h th o u r sb e f o r et h eh e a v yr a i n t h es e a l e a s tw i n d l a y e rg r e wd o w n w a r da r o u n d9 0 0 m ，w h i c hm a d et h ec o n t r o lo fn e a re a s tw i n d m o r ei n t e n s ei nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n2h o u r sb e f o r er a i n s t o r m i na d d i t i o n , t h e s e a l e a s tw i n dp r e s e n t e dam a x i m u mv a l u ea ta r o u n d2 7 0 0 3 5 0 0 m , w h i c h e n h a n c e dt ob eal o wl e v e lj e to n eh o u rb e f o r et h er a i n t h eo c c u r r e n c ea n d d u r a t i o no fe a s t e r l yw i n d si np l a n e t a r yb o u n d a r yl a y e r ( p b l ) i nb 刨i n gf e w h o u r sb e f o r et h es t a r to fr a i n f a l le v e n tss e e me s s e n t i a lt ot h ef o r m a t i o no ft h e t o r r e n t i a lr a i n f a l l s 6 ) t h er a i nh a p p e n e di naf a v o r a b l el a r g es c a l ee n v i r o n m e n t , i nw h i c hw e a t h e r s y s t e m sc o u p l e di nt h es p a t i a la n dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o n t h e r ew a sal o n gt i m e w a r ma d v e c t i o n ，s ot h a ti th a da c c u m u l a t e da g r e a tn u m b e ro fi n s t a b i l i t ye n e r g y w i nt h el o c a lt r o p o s p h e r eb e f o r et h er a i n s t o r m a n dt h ee n h a n c e m e n to ft h el o w l e v e lj e th a ds u p p l i e dt h ed i r e c tm e s o s c a l ed y n a m i cf o r c e du p l i f tt ot r i g g e r c o n v e c t i v e 枷访t i e s b e s i d e s ，c o l da i ro ft h ew e s tw i n dt r o u g ha d v a n c e d s o u t h w a r da l o n gt h en e a rn o r t hf l o wo nt h ee a s ts i d eo ft h em o n g o l i a nh i g h ， w h i l et h e5 0 0 h p al o wt r o u g hm o v i n ge a s t w a r d t h ec o n v e r g i n go fc o l d w a l t l la i r a 1 s or e s u l t e di nt h er a i n f a l l 7 ) t h ea n a l y s i so ft h et h er u cs y s t e mp r o d u c th a dp r o v e dt h ec o n c l u s i o no n p r e c i p i t a