引言

华北是我国东部夏季三大降水区之一，降水次数虽少，但降水强度大，其预报难度也大^[1]。新中国成立以来，华北地区重大暴雨灾害时有发生，如“63.8”海河流域特大暴雨、“75.8”河南特大暴雨、“96.8”河北特大暴雨等。2012年7月21日发生在北京市及河北省的特大暴雨过程(以下简称“7.21”北京特大暴雨)再次造成重大气象灾害和社会影响。多年来，很多学者针对该过程从天气学、数值模拟等方面开展了分析研究，取得较多有价值的成果。Meng等^[2]通过实地调查研究指出“7.21”北京特大暴雨过程中可能有龙卷发生。孙建华等^[3]分析了形成“7.21”北京特大暴雨的天气系统多尺度特征，指出中尺度对流系统频繁发生发展、长时间持续且稳定少动是特大暴雨的重要成因。全美兰等^[4]研究了高空急流在此次降水过程中的作用，表明高空急流的辐散抽吸作用以及与高空急流相伴随的次级环流对暴雨发生起重要的动力作用。廖晓农等^[5]分析了该过程实现充沛水汽远距离输送到华北并在北京上空积聚的天气尺度动力过程。刘海文等^[6]分析了锋生及次级环流对此次暴雨过程降水增幅和最大降水的影响。此外，在数值模拟(预报)研究方面，周玉淑等^[7]、刘璐等^[8]等利用WRF模式对此次暴雨过程进行了模拟，但模拟效果较差，表现为降水落区与实况差距较大，降水中心量值偏小，降水发生时间存在3~6 h滞后等。姜晓曼等^[9]讨论了华北数值预报业务系统对“7.21”北京特大暴雨预报效果不足问题。

与以往华北重大暴雨过程相比，“7.21”北京特大暴雨过程有一显著特征:整个过程可分为锋前暖区降水和锋面降水两个阶段。孙继松等^[10]最初指出该过程存在两个降水阶段，第一阶段为21日10-20时(北京时，下同)，呈现短时雨强大且波动性显著的对流性降水特点，第二阶段为21日20时-22日04时，降水相对平缓，表现为锋面降水特征，且地形对降水增幅作用明显，山脉阻挡使东南气流爬坡抬升，加大了山前地区降水。随后，有人进一步将该过程划分为暖区降水和锋面降水两个阶段。如谌芸等^[11]认为，暖区降水阶段为21日10-16时，锋面降水阶段为17-20时，其中暖区降水过程以层状云降水和分散对流性降水为主，锋面降水则以MCC(中尺度对流复合体)降水为主。孙明生等^[12]以21日20时为分界线将该过程划分为暖区降水和锋面降水，认为暖区降水持续时间长，小时雨量大。Zhong等^[13]研究发现，第一阶段暖区降水主要是西南低空暖湿气流在北京西部山前辐合抬升产生的对流系统造成。孙建华等^[3]则认为，第一阶段在21日10-20时，发生在冷锋影响北京之前，与地形和东风作用有关，第二阶段降水在21日20时-22日06时，与对流的组织和增强以及冷锋强迫相关。

上述已有研究虽已表明“7.21”北京特大暴雨过程包括暖区降水和锋面降水两个阶段，但由于缺乏对锋面位置的细致讨论，对两个降水阶段的具体时间划分，不同学者有所不同，对各阶段降水强度等特征的描述也有不同。其中，关键问题是，截至目前，已有研究仅给出暴雨过程总降水量区域分布图，均未给出暖区降水阶段和锋面降水阶段降水量区域分布图，即均未指明暖区降水阶段和锋面降水阶段暴雨中心分别位于何处。由于两个阶段降水中心未明确，从而影响到对造成暖区降水和锋面降水的天气系统的差异性分析和机理分析，也难以细致分析两个阶段的降水特点和联系，进而影响到对洪涝灾害成因等问题的准确理解。因此，本文在前人研究基础上，借助多种观测资料，首先分析该过程锋面移动、加强和过境北京的特征，然后分别对北京西北部、西南部、中部、东北部、东南部以及河北省拒马河流域各区代表站降水阶段进行划分和分析，最后探讨了该过程暖区降水和锋面降水的区域分布特征。

