引言

随着大气探测手段的不断丰富和发展，尤其是利用北京2008年奥运会与残奥会举办的契机，在北京地区及其周围形成常规观测、加密探空、双星观测、自动地面站、多普勒雷达、风廓线雷达、闪电定位和GPS水汽反演等多种手段的密集的监测网络。

近年来，越来越多的气象工作者投入到这些新资料的应用中，有力促进了北京地区强对流天气的研究和业务预报能力。如陈明轩等^[1]、王令等^[2]利用多普勒雷达资料得到北京地区的强对流雷达回波特征；郑栋等^[3]利用M-LDARS闪电定位系统分析了北京及其周边地区的闪电时空分布特征；李建华等^[4]、王飞等^[5]给出北京地闪活动与雷达回波的对应关系；古红萍等^[6]展示了边界层风廓线资料在北京夏季强降水天气分析中的应用；廖晓农等^[7]探讨了14时探空在改进北京地区对流天气潜势预报中的作用；楚艳丽等^[8]应用地基GPS水汽资料研究北京“7.10”暴雨过程等。

上述工作都是应用一种或对比两种非常规资料来研究强对流天气过程，是新资料应用的基础。但作为天气预报员，更需要对更多类型(包括常规和非常规)资料的综合分析能力，以获得完整的天气过程的物理图像，从而做出更准确的天气预报。因此如何融合多种观测资料变得很重要。这方面的工作才刚起步，如何立富等^[9]采用NCEP分析资料、自动站加密资料、逐时云顶亮温和多普勒雷达资料对北京2004年7月10日中尺度系统的发生发展、结构与成因进行综合分析；郭虎等^[10]和吴庆梅等^[11]使用多普勒雷达、地面自动站、垂直风廓线、微波辐射资料及GPS水汽分布等资料分别对2006年7月9日和24日的北京局地大暴雨天气进行了精细中尺度分析。

2008年北京奥运会及残奥会期间，正值华北汛期，强对流天气多发。另外由于奥运气象保障的需要，北京地区建设了较为密集的天气监测网络，非常规资料丰富。因此选取2008年9月6日残奥会开幕式之后，次日凌晨北京出现的一次雷暴过程作为分析对象，综合多种观测资料获取这次过程的完整物理图像。

分析所使用的资料包括：间隔1小时的加密观测降水资料；间隔半小时的FY-2C和FY-2D卫星观测云顶黑体亮温(TBB)资料，空间分辨率为0.1°×0.1°；每日4次的NCEP分析资料，空间分辨率为1°×1°；增加了14、17、02时的北京观象台加密探空资料；间隔6 min的多普勒雷达基数据；10 min累积闪电定位；间隔5 min地面自动站观测；海淀站6 min间隔的垂直风廓线资料。

1 降水实况及天气背景分析

尽管基本站24 h累积降水量显示，9月6日08时至7日08时(北京时，下同)北京观象台为中雨量级的19 mm降水，但部分加密自动站观测站点达到暴雨量级，表明此次降水具有较强的局地性。降水从7日02时开始，强降水区主要分布在北部山区和城区南部，至08时的6小时累计降水量一般为20~60 mm。最大降水量出现在世界公园，达66.3 mm。

从逐小时加密观测降水分布来看(如图 1)，此次降水过程主要有4个雨团活动：一个雨团在北部山区生成，并东移发展，05时至06时达到最强盛阶段，其后减弱移出北京；一个雨团从门头沟以西移入北京城区，04时至05时最强，其后在朝阳区消散；另外两个雨团在房山地区发展，而前一个雨团东北移动是引起南部城区强降水的主要系统。

利用NCEP/NCAR分析资料，分析强对流发生大气背景特征(图略)。结果表明，在内蒙古东部至辽宁上空200 hPa存在风速大于40 m·s^－1的急流轴，而北京恰好处于该急流轴的右后部，这种高空辐散配置非常有利于低层对流的发展。在500 hPa位势高度场上：中高纬为两槽一脊稳定形势，其中内蒙古北部高空槽有利于高纬冷空气从中高层南下，增加北京地区的层结不稳定性；新疆深槽底部有高原槽东移，该高原槽9月5日就在西藏西部生成并东移发展，进入河套以西之后受蒙古高压脊和副热带高压的共同阻挡而横摆，然而其槽前MCS在副高边缘气流的引导下继续东移，到达北京地区后再度发展而造成雷暴天气；低纬副热带高压从9月5日开始西伸北抬，至9月7日02时588线西脊点伸展到95.5°E，而北边界达到36.3°N，副高的这种形势更有利于北京地区的水汽输送。850 hPa风场上，北京位于暖切变南侧的西南气流里，为产生对流的典型天气形势。地面气象场上，9月7日02时北京以南有地面倒槽存在，河北北部有一条东西向的湿度锋区，北京位于其南侧的大湿度区内，并且近地面吹南风，表明已具备对流发生的低层水汽条件。

