李青春 程叢蘭 全繼萍 陳 敏 竇有俊 仲躋芹

北京城市氣象研究院，北京 100089

提 要： 為了揭示北京地區(qū)夏季暴雨形成過程中的低空急流成因、結(jié)構(gòu)特征及其作用，利用風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、NCEP/GFS再分析資料(0.5°×0.5°)、國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站和區(qū)域自動(dòng)氣象站小時(shí)降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)兩次不同天氣系統(tǒng)類型和強(qiáng)度等級(jí)的暴雨過程開展對(duì)比分析，得到結(jié)論如下：2018年7月16日(簡(jiǎn)稱“7·16”)北京特大暴雨是在副熱帶高壓邊緣低空西南急流的影響下形成的,低渦低槽東移發(fā)展、低空急流不斷加強(qiáng)，加之地形輻合線的影響，為大暴雨的發(fā)生提供了極為有利的低空水汽輸送、輻合和抬升條件。2019年7月22日(簡(jiǎn)稱“7·22”)北京暴雨是在高空槽前低空急流的影響下形成的，低空急流是由高空急流東移、下傳所產(chǎn)生，低空水汽輸送和輻合作用相對(duì)較小。在兩次暴雨過程中的強(qiáng)降水發(fā)生前3 h，均出現(xiàn)低空急流強(qiáng)度增大、低空急流最低高度下降、低空急流指數(shù)激增、1500 m以下出現(xiàn)明顯的垂直風(fēng)切變并且逐漸增大等特征。在“7·16”暴雨過程中，邊界層急流遇到山脈地形觸發(fā)了對(duì)流新生，低空急流、地形輻合線共同作用使對(duì)流系統(tǒng)不斷發(fā)展和組織化，是沿山地區(qū)極端強(qiáng)降水形成的關(guān)鍵原因。低空急流特征量(低空最大風(fēng)速、急流最低高度和低空急流指數(shù))和1500 m以下的垂直風(fēng)切變大小對(duì)強(qiáng)降水的發(fā)生具有重要的指示意義。

引 言

自20世紀(jì)70、80年代以后，我國(guó)學(xué)者針對(duì)低空急流對(duì)華南前汛期暴雨、江淮氣旋暖區(qū)暴雨形成的作用開展了大量研究，結(jié)果表明：低空急流軸左前側(cè)存在較強(qiáng)輻合區(qū)、理查森數(shù)Ri負(fù)值區(qū)對(duì)應(yīng)的低層最不穩(wěn)定區(qū)，是產(chǎn)生暴雨的有利動(dòng)力條件(孫淑清和翟國(guó)慶，1980；高守亭和孫淑清，1984；翟國(guó)慶等，1999)。陶祖鈺(1980)分析得出，低空急流總是與暖舌相結(jié)合，使低層的假相當(dāng)位溫θse增大，導(dǎo)致500 hPa 以下對(duì)流層中下層條件不穩(wěn)定和對(duì)流有效位能CAPE增大，對(duì)流抑制能量CIN減小，有利于對(duì)流的發(fā)展。同時(shí)，急流軸上的風(fēng)速不連續(xù)性以及水汽輸送作用是引起水汽聚集的主要原因。副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)型和強(qiáng)西南急流型的暴雨落區(qū)分別位于強(qiáng)低空急流出口區(qū)左前側(cè)和副高內(nèi)的水汽充沛且大氣層結(jié)不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)(汪玲瑤等，2018)。

以往針對(duì)低空急流、邊界層急流的研究多數(shù)是利用常規(guī)氣象探空資料、極少的高山氣象站測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、NCEP全球再分析資料，或者外場(chǎng)試驗(yàn)期間獲取的加密探空數(shù)據(jù)開展的。Mitchell et al(1995)利用風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)資料研究美國(guó)夏季大草原上的低空急流時(shí)發(fā)現(xiàn)，一天兩次的常規(guī)氣象探空不能完整地監(jiān)測(cè)低空急流，常漏掉最強(qiáng)急流的出現(xiàn)時(shí)刻；Zhong et al (1996)利用美國(guó)風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)資料開展個(gè)例研究，揭示了夏季美國(guó)大平原的低空急流的演變過程。對(duì)布設(shè)在美國(guó)中部的風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)做出的評(píng)估結(jié)果顯示(The National Weather Service and the Office of Oceanic and Atmospheric Research，1994)，風(fēng)廓線雷達(dá)的時(shí)空分辨率測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)超過任何一種高空風(fēng)探測(cè)系統(tǒng)，可顯示出短波天氣系統(tǒng)的連續(xù)變化過程；Joshi et al(2006)利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料研究了印度普納季風(fēng)期的低空急流的高發(fā)時(shí)間，白天與夜間的低空急流高度的差異等。

近年來，隨著中國(guó)氣象部門風(fēng)廓線雷達(dá)站網(wǎng)的建設(shè)，其高時(shí)間分辨率的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)成為研究低空急流特征的重要手段。Du et al(2012)利用風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)開展上海梅雨期前后的低空急流氣候特征分析發(fā)現(xiàn)，存在兩類低空急流，分別是邊界層急流和與天氣系統(tǒng)相關(guān)的低空急流。Du and Chen(2019)研究認(rèn)為，華南沿海暖區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展與邊界層急流、天氣尺度急流的相互作用和日變化特征有密切關(guān)系。周芯玉等(2015；2019)研究了廣東前汛期的短時(shí)強(qiáng)降水(降水強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱雨強(qiáng)，≥20 mm·h-1)臨近時(shí)次的低空急流特征，得出：在廣東前汛期，有60%以上的短時(shí)強(qiáng)降水在發(fā)生前3 h出現(xiàn)低空急流，低空急流與低層垂直風(fēng)切變的變化對(duì)于短時(shí)強(qiáng)降水類暴雨的發(fā)生具有重要的影響。一些學(xué)者研究了低空急流對(duì)強(qiáng)降水等天氣的指示意義，劉淑媛等(2003)、張京英等(2003)和曹春燕等(2006)研究指出，風(fēng)廓線雷達(dá)能夠很好地揭示低空急流脈動(dòng)的強(qiáng)度及向下擴(kuò)展的程度與中小尺度強(qiáng)降水之間的關(guān)系，暴雨的產(chǎn)生主要是由低空急流的下傳和加強(qiáng)引起。金巍等(2007)研究也表明強(qiáng)降水的強(qiáng)弱和低空急流的強(qiáng)度和向下伸展高度直接相關(guān)；2012年北京“7·21”極端暴雨發(fā)生后，在京津冀地區(qū)的暖區(qū)極端暴雨形成過程中低空急流的重要作用受到廣泛關(guān)注(孫軍等，2012；孫繼松等，2012；姜曉曼等，2014；諶蕓等，2018；雷蕾等，2020)。一些針對(duì)強(qiáng)暴雨過程中邊界層急流的作用研究發(fā)現(xiàn)(朱乾根等，2001；魏紹遠(yuǎn)和林錫懷，1995)，邊界層急流是低層水汽的最大輸送者和暴雨區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放的觸發(fā)者。吳海英等(2010)、馬旭林等(2004)的研究指出，邊界層急流對(duì)暴雨天氣過程中的中小尺度系統(tǒng)活動(dòng)有重要的指示意義。

