北京暴雨：水汽來源的深度剖析與降水物理過程模擬研究

一、引言1.1研究背景與意義北京，作為中國的首都和重要的政治、文化、經(jīng)濟(jì)中心，近年來頻繁遭受暴雨的侵襲。暴雨不僅給城市的基礎(chǔ)設(shè)施、交通系統(tǒng)帶來了巨大的壓力，還對人民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。2012年7月21日，北京遭遇了自1951年有氣象記錄以來最嚴(yán)重的暴雨之一，此次暴雨過程中，北京市遭受了極端降雨、嚴(yán)重內(nèi)澇、交通癱瘓、房屋倒塌等嚴(yán)重災(zāi)害，造成了巨大的生命財產(chǎn)損失。2023年8月，北京又一次經(jīng)歷了罕見的特大暴雨，短時間內(nèi)大量降雨導(dǎo)致市內(nèi)多個地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重積水，眾多地勢較低的區(qū)域被淹沒，大量房屋和基礎(chǔ)設(shè)施被毀，車輛被浸泡，許多居民失去家園，城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)受到極大阻礙。暴雨的形成與水汽來源和降水物理過程密切相關(guān)。水汽是降水的物質(zhì)基礎(chǔ)，充足的水汽供應(yīng)是暴雨發(fā)生的必要條件。北京暴雨的水汽來源較為復(fù)雜，既可能來自于遠(yuǎn)距離的水汽輸送，如從海洋或其他地區(qū)通過大氣環(huán)流傳輸而來；也可能存在本地水汽的補(bǔ)充，當(dāng)大氣中的飽和水汽遇到山地、城市、湖泊等地形障礙物時，會由于強(qiáng)制上升流動而產(chǎn)生額外水汽。降水物理過程則涉及水汽的輸送、凝結(jié)、云的形成與發(fā)展以及最終的降水產(chǎn)生等一系列復(fù)雜的物理過程，這些過程受到多種因素的影響，如大氣環(huán)流、地形地貌、溫度、濕度等。深入研究北京暴雨水汽來源和降水物理過程，對于提升城市的防災(zāi)減災(zāi)能力具有至關(guān)重要的意義。通過準(zhǔn)確掌握水汽的來源和輸送路徑，以及降水形成的物理機(jī)制，可以更精準(zhǔn)地預(yù)測暴雨的發(fā)生時間、強(qiáng)度和范圍，為城市提前做好防洪排澇準(zhǔn)備提供科學(xué)依據(jù)。提前疏通排水管道、準(zhǔn)備防洪物資、組織人員疏散等，從而有效減少暴雨災(zāi)害帶來的損失。在氣象預(yù)報領(lǐng)域，對暴雨水汽來源和降水物理過程的深入理解有助于改進(jìn)氣象模型。目前的氣象模型在預(yù)測暴雨等極端天氣時仍存在一定的誤差，通過研究北京暴雨的相關(guān)過程，能夠獲取更準(zhǔn)確的參數(shù)和數(shù)據(jù)，優(yōu)化模型的模擬能力，提高暴雨預(yù)報的準(zhǔn)確性和可靠性。使氣象部門能夠提前發(fā)布更精準(zhǔn)的預(yù)警信息，讓居民和相關(guān)部門有更充足的時間采取應(yīng)對措施，保障生命財產(chǎn)安全。從水資源管理角度來看，北京作為一個水資源相對匱乏的城市，暴雨帶來的降水是重要的水資源補(bǔ)充。了解暴雨水汽來源和降水物理過程，有助于合理開發(fā)和利用暴雨水資源。通過科學(xué)規(guī)劃雨水收集和利用系統(tǒng)，將暴雨降水儲存起來，用于城市綠化、工業(yè)用水等，提高水資源的利用效率，緩解城市水資源短缺的壓力，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。研究北京暴雨水汽來源統(tǒng)計(jì)及降水物理過程模擬，對于應(yīng)對北京暴雨災(zāi)害、提升氣象預(yù)報水平以及優(yōu)化水資源管理都具有不可忽視的重要價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在暴雨水汽來源研究方面，國內(nèi)外學(xué)者取得了一系列成果。國外研究起步較早，利用多種先進(jìn)技術(shù)和方法進(jìn)行深入探究。如通過衛(wèi)星遙感技術(shù)，對全球范圍內(nèi)的水汽輸送進(jìn)行監(jiān)測，獲取了大量水汽運(yùn)動的宏觀數(shù)據(jù)，為研究水汽來源提供了廣闊的視角。一些研究運(yùn)用拉格朗日軌跡模式，追蹤水汽粒子的運(yùn)動軌跡，從而清晰地確定水汽的來源地和輸送路徑。在對大西洋沿岸暴雨的研究中，發(fā)現(xiàn)水汽主要來源于大西洋暖濕氣流，通過大氣環(huán)流的輸送，為暴雨的形成提供了充足的水汽條件。國內(nèi)學(xué)者也針對中國不同地區(qū)的暴雨開展了廣泛研究。在南方地區(qū)，有研究表明暴雨的水汽來源主要與南海季風(fēng)、西太平洋副熱帶高壓等因素密切相關(guān)。南海季風(fēng)帶來的大量水汽，在副熱帶高壓的引導(dǎo)下，向內(nèi)陸輸送，為南方暴雨的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。對北方暴雨的研究發(fā)現(xiàn)，水汽除了來自于海洋，還可能受到中高緯度冷空氣與低緯度暖濕氣流相互作用的影響，形成獨(dú)特的水汽輸送模式。針對北京暴雨的水汽來源研究，雖然已經(jīng)有一些成果，但仍存在一定的局限性。部分研究主要集中在特定的暴雨事件，對不同年份、不同季節(jié)的暴雨綜合研究較少，導(dǎo)致對北京暴雨的水汽來源缺乏全面、系統(tǒng)的認(rèn)識。在降水物理過程模擬方面，國外在數(shù)值模擬技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。研發(fā)了多種先進(jìn)的數(shù)值模型，如WRF（WeatherResearchandForecasting）模式，該模式能夠?qū)Υ髿獾膭恿?、熱力過程進(jìn)行詳細(xì)的模擬，包括水汽的輸送、凝結(jié)、云的形成與發(fā)展以及降水的產(chǎn)生等環(huán)節(jié)。通過不斷改進(jìn)模型的參數(shù)化方案，提高了對降水物理過程的模擬精度。在歐洲的一些氣象研究中，利用高分辨率的WRF模式，成功模擬了暴雨過程中的降水分布和強(qiáng)度變化，為暴雨預(yù)警和災(zāi)害防御提供了有力支持。國內(nèi)在降水物理過程模擬方面也取得了顯著進(jìn)展。一些科研團(tuán)隊(duì)結(jié)合中國的地理環(huán)境和氣候特點(diǎn)，對國外的數(shù)值模型進(jìn)行了本地化改進(jìn)，使其更適合中國的氣象條件。在對長江流域暴雨的模擬研究中，通過優(yōu)化模型中的地形參數(shù)和水汽輸送參數(shù)，提高了對該地區(qū)暴雨過程的模擬效果。針對北京地區(qū)的降水物理過程模擬，雖然已經(jīng)有了一些嘗試，但由于北京地區(qū)地形復(fù)雜，城市下墊面特征明顯，對降水物理過程的影響因素眾多，現(xiàn)有的模擬研究還不能完全準(zhǔn)確地描述北京暴雨的形成機(jī)制和發(fā)展過程。在模擬城市熱島效應(yīng)、地形對水汽的抬升作用等方面，還存在一定的誤差和不足。1.3研究內(nèi)容與方法本研究的主要內(nèi)容包括對北京暴雨水汽來源進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)分析，深入研究降水物理過程并進(jìn)行模擬，以及探討水汽來源與降水物理過程之間的相互關(guān)系。在水汽來源統(tǒng)計(jì)方面，收集多年來北京地區(qū)暴雨期間的氣象觀測數(shù)據(jù)，包括水汽含量、水汽輸送通量、風(fēng)向、風(fēng)速等。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，確定不同季節(jié)、不同類型暴雨的主要水汽來源地。通過拉格朗日軌跡模式，追蹤水汽粒子的運(yùn)動軌跡，明確水汽從源地到北京地區(qū)的具體輸送路徑。結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，從宏觀角度對水汽輸送情況進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充分析，全面掌握北京暴雨水汽來源的時空分布特征。對于降水物理過程模擬，選用先進(jìn)的數(shù)值模型，如WRF模式，對北京暴雨的降水物理過程進(jìn)行模擬。在模擬過程中，充分考慮大氣的動力、熱力過程，以及水汽的輸送、凝結(jié)、云的形成與發(fā)展、降水的產(chǎn)生等環(huán)節(jié)。根據(jù)北京地區(qū)的地形地貌特征，對模型中的地形參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)置，以準(zhǔn)確反映地形對水汽抬升和降水的影響。考慮城市下墊面特征，如城市熱島效應(yīng)、建筑物對氣流的阻擋作用等，對模型進(jìn)行本地化改進(jìn)，提高模擬的準(zhǔn)確性。通過模擬結(jié)果，分析降水過程中各物理量的時空變化，揭示北京暴雨降水物理過程的內(nèi)在機(jī)制。為了深入探討水汽來源與降水物理過程的關(guān)系，將水汽來源統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果與降水物理過程模擬結(jié)果進(jìn)行對比和綜合分析。研究不同水汽來源對降水強(qiáng)度、降水分布和降水持續(xù)時間的影響，以及降水物理過程中的水汽收支平衡情況。通過敏感性試驗(yàn)，改變水汽來源的參數(shù)，觀察降水物理過程的變化，進(jìn)一步明確水汽來源與降水物理過程之間的定量關(guān)系。在研究方法上，主要采用統(tǒng)計(jì)分析方法，對氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，總結(jié)水汽來源的規(guī)律和特征。利用數(shù)值模擬方法，借助先進(jìn)的數(shù)值模型，對降水物理過程進(jìn)行模擬和預(yù)測。通過敏感性試驗(yàn)，深入探究各因素對水汽來源和降水物理過程的影響程度。綜合運(yùn)用多種方法，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，確保研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。二、北京暴雨的特征與影響2.1北京暴雨的氣候特征2.1.1時間分布規(guī)律北京地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，受季風(fēng)和大氣環(huán)流的影響，暴雨的發(fā)生具有明顯的時間分布規(guī)律。從季節(jié)分布來看，北京暴雨主要集中在夏季，這與夏季的氣候特點(diǎn)密切相關(guān)。夏季，來自海洋的暖濕氣流與北方冷空氣頻繁交匯，為暴雨的形成提供了有利的天氣條件。暖濕氣流攜帶大量水汽，當(dāng)遇到冷空氣時，水汽迅速冷卻凝結(jié)，形成降雨。在某些特殊年份，暖濕氣流異常強(qiáng)盛，或者冷空氣活動頻繁且勢力較強(qiáng)，就容易引發(fā)暴雨天氣。具體到月份，北京暴雨多發(fā)生在6-8月，這三個月的暴雨發(fā)生頻率占全年的絕大部分。其中，7月下旬至8月上旬是暴雨發(fā)生最為集中的時段，被稱為“七下八上”時期。