t i o nm e c h a n i s mi np r e v i o u sp a p e r ：t h er a i n s t o r mw a sc a u s e db yt h e r e l e a s eo ft h eu n s t a b l ee n e r g y , a sw e l la st h ec o n v e r g i n go fc o l d - w a l la i r b e s i d e s ，b yu s i n gt h er u cs y s t e mo u t p u tp r o d u c t sa t 11 ：0 0o n14 l ho c t ，t h e s t r u c t u r eo ft h ec o n v e c t i v es y s t e mi nt h i sh e a v yr a i nw e r ea n a l y z e d 8 ) f r o mt h ee v o l v e m e n t so ft h el o c a lp h y s i c a lv a r i a b l e sw h e ns t o r mh a p p e n e da n d b e f o r eo ra l t e rt h es t o r m ，s o m ef o r e c a s t i n gc h a r a c t e r sf o rt h ea p p r o a c h i n g p r e d i c t i o no fs t o r mo rh e a v yr a i n f a l li nb e i j i n ga r ef o u n d f o re x a m p l e ，t h e s i g n i f i c a n ti n c r e a s eo fp w vu pt ot h em o n t h l ym e a n w h a ti sm o r e ，t o r r e n t i a l r a i nf a l li nt h ef o l l o w i n gt e nm i n u t e si sv e r yl i k e l yi fl i q u i dw a t e ri n c r e a s e sa t f o l d m o r ea t t e n t i o ns h o u l db ep a i do nt h i sa s p e c ti nw e a t h e rd e t e c t i n ga n d f o r e c a s t i n g k e yw o r d s ：h e a v yr a i ne v e n t , m e s o s c a l ec o n v e c t i v es y s t e m ，o b s e r v a t i o n a la n a l y s i s v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：二砻：呈受 签字日期： 关于论文使用授权的说明 2o 川厂i2 本学位论文是在南京信息工程大学攻读学位期间在导师指导下完成的博士 学位论文。本论文的研究成果归南京信息工程大学所有，本论文的研究内容不 得以其它单位的名义发表。本人完全了解南京信息工程大学关于保存、使用学 位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允 许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入中国优秀博硕士学位论文全文数 据库和编入中国知识资源总库，同意按中国优秀博硕士学位论文全文数 据库出版章程规定享受相关权益。本人授权南京信息工程大学，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 口公开口保密( 年月)( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名：菇显重 签字e l 期：2 11 呈：! 兰 副币放彦穆玄 导师签名：一 ： 签字日期： j rf 第一章引言 1 1 研究目的和意义 我国是一个多暴雨的国家。由于我国地处东亚地区，每年夏季深受夏季风的 影响。夏季风爆发和盛行期间是我国的雨季和汛期，也是我国的暴雨季节。