2024, Vol. 50 
2023年7月29日至8月2日, 北京市遭遇了历史罕见的强降雨(“23·7”极端强降雨)，在山区引发严重的洪涝灾害及重大人员伤亡。全市累计平均降水量为331 mm，突破1961年有完整观测记录以来的历史极值。房山、门头沟、昌平、石景山、大兴、丰台、怀柔7个区出现特大暴雨，单点最大降水量1025.0 mm, 为北京地区迄今为止仪器记录到的单站最大过程降水量。全市因灾死亡33人，因抢险救援牺牲5人，失踪18人；洪涝灾害共造成近129万人受灾，房屋倒塌5.9万间，严重损坏的房屋14.7万间，农作物受灾面积22.5万亩(1亩≈666.7 m2)；全市累计转移群众8.2万余人；此外，强降雨还对山区的电力、通信、交通和水利工程等基础设施破坏严重。
极端暴雨致灾性高，一直以来都是气象学家关注和研究的重点。北京以及华北地区历史上曾多次发生极端暴雨过程，如1963年的“63·8”海河流域暴雨、1975年的河南“75·8”特大暴雨、1996年的华北“96·8”特大暴雨、2012年的北京“7·21”特大暴雨和2016年的华北“7·20”特大暴雨等(丁一汇等，1978；江吉喜和项续康，1997；孙军等，2012；孙建华等，2013；冉令坤等，2014；符娇兰等，2017；雷蕾等，2017；赵思雄等，2018)。在大尺度环流方面，华北暴雨过程的主要影响形势有低涡型、暖式切变型、低槽冷锋型、台风与低槽(低涡)远距离相互作用型、低涡(登陆台风)与西风槽相互作用型、登陆台风北上受高压阻挡停滞型等(陶诗言，1980；丁一汇等，1980；周鸣盛，1993；孙建华等，2005；寿绍文，2019)。北京“23·7”极端强降雨主要和台风残涡北上受西太平洋副热带高压(以下简称副高)阻挡停滞有关(杨舒楠等，2023；杨晓亮等，2023)，同“75·8”形势场相似，但低涡环流明显偏北。
丰富的水汽供应对暴雨的发生发展有重要影响。华北地区夏季暴雨的水汽通道主要有3条，一是西南季风将孟加拉湾的水汽远距离输送到华北；二是东南急流将南海的潮湿空气经江淮流域输送到华北；三是副高南侧或西南侧与台风之间的东南急流将来自西太平洋的水汽输送到暴雨区(梁萍等，2007；廖晓农等，2013)。其中，台风东北侧急流对水汽的远距离输送诱发过多次极端暴雨(丛春华等，2011；徐洪雄等，2014；汪小康等，2022；李超等，2022)。就北京“23·7”过程而言，“杜苏芮”和“卡奴”双台风引导下的西南、东南两条水汽输送通道为华北特大暴雨提供了异常充沛的水汽(张芳华等，2023)。
北京位于太行山、燕山和华北平原的过渡地带，地形对北京强降雨也有着重要的影响。数值研究表明，太行山地形抬升作用导致的低层辐合和垂直环流的变化能够影响降雨的强度，阻挡作用减慢降水系统的移动速度并改变暴雨中心(闫冠华等，2015；王宇虹等，2015；林慧敏等，2023)。当偏东的低空急流遇到太行山阻挡时，易在山前引发强降雨(孙继松等，2015；符娇兰等，2017；雷蕾等，2017；Xia and Zhang, 2019)。
短时强降水对暴雨过程贡献度很大，其发生发展与中尺度对流系统关系密切(赵玮等，2022；周晓敏等，2023)，如在中尺度地形强迫和低空急流增强过程中，形成的中尺度辐合线或涡旋有利于中尺度对流系统(MCS)的触发、增强，MCS的后向传播、列车效应等在山区附近容易产生暴雨(Chen et al, 2012；陈明轩等，2013；刘璐等，2015；Zhong et al，2015；栗晗等，2018；雷蕾等，2020)。
北京“23·7”极端强降雨具有持续时间长、累计降水量和雨强大、地形增幅明显等特点。尽管业务预报对此次过程的总降水量和降雨落区把握较好，主观暴雨预报较模式结果也有明显提升，但对降水量、雨强的阶段性精细特征和地形增幅强度估计不足，所以有必要对这次历史罕见的特大暴雨进一步总结、分析，加深对“23·7”极端强降雨的认识和理解，为业务预报和更深入的科学研究提供参考。
1 数据本文所用数据为北京地区加密自动气象站、北京市规划和自然资源委员会(以下简称规自委)的雨量站数据；北京观象台的L波段探空、风廓线雷达、GPS水汽、多波段双偏振雷达等探测数据；逐小时、空间分辨率为0.25°×0.25°的ERA5再分析数据。