本研究所用资料包括：常规观测资料、地面加密自动站观测资料、FY-2E红外卫星云图、北京多普勒天气雷达1.5°仰角基本反射率因子产品以及NCEP/ NCAR逐6 h再分析资料(水平分辨率1°×1°)。

1 “7.21”北京特大暴雨的锋面移动

明确“7.21”北京特大暴雨过程的锋面移动特征是进行暖区降水和锋面降水划分的基础。判定锋面位置，一般依据的是地面风向的气旋性转变、单站气压由降转升、单站气温变化以及结合中高层锋区、槽线活动；通过锋生函数分析可考察锋面发展和移动趋势^[14]。为此，本文从500 hPa锋区、地面冷锋、锋生函数、探空观测、单站要素演变等方面，对“7.21”北京特大暴雨过程锋面活动综合分析如下。

1.1 500 hPa锋区

2012年7月21日08时(图 1a)，中高纬度地区呈现两脊一槽环流形势，阻塞高压在乌拉尔山以东，另一个暖脊位于库页岛附近，在贝加尔湖地区有一个冷低涡，低涡南部的槽线附近（40°-50°N，105°-110°E）有弱锋区（等温线密集带）；西太平洋副热带高压(以下简称副高)较强，在18°-37°N、118°-135°E形成闭合高压环流，588 dagpm线位置偏西，其西端位于118°E，北端达到37°N附近。21日14时(图 1b)，中高纬度两槽一脊稳定少动，但贝加尔湖冷空气向东南方向侵入，-12 ℃线向东南移动约300 km到达中蒙边境附近；受南海台风北上影响，副高范围缩小，588 dagpm线东退到120°E，北端收缩至35°N附近；北京附近-4 ℃线北抬约100 km，中蒙边界至河北北部地区有冷暖空气相向运动，北京西北方锋区呈现加强趋势。21日20时(图 1c)，中蒙边境附近-12 ℃线南端继续向东南移动约200 km，河北北部边缘-4 ℃线又北抬约50 km，蒙古低涡南部高空槽在43°N附近从106°E缓慢东移到108°E，而副高588 dagpm线闭合环流中心在30°N、118°E附近稳定少动，形成明显的下游阻挡形势^[14]，北京西北方锋区进一步加强。

1.2 地面冷锋移动

图 2给出7月21日不同时次FY-2E红外云图、北京多普勒天气雷达反射率因子(1.5°仰角)图与地面天气图。21日08时(图 2a)，山西北部至河北西部为对流云团控制，位于河北中西部的强对流云团反射率因子达50 dBz以上，而北京反射率因子仅10 dBz，山西、河北大部地区处于地面倒槽控制之下，河北及北京地区为槽前东南风，从而判断锋面还未进入河北，锋面呈东北-西南向，大致从陕甘交界延伸到河北西北部；11时(图 2b)，对流云团缓慢东移，北京西部逐渐受其影响，北京西部与河北交界地区出现零散强回波(＞45 dBz)，地面倒槽向东北方向移动，河北西北部风向由偏南风转为偏北风，表明锋面到达河北西北部；14时(图 2c)，对流云团缓慢东移并已控制北京西南大部，雷达观测到强对流云团进入北京西北部和西南部，表明锋面推进到了北京西部边界；17时(图 2d)，北京全境处于强对流云团控制下，强回波呈带状分布，从北京西南部伸展至东北部，且存在两个反射率因子大值区(＞45 dBz)，分别位于顺义和房山地区，此时倒槽中部低值区伸至北京，表明锋面移动到北京中部地区；20时(图 2e)，华北地区对流云团分裂，河北中南部对流云团减弱并趋于消散，而北京、天津以及河北东北部仍处于强对流云团的控制之下，雷达强回波带(＞45 dBz)到达北京东南部，此时北京西部位于倒槽后部西北风中，北京东部和天津为东南风，表明锋面东移至北京东部；到21日23时(图 2f)，河北中南部及西部对流云团基本减弱消失，强对流云团(＞45 dBz)移出北京至京津冀三省(市)交界地区，地面倒槽明显减弱，锋面已移出北京，降水过程趋于结束。