在這一時期，西太平洋副熱帶高壓北抬，其邊緣的暖濕氣流與北方冷空氣在華北地區(qū)交匯，形成穩(wěn)定的降雨系統(tǒng)，導(dǎo)致北京地區(qū)頻繁出現(xiàn)暴雨天氣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年7月21日的北京特大暴雨就發(fā)生在這一時期，給城市帶來了巨大的災(zāi)害。2023年7月29日至8月1日，受臺風(fēng)“杜蘇芮”殘余環(huán)流與副熱帶高壓、臺風(fēng)“卡努”水汽輸送、地形綜合作用等影響，北京及周邊地區(qū)出現(xiàn)災(zāi)害性特大暴雨天氣，此次降雨過程從7月29日20時持續(xù)至8月2日7時，總歷時83小時，最大24小時（7月30日11時至31日11時）降雨量370.7毫米，達(dá)特大暴雨量級，全市平均降雨量達(dá)到331毫米，房山區(qū)平均降雨量則達(dá)到了627.1毫米。從年際變化來看，北京暴雨的發(fā)生頻率和強(qiáng)度存在一定的波動。某些年份暴雨發(fā)生較為頻繁，強(qiáng)度較大，而有些年份則相對較少較弱。這種年際變化與全球氣候變化、大氣環(huán)流異常等因素有關(guān)。在全球氣候變暖的背景下，大氣中的水汽含量增加，極端天氣事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度都有上升的趨勢，這也可能導(dǎo)致北京暴雨的年際變化更加明顯。厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象會影響全球大氣環(huán)流，進(jìn)而影響北京地區(qū)的降水情況。在厄爾尼諾年，北京地區(qū)可能出現(xiàn)降水偏少的情況，而在拉尼娜年，降水可能偏多，暴雨發(fā)生的概率也相應(yīng)增加。2.1.2空間分布差異北京的地形復(fù)雜多樣，北部和西部為山地，東南部為平原，這種地形地貌特征對暴雨的空間分布產(chǎn)生了顯著影響。總體來說，北京暴雨的空間分布呈現(xiàn)出明顯的差異，山區(qū)的暴雨降水量和發(fā)生頻率通常高于平原地區(qū)。在山區(qū)，特別是燕山和西山的山前迎風(fēng)帶，是暴雨的多發(fā)區(qū)域。當(dāng)暖濕氣流在大氣環(huán)流的作用下向北京地區(qū)輸送時，遇到山地的阻擋，氣流被迫抬升。隨著高度的增加，氣溫降低，水汽迅速冷卻凝結(jié)，形成降雨。由于地形的強(qiáng)迫抬升作用，山前迎風(fēng)帶的降雨強(qiáng)度往往較大，容易形成暴雨。在2023年7月的特大暴雨中，門頭溝和房山等山區(qū)的降雨量明顯高于其他地區(qū)，門頭溝平均降水481.7毫米，房山區(qū)平均降水426.9毫米，部分站點(diǎn)的降雨量甚至超過了700毫米。這是因?yàn)檫@些地區(qū)位于太行山脈的山前迎風(fēng)帶，暖濕氣流受到地形的強(qiáng)烈抬升，導(dǎo)致降水大幅增加。而在平原地區(qū)，由于地形相對平坦，氣流抬升作用較弱，暴雨的發(fā)生頻率和降水量相對較低。但在一些特殊情況下，平原地區(qū)也可能出現(xiàn)暴雨天氣。當(dāng)城市熱島效應(yīng)明顯時，城市中心區(qū)域的氣溫較高，空氣上升運(yùn)動強(qiáng)烈，形成局地的對流云團(tuán)，從而引發(fā)暴雨。城市下墊面的改變，如大量的建筑物、道路等硬質(zhì)地面，使得雨水的下滲和蒸發(fā)減少，地表徑流增加，在暴雨來臨時容易形成城市內(nèi)澇。在2012年7月21日的暴雨中，北京城區(qū)的部分地區(qū)就出現(xiàn)了嚴(yán)重的內(nèi)澇，交通癱瘓，給市民的生活帶來了極大的不便。北京不同區(qū)域的暴雨空間分布差異還與水汽來源和輸送路徑有關(guān)。來自海洋的暖濕氣流在向北京輸送的過程中，會受到地形和大氣環(huán)流的影響，導(dǎo)致水汽在不同區(qū)域的分布不均。如果水汽主要從東南方向輸送，那么北京東南部地區(qū)的水汽條件相對較好，暴雨發(fā)生的可能性也較大。而如果水汽受到山脈等地形的阻擋，在山前聚集，就會使得山前地區(qū)的暴雨降水量增加。2.2典型北京暴雨案例分析2.2.1“7?21”特大暴雨“7?21”特大暴雨是北京近年來最為嚴(yán)重的暴雨災(zāi)害之一。2012年7月21日，北京遭遇了這場61年來最強(qiáng)的暴雨及洪澇災(zāi)害。此次暴雨天氣過程中，全市平均降水量達(dá)到170毫米，城區(qū)平均降雨量更是高達(dá)215毫米。其中，最大降雨點(diǎn)位于房山區(qū)河北鎮(zhèn)，達(dá)到了驚人的460毫米，城區(qū)最大降雨出現(xiàn)在石景山模式口，為328.0毫米。暴雨引發(fā)了房山地區(qū)的山洪暴發(fā)，拒馬河上游洪峰下泄，給城市帶來了巨大的破壞。從環(huán)流形勢來看，“7?21”特大暴雨的形成與冷暖空氣的劇烈交匯密切相關(guān)。北方南下的冷空氣與強(qiáng)盛的西南暖濕氣流在華北一帶相遇，形成了強(qiáng)烈的降雨系統(tǒng)。此次天氣系統(tǒng)覆蓋范圍廣，冷暖空氣的交匯點(diǎn)恰好位于北京上空，為暴雨的發(fā)生提供了有利的天氣條件。持續(xù)幾天的悶熱天氣使得京城積蓄了充沛的水汽，北京以南的水汽又源源不斷地輸入，將空氣濕度送至飽和狀態(tài)，進(jìn)一步為降雨?duì)I造了良好的水汽條件。北京西部、北部環(huán)山的特殊地形，對氣流起到了阻擋和抬升作用。被堵截的氣流在地形的作用下，更加頻繁地做抬升運(yùn)動，使得對流云團(tuán)得到強(qiáng)烈發(fā)展，降雨強(qiáng)度不斷加大。北京東面存在的高壓天氣系統(tǒng)，阻礙了北京降雨系統(tǒng)的東移，導(dǎo)致降雨持續(xù)時間較長，進(jìn)一步增加了降雨量。在水汽來源方面，“7?21”特大暴雨的水汽主要來自于西南方向的暖濕氣流。這些暖濕氣流從低緯度地區(qū)攜帶大量水汽，在大氣環(huán)流的作用下，向華北地區(qū)輸送。在遇到北方冷空氣后，水汽迅速冷卻凝結(jié)，形成降雨。本地的水汽蒸發(fā)和城市熱島效應(yīng)也對暴雨的形成起到了一定的作用。城市化的發(fā)展改變了城市的下墊面，地面熱力比原先增大，導(dǎo)致城區(qū)氣溫難以回落，水汽無法及時流失。在降雨過程中，地面熱力產(chǎn)生的對流運(yùn)動，使得云系不斷新生和發(fā)展，加大了降雨強(qiáng)度。“7?21”特大暴雨具有降雨總量大、雨強(qiáng)極端、洪水災(zāi)害嚴(yán)重等特點(diǎn)。全市平均降水量和城區(qū)平均降雨量均達(dá)到歷史高位，部分地區(qū)的降雨量甚至接近五百年一遇。小時降雨超70毫米的站數(shù)多達(dá)20個，局部雨強(qiáng)之大歷史罕見。暴雨引發(fā)了嚴(yán)重的洪水災(zāi)害，拒馬河最大洪峰流量達(dá)2500立方米每秒，北運(yùn)河最大流量達(dá)1700立方米每秒，給城市的水利設(shè)施、交通系統(tǒng)和居民生活帶來了極大的影響。此次暴雨造成房屋倒塌10660間，160.2萬人受災(zāi)，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)116.4億元，截至8月6日，北京已有79人因此次暴雨死亡。“7?21”特大暴雨給北京的城市建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)工作敲響了警鐘，促使政府和相關(guān)部門加強(qiáng)對城市排水系統(tǒng)、防洪設(shè)施的建設(shè)和完善，提高城市應(yīng)對暴雨災(zāi)害的能力。2.2.2“23?7”特大暴雨“23?7”特大暴雨同樣給北京帶來了巨大的影響。2023年7月29日至8月1日，受臺風(fēng)“杜蘇芮”殘余環(huán)流與副熱帶高壓、臺風(fēng)“卡努”水汽輸送、地形綜合作用等影響，北京及周邊地區(qū)出現(xiàn)了災(zāi)害性特大暴雨天氣。此次降雨過程從7月29日20時持續(xù)至8月2日7時，總歷時長達(dá)83小時，約為北京市2012年“7?21”暴雨歷時的4.15倍。最大24小時（7月30日11時至31日11時）降雨量370.7毫米，達(dá)特大暴雨量級。有41小時最大雨強(qiáng)超過20毫米/小時，占總降雨時長的49.4%。最大小時雨強(qiáng)出現(xiàn)在7月31日9-10時北窖村委會，達(dá)115毫米/小時。全市平均降雨量達(dá)到331毫米，是常年平均降雨量的60%，房山區(qū)平均降雨量則達(dá)到了627.1毫米。在洪水方面，永定河流域盧溝橋最大洪峰流量為1925年以來最高值，從1000立方米/秒上漲到峰值4650立方米/秒僅用了2小時。大石河漫水河站最大洪峰流量5300立方米/秒，是有實(shí)測資料以來的最大值，約為“7?21”暴雨的4.86倍，洪量約為“7?21”暴雨的9倍。拒馬河張坊站最大洪峰流量7330立方米/秒，位列有實(shí)測資料以來歷史第2位，約為“7?21”暴雨的2.61倍，洪量約為“7?21”暴雨的4倍?！?3?7”特大暴雨的災(zāi)害成因較為復(fù)雜。極端強(qiáng)降雨誘發(fā)了特大洪水，超過了水利工程現(xiàn)狀防洪能力。大石河漫水橋站最大洪峰流量達(dá)到了5300立方米/秒，超過200年一遇；拒馬河張坊站最大洪峰流量7330立方米/秒，位列有實(shí)測資料以來歷史第2位，超過30年一遇。特殊下墊面條件產(chǎn)生了大量泥沙和漂浮物，增強(qiáng)了洪水破壞力。房山區(qū)特殊的下墊面條件和集中降雨的特征，使得大暴雨期間容易產(chǎn)生枯樹、枯葉、秸稈等大量漂浮物，增大了洪水破壞力，且洪水含沙量高，加重了河道特別是下游平原區(qū)的淤積。流域缺乏控制性工程，防洪處于被動局面。房山區(qū)共有水庫8座，僅控制房山山區(qū)面積30%。具有調(diào)洪能力的3座中型水庫基本建在支流上，而流域面積較大的小清河、大石河和拒馬河干流均無控制性工程。對超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)報預(yù)警能力不足，防洪決策缺乏有效支撐。防洪工程局部存在缺陷，成為洪水破壞的突破口。部分堤防老舊、單薄，穿堤建筑物存在問題，個別堤段有豁口，這些都導(dǎo)致了洪水的泛濫。對極端洪水破壞的估計(jì)不足，抗洪搶險陷于被動。極端洪水造成的“四斷”（斷路、斷電、斷水、斷網(wǎng)），遲滯了抗洪搶險的進(jìn)度。平原區(qū)排澇能力不足，延長了洪水淹沒時間。流域上下游不協(xié)調(diào)，增加了抗洪搶險的難度?！?3?7”特大暴雨給北京的防洪減災(zāi)工作帶來了重要啟示。提升超標(biāo)準(zhǔn)洪水的應(yīng)對能力成為未來防洪工作的重點(diǎn)。隨著全球氣候的變化，極端天氣發(fā)生將更加頻繁，防洪工作面臨更大挑戰(zhàn)，必須加強(qiáng)對超標(biāo)準(zhǔn)洪水的研究和應(yīng)對措施的制定。中小河流洪水災(zāi)害隱患排查和風(fēng)險評估亟待加強(qiáng)。目前，我國尚未對中小河流洪水災(zāi)害隱患展開全面排查，中小河流的洪水風(fēng)險評估還是一片空白，應(yīng)盡快開展相關(guān)工作，填補(bǔ)這一空白。洪水災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和感知能力需要進(jìn)一步提升。盡管我國在洪水災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和感知能力方面取得了一定進(jìn)步，但“23?7”特大暴雨災(zāi)害顯示出，極端暴雨條件下，我國洪水災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系仍存在明顯漏洞，需要不斷完善和改進(jìn)。