气象观测站是天气监测、预报、研究的基石。为保证“23·7”极端强降雨观测数据的科学、准确，本文对北京全市共599个气象观测站的逐时降水量进行质量控制，剔除异常值站15个、被洪水冲毁的站12个，剩余572个气象站资料可用。其中，相比位于北京西北部的延庆区气象站数量(74个)，西部的房山区(43个)、门头沟区(45个)和昌平区(46个)气象站数量较少，且平原地区站点分布密集、山区稀疏，加之因道路阻断等原因，山区部分称重式雨量站因超过观测上限无法及时清理，一定程度上影响了观测极值。而北京市规自委在北京山区布设了580个翻斗式雨量站，多数位于较高海拔的山坡上，2020年开始对山区地质灾害隐患点和附近降雨进行监测。因此，为有效弥补西部山区观测的不足，本文针对本次极端强降雨过程特点、观测站网布局特点和观测数据有效性，按照以气象部门的572个气象观测站为主，以集中在房山区、门头沟区和昌平区的107个规自委雨量站补盲(共679个站，图 1)的处理方法，经核验与质量控制，整合形成一套完整、准确的北京“23·7”极端强降雨逐小时雨量观测数据集。构建的新数据集中，山区站点数据更精密，山区与平原的站点分布更均匀，为更科学地分析精细化降雨特征、极端性和地形对降雨增幅作用等提供了数据支撑。
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图 1 北京市地形高度(阴影)和观测站点分布(散点) Fig. 1 Distribution of topography (shaded) and observation stations (dot) in Beijing |
此次过程累计降水量、单点最大降水量均突破了历史极值。受极端强降雨影响，海河流域发生流域性特大洪水，永定河流域卢沟桥、大石河流域漫水桥等站最大洪峰流量为有实测记录以来的历史最高值(北京市人民政府门户网站，https://www.beijing.gov.cn/ywdt/gzdt/202308/t20230809_3218873.html)。西部山区的极端短时强降雨，在7月31日11：00(北京时，下同)诱发了“永定河2023年第1号洪水”的形成(水利部官方网站，http://www.mwr.gov.cn/xw/slyw/202307/t20230731_1676775.html)。
2.1 累计降水量特征及其极端性2023年7月29日20：00至8月2日07：00，北京过程平均降水量331 mm(只考虑气象站为272.1 mm)，占平均年降水量(551.3 mm，1991—2020年20个国家级气象观测站平均)的60%。累计降水量400 mm以上面积达3526 km2(占全市约21.5 %)，600 mm以上达1556 km2(占全市约9.5%)，800 mm以上达175 km2(图 2)，且区域特征明显，位于西南部的房山区和门头沟区平均降水量位列全市各区前两位，其中房山区平均降水量为627.1 mm，单点最大降水量1025.0 mm；门头沟区平均降水量为565.3 mm，单点最大降水量1008.0 mm。
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图 2 2023年7月29日20:00至8月2日07:00北京“23·7”极端强降雨累计降水量分布 Fig. 2 Distribution of accumulated precipitation of the July 2023 extremely torrential rain in Beijing from 20:00 BT 29 July to 07:00 BT 2 August 2023 |
基于北京地区20个国家级气象观测站逐日雨量数据，对比1961年具有完整数据以来平均降水量超过100 mm的典型暴雨过程(表 1)：“23·7”过程平均降水量为283.6 mm，略高于“63·8”的281.2 mm，明显高于2016年“7·20”的231.7 mm以及2012年“7·21”的191.1 mm，为有完整记录以来平均降水量最大的过程；本次过程最大日降水量为306.8 mm，仅比“7·20”少0.4 mm，斋堂站的日降水量(214.9 mm)突破该站历史极值；国家级气象观测站中单站最大降水量为772.2 mm(霞云岭)，显著高于“63·8”的512.8 mm(海淀)，而所有雨量站中，最大为1025.0 mm(规自委的金鸡台村北沟)，气象站中最大为879.4 mm(房山新村)。