1.3 锋生函数演变

锋生函数可较好地反映出由于水平运动和垂直运动造成的锋面发展和移动趋势^[14]。锋面发展阶段，锋生函数大值区一般与锋面相伴随且位置沿锋面移动方向略有超前^{[6, 15]}。锋生函数计算引用Kato^[16]和Hoskins等^[17]的方法，其计算式为

$ F=\frac{\text{d}}{\text{d}t}|\nabla {{\theta }_{\text{se}}}|={{F}_{1}}+{{F}_{2}}+{{F}_{3}}+{{F}_{4}} $

(1)

$ {{F}_{1}}=\frac{1}{|\nabla {{\theta }_{\text{se}}}|}[(\nabla {{\theta }_{\text{se}}})\cdot \nabla \frac{\text{d}{{\theta }_{\text{se}}}}{\text{d}t}] $

(2)

$ {{F}_{2}}=\text{ }-\frac{1}{2}\frac{1}{|\nabla {{\theta }_{\text{se}}}|}{{(\nabla {{\theta }_{\text{se}}})}^{2}}{{D}_{\text{h}}} $

(3)

$ {{F}_{3}}=\text{ }-\frac{1}{2}\frac{1}{|\nabla {{\theta }_{\text{se}}}|}\left\{ \left[ {{\left( \frac{\partial {{\theta }_{\text{se}}}}{\partial x} \right)}^{2}}-{{\left( \frac{\partial {{\theta }_{\text{se}}}}{\partial y} \right)}^{2}} \right]{{A}_{\text{f}}}+2\frac{\partial {{\theta }_{\text{se}}}}{\partial x}\frac{\partial {{\theta }_{\text{se}}}}{\partial y}{{B}_{\text{f}}} \right\} $

(4)

$ {{F}_{4}}=\text{ }-\frac{1}{|\nabla {{\theta }_{\text{se}}}|}\frac{\partial {{\theta }_{\text{se}}}}{\partial p}\left( \frac{\partial {{\theta }_{\text{se}}}}{\partial x}\frac{\partial \omega }{\partial x}+\frac{\partial {{\theta }_{\text{se}}}}{\partial y}\frac{\partial \omega }{\partial y} \right) $

(5)

$ {{A}_{\text{f}}}=\frac{\partial u}{\partial x}-\frac{\partial v}{\partial y} $

(6)

$ {{B}_{\text{f}}}=\frac{\partial v}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial y} $

(7)

$ {{D}_{\text{h}}}=\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial u}{\partial y} $

(8)

当F＞0时为锋生，当F＜0时则为锋消。其中，θ_se为假相当位温；F₁、F₂、F₃、F₄分别为非绝热加热项、水平辐散项、水平变形项以及与垂直运动有关的倾斜项。由于非绝热加热项难以采用NCEP资料进行准确分析，故不作讨论。

从850 hPa等压面看到，21日08时(图 3a)，锋生区呈东北-西南向分布，与锋区(即等θ_se线密集区)走向和位置基本一致，位于河北西部，说明锋区有增强趋势，但离北京较远；14时(图 3c)，锋生区从陕西和山西的北部向东北延伸至河北西北部边缘以及内蒙古中南部，由此可知在14时北京还未出现明显锋生；20时(图 3e)，西南-东北向锋生带减弱，同时在北京西南和东南部有显著锋生区发展，表明20时前后北京地区锋面增强十分显著。

从其剖面图上看到，21日08时(图 3d)，与锋区相伴随的锋生带随高度向西北方向倾斜，近地面锋生函数大值带位于42.5°N、112°E附近，距离北京约300 km，此时850-500 hPa锋生函数值约为(20~40)× 10^-10 K·m^-1·s^-1以上；14时(图 3e)，锋区有所加强，同时伴随锋面的锋生在中低层显著加强，锋生函数最大值达60×10^-10 K·m^-1·s^-1以上，锋生函数大值区向东南移动约200 km，但尚未到达北京(40°N、116°E)；20时(图 3f)，锋生区向东南移到北京，北京(40°N、116°E)附近从地面至600 hPa存在显著锋生，中心值达100× 10^-10K·m^-1· s^-1以上，锋区强度也达到最大。

