1. 引言
我国是一个多暴雨的国家。在全球变暖背景下，某些灾害性天气气候事件更加频繁，气象灾害造成的经济损失越来越大 [1] 。受东亚夏季风的季节性向北推进影响，华北暴雨主要出现在7月下旬至8月上旬(俗称“七下八上”)。中国科学家的长期研究表明 [2] [3] [4] [5] ，东亚夏季风对中国水资源和洪涝灾害的影响很大程度由持续性的大暴雨事件造成，尤其是对中国的华北和东北地区。大暴雨的发生、发展与低空流场的辐合、垂直运动的急速发展有关，并常伴有气旋性垂直涡度的急剧增大。孙继松等 [6] 对极端性暴雨过程的中尺度对流系统及其环境场条件、形成极端性降水主要原因和大尺度环流形势的极端性等问题进行了研究。张家国等 [7] 对大别山西侧出现的一次极端强降水过程的中尺度对流系统发生发展过程、结构和传播特征进行了研究。李国翠等 [8] 对引发太行山中段区域的大暴雨演变特征及暴雨落区成因进行了初步分析。谌芸、孙军 [9] [10] 、方翀 [11] 等对北京721特大暴雨从观测资料研究分析了极端降水的基本特点、中尺度对流系统演变过程等，又进一步从水汽条件、上升运动以及持续时间探讨了极端性降水的成因。张江涛等 [12] 对发生在河北区域的极端暴雨特征和成因进行了分析和讨论。高晓梅等 [13] 从台风角度研究分析了山东区域一次暴雨过程的基本成因。近年来华北极端降水时有发生，如2012年7月21日北京特大暴雨、2016年7月19日华北特大暴，对各行各业等都产生较大影响，其中也包括航班运行正常，直接导致了大面积航班取消或延误。段炼等 [14] 利用静止卫星资料，从强对流天气对航班运行的角度出发，探讨了中尺度对流系统的发生发展过程。
在2023年不正常航班统计中，天气原因占60.42%，天气因素逐渐成为影响航班运行正常的最主要因素。2023年7月29日~8月1日，受双台风影响，加之复杂的地形作用，给华北地区带来一次罕见的强降水过程，最大累计降水量超过1000毫米，北京两场过程降水量接近或超过了北京年平均降水总量的一半，多个航班出现取消或备降，航班正常率连续三天低于70%，对航班运行正常产生了较大影响。
本文通过机场报文、常规地面和高空气象观测、FY-2G卫星红外亮温(TBB)、NCEP再分析等资料，针对此次强降水过程的降水特征及基本成因进行分析，初步探索其降水特征和发生发展的关键物理条件，以期为相关航空气象预报工作积累经验。
2. 强降水特征分析
2.1. 强降水概况
2023年7月29日至8月1日，华北地区出现了一次极端强降水天气过程，29日开始，自南向北，强降水陆续横扫河北、北京、天津、山西、河南、山东等省份，持续至8月1日。根据国家气候中心统计资料来看(图1)，华北地区除北部以外累积降水量均在100毫米以上，北京西南部、河北中南部累积降雨量局地超过600毫米，最大累计降雨量达1003毫米(河北邢台临城县)。区域降雨过程强度超过了1996年“96•8”、2012年“7•21”和2016年“7月18~20日”过程强度。本次强降雨过程具有持续时间长、累计雨量大、极端性强等特点。
Figure 1. Cumulative precipitation distribution in North China from July 29 to August 1
图1. 7月29日~8月1日华北地区累计降水量分布图
2.2. 强降水极端性
本次降水过程持续时间超过72小时，北京降雨持续时间达83小时。北京、天津大部、河北中部和南部、河南北部、山东西北部等地均出现较长时间的强降水天气，主要集中在三个区域：河北西南部、河北中部至天津西部、北京南部，且多发生在7月31日。
根据部分机场的观测报文进行统计(图2)可以看到，本次过程中多个主要机场出现较长时间强降水天气，其中石家庄机场位于河北中南部一带，为强降水最强区域，机场中到大雨或雷雨的持续时间长达20小时以上。
Figure 2. Duration of heavy precipitation at major airports in North China from July 29 to August 1
图2. 7月29日~8月1日华北地区主要机场强降水时长统计
本次强降水过程雨势总体平稳，但山区局地小时雨强超过100毫米，河北邢台(31日2~3时111毫米)、北京丰台千灵山(31日10~11时111.8毫米)、大兴(31日16~18时)等地均出现1小时降雨量超过100毫米的短时强降雨。
本次强降水过程，首都机场过程降水量270.7毫米，大兴机场351.1毫米(表1)，为大暴雨级。两场降水量超北京7月平均总降水量(198.73毫米)，也超过了北京8月平均总降水量(177毫米)，接近或超过了北京年平均降水总量(698.4毫米)的一半，表现出显著的极端性特征。