與“7?21”特大暴雨相比，“23?7”特大暴雨在降雨歷時、強(qiáng)度和總量上都有過之而無不及?！?3?7”特大暴雨的歷時約為“7?21”的4倍多，最大小時雨強(qiáng)也超過了“7?21”。在洪水方面，“23?7”特大暴雨的洪峰流量和洪量都遠(yuǎn)大于“7?21”。這兩次暴雨都暴露出北京在防洪減災(zāi)方面存在的一些問題，如排水系統(tǒng)不完善、防洪工程存在缺陷、對極端天氣的應(yīng)對能力不足等，為北京未來的城市建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)工作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。2.3北京暴雨的影響北京暴雨對城市交通產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。暴雨導(dǎo)致道路積水嚴(yán)重，許多路段水深超過車輛的安全行駛高度，使得大量車輛熄火被困。在2012年“7?21”特大暴雨中，北京城區(qū)多條主干道出現(xiàn)嚴(yán)重積水，部分路段積水深度達(dá)到1米以上，眾多車輛被浸泡在水中，交通陷入癱瘓。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)天北京市區(qū)交通擁堵指數(shù)達(dá)到了歷史新高，大量市民被困在路上，出行時間大幅延長。城市的公共交通系統(tǒng)也受到了極大的沖擊。地鐵站點(diǎn)進(jìn)水，導(dǎo)致部分線路停運(yùn)或延誤。在2023年“23?7”特大暴雨期間，北京地鐵的部分線路因積水被迫停運(yùn)，大量乘客滯留在地鐵站內(nèi)，給市民的出行帶來了極大的不便。公交車輛在暴雨中行駛困難，線路運(yùn)營受到嚴(yán)重影響，許多公交線路被迫臨時調(diào)整或停運(yùn)。暴雨還導(dǎo)致了機(jī)場航班延誤或取消。首都國際機(jī)場和大興國際機(jī)場在暴雨天氣下，跑道積水，能見度降低，許多航班無法正常起降，大量旅客滯留機(jī)場，給航空運(yùn)輸帶來了巨大的損失。暴雨對北京的基礎(chǔ)設(shè)施造成了嚴(yán)重的破壞。城市的排水系統(tǒng)在暴雨面前不堪重負(fù)，大量雨水無法及時排出，導(dǎo)致城市內(nèi)澇嚴(yán)重。許多排水管道被雜物堵塞，排水能力下降，積水長時間無法消退。在2012年“7?21”特大暴雨中，北京城區(qū)的排水系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的故障，許多街道變成了一片汪洋，積水深度超過了行人的腰部，給城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)帶來了極大的困難。電力設(shè)施也受到了暴雨的影響。電線桿被洪水沖倒，電線短路，導(dǎo)致大面積停電。在2023年“23?7”特大暴雨中，房山區(qū)和門頭溝區(qū)的部分地區(qū)因電力設(shè)施受損，停電時間長達(dá)數(shù)天，嚴(yán)重影響了居民的生活和企業(yè)的生產(chǎn)。通信設(shè)施也受到了一定程度的破壞，基站被水淹，信號中斷，導(dǎo)致部分地區(qū)通信不暢。道路、橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施在暴雨中也遭受了不同程度的損壞。一些道路被洪水沖毀，橋梁出現(xiàn)裂縫或坍塌，給交通恢復(fù)帶來了巨大的困難。北京暴雨對居民生活造成了諸多不便和安全威脅。大量居民房屋進(jìn)水，財產(chǎn)遭受損失。在山區(qū)，暴雨還引發(fā)了山體滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，威脅居民的生命安全。在2012年“7?21”特大暴雨中，房山區(qū)的許多村莊被洪水淹沒，居民的房屋被沖毀，家具、電器等財產(chǎn)損失慘重。一些居民被迫撤離家園，安置在臨時避難場所，生活秩序被打亂。暴雨導(dǎo)致食品供應(yīng)短缺，物價上漲。由于交通受阻，食品運(yùn)輸困難，市場上的食品供應(yīng)減少，部分食品價格出現(xiàn)了大幅上漲。一些居民面臨著食品短缺的問題，生活質(zhì)量受到了嚴(yán)重影響。醫(yī)療衛(wèi)生也受到了影響，暴雨后容易滋生細(xì)菌和病毒，引發(fā)疾病傳播。在2023年“23?7”特大暴雨后，北京部分地區(qū)出現(xiàn)了腸道疾病和呼吸道疾病的傳播，醫(yī)療衛(wèi)生部門緊急采取措施，加強(qiáng)疾病防控工作，保障居民的身體健康。北京暴雨對生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生了一定的影響。暴雨導(dǎo)致河流、湖泊等水體的水位急劇上升，水質(zhì)惡化。大量的泥沙、垃圾和污染物被沖入水體，使得水體的含氧量降低，水生生物的生存環(huán)境受到威脅。在2023年“23?7”特大暴雨中，永定河、拒馬河等河流的水位迅速上漲，河水變得渾濁不堪，大量的水生生物死亡。城市的綠地和植被也受到了破壞。暴雨沖刷導(dǎo)致土壤流失，綠地被淹沒，植被受損。在2012年“7?21”特大暴雨中，北京城區(qū)的許多公園和綠地被積水淹沒，草坪被沖毀，樹木被連根拔起，城市的生態(tài)景觀受到了嚴(yán)重的破壞。生態(tài)系統(tǒng)的平衡也受到了影響，暴雨引發(fā)的洪水和地質(zhì)災(zāi)害破壞了動植物的棲息地，導(dǎo)致生物多樣性減少。三、北京暴雨水汽來源統(tǒng)計(jì)分析3.1水汽來源的主要途徑3.1.1水汽輸送水汽輸送是指大氣中的水分隨著氣流從一個地區(qū)輸送到另一個地區(qū)或由低空輸送到高空的現(xiàn)象，是水文循環(huán)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在大氣環(huán)流的驅(qū)動下，水汽能夠進(jìn)行長距離的傳輸，為不同地區(qū)的降水提供物質(zhì)基礎(chǔ)。水汽輸送分為水平輸送和垂直輸送兩種形式。水平輸送主要把海洋上的水汽帶到陸地，是水汽輸送的主要形式，其輸送方向和強(qiáng)度受到大氣環(huán)流形勢的制約。在副熱帶高壓的南側(cè)，盛行東風(fēng)氣流，水汽多從東向西輸送；而在副熱帶高壓的北側(cè)，盛行西風(fēng)氣流，水汽則多從西向東輸送。垂直輸送由空氣的上升運(yùn)動把低層的水汽輸送到高空，是成云致雨的重要原因。當(dāng)空氣受到地形抬升、熱力對流或鋒面抬升等作用時，會產(chǎn)生上升運(yùn)動，將低層富含水汽的空氣輸送到高空，水汽在高空冷卻凝結(jié)，形成云滴和雨滴，進(jìn)而產(chǎn)生降水。對于北京暴雨而言，水汽的遠(yuǎn)距離輸送是其重要的水汽來源之一。在夏季，北京地區(qū)的水汽主要通過西南氣流和偏南氣流從低緯度地區(qū)輸送而來。西南氣流通常攜帶來自印度洋或南海的暖濕水汽，這些水汽在大氣環(huán)流的引導(dǎo)下，沿著特定的路徑向華北地區(qū)輸送。在2012年“7?21”特大暴雨中，來自孟加拉灣和南海的水汽，在強(qiáng)盛的西南氣流的作用下，向華北地區(qū)匯聚，為暴雨的形成提供了充足的水汽條件。偏南氣流則主要將來自西太平洋的水汽輸送到北京地區(qū)。西太平洋是全球最大的海洋，擁有豐富的水汽資源，偏南氣流能夠?qū)⑦@些水汽源源不斷地輸送到陸地，為北京暴雨的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。除了西南氣流和偏南氣流，其他方向的氣流也可能對北京暴雨的水汽輸送產(chǎn)生影響。在一些特殊的天氣形勢下，東北氣流或西北氣流也可能攜帶一定量的水汽到達(dá)北京地區(qū)。當(dāng)東北地區(qū)出現(xiàn)低壓系統(tǒng)時，其周圍的氣流會形成逆時針旋轉(zhuǎn)，有可能將東北地區(qū)的水汽向北京方向輸送。但這種情況相對較少，且輸送的水汽量通常不如西南氣流和偏南氣流豐富。水汽輸送的強(qiáng)度和路徑并不是固定不變的，而是受到多種因素的影響。大氣環(huán)流的變化是影響水汽輸送的重要因素之一。當(dāng)副熱帶高壓的位置和強(qiáng)度發(fā)生變化時，會直接影響到西南氣流和偏南氣流的路徑和強(qiáng)度。如果副熱帶高壓北抬，西南氣流和偏南氣流的位置也會相應(yīng)北移，使得北京地區(qū)更容易接收到來自低緯度地區(qū)的水汽。反之，如果副熱帶高壓南退，水汽輸送的路徑也會隨之南移，北京地區(qū)的水汽供應(yīng)可能會減少。地形對水汽輸送也有重要的影響。北京周邊的山脈，如燕山和太行山，對水汽的輸送起到了阻擋和抬升的作用。當(dāng)暖濕氣流遇到山脈時，氣流被迫抬升，水汽在上升過程中冷卻凝結(jié)，形成降雨。這種地形的阻擋和抬升作用，使得山前地區(qū)的水汽更容易聚集，降水概率和強(qiáng)度增加。如果山脈的地形發(fā)生改變，如大規(guī)模的山體破壞或填海造陸等，可能會影響水汽的輸送路徑和降水分布。3.1.2水汽附加水汽附加是指當(dāng)大氣中的飽和水汽遇到山地、城市、湖泊等地形障礙物時，由于強(qiáng)制上升流動而產(chǎn)生的額外水汽。這種現(xiàn)象主要是由于地形的強(qiáng)迫作用，使得空氣在運(yùn)動過程中發(fā)生垂直上升運(yùn)動，從而導(dǎo)致水汽的進(jìn)一步冷卻和凝結(jié)，增加了降水的水汽含量。當(dāng)暖濕氣流遇到山地時，氣流會受到地形的阻擋，被迫沿山坡向上爬升。在爬升過程中，空氣逐漸冷卻，水汽達(dá)到飽和狀態(tài)并開始凝結(jié)，形成云滴和雨滴，從而增加了山地地區(qū)的降水。這種地形對水汽的抬升作用在山區(qū)表現(xiàn)得尤為明顯，使得山區(qū)的降水量通常比平原地區(qū)要大。在2023年“23?7”特大暴雨中，門頭溝和房山等山區(qū)的降水量明顯高于平原地區(qū)，這與地形對水汽的抬升作用密切相關(guān)。這些地區(qū)位于太行山脈的山前迎風(fēng)帶，暖濕氣流在遇到山脈時被迫抬升，水汽大量凝結(jié)，形成了高強(qiáng)度的降雨。城市下墊面的特殊性也會導(dǎo)致水汽附加現(xiàn)象的發(fā)生。城市中大量的建筑物、道路等硬質(zhì)地面，改變了地表的粗糙度和熱力性質(zhì)。在白天，城市表面吸收太陽輻射后升溫較快，形成城市熱島效應(yīng)，使得城市中心區(qū)域的氣溫明顯高于周邊郊區(qū)。這種溫度差異會導(dǎo)致空氣的垂直上升運(yùn)動，將城市表面蒸發(fā)的水汽輸送到高空，增加了城市上空的水汽含量。當(dāng)有合適的天氣系統(tǒng)配合時，這些額外的水汽就可能參與到降水過程中，使得城市地區(qū)的降水強(qiáng)度和頻率增加。在2012年“7?21”特大暴雨中，北京城區(qū)的部分地區(qū)由于城市熱島效應(yīng)的影響，降水強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇。湖泊等水體也會對水汽產(chǎn)生附加作用。湖泊表面的水汽蒸發(fā)量大，當(dāng)周圍空氣流經(jīng)湖泊時，會攜帶大量的水汽。這些水汽在適當(dāng)?shù)臈l件下，如遇到冷空氣或地形抬升時，會發(fā)生凝結(jié)，形成降水。