综上分析锋生函数演变看到，当日14时前锋面尚未到达北京，20时前后其过境北京。这与前述对地面冷锋移动的分析结果一致。

1.4 探空资料分析

从位于北京东南部观象台站(54511站)的探空观测图上也能清晰看到锋面过境北京东南部的时间。21日14时(图 4a)，近地层到对流层中层(1 000-500 hPa)基本为偏南风控制，500 hPa以上转为偏西风，对流有效位能(CAPE)为2 663 J∙kg^-1，不稳定能量较大，对流抑制能量(CIN)较低，其值为零。0-3 km垂直风切变约为20 m· s^-1，0-6 km垂直风切变约为24 m· s^-1。到21日20时(图 4b)，近地层风向由偏南风转为偏北风，850 hPa为偏东风，700 hPa以上风向变化不大；随着高度增加，北京由偏南风控制逐渐转为偏西风控制，但仍维持着较强的对流层低层垂直风切变；近地层温度下降约4 ℃，CAPE值为15 J· kg^-1，不稳定能量显著减小，CIN(绝对值)明显增大(-929 J·kg^-1)，从而显示了锋面过境造成的对流不稳定能量变化。由于低层风向转变主要发生在925 hPa及以下，又考虑到锋面的倾斜特征，因此由低层风向可判断锋面过境北京东南部观象台的时间应在临近20时之前，这与对地面自动站资料的分析所得到的结果一致。

1.5 单站气象要素演变

传统“锋面”定义为两个不同性质气团的“物质面”，而真实大气的锋面并非如此；加上降水(尤其是对流性降水)出现后，在两种大尺度气团交界附近，特别是暖空气一侧更易出现中尺度地面冷池和出流，造成气压、气温和风向剧烈变化。为更细致判定“7.21”北京特大暴雨过程的锋面位置，对地面单站气象要素逐小时演变分析如下。

本文主要根据单站气压或温度停止明显下降时刻来确定地面锋面过境时间，同时参考单站风向的转折性变化。在通过单站气压、温度、风向的逐小时演变来细致考察锋面过境情况时，选取北京市和河北省共7个代表性地面观测站分别代表北京的不同区域，即以延庆站代表北京西北部、霞云岭站代表北京西南部、海淀站代表北京中部、观象台站代表北京东南部、密云站代表北京东北部、涞源站代表河北省拒马河流域，固安站则代表北京东南部与河北的交界处(图 5)。

图 6给出上述7个代表站7月21日08-22时气温、地面气压和风的时间演变。从中看到，位于北京西北部的延庆站(图 6a)，气压一直处于下降状态，温度则在14时后下降平缓，14时风向由偏东风转为东北风，以此判定14时为锋面过境时间；北京西南部的霞云岭站(图 6b)，16时后气压、温度无明显下降，锋面过境时间在16时；北京中部的海淀站(图 6c)，17时之后气压、温度开始平缓下降，此时为锋面过境时间；东北部的密云站(图 6d)，气压持续下降，气温在17时开始平缓下降，17时为锋面过境时间；东南部的观象台站(图 6e)，气压和温度在18时开始平缓下降，同时风向由偏东风转为偏北或东北风，18时锋面过境北京东南部；拒马河流域的涞源站(图 6f)，气压从17时开始平缓下降，温度变化平缓，17时为锋面过境拒马河流域时间；北京东南部与河北省交界的固安站(图 6g)，温度和气压在21时变得平缓，风向在20时由偏东风转为偏北风，故将锋面过境时间定在20-21时。

2 降水阶段划分及其时空分布特征

在上述对“7.21”北京特大暴雨过程锋面移动、加强和过境北京的情况进行分析之后，该降水过程可初步划分为暖区降水和锋面降水两个阶段。在锋面降水过程中，当锋面过境时，大多数观测站小时雨强逐渐增大，锋面过境约3 h后，雨强逐渐减小，此时可作为锋后降水阶段的起始时间。因此将该过程进一步划分为暖区降水、锋面过境降水和锋后降水三个阶段。首先，选取延庆、佛爷顶、玉渡山三站代表北京西北部，霞云岭、门头沟、龙泉三站代表北京西南部，海淀、顺义、房山三站代表北京中部，上甸子、密云、平谷代表北京东北部，观象台、采育、南各庄、固安四站代表北京东南部，龙门镇、烟煤洞、涞源三站代表河北省拒马河流域(图 5)；然后，逐站进行降水阶段分析和划分；最后，进一步考察该过程暖区降水和锋面降水的区域分布特征。