进一步利用北京观象台2008年9月6日14时至7日02时的加密探空资料分析强对流发生前的大气物理条件，结果表明：(1)6日14时有正不稳定能量区存在(图 2a)，但自由对流高度较高(约700 hPa)，其对流有效位能(CAPE)为2032 J·kg^-1，此后CAPE值逐步递增，17时和20时分别为2357、2894 J·kg^-1，至7日02时达到3361 J·kg^-1(图 2b)；(2)6日14时925 hPa至700 hPa层为对流抑制能量，有利于不稳定能量在低层积聚，此后对流抑制能量减小，至6日20时自由对流高度也下降到850 hPa附近(图略)；(3) 分析整层湿度的分布和演变情况，850 hPa以下6日14时至7日02时低层的比湿逐渐增大，而700 hPa附近有相对湿度较低的干空气，这种上干下湿的配置有利于低层对流不稳定的维持和发展；(4)925 hPa和850 hPa从6日17时至7日02时一直吹西南风，且925 hPa的风速逐渐增大(7日02时达到8 m·s^-1)，至700 hPa以上偏西风为主，且随高度增加风速迅速增大(图 2)，该配置有利于低层水汽输送入北京地区，并且垂直风切变的存在能使对流更好发展。

2 中尺度系统活动的云图分析

由前述中尺度雨团演变分析可以看到，中尺度对流系统(MCS)的活动应是导致此次强降水过程的直接系统。通过高时空分辨率的云顶亮温(TBB)资料，给出MCS的活动情况。9月5日00时至7日12时的逐半小时TBB资料显示(图略)，此次影响北京的MCS最初于5日00时在青藏高原北部生成，并在中纬环流和副热带高压的共同引导下向东移动，其间经历发展、减弱和再发展的阶段，至7日02时到达北京西侧。

图 3给出MCS进入北京地区整个过程的活动演变情况。7日03:00(图 3a)，主要关注3个MCS的活动，分别为北京以西位于河北省的对流云团A，房山区的对流云团B，和北部山区的对流云团C。至7日04:00(图 3b)：云团B向东北方向移动到城区，其强度增强，并与东移的云团A合并；同时北部山区云团C发展起来。7日04:30(图 3c)：云团B进一步发展，低于-50℃的云顶形成直径约45 km的准圆形；云团C发展更旺盛，云砧形状表现更明显。7日05:00(图 3d)：云团B和C已经连接合并起来，强度变得更强(出现低于-55℃的云顶温度)，正是该合并云团造成05时至06时北部山区的强降水；另外，又有对流云团D在门头沟以西的河北省发展起来。7日05:30(图 3e)：云团C继续向东北方向移动，而D东移入门头沟区。7日06:30(图 3e)：云团快速向东北方向移动与C连接起来，而云团C的主体已移出北京；另外大兴区有强度较弱的对流云团E发展。

可以看出，此次雷暴过程影响北京的云团来源主要有两种：一种是由河北省东移入北京(云团A、B、D、E)，另一种是在北部山区直接生成发展(云团C)。单个对流云团的发展，以及两个云团的合并是造成降水增强的主要原因。此外值得注意的是，若对比TBB低值区和强降水区位置，可以发现同一时段两者并不重合，一般强降水区位于TBB低值区的后部，其主要原因是对流云顶受高层气流引导而比低层对流云区移动快，而强降水与低层强对流区的对应关系更好(可以通过后面的雷达回波分析看出)。从另一个侧面也反映出垂直方向上存在着较强的风速切变，且对流云顶可以较好的指示低层对流区的移动。

3 强对流的中尺度分析

雷暴天气发生和发展需要具备3个基本条件：大气层结不稳定，相对暖湿的低层水汽条件和对流触发机制^[12]。从前面的大尺度天气背景分析可以看到，至7日02时，不稳定层结和低层水汽条件已经具备，只要有合适的触发机制，对流就会生成或发展起来。本节将利用更高时空分辨的雷达、闪电、自动站和风廓线资料来分析对流系统的发生、发展的演变过程，并讨论其触发机制。

3.1 对流系统的雷达回波及其闪电特征

分析造成强降水的强回波活动演变。如图 4，给出3个主要对流系统的活动演变示意图。总体上，3个对流系统的移向都是西南至东北向，其中A和B是从河北移入北京，而C直接在北京北部生成。对流系统A约在9月7日02:54移入房山区，并逐渐加强(图 4和图 5a)，03:54进入北京城区，于04:30发展最旺盛，之后逐渐减弱消失。该系统直接造成南部城区04时至05时的强降水。对流系统B于02:30移入门头沟区，并发展加强，04:06进入海淀区后强度达到最强(图 4和图 5b)，之后继续向东北方向移动并减弱，至04:42强度最弱，而后再度发展加强，05:24进入密云县造成强降水。对流系统C于04:18时在怀柔西南部生成，之后东北移动并发展加强，在05:00与北侧移入北京的强回波连接起来形成回波带，造成05时至06时北部山区的强降水。另外在对流系统A减弱时，04:54其西侧又生成对流系统D(图 5c)，该系统发展加强再次在南部城区造成强降水(图 5d)。