廖曉農(nóng)等(2011)將北京暴雨日的環(huán)流型分為兩大類：一類是熱帶、副熱帶系統(tǒng)和來自35°N以南的低渦及暖切變等系統(tǒng)。其中，副高邊緣偏南暖濕氣流中的對(duì)流云團(tuán)帶來的暴雨占比最高(占16%)。另一類是與北方冷空氣活動(dòng)有關(guān)的低渦低槽等系統(tǒng)。其中，蒙古低渦低槽的影響占比最高(占32%)，副高邊緣和西來槽的影響占比分別位列第二和第三位(占16%和14%)。另外，對(duì)近5年(2016—2020年)北京地區(qū)夏季暴雨日的主要影響系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分類結(jié)果也證明了西來槽型、副高邊緣型是北京夏季暴雨的最主要影響系統(tǒng)類型。在暴雨日中(共計(jì)42 d)這種兩種類型的暴雨占比依次為26.2%、21.4%，其次為蒙古低渦低槽型占19.0%，其他類型占比較小。同時(shí)，在預(yù)報(bào)中發(fā)現(xiàn)，低空急流主要發(fā)生在西來槽前暖濕氣流、副高邊緣天氣類型中，低空急流的成因和結(jié)構(gòu)特征的不同，會(huì)導(dǎo)致降水量級(jí)和降水強(qiáng)度、落區(qū)范圍存在明顯的差異。因此，需要通過個(gè)例分析，揭示不同天氣形勢(shì)下的低空急流結(jié)構(gòu)特征差異所引起的水汽輸送、水汽輻合、抬升條件的差異，及其對(duì)降水量級(jí)和降水強(qiáng)度所造成的影響。本研究利用北京地區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)30 min間隔的多層測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、NCEP/GFS再分析資料(0.5°×0.5°)、地面加密自動(dòng)氣象站小時(shí)降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)，并引入了低空急流特征量(低空最大風(fēng)速、低空急流最低高度、低空急流指數(shù))和低空垂直風(fēng)切變，分別對(duì)副高邊緣型和西來槽型暴雨過程(2018年7月15日20時(shí)至18日02時(shí)副高邊緣型大暴雨過程，簡(jiǎn)稱“7·16”過程；2019年7月22日15時(shí)至23日08時(shí)高空槽型暴雨過程，簡(jiǎn)稱“7·22”過程；如無特殊說明，文中時(shí)間指北京時(shí))的低空急流成因、低空急流特征量和垂直風(fēng)切變演變特征及其對(duì)暴雨形成、降水強(qiáng)度的影響機(jī)制進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步提高對(duì)北京地區(qū)極端暴雨形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)，歸納出引發(fā)兩種天氣類型暴雨的低空急流特征的預(yù)報(bào)要點(diǎn)，提高暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

1 數(shù)據(jù)來源與處理方法

1.1 北京周邊地形、區(qū)劃與站點(diǎn)位置

北京地區(qū)位于華北平原北部，西部、西北部和東北部為山區(qū)，中部、東部和南部為平原(如圖1)，山區(qū)海拔高度為1000～1500 m。其中，北部屬于燕山山脈，懷柔區(qū)、密云區(qū)和平谷區(qū)位于燕山南麓。房山區(qū)位于北京西南部的百花山東南坡和山前平原地區(qū)。

為了彌補(bǔ)常規(guī)氣象探空數(shù)據(jù)(每天兩次)、NCEP/GFS再分析數(shù)據(jù)(0.5°×0.5°，每天四次：02、08、14和20時(shí))時(shí)間密度的不足，利用位于東北部降水量中心較近的懷柔風(fēng)廓線雷達(dá)站測(cè)風(fēng)分鐘數(shù)據(jù)(圖1)，開展本站低空急流精細(xì)時(shí)間尺度的變化特征分析。

利用地面加密自動(dòng)氣象站小時(shí)降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)分析兩次暴雨過程的降水量分布和時(shí)間演變，站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 北京地形高度(填色)、行政區(qū)劃(黑色虛線)和站點(diǎn)位置示意圖(圓錐表示風(fēng)廓線雷達(dá)站，紅色圓圈表示自動(dòng)氣象站點(diǎn)；CP：昌平，YQ：延慶，HR：懷柔，MY：密云,PG:平谷,SY:順義,TZ：通州，GXT：觀象臺(tái)，DX：大興，F(xiàn)S:房山,MTG:門頭溝)

1.2 風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)0～5000 m各層6 min間隔的水平風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和缺測(cè)插值。步驟為：(1)去除奇異值(≥40 m·s-1)；(2)當(dāng)某時(shí)次的水平風(fēng)向風(fēng)速出現(xiàn)缺測(cè)(或?yàn)槠娈愔?時(shí)，缺測(cè)值(或奇異值)由最近兩個(gè)時(shí)次(-6 min、+6 min)的同層數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值得出。若最近兩個(gè)時(shí)次(-6 min、+6 min)有一個(gè)時(shí)次缺測(cè)(或?yàn)槠娈愔?，缺測(cè)值(或奇異值)則由另一個(gè)時(shí)次的同層數(shù)據(jù)進(jìn)行代替。若最近兩個(gè)時(shí)次同時(shí)缺測(cè)(或?yàn)槠娈愔?，則認(rèn)為該時(shí)次數(shù)據(jù)缺測(cè)。

插值后獲得2018年7月15—18日、2019年7月22—23日各層水平風(fēng)向風(fēng)速的整點(diǎn)和半點(diǎn)數(shù)據(jù)(30 min間隔)的時(shí)間序列。

1.3 低空急流標(biāo)準(zhǔn)和低空急流特征量計(jì)算方法

在本研究中，將3000 m(700 hPa)及以下出現(xiàn)偏南風(fēng)且風(fēng)速≥12.0 m·s-1，風(fēng)向?yàn)?1.0°～269.0°視為出現(xiàn)了低空急流(LLJ)。將1000 m(900 hPa)以下出現(xiàn)偏南風(fēng)且風(fēng)速≥12.0 m·s-1，風(fēng)向?yàn)?1.0°～269.0°視為出現(xiàn)了邊界層急流(BLJ)。

為了定量地反映低空急流強(qiáng)度和高度的變化，引入低空急流指數(shù)Ij，進(jìn)一步分析暴雨形成與Ij的關(guān)系，計(jì)算公式為(劉淑媛等，2003；楊毅和邱崇踐，2006)：

(1)

式中：Wmax為3000 m高度以下低空急流中心的最大風(fēng)速，Hmin為風(fēng)速達(dá)到12.0 m·s-1及以上的最低高度。低空風(fēng)速越大、急流所在高度越低，低空急流指數(shù)Ij越大(單位：10-3s-1)。

在分析低空急流引發(fā)的低空垂直風(fēng)切變時(shí)，利用以下計(jì)算公式(周芯玉等，2019)：

(2)

(3)

