引言

2002年8月1日傍晚正当北京被高温高湿的“桑拿天气”困扰时，北京东北部密云县发生了30年一遇的局地特大暴雨。降水从19 :00(北京时，下同) 开始，石城镇水文站5 h的降雨量达到280.2 mm，最大1 h雨量达74.2 mm (图 1)。降水集中在密云和怀柔县交界处云梦山区方圆为70 km2的9个山村里 (密云水库以西约10~20 km的范围内)。北京市气象台在21 :00向市防汛办发出了暴雨警报。由于在山洪到来前采取了转移泥石流险区的居民，使2000多民众脱险 (详见中国气象报8月12日报道)。北京市气象局密云自动雨量站所观测到的雨量从19 :00开始的5 h降水量记录却只有1.5 mm，可见这次暴雨有很强的局地性。

这是一场局地的短历时特大暴雨，与由中纬度斜压系统引起的大尺度暴雨过程^[1]有着显著的不同。因此，本文首先用卫星云图分析造成暴雨的中-β尺度对流系统的发展过程，然后诊断分析发生暴雨的高、低空大尺度环流背景，还分析地面天气图揭示中尺度系统的活动。

为了较准确地揭示对流系统的发展过程，采用了从GMS卫星红外1通道数值资料反演的云顶黑体辐射温度TBB资料，用TBB低于-30 ℃表示对流云团。大尺度环流条件和北京地区的大气层结由常规天气资料的客观分析得到。分析的时间包括暴雨发生的当天和发生的前一天。

1 暴雨系统的卫星云图分析

从每小时一次的GMS卫星红外云图上可以清晰地看到，直接造成密云暴雨的天气系统是中-β尺度对流系统。图 2给出了8月1日18 :00~23 :00红外云图黑体辐射温度TBB分布图。从图可见，这个中-β尺度对流系统是从傍晚18 :00北京西面河北境内的两个中-γ尺度对流单体A和B^[2]发展而成的 (见图 2a)。这两个对流单体向东移动得很快，1 h后已移到北京北部山区，其中单体B已到达密云上空 (见图 2b)。之后，这两个单体移动变慢，但强度迅速加强，到20 :00已发展成两个水平尺度达50 km左右的中-β尺度对流系统 (见图 2c)。到21 :00 A、B两个云团已经合并为水平尺度达100 km的中-β尺度系统。这两个对流系统的合并不仅与它们的迅速发展有关，而且和它们的移动情况不同有关。仔细观察可以发现，单体B基本停留在原地发展，而A单体则继续东移并与B合并。

合并后的云团云顶最低温度达到-70 ℃以下，显示出对流系统的上冲云顶的位置，而且其西侧的TBB等值线非常密集，说明云体边缘陡直、对流非常旺盛^[3]。必须指出，合并后的中-β尺度对流系统，在21 :00~23 :00的3个时次中位置基本保持不动，只有其东侧的冷云顶表现出东南方向的扩展。TBB等值线的分布表明，东侧的TBB梯度较小，这是成熟对流系统上部卷云砧向下游方向延伸的表现。但是，其西侧的TBB等值线非常密集，最低的TBB中心所代表的上冲云顶也偏于云体的西侧，它们始终位于密云和怀柔交界处的云梦山区，而这一地区就是局地大暴雨发生的地区。

上述GMS卫星红外1通道TBB的分析，不仅揭示了密云局地特大暴雨是由中-β尺度对流系统在北京北部山区的停留造成的，而且表明TBB密集区和上冲云顶的位置对暴雨的落区有很好的指示意义。

2 大尺度环流背景诊断

从7月31日到8月1日500 hPa副热带高压向西北伸展，8月1日08 :00 592 dagpm的副热带高压中心位于山东半岛，北京处于副高西北侧588 dag pm等高线的控制下 (图 3a)。同时，在河套北部有一个相当弱的西风带小槽。该环流形势与陶诗言总结的华北暴雨型式^[4]十分类似。