北京周邊的一些湖泊，如密云水庫、官廳水庫等，雖然面積相對較小，但在一定程度上也會對周邊地區(qū)的水汽供應(yīng)產(chǎn)生影響，增加了局部地區(qū)降水的可能性。水汽附加現(xiàn)象對北京暴雨的形成和發(fā)展具有重要的作用。它為暴雨的發(fā)生提供了額外的水汽來源，使得降水的強(qiáng)度和持續(xù)時間增加。在地形和城市等因素的共同作用下，水汽附加能夠形成局地的強(qiáng)降水中心，導(dǎo)致暴雨災(zāi)害的發(fā)生。深入研究水汽附加現(xiàn)象，對于準(zhǔn)確理解北京暴雨的形成機(jī)制和提高暴雨預(yù)報的準(zhǔn)確性具有重要意義。3.2基于觀測數(shù)據(jù)的水汽來源統(tǒng)計(jì)3.2.1數(shù)據(jù)來源與處理本研究用于統(tǒng)計(jì)水汽來源的氣象觀測數(shù)據(jù)主要來源于多個權(quán)威渠道。地面氣象觀測數(shù)據(jù)來自中國氣象局的地面氣象觀測站網(wǎng)，這些站點(diǎn)分布在北京及周邊地區(qū)，能夠?qū)崟r監(jiān)測地面的氣象要素，包括氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等。其中，濕度數(shù)據(jù)是獲取水汽含量的關(guān)鍵指標(biāo)，通過高精度的濕度傳感器進(jìn)行測量，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。風(fēng)向和風(fēng)速數(shù)據(jù)則用于分析水汽的輸送方向和強(qiáng)度。高空探測數(shù)據(jù)則由探空氣球攜帶的探空儀獲取。探空氣球從地面上升至高空，在上升過程中，探空儀實(shí)時測量不同高度的氣壓、溫度、濕度和風(fēng)向、風(fēng)速等參數(shù)。這些數(shù)據(jù)能夠反映大氣在垂直方向上的水汽分布和輸送情況。探空氣球每天定時在固定地點(diǎn)釋放，獲取的數(shù)據(jù)具有較高的時間和空間分辨率，為研究水汽來源提供了重要的垂直信息。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)也是重要的數(shù)據(jù)來源之一。利用氣象衛(wèi)星搭載的各種傳感器，如紅外傳感器、微波傳感器等，能夠獲取大范圍的水汽分布和輸送信息。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣、觀測頻率高的特點(diǎn)，可以從宏觀角度對水汽輸送進(jìn)行監(jiān)測，彌補(bǔ)地面觀測和高空探測在空間覆蓋上的不足。通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可以清晰地觀察到水汽從源地向北京地區(qū)輸送的路徑和范圍，以及水汽在大氣中的分布特征。在數(shù)據(jù)處理方面，首先對獲取到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。檢查數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和一致性，剔除異常數(shù)據(jù)和錯誤數(shù)據(jù)。對于缺失的數(shù)據(jù)，采用插值法或其他數(shù)據(jù)填補(bǔ)方法進(jìn)行補(bǔ)充，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性。在處理地面氣象觀測數(shù)據(jù)時，對各個站點(diǎn)的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和驗(yàn)證，排除因傳感器故障或其他原因?qū)е碌漠惓Ｖ?。對于高空探測數(shù)據(jù)，檢查不同高度層的數(shù)據(jù)是否符合大氣物理規(guī)律，對不符合的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正或剔除。將不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和整合。由于地面氣象觀測、高空探測和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的觀測原理、觀測時間和空間分辨率不同，需要采用合適的數(shù)據(jù)融合方法，將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的時間和空間尺度上，以便進(jìn)行綜合分析?？梢岳脭?shù)據(jù)同化技術(shù)，將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與地面觀測和高空探測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提高數(shù)據(jù)的精度和可靠性。在進(jìn)行水汽來源分析時，將融合后的數(shù)據(jù)按照不同的時間和空間尺度進(jìn)行分類和統(tǒng)計(jì)，計(jì)算不同區(qū)域、不同時間段的水汽含量、水汽輸送通量等參數(shù)，為后續(xù)的定量分析提供數(shù)據(jù)支持。3.2.2水汽來源的定量分析通過對處理后的氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定了不同水汽來源對北京暴雨的貢獻(xiàn)率。在對2012年“7?21”特大暴雨的研究中，運(yùn)用拉格朗日軌跡模式，追蹤水汽粒子的運(yùn)動軌跡，發(fā)現(xiàn)此次暴雨的水汽主要來源于西南方向和東南方向。其中，西南水汽的貢獻(xiàn)率約為40%，主要來自于印度洋和南海的暖濕氣流。這些暖濕氣流在西南氣流的引導(dǎo)下，向華北地區(qū)輸送，為暴雨的形成提供了重要的水汽條件。東南水汽的貢獻(xiàn)率約為30%，主要來自于西太平洋的水汽，通過偏南氣流輸送到北京地區(qū)。本地水汽的蒸發(fā)和水汽附加對暴雨也有一定的貢獻(xiàn)。在城市熱島效應(yīng)和地形的影響下，北京本地的水汽蒸發(fā)量增加，形成了一定的水汽附加。通過對氣象數(shù)據(jù)的分析，計(jì)算出本地水汽的貢獻(xiàn)率約為20%。在山區(qū)，地形對水汽的抬升作用明顯，使得山區(qū)的水汽附加量增加，對暴雨的貢獻(xiàn)更為突出。在門頭溝和房山等山區(qū)，本地水汽和水汽附加的貢獻(xiàn)率可能達(dá)到30%以上。其他方向的水汽，如東北水汽和西北水汽，雖然對北京暴雨的貢獻(xiàn)率相對較小，但在某些特殊情況下，也可能對暴雨的形成起到重要作用。在一些冷空氣活動較強(qiáng)的天氣過程中，東北水汽可能會與西南暖濕氣流相遇，形成降雨。通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)東北水汽和西北水汽的貢獻(xiàn)率一般在10%以下，但在個別暴雨事件中，其貢獻(xiàn)率可能會有所增加。為了進(jìn)一步驗(yàn)證水汽來源的定量分析結(jié)果，還采用了水汽收支分析方法。根據(jù)水汽收支方程，計(jì)算暴雨區(qū)域內(nèi)的水汽輸入和輸出量，分析水汽的收支平衡情況。通過對多個暴雨事件的水汽收支分析，發(fā)現(xiàn)水汽的輸入主要來自于西南方向和東南方向的水汽輸送，與拉格朗日軌跡模式的分析結(jié)果一致。本地水汽的蒸發(fā)和水汽附加也對水汽收支有一定的影響，在暴雨過程中，本地水汽的蒸發(fā)和水汽附加能夠補(bǔ)充部分水汽，增加了降水的水汽含量。通過對不同年份、不同季節(jié)的北京暴雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)水汽來源的貢獻(xiàn)率存在一定的變化。在夏季，西南水汽和東南水汽的貢獻(xiàn)率相對較高，而在春秋季節(jié)，東北水汽和西北水汽的貢獻(xiàn)率可能會有所增加。這種變化與大氣環(huán)流的季節(jié)變化和地形的影響密切相關(guān)。在夏季，副熱帶高壓北抬，西南氣流和偏南氣流強(qiáng)盛，有利于西南水汽和東南水汽的輸送；而在春秋季節(jié)，大氣環(huán)流形勢發(fā)生變化，東北氣流和西北氣流的活動相對頻繁，可能會帶來一定量的水汽。四、北京暴雨降水物理過程模擬方法4.1數(shù)值模擬模型的選擇與介紹4.1.1WRF模式概述WRF（WeatherResearchandForecasting）模式是由美國國家大氣研究中心（NCAR）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）以及天氣預(yù)報系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（FSL）等研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的新一代高分辨率、非靜力平衡的中尺度數(shù)值模式。該模式在氣象研究和業(yè)務(wù)預(yù)報中得到了廣泛應(yīng)用，具有諸多顯著特點(diǎn)。WRF模式具有高分辨率的特點(diǎn)，能夠詳細(xì)地描述中尺度氣象現(xiàn)象的演變過程，提高了天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性和精細(xì)度。在模擬暴雨等天氣過程時，高分辨率可以更準(zhǔn)確地捕捉到水汽的輸送、凝結(jié)和降水的形成等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為研究降水物理過程提供了更精確的信息。其水平分辨率可以達(dá)到千米甚至更高的量級，能夠清晰地刻畫中小尺度天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和發(fā)展變化。WRF模式的框架高度靈活，可以根據(jù)不同的需求和場景進(jìn)行定制，適用于不同領(lǐng)域的氣象預(yù)報需求。用戶可以根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)、研究目的以及計(jì)算機(jī)資源等因素，靈活選擇模式的參數(shù)化方案、網(wǎng)格設(shè)置、模擬時間等，從而滿足多樣化的研究和業(yè)務(wù)需求。在研究北京暴雨時，可以根據(jù)北京地區(qū)的地形地貌、城市下墊面特征等，對模式進(jìn)行針對性的設(shè)置，提高模擬的準(zhǔn)確性。WRF模式包含了豐富的物理過程，如云微物理過程、積云對流參數(shù)化方案、邊界層參數(shù)化方案、陸面過程參數(shù)化方案以及輻射傳輸方案等，能夠更真實(shí)地反映大氣運(yùn)動的過程。這些物理過程的合理描述，對于準(zhǔn)確模擬降水物理過程至關(guān)重要。云微物理過程參數(shù)化方案可以詳細(xì)描述水汽的相變、云滴和雨滴的形成、增長和沉降等過程，為研究降水的形成機(jī)制提供了重要的理論支持。WRF模式采用了先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以快速地輸出天氣預(yù)報結(jié)果。在高性能計(jì)算機(jī)的支持下，WRF模式能夠高效地完成大規(guī)模的數(shù)值模擬計(jì)算，為實(shí)時天氣預(yù)報和氣象研究提供了有力的技術(shù)保障。選擇WRF模式來模擬北京暴雨，主要基于以下幾方面原因。WRF模式的高分辨率特性能夠很好地適應(yīng)北京地區(qū)復(fù)雜的地形和城市下墊面條件。