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表 1 1961年以来北京国家级气象观测站平均降水量超过100 mm的暴雨过程的平均降水量、单站累计最大降水量及最大日降水量 Table 1 The average accumulated precipitation, the maximum accumulated precipitation and maximum daily precipitation at a single station during the extremely torrential rain with average accumulated precipitation exceeding 100 mm at national meteorological stations since 1961 |
通过对北京市气象档案馆的百年数据反查，北京地区最早有仪器记录到的强降雨发生在1883年7月23—29日，累计降水量为510.3 mm(北京地磁观象台, 中国最早使用近代气象仪器连续进行观测的气象台站，位于今东直门附近)，本次过程之前记录到的单站最大降水量为1891年7月23日的609 mm (北京地磁观象台)，而2012年北京“7·21”特大暴雨过程，最大为541 mm(房山河北镇)。可见，“23·7”的单站最大降水量为北京地区迄今为止仪器记录到的单站最大过程降水量。
2.2 降雨强度特征及其极端性从最大雨强的逐时演变(图 3)可见，83 h中超过20 mm·h-1的有61 h，占比73%，超过50 mm·h-1的有14 h，占比17%。雨强最大值为规自委的门头沟龙泉地区办事处(126.6 mm·h-1)，气象站中为门头沟定都阁(114.2 mm·h-1)。
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图 3 2023年7月29日20：00至8月2日07：00北京全市平均降水量和最大小时雨强的逐时序列 Fig. 3 Average hourly precipitation and maximum hourly precipitation intensity in Beijing from 20:00 BT 29 July to 07:00 BT 2 August 2023 |
统计北京2009—2023年小时雨强数据(自2009年开始有小时雨量观测)，此次过程最大雨强排名第二(图 4，若只考虑气象站则排名第五)，略低于2011年6月23日石景山模式口的128.9 mm· h-1，但明显超过2012年“7·21”的最大雨强(平谷挂甲峪，100.3 mm·h-1)。自2009年以来小时雨强超过100 mm·h-1共出现26个站次，本次过程中有10个站次(规自委雨量站6个，气象站4个)，其中8个出现在门头沟区、房山区和丰台区(7月31日09：00—11：00)，2个出现在大兴区(31日16：00—18：00)。在历史前十的小时雨强排序中(图 4)，本次过程有5个站次入选，单气象站历史前十排序中有2个入选，无论是否考虑规自委雨量站，都是雨强占比最多的过程。
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图 4 2009—2023年北京前十名雨强排序 Fig. 4 The top 10 hourly precipitation intensities in Beijing from 2009 to 2023 |
虽然本次过程最大雨强极端，但相比2012年的“7·21”过程，北京城区未出现明显积水，原因一是“23·7”过程城区雨强较小，平均最大雨强为26.3 mm·h-1，明显小于“7·21”过程的55.0 mm· h-1，二是得益于“7·21”过程之后北京城区排水防涝能力的提升。
2.3 阶段性特征此次过程降雨持续83 h，存在鲜明的阶段性特征。根据降雨特点和天气系统，可分为5个阶段(图 5)：
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图 5 “23·7”极端强降雨过程各阶段的累计降水量分布 Fig. 5 Distribution of accumulated precipitation in five stages during the process of the July 2023 extremely torrential rain |