500hPa的垂直速度计算表明，暴雨发生前一天的7月31日08 :00，北京处于大范围下沉运动的控制下 (图 3b)。在这种形势下，北京地区的大气层结很可能会出现由下沉逆温引起的干暖盖现象^[5，6]，它会抑制不稳定能量的零星释放，使不稳定能量在对流层下部积累，为未来的强对流天气的发生创造条件^[7]。分析8月1日08 :00通过石城乡 (116.85°E，40.58°N) 的垂直速度和相当位温经向剖面 (图 3c) 发现，华北上空500 hPa以下相当位温随高度减小具有对流性不稳定的大气层结，但石城上空850~500 hPa之间为较强的深厚下沉区，抑制了不稳定能量的释放。值得注意的是在8月1日08 :00 500 hPa垂直速度图上，虽然华北地区上空仍为大范围的下沉运动所控制 (见图 3d)，但在河套短波槽的东侧已出现了一个小范围的弱上升速度区。在它的影响下，北京地区存在的不稳定能量就很有可能导致对流发生。

850 hPa的垂直速度计算进一步表明，暴雨前一天7月31日08 :00的下沉运动相当强 (图 4a)，其位置与500 hPa的下沉中心 (图 3b) 一致，说明抑制不稳定能量释放的下沉运动非常深厚，有利于形成下沉逆温使对流不稳定能量得以积累。但是到1日08 :00，北京上空850 hPa已转为微弱的上升运动，说明密云暴雨发生的当天上午，环流形势已发生了有利于午后出现局地对流的转变。

充沛的水汽是产生暴雨的必不可少的条件之一。从图 5(a)给出的降水时850 hPa水汽通量矢量场可以看到，北京上空存在很强的水汽通量，显示出西太平洋副热带高压边缘有大量的暖湿空气从南方向北京输送。但是大尺度环流水汽通量散度的计算结果表明，水汽辐合区偏于北京西南方的山西境内，它与河北省西部一个较大的对流云团大致对应。同样700 hPa水汽通量矢量场 (图 5b) 中，北京也处于西太平洋副热带高压西侧偏南风水汽输送带的边缘，同时还有来自北面的水汽通量的辐合。虽然水汽辐合中心并不正好位于北京地区上空，但是大尺度环流还是显示出存在有利的水汽通量场。在下文的地面中尺度分析中将会看到，近地面存在非常显著的水汽通量辐合。

从对流层上部的动力学条件看，密云暴雨前24 h，200 hPa为大范围的负涡度平流 (见图 6a中箭头所指)，其动力强迫作用所引起的高空辐合会抑制对流的发生^[8]。到暴雨开始发生时的1日20 :00(图 6b)，负涡度平流区已移到山东和河北南部，内蒙古出现一个明显的正涡度平流区，北京地区处于正、负涡度平流的过渡区，说明高空大尺度环流中抑制对流发展的动力学条件已经不复存在。结合图 3a和3c及图 4b可知，8月1日08 :00的高、低空大尺度环流虽然不具备产生区域性暴雨的条件，但是对于局地对流的发生还是有利的，只要北京地区存在足够的不稳定能量。

3 静力稳定度和触发机制分析

对流性局地强暴雨只有在很强的静力不稳定的大气层结中才会发生。为了了解北京地区的稳定度条件，我们对密云局地暴雨发生前7月31日08 :00、20 :00和8月1日08 :00的各种稳定度参数，包括对流有效位能、抬升凝结高度、自由对流高度、对流平衡高度、沙氏指数和K指数进行了计算。计算结果在表 1中给出。其中对流有效位能C_APE为:

式中T_e为环境温度，T_p为气块温度。有效位能是T-ln p图中环境曲线和气块过程曲线所包围的正负面积之差，表示环境大气所具有的有效不稳定能量的大小^[9]。计算结果表明，7月31日上午北京上空的C_APE已经非常大，达到3017.8 J/kg。而从31日08 :00~20 :00的12 h内C_APE值又增加了1102.2 J/kg，达到4116.0 J/kg。它表明如同在上一节中指出的，暴雨前一天的大尺度环流有利于不稳定能量在北京地区积累。因此，C_APE的计算说明北京地区存在很大的对流不稳定能量，非常有利于强对流天气的发生。