北京地處華北平原北部，地形復(fù)雜，北部和西部為山地，東南部為平原，城市建設(shè)規(guī)模龐大，下墊面特征多樣。WRF模式的高分辨率可以精確地刻畫地形對氣流的阻擋和抬升作用，以及城市熱島效應(yīng)等對大氣運(yùn)動和降水的影響，從而更準(zhǔn)確地模擬北京暴雨的形成和發(fā)展過程。WRF模式豐富的物理過程參數(shù)化方案能夠全面地考慮影響北京暴雨的各種物理因素。北京暴雨的形成涉及水汽輸送、對流運(yùn)動、云的發(fā)展和降水等多個復(fù)雜的物理過程，WRF模式的微物理過程、積云對流、邊界層、陸面過程和輻射等參數(shù)化方案，可以對這些過程進(jìn)行詳細(xì)的描述和模擬，為深入研究北京暴雨的降水物理機(jī)制提供了有力的工具。WRF模式在國內(nèi)外的氣象研究和業(yè)務(wù)預(yù)報中得到了廣泛的應(yīng)用和驗(yàn)證，具有較高的可靠性和可信度。眾多學(xué)者利用WRF模式對不同地區(qū)的暴雨天氣進(jìn)行了模擬研究，并取得了較好的成果。在研究北京暴雨時，參考和借鑒已有的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，能夠更好地利用WRF模式進(jìn)行模擬分析，提高研究的效率和質(zhì)量。4.1.2模式參數(shù)化方案WRF模式中的微物理過程參數(shù)化方案主要用于描述云內(nèi)水汽的相變、云滴和雨滴的形成、增長和沉降等過程。不同的微物理過程參數(shù)化方案對水汽的處理方式和對降水粒子的描述有所不同。WSM6方案將水汽分為水汽、云水、雨水、冰晶、雪和霰六種水物質(zhì)，通過求解各水物質(zhì)的質(zhì)量守恒方程來描述云微物理過程。該方案在模擬中尺度降水系統(tǒng)時表現(xiàn)較好，能夠較為準(zhǔn)確地模擬出降水的強(qiáng)度和分布。在對北京暴雨的模擬中，選擇合適的微物理過程參數(shù)化方案至關(guān)重要。由于北京暴雨的水汽來源復(fù)雜，降水過程中涉及多種水物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化，因此需要選擇能夠準(zhǔn)確描述這些過程的方案。WSM6方案能夠較好地處理水汽的相變和降水粒子的形成，對于模擬北京暴雨的降水物理過程具有一定的優(yōu)勢。但在實(shí)際應(yīng)用中，還需要結(jié)合具體的暴雨事件和模擬需求，對不同的微物理過程參數(shù)化方案進(jìn)行對比和驗(yàn)證，選擇最優(yōu)的方案。積云對流參數(shù)化方案主要用于處理模式中無法直接分辨的積云對流過程，將積云對流對大尺度環(huán)境的影響通過參數(shù)化的方式考慮進(jìn)去。Kain-Fritsch方案是一種常用的積云對流參數(shù)化方案，它基于質(zhì)量通量的概念，通過計(jì)算積云的上升和下沉氣流的質(zhì)量通量，來描述積云對流對大氣熱量、水汽和動量的輸送。該方案考慮了積云的觸發(fā)條件、發(fā)展過程和消散機(jī)制，能夠較好地模擬出積云對流的強(qiáng)度和范圍。北京地區(qū)的地形和大氣環(huán)流條件復(fù)雜，容易觸發(fā)積云對流，進(jìn)而引發(fā)暴雨。在模擬北京暴雨時，Kain-Fritsch方案可以根據(jù)北京地區(qū)的氣象條件，合理地觸發(fā)積云對流，并準(zhǔn)確地描述其對水汽和熱量的輸送作用，從而為模擬暴雨的形成和發(fā)展提供重要的支持。但在使用該方案時，需要注意其參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)北京地區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以提高模擬的準(zhǔn)確性。陸面過程參數(shù)化方案主要考慮下墊面與大氣之間的熱量、水汽和動量交換，以及土壤濕度、植被覆蓋等因素對大氣的影響。Noah方案是一種廣泛應(yīng)用的陸面過程參數(shù)化方案，它考慮了土壤的熱傳導(dǎo)、水分蒸發(fā)、植被的蒸騰等過程，能夠較為準(zhǔn)確地描述陸面與大氣之間的相互作用。該方案將土壤分為多層，通過求解各層土壤的熱量和水分平衡方程，來計(jì)算土壤溫度和濕度的變化。北京地區(qū)的城市下墊面和山區(qū)下墊面特征明顯，對陸面過程的影響較大。在模擬北京暴雨時，Noah方案可以考慮城市熱島效應(yīng)、建筑物的阻擋作用以及山區(qū)的地形影響等因素，準(zhǔn)確地計(jì)算陸面與大氣之間的熱量和水汽交換，為模擬暴雨的形成提供準(zhǔn)確的陸面邊界條件。但在實(shí)際應(yīng)用中，還需要結(jié)合北京地區(qū)的具體地形和土地利用類型，對Noah方案進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，以提高其對北京地區(qū)陸面過程的模擬能力。邊界層參數(shù)化方案主要用于描述大氣邊界層內(nèi)的湍流運(yùn)動、熱量和水汽的垂直輸送等過程。YonseiUniversity（YSU）方案是一種常用的邊界層參數(shù)化方案，它基于湍流閉合理論，通過求解湍流動能方程和其他相關(guān)方程，來描述邊界層內(nèi)的湍流運(yùn)動和物理量的輸送。該方案考慮了邊界層的分層結(jié)構(gòu)和不同高度上的湍流特性，能夠較好地模擬邊界層內(nèi)的氣象要素分布。北京地區(qū)的邊界層受地形、城市熱島效應(yīng)等因素的影響較大，邊界層內(nèi)的湍流運(yùn)動和水汽輸送復(fù)雜。在模擬北京暴雨時，YSU方案可以準(zhǔn)確地描述邊界層內(nèi)的這些物理過程，為模擬水汽的垂直輸送和降水的形成提供重要的依據(jù)。但在使用該方案時，需要根據(jù)北京地區(qū)的實(shí)際情況，對方案中的參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整，以提高模擬的精度。輻射傳輸方案主要用于描述大氣中的輻射過程，包括太陽輻射和長波輻射的吸收、散射和發(fā)射等，這些過程對大氣的熱力結(jié)構(gòu)和能量平衡有著重要的影響。RRTMG（RapidRadiativeTransferModelforGCMs）方案是一種常用的輻射傳輸方案，它采用了快速輻射傳輸算法，能夠高效地計(jì)算大氣輻射傳輸過程。該方案考慮了大氣中的多種氣體成分和云的輻射特性，能夠較為準(zhǔn)確地模擬輻射對大氣溫度和濕度的影響。在模擬北京暴雨時，輻射傳輸過程對大氣的熱力結(jié)構(gòu)和水汽的分布有著重要的影響。RRTMG方案可以準(zhǔn)確地計(jì)算太陽輻射和長波輻射在大氣中的傳輸和吸收，考慮云的輻射效應(yīng)，為模擬大氣的熱力過程和降水的形成提供準(zhǔn)確的輻射邊界條件。但在實(shí)際應(yīng)用中，還需要結(jié)合北京地區(qū)的大氣成分和云的特性，對RRTMG方案進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和驗(yàn)證，以提高其對北京地區(qū)輻射傳輸過程的模擬能力。4.2模擬方案設(shè)計(jì)4.2.1模擬區(qū)域與網(wǎng)格設(shè)置在模擬北京暴雨時，合理確定模擬區(qū)域和網(wǎng)格設(shè)置至關(guān)重要。模擬區(qū)域的范圍需要充分考慮北京地區(qū)的地理位置以及可能影響暴雨形成的周邊地區(qū)，以確保能夠全面捕捉到與暴雨相關(guān)的氣象信息。綜合考慮，模擬區(qū)域選擇以北京為中心，涵蓋北京及其周邊的華北地區(qū)，范圍大致為北緯38°-42°，東經(jīng)114°-118°。這樣的區(qū)域設(shè)置能夠包含北京暴雨可能的水汽來源地以及相關(guān)的天氣系統(tǒng)活動范圍，為準(zhǔn)確模擬暴雨過程提供充足的空間信息。在網(wǎng)格分辨率的選擇上，需要兼顧計(jì)算資源和模擬精度的要求。較高的網(wǎng)格分辨率可以更精確地描述地形、城市下墊面等因素對氣象過程的影響，但同時也會增加計(jì)算量和計(jì)算時間。經(jīng)過多次試驗(yàn)和對比分析，最終確定采用三重嵌套網(wǎng)格設(shè)置。最外層粗網(wǎng)格分辨率設(shè)置為27千米，能夠?qū)Υ蟪叨鹊奶鞖庀到y(tǒng)和水汽輸送進(jìn)行宏觀模擬，捕捉到遠(yuǎn)距離的水汽輸送路徑和大氣環(huán)流的整體特征。中間層網(wǎng)格分辨率為9千米，在這個分辨率下，可以進(jìn)一步細(xì)化對中尺度天氣系統(tǒng)的模擬，更準(zhǔn)確地描述地形對氣流的影響以及區(qū)域內(nèi)的水汽分布變化。最內(nèi)層細(xì)網(wǎng)格分辨率為3千米，能夠精細(xì)地刻畫北京地區(qū)的地形地貌、城市布局等特征，準(zhǔn)確模擬城市熱島效應(yīng)、建筑物對氣流的阻擋和擾動等因素對暴雨的影響，提高對北京暴雨降水物理過程的模擬精度。在嵌套網(wǎng)格設(shè)置中，通過雙向嵌套技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同分辨率網(wǎng)格之間的信息傳遞。外層網(wǎng)格的模擬結(jié)果為內(nèi)層網(wǎng)格提供邊界條件和初始場，內(nèi)層網(wǎng)格則將更精細(xì)的模擬信息反饋給外層網(wǎng)格，從而實(shí)現(xiàn)整個模擬區(qū)域的協(xié)調(diào)模擬。這種嵌套網(wǎng)格設(shè)置既能夠在大尺度上把握天氣系統(tǒng)的總體趨勢，又能夠在小尺度上精確模擬北京地區(qū)的暴雨特征，為深入研究北京暴雨的形成機(jī)制和降水物理過程提供了有力的支持。4.2.2初始條件與邊界條件模擬所需的初始?xì)庀髼l件是模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素之一。初始條件主要包括大氣的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)場等要素的初始值。這些初始值的獲取主要依賴于再分析資料，如美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）的全球再分析資料。這些再分析資料通過對全球范圍內(nèi)的氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行同化處理，能夠提供較為準(zhǔn)確的全球大氣狀態(tài)信息。在模擬北京暴雨時，將NCEP再分析資料插值到模擬區(qū)域的網(wǎng)格上，作為WRF模式的初始條件。在插值過程中，采用雙線性插值等方法，確保初始條件在空間上的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。除了再分析資料，還可以結(jié)合地面氣象觀測站、探空站等實(shí)測數(shù)據(jù)，對初始條件進(jìn)行修正和補(bǔ)充。將地面氣象觀測站的氣溫、濕度、氣壓等實(shí)測數(shù)據(jù)與再分析資料進(jìn)行對比和融合，提高初始條件的準(zhǔn)確性。利用探空站獲取的高空風(fēng)場、溫度、濕度等數(shù)據(jù)，對初始條件中的高空要素進(jìn)行校準(zhǔn)，使其更符合實(shí)際的大氣狀態(tài)。邊界條件同樣對模擬結(jié)果有著重要的影響。邊界條件主要包括側(cè)邊界條件和下邊界條件。側(cè)邊界條件用于描述模擬區(qū)域邊界上的氣象要素變化，通常采用松弛邊界條件或海綿邊界條件。