我 国夏季三大雨区主要集中在东部地区，即华南、江淮和华北地区，与东亚季风 系统成员太平洋副高和副高西北侧锋面的活动( 北进南退、西进东退) 相联系。这 种大的环流背景加上我国复杂的地形作用，使得我国东部地区夏季经常出现强 暴雨。局部暴雨和大范围持续性暴雨常常带来局部或流域性严重洪涝灾害，给 百姓生产与生活造成严重影响、给人民的生命财产带来重大损失【卜7 】。随着社会 经济的发展，暴雨洪涝灾害损失呈增加趋势。因此，对暴雨的预报和研究一直 是气象工作者最关注的问题。 华北地区作为我国夏季三大雨区之一，其暴雨有独特性和复杂性。华北暴雨 空间分布受地形影响明显；暴雨日主要集中在盛夏，又以七月下旬和八月上旬 最为集中；降水强度大，是我国发生局地特强降水的相对多发区之一【5 】。加之， 华北地形、地貌复杂，人口密集，现代化的大都市北京和工业化的天津市又在 其中，强降水的出现常会造成严重的社会影响与经济损失。同时，华北地区是 水资源严重短缺的地区，暴雨是主要的水资源之一，暴雨日数的多少还直接影 响了降水量的丰枯和水库水量的多少，做好华北暴雨问题的研究与预报对科学 的利用水资源，储水、防洪以及保护人民的生命财产安全都非常重要。 北京位于华北区域，作为世界闻名的超级大城市，在气象研究领域有其特殊 的意义。首先，北京所处的地理环境很特殊：西靠太行山北部余脉，北有燕山 和军都山，东南是平缓地向渤海倾斜的平原，从西向东，地形分布依次为山地、 丘陵和平原，海拔高度从二千多米降到几十米，山地和平原之间界限明显。其 次，北京作为中国政治文化中心，经济和城市建设也都在快速发展。原本背山 面海、复杂多变的地形加上近年来城市的快速发展( 城市面积扩大、建筑物造型 不一和分布不均) ，使得城市下垫面情况更加复杂，致使北京地区天气状况亦变 得愈发复杂。特别是暴雨等生命史较短的中小尺度强对流天气，其形成发展对 局地物理因素的影响很敏感，从而显著增大了对这类天气预报的难度。分析显 示，在过去四十年间，北京地区夏季降水发生了结构性调整，短持续性降水的 降水总量增加，而长持续性降水事件的降水总量大幅减少，这一特征在最近的 十几年里更加清楚【9 】，暗示北京地区短历时局地强降水或暴雨有增加趋势。2 0 0 4 年7 月1 0 日，北京城区出现了短时特强暴雨，严重影响了城市交通和居民正常 生活；2 0 0 6 年7 月9 1 0 日和7 月3 1 日8 月1 日，分别在城西北沿山一带和市 区出现短历时的局地暴雨中心，影响也比较大；2 0 0 8 年8 月1 4 日北京奥运会正 式比赛阶段，北京城区内出现了一次短时强降水，奥运会比赛项目的正常进行 造成了很大的影响。北京地区暴雨发生发展的局地物理条件及其演变特征是怎 样的? 与直接导致暴雨的强对流系统的发生发展过程有何联系? 北京地区地形 和城市发展对北京地区暴雨有什么影响? 暴雨发展机理如何? 等等这些问题目 前尚没有被完全认识和搞清楚，成为制约暴雨预报准确性的瓶颈，亟待研究与 认识。 气象学者通过对暴雨问题几十年的研究，认为对暴雨发生发展过程和机理的 研究要想取得突破性进展，必须研究暴雨中尺度问题，而发展新的大气探测技 术，建立中尺度大气探测网是基础【1 0 2 5 1 。随着我国气象事业的发展，特别是北 京近些年筹备奥运气象服务工作的进展，北京地区综合探测现代化建设的步伐 和业务化进程得到显著推进，目前已经可以实时获取有着高时空分辨率的地面 自动站资料、多普勒雷达数据、卫星云图和t b b 资料、风廓线数据、微波辐射 计资料、地基g p s 资料等。这些资料不仅为北京地区暴雨预报预警，而且为暴 雨观测分析和研究提供了有利条件和基础。本文即是应用这些高时空分辨率的 资料，对2 0 0 8 年8 月1 4 日北京地区的一次短时强降水进行细致的观测分析。 这场强降水具有一定典型性，由于强降水发生时正值北京奥运会正式比赛期间， 对北京奥运会的网球等室外项目造成了一定的影响，此次降水对北京城区道路 2 交通也带来了一定的影响，而无论是主观预报还是客观预报都对此次强降水的 预报明显偏小。本文希望能够从观测中发现一些诱发暴雨发生发展的中尺度事 实和与之相联系的中尺度系统演变过程及特征，探讨暴雨成因，为北京地区暴 雨预报提供有益参考。 1 2 暴雨的研究进展 1 2 1 国内暴雨的研究进展 暴雨作为国际国内研究热点和难点之一，长期得到气象学者的关注。我国暴 雨研究大致可分为4 个阶段：( 1 ) 新中国成立至改革开放以前，暴雨研究主要集 中于大尺度环流和天气尺度降水系统，在大气环流特征及暴雨的分型方面做了 大量的工作。