强对流天气一直以来是中尺度气象学领域内的重点研究对象,伴随强对流天气所出现的暴雨、龙卷、大风等对人类的生产生活都造成了严重的危害。因此,通过了解强对流天气的物理机理,掌握其活动规律,对于社会可持续性发展具有科学和现实意义。本文利用高时空分辨率观测资料和数值模拟方法,对发生在2012年7月21日华北／北京地区的强对流天气过程进行了分析研究,通过多种探测资料,重点考察了引发暴雨的中尺度对流系统(MCS)的特征,并利用数值模拟探讨了此次暴雨过程中MCS的发生发展与维持机制。本文首先利用NCEP再分析资料(1°×1°)对此次暴雨进行了背景环流特征分析,结果表明本次暴雨是在典型的夏季华北暴雨背景下产生的。低涡北跳、地面倒槽等都是引发暴雨的直接原因,充沛的水汽输送提供了有利条件。暴雨过程分为两个阶段：以暖湿气流为主导的暖区降水(约21日12时(UTC,以下同)之前)：冷暖空气交汇、锋面过程影响的锋面降水(21日12时之后)阶段。利用高时空分辨率的观测资料对本次暴雨的探测表明：多资料的观测均表明本次暴雨过程存在两个阶段,即暖区降水与锋面降水。测雨雷达观测表明暖区降水对流分布零散,锋面降水具有明显组织化形态,其主要组织类型与PS型MCS类似；径向速度分析表明暖区降水中以偏南气流为主,并无冷空气侵入,低空急流在锋面降水中始终维持在锋前。风廓线雷达的探测结果与测雨雷达径向速度的探测结果一致,锋面来临时风向由南风转为偏西风,同时风廓线观测揭示了暴雨发生之前存在对流层低层风速明显增大的过程。低层扰动的加强、风向之间的切变以及超低空急流均有可能是导致强降水的原因。自动站的观测结果显示暖区降水中地面主要以偏东风为主,暖湿气流使地面一小时变压以负值为主,而锋面降水过程中雨带呈带状分布,一小时正压与降水的落区与走向保持一致。暖区降水维持时间长、累积降雨量大,锋面降水时间相对较短,雨强大。本次暴雨过程中测云雷达只探测了暖区阶段内的降水,其结果表明,暖区降水内对流发展高度较高,回波顶可达15km,回波主体位于5-9km高度上,降水发生之前低层的强回波主要由高度低含水较大的低碎云或者碎雨云组成,降水过程中0℃亮带可以辨别出冰粒子与水滴的分布。由于观测资料的局限性,我们通过中尺度数值模拟进一步探讨此次暴雨过程的MCS发生发展与维持机制问题。动力、热力结构表明：高层辐散,低层辐合的流场结构有利于天气尺度的上升运动,为MCS的发生发展提供了有利条件。北京地区暖区降水与锋面降水两个阶段中动力结构差异明显,锋面降水中动力因子是主导因素。水汽来源分析表明：暴雨区中,不同层次的水汽来源通道不同。水汽通道主要来自孟加拉湾与南海地区,台风韦森特对暴雨后期水汽输送有着巨大的贡献,水汽长时间的输送有利于MCS的维持,同时模拟表明水汽输送主要来自对流层低层。高低空急流的分析表明：高空急流与低空急流的方向相垂直,暴雨区基本形成在高低空急流的交汇点附近,而北京位于高空急流的右后方,低空急流的左前方,其位置正好位于高低空急流的交汇点。跨锋面环流的倾斜上升支与高层流场相连接,高空急流的加强有利于维持高空的对称不稳定,为对流向高空的发展提供了重要条件。通过对干冷空气的分析表明：在降水区上空对流层中上层及两侧均为干区,干区的存在则有利于低层不稳定能量的积累,当对流不稳定能量在一定动力驱使时则有利于降水的发生。降水区上空的1PVU高位涡是由降水潜热释放造成的,而对流层低层高于2PVU的位涡大值区则主要是由于干冷空气与暖湿空气相互作用、非绝热加热以及中尺度低涡发生发展所引起的低空相对涡度急剧增大等作用共同影响的结果：北方冷空气通过跨锋面次级环流进入暴雨区与暖湿空气交汇,加强了温度与湿度梯度,有利于锋生的加强,从而有利于MCS的发展和维持。湿度分析表明干侵入过程中高层超前于低层,从而容易造成对流不稳定的发展,有利于降水增强,降雨区就发生在相对湿度梯度大值区的前沿部分,干侵入对于暴雨的发展与维持有着重要的作用。干侵入是此次MCS发展与维持的重要机理之一。