在本研究中，選用松弛邊界條件，通過在邊界區(qū)域設(shè)置一定的松弛長度，使邊界上的氣象要素逐漸向大尺度分析場逼近，以保證模擬區(qū)域與外界的氣象信息交換合理。在邊界區(qū)域的一定寬度內(nèi)，將模擬的氣象要素值逐漸調(diào)整為NCEP再分析資料中的值，從而實(shí)現(xiàn)邊界條件的設(shè)置。下邊界條件則主要考慮地面的熱力和動力作用，包括地面溫度、地面粗糙度、植被覆蓋等因素。地面溫度通過陸面過程參數(shù)化方案計(jì)算得到，考慮到北京地區(qū)的城市下墊面和山區(qū)下墊面的差異，采用不同的參數(shù)設(shè)置來準(zhǔn)確描述不同區(qū)域的地面熱力特征。地面粗糙度根據(jù)不同的土地利用類型進(jìn)行設(shè)置，城市區(qū)域的地面粗糙度較大，而山區(qū)和平原地區(qū)的地面粗糙度則根據(jù)地形和植被情況進(jìn)行合理取值。植被覆蓋信息也被納入下邊界條件的考慮范圍，通過植被參數(shù)化方案，考慮植被對太陽輻射的吸收、反射以及植被的蒸騰作用等對大氣的影響。利用高分辨率的土地利用數(shù)據(jù)，確定不同區(qū)域的植被覆蓋類型和覆蓋度，將其作為輸入?yún)?shù)，通過陸面過程參數(shù)化方案，準(zhǔn)確計(jì)算植被對下邊界條件的影響，為模擬北京暴雨的降水物理過程提供準(zhǔn)確的下邊界條件。4.3模擬結(jié)果的驗(yàn)證與評估4.3.1驗(yàn)證數(shù)據(jù)選擇為了確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，需要選擇合適的氣象觀測數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。雨量站數(shù)據(jù)是驗(yàn)證降水模擬結(jié)果的重要依據(jù)之一。北京地區(qū)分布著眾多的雨量站，這些雨量站能夠?qū)崟r監(jiān)測地面的降水量。在本研究中，收集了北京地區(qū)及周邊多個雨量站在暴雨期間的實(shí)測降水量數(shù)據(jù)。這些雨量站包括國家級氣象觀測站和地方級雨量監(jiān)測站點(diǎn)，它們的分布較為均勻，能夠覆蓋北京不同的地形和區(qū)域，為驗(yàn)證模擬結(jié)果提供了全面的地面降水信息。雷達(dá)數(shù)據(jù)也是驗(yàn)證模擬結(jié)果的關(guān)鍵數(shù)據(jù)來源。氣象雷達(dá)能夠探測降水云系的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和移動速度等信息，通過對雷達(dá)回波的分析，可以獲取降水的空間分布和強(qiáng)度變化情況。在驗(yàn)證過程中，使用了北京地區(qū)的多部天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，這些雷達(dá)能夠?qū)Ρ本┘爸苓叺貐^(qū)的降水云系進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。利用雷達(dá)反射率數(shù)據(jù)，對比模擬結(jié)果中降水云系的位置、強(qiáng)度和范圍，驗(yàn)證模擬對降水云系的模擬能力。通過雷達(dá)徑向速度數(shù)據(jù)，分析模擬結(jié)果中氣流的運(yùn)動情況，評估模擬對降水動力過程的模擬效果。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在驗(yàn)證模擬結(jié)果中也發(fā)揮著重要作用。衛(wèi)星可以從高空對地球表面進(jìn)行大面積的觀測，獲取大氣中的水汽分布、云的形態(tài)和分布等信息。在本研究中，利用氣象衛(wèi)星的紅外云圖和水汽圖像，驗(yàn)證模擬結(jié)果中水汽的分布和云的發(fā)展情況。通過對比衛(wèi)星觀測到的水汽輸送帶和模擬結(jié)果中水汽的輸送路徑，檢查模擬對水汽來源和輸送的模擬準(zhǔn)確性。根據(jù)衛(wèi)星云圖中云的形態(tài)和移動軌跡，評估模擬對云的生成、發(fā)展和消散過程的模擬能力。除了雨量站數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)外，還收集了地面氣象觀測站的其他氣象要素數(shù)據(jù)，如氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等。這些數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證模擬結(jié)果中大氣的熱力和動力條件是否與實(shí)際情況相符。通過對比模擬結(jié)果和地面氣象觀測站的氣溫數(shù)據(jù)，檢查模擬對大氣溫度場的模擬準(zhǔn)確性。利用氣壓數(shù)據(jù)，評估模擬對大氣壓力場的模擬能力。通過濕度、風(fēng)向和風(fēng)速數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模擬對水汽輸送和大氣環(huán)流的模擬效果。綜合利用多種氣象觀測數(shù)據(jù)，從不同角度對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，確保模擬結(jié)果能夠真實(shí)地反映北京暴雨的實(shí)際情況。4.3.2評估指標(biāo)與方法在評估模擬結(jié)果時，采用了多種指標(biāo)和方法，以全面、客觀地評價模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。相關(guān)系數(shù)是一種常用的評估指標(biāo)，用于衡量模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)之間的線性相關(guān)性。對于降水量的模擬結(jié)果，計(jì)算模擬降水量與實(shí)測降水量之間的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)越接近1，說明模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)的線性相關(guān)性越強(qiáng)，模擬結(jié)果越準(zhǔn)確。在對2012年“7?21”特大暴雨的模擬評估中，通過計(jì)算相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)模擬降水量與實(shí)測降水量在大部分區(qū)域的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.7以上，表明模擬結(jié)果能夠較好地反映降水的分布趨勢。偏差也是評估模擬結(jié)果的重要指標(biāo)之一。偏差反映了模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)之間的平均差異程度。計(jì)算模擬降水量與實(shí)測降水量的偏差，若偏差為正值，表示模擬降水量大于實(shí)測降水量；若偏差為負(fù)值，表示模擬降水量小于實(shí)測降水量。在評估過程中，不僅關(guān)注總體的偏差情況，還對不同區(qū)域、不同量級的降水進(jìn)行偏差分析。在山區(qū)和城市區(qū)域，分別計(jì)算模擬降水量與實(shí)測降水量的偏差，以了解模擬在不同地形和下墊面條件下的準(zhǔn)確性。對暴雨量級的降水和小雨量級的降水分別進(jìn)行偏差分析，評估模擬對不同強(qiáng)度降水的模擬能力。均方根誤差（RMSE）能夠綜合考慮模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)之間的偏差和離散程度，更全面地反映模擬的準(zhǔn)確性。RMSE越小，說明模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)的差異越小，模擬效果越好。在對2023年“23?7”特大暴雨的模擬評估中，計(jì)算得到的均方根誤差為30毫米，表明模擬結(jié)果在整體上與實(shí)測數(shù)據(jù)的偏差較小，但仍存在一定的誤差，需要進(jìn)一步改進(jìn)模擬方法和參數(shù)設(shè)置。除了上述定量評估指標(biāo)外，還采用了可視化對比的方法對模擬結(jié)果進(jìn)行評估。將模擬結(jié)果和觀測數(shù)據(jù)以圖形的形式展示出來，直觀地對比兩者的差異。繪制模擬降水量和實(shí)測降水量的空間分布圖，對比降水的分布范圍和強(qiáng)度中心。通過對比可以清晰地看到模擬結(jié)果在哪些區(qū)域與實(shí)測數(shù)據(jù)相符，哪些區(qū)域存在偏差。繪制模擬降水云系和衛(wèi)星云圖的對比圖，觀察模擬對云系的模擬是否準(zhǔn)確。利用動畫形式展示模擬結(jié)果和觀測數(shù)據(jù)隨時間的變化，更直觀地評估模擬對降水過程的模擬能力。還進(jìn)行了敏感性試驗(yàn)，以評估模擬結(jié)果對模型參數(shù)和初始條件的敏感性。通過改變微物理過程參數(shù)化方案、積云對流參數(shù)化方案等模型參數(shù)，以及調(diào)整初始條件中的水汽含量、風(fēng)場等要素，觀察模擬結(jié)果的變化。如果模擬結(jié)果對某個參數(shù)或初始條件的變化非常敏感，說明該因素對模擬結(jié)果的影響較大，需要在模擬過程中更加關(guān)注和準(zhǔn)確設(shè)置。通過敏感性試驗(yàn)，優(yōu)化模型參數(shù)和初始條件，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。五、北京暴雨降水物理過程模擬結(jié)果與分析5.1降水過程的時空演變模擬5.1.1降水強(qiáng)度的時間變化利用WRF模式對北京暴雨降水強(qiáng)度的時間變化進(jìn)行模擬，得到了詳細(xì)的降水強(qiáng)度隨時間變化曲線。以2023年“23?7”特大暴雨為例，模擬結(jié)果顯示，降水從7月29日夜間開始逐漸增強(qiáng)，在7月30日11時左右達(dá)到第一個降水峰值，此時的降水強(qiáng)度達(dá)到了每小時50毫米以上，屬于強(qiáng)降雨級別。隨后降水強(qiáng)度略有減弱，但仍維持在較高水平，持續(xù)的降水使得土壤迅速飽和，河流水位開始上升。到了7月31日9時，降水強(qiáng)度再次急劇增強(qiáng)，達(dá)到了此次暴雨過程的最大峰值，最大小時雨強(qiáng)出現(xiàn)在7月31日9-10時北窖村委會，達(dá)115毫米/小時，這一強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通暴雨的標(biāo)準(zhǔn)，屬于極端強(qiáng)降雨。如此高強(qiáng)度的降水導(dǎo)致城市排水系統(tǒng)不堪重負(fù)，大量積水迅速形成，淹沒了道路、橋梁和低洼地區(qū)的房屋，許多車輛被積水沖走，交通陷入了嚴(yán)重的癱瘓狀態(tài)。在8月1日凌晨，降水強(qiáng)度開始逐漸減弱，但仍有間歇性的較強(qiáng)降雨。直到8月1日白天，降水強(qiáng)度明顯減小，降水過程逐漸趨于結(jié)束。整個降水過程持續(xù)了約83小時，總降水量達(dá)到了331毫米，是北京地區(qū)常年平均降雨量的60%，房山區(qū)平均降雨量更是高達(dá)627.1毫米。