1. 引言
在华北复杂的地形条件下，山区短时强降水时有发生。章淹[1]总结了地形对降水的13种影响作用，并指出地形对降水的作用是与大气条件的变化相结合的，并非固定不变。Shimada等[2]基于卫星观测反演风场资料和再分析资料研究了日本北部低层偏东风的结构、形成机制和日变化特征等，指出强东风的形成与地形、天气尺度系统有紧密关系。张文龙等[3]分析了北京浅薄偏东风和深厚偏东风对北京局地暴雨的触发及维持机制及其差异。山区出现强降水前期都存在边界层偏东风、低层湿度大和有较强的不稳定能量积蓄等类似于强天气背景下的特征(雷蕾等[4]；肖现等[5]；陈双[6])。边界层较强偏东气流与过山的西北偏北气流形成强的边界层辐合线或者由地形引起的地面定常辐合线均可触发新生雷暴(王丛梅等[7]；王丽荣等[8])。
孙继松等[9]、吴庆梅等[10]分析了北京特殊地形和城市热岛效应对北京地区局地暴雨过程中中尺度对流系统的影响。杨波等[11]研究北京短时强降水过程的天气尺度和地面中尺度环流特征，发现黄淮低涡倒槽型主要是黄淮低涡顶部的低层偏东气流在北京西部山前辐合抬升，触发对流，并逐步演变为中尺度气旋性环流，形成相对组织化的短时强降水。雷蕾等[4]对弱天气尺度背景下的偏东风冷空气与地形相互作用下的北京局地强降水过程，指出雷暴前侧出流与东南风形成的辐合线造成了中尺度对流单体不断东移。王丛梅等[12]对弱天气尺度背景下太行山极端短时强降水天气预报误差分析认为，没有分析最大不稳定能量(订正CAPE值)导致对山西夜间雷暴再次发展估计不足。2022年7月5日北京地区受高空槽和东南部低涡外围暖湿东南气流作用，出现了局地暴雨天气过程，其中怀柔、昌平、海淀和门头沟区出现局地暴雨，暴雨点处于山前迎风坡。
延庆区处于北京西北部，三面环山，一面临水，境内平均海拔500米以上，地势东高西低，其天气气候特点与北京市有所不同，一方面受西北来向冷空气带来的对流天气影响，另一方面还受到自其南部发展北上的对流系统影响。延庆城区位于延怀盆地区域，其南部乡镇处于偏南迎风坡区域，与昌平、怀柔相接壤，北部张山营镇境内有北京第二高峰海陀山(海拔2242米)，地形地貌复杂。因此，延庆夏季多分散、局地性强对流和短时强降雨天气，且一直以来是精细化预报预警服务的难点。2022年7月5日对外预报结论是：5日下午至6日早晨全区有中到大雨(15~30 mm)，局地大到暴雨(30~50 mm)，单点50~80 mm，其中，傍晚前后至前半夜短时雨强较大并伴有短时大风，后半夜以小雨为主，雨势平稳。对比实况发现，此次过程预报量级偏大，且局地暴雨空报，这次降雨过程预报偏差主要在于北上进入延庆的降雨云团其发展强度具有不确定性，下文将从中尺度特征方面进行分析，总结这次暴雨空报的成因。
2. 研究资料
本文使用资料如下：MICAPS资料、区域自动站、风廓线雷达、雷达拼图与雷达变分同化分析系统(VDRAS)风场资料，EC细网格模式预报资料、ERA5 (0.25˚ × 0.25˚)再分析资料。图1为延庆地形高程图，其中，八达岭镇海拔高度约为800~1000米左右，大庄科乡处于半山前和浅山区，海拔略低为600~800米左右，西北部张山营镇境内有北京第二高峰海陀山(海拔2242米)，海陀山地区海拔落差大，高度落差在510~2200米左右。
Figure 1. The terrain of Yanqing District (shaded, unit: m)
图1. 北京市延庆区地形高程分布图(单位：m)
3. 降雨实况特征
根据实况监测显示，2022年7月5日下午14时后北京西部及南部地区局地出现分散对流天气，16时至17时自南经城区西部和西部山区形成两条回波带相向而行，南部回波不断向北发展，西部东移减弱，17时左右趋于合并，其北段组合反射率>55 dBz的强回波中心进入昌平西部，此时在延庆东南部开始出现局地对流，17时20分至18时，自昌平、怀柔发展加强的对流减弱北上，降水强度较大时段主要集中在14~15时和17~18时期间，后期至夜间转为稳定性降雨。此次过程延庆区平均降雨量为13.5毫米(中雨)，最大降雨量出现在东门营站为37.0毫米(大雨)，分钟累加小时最大雨强也出现在该站，为32.2毫米(5日17时30分至18时30分)。降雨空间分布与地形具有一定关系，其中处于偏南风迎风坡区域的张山营镇和东南部的大庄科、四海局地达到大雨，达到大雨的站点占比为13%；而处于盆地的延庆城区和东北部山区多为小雨(见图2)。与预报相比，此次实况明显偏小，且局地暴雨空报。