2.1 代表性单站降水阶段划分

首先，考察北京西北部各单站降水。由于14时锋面到达北京西北部，因此15时前为暖区降水，15-17时为锋面过境降水，17时后为锋后降水。从三站降水时间序列看到(图 7a-c，见上页)，整个过程降水量在70 mm左右，其中暖区降水为10~13 mm，暖区降水占整个过程降水的15%左右，锋面过境降水占47%左右，锋后降水占38%左右。可见，北京西北部以锋面降水占主导。北京西南部地区(“7.21”北京特大暴雨中心)，16时之后锋面到达该地区，因此以16时为分界线，16时前为暖区降水，16-20时为锋面过境降水，20时后为锋后降水。从三个代表站降水时间序列图看出(图 7d-f)，整个降水阶段北京西南部总降水量在300 mm以上，达到特大暴雨级别，其中暖区降水量为100~ 140 mm，占总降水量的40%左右，锋面过境降水量为130~180 mm，占46%左右，锋后降水量30~70 mm，约占14%。可见北京西南部具有暖区降水、锋面过境降水和锋后降水先后发生且三个阶段都达到暴雨以上量级的特点，暖区降水和锋面降水的重要性相当，并引发北京西南部严重洪涝灾害。

北京中部地区，17时锋面到达该地区，因此17时前为暖区降水，17-20时为锋面过境降水，20时后为锋后降水，三个代表站整个降水阶段总降水均在240 mm左右(图 7g-i)，其中海淀、顺义两站暖区降水为75~ 88 mm，暖区降水占32%左右，达到暴雨级别，锋面过境降水占47%左右，锋后降水占21%左右；而房山站暖区降水较少(25.6 mm)，约占其总降水量的9%，而锋面过境降水约占60%，锋后降水约占31%。

北京东北部地区(图 7j-l)，17时锋面到达该地区的密云和上甸子站，因此17时前为暖区降水，17-20时为锋面过境降水，20时后为锋后降水；同时由于平谷站位置偏东，锋面到达平谷站的时间为20时，因此该站20时前为暖区降水，20-23时为锋面过境降水，23时后为锋后降水。上述各站整个降水过程中暖区降水占8%左右，锋面过境降水占45%左右，锋后降水约占47%左右。

北京东南部地区，由于观象台位置偏西，地面锋18时到达，因此18时之前为暖区降水，18-21时为锋面过境降水，21时后为锋后降水。其他三站(采育、南各庄、固安)锋面在20时到达，因此20时之前为暖区降水，20-23时为锋面过境降水，23时后为锋后降水。从四个代表站降水时间序列图上可见(图 7m-p)，整个降水过程中，暖区降水为3~9 mm，暖区降水约占4%左右，而锋面过境降水占47%~68%，锋后降水占23%~ 52%。可见，北京东南部大部分降水来自锋面降水。

此次暴雨过程引起河北省拒马河流域河水暴涨，造成重大损失。锋面17时到达该流域，因此17时之前为暖区降水，17-20时为锋面过境降水，20时后为锋后降水。从三个代表站(图 7q-s)降水量逐小时时间演变看到，暖区降水为100~180 mm，占整个降水的86%以上，锋面过境降水只占14%左右，而锋后降水占比很小。可见暖区暴雨是造成河北省拒马河流域严重洪涝灾害的主要原因。