Table 1. From July 29 to August 1, the daily cumulative precipitation at the Beijing Capital and Daxing International Airport
表1. 7月29日~8月1日首都和大兴机场单日累计降水量
3. 强降水成因分析
3.1. 大尺度环流特征
大尺度环流背景是强降水产生的必要条件之一。7月28日9时55分，今年第5号台风“杜苏芮”在福建省晋江市沿海登陆，中心气压为945 hPa，其残余环流于29日夜间进入河南。与此同时(图3(a)，图3(b))，华北东部海上有副热带高压盘踞西伸，在副高环流的引导下残余低涡中心继续北上。甘肃东部至四川一带南北向的切边系统发展东移，使二者之间气压梯度逐渐加大，华北地区则位于切变系统前部的辐散区。200 hPa高空西风急流稳定位于华北北部至内蒙古中部地区，华北中北部位于高空急流入口区的强辐散区。
第5号台风“杜苏芮”登录后，其残余环流在副热带高压的引导下北上，形成的低涡与甘肃东部地区的低压中心相连(图3(c))。29日夜间，东西部两个高压打通，在华北北部形成“高压坝”(图3(d))，阻碍低涡系统继续北上，使得低涡系统长时间停留在华北到黄淮一带。华北地区东风、东南风显著增强，水汽一路畅通无阻向北输送。此外，位于西太平洋上的第6号台风“卡努”于30日午后加强为台风级，向北偏西方向继续移动，较强的东南风远距离将“卡努”附近的水汽源源不断地输送到华北地区。低涡中心北上的过程中受到太行山、燕山地形的阻挡，强盛的水汽在山前强迫抬升，最终导致在华北中部发展加强并长时间维持。
从850 hPa风场来看(图4(a))，形成了风速大于20米/秒的东南低空急流，低涡中心29日开始自湖北北部北上至河南区域，在河南、河北、山西交界处不断发展，并稳定维持，位置少动。31日夜间开始(图4(b))，随着新疆北部高空槽逐渐东移，原有的环流形势被打破，东南低空急流有所减弱并逐渐转为西南或偏南风，强降水开始减弱，本次强降水过程进入收尾阶段。
Figure 3. Geopotential height (contour) and wind (wind vane pole, wind ≥ 30 m∙s−1 is shaded by color) at 200 hPa at 08:00 at (a) 29 July and (b) 20:00 30 July; geopotential height (contour) and wind (wind vane pole) at 500 hPa at (c) 08:00 29 July and (d) 20:00 30 July
图3. 2023年7月29日08时(a)，(c)、7月30日20时(b)，(d) 200 hPa位势高度场、风场(风向杆，填色表示风速 ≥ 30 m∙s−1) (a)，(b)和500 hPa位势高度场、风场(c)，(d)
Figure 4. Wind vane pole and specific humidity (shading over 10 g∙kg−1) at 850 hPa at (a) 20:00 29 July and 20:00 31 July
图4. (a) 7月29日20时和(b) 7月31日20时850 hPa风场和比湿场(填色为 ≥ 10 g∙kg−1)
3.2. 水汽诊断分析
持续不断的水汽输送是极端降水产生必不可少的条件。从925 hPa水汽通量和风场图可知，29日20时(图5(a))，925 hPa急流明显加强，较强的气压梯度引导东风、东南风显著增强，水汽大值中心几乎覆盖整个华北地区，最强水汽通量中心位于河北南部、山东南部到苏皖北部一带。30日(图5(b)，图5(c))，水汽通量中心随倒槽北移而集中在山东北部至河北中部一带，水汽通量大值区依然维持在低压系统的东侧，呈南北向带状分布，与强降水范围保持一致。水汽通道有两条，一条是残余低涡自身携带的水汽，另一条则来自“卡努”的输送。31日(图5(d))，低压系统东侧的急流强度明显减弱，但仍旧有卡努的水汽输送到华北地区，给华北地区带来了不同寻常的水汽条件。
Figure 5. Water vapor flux and wind field at 925 hPa at (a) 20:00 29 July, (b) 08:00 30 July, (c) 20:00 30 July, (d) 14:00 31 July
图5. (a) 7月29日20时，(b) 30日08时，(c) 30日20时，(d) 31日14时925 hPa水汽通量和风场
由850 hPa假相当位温和风场图可知，30日20时(图6(a))，850 hPa假相当位温达352 K以上的区域分布在华北中部，而华北北部则为低值区，有利于强烈的上升运动。31日白天，南风分量明显加大，850 hPa假相当位温大值区有所扩大，并向北伸，对流不稳定性增强，主要集中在太行山东侧一线。夜间开始(图6(b))，低涡继续北移减弱，太行山北侧的强降水趋于结束。本次降水过程在不同时段降水性质不尽相同。
