引言

局地暴雨是北京地区主要的高影响天气之一，已成为威胁北京地区社会经济活动和公共安全的主要强降水天气形式^[1]。如2004年7月10日^[2]、2008年7月4日^[3]等城区强降水过程，均给北京城市运行造成严重影响。由于常规气象观测资料时空分辨率较低，不能很好地描述形成该类强降水的中小尺度天气系统发生发展过程，也很难将其作为精确判断强降水出现时间和强度的依据，这使降水落区预报仍是一个难点^[4]。因此，引入更高时空分辨率观测资料和相关分析手段，应成为当前解决上述难点问题的主要途径。

探空资料对中小尺度系统监测和预报具有重要作用，是预报强对流天气不可缺少的重要资料之一^[5]。如高空风，能较好地反映天气系统本身的运动变化，特别是垂直风切变，是强风暴获得发展的重要条件^[6]。张文龙等^[7]研究也发现，北京地区偏东风的侵入对暴雨发生发展十分重要。因此，正确认识高空风，是研究大气运动的基础。此外，不稳定大气层结是对流天气获得发展的重要条件之一。随着高空风场观测技术逐步发展，该技术已从过去的气球搭载探空仪方法发展到微波风廓线雷达等遥感手段。风廓线雷达是探测大气的一种新型遥感设备，对水平风垂直结构有较强的探测能力，不仅能提供时间分辨率较高且连续的高低空风场信息，还能实时监测中尺度对流系统发生发展时环境风场的垂直切变演变特征^[8]。另一方面，基于新型遥感探测技术的地基微波辐射计，因其能提供高时空分辨率的温度、湿度、水汽和液态水含量等与强对流密切相关的物理量信息，也受到研究人员关注。刘红艳等^[9]分析12通道微波辐射计测量结果表明，其反演的温度廓线以及获得的水汽总量与探空相比，测量值是准确的。王婷婷等^[10]利用北京城区两部地基微波辐射仪资料，对北京地区2008年两次雷暴过程发生前的局地环境大气温湿廓线特征进行了对比分析。此外，作为一种雷达资料快速更新循环四维变分资料同化系统，变分多普勒天气雷达分析系统能有效同化加密自动站、雷达反射率因子和径向速度等资料，其反演的低层温度场、风场与观测值能较好吻合，基本上能反映出低层的阵风锋、垂直风切变、辐合辐散和冷池等特征^[11-13]，且在实际过程中也取得较好的应用效果^[14-16]。新型资料和分析手段为深入开展局地暴雨研究提供了坚实基础，但怎样将多种新型资料较好地应用到局地暴雨分析当中仍然值得探讨。

2009年7月29日北京香山出现突发性短时局地大暴雨过程(以下简称“7.29”过程)。暴雨发生前期，北京地区一直盛行偏南风，空气湿度很大，城区极其闷热。分析大尺度环流形势(图略)表明，“7.29”过程前期大尺度强迫较弱，影响系统不明显，给相应的预报带来极大困难。因此，对该过程开展时空分辨率较高的观测资料分析，对理解其发生发展机制尤显重要。本文围绕“7.29”过程的主要特点，对暴雨为何仅发生在海淀地区、降水强度为何如此之大、造成局地暴雨的雷暴生命史为何如此短暂等问题进行了探讨。

1 强降水实况与雷达回波特征

2009年7月29日22—24时(北京时，下同)，北京香山地区出现局地大暴雨天气过程(图 1a)。在不到2 h内，降雨量达到105.3 mm，但降雨落区尺度仅约20 km，降水局地性很强。分析强降水中心站香山的降水量时间演变可知(图 1b)，其降水强度很大，其中当天22—23时1 h降水量达48.9 mm，23—24时1 h降水量增至56.4 mm。由此可见，这是一次典型的γ中尺度局地暴雨过程，其影响范围小、降水强度大、持续时间短，实属罕见。

一般认为，暴雨是在多种尺度天气系统的相互作用下发生发展的，而中小尺度系统则是其产生的最直接的系统。北京南郊观象台多普勒天气雷达较好地监测到了造成“7.29”香山突发性短时局地大暴雨的雷暴系统的演变过程。分析该过程雷达反射率因子演变可知，21:59 (图略)，仅在延庆境内有一雷暴单体，海淀地区无任何单体；22:29左右(图 2a)，沿海淀东西向出现2个较小雷暴单体，随后2个雷暴单体开始发展并逐渐靠近；22:59 (图 2b)，2个雷暴单体逐渐连接成条块状，此时大于等于35 dBz的回波覆盖海淀中部地区，强度显著增加，≥55 dBz强回波中心移至海淀西部的香山；23:23 (图 2c)，合并后的雷暴系统在香山附近继续发展成为椭圆形状，≥45 dBz的回波范围进一步扩大并覆盖海淀大部地区，其中心反射率因子最大达60 dBz以上；从23:41开始(图 2d)，香山雷暴系统进入减弱阶段，海淀大部被40~50 dBz的回波覆盖，最大回波强度小于55 dBz；23:59 (图 2e)，香山雷暴系统趋于消亡，海淀大部被30~35 dBz的回波覆盖，最大回波强度小于45 dBz。