Figure 2. Accumulated rainfall from 14:00 on July 5th, 2022 to 08:00 on July 6th, 2022 of Yanqing District (unit: mm)
图2. 延庆区2022年7月5日14时至6日08时累计降雨量分布图(单位：mm)
4. 预报过程回顾
分析5日早08时EC模式预报资料显示，高空形势场上关注的天气系统一是西来槽配合中低层切变线系统，其中，高空500 hPa有低槽，并于5日夜间东移影响北京；700 hPa上有一切变线位于上游河套地区，02时左右过境延庆上空；850 hPa张家口以西有一切变线南下于17时前后影响张家口地区，23时过境延庆上空(图略)。二是南部长江中下游地区有一深厚低涡配合外围偏东风，在850~700 hPa层上，延庆地区均表现出受偏东风影响，但偏东风风速不大，850 hPa最大为4 m/s，700 hPa为8 m/s；地面形势场北京处于均压场中(图略)。整层可降水量的逐3小时预报显示，延庆单点整层可降水量达45~52 mm，最大出现在20时前后(图略)；850 hPa比湿逐3小时预报显示(图略)，延庆站5日11时比湿最大，达15.6 g/kg，14时下降至14.7 g/kg，17时略增大至15.3 g/kg，此后至夜间，延庆站比湿不断下降。08时北京54511站探空图显示(图略)，对流有效位能(CAPE)达到1859 J/kg，K指数达到32.6，且抬升凝结高度(LCL)低，对流容易触发；但也发现0~6公里的垂直风切变一般，且∆T85高低空温差(23.9℃)不大(图略)。北京54511站5日14时(图3(a))探空显示北京上空CAPE升至4002.6 J/kg，K指数达到34.0，但0~6公里垂直风切变12.2 m/s，为中等强度，高低空温差(25.4℃)条件仍一般。延庆站探空预报(图3(b))显示CAPE为1449 J/kg，K指数达到36.0，但低层风速较小，且0~6公里垂直风切变小于12 m/s。
综上，从EC预报场和探空实况分析表明，延庆地区具备动力抬升条件、存在雷暴发展所需的对流不稳定能量，且水汽充沛，具备出现局地暴雨的可能。但也发现延庆地区低层风速较小，触发条件不清楚，需要明显的触发抬升。16时自北京南部经城区西部向北发展的强对流云团向西北方向移动，17时左右进入昌平地区，此强对流回波的发展演变正是当日延庆局地暴雨是否出现的关键所在。根据昌平地区强对流发展情况，5日16时30分延庆区气象台发布暴雨蓝色预警信号，但实际延庆未出现暴雨点，本质上是未发生强对流天气，导致暴雨预警空报。为了探究此次短临暴雨预报失误的原因，本文将就此次过程中天气形势实况和中尺度环境场特征方面进行详细分析。
(a) (b)
Figure 3. T-lnP diagram of Beijing station at 14:00 BT 5 July 2022(a); Model forecast of T-lnP diagram of Yanqing station at 14:00 BT 5 July (b)
图3. 北京(54511) 5日14时探空实况(a)和延庆站(54406) 5日14时模式预报探空图(b)
5. 天气形势分析
天气背景分析
(a) (b)
(c)
(d)
Figure 4. 500 hPa (a), 700 hPa (b), 850 hPa (c) Geopotential height (black solid lines, unit: dagpm; temperature, red dashed line, unit: ˚C; wind field, wind barbs; relative humidity, ≥60 shaded) and Surface Weather Chart (d, blue solid lines, unit: hPa) at 08:00 BT 5 July 2022