式中：M為上下層的垂直風(fēng)切變，ΔZ為上下層的高度差值，V1、V2為上下層的風(fēng)速，D為上下層的風(fēng)向差值。由于受地物雜波影響，風(fēng)廓線雷達(dá)低層數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。因此，計(jì)算150～870、150～1470、150～3030 m風(fēng)的垂直切變以代表地面與925、850以及700 hPa之間的垂直風(fēng)切變(單位：10-3s-1)。

1.4 水汽輸送和水汽通量散度的計(jì)算

低空急流的重要作用之一是對(duì)水汽和熱量的輸送作用。為了分析低空急流的水汽輸送和輻合作用，利用GFS再分析數(shù)據(jù)的各層溫度、水平風(fēng)分量，以及相對(duì)濕度，計(jì)算水平水汽通量和水汽通量散度(董曉敏和田盛培，1986)。

2 天氣實(shí)況與天氣形勢(shì)

2.1 降水量和降水強(qiáng)度對(duì)比

“7·16”北京特大暴雨從2018年7月15日20時(shí)開始，18日02時(shí)以后降水逐漸結(jié)束，總歷時(shí)超過52 h，整個(gè)過程達(dá)到大暴雨量級(jí)。在北京地區(qū)436個(gè)氣象站中(63個(gè)站缺測(cè))，有207個(gè)站(約占55.5%)過程累計(jì)降水量超過100.0 mm，16個(gè)站超過200.0 mm, 3個(gè)站超過300.0 mm(其中，密云區(qū)西白蓮峪最大達(dá)351.3 mm)。分析整個(gè)過程累計(jì)降水量分布(圖2a)，降雨落區(qū)呈東北—西南走向，與北部、西部和西南部地形走向一致，暴雨中心位于北京北部、東北部山區(qū)(密云、懷柔)和西南部山區(qū)(房山)沿山地區(qū)。由北京地區(qū)自動(dòng)氣象站的最大雨強(qiáng)(單位：mm·h-1)和短時(shí)強(qiáng)降水(雨強(qiáng)≥20 mm·h-1)出現(xiàn)站數(shù)百分比的時(shí)序圖(圖2c)可知，此次大暴雨過程主要由三輪強(qiáng)降水構(gòu)成。其中，第一輪強(qiáng)降水(7月15日20時(shí)至16日14時(shí)，圖2c中紅色方框所示)為整個(gè)“7·16”過程的最強(qiáng)降雨時(shí)段?！?·16”第一輪強(qiáng)降水時(shí)長(zhǎng)約為18 h，累計(jì)降水量達(dá)到大暴雨量級(jí)，有125個(gè)站(占總站數(shù)的33.5%)累計(jì)降水量超過50.0 mm，28個(gè)站超過100.0 mm，最大降水量中心出現(xiàn)在密云西白蓮峪(301.9 mm)、捧河巖村(271.3 mm)，均達(dá)到特大暴雨量級(jí)。最大降水量的貢獻(xiàn)率為85.5%(該時(shí)段最大降水量/過程總累計(jì)降水量)。因此，本研究將第一輪強(qiáng)降水作為重點(diǎn)研究時(shí)段。

圖2b為第一輪強(qiáng)降水時(shí)段累計(jì)降水量分布，暴雨中心位于北京東北部山區(qū)(密云、懷柔)和西南部山區(qū)(房山)沿山地區(qū)。在該時(shí)段先后出現(xiàn)兩個(gè)強(qiáng)降水峰值時(shí)段，分別為16日01—05時(shí)和07—11時(shí)。期間的16日02—03時(shí)在密云區(qū)西白蓮峪、捧河巖村出現(xiàn)最大雨強(qiáng)，分別達(dá)到117.0 mm·h-1和101.6 mm·h-1，超過2012年北京“7·21”特大暴雨過程的最大雨強(qiáng)(平谷掛甲峪為100.3 mm·h-1)。另外，16日02—03時(shí)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的站點(diǎn)數(shù)最多、影響范圍最大，占32.4%。

圖2 2018年7月(a)15日20時(shí)至18日08時(shí)，(b)15日20時(shí)至16日14時(shí)，北京地區(qū)累計(jì)降水量(紫色實(shí)線，單位：mm)、地形高度(填色)、風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)(空心三角)分布，以及(c)15日17時(shí)至18日08時(shí)最大雨強(qiáng)和短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)站數(shù)百分比時(shí)序

第二輪強(qiáng)降水從7月16日18時(shí)開始，最大雨強(qiáng)(46.2 mm·h-1,18—19時(shí)出現(xiàn)在昌平區(qū)沙河水庫)，20時(shí)以后雨勢(shì)減?。?7日07—11時(shí)出現(xiàn)第三輪較強(qiáng)降水，最大雨強(qiáng)進(jìn)一步減小為44.0 mm·h-1(08—09時(shí)出現(xiàn)在密云區(qū)河南寨)，17日12時(shí)以后雨勢(shì)逐漸減小，18日02時(shí)以后降水逐漸結(jié)束。

“7·22”暴雨過程從2019年7月22日15時(shí)開始，23日08時(shí)結(jié)束，總時(shí)長(zhǎng)近18 h，過程累計(jì)降水量達(dá)到暴雨量級(jí)。在445個(gè)自動(dòng)站中，有71個(gè)站(占總站數(shù)的16.0%)累計(jì)降水量超過50.0 mm、4個(gè)站超過100.0 mm，最大降水量出現(xiàn)在密云石城(109.7 mm)，過程出現(xiàn)暴雨的站數(shù)相對(duì)較少。降水量分布與“7·16”過程類似，降雨落區(qū)分布呈東北—西南走向(圖3a)，降水中心位于北京北部、東北部山區(qū)(密云、懷柔)和西南部山區(qū)(房山)的沿山地區(qū)。從北京地區(qū)自動(dòng)氣象站的最大雨強(qiáng)和短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)站數(shù)的百分比時(shí)序圖可知(圖3b)，22日20時(shí)至23日04時(shí)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，最大雨強(qiáng)出現(xiàn)在22日22—23時(shí)，為40.3 mm·h-1(出現(xiàn)在密云區(qū)三峪培訓(xùn)基地)，遠(yuǎn)小于“7·16”過程中在16日02—03時(shí)(117.0 mm·h-1)出現(xiàn)的雨強(qiáng)。23日00—01時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)站數(shù)最多，僅占比為13.0%。

圖3 2019年7月(a)22日14時(shí)至23日08時(shí)北京地區(qū)累計(jì)降水量(紫色實(shí)線，單位：mm)、地形高度(色標(biāo))、風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)(空心三角)分布，(b)22日08時(shí)至23日08時(shí)最大雨強(qiáng)和短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)站數(shù)百分比時(shí)序