综上分析可知，“7.29”过程属于典型的局地新生雷暴所产生的局地暴雨过程，雷暴系统发生发展很突然，生命史很短，最大雷达反射率因子大于60 dBz，且基本在香山附近生成和消亡，因此其影响范围较小。

2 局地暴雨发生的环境条件

雷暴新生前期的环境条件决定了雷暴的新生时间和地点。考虑到“7.29”过程是一次典型的γ中尺度局地暴雨过程以及充分利用北京14时的探空观测，分别将29日14—21时、22—24时确定为该过程的雷暴新生前期和雷暴发生期。由于水汽、不稳定层结及抬升机制等是雷暴能否获得新生和发展的3个基本条件，首先，利用风廓线观测资料分析雷暴新生前期的垂直环境风场；其次，利用探空和微波辐射计观测资料分析其前期不稳定层结；然后，基于地面自动站观测资料分析其前期水汽条件。

2.1 垂直环境风场分析

风场垂直分布能反映垂直风切变等影响雷暴发生发展的重要环境特征。从紧邻香山暴雨中心的海淀站风廓线图中可见(图 3a)，7月29日18—20时海淀附近600 m以下风随高度顺转，表明低层伴有显著暖平流，有利于该地区不稳定发生。此外，300 m以下，出现1~2 m·s^-1弱东北风，21时前后转为偏北风且风速增大约2 m·s^-1。近地面层偏北风的出现为海淀近地面层辐合提供了重要的北风分支。300—2 000 m高度层，18—20时基本上为西南或偏南气流所控制，20—21时，偏南风风速明显增大，其中又以600—900 m风速较大，最大达10 m·s^-1以上。偏南风增大，一方面维持了局地强降水所需的水汽输送，另一方面也较有利于气流沿着山前爬升，为香山地区雷暴新生提供其所必需的垂直上升条件。从北京东南部的南郊观象台风廓线图可见(图 3b)，18—23时1 000 m以下基本上为西南风所控制，2 500 m以下风随高度逆时针旋转，表明有冷平流，因此北京东南部地区不利于雷暴新生；其中在香山雷暴发生期的22—23时，1 000—2 000 m高度偏南风显著增强，可为香山附近雷暴发生提供丰富的水汽输送。

2.2 不稳定大气层结

不稳定层结是决定对流发展的又一关键因素。首先使用北京南郊观象台的探空资料分析雷暴新生前期的环境大气层结状况。为进一步探讨大气垂直方向的热力特征，利用20 min一次的南郊观象台微波辐射计数据分析雷暴新生前期和雷暴发生期的抬升凝结高度(LCL)和自由对流高度(LFC)的演变特征。图 4为7月29日14时、20时北京南郊观象台探空层结图。

从图 4中看到，当日14时、20时，环境大气层结处于显著对流不稳定状态，对流有效位能(CAPE)在2 000 J·kg^-1以上，对流抑制能量(convective inhibition energy，简称CIN)较低，为-200 J·kg^-1以上。其他各项不稳定参数(A指数、K指数、沙氏指数)也表明，环境大气为显著对流不稳定(表 1)。值得注意的是，除在850 hPa附近有浅薄准饱和层外，从地面到200 hPa大气层结的温度露点差大于5 ℃以上，说明环境大气并不明显有利于水汽凝结和形成降水，这也反映了此次降水过程具有局地性和突发性。同时，0—3 km垂直风切变约为7 m·s^-1以下，0—6 km约为6 m·s^-1以下，表明这次雷暴过程对流层低层环境场垂直风切变较弱。组织性较好的多单体强雷暴或飑线通常是在较强的低层垂直风切变(＞15 m·s^-1)环境下发生^[17]，这也是“7.29”过程以局地新生雷暴为主而没有出现飑线等组织化中尺度对流系统的重要原因。

图 5给出基于地基微波辐射计观测到的LCL和LFC的时间演变。从中可见，雷暴新生前期，LCL存在显著的下降过程，由19:00的1 130 m左右下降到22:30的719 m；同时，LFC也存在显著的下降过程，由20:00的1 762 m下降到22:00的997 m，LCL和LFC发生显著下降的时段主要集中在20:00—21:00。较低的LCL和LFC使得气块不需要太强的抬升作用就能产生垂直上升运动和水汽凝结，从而使雷暴系统迅速发展。

