摘要
北京受暴雨影响严重，在全球变化和持续城镇化的背景下，遭受暴雨灾害袭击可能性不断加大，致灾风险严峻，相关暴雨形成机理研究具有极其重要的理论与现实意义。本论文聚焦北京地区的暴雨，以“特大暴雨过程观测对比→暴雨日水汽来源定量统计→高分辨率数值模拟和降水物理过程诊断→不同强度降水物理过程分析→降水物理过程对云微物理方案敏感性分析”为研究思路和主线，以精细化观测对比、水汽来源轨迹追踪和源区定量贡献分析、高分辨率数值模拟、三维降水诊断方程等为主要研究手段，开展北京暴雨水汽来源统计及降水物理过程模拟研究，主要结论如下: 从短历时降水事件和水汽来源定量分析等多个角度，对北京地区两次特大暴雨过程（2012年“7·21”和2016年“7·20”）开展对比。发现两次特大暴雨过程存在显著不同。尽管两次过程均在中高纬“两脊一槽”环流形势和副高控制下发生，但“7·20”过程中纬度高空槽更强、更深，南压明显，与副高相互作用显著，低空急流更强，而“7·21”过程副高相对偏北、偏西，且南侧有热带气旋活动;“7·21”过程历时更短、雨势更强，其主降水时段对流有效位能显著，暖区对流性强降水主导，而“7·20”过程对流有效位能小，以低涡系统性降水为主;两次过程主降水时段中，不同强度等级的小时雨量站点数占比差异较大，短历时降水事件累积雨量、持续时间、5分钟和小时最大雨量差异明显，其中，“7·20”过程上述统计量明显低于“7·21”过程;“7·21”过程短历时强降水事件站点分布广、占比大，而“7·20”过程短历时弱和中等强度降水事件站点分布更广;两次过程目标气块轨迹有所不同，但在向北京区域行进过程中，均发生不同程度水汽摄取和释放，而不同区域摄取和释放程度不同，中国中东部及沿海地区水汽摄取总量和对北京降水贡献率在两次过程中均相对最大，但“7·21”过程上述区域摄取量和贡献率极为突出，而“7·20”过程中，印度半岛-孟加拉湾-中南半岛、中国南海和西北太平洋及日本海地区亦贡献明显。 借助水汽来源定量分析方法，分析揭示了2009-2013年暖季(5-9月)北京暴雨日的水汽源区、输送路径和源区定量贡献。发现，目标气块初始源地和运动轨迹分布广泛，尽管大量气块来自亚洲西部、我国西北部和青藏高原等地，但多数所处高度相对较高，距离北京相对较远，对北京暴雨贡献有限，而源自其他区域的气块多数所处高度较低，且不少气块源自或途经水面，水汽摄取能力更强;目标气块到达北京前，经历了多次不同程度的水汽摄取和释放，其中，华北和华中及其沿海区域摄取和释放最显著;暴雨日水汽主要来自我国中东部大陆及沿海，其中，华北和华中大陆及沿海地区贡献显著大(65.8％)，而亚洲西部-中国西北部-青藏高原地区(7.34％)和华南大陆及沿海(8.16％)贡献相当;目标气块从华北和华中大陆及沿海地区摄取的水汽总量最大，而在暴雨区释放部分仅占6.9％，但由于摄取总量巨大，对暴雨日贡献远高于其他区域;亚洲西部-中国西北部-青藏高原地区水汽摄取总量排在第二位，但沿途损失占比显著，然而由于摄取总量明显高于华南大陆及沿海，造成其与后者贡献相当;华南大陆及沿海地区水汽摄取总量与俄罗斯南部-贝加尔湖附近地区相当，但由于相对较低的沿途损失率，造成前者水汽贡献明显高于后者。 为了深入认识和揭示北京暴雨过程中的宏微观物理过程以及作用，利用数值模式和三维降水诊断方程对“7·20”过程开展模拟研究，结果表明，“7·20”过程降水强度达峰值前，强盛水汽通量辐合(QWVA)支撑强降水，同时加湿大气，强降水后期，QWVA显著减弱，局地大气中水汽含量明显减少;云水凝物收支由水凝物局地变化和通量辐合/辐散过程主导，降水强度达峰值前，强烈水汽辐合和凝结导致液相水凝物显著增加，伴随区域内已有的液相水凝物的显著辐合，降水云系快速发展，后期，北京区域内强对流性回波消散，动力辐合作用减弱，同时，由于液相水凝物向冰相水凝物持续转化和降水消耗，液相水凝物含量显著减少，降水系统逐步瓦解;伴随主降水时段对流系统发展，上升运动量值和垂直扩展范围增大，于降水峰值时刻达最大，之后逐渐减弱和收缩;且峰值高度由零度层之上逐渐掉落至零度层之下，受其影响，水凝物含量显著变化，但不同水凝物变幅不一，霰和雨滴增幅最显著，其中，雨滴变化与降水强度变化直接相关，而霰粒子可通过降落到零度层下的融化过程与降水联系起来，其他水凝物由于微物理转化和动力辐散等影响，含量变幅弱于上述两者。 借助不同降水强度分档对比分析，发现，“7·20”过程中，5-20和20-50mm两档降水总量占比相当，均大于其他档，20-50和50-mm两档时间变化较明显，对降水总量变化起明显调节作用;最强降水时期，上升速度峰值整体上位于对流层中层，后期，上升运动垂直分布范围收缩，降水强度迅速衰减;降水强度越强，上升运动越强，但不同档上升运动峰高度呈现出随降水强度增强逐步降低的趋势;不同强度降水档的平均格点数和平均降水强度各有特点，并且不同强度档降水方程各项变率差异明显，QWVA在不同档中均相对最大，但5-20mm档的QWVA在所有档中最大，对本档PS的贡献也最突出，20-50mm档的QWVA次之，对本档PS的贡献率却仅约73‰该档中液相水凝物通量辐合贡献不容忽视，有助于降水云系快速发展，50-mm档的QWVA对该档PS的贡献率约60％，液相水凝物辐合贡献率高达约30％，但由于强降水消耗，该档液相水凝物含量仍明显减少，0-5mm档QWVA量值仅次于5-20和20-50mm档，显著的水汽通量辐合支撑该档液相与固相水凝物发展以及降水的同时，还造成大气明显增湿;0-5mm档存在显著的液相水凝物辐散，在不同档上升运动差异化分布驱动下，这些液相水凝物被输送进入强降水区(20-50和50-mm档)，对相应区域降水云系快速建立至关重要。 借助敏感性试验，初步揭示了降水物理过程对云微物理参数化方案的敏感性，发现，尽管不同试验云物理方案不同，造成北京区域内对流系统发展和演变以及平均降水细节特征存在差异，但所有三组试验均较成功地再现了“7·20”特大暴雨与“7·21”特大暴雨相比相对平缓的特点、不同降水强度档之间上升运动的差异化特征，以及对流层低层水汽垂直分布与时间演变特征;三维降水诊断方程分析指出，三组试验均能较好地再现与强降水相关的水汽和水凝物动力辐合/辐散、局地大气水汽变化等主要降水物理过程的整体特征，但不同试验之间物理过程存在细节差异;三组试验之间，水凝物时间-高度分布特征差异最为显著，其中，液相水凝物的试验间差异相对较小，而固相水凝物试验间差异极为显著，这可能与不同云物理方案中微物理转化过程的差异有关。
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