2.2 天氣形勢(shì)和動(dòng)力條件對(duì)比

分析高空環(huán)流形勢(shì)得出，2018年“7·16”特大暴雨過程是在西太平洋強(qiáng)盛的副高西伸北進(jìn)，北京處于副高邊緣不斷加強(qiáng)的西南氣流控制,在500 hPa上游河套地區(qū)有一明顯的高空槽東移(圖4a)，以及850 hPa北京附近有一條暖切變線的形勢(shì)下發(fā)生的。地面圖上(圖4b)，7月15日20時(shí)前后在上游河套地區(qū)北部有低壓發(fā)展，我國(guó)華北地區(qū)處于東南高、西北低的氣壓場(chǎng)控制，風(fēng)向由偏南轉(zhuǎn)為東南風(fēng)。導(dǎo)致在北京西北部山麓地區(qū)和太行山東部山麓地區(qū)沿地形形成一條輻合線，有利于山麓地區(qū)降水天氣的形成；16日08時(shí)以后，由于850 hPa、700 hPa在上游河套東部地區(qū)有低渦發(fā)展(圖略)，導(dǎo)致副高邊緣西南急流不斷加強(qiáng)，地面東高、西低氣壓場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定維持，造成16日傍晚到前半夜、17日早晨到上午強(qiáng)降水的出現(xiàn)并長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)。

與“7.16暴雨”不同的是，在2019年“7·22”暴雨過程中副高位置偏南，副高588 dagpm線位于華北南部。暴雨是在500 hPa上游河套地區(qū)附近的高空槽東移、槽前伴有西南急流，以及850 hPa北京南部出現(xiàn)暖切變線的形勢(shì)下發(fā)生的(圖4c)。分析7月22日20時(shí)地面圖(圖4d)，河北中南部地區(qū)(包括北京)處于低壓輻合區(qū)北部，在北京東部—南部有一條偏東風(fēng)與偏北風(fēng)輻合線，對(duì)北京東部和南部地區(qū)降水天氣的形成較為有利。

圖4 (a，b)2018年7月15日20時(shí)，(c，d)2019年7月22日20時(shí)(a，c)500 hPa風(fēng)場(chǎng)(黑色風(fēng)羽)、位勢(shì)高度場(chǎng)(黑色實(shí)線，單位：dagpm；棕色粗實(shí)線：高空槽)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)(紅色風(fēng)羽，紅色實(shí)線：暖切變線)，(b，d)地面海平面氣壓場(chǎng)(實(shí)線，單位：hPa)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，棕色粗實(shí)線：輻合線)

對(duì)兩次暴雨過程中北京上空的垂直運(yùn)動(dòng)和輻合條件進(jìn)行對(duì)比分析(圖5),在“7·16”過程第一輪強(qiáng)降水發(fā)生之前，15日18時(shí)以后，隨著地形輻合線和低空西南急流的先后出現(xiàn)，在900 hPa以下出現(xiàn)明顯輻合(散度D<-12×10-5s-1)(圖5a)，900 hPa以上為較明顯的輻散。與其相對(duì)應(yīng)，在低層(800 hPa以下)為明顯的上升氣流(上升速度ω<-0.6 Pa·s-1)，為第一輪極端強(qiáng)降水提供極為有利的低空輻合和抬升條件；受中低空河套低渦的東移發(fā)展影響，從16日17時(shí)開始出現(xiàn)整層上升氣流，以700～300 hPa高度上升速度最大(上升速度ω<-1.2 Pa·s-1)，900 hPa以下為明顯輻合(散度D<-8×10-5s-1)，一直維持到17日10時(shí)，為7月16日傍晚和17日早晨的第二輪、第三輪強(qiáng)降水的形成提供了有利的輻合條件。但近地層上升速度相對(duì)較小，抬升條件略差；17日17—24時(shí)，900 hPa以下再次出現(xiàn)輻合(散度D<-6×10-5s-1)，但近地層上升速度較小且抬升條件較差。對(duì)應(yīng)時(shí)間雖然出現(xiàn)了降水，但是降水強(qiáng)度遠(yuǎn)小于前三輪降水。

由圖5b可以看出，在“7·22”過程中，隨著高空槽、槽前西南急流的東移發(fā)展，7月22日17時(shí)至23日05時(shí)北京上空出現(xiàn)強(qiáng)烈的上升氣流，850～700 hPa上升速度最大(上升速度ω<-1.8 Pa·s-1)。從22日15時(shí)開始近地層900 hPa以下出現(xiàn)較為明顯的輻散，22日20時(shí)以后逐漸轉(zhuǎn)為輻合。天氣形勢(shì)為強(qiáng)降水天氣的形成提供了有利的抬升條件，近地層輻合條件由差逐漸轉(zhuǎn)好。

圖5 (a)2018年7月15日08時(shí)至18日08時(shí)和(b)2019年7月22日08時(shí)至23日20時(shí)兩次暴雨過程中北京觀象臺(tái)上空垂直速度和散度的時(shí)間-高度分布(黑色等值線：垂直速度，單位：Pa·s-1；填色：散度，單位：10-5 s-1)

3 低空急流結(jié)構(gòu)特征及作用

3.1 低空急流結(jié)構(gòu)特征與水汽輸送作用的比較

利用北京觀象臺(tái)探空數(shù)據(jù)分析兩次暴雨發(fā)生之前北京的溫度、濕度，以及對(duì)流不穩(wěn)定條件。在2018年“7·16”副高邊緣型大暴雨發(fā)生之前(7月15日14時(shí)、20時(shí))，對(duì)流層中低層比濕明顯增大、濕層明顯增厚，700 hPa增濕最為明顯，比濕由3.3 g·kg-1增至10.3 g·kg-1。明顯大于孫繼松等(2012)對(duì)北京4次暴雨過程的700 hPa最大比濕為9.0 g·kg-1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；相比之下，2019年“7·22”降水發(fā)生前至短時(shí)強(qiáng)降水開始時(shí)刻(7月22日14時(shí)、20時(shí))850 hPa 以下增濕明顯。850 hPa比濕由7.4 g·kg-1增至15.2 g·kg-1，700 hPa比濕由3.0 g·kg-1增至8.4 g·kg-1，濕層厚度不及“7·16”暴雨之前。低層顯著增濕與低空急流的水汽輸送作用有關(guān)，兩種天氣類型的低空急流結(jié)構(gòu)特征及其水汽輸送作用、輻合作用存在差異。

3.1.1 “7·16”過程

分析“7·16”過程的850 hPa風(fēng)場(chǎng)和全風(fēng)速分布圖發(fā)現(xiàn)：在北京第一輪強(qiáng)降水出現(xiàn)前，從7月15日20時(shí)開始河北南部地區(qū)出現(xiàn)較大風(fēng)速區(qū)(風(fēng)速≥8 m·s-1)(圖6a)。15日20時(shí)至16日02時(shí)京津冀中東部地區(qū)出現(xiàn)西南低空急流，北京位于低空急流核的下游左前方(圖6b)。因低空急流核的下游對(duì)應(yīng)輻合區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)，有利于對(duì)流系統(tǒng)在該區(qū)域的發(fā)生和加強(qiáng)(Bonner，1968；孫淑清和翟國(guó)慶，1980；翟國(guó)慶等，1999；汪玲瑤等，2018)，由此引發(fā)第一個(gè)強(qiáng)降水峰值出現(xiàn)。在北京所在40 °N做的水平風(fēng)緯向剖面圖上(圖6e)，相比于15日20時(shí)，16日02時(shí)低層風(fēng)速加大，在900～800 hPa上空出現(xiàn)了低空急流。16日08時(shí)京津冀中東部地區(qū)的西南低空急流進(jìn)一步增強(qiáng)，北京處于低空急流軸左側(cè)(圖6c)，低空急流最低高度Hmin下降(圖6f)，對(duì)應(yīng)時(shí)間出現(xiàn)第二個(gè)強(qiáng)降水峰值。由此可見，在2018年7月16日凌晨和上午的兩個(gè)強(qiáng)降水峰值發(fā)生之前和發(fā)生時(shí)段，北京位于低空急流核區(qū)的下游左前方或者急流軸左側(cè)，并且出現(xiàn)了低空偏南急流強(qiáng)度增大、低空急流高度下降等特征。