2.3 局地水汽条件

由前述分析可知，“7.29”过程降水强度较大，2 h累积降水量达105.3 mm。为揭示该过程的水汽来源，基于地面加密自动气象站比湿分布及其演变，详细分析该过程水汽分布及其演变特征。图 6给出基于地面加密自动站资料计算的7月29日不同时刻北京市地面比湿分布。

雷暴新生前期(图 6a、b、c)，海淀地区比湿普遍在18 g·kg^-1以上，海淀南侧、东南侧以及东侧比湿相对较高，比湿中心均在19 g·kg^-1以上，西侧比湿相对较低，比湿中心仅为16 g·kg^-1。22时(图 6d)，海淀北侧也出现一个19 g·kg^-1的比湿中心，海淀位于四个高值中心和一个低值中心中间。由此可见，香山雷暴新生前期，香山附近局地水汽比较充足。

为进一步理解水汽的输送及稳定维持过程，分析海淀地区暴雨中心香山站(A1032)和山前海淀站(54399)的比湿和相对湿度时间演变特征。香山雷暴新生前期香山(图 7a)和海淀(图 7b)相对湿度均随时间迅速增大，到雷暴发生期的22时，两站相对湿度均在85%以上；从比湿变化看，海淀比湿随时间缓慢上升，存在一定的水汽输送过程，香山比湿则变化不大，但两站比湿均在17.5 g·g-1以上，局地水汽较为丰富，其中位于南侧的海淀比湿相对较高，21—22时基本上在19 g·kg^-1以上。

2.4 局地新生雷暴的触发机制

近地面层辐合为雷暴新生提供了重要的抬升机制。基于地面加密自动站风场、VDRAS反演低层热力动力场，对海淀地区近地面层局地辐合特征分析如下。

从地面风场看到，19时(图 8a)，北京南部地区为偏南风控制，北部地区自怀柔东南侧一直延伸至昌平一线存在显著的偏北风。20时(图 8b)，北京城区风场发生突变，由西南风转化为东南风，并一直到海淀境内雷暴发生的22时仍稳定维持。稳定的东南风，一方面将东侧的暖湿空气向位于城区西北方向的海淀地区输送，使海淀南部维持暖湿，另一方面也有利于海淀西部的山前产生辐合抬升。21时(图 8c)，海淀北部地区风场由早先的偏南风(图 8a、b)转变为偏北风，北侧的偏北风与南侧的东南风在海淀中部地区辐合并可见辐合线。22时(图 8d)，由于北侧东北风增强和南侧东南风稳定维持，近地面层辐合线得到进一步增强。

为了探讨偏北风在垂直方向上的分布特征，截取图 3a中黑色实线矩形框区风场分布(图 9)，对其垂直结构特征进行详细分析。由图 9可知，与地面风场相似，300 m以下低层风场在20:15左右已表现为偏北风控制。21:00前后，300 m以下存在明显的偏北风加强过程，贴近地面底层部分时段偏北风风速达到6 m·s^-1。由此可见，在21时前后，海淀北部地区自地面往上至300 m处存在显著的偏北风加强过程。那么，这种偏北风增强的原因何在，本文利用VDRAS分析的低层热力动力场对其作进一步探讨。

由前述雷达回波分析可知，在海淀境内雷暴生成之前，位于北京北部地区的延庆、怀柔等地已有若干零散雷暴单体生成。从187.5 m高度扰动温度及水平风场分布图上可见，当日20时(图 10a)，伴随这些雷暴单体有一冷池，冷池控制了北京北部的延庆、怀柔等地，沿着该冷池前沿有显著的冷池出流，而南部地区由于稳定的偏南风的作用，伴有稳定的暖舌结构，该暖舌前沿延伸至海淀北部。21时(图 10b)，随着冷池向南推进，海淀北部地区风场由早期的偏南风转为东北风，冷空气进入海淀北部，上述暖舌则退至海淀南部地区，两者在海淀中部地区形成冷暖空气交汇，与此同时，东侧的偏东风显著增强，并推进至海淀西侧，南部由早先的西南风转为东南风，三者在海淀地区构成近乎闭合的辐合中心。22时(图 10c)，随着北京北部雷暴消亡，冷池强度变弱，北京北部的延庆、怀柔地区变成西南风，但冷暖空气交汇区位置(扰动温度最大梯度带)仍维持在海淀地区并略有南压。23时(图 10d)，扰动温度最大梯度带缓慢南压，海淀东侧的偏东风也有所加强，偏东风的加强有利于在海淀西部的山前产生辐合。由此可见，风廓线雷达所观测到的近300 m厚度的偏北风与北京北部的雷暴冷池出流的前锋活动是基本对应的，这为香山雷暴新生提供了所需的冷空气。黄荣等^[16]在分析2011年8月9日海淀一次雷暴新生过程时同样指出，在风廓线图上有偏北风存在，且偏北风是由上游雷暴冷池出流造成的。这充分说明上游雷暴冷池出流触发雷暴新生是复杂地形下海淀附近雷暴新生的一种重要机制。