Figure 6. Potential pseudo-equivalent temperature and wind field at 850 hPa at (a) 20:00 30 July, (b) 20:00 31 July
图6. (a) 2023年7月30日20时，(b) 31日20时850 hPa假相当位温和风场
上述分析表明，第5号台风“杜苏芮”减弱后的低压环流携带充足的水汽与副热带高压外围东南气流汇合，与第6号台风“卡努”远距离输送的水汽共同作用，从而导致了极端强降雨的发生。
3.3. 动力抬升条件
本次强降水过程，在稳定的大尺度环流背景下，由于华北地区独特的地形太行山、燕山山脉的存在，29~30日随着925 hPa倒槽进入河北，携带水汽的东风和东南风被太行山山脉阻隔，对流层低层东南急流增强、倒槽发展，太行山脉与东风急流正交，其北边燕山山脉也与水汽通道存在交角，水汽在山前受到地形动力抬升作用，使强辐合区出现在低空急流附近，集中在沿山和山前地区，呈东北–西南向带状分布，形成极端强降水。对应最强降雨落区出现在河北临城和北京门头沟、房山等地区(图7(a))。31日，随着低层风速减弱，强降水落区范围逐渐减小，集中出现在北京南部至河北中部地区(图7(b))。
Figure 7. Divergence and wind field at 925 hPa at (a) 08:00 30 July and (b) 14:00 31 July
图7. (a) 7月30日08时和(b) 31日14时925 hPa散度场和风场
3.4. 卫星云图特征
根据FY-2G卫星红外云顶亮温(TBB)，本次强降水过程可划分为3个主要阶段。第一阶段为7月29日08时~31日02时，此阶段为“杜苏芮”残余环流的螺旋雨带的影响阶段。对流云团自低涡东部生成，随低涡自东向西移动，由华北东南部进入华北中北部。29日白天，先后有4个中尺度对流云团在河南、山东一带生成(图8(a)~(i))。其中，前三个中尺度对流云团空间分布形态及演变特征较为相似(图8(a)~(f))，从29日08时影响至30日16时。第四个中尺度对流云团则是由分散的对流云团发展(图8(g)，图8(h))，30日午后在河北南部生成，随后不断发展、合并。
第二阶段为7月31日02时~31日22时，随着热带低压主体云系的到来，主要影响系统为暖式切变线和偏东风，中尺度对流系统呈准东西向分布，自南向北移动，主要影响华北中北部及河北中北部，突出特点是对流性强、局地雨强大，是本次强降水过程中降水量最为集中和最大的时段。
第三阶段为7月31日22时~8月1日24时，切变线明显减弱，低层转为偏南或西南急流，中尺度对流系统由东西分布转为南北分布。由于对流云团的空间尺度和强度变化较快，易造成局地性强降水，华北大部转为小到中雨，本次强降水过程趋于结束。
Figure 8. FY-2G TBB at (a) 20:00 29 July, (b) 2300 29 July, (c) 02:00 30 July, (d) 07:00 30 July, (e) 10:00 30 July, (f) 13:00 30 July, (g) 16:00 30 July, (h) 19:00 30 July, (i) 21:00 30 July, (j) 11:00 31 July, (k) 14:00 31 July and (l) 20:00 31 July
图8. 卫星红外云顶亮温。7月29日20时(a)、23时(b)，7月30日02时(c)、07时(d)、10时(e)、13时(f)、16时(g)、19时(h)、21时(i)、31日11时(j)、14时(k)、20时(l)
4. 结论与讨论
本文通过对“7.29”华北地区出现的极端强降水过程特征与成因分析，得出主要结论如下：
1) 本次强降水过程的累计降水量、降水持续时间等在华北地区具有显著极端性。华北地区各主要机场降水持续时间较长，累计降水量约为北京市年平均降水量的一半。
2) 根据中尺度对流云团的发生发展和降水时空特征，将本次强降水过程分为3个阶段，第一阶段持续时间最长，降水范围和累计降水量最大；第二阶段降水强度最大，影响范围集中；第三阶段是分散性局地强降水，累计降水量最小。
3) 双台风“杜苏芮”和“卡努”的共同影响，使整层水汽通量异常强大，提供源源不断水汽的同时也增强了不稳定层结。高空辐散与低层辐合提供了稳定而强大的天气尺度动力条件。
4) 副高与大陆高压脊打通，在华北北部形成了强大的高压坝。加之华北太行山地形的作用，水汽强迫抬升，增大水汽辐合。地形阻碍北上和抬升，是本次极端强降水产生的关键因素。
NOTES
*通讯作者。