图4. 2022年7月5日08时500 hPa (a)、700 hPa (b)、850 hPa (c)位势高度场(黑色实线表示位势高度，单位：dagpm；红色虚线表示温度，单位：℃；阴影为60%以上相对湿度区域)和地面分析场(d)，蓝色实线表示海平面气压，单位：hPa)
5日早08时高空500 hPa (图4(a))有一低槽位于河套地区，北京处于高空槽前，700 hPa (图4(b))内蒙到山西和陕西一带存在一切变线配合大湿度区，850 hPa (图4(c))也存在切变线，同时在中低层长江中下游地区存在低涡环流配合切变线，地面上处于均压场中(图4(d))。17时，地面形势场上延庆区已转高压区影响，地面自动站风场转为偏西风影响；20时，500 hPa高空槽进一步东移至山西上空；700 hPa西部切变线东移南下至张家口上空，同时南部低涡配合外围偏东气温有所北抬；850 hPa切变线已移至延庆、门头沟和房山一带，此后延庆低层转为偏北风，700 hPa在6日05时后过境延庆(图略)。综上分析，延庆地区5日傍晚至夜间的降雨主要是受高空槽、850 hPa与700 hPa的切变线影响，与南部低涡外围偏东风的关系不大。
6. 中尺度特征分析
6.1. 对流演变特征
分析雷达组合反射率因子与2200米高度的Vdras风场演变特征发现，5日下午14:00~15:00期间，延庆以西门头沟以北的官厅水库地区有分散对流回波发展，并自西南向东北方向移动影响延庆西部八达岭、康庄、和张山营地区，西大庄科站14~15时小时雨强20.3 mm，随后对流回波继续北上翻山减弱(图略)，该期间延庆地区2200米高度Vdras风场由偏西风转为偏南风，14:53表现为弱偏南风(图5(a))，15:36后逐渐转为偏东风影响(图略)。16时开始(图5(b))强对流回波带在北京中南部地区发展，并自东南向西北方向移动。16:12，2200米高度Vdras风场表现为偏东到东北风影响(图5(c))，16:06~16:36期间在门头沟北部发展、北上到昌平的对流回波强度有所减弱，其未翻越八达岭进入延庆(图5(d))。16时36分后，位于海淀区北部的强对流回波北上与昌平境内对流回波合并加强发展，16:54 (图5(e))昌平中部强对流回波发展进入最旺盛阶段，同时在延庆中南部大庄科和永宁激发出了对流回波，此时2200米高度的Vdras风场表现为东北风。17:06至17:12，延庆境内激发的对流回波其中心强度由60 dbz减弱至55 dbz，昌平境内组合反射率因子中心强度55~60 dbz的区域面积也明显减小，表明对流回波强度有所减弱，同时2200米高度的Vdras风场在17:12仍表现为东北风(图5(f))。17:18后昌平地区强对流回波的中心强度进一步减弱，并在高空偏南引导气流的作用下，对流云团东移北上逐渐影响怀柔和延庆东部，17:36~18:12期间，在怀柔境内对流回波强度偏强，组合反射率因子达55 dbz的面积较大且中心强度最大达到60 dbz，但北上进入延庆的对流回波组合反射率因子强度最大为55 dbz且面积不大，18时至19时，延庆境内组合反射率因子强度整体在30~45 dbz之间，20时后至夜间对流强度进一步减弱，降雨以稳定性降雨为主，强度不大。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figure 5. Radar organization process and VDRAS wind fields (a, 14:53 BT; b, 16:00 BT; c, 16:12 BT; d, 16:36 BT; e, 16:54 BT; f, 17:12 BT) on 5 July 2022
图5. 2022年7月5日雷达组合反射率因子与2200米Vdras风场特征(a, 14:53 BT; b, 16:00 BT; c, 16:12 BT; d, 16:36 BT; e, 16:54 BT; f, 17:12 BT)