3 雷暴的维持机制

由前述分析可知，大气层结不稳定、丰富的局地水汽条件以及北京北部雷暴冷池出流与环境风场在海淀一带形成的边界层辐合，为雷暴在香山附近新生提供了有利条件。然而，造成局地暴雨的雷暴生命史为何如此短暂？下文以VDRAS反演的低层热力动力场对其作进一步探讨。

考虑到北京地区局地暴雨的发生一般都与地形密切相关，进一步选取雷暴发展过程中香山山前的散度场和风场的垂直剖面图(图 11，剖面位置见图 12a中1与2连线处)进行分析。从图 11a中可见，地面稳定维持的偏东南风有利于将海淀东南方向的水汽输送至海淀，维持雷暴产生强降水所需要的水汽。雷暴发生期的29日22:35，山前存在较弱的辐合，辐合高度主要集中在1 km以下，偏东南气流沿着山脉爬升产生垂直上升运动；到23:00随着偏东南风增强，山前辐合显著增大，并延伸至2.5 km高度左右，与此同时，垂直运动也显著增强(图 11b、c)。此后，随着对流高层辐散形成，对流垂直运动和山前辐合稳定维持并加强(图 11b-e)，这有利于雷暴进一步发展。当日23:47(图 11f)，随着对流在垂直方向上伸展，整层为辐合控制，同时地面冷池出流的辐散作用加强，山前逐渐被辐散气流所控制，山前辐合迅速减弱，山前辐合与中层辐合逐渐脱离，垂直运动显著减弱，雷暴逐渐消亡。

雷暴冷池出流与环境低层垂直风切变相互作用是雷暴系统维持较长生命期的重要条件。为进一步了解雷暴消亡阶段冷池及其出流的特征，选取雷暴消亡阶段的7月29日23:47扰动温度场、风场及其垂直剖面进行分析。结果表明，整个海淀地区几乎均为较强的冷池所控制，中心扰动温度在-4 ℃以上，与此相伴的低层风场，在海淀地区表现为一明显的辐散区(图 12a)，而由其垂直剖面结构特征可知(图 12b)，该过程环境风场不存在显著的垂直风切变，难以形成有组织的上升下沉气流结构，同时山前几乎整层为显著的偏南风控制，无明显垂直风切变，这与Newton^[18]提出的稳定气流(无明显垂直风切变)中的雷暴单体的概念模型相似，从而决定了雷暴生命史不会太长。这是上述雷暴生命期较短的重要原因之一。

4 结论与讨论

本文综合分析了2009年7月29日发生在香山地区的一次局地暴雨过程，并从局地热力条件和触发机制等出发，探讨了该过程的强降水落区和持续特征。主要研究结论如下：

(1)“7.29”过程是一次典型的局地新生雷暴引发的γ中尺度局地大暴雨过程，其发生发展突然、持续时间短、局地性强、降水强度大。

(2) 环境场较低的抬升凝结高度和自由对流高度使得新生雷暴的触发不需要太强的辐合抬升机制；北京北部山区雷暴冷池出流形成的300米左右厚度的边界层偏北风与环境场偏南风的辐合，对香山雷暴的新生起到关键触发作用，有利的局地水汽条件为雷暴产生强降水提供了充沛水汽。

(3) 香山雷暴发生后，由于缺乏雷暴冷池出流与环境场低层垂直风切变的相互作用，使得对流系统难以获得有组织的发展，在地面形成了强辐散区，在切断低层辐合上升运动的同时，还切断了低层水汽来源，造成香山雷暴发展成熟后很快消亡。

(4) 复杂地形在对流发生发展过程中具有重要作用，一是在雷暴新生前期通过山前辐合抬升对其起到触发机用，二是对大气垂直上升运动起到增幅作用。

通过上述分析可知，加强稠密观测资料的分析与应用，对细致理解γ中尺度局地暴雨的发生和发展机制有较大的促进和帮助作用；但如何有效地将这些新型探测资料融合到中尺度数值模式当中去以改进数值预报水平，还有待今后进一步开展相关研究。

中国气象局北京城市气象研究所陈明轩副研究员为本文提供了VDRAS相关资料并给予大力帮助。谨此致谢！