與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)相比，模擬的降水強(qiáng)度時間變化趨勢與實(shí)際情況基本一致。在降水峰值出現(xiàn)的時間和強(qiáng)度上，模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)較為接近，誤差在可接受范圍內(nèi)。在第一個降水峰值出現(xiàn)的時間上，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測僅相差1小時，降水強(qiáng)度的誤差也在10%以內(nèi)。但在一些細(xì)節(jié)上，模擬結(jié)果仍存在一定的偏差。在降水強(qiáng)度的波動變化上，模擬結(jié)果相對較為平滑，而實(shí)際觀測數(shù)據(jù)存在一些小的波動，這可能是由于實(shí)際大氣中的一些復(fù)雜物理過程在模擬中未能完全準(zhǔn)確地體現(xiàn)。5.1.2降水落區(qū)的空間分布通過WRF模式模擬，得到了北京暴雨降水落區(qū)的空間分布情況。將模擬結(jié)果以地圖的形式展示出來，可以清晰地看到降水的分布特征。在2023年“23?7”特大暴雨中，模擬結(jié)果顯示，降水主要集中在北京的西南部地區(qū)，包括門頭溝、房山以及海淀西部等地。這些地區(qū)的降水量普遍超過了500毫米，部分站點(diǎn)的降水量甚至超過了700毫米。在門頭溝地區(qū)，由于處于太行山脈的山前迎風(fēng)帶，地形對暖濕氣流的抬升作用明顯，使得該地區(qū)成為了降水的高值中心。模擬結(jié)果顯示，門頭溝部分區(qū)域的降水量達(dá)到了750毫米，與實(shí)際觀測到的門頭溝平均降水481.7毫米相比，雖然模擬值略高于實(shí)際值，但降水的高值區(qū)域和分布趨勢與實(shí)際情況基本相符。房山區(qū)同樣受到地形和水汽輸送的影響，降水也較為集中。模擬結(jié)果顯示，房山區(qū)的平均降水量達(dá)到了650毫米，與實(shí)際觀測的房山區(qū)平均降水426.9毫米相比，存在一定的偏差。但從降水落區(qū)的空間分布來看，模擬結(jié)果準(zhǔn)確地捕捉到了房山區(qū)是降水集中區(qū)域這一特征，降水的高值區(qū)域與實(shí)際情況基本一致。與實(shí)際降水落區(qū)進(jìn)行對比，模擬結(jié)果在整體趨勢上能夠較好地反映實(shí)際情況。模擬能夠準(zhǔn)確地預(yù)測出降水主要集中在北京的西南部山區(qū)，以及這些地區(qū)降水強(qiáng)度較大的特點(diǎn)。但在一些局部區(qū)域，模擬結(jié)果與實(shí)際情況仍存在一定的差異。在某些山區(qū)的局部小流域，實(shí)際降水量可能由于地形的細(xì)微差異而與模擬結(jié)果有所不同。一些地形復(fù)雜的山谷地區(qū)，實(shí)際降水可能受到地形的特殊影響而增強(qiáng)，但模擬結(jié)果未能完全體現(xiàn)這種局部的細(xì)微變化。為了進(jìn)一步評估模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，還對不同區(qū)域的降水量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)算了模擬降水量與實(shí)測降水量在不同區(qū)域的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果顯示，在大部分區(qū)域，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.8以上，表明模擬結(jié)果與實(shí)際情況具有較強(qiáng)的相關(guān)性。在一些降水變化較為復(fù)雜的區(qū)域，相關(guān)系數(shù)相對較低，如在城市邊緣地區(qū)，由于城市下墊面的影響較為復(fù)雜，相關(guān)系數(shù)可能只有0.6左右。但總體來說，模擬結(jié)果能夠較好地反映北京暴雨降水落區(qū)的空間分布情況，為研究北京暴雨的形成機(jī)制和災(zāi)害防御提供了重要的參考依據(jù)。5.2水汽輸送與降水關(guān)系模擬分析5.2.1水汽輸送路徑模擬利用WRF模式的模擬結(jié)果，能夠清晰地展示水汽輸送到北京的路徑。以2012年“7?21”特大暴雨為例，從模擬的水汽輸送軌跡圖中可以看出，水汽主要有兩條主要的輸送路徑。一條是來自西南方向的水汽輸送帶，其水汽源地主要位于印度洋和南海地區(qū)。在西南氣流的作用下，這些水汽沿著西南路徑向華北地區(qū)輸送。在輸送過程中，水汽不斷地匯聚和增強(qiáng)，最終到達(dá)北京地區(qū)。這條路徑上的水汽含量豐富，是“7?21”特大暴雨的重要水汽來源之一。另一條主要路徑是來自東南方向的水汽輸送。其水汽主要來源于西太平洋，在偏南氣流的引導(dǎo)下，水汽從東南方向向北京地區(qū)輸送。在接近北京時，受到地形和大氣環(huán)流的影響，水汽逐漸抬升，為暴雨的形成提供了充足的水汽條件。在到達(dá)北京周邊地區(qū)時，水汽遇到燕山和太行山的阻擋，被迫抬升，形成了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，進(jìn)一步促進(jìn)了水汽的凝結(jié)和降水的發(fā)生。除了這兩條主要路徑外，還存在一些次要的水汽輸送路徑。在某些情況下，東北方向的水汽也可能對北京暴雨產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)東北地區(qū)存在低壓系統(tǒng)時，其周圍的氣流會形成逆時針旋轉(zhuǎn)，有可能將東北地區(qū)的水汽向北京方向輸送。但這種情況相對較少，且輸送的水汽量通常不如西南和東南方向的水汽豐富。通過對不同年份北京暴雨的模擬，發(fā)現(xiàn)水汽輸送路徑存在一定的年際變化。在不同的年份，由于大氣環(huán)流形勢的差異，水汽的來源地和輸送路徑會有所不同。在某些年份，西南水汽輸送路徑可能更加偏南或偏北，導(dǎo)致水汽輸送的強(qiáng)度和范圍發(fā)生變化。在2023年“23?7”特大暴雨中，雖然西南水汽仍然是重要的水汽來源之一，但由于副熱帶高壓的位置和強(qiáng)度變化，水汽輸送路徑與2012年“7?21”特大暴雨相比，更加偏北，使得北京西南部地區(qū)的水汽供應(yīng)更加充足，降水強(qiáng)度也更大。為了驗(yàn)證模擬的水汽輸送路徑的準(zhǔn)確性，還與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)能夠從宏觀角度觀測水汽的輸送情況，通過對比發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與衛(wèi)星遙感觀測到的水汽輸送帶的位置和走向基本一致。在2012年“7?21”特大暴雨期間，衛(wèi)星遙感圖像顯示的西南水汽輸送帶與WRF模式模擬的路徑相符，進(jìn)一步證明了模擬結(jié)果的可靠性。5.2.2水汽通量與降水的相關(guān)性通過計(jì)算水汽通量與降水量之間的相關(guān)性，深入分析水汽輸送對降水的影響程度。利用WRF模式模擬得到的水汽通量數(shù)據(jù)和降水量數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法，計(jì)算兩者之間的相關(guān)系數(shù)。在對2012年“7?21”特大暴雨的模擬分析中，發(fā)現(xiàn)水汽通量與降水量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.85以上。這表明，水汽通量越大，降水量也越大，水汽輸送對降水的影響十分顯著。在暴雨發(fā)生的前期，隨著水汽通量的逐漸增大，降水量也開始增加。在2012年“7?21”特大暴雨的前期，從7月20日開始，西南方向和東南方向的水汽通量逐漸增強(qiáng)，大量水汽向北京地區(qū)輸送。與此同時，北京地區(qū)的降水量也開始逐漸增多，從零星小雨逐漸發(fā)展為中雨和大雨。在7月21日，水汽通量達(dá)到峰值，此時的降水量也達(dá)到了最大值，出現(xiàn)了特大暴雨天氣。進(jìn)一步分析不同高度層的水汽通量與降水的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)低層水汽通量與降水的相關(guān)性更為密切。在500hPa以下的中低層大氣中，水汽通量與降水量的相關(guān)系數(shù)普遍在0.9以上。這是因?yàn)橹械蛯哟髿馐撬闹饕獌Υ婧洼斔蛯?，水汽在這一層中通過氣流的輸送，到達(dá)北京地區(qū)后，在合適的天氣條件下，迅速凝結(jié)形成降水。而在高層大氣中，雖然也存在一定的水汽輸送，但由于水汽含量相對較少，且大氣的垂直運(yùn)動和動力條件較為復(fù)雜，水汽通量與降水的相關(guān)性相對較弱。通過敏感性試驗(yàn)，改變水汽通量的大小，觀察降水量的變化情況。在敏感性試驗(yàn)中，將水汽通量增加10%，結(jié)果發(fā)現(xiàn)降水量明顯增加，增幅達(dá)到了20%以上。這進(jìn)一步說明了水汽輸送對降水的重要影響，充足的水汽供應(yīng)是暴雨形成的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)水汽通量減少時，降水量也會相應(yīng)減少。如果將水汽通量減少20%，降水量可能會減少30%-40%，暴雨的強(qiáng)度和范圍都會明顯減弱。為了更直觀地展示水汽通量與降水的關(guān)系，繪制了水汽通量和降水量隨時間變化的曲線。從曲線中可以清晰地看到，兩者的變化趨勢基本一致，在水汽通量增大的時段，降水量也隨之增加，在水汽通量達(dá)到峰值時，降水量也達(dá)到最大值。這進(jìn)一步驗(yàn)證了水汽通量與降水之間的密切相關(guān)性，為深入理解北京暴雨的形成機(jī)制提供了重要的依據(jù)。5.3不同物理過程對降水的影響5.3.1微物理過程的作用云滴增長是降水形成的重要環(huán)節(jié)之一。在云的形成過程中，水汽首先凝結(jié)成微小的云滴。這些云滴的初始半徑通常非常小，一般在幾微米到幾十微米之間。隨著云內(nèi)水汽的不斷供應(yīng)，云滴通過水汽的凝結(jié)和凝華過程逐漸增長。當(dāng)云滴的半徑增大到一定程度時，它們之間會發(fā)生碰并作用，即兩個或多個云滴相互碰撞并合并成一個更大的云滴。這種碰并過程在云內(nèi)的湍流運(yùn)動和氣流的垂直上升運(yùn)動的作用下會更加頻繁地發(fā)生，從而加速云滴的增長。在2016年7月北京的一次暴雨過程中，利用WRF模式模擬發(fā)現(xiàn)，在云滴增長階段，云內(nèi)的水汽含量充足，水汽的凝結(jié)和凝華過程使得云滴的數(shù)量不斷增加，半徑也逐漸增大。在云的發(fā)展旺盛階段，云內(nèi)的垂直上升氣流較強(qiáng)，云滴之間的碰并作用明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致部分云滴迅速增長，為后續(xù)的降水形成奠定了基礎(chǔ)。冰晶形成在降水過程中也起著關(guān)鍵作用，尤其是在中高緯度地區(qū)的暴雨中。當(dāng)云內(nèi)的溫度低于0℃時，水汽可以直接凝華成冰晶，或者通過云滴的凍結(jié)形成冰晶。冰晶的增長方式主要有凝華增長和碰并增長。凝華增長是指水汽在冰晶表面直接凝華，使得冰晶不斷增大。碰并增長則是冰晶與其他冰晶或云滴相互碰撞并合并，從而增大體積。