表 1中的各稳定度参数也都表明北京地区大气层结相当不稳定，有利于对流的发生^[9]。8月1日08 :00和7月31日08 :00相比，各种参数都是变得更不稳定，自由对流高度从774 hPa变为881 hPa下降了近100 hPa，而对流平衡高度则从168 hPa上升到136 hPa。也就是说从7月31日到8月1日，北京地区大气的不稳定能量是有所积累的。

其原因如前面已指出的，发生密云暴雨前一天的大尺度环流背景所伴随的深厚的下沉运动，使不稳定能量不会零星释放而积累起来。为了考察密云暴雨发生前北京地区的大气层结是否存在最有利于不稳定能量积累的干暖盖，我们查阅了北京的探空纪录。结果发现，在7月31日08 :00的探空记录中，828 hPa有一特性层，其温度为22.0 ℃，露点温度为11.0 ℃; 而850 hPa标准等压面的温度为21.2 ℃，露点温度为16.2 ℃。上层的温度高于下层，而且上层的温度与露点差很大为11 ℃，下层的温度与露点差只有5 ℃，明显地具有下沉逆温的性质。虽然这个下沉逆温的厚度不大，但它可能起了干暖盖的作用，有利于北京地区不稳定能量的积累。与之相反，在8月1日北京的探空资料中，没有发现这种下沉逆温现象，因此具备了对流被触发的条件。

在不稳定的大气层结下，如果存在某种触发条件使低层空气上升到自由对流高度，对流系统就会迅速地发展起来。由图 7给出的华北地区地面天气形势可见，密云暴雨发生前夕的17 :00北京市处于一个地面中尺度低压的控制下。低压中心位于北京的西北部，中心最低气压为1004 hPa。同时，在低压的东侧还存在一条由偏南风和偏东风组成的辐合线。北京的北部位于低压东侧的辐合气流中，是一种有利于触发对流的流场。到20 :00，地面气压场中的中尺度闭合低压更加明显。虽然其中心气压值由于气压日变化的原因较17 :00略有升高，但低压东侧由偏东风和偏南风构成的辐合气流比17 :00显著加强 (如图中的粗箭头所示)。它在北京地区的北部带来暖湿空气的辐合。上述分析表明，这次造成密云暴雨的中-β尺度对流云团是由中尺度低压及其东部的辐合线触发产生的。

应该指出，图 7b中伴随中尺度低压发展所出现的地面强辐合气流，在上述的高空大尺度环流场中是没有的。

对比分析地面流场和北京地区地形，不难发现地面流场和密云水库到云梦山之间地形的配置是非常有利于地面暖湿空气抬升。因此，地形作用对这次局地性大暴雨的产生也起了十分重要的作用，卫星云图上发现的中-β尺度对流系统在石城山区停留也可能与地形有密切关系。

4 结论

对引发2002年8月1日密云泥石流的特大暴雨的云图分析，大尺度环境诊断和地面中尺度分析表明:

(1) 这是一次由中-β尺度对流系统造成的局地短历时特大暴雨。它生成后在北京北部山区停留了2~3 h，因此在一个不大的范围内产生了高达200 mm的雨量，并引发了泥石流。红外云图资料反演出的TBB分布图中，TBB等值线的密集区和上冲云顶的位置对暴雨的落区有很好的指示意义。

(2) 暴雨发生前一天的大尺度环流存在相当深厚的下沉运动，它所伴随的逆温层抑制了对流的发生使不稳定能量得以积累。暴雨发生的当天，下沉运动转为微弱的上升运动，使对流的发生成为可能。

(3) 大尺度水汽通量场的计算表明，北京及其周围地区处于对流层下半部自西太平洋副热带高压边缘强大的水汽输送带中，可为暴雨的发生提供充沛的水汽来源。

(4) 地面中尺度低压和辐合线是对流的触发系统，并且这个中尺度低压还造成了近地面层暖湿空气在密云西部山区强烈辐合。

致谢 感谢北京大学毛节泰和王美华老师提供的GMS云图资料。