第Ⅰ阶段(图 5a)：29日20：00至30日04：00(8 h)，降雨分散，平均降水量为4.9 mm(占比1.5%)；第Ⅱ阶段(图 5b)：30日04：00—21：00(17 h)，北京先后受到两条自东南向西北移动的螺旋雨带影响，强降雨范围显著增大，平均降水量为122.9 mm(占比37.1%)；第Ⅲ阶段(图 5c)：30日21：00至31日07：00(10 h)，平均降水量为33.4 mm (占比10.1%)；第Ⅳ阶段(图 5d)：31日07：00至8月1日01：00(18 h)，强降雨范围再度变大，100 mm以上的大暴雨落区沿山区附近向北推进，平均降水量为131.4 mm(占比39.7%)；第Ⅴ阶段(图 5e)：8月1日01：00至2日07：00(30 h)，持续时间长但较分散，降雨云团移动方向转为自西南向东北移动，平均降水量为38.4 mm(占比11.6%)。其中，第Ⅱ和第Ⅳ阶段降水量约占过程总量的77%，平均最大雨强超过了50 mm·h-1(图 3)，为降雨的主要阶段。
3 强降雨成因分析第Ⅱ和第Ⅳ阶段虽然过程累计降水量相当，但第Ⅳ阶段的最大雨强显著大于第Ⅱ阶段，超过100 mm·h-1的极端短时强降水都发生在第Ⅳ阶段(图 3)。本节将重点分析导致两个阶段雨强差异的原因。
3.1 环境场特征分析北京“23·7”极端强降雨发生在台风杜苏芮残涡北上受高压阻挡停滞的环流背景下，高层辐散稳定维持，是典型的华北特大暴雨环流形势(杨舒楠等，2023；张芳华等，2023)。各降雨阶段与低涡系统的演变对应较好，其中第Ⅱ和Ⅳ阶段分别受低涡顶部倒槽和低涡东侧的暖式切变线影响。低空急流强度方面，第Ⅳ阶段随着副高加强西进，低空急流达到最强，2.5 km高度附近风速最大约25 m·s-1，风速≥20 m·s-1的急流厚度由第Ⅱ阶段的2 km增至4 km(图 6a，6b)；水汽方面，第Ⅰ~Ⅳ阶段北京地区的整层可降水量持续增加，由29日08：00的60 mm增至31日20：00的77 mm，第Ⅳ阶段低层水汽通量达35 g·cm-1·hPa-1·s-1以上，明显高于第Ⅱ阶段(图略)；不稳定层结方面，过程中对流有效位能(CAPE)始终为正值，虽然第Ⅰ、Ⅱ阶段随着降雨加强CAPE得到释放，但第Ⅲ、Ⅳ阶段随着低空急流加强、暖湿气流向北输送变强，北京低层假相当位温增大，CAPE开始重建(图 6c)，由第Ⅱ阶段后期的中性层结向第Ⅳ阶段的不稳定层结转变。
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图 6 2023年7月(a)30日08：00至31日02：00和(b)31日02：00—20：00的北京站风廓线雷达的逐时风羽图，(c)29日20：00至8月1日08：00北京站探空CAPE和925 hPa假相当位温θse 注：8月1日02：00缺测。 Fig. 6 Hourly winds (barb) observed by Beijing wind-profiling radar from (a) 08:00 BT 30 to 02:00 BT 31 July and (b) 02:00 to 20:00 BT 31 July 2023, (c) CAPE and θse at Beijing Sounding Station from 20:00 BT 29 to 08:00 BT 1 August 2023 |
北京“23·7”过程和2016年的“7·20”过程均受低涡系统及低空急流影响。“7·20”中，925 hPa最大风速为28 m·s-1(探空资料)，整层可降水量为57~67 mm，CAPE在降雨开始后快速释放，中期和后期始终为0 J·kg-1。与“7·20”相比，“23·7”虽然低空急流强度略小，但水汽条件、能量条件明显更好，且持续时间更长，因此，“23·7”过程的累计降水量和最大小时雨强要高于“7·20”。
3.2 地形的增幅作用“23·7”过程累计降水量和最大小时雨强的大值区分布在北京西部山区和沿山一带(图略)，其中第Ⅱ~Ⅳ阶段降水量占过程总降水量的86.9%，地形对降雨的增幅作用显著。分析降水量与地形的纬向分布关系可更直观了解地形对降雨增幅的特点(符娇兰等，2017；杨浩等，2022)。计算39.6°~40.0°N区域(主要覆盖房山、门头沟及其以东地区)第Ⅱ~Ⅳ阶段降水量、小时雨强及其测站海拔高度的纬向变化(图 7a，7b)，结果显示：
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图 7 北京“23·7”极端强降雨第Ⅱ~Ⅳ阶段39.6°~40.0°N区域(a)累计降水量和(b)最大小时雨强与测站所在海拔高度(阴影)的纬向变化 Fig. 7 Zonal variation of (a) accumulated precipitation and (b) maximum hourly precipitation intensity with altitude (shaded) of the stations in the region of 39.6°-40.0°N from stage Ⅱ to stage Ⅳ of the July 2023 extremely torrential rain in Beijing |