分析对流系统的闪电时空分布特征。如图 6，此次雷暴过程以负闪为主(占总量的95.4%)，闪电最强时段发生在04时至05时，与强降水和强回波时段有较好对应关系。对于闪电的空间分布(如图 5)，对流系统A和B是闪电的主要来源。负闪频率与雷达回波有较好的对应关系，高频率负闪主要分布在回波强度≥40 dBz的区域。但需注意两者不是一一对应关系，即强回波区不一定有高频率闪电。

3.2 对流系统的触发机制

在环境条件具备的前提下，强对流的发生、发展、移动和衰弱主要取决于低层触发机制。及时准确地分析各种强对流触发机制是预报雷暴天气过程的关键。本节主要利用高时空分辨率的自动站和风廓线观测资料来分析此次雷暴过程的主要触发机制。

分析地面风场演变：6日18:00(图略)，北京近地面为一致的南风或西南风；至7日01:55(图 7a)，北京城区为低压中心，有一条地面辐合线西南至东北向贯穿城区和顺义(图 7a粗实线)；随着强对流系统A和B进入北京城区(图 5b)，配合地面高压的移动(图 7b)，高压前部存在阵风锋(图 7b粗虚线)；至05:10，北部的两高压之间出现西北至东南向的辐合线，城区的西部出现高压舌后部流出气流与山风之间辐合线(图 7c粗实线)；到05:55，配合对流系统D(图 5d)，城区为高压中心所占据，而北部辐合线依然存在。

从上面分析可知，地面辐合线和阵风锋是影响本次过程的主要触发机制。如图 7a，对流系统A进入北京后沿该地面辐合线移动，并在城区南部遇到辐合中心从而发展更为强盛，造成强雷暴天气。进一步分析该辐合线形成原因：从地面温度场上看(图 8a)，强降水发生前北京市区温度比周边高3~4℃，具有明显的热岛现象；该热岛效应使城区出现低压中心(图 7a)，进而使南边的暖湿气流与北边的山风在城区辐合，形成地面辐合线，这与江晓燕等^[13]的研究结果一致；强降水发生后，该热岛效应消失(图 8b)，地面低压为雷暴高压所替代，辐合线也随之消亡。当强对流系统进入北京市区之后，其配合地面高压前部的流出气流与前方风场形成的地面辐合线，是对流系统C和D，以及B再发展的主要触发机制。

风廓线海淀站位于对流系统B(图 4)的移动路径上，下面利用风廓线资料进一步探讨其演变过程。如图 9，在对流系统B发展之前，02:00至03:00边界层600 m以下为东南风(风速≥12 m·s^-1)，600 m以上为西南气流。低空风速高值区的存在非常有利于暖湿空气的输送，此外风垂直切变也有利于对流的发展。至03:00之后边界层出现扰动(图 9中黑色矩形所示)，按照郭虎等^[10]和段丽等^[14]提出的概念模型，该扰动是由于平原东南气流受山脉的阻挡而抬升后卷形成，400~600 m后卷的偏西风与平原的南风(或西南风)辐合使得对流系统B进一步加强。在03:30至04:30，海淀站进入对流B的回波范围内，低层风速反而逐渐减弱。04:30之后，低层转为对流系统后部的较强偏西风入流。

4 结语

随着新观测手段的不断出现，天气预报员面临未有的新挑战和新机遇。本文利用奥运期间多种加密观测资料分析了2008年9月7日凌晨北京一次雷暴过程的发生发展机制，得到如下结论：

(1) 北京处于200 hPa急流轴右后部、850 hPa暖切变南侧的西南气流里，加上地面暖湿空气输送，形成强对流发生发展有利背景条件。

(2) 加密探空资料及时捕捉到强对流发生前北京整层大气的变化，不稳定能量的增加、自由对流高度的下降、低层暖湿空气的流入以及垂直风切变的存在都有利于对流的发展。

(3) TBB资料分析显示，高原槽前中尺度对流系统东移再发展是造成此次强降水的主要原因。

(4) 多普勒雷达回波显示此次过程中有3个产生闪电和强降水的主要对流系统活动，其中两个从河北移入北京地区经历发展、衰弱、消亡(或再发展)的过程，另一个直接在北部生成并经历发展、合并、移出的过程。另外闪电资料统计表明此次雷暴以负闪为主，其时空活动与雷达回波强度有较好对应关系。

(5) 自动站观测风场和风廓线资料分析表明，两个从河北移入的对流系统分别遇到城市热岛而形成的地面辐合线、以及平原东南气流受山脉的阻挡而抬升后卷形成边界层扰动，再度发展成为强对流系统造成北京城区的强降水。此外发展起来的强对流系统地面高压前部的流出气流与山风相遇形成新的地面辐合线，从而诱发新的对流系统而造成北部强降水。