圖6 2018年7月(a,d)15日20時(shí)，(b，e)16日02時(shí)，(c，f)16日08時(shí)(a～c)850 hPa風(fēng)場(chǎng)分布和(d～f)沿40°N水平風(fēng)的緯向剖面(填色為全風(fēng)速，細(xì)實(shí)線為≥12 m·s-1全風(fēng)速等值線；橫坐標(biāo)軸上黑色粗短線表示北京市域東西范圍)

由“7·16”過程北京上空的水汽通量和水汽通量散度時(shí)間-高度(圖7e)可以看出，在第一輪強(qiáng)降水發(fā)生前7～8 h，從7月15日17時(shí)開始，北京低空800 hPa以下出現(xiàn)水汽輻合并逐漸增強(qiáng)。近地層水汽輻合增強(qiáng)的時(shí)間與2.2 節(jié)中提到的東南風(fēng)出現(xiàn)時(shí)間吻合。說明近地層水汽輻合的加強(qiáng)與東南風(fēng)出現(xiàn)、地形輻合線的影響有關(guān)。在第一輪強(qiáng)降水發(fā)生前3 h (15日22時(shí)前后)低空急流開始出現(xiàn)。與之相對(duì)應(yīng)，在900～800 hPa的水汽通量(填色所示)突然增大，16日凌晨至上午水汽通量達(dá)到18.0 g·s-1·cm-1·hPa-1以上。北京低空950 hPa以下水汽輻合進(jìn)一步增強(qiáng)(散度D<-10×10-5s-1)；從低空水汽通量和水汽通量散度分布可以看出，在16日凌晨、早晨至上午的兩個(gè)強(qiáng)降水峰值時(shí)段，在850 hPa(圖7c,7d)，京津冀中東部地區(qū)(包括北京)位于低空急流軸左側(cè)和水汽通量大值區(qū)左側(cè)(最大水汽通量>18.0 g·s-1·cm-1·hPa-1)。在950 hPa，北京大部分地區(qū)及以東地區(qū)為水汽輻合區(qū)控制(圖7a,7b)，這些地區(qū)的最大水汽通量散度達(dá)-12×10-6g·s-1·cm-2·hPa-1，有利于對(duì)應(yīng)區(qū)域的強(qiáng)降水形成。由以上分析得出，15日22時(shí)開始出現(xiàn)的低空急流，在900～800 hPa形成明顯的水汽輸送，并使地形輻合線影響的低空950 hPa以下水汽輻合進(jìn)一步加強(qiáng)。兩者共同作用是引發(fā)16日凌晨至上午北京出現(xiàn)第一輪強(qiáng)降水的關(guān)鍵原因。

圖7 2018年7月(a，c)16日02時(shí)，(b，d)16日08時(shí)(a，b)950 hPa，(c，d)850 hPa水汽通量和水汽通量散度及風(fēng)速(風(fēng)羽)分布以及(e)15日08時(shí)至18日08時(shí)北京觀象臺(tái)的水汽通量、水汽通量散度時(shí)間-高度分布(填色為水汽通量，單位： g·s-1·cm-1·hPa-1；黑色實(shí)線為水汽通量散度，單位：10-6 g·s-1·cm-2·hPa-1；紅色粗虛線表示全風(fēng)速≥12 m·s-1的范圍)

由圖7e還可以看出，7月16日18—20時(shí)出現(xiàn)的第二輪強(qiáng)降水、17日早晨至上午(07—11時(shí))出現(xiàn)的第三輪強(qiáng)降水均與北京近地層明顯的水汽輻合有密切關(guān)系。主要原因是由于16日14—20時(shí)和17日02—08低空急流明顯加強(qiáng)(圖略)，北京先后位于低空急流軸左側(cè)、急流核的下游左前方，使近地層水汽輻合隨著低空急流的變化而明顯增強(qiáng)所造成；7月17日14時(shí)以后，盡管低空(850～700 hPa)仍存在明顯的水汽輸送(圖7e)，但是近地層水汽輻合明顯較弱，入夜后出現(xiàn)降水的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于前三輪降水強(qiáng)度。

總之，低空急流的水汽輸送以及與地形輻合線、低空急流有關(guān)的近地層水汽輻合共同作用對(duì)強(qiáng)降水的發(fā)生起關(guān)鍵作用。近地層水汽輻合作用對(duì)雨強(qiáng)、累計(jì)降水量量級(jí)大小的影響更為重要。低空急流增強(qiáng)和維持，使低空水汽輸送作用和近地層輻合作用加強(qiáng)和持續(xù)，使強(qiáng)降水反復(fù)出現(xiàn)，從而造成影響區(qū)域出現(xiàn)極端降水。

3.1.2 “7·22”過程

由“7·22”過程沿40°N的水平風(fēng)緯向剖面可知，在暴雨過程發(fā)生之前，從7月22日08時(shí)開始高空急流下傳，在北京西部上游地區(qū)中低空出現(xiàn)急流(圖略)。在北京降水出現(xiàn)之前1 h (22日14時(shí))，850 hPa河北西南部出現(xiàn)偏南大風(fēng)速區(qū)(圖8a)。在對(duì)應(yīng)時(shí)間的北京所在緯度40°N的水平風(fēng)緯向剖面圖上(圖8d)，低空急流出現(xiàn)在北京西部800～600 hPa上空。22日20時(shí)大風(fēng)速區(qū)東移北上、增強(qiáng)(圖8b)，在北京南部出現(xiàn)低空偏南急流，北京位于低空急流核下游。分析對(duì)應(yīng)的40°N水平風(fēng)緯向剖面(圖8e)，急流中心位于850～550 hPa上空，急流強(qiáng)度加強(qiáng)，北京開始出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。22日20時(shí)至23日02時(shí)低空急流繼續(xù)東移加強(qiáng)、范圍擴(kuò)大，北京位于低空急流軸左側(cè)(圖8c)。急流中心和急流最低高度Hmin明顯下降至900 hPa(圖8f)，22日22—23時(shí)北京出現(xiàn)最大雨強(qiáng)降水。以上分析說明，影響此次暴雨過程的低空急流是由東移的高空槽前西南氣流加強(qiáng)所產(chǎn)生。隨著強(qiáng)降水的臨近，急流強(qiáng)度加強(qiáng)、急流高度明顯下降，在時(shí)間上與強(qiáng)降水、最大雨強(qiáng)的出現(xiàn)時(shí)間有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖8 同圖6，但為2019年“7·22”過程