累计降水量自东向西开始增加的位置在距离山区以东约15 km(116.4°E附近)处，增加最快(曲线最陡阶段)区域在海拔100~300 m的浅山区，最大值出现在海拔400 m附近，而不是在海拔最高处(图 7a)，向西累计降水量在波动中缓慢下降。该期间山区平均累计降水量为577.8 mm，是平原(207.3 mm)的2.8倍，其中第Ⅱ、Ⅳ阶段山区分别是平原的2.1倍、3.0倍。
降雨强度方面(图 7b)，距离山区以东约10 km处最大小时雨强开始明显增强，在海拔100~300 m浅山区雨强增加最显著，超过50 mm·h-1的雨强在海拔200~400 m的山区附近，最大值位于接近海拔400 m的山区，向西海拔超过400 m后，雨强从100 mm·h-1以上迅速减小至30 mm·h-1左右。对逐小时山区最大小时雨强与平原最大小时雨强比值求平均(下同)，该期间山区平均最大雨强是平原的2.7倍，其中第Ⅱ阶段山区是平原的2.0倍、第Ⅳ阶段为2.7倍。
分析地形对东风急流的强迫作用。从单点物理量垂直剖面看，垂直速度大值中心分别出现在第Ⅱ阶段的7月30日傍晚和第Ⅳ阶段的7月31日上午(图 8a)，与两个阶段最大小时雨强出现时段相对应，位置均在北京山区迎风坡上空。其中，第Ⅱ阶段中30日17：00垂直上升运动深厚，中心位于600 hPa附近(图 8a)。800~400 hPa水汽通量辐合主要由低涡倒槽造成，800 hPa以下则为地形强迫(图 8c)。因此，第Ⅱ阶段主要为中层较明显的低涡倒槽系统动力抬升叠加地形抬升；而第Ⅳ阶段中31日10：00垂直上升运动略浅薄，中心位于850 hPa附近，这源于在弱低涡切变线影响背景下，31日上午随着北京地区边界层急流和低空急流的加强，山脉东坡的边界层急流出口区辐合和700 hPa风速≥16 m·s-1的低空急流入口区辐散发生耦合，在低层产生强烈上升运动(图 8b, 8d)，同时随着东南暖湿气流的加强，山前暖湿空气堆积更明显，出现相当位温大值中心，地形对暖湿气流的动力和热力强迫抬升作用较第Ⅱ阶段明显加强(图 8d)，因此为该阶段山区降雨增强提供了有利条件(孙军等，2012；符娇兰等，2017；雷蕾等，2017；汪小康等，2022)。
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图 8 2023年7月(a)30日08：00至8月1日08：00(40°N、116°E)的风场(风羽)、垂直速度(等值线，单位：Pa·s-1)和相当位温θs(填色)的时间-高度演变，(b)31日10：00 700 hPa高度场(等值线，单位：dagpm)、700 hPa风速≥ 16 m·s-1风场(红色风羽)和950 hPa风速≥10 m·s-1风场(蓝色风羽)及垂直速度(填色)，(c)30日17：00和(d)31日10：00沿40°N的u-10w的合成环流(箭矢)、水汽通量散度场(填色，单位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)和相当位温θs(等值线，单位：K)的剖面 注：黑色阴影为地形。 Fig. 8 (a) Time-height variation of wind (barb), vertical velocity (contour, unit: Pa·s-1) and θs (colored) at (40°N, 116°E) from 08:00 BT 30 July to 08:00 BT 1 August, (b) geopotential height at 700 hPa (contour, unit: dagpm), wind speed ≥ 16 m·s-1 at 700 hPa (red barb), wind speed ≥ 10 m·s-1 at 950 hPa (blue barb) and vertical speed (colored) at 10:00 BT 31 July, (c, d) cross-sections of u-10w (vector), water vapor flux divergence (colored, unit: 10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1) and θs (contour, unit: K) along 40°N at (c) 17:00 BT 30 July and (d) 10:00 BT 31 July 2023 |