( 2 ) 改革开放后至“七五 攻关结束，通过“七五 攻关建立了京、 津、冀等四个中小尺度试验基地，暴雨研究工作的重点开始向中尺度转移。( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代，“八五 国家攻关项目“台风、暴雨灾害性天气监测、预报技术 研究”以及面对1 9 9 1 年和1 9 9 8 年江淮特大暴雨及洪涝开展的研究，使暴雨基 础理论研究和暴雨预报方法建立成为核心和重点。( 4 ) “九五以来，暴雨灾害 研究作为国家重大项目实施，“1 9 9 8 年华南暴雨科学试验 研究了华南前汛期 暴雨及台风暴雨的中尺度结构及演变机制与规律：国家9 7 3 计划项目“我国重 大天气灾害形成机理和预测理论研究”重点研究了梅雨暴雨发生发展物理过程， 多尺度相互作用特征以及预报预测方法；2 0 0 5 年以来，国家9 7 3 计划项目“我 国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究开始实施并取得进展。这些项 目使得我国暴雨、特别是南方暴雨的研究工作得以比较全面、持续的开展。 我国气象学者经过长期不懈的努力、特别是近2 0 年来通过大型科学试验和 重点研究与攻关项目的带动，对我国暴雨的研究不断深入，尤其是对我国南方 暴雨进行了比较持续和系统性的研究，在季风与暴雨、暴雨产生的环境条件与 系统、高低空急流与暴雨、水汽收支与能量输送、多尺度天气系统相互作用、 不同纬度间系统的相互作用、暴雨云系的卫星云图和雷达回波特征以及暴雨预 报方法等方面取得了一系列成果【2 6 删。这些成果不仅对认识暴雨、而且对指导 3 预报实践都产生了积极作用。然而，由于暴雨发生发展的机理相当复杂，它是 多尺度天气系统相互作用的产物、由中尺度系统直接影响所致，而业务气象探 测网对中尺度系统的探测能力仍然相当有限，因而关于暴雨中尺度系统及结构、 对流发展的局地物理条件及其变化过程、暴雨发生发展机理等等，仍然是暴雨 研究中的挑战性难题。这些未解难题直接影响了对暴雨规律的认识和把握，从 而成为提高暴雨预报准确率的瓶颈。 1 2 2 华北暴雨( 北京暴雨) 的研究进展 华北暴雨的研究，早就受到国内许多气象学家及预报人员的重视。在该方面 曾做了大量的研究，取得了不少具有实用价值的成果。“7 5 8 河南特大暴雨之 后，我国开展了北方暴雨的攻关研究。1 9 7 6 年，北方1 4 省市、自治区气象局及 大专院校、科研单位自发组织了科研协作组，历时1 5 年。对“北方暴雨成因及 预测方法”进行了广泛而深入的研究，取得了大量的具有当时国内领先水平的 成果，并在业务中得到应用。在此期间，编著的书刊及文集有：1 9 7 8 年暴雨 文集、1 9 8 2 年强对流天气文集、1 9 8 3 年、1 9 8 7 年暴雨文摘、1 9 8 1 1 9 8 8 年北方暴雨文集、1 9 9 2 年北方暴雨丛刊( 分华北暴雨、西北暴雨及东北 暴雨三册) 。其中华北暴雨一书系统的从华北暴雨的气候特征、环流背景、 中低纬度系统的相互作用和特大暴雨、低空急流与暴雨以及华北暴雨的中尺度 系统等方面进行了分析和诊断研究，并提出区域性暴雨的预报思路和预报流程 4 5 1 o 二十世纪七八十年代，对华北暴雨的大尺度环流背景及暴雨分型有过不少的 研究。周鸣盛等根据5 0 次北方区域性特大暴雨过程( 其中4 4 次特大暴雨中心在 华北) 的环流形势分析，认为中低纬度相互作用的特征若落实在对北方大范围暴 雨环流分型时，应主要以西太平洋副高为主导系统，来考察高中纬西风带和低 纬东风带上各种天气系统的相互作用【4 5 1 。丁一汇等( 1 9 8 0 ) 进一步研究了华北暴 雨天气尺度环流，提出三种基本刺t 4 6 j 。一是当长波槽位于1 0 0 1 1 0 。e 之间 时，华北地区处于槽前，这时如果下游高压脊( 或阻塞高压) 位置稳定在1 2 0 1 4 0 。 4 e ，可使上游槽移速减慢或停滞，这种东高西低的形势是华北暴雨最基本的环流 形势。二是当下游有阻塞形势维持，同时在贝加尔湖一带有长波脊发展，这时 可形成东西两高对峙的环流形势，之间是深厚的低压槽或切变线，这是造成华 北持续性大暴雨的环流形势，“6 3 8 和“5 6 7 ”特大暴雨就是出现在这样的环 流形势下。此外，第三种华北暴雨环流形势是，华北北面有高压坝存在的条件下， 北上台风深入内陆受阻稳定少动而造成特大暴雨，如“7 5 8 和“9 6 8 ”特大暴 雨等。近年来，国家气象中心也对华北暴雨的环流型作了归类，给出了低槽东 风气流型和干旱型两种新的类型。