進(jìn)一步分析2019年7月22日傍晚至23日凌晨的低空水汽通量和水汽通量散度分布(圖9c)，可以看出：22日20時(shí)位于850 hPa高空槽前的偏南急流控制了京津冀大部分地區(qū)，水汽通量大值區(qū)位于北京上游地區(qū)(河北西北部)和河北南部地區(qū)，并且沿急流軸有多個(gè)水汽輻合區(qū)。盡管950 hPa水汽通量較小，但是北京北部、南部仍處于水汽輻合區(qū)(圖9a)，特別是渤海灣附近受東南風(fēng)的影響，河北中東部地區(qū)為水汽通量大值區(qū)和水汽輻合區(qū)。由北京上空的水汽通量和水汽通量散度時(shí)間-高度圖可以看出(圖9e)，在7月22日暴雨發(fā)生前(22日08—12時(shí))，水汽通量大值區(qū)所在高度隨著急流高度呈下降趨勢(shì)。在22日傍晚前后，北京上空650～450 hPa的水汽通量突然增大(>18.0 g·s-1·cm-1·hPa-1)。另外，與渤海灣地區(qū)低空東南風(fēng)相對(duì)應(yīng)，在850 hPa附近出現(xiàn)了水汽通量大值區(qū)(>6.0 g·s-1·cm-1·hPa-1)。這支東南風(fēng)的作用是在低空打通了一條由海上伸向內(nèi)陸的水汽輸送通道(侯淑梅等，2018)。與此同時(shí)，近地層出現(xiàn)水汽輻合明顯(<-4×10-6g·s-1·cm-2·hPa-1)，20時(shí)開始出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。從22日20時(shí)至23日02時(shí)，低空急流移至北京下游地區(qū)(圖9c,9d)，北京位于低空急流軸左側(cè)以及水汽通量大值區(qū)，并且850 hPa北京中部地區(qū)存在較明顯的水汽輻合區(qū)。期間，22—23時(shí)出現(xiàn)了最大雨強(qiáng)降水；23日04時(shí)以后，中低層700 hPa以上的水汽通量快速減小(圖9e)，降水結(jié)束。由于在此次暴雨過程中，急流對(duì)北京上空的主要水汽輸送集中在對(duì)流層中層650～450 hPa，對(duì)低層的水汽輸送作用、近地層水汽輻合作用較弱，共同作用的時(shí)段較短，因此形成的降水量和降水強(qiáng)度遠(yuǎn)小于“7·16”過程的第一輪強(qiáng)降水時(shí)段。

圖9 同圖7，但為2019年“7·22”過程

3.2 本站低空急流變化特征與動(dòng)力作用的比較

3.2.1 低空急流特征量變化與作用

利用風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)可以得到常規(guī)氣象觀測(cè)無法反映的本地局地風(fēng)場(chǎng)精細(xì)變化。分析2018年“7·16”過程第一輪強(qiáng)降水期間各層水平風(fēng)的時(shí)間變化可以看出(圖10a,10b)：在第一輪強(qiáng)降水的第一個(gè)強(qiáng)降水峰值發(fā)生前3 h(7月15日22時(shí)前后)，2500～3500 m高度出現(xiàn)低空急流(低空最大風(fēng)速Wmax為12.6 m·s-1)。23時(shí)急流最低高度Hmin下降至1470 m(Wmax加大到15.1 m·s-1)。16日00時(shí)Hmin迅速下降到390 m(Wmax為16.5 m·s-1)，隨后出現(xiàn)強(qiáng)降水峰值。在強(qiáng)降水峰值期間，邊界層風(fēng)速繼續(xù)增大，16日04:30的Wmax達(dá)到21.9 m·s-1，一直持續(xù)到16日05時(shí)前后；在第二個(gè)強(qiáng)降水峰值發(fā)生前2 h(7月16日06時(shí))，Wmax再次增大(由05時(shí)的14.4 m·s-1增至19.4 m·s-1)。Hmin再次下降，由06時(shí)的2310 m降至07時(shí)的870 m(Wmax達(dá)28.0 m·s-1)。08時(shí)的Hmin下降至750 m(Wmax為15.0 m·s-1)。風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)反映出第一個(gè)、第二個(gè)強(qiáng)降水峰值的出現(xiàn)與西南急流強(qiáng)度加強(qiáng)、所在高度不斷下降，以及邊界層急流的出現(xiàn)有關(guān)。

圖10 2018 年7月15—16日懷柔站風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)的(a)各層水平風(fēng)(填色為風(fēng)速，黑色實(shí)線為≥12 m·s-1的等風(fēng)速線)時(shí)間-高度分布，(b)Wmax和Hmin，以及(c)低空急流指數(shù)Ij的時(shí)序(橫坐標(biāo)軸上黑色短粗線表示降水量峰值時(shí)段)

低空急流的作用除了在900～800 hPa帶來的明顯水汽輸送外，另一個(gè)重要作用是遇到山體后產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)力抬升作用。徐珺等(2014)對(duì)我國(guó)華北暖區(qū)暴雨的研究指出，超低空急流和低層垂直風(fēng)切變?cè)谟|發(fā)對(duì)流和對(duì)流維持中有重要作用。2018年7月15日23時(shí)Hmin由2550 m降至1470 m，在北京的西部和北部山區(qū)出現(xiàn)一些弱對(duì)流云團(tuán)。7月16日00時(shí)的Hmin迅速下降至390 m(Wmax為16.5 m·s-1)，即出現(xiàn)邊界層急流。由于邊界層急流所在高度明顯低于北京西南部山區(qū)和東北山區(qū)的地形高度(山地海拔高度為1000～1500 m)，由此引發(fā)山體對(duì)邊界層急流的強(qiáng)烈抬升作用，這種抬升作用加劇了天氣系統(tǒng)造成的垂直上升運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而觸發(fā)了西南部山區(qū)、北部山區(qū)對(duì)流單體的形成(圖11a)，并在地形輻合線西側(cè)的山前地區(qū)形成并強(qiáng)烈發(fā)展成中尺度對(duì)流雨帶(圖11b)，造成了第一個(gè)強(qiáng)降水峰值的出現(xiàn)；同樣，7月16日07時(shí)當(dāng)邊界層急流再次出現(xiàn)(Hmin為870 m，Wmax達(dá)28.0 m·s-1)，首先在西南部山區(qū)(房山區(qū))觸發(fā)了對(duì)流單體形成(圖11c)。隨后對(duì)流單體沿著山前輻合線附近發(fā)展成中尺度對(duì)流雨帶(圖11d)，造成第二個(gè)降水量峰值的出現(xiàn)。由此可見，邊界層急流對(duì)對(duì)流系統(tǒng)具有重要的觸發(fā)和組織作用。

圖11 2018年7月16日(a)00時(shí)，(b)02時(shí)，(c)06時(shí)，(d)08時(shí)的地面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢)和雷達(dá)反射率因子(填色)分布(棕色雙虛線表示輻合線；黑色粗實(shí)線表示300 m地形高度線)