第Ⅳ阶段累计降水量和最大小时雨强在山区前10~15 km处开始增加，而第Ⅱ阶段开始增加的位置靠近海拔100 m的浅山区(图 9a，9b)。进一步对比分析发现，第Ⅳ阶段低空盛行与北京西部山脉(呈西南—东北向)近于正交的偏东风，当气压梯度力、科氏力和摩擦力相平衡的东风气流移动到山区时，气流被阻挡、抬升而减速，此时气流受到的科氏力下降，不足以平衡气压梯度力从而转向与山脉平行的低气压区(David and Christopher, 1993; Kossmann and Sturman, 2003)，于是偏东风转为东北风，在山前形成与山脉平行的阻滞气流，此现象在地面至500 m尤为明显，东风与阻滞的东北风在平原中部形成了中尺度辐合线。以基于睿图-睿思的250 m风场为例(杨璐等，2019)，分析场可清楚看到此中尺度特征(图 9d)。对流移动到该辐合线附近加强，导致降雨在平原处开始明显增加。而第Ⅱ阶段，山前边界层内为与山脉准平行的东北风，地形对风向偏转作用不明显(图 9c)，直至在浅山区附近存在风速辐合，导致降雨在海拔100 m山区附近开始增加。因此，第Ⅳ阶段为地形对边界层急流和低空急流的绕流辐合与直接抬升共同作用(图 10)，而第Ⅱ阶段主要是地形对低空急流的直接抬升作用。
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图 9 北京“23·7”极端强降雨第Ⅱ阶段和第Ⅳ阶段39.6°~40.0°N区域平均(a)累计降水量和(b)最大小时雨强与测站海拔高度(阴影)的纬向变化，2023年7月(c)30日16:30(第Ⅱ阶段)和(d)31日09:30(第Ⅳ阶段)基于睿图-睿思的250 m高度风场分析场(风矢)与地形高度(阴影) Fig. 9 Zonal variation of (a) accumulated precipitation and (b) maximum hourly precipitation intensity with altitude of the stations between 39.6°-40.0°N for stage Ⅱ and stage Ⅳ of the July 2023 extremely torrential rain in Beijing, (c, d) wind analysis field based on Rmaps-Rise at altitude of 250 m (vector) with topography (shaded) at (c) 16:30 BT 30 July (stage Ⅱ) and (d) 09:30 BT 31 July (stage Ⅳ) 2023 |
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图 10 “23·7”极端强降雨第Ⅳ阶段地形影响降雨概念图 Fig. 10 Schematic diagram of topographic effect on rainfall in stage Ⅳ of the July 2023 extremely torrential rain |
北京“23·7”过程主要以层积混合云降水回波为主(符娇兰等，2023)，强对流类型主要为短时强降水，强回波影响处出现了弱雷电和7级左右短时大风，未观测到冰雹。强降雨的产生一般与MCS有关，本次过程中有多个低质心的MCS发生发展。其中第Ⅱ阶段对流影响范围较大、强度较弱，大部分地区组合反射率在20~45 dBz；而第Ⅳ阶段对流性和局地性更强，组合反射率基本在30~55 dBz，γ-MCS非常活跃，31日上午，迅速增强的MCS在西部山区引发了超过100 mm·h-1的短时强降水。下面将进一步分析第Ⅳ阶段产生极端强降雨的MCS特征，并与第Ⅱ阶段进行对比。