2.2 暖区降水和锋面降水区域分布特征

以上分析锋面过境以及单站降水时间序列特征可知，“7.21”北京特大暴雨过程暖区降水和锋面降水特征十分显著。该过程(21日08-22日03时)累积降水中心位于北京西南部，降水量达300 mm以上(图 8a)，属特大暴雨。为进一步考察暖区降水和锋面降水区域分布特征，以锋面相对于该过程总降水量中心移动情况作为降水阶段划分的主要依据, 将该过程划分为三个阶段:第一阶段21日08-16时，为锋前暖区降水阶段；第二阶段21日16-20时，为锋面过境降水阶段；第三阶段21日20时-22日03时，为锋后降水阶段。在暖区降水阶段(图 8b)，出现了两个大值中心，降水极值中心位于河北省拒马河流域，降水量达140 mm；另一降水大值中心位于北京西南部，降水量约110 mm。锋面过境降水阶段(图 8c)，也出现了两个降水大值区，其中较大中心位于北京西南部，降水量在110 mm以上；次大值中心主要位于密云区，降水量在70 mm以上。而在锋后降水阶段(图 8d)，北京西南部锋后降水明显，达50~70 mm；同时，该阶段降水中心与过境锋面相对应，位于北京东南部与河北交界地区，降水量达170 mm，北京其他大部地区为锋后降水，但降水量相对较小。

综上分析可知，暖区降水主要集中在河北省拒马河流域、北京西南部山区以及北京中部地区。北京西南部之所以成为“7.21”北京特大暴雨中心，是由“暖区暴雨次中心”、“锋面过境降水中心”以及“锋后降水”共同形成的，其分别占总降水量的40%、46%、14%。北京西北部、东北部、东南部降水主要由锋面降水构成，暖区降水所占比例在15%以下。

3 结论与讨论

本文利用常规观测资料、地面加密自动站资料、FY-2E红外卫星云图、多普勒天气雷达产品以及NCEP/NCAR逐6 h再分析资料，讨论了“7.21”北京特大暴雨过程的降水阶段细致划分问题，并对其降水时空分布特征进行了细致分析。主要结论如下：

(1) 以锋面相对于“7.21”北京特大暴雨过程总降水量中心的移动情况作为降水阶段划分的主要依据，该过程降水可细分为三个阶段:第一阶段为21日08- 16时，主要为锋前暖区降水，降水中心位于河北拒马河流域，北京西南部为次大值降水中心；第二阶段为21日16-20时，主要为锋面过境降水，降水中心位于北京西南部的房山区；第三阶段为21日20时-22日03时，北京西南部有明显锋后降水，降水中心与过境锋面相对应，位于北京东南部与河北交界处。

(2) 该过程暴雨中心的降水由暖区降水、锋面过境降水和锋后降水构成，分别占40%、46%、14%。北京西北部、东北部和东南部的降水主要由锋面降水构成，暖区降水所占比例在15%以下。

(3) 河北省拒马河流域洪涝灾害主要是由暖区降水引起，北京西南部洪水灾害既有暖区降水的作用，也有锋面过境降水的作用。该过程暖区降水和锋面降水具有同等重要性。

降水阶段的细致划分及其各阶段降水时空分布特征的分析，不仅有助于清晰认识暖区暴雨和锋面暴雨的重要性，也有助于认识暖区暴雨和锋面降水的形成机制及其相互作用，还有助于理解“7.21”北京特大暴雨数值预报(模拟)的可预报性。以往认为“7.21”北京特大暴雨模拟的困难是对暖区暴雨的模拟，而锋面降水容易模拟^[18]。然而，经初步数值试验发现，在暖区暴雨阶段，由于α中尺度低压的存在，较易模拟出暖区降水；而由于对锋面东移和下山增强过程难以合理模拟，锋面降水则更难模拟。从周玉淑等^[7]和刘璐等^[8]的数值模拟结果看，均没有模拟出锋面过境降水的特征。因此，相关数值模拟试验研究还有待深入。在该过程锋后降水阶段，其降水中心与过境锋面相对应，位于北京东南部与河北交界地区，降水量达170 mm，但对过程总降水量中心而言(即北京西南部)，此时已属于锋面后部降水，且锋后降水仍达到暴雨量级，其原因也有待继续探讨。

需要说明的是，该过程虽然早已被学术界和相关业务部门通称为“北京7.21特大暴雨”，但实际上该过程暖区降水阶段的降水中心是在河北境内，并给河北当地带来严重暴洪灾害，这从另一方面也反映了对这次特大暴雨过程降水阶段进行细致划分的重要性和必要性。

北京市气象台首席预报员孙继松研究员对文中锋面分析给予了指导。特此致谢！