低空急流指數(shù)可以直觀地反映出低空急流強(qiáng)度和高度的變化。曹春燕等(2006)、金巍等(2007)、周芯玉等(2015)研究指出，強(qiáng)降水的出現(xiàn)與低空急流指數(shù)的增大有密切關(guān)系。計(jì)算分析2018 年“7·16”過程的低空急流指數(shù)Ij(圖10c)，在第一個(gè)強(qiáng)降水峰值發(fā)生前3 h、2 h(7月15日22時(shí)、23時(shí))的Ij分別為4.9×10-3s-1、10.3×10-3s-1，發(fā)生前1 h(16日00時(shí))激增至42.3×10-3s-1。同樣，在第二個(gè)強(qiáng)降水峰值發(fā)生前2 h(16日06時(shí))Ij為8.4×10-3s-1，發(fā)生前1 h(07時(shí))激增至32.2×10-3s-1。由此可見，在兩個(gè)降水峰值發(fā)生之前，Ij具有明顯增大特征。

同樣，由2019 年“7·22”過程的風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)的各層水平風(fēng)時(shí)間-高度分析可知(圖12a,12b)，7月22日小雨出現(xiàn)前4 h(22日11時(shí))，在北京上空2500～3000 m出現(xiàn)低空西南急流，14時(shí)Wmax增至16.9 m·s-1，Hmin下降至1110 m，15時(shí)Hmin突然降至630 m以下，Wmax達(dá)20.0 m·s-1，15時(shí)出現(xiàn)小雨。7月22日17—19時(shí)的Hmin基本維持在2000 m高度上下，Wmax分別為17.6 m·s-1(17時(shí))、16.0 m·s-1(18時(shí))，19時(shí)增至22.9 m·s-1，20時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水開始出現(xiàn)。21時(shí)開始Hmin再次下降，22時(shí)下降至1470 m，23時(shí)下降至1230 m，Wmax由12.3 m·s-1增至17.4 m·s-1。22—23時(shí)出現(xiàn)最大雨強(qiáng)降水。由此可見，低空急流強(qiáng)度增大、低空急流最低高度下降，與強(qiáng)降水、最大雨強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)間有對(duì)應(yīng)關(guān)系。另外， 22日下午Hmin下降至1000 m以下，但低空水汽輸送弱、近地層為輻散(圖9e)，僅出現(xiàn)了小雨天氣。在22日21時(shí)以后低空急流高度下降高度在1000 m以上，引起的地形抬升作用并不顯著(圖略)。

分析“7·22”過程的Ij時(shí)間變化(圖12c)，在7月22日下午小雨出現(xiàn)前1 h(14—15時(shí))Ij激增，由3.8×10-3s-1增至51.3×10-3s-1。在22日20時(shí)開始的強(qiáng)降水之前，Ij增大并不明顯。但在強(qiáng)降水期間，Ij增大，20時(shí)、21時(shí)分別為7.2×10-3s-1、7.7×10-3s-1，22時(shí)增至12.3×10-3s-1，22—23時(shí)出現(xiàn)最大雨強(qiáng)降水?？梢?，Ij對(duì)最大雨強(qiáng)出現(xiàn)時(shí)間具有指示性。

圖12 同圖10，但為2019年“7·22”過程

3.2.2 低空垂直風(fēng)切變演變特征與作用的比較

在低空急流覆蓋范圍內(nèi)，除了等壓面上存在著急流核區(qū)并伴有強(qiáng)烈的水平風(fēng)切變外，垂直方向的風(fēng)速廓線也存在著極大風(fēng)速值和顯著的垂直風(fēng)切變。垂直風(fēng)切變即指水平風(fēng)(包括大小和方向)隨高度的變化，其大小往往和形成風(fēng)暴的強(qiáng)弱有密切關(guān)系(俞小鼎等，2006)。邊界層內(nèi)較大的風(fēng)速垂直切變使低層大氣處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于本地對(duì)流活動(dòng)發(fā)展和組織化(《華北暴雨》編寫組，1992)。

圖13a為“7·16”過程第一輪強(qiáng)降水期間各層垂直風(fēng)切變的時(shí)間-高度，可以看出：在第一個(gè)強(qiáng)降水峰值出現(xiàn)前6～7 h(從7月15日18時(shí)開始)，低空1200 m以下開始出現(xiàn)垂直風(fēng)切變。隨著強(qiáng)降水的臨近，低空風(fēng)垂直切變明顯增大、大值區(qū)明顯增厚。16日06時(shí)低空1500 m以下再次出現(xiàn)垂直風(fēng)切變?cè)龃蟆⒋笾祬^(qū)增厚現(xiàn)象，08時(shí)開始出現(xiàn)第二個(gè)強(qiáng)降水峰值；同樣，在“7·22”過程中(圖13b)，從7月22日上午小雨出現(xiàn)前6 h(從08時(shí)開始)900 m以下出現(xiàn)垂直風(fēng)切變，小雨出現(xiàn)前1 h(14—15時(shí))再次出現(xiàn)明顯的垂直風(fēng)切變。強(qiáng)降水出現(xiàn)以后(22日20時(shí)開始)，1500 m以下再次出現(xiàn)垂直風(fēng)切變，其大小和大值區(qū)所達(dá)高度遠(yuǎn)不及“7·16”過程，22日22時(shí)至23日00時(shí)出現(xiàn)的最大雨強(qiáng)也相對(duì)較小。

圖13 (a)2018 年7月15日14時(shí)至16日14時(shí),(b)2019年7月22日08時(shí)至23日08時(shí)兩次暴雨過程的低層垂直風(fēng)切變(填色)時(shí)間-高度變化(細(xì)實(shí)線表示垂直風(fēng)切變≥120×10-3 s-1的等值線；橫坐標(biāo)軸上黑色短粗線段表示降水量峰值時(shí)段)

經(jīng)與本站低空急流特征量的時(shí)間變化比較發(fā)現(xiàn)，垂直風(fēng)切變?cè)龃笈c急流強(qiáng)度增大、急流高度下降在時(shí)間上具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。這說明低空急流高度、強(qiáng)度的變化，導(dǎo)致低層風(fēng)場(chǎng)垂直切變?cè)龃蟆７治鰷u度方程的渦度傾側(cè)項(xiàng)(朱乾根等，1991)：

(4)

低空急流的出現(xiàn)導(dǎo)致低空垂直風(fēng)切變，即出現(xiàn)?v/?p<0，或者?u/?p<0。根據(jù)式(4)，垂直風(fēng)切變?cè)?ω/?x>0急流左側(cè)區(qū)域，或者?ω/?y<0急流前部區(qū)域造成低層垂直渦度增大?ζ/?t>0。由此得出：低空急流強(qiáng)度增大導(dǎo)致低空垂直風(fēng)切變?cè)龃螅辜绷髯髠?cè)區(qū)域、急流前部區(qū)域的低層垂直渦度?ζ/?t>0進(jìn)一步增大，從而加劇上述區(qū)域的輻合作用。另外，垂直風(fēng)切變?cè)龃竽軌蚴股仙龤饬鲀A斜，使得在上升氣流中形成的降水質(zhì)點(diǎn)脫離上升氣流，而不會(huì)因拖曳作用減弱上升氣流的浮力(俞小鼎等，2006)。