从雷达回波特征可见(图 11)，在第Ⅳ阶段，即7月31日07:06开始，中心强度≥45 dBz的不规则β-MCS从南部进入北京，向西北方向移动过程中逐渐加强，≥45 dBz强回波发展成块状影响北京西南部，导致该区域降雨强度显著增强。在东风急流增强、增厚的背景下，09:30在块状β-MCS的南侧即房山区东南部有γ中尺度线状回波生成，向北移动发展过程中逐渐与其北侧块状回波中心合并、增强，同时移速减慢，在10:00前后发展成为线状β-MCS，于10:30左右达到最强，此时≥45 dBz的回波长约60 km，≥50 dBz的强回波中心长约30 km。该线状的β-MCS移动方向与其轴线平行，在沿北京西部山区北上时形成短暂的列车效应，引发该区域8个站次大于100 mm·h-1的极端短时强降雨，其中7个站次发生在31日10：00—11：00。
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图 11 2023年7月31日X波段组网雷达组合反射率 Fig. 11 Composite reflectivity from Beijing X-band radar networking on 31 July 2023 |
在β-MCS增强的1 h内，回波中心强度增至55~ 60 dBz，从10:30雷达剖面看(图 12)，回波顶高增至15 km以上，但最强质心保持在3 km以下，≥45 dBz的回波高度低于5.5 km，未超过0℃层(31日08：00北京探空显示0、-10、-20℃层高度分别为5.4、7.5、9.3 km)，保持着塔状、低质心、深厚暖云降水回波特征；差分传播相移率(KDP)柱和差分反射率因子(ZDR)柱特征显著，>1 °·km-1的KDP柱和>1 dB的ZDR柱伸展高度约6 km，表明该区域有强上升运动；结合反演的粒子类型分析，最强降雨阶段高空冰相粒子更深厚，-20℃层之上以干雪为主，5~6 km雨夹雹和霰增多，与该区域1~2 dB的ZDR值对应；KDP和ZDR在0℃层以下显著增强，KDP最大约5 °·km-1，ZDR最大值超过3.5 dB，表明大量冰相粒子的融化和雨滴碰并增长使得0℃层以下大雨滴数量增多、液态水含量增大，导致高降雨效率的短时强降雨出现。
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图 12 2023年7月31日10:30北京X波段双偏振雷达组网沿(40.02°N、115.91°E)~(39.85°N、116.32°E)的剖面(a)反射率因子CR, (b)差分传播相移率KDP, (c)差分反射率因子ZDR, (d)反演的粒子类型 Fig. 12 Cross-section of Beijing X-band radar networking along (40.02°N, 115.91°E)-(39.85°N, 116.32°E) at 10:30 BT 31 July 2023 (a) CR, (b) KDP , (c) ZDR, (d) retrieved particle type |
另外，第Ⅳ阶段产生极端雨强的β-MCS中存在浅薄的γ中尺度涡旋(简称MV)。北京S波段双偏振雷达分析可见，该MV于7月31日10:00在房山东北部浅山区附近生成，随后沿山区向北移动，10:30前后发展到最强阶段(图 13)，此时垂直伸展高度约3 km，1 km高度处直径约15 km、最大旋转速度约13~14 m·s-1(距离雷达约40 km)，达到弱中气旋标准(Andra Jr, 1997)，维持约1 h，11:00后在门头沟东北部减弱消失。此类MV可以显著增强风暴低空的上升气流，有利于产生极端强降雨(Trapp and Weisman, 2003; Atkins and Laurent, 2009; Xu et al, 2015a；2015b；杨磊等，2023)。
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图 13 2023年7月31日10:30北京S波段雷达1.5°仰角的(a)径向速度和(b)沿图13a中白线的径向速度剖面 Fig. 13 (a) Radial velocity at 1.5° elevation and (b) cross-section of radial velocity along the white line in Fig. 13a from Beijing S-band radar at 10:30 BT 31 July 2023 |
第Ⅱ阶段的7月30日傍晚，北京西部山前有形态相似的线状β-MCS发展，引发了17：00—21：00连续4个时次雨强超过40 mm·h-1的短时强降雨，最大雨强为17：00—18：00的45 mm·h-1。该β-MCS未出现爆发性增强现象，17:24达到最强时回波中心各雷达特征参量较7月31日10:30的显著偏低(表 2)，对应第Ⅱ阶段最大小时雨强较第Ⅳ阶段明显偏弱。