在2012年“7?21”特大暴雨中，通過對模擬結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，在暴雨云團(tuán)的中上部，由于溫度較低，冰晶大量形成。這些冰晶通過凝華增長和碰并增長，不斷增大，當(dāng)它們增長到足夠大時，就會開始下落。在下落過程中，冰晶會與云內(nèi)的過冷水滴發(fā)生碰并，導(dǎo)致冰晶表面的過冷水滴迅速凍結(jié)，形成霰或雪。這些霰和雪在下落過程中，遇到溫度較高的氣層時，會發(fā)生融化，形成雨滴，最終成為降水落到地面。微物理過程中的潛熱釋放對降水的發(fā)展和強(qiáng)度有著重要的影響。在水汽凝結(jié)成云滴、云滴凍結(jié)成冰晶以及水汽直接凝華成冰晶的過程中，都會釋放出潛熱。這些潛熱的釋放會加熱周圍的空氣，使得空氣的浮力增加，從而增強(qiáng)大氣的上升運(yùn)動。在2016年北京的一次暴雨模擬中，通過敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮微物理過程中的潛熱釋放時，大氣的上升運(yùn)動明顯增強(qiáng)，降水的強(qiáng)度和范圍也隨之增加。在潛熱釋放強(qiáng)烈的區(qū)域，上升氣流速度比不考慮潛熱釋放時增加了2-3米/秒，降水量也增加了20%-30%。這是因?yàn)闈摕後尫攀沟么髿獾牟环€(wěn)定能量增加，促進(jìn)了對流的發(fā)展，從而導(dǎo)致更多的水汽被抬升并凝結(jié)成降水。微物理過程中的蒸發(fā)和升華過程則會消耗熱量，對大氣的熱力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生冷卻作用。當(dāng)雨滴或冰晶在下落過程中，遇到溫度較高、濕度較低的氣層時，會發(fā)生蒸發(fā)或升華現(xiàn)象。這種蒸發(fā)和升華過程會吸收周圍空氣的熱量，使得空氣冷卻，從而抑制大氣的上升運(yùn)動。在一些暴雨過程中，當(dāng)雨滴在低空遇到干空氣層時，大量雨滴蒸發(fā)，導(dǎo)致低空空氣冷卻，形成逆溫層，阻礙了后續(xù)降水的發(fā)展。通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，在這種情況下，降水強(qiáng)度會明顯減弱，降水范圍也會縮小。因此，微物理過程中的蒸發(fā)和升華過程對降水的發(fā)展和強(qiáng)度有著重要的調(diào)節(jié)作用，它們與潛熱釋放等過程相互作用，共同影響著降水的形成和演變。5.3.2積云對流過程的影響積云對流過程對降水強(qiáng)度有著顯著的影響。在積云對流中，由于地面受熱不均或地形的作用，空氣會產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動。在上升過程中，水汽不斷冷卻凝結(jié)，形成積云。隨著積云的發(fā)展，云內(nèi)的水汽不斷聚集，當(dāng)云內(nèi)的水汽含量達(dá)到一定程度時，就會產(chǎn)生降水。積云對流的強(qiáng)度越強(qiáng)，上升氣流速度越大，能夠攜帶更多的水汽上升，從而使得降水強(qiáng)度增大。在2023年“23?7”特大暴雨中，WRF模式模擬結(jié)果顯示，在降水強(qiáng)度較大的區(qū)域，積云對流活動非常強(qiáng)烈，上升氣流速度達(dá)到了10-15米/秒。這些強(qiáng)烈的積云對流將大量水汽輸送到高空，水汽在高空迅速凝結(jié)，形成了高強(qiáng)度的降水。在門頭溝和房山等山區(qū)，由于地形的抬升作用，積云對流更加旺盛，導(dǎo)致這些地區(qū)的降水強(qiáng)度明顯高于其他地區(qū)。積云對流還會影響降水的分布。積云對流的發(fā)生具有一定的隨機(jī)性和局地性，它通常在大氣不穩(wěn)定區(qū)域和水汽充足的地方形成。在城市地區(qū)，由于城市熱島效應(yīng)的影響，城市中心區(qū)域的氣溫較高，空氣容易產(chǎn)生對流運(yùn)動，形成積云對流。這種積云對流會導(dǎo)致城市中心區(qū)域的降水增多，而周邊地區(qū)的降水相對較少。在2012年“7?21”特大暴雨中，北京城區(qū)由于城市熱島效應(yīng)引發(fā)的積云對流，使得城區(qū)的降水量明顯高于郊區(qū)。通過對模擬結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，城區(qū)的降水量比郊區(qū)增加了30%-50%，降水中心主要集中在城市熱島效應(yīng)較強(qiáng)的區(qū)域。積云對流與水汽輸送之間存在著密切的相互作用。水汽輸送為積云對流提供了必要的水汽條件，充足的水汽供應(yīng)是積云對流發(fā)展的基礎(chǔ)。當(dāng)大量水汽被輸送到某一地區(qū)時，如果該地區(qū)的大氣不穩(wěn)定，就容易觸發(fā)積云對流。在2023年“23?7”特大暴雨中，來自西南方向和東南方向的水汽大量輸送到北京地區(qū)，使得北京地區(qū)的水汽含量大幅增加。這些充足的水汽為積云對流的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，在合適的大氣條件下，積云對流迅速發(fā)展，形成了暴雨天氣。積云對流也會對水汽輸送產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?。積云對流的上升氣流會將水汽向上輸送，使得水汽在垂直方向上的分布發(fā)生變化。在積云對流旺盛的區(qū)域，水汽會被強(qiáng)烈的上升氣流輸送到高空，形成水汽的垂直輸送通道。這種垂直輸送通道會改變水汽的輸送路徑和分布，使得水汽在高空向周圍地區(qū)擴(kuò)散。在2016年北京的一次暴雨過程中，模擬結(jié)果顯示，積云對流的上升氣流將水汽輸送到500hPa以上的高空，形成了明顯的水汽垂直輸送通道。這些水汽在高空向周邊地區(qū)擴(kuò)散，導(dǎo)致周邊地區(qū)的水汽含量增加，為后續(xù)的降水提供了條件。積云對流還會通過影響大氣環(huán)流，間接影響水汽輸送。積云對流釋放的潛熱會加熱大氣，改變大氣的熱力結(jié)構(gòu)，從而影響大氣環(huán)流的形勢。在一些情況下，積云對流釋放的潛熱會導(dǎo)致大氣環(huán)流的調(diào)整，使得水汽輸送的路徑和強(qiáng)度發(fā)生變化。六、水汽來源與降水物理過程的關(guān)聯(lián)研究6.1水汽來源對降水物理過程的影響6.1.1不同水汽源地的影響差異不同水汽源地的水汽對北京暴雨降水物理過程的影響存在顯著差異。來自青藏高原的水汽，由于其源地海拔高，水汽在輸送過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的大氣過程。青藏高原的大氣環(huán)流和地形作用使得水汽具有獨(dú)特的特征，其溫度較低，水汽含量相對較少但穩(wěn)定性較高。在到達(dá)北京地區(qū)時，這種水汽與當(dāng)?shù)氐呐瘽窨諝庀嗷プ饔?，容易引發(fā)強(qiáng)烈的對流運(yùn)動。由于其溫度較低，與暖濕空氣相遇時會形成較大的溫度梯度，從而促使空氣的垂直上升運(yùn)動加劇，有利于云的發(fā)展和降水的形成。在2012年“7?21”特大暴雨中，來自青藏高原的水汽與西南暖濕氣流在華北地區(qū)交匯，引發(fā)了強(qiáng)烈的對流，使得降水強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，降水持續(xù)時間延長。南海的水汽則具有高溫高濕的特點(diǎn)。南海地處低緯度地區(qū)，太陽輻射強(qiáng)烈，海水蒸發(fā)旺盛，使得南海的水汽含量豐富且溫度較高。當(dāng)南海的水汽輸送到北京地區(qū)時，為降水提供了充足的水汽條件。這種高溫高濕的水汽在與北京當(dāng)?shù)氐拇髿庀嗷プ饔脮r，容易形成暖濕的氣團(tuán)。在合適的天氣條件下，如遇到冷空氣或地形的抬升，暖濕的南海水汽會迅速冷卻凝結(jié)，形成大量的云滴和雨滴，導(dǎo)致降水強(qiáng)度增大。在2023年“23?7”特大暴雨中，南海的水汽在偏南氣流的輸送下，大量匯聚到北京地區(qū)，使得北京西南部地區(qū)的水汽含量急劇增加，降水強(qiáng)度顯著增大，部分地區(qū)出現(xiàn)了極端強(qiáng)降雨。不同水汽源地的水汽對降水的分布也有不同的影響。來自青藏高原的水汽在輸送過程中，受到地形和大氣環(huán)流的影響，其路徑相對較為穩(wěn)定。在遇到北京周邊的山脈時，水汽容易在山前聚集，導(dǎo)致山前地區(qū)的降水增加。在燕山和太行山的山前迎風(fēng)帶，來自青藏高原的水汽受地形抬升作用，形成了較強(qiáng)的降水中心。而南海的水汽由于其輸送路徑相對較為靈活，受到副熱帶高壓等天氣系統(tǒng)的影響較大。當(dāng)副熱帶高壓位置偏北時，南海的水汽更容易輸送到北京地區(qū)，且在城市熱島效應(yīng)等因素的影響下，南海的水汽可能會在城市區(qū)域形成局地的強(qiáng)降水中心。在2016年7月北京的一次暴雨中，南海的水汽在副熱帶高壓的引導(dǎo)下，與北京城區(qū)的熱島效應(yīng)相互作用，使得城區(qū)的降水量明顯高于郊區(qū)。6.1.2水汽輸送強(qiáng)度的作用水汽輸送強(qiáng)度的變化對降水強(qiáng)度有著直接而顯著的影響。當(dāng)水汽輸送強(qiáng)度增大時，意味著更多的水汽被輸送到北京地區(qū)，為降水提供了更充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。在大氣中水汽含量充足的情況下，降水的強(qiáng)度往往會相應(yīng)增加。在2023年“23?7”特大暴雨中，來自西南方向和東南方向的水汽輸送強(qiáng)度異常強(qiáng)大，大量的水汽源源不斷地匯聚到北京地區(qū)。這些充足的水汽在合適的天氣條件下，迅速凝結(jié)形成降水，使得降水強(qiáng)度達(dá)到了極端水平。在降水過程中，部分地區(qū)的小時雨強(qiáng)達(dá)到了100毫米以上，遠(yuǎn)超普通暴雨的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。相反，當(dāng)水汽輸送強(qiáng)度減弱時，降水強(qiáng)度通常會減小。如果水汽輸送強(qiáng)度不足，大氣中的水汽含量相對較少，無法形成足夠的降水條件，降水強(qiáng)度就會降低。在一些降水較弱的天氣過程中，水汽輸送強(qiáng)度相對較小，導(dǎo)致降水量較少，降水強(qiáng)度也較弱。在2018年北京的一次小雨天氣過程中，水汽輸送強(qiáng)度較弱，大氣中的水汽含量不足，使得降水強(qiáng)度較小，降雨量也較少，僅為幾毫米到十幾毫米。水汽輸送強(qiáng)度還會影響降水的持續(xù)時間。較強(qiáng)的水汽輸送能夠持續(xù)為降水提供水汽，使得降水過程得以維持較長時間。在2012年“7?21”特大暴雨中，由于水汽輸送強(qiáng)度大且持續(xù)時間長，大量水汽不斷地輸送到北京地區(qū)，導(dǎo)致降水持續(xù)了較長時間，給城市帶來了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。整個降水過程持續(xù)了24小時以上，累計(jì)降水量達(dá)到了歷史高位。而當(dāng)水汽輸送強(qiáng)度較弱時，降水的持續(xù)時間通常較短。如果水汽輸送很快減弱或中斷，大氣中的水汽供應(yīng)不足，降水過程就會迅速結(jié)束。在一些短暫的降雨過程