结合北京市降雨分布图和雷达组合反射率因子强度变化，北京地区降雨量级的大小主要取决于对流性降雨的强弱，此次延庆地区局地暴雨未出，主要与16~18时期间影响延庆地区的对流云团发展减弱有关。因此，下文将重点围绕14~18时期间延庆对流云团减弱的成因进行分析。
6.2. 地面温度场与风场特征
5日14时前北京地区还未受到任何对流云团影响，从13~14时的北京地面最高气温图上(图略)，延庆区气温普遍在29~31℃之间，而北京城区大部分地区气温已升至32℃以上。从单站气温变化来看(图6(a))，14时延庆站气温为29.8℃，14~15时期间，受对流云团影响，延庆西部地区气温出现明显下降，15时延庆站已降至25.5℃，16时和17时维持在26.6℃，17时后受北上减弱对流降雨影响，气温进一步下降，20时气温降至21.7℃，对比来看，昌平站15时气温为32.5℃，16时略有下降，17时降至26.5℃。从气温空间分布来看(图6(b、c))，16时，延庆、昌平以及门头沟以西区域出现温度不连续面，17时，温度不连续面的范围更广，这与前述对流云团的影响范围相对应，表明受对流降雨影响，地面环境场的热力条件逐渐转为一般。
(a)
(b) (c)
(d)
(e)
(f)
(g)
Figure 6. Hourly temperature profile of Yanqing and Changping weather Station from 12:00 to 23:00 BT on 5 July 2022 (a) and Distribution map of minimum surface temperature in Beijing(b, 16:00 BT; c, 17:00 BT; unit:℃) and Surface wind (d, 14:00 BT, Blue arrow: Easterly inflow; e,15:00 BT; f,16:00 BT, g,17:00 BT, Dashed line: position of mesoscale convergence line; the numbers: Dew point temperature, unit: ℃)
图6. 2022年7月5日延庆站与昌平站12:00~23:00逐小时气温变化曲线(a)和北京地面最低气温分布图(b，16:00 BT；c，17:00 BT；单位：℃)以及地面加密风场(d，14:00 BT，图中蓝色箭头代表偏东风；e，15:00 BT；f，16:00 BT；g，17:00 BT，虚线为地面风场辐合线；图中数字为露点温度，单位：℃)
进一步分析地面风场可以看到，14时张家口地区已受高压影响，气旋中心外围偏东风刚好影响到延庆(图6(d))，但随着延庆西部降雨的影响，15时延庆境内大部分区域的风场已转为偏西风(图6(e))，同时露点温度普遍在21~23℃左右，而北京昌平、海淀、朝阳、石景山等地露点温度普遍仍在25~27℃，本地水汽条件存在一定差异。16时(图6(f))，地面风场辐合线处于北京西部、北部山前位置，其南段与北京城区强回波发展相对应(图5(b))，北段昌平到怀柔境内的辐合线与后期强对流的发展位置相对应。17时延庆区地面风场紊乱，且风速较小，位于昌平境内的强对流云团其在地面上的出流未对延庆造成影响(图6(g))。
6.3. 风廓线与纬向垂直环流特征
风廓线雷达为实时监测、分析天气系统，尤其是中小尺度天气系统的发生、发展的物理机理分析提供了可能(宋巧云等[13])。从风廓线实时变化场可以看到(图7)，14~17时之间，延庆低层由偏东风转为西南风，1500~2000米高度上风向由偏南风转为东北风，即在该高度上出现风随高度顺时针旋转变为逆时针旋转，这表明延庆站空中大气在此期间逐渐趋于稳定，这与前述分析发现延庆地区大气环境场的表现特征相一致。同时，从延庆站的延庆风廓图上也可以看到，16:54至17:24期间，海拔2000米上下出现了反气旋环流场，这相当于一个“盖子”阻挡了空中对流上升发展。