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表 2 2023年7月30日17:24(第Ⅱ阶段)和31日10:30(第Ⅳ阶段)双偏振雷达参量特征和雨强 Table 2 Dual polarization parameters and rainfall intensity at 17:24 BT 30 July (stage Ⅱ) and 10:30 BT 31 July (stage Ⅳ) 2023 |
本文以北京地区加密自动气象站数据为主，利用西部山区的规自委雨量站数据补盲，经有效评估和质量控制后，形成了一套较完整、准确的逐小时雨量数据集。新数据有效弥补西部山区观测的不足，为“23·7”极端强降雨精细化特征和极端性的分析提供了更科学的数据支撑，也为北京此次灾情的调查、评估等工作提供了重要参考。同时还基于风廓线、双偏振雷达、探空、GPS水汽观测资料和ERA5再分析等数据，着重对“23·7”过程的第Ⅱ和第Ⅳ阶段的降雨成因进行了初步研究。主要结论如下：
(1) “23·7”过程的累计降水量和最大小时雨强具有显著极端性。北京市累计平均降水量331 mm，过程降水量历史排名第一；单点最大降水量1025 mm，为北京地区迄今为止仪器记录到的单站最大过程降水量；最大小时雨强126.6 mm·h-1，排名历史第二，同时也是排名前十的雨强中出现站次最多的过程。
(2) 降雨持续时间长、阶段性特征明显。第Ⅱ和第Ⅳ阶段为过程主要降雨阶段，平均降水量分别为122.9 mm(占比37.1%)和131.4 mm(占比39.7%)，二者累计降水量虽相当但降雨强度明显不同。第Ⅳ阶段2.5 km高度附近急流增强至25 m·s-1，≥20 m·s-1的急流厚度增至4 km，整层可降水量增至70 mm以上，低层假相当位温达354 K以上，动力条件和高温、高湿特征较第Ⅱ阶段进一步增强，降雨强度达到过程最强。
(3) 山脉对低空暖湿急流的动力和热力强迫作用，导致降雨增幅明显。过程累计降水量和最大小时雨强在海拔100~300 m的山区增加最快，最大值出现在海拔400 m附近的山区，400 m以上随着海拔高度的增加雨强迅速减小，而累计降水量变化较小。第Ⅱ~Ⅳ阶段山区的平均降水量和同时段平均最大小时雨强分别是平原地区的2.8倍和2.7倍，其中第Ⅱ阶段分别为2.1倍和2.0倍，第Ⅳ阶段分别为3.0倍和2.7倍。第Ⅱ阶段是地形对气流的直接抬升起主要作用，降雨开始增强的位置靠近海拔100 m的浅山区，而第Ⅳ阶段由地形的绕流辐合和直接抬升共同作用，导致降雨在山前10~15 km处开始增大。第Ⅳ阶段山脉东坡边界层急流出口区辐合和低空强急流入口区辐散发生耦合，导致低层上升运动增强，同时地形对暖湿急流的热力强迫更强，为山区降雨的增强提供了有利条件。
(4) 强降雨主要由多个低回波质心的MCS引发。在双急流耦合引起低层上升运动加强的背景下，山前的β-MCS增强，≥45 dBz回波由块状发展为线状，同时内部有γ中尺度涡旋产生，其厚度约3 km，1 km高度处最大直径约15 km，持续约1 h。块状β-MCS发展成线状时，最大回波顶高增至15 km以上，>1 °·km-1的KDP柱和>1 dB的ZDR柱伸展至6 km，KDP和ZDR在0℃层以下显著增强至5 °·km-1和3.5 dB，0℃层以下大雨滴数量增多、液态水含量增高，有利于降雨效率的提高。31日上午(第Ⅳ阶段)，该线状β-MCS北上期间在西部山区形成短暂的列车效应，引发了8个站次超过100 mm· h-1的极端短时强降雨。
极端强降雨尤其是极端雨强的定时、定点、定量预报一直是科研和业务面临的共同挑战。对于本次过程，数值模式对天气尺度形势的预报较准确和稳定，模式可预报性较高，预报员在数值预报结果上有进一步的订正，但对强降雨的精细化落区和最大雨强的预报较实况仍有一定差距。通过本文研究，初步揭示了降雨阶段性特点以及两个主要阶段降雨差异的成因，结果为深入理解强降雨形成机制和预报提供了参考。但针对中小尺度地形影响短时暴雨的机制, 包含γ中尺度涡旋的中尺度对流系统组织、增强机制, 云物理降水效率以及极端强降雨的精细化预报等多个科学问题仍然不够清楚，有待日后开展深入探究。
致谢：感谢大兴区气象局李京南、北京市气象局施洪波、张子曰、卢俐、沈玲玲提供数据支持。
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