對(duì)兩次過程強(qiáng)降水出現(xiàn)前3 h的低空三層垂直風(fēng)切變(地面與925 hPa 、地面與850 hPa、地面與700 hPa)進(jìn)行分析比較發(fā)現(xiàn)(表1)：三層垂直風(fēng)切變隨高度依次減小。地面與 925 hPa的垂直風(fēng)切變最大，地面與850 hPa其次，地面與700 hPa最??；在“7·16”過程第一輪強(qiáng)降水的兩個(gè)強(qiáng)降水峰值發(fā)生前，低空風(fēng)垂直切變明顯增大，尤其是以邊界層(地面與925 hPa)增大最為明顯。在第一個(gè)強(qiáng)降水峰值出現(xiàn)前3 h和發(fā)生時(shí)刻(15日22時(shí)至16日01時(shí))地面與925 hPa的垂直風(fēng)切變依次為6.5×10-3、19.8×10-3、24.4×10-3和20.3×10-3s-1)，地面與850 hPa的依次為8.8×10-3、11.9×10-3、13.4×10-3和8.5×10-3s-1，在強(qiáng)降水發(fā)生前1 h達(dá)最大。在第二個(gè)強(qiáng)降水峰值出現(xiàn)前3 h和發(fā)生時(shí)刻(7月16日05—08時(shí))，地面與925 hPa、地面與850 hPa的垂直風(fēng)切變隨時(shí)間增大，分別為7.5×10-3、2.8×10-3、6.0×10-3和18.6×10-3，以及4.2×10-3、4.5×10-3、5.5×10-3和6.6×10-3s-1)，在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)刻達(dá)到最大；在“7·22”過程的強(qiáng)降水發(fā)生前3 h和發(fā)生時(shí)刻(7月22日17—20時(shí))，地面與850 hP的垂直風(fēng)切變隨時(shí)間增大并不明顯，依次為6.6×10-3、7.1×10-3、7.2×10-3和7.9×10-3s-1，在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)刻達(dá)最大。

表1 強(qiáng)降水發(fā)生前3 h低層垂直風(fēng)切變統(tǒng)計(jì)表(單位：10-3 s-1)

由此得出：兩次暴雨過程發(fā)生前低空均出現(xiàn)垂直風(fēng)切變。“7·16”過程第一輪強(qiáng)降水期間，低空1500 m以下垂直風(fēng)切變的大小、大值區(qū)所達(dá)高度遠(yuǎn)大于“7·22”過程的強(qiáng)降水時(shí)段。隨著強(qiáng)降水的臨近，低空1500 m以下(地面與925 hPa、地面與850 hPa)的垂直風(fēng)切變?cè)龃?，在發(fā)生時(shí)刻達(dá)到最大，1500 m以下垂直風(fēng)切變的大小與降水強(qiáng)度有密切關(guān)系，對(duì)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)有明顯的指示意義。

4 結(jié) 論

本研究利用北京地區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)30 min間隔的多層測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、美國(guó)NCEP/GFS再分析資料(0.5°×0.5°)、地面加密自動(dòng)氣象站小時(shí)降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)，并引入了低空急流特征量(低空急流最大風(fēng)速Wmax、急流最低高度Hmin、低空急流指數(shù)Ij)和垂直風(fēng)切變，對(duì)兩次不同天氣類型和不同強(qiáng)度的典型暴雨過程中的低空急流成因、結(jié)構(gòu)特征，以及邊界層急流及其作用差異開展對(duì)比分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)“7·16”北京特大暴雨是在北京處于副高邊緣的西南急流控制、受高空低渦低槽東移和850 hPa暖切變線影響，以及地面東高西低的形勢(shì)下發(fā)生的。副高邊緣的低空西南急流加強(qiáng)、低渦低槽東移，以及近地層輻合線的共同作用，為第一輪極端強(qiáng)降水的發(fā)生提供了極為有利的水汽輸送、輻合和抬升條件；副高、地面東高西低氣壓場(chǎng)的穩(wěn)定維持，以及低空西南急流不斷加強(qiáng)和維持，是造成強(qiáng)降水重復(fù)出現(xiàn)、降水天氣持續(xù)的主要原因；“7·22”北京暴雨是在高空槽前偏南急流東移，850 hPa河套東部暖切變線，以及北京地面處于倒槽北部輻合區(qū)的形勢(shì)下發(fā)生的。高空槽前偏南急流附近的較強(qiáng)的、深厚上升運(yùn)動(dòng)，為強(qiáng)降水天氣的形成提供了有利的抬升條件和中層水汽輸送條件，但是低空水汽輸送條件和近地層的輻合條件較差。

(2)影響“7·16”過程的副高邊緣西南低空急流在900～800 hPa具有明顯的水汽輸送作用。同時(shí)，由于地形輻合線的持續(xù)作用以及始終位于低空急流核區(qū)的下游左前方或者低空急流軸左側(cè)，使北京低層(950 hPa以下)的水汽輻合不斷加強(qiáng)。低空急流的明顯的水汽輸送作用及其與近地層不斷加強(qiáng)的水汽輻合作用相互配合，是引發(fā)7月16日凌晨至上午出現(xiàn)極端強(qiáng)降水的重要原因；相比之下，影響“7·22”過程的西來槽前偏南急流的水汽輸送主要在對(duì)流層中層650～450 hPa，低空(850 hPa以下)的水汽輸送作用較小。另外，西來槽前偏南急流隨高空槽在自西向東移動(dòng)過程中，前期北京處于急流軸右側(cè)、后期處于急流前方或急流軸左側(cè)，到后期低空水汽輻合作用才逐漸轉(zhuǎn)好。低空水汽輸送和水汽輻合作用相互配合的時(shí)間較短。

(3)對(duì)利用風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)計(jì)算低空急流特征量的分析得出：兩次暴雨過程中在強(qiáng)降水發(fā)生前3 h，均出現(xiàn)Wmax增大、Hmin下降，Ij增大，以及低空1500 m以下均出現(xiàn)明顯的垂直風(fēng)切變，且隨著短時(shí)強(qiáng)降水臨近而數(shù)值增大等特征。

(4)在“7·16”過程第一輪強(qiáng)降水的兩個(gè)降水量峰值發(fā)生之前，急流最低高度下降至幾百米，即出現(xiàn)邊界層急流。邊界層急流遇地形產(chǎn)生的強(qiáng)烈抬升作用，觸發(fā)對(duì)流單體的形成。對(duì)流單體沿地形排列，在地形輻合線附近或者沿山一側(cè)強(qiáng)烈發(fā)展成中尺度對(duì)流雨帶，造成沿山地區(qū)極端強(qiáng)降水的發(fā)生。在“7·22”過程強(qiáng)降水發(fā)生前，低空急流最低高度在 1000 m以上，地形抬升作用不明顯。

綜上所述，在北京暴雨形成過程中，副高邊緣低空急流比西來槽前低空急流的水汽輸送作用、低空輻合和抬升作用更為顯著。邊界層急流對(duì)中尺度系統(tǒng)的觸發(fā)和組織作用是極端強(qiáng)降水形成的重要原因。低空急流特征量(Wmax、Hmin、Ij)，以及1500 m以下的垂直風(fēng)切變的大小對(duì)強(qiáng)降水的發(fā)生具有重要的指示意義。

致謝：本研究得到北京城市氣象研究院肖現(xiàn)研究員提供的雷達(dá)數(shù)據(jù)支持，在此表示衷心感謝！