孙建华等( 2 0 0 5 ) 对1 9 6 0 - - 1 9 9 9 年的华北夏季 暴雨过程进行了统计分析，之后又进一步对1 9 9 0 1 9 9 9 年造成夏季特大暴雨过 程的天气形势进行了分型研究，大体可分为5 型：1 型为台风与低槽( 低涡) 远距 离相互作用；2 型为低涡( 登陆台风) 与西风槽相互作用；3 型为登陆台风北上受 高压阻挡停滞；4 型为低涡暴雨；5 型为暖切变暴雨【4 7 】。 华北暴雨的影响系统是复杂多样的，影响华北地区暴雨的主要天气尺度系统 有高空槽、华北冷涡、西部涡、西南涡、黄河气旋、暖切变、冷锋、台风等。 华北大暴雨大都出现在两个或两个以上天气系统相互作用相互叠加的情况下。 其中低涡、暖切变线和低槽冷锋是造成华北暴雨的主要天气尺度系纠矧，但是 华北最强的暴雨却是由台风或低涡造成，( 如6 3 8 ，7 5 8 ) ；边清河等【4 8 】对1 9 4 9 2 0 0 0 年发生在华北地区的台风暴雨研究后发现，华北地区平均每年出现一次由 台风侵入造成的暴雨过程，主要出现在夏季( 尤以7 8 月最多) 。在台风侵入引起 华北暴雨过程中，影响系统主要有6 种：台风、西风槽、渤海日本海高压( 副高) 、 低空急流、中低空切变线、弱冷空气入侵等。在6 种主要影响系统中，台风对 暴雨的贡献最大。此外，低空急流对华北暴雨很重要，大部分暴雨发生时有低 空急流的出现【4 9 巧们。低空急流是联系中低纬系统的一个纽带，东南风急流及急 流轴上的扰动传播在我国北方暴雨过程中起着不可忽视的作用【5 1 1 。天气尺度系 统虽然不是暴雨的直接影响系统，但是天气尺度系统在暴雨却起着举足轻重的 作用，具体表现在以下几个方面：i ) 制约造成暴雨的中尺度天气系统的活动，即 天气尺度可以提供中尺度系统形成的条件或环境场。i i ) 造成暴雨区水汽的集中。 i i i ) 在天气尺度系统中，上下层不同性质空气的平流可造成位势不稳定层结：i v ) 天气尺度系统中的风速垂直切变有利于中小尺度系统的发生和维持【5 2 1 。 早在上个世纪七八十年代，不少气象学家就意识到中尺度研究是暴雨研究的 重点，尽管受当时条件的限制，还是有部分学者对中尺度系统进行了初步的分 析研究。丁一汇等对1 9 7 7 年影响北京地区的几次暴雨进行了中尺度分析【酆】。赵 思雄等对夏季北京冷涡强对流天气进行了中尺度分析【5 4 1 。随着数值模式的发展 和卫星、雷达等高分辨率资料的广泛应用，气象学家对影响暴雨的中尺度系统 的研究逐步增多。薛秋芳等分析了1 9 9 2 年7 月2 3 日发生在河北省东部平原上 的一次突发性暴雨过程，结果表明，造成这次突发性暴雨的天气系统是以超级 中尺度暴雨云团为主，其空间尺度为7 0 0 k m ，生命史为1 l 小时【5 5 1 。江吉喜等对 “9 6 8 ”河北特大暴雨的分析结果表明，此次暴雨出现在副高西北侧的强经向环 流中，由两个中尺度对流云团直接产生，低空急流和华北弱冷空气相互作用是激 发这些对流云团的直接原因【5 6 】。李廷福等分析了1 9 9 8 年7 月5 日北京出现的暴 雨过程中的中尺度特征，指出偏东风的中尺度切变线和中尺度低压在此次暴雨过 程中发挥了重要作用【5 7 】。吕艳彬等在对m c c 进行普查的基础上，分析了华北 平原上的3 个典型个例合成的m c c 发生前的环境场，指出华北平原发生的m c c 与我国南方和北美地区的m c c 不完全相同，它是发生在移动型冷锋前的暖区 中，我国南方的m c c 常发生在静止锋的西端，北美的m c c 常出现在对流层上 部大尺度长波脊中【5 8 1 。陈艳等采用中尺度数值模拟m m 5 对2 0 0 3 年1 0 月1 0 - - 1 2 日发生在华北地区的一次大暴雨过程进行模拟，利用模拟结果计算分析了对 流有效位能( c a p e ) 、风暴相对螺旋度( s r i - i ) 、能量螺旋度指数( e h i ) ，结果表明， 以上3 个参数对这次大暴雨的发生发展有较好的指示作用：在大暴雨发生前能 量得到充分积累，大气处于强不稳定状态，强对流天气爆发后，不稳定能量逐 渐释放减弱；大暴雨中心位于低层局地螺旋度大值中心南部等值线密集区。低 层局地螺旋度大值中心轴线与切变线和地面倒槽辐合线走向一致，高层局地螺 6 旋度与高空急流相对应；大暴雨过程主要发生在高风暴相对螺旋度结合低对流 有效位能的环境中p 9 】。徐辉分析了我国北方和南方暴雨发现，西南季风强劲江 南华南暴雨成灾，东北冷涡活跃东北华北降雨偏多【印】。