Figure 7. Wind profiler radar of Yanqing from 14:00 to 19:00 BT on 5 July 2022 (the interval is 6 minutes, Yanqing Station is 488 meters above sea level, and the actual altitude at 1,000 meters is close to 1,500 meters)
图7. 2022年7月5日14:00~19:00延庆站风廓线雷达(数据间隔6分钟，延庆站海拔488米，图中1000米处高度实际海拔接近1500米)
从沿(40.25~40.5)平均的纬向-垂直环流场可以看到，5日16时延庆上空(115.8˚E~116.5˚E)整层为上升运动(图8(a))，17时(图8(b))在延庆上空出现了反气旋式环流切变，尤其在延庆中南部(116.25˚E)上空700~800 hPa之间存在一明显的下沉次级环流，该下沉环流的存在不利于延庆中南部局地对流的发展，这一特征也解释了在延庆大庄科和永宁地区16:54激发的对流回波为何会在17:06以后减弱。18时延庆东南部(116.25~116.5)上空850 hPa以下均转为下沉气流区(图8(c))，800~850 hPa之间存在偏东风下沉气流区，此阶段东移影响延庆东部的回波进一步减弱。
(a) (b) (c)
Figure 8. The average Latitudinal vertical circulation along 40.25˚N - 40.5˚N and vertical velocity (a,8:00 UTC; b,9:00 UTC; c,10:00 UTC, The shadow: ω, which expands -100 times, units:10−2 Pa·s−1; units of Latitudinal wind: m/s)
图8. 沿(40.25˚N~40.5˚N)纬向平均的垂直环流场(a，8:00 UTC；b，9:00 UTC；c，10:00 UTC，阴影为垂直速度ω，扩大−100倍，单位：10−2 Pa·s−1，纬向风单位：m/s)
7. 结论与讨论
2022年7月5日延庆降雨过程主要受高空槽和切变线系统影响，南部低涡环流外围偏东风对延庆未造成影响，预报降雨量级明显偏大，实况是延庆地区未发生局地暴雨天气。通过应用多种资料分析了延庆这次降雨过程的特征及暴雨空报的可能成因，得到以下结论：
1) 5日影响延庆区的降雨天气系统主要是西来槽与低层切变线，08时和14时的探空表明延庆地区具有一定对流有效位能，但中低层风速较小，需要明显触发抬升条件。16时到17时的地面加密自动站气温场上，延庆、昌平、门头沟和房山一带气温已经明显下降，地面热力环境条件已经趋于稳定，北京西北部区域出现了温度不连续面，同时17时延庆地面风场紊乱且风速较小，昌平地区强对流回波出流未对延庆造成影响。
2) 14~17时期间的延庆站风廓线空中环流在1500~2000米高度上风随高度顺时针旋转变为逆时针旋转，表明延庆上空大气状态逐渐趋于稳定；且16:54至17:24期间在海拔2000米上下出现了反气旋环流，这相当于一个“盖子”阻挡了空中对流上升运动。
3) 纬向垂直环流场上，16时延庆上空(115.8˚E~116.5˚E)整层为上升运动，17时在延庆中南部(116.25˚E)上空700~800 hPa之间出现了反气旋式环流，伴随明显下沉运动，从而导致16:54在延庆中南部激发的对流回波在17:06分后强度减弱。
4) 此次降雨过程预报失误一方面是着重考虑了低涡外围偏东风的影响，另一方面对于14~15时期间延庆西部分散对流云团对延庆区域的大气环境场的影响程度未进行考虑。此外，当对流系统已临近时，由于延庆地形影响，延庆降雨强度仍具有很大的不确定性，在这次需要触发机制的降雨过程中，八达岭地区的地形可能起到了一定的阻挡作用，这在今后的工作中仍需加强研究分析。
基金项目
北京市气象局科技项目——东北冷涡影响下北京强对流特征及形成机理研究(BMBKJ202205001)。
NOTES
*通讯作者。