梁丰，陶诗言等利用 n c e p n c a r 的再分析资料和g m s 红外黑体亮温( t b b ) 资料等，对1 9 9 1 年6 月9 一1 1 日的一次黄河气旋暴雨过程进行了诊断分析。结果表明：黄河气旋的 发生发展是大气斜压性强烈发展的结果，强的高空辐散与正涡度平流共同作用 形成了黄河气旋，对流层低层的暖平流促进了黄河气旋的进一步发展，并对其 移动方向有引导作用【6 1 1 。赵桂香等利用实况资料和t 2 1 3 输出资料，对发生在 2 0 0 5 年8 月1 6 日 - 1 7 日的华北暴雨过程进行了能量学特征分析，结果表明： 暴雨前2 4 h 3 6 h ，对流层上下层有暖湿空气同时发展，是暴雨的重要动力机制； 强的干、湿静力能锋区稳定维持是这次大范围暴雨产生的能量基础，中低层湿 静力能差值大于零，且数值很大，说明对流不稳定层结很强，暴雨发生在高能、 高不稳定度的条件下；水汽的充足补给作用，是这次暴雨过程能量转换的基础 【6 2 】。张苏平等从能量角度分析了9 4 0 6 号台风在我国北方造成大范围暴雨过程， 定量讨论了台风变性过程中显热能、潜热能和动能的时空分布特征、北方暴雨 区远距离降水突然增幅过程中能量的变化、以及动能的补充来源【6 3 1 。陈静等选 取了2 0 0 1 年8 月发生于北京市的具有不同大尺度环流强迫特征的两次降水过 程，利用m m 5 模式和国家气象中心的t 2 1 3 预报资料，分析了模式非绝热物理 过程对北京市暴雨数值预报的影响特征和不确定性，探讨了解决暴雨预报不确 定性的集合预报方法，进行了多物理模式集合预报试验【删。近年来，随着局地 暴雨的频繁发生，也有一些针对局地暴雨的研究工作【6 5 。6 6 】。 华北地形对暴雨的出现有一定的作用。地形与强天气过程有密切关系，暴雨 的频率分布、强度、雨量等都受到地形的明显影响。由山脉产生的山脉波在有 利条件下可以造成明显的垂直运动，使低层的湿层抬高，从而触发对流发生。 地形对暴雨的作用主要有三个方面：i ) 地形对过山的气流有动力抬升和辐合作 用；i i ) 地形在一定的气流或条件下会生成中小尺度涡旋或切变，当这种系统移 7 出或加强时，可以造成暴雨；i i i ) 地形能影响中小尺度内的造雨过程，也称为地 形对降水的增幅作用。章名立研究了北京地区暴雨与地形的关系，指出北京地 区暴雨的出现和分布与地形有密切的关系：( 1 ) 山脉迎风坡产生的暴雨与风向有 很大关系。( 2 ) 喇叭1 2 1 地形辐合作用对暴雨的增幅与风的垂直廓线有关。( 3 ) 地形 切变线的存在有利于暴雨的产生，北京地区东南风时有地形切变线出现【6 7 】。王 迎春等对引发北京密云泥石流的局地暴雨进行了分析诊断，发现北京西北部有 利的地形条件使密云县西部山区产生了局地特大暴科6 8 】。孙继松从大气运动的 基本方程出发，讨论了华北地区太行山东侧低空东风气流背景下不同垂直分布 气流对降水落区的影响。认为华北地区的降水分布与地形对不同垂直分布气流 的影响有密切的关系。当最大偏东气流出现在近地面层即风速分布随高度 减小时，主要降水带出现在山体的东侧，降水中心与所处坡度突然增大有关。当 对流层中低层的偏东气流随高度增加时，主要降水带和切变线位于山西一内蒙 古高原【6 9 1 。毕宝贵等在研究北京地区降水的特殊性时指出了地形的作用对降水 的影响是很明显的【7 们。 此外，边界层作用对暴雨发生发展可能产生的影响也是气象学者关注的问题 之一。孙继松对北京地区夏季边界层急流的基本特征及形成机理作了研究，发 现局地暴雨与边界层急流之间存在明显的正反馈现象：由于局地暴雨同时改变 了对流层中层和近地面层气温的水平分布，这种热力强迫作用造成了边界层气 流加速；反过来，边界层气流的加速又加强了急流前方的风速辐合。如果急流方 向水平垂直于山坡，这种迎风坡上的辐合将更强，造成局地降水强度进一步增 强 7 l - 7 2 。陈炯和王建捷数值敏感性试验显示：边界层物理过程与对流过程的强 烈耦合，增加层结的不稳定性，使得对流激发或加强，对流性降水增加【7 3 】。 综上所述，近二三十年来，华北地区( 北京地区) 暴雨的研究工作取得了丰硕 的成果。然而，相对于我国南方暴雨的研究，北方暴雨的研究工作无论是在深 度方面还是广度方面都还远不够。同时，由于暴雨发生发展的机理相当复杂， 关于暴雨中尺度系统及结构、对流发展的局地物理条件及其变化过程、暴雨发 生发展机理等问题亦同样是制约暴雨预报准确率的挑战性难题，还需要进一步 研究。 1 3 本文主要研究内容 2 0 0 8 年8 月1 4 日北京地区出现了一次短时强降水过程。此次强降水突发性 强，降水集中。