从观测分析、数值模拟研究、降水预报应用等三个方面探讨了大气水汽扰动特征及其与暴雨的关系。利用每小时地基GPS总水汽资料和地面自动气象站观测数据,采用多尺度小波分析方法,分析了大气水汽在时间域和频率域上的扰动特征,揭示了大气水汽在暴雨过程中的时间变化和关键频谱特征。利用地基GPS总水汽资料同化模式初始场,对2012年7月21日暴雨过程进行高分辨率的数值模拟。利用模拟输出资料,在空间域上进一步研究了大气水汽与暴雨的关系,揭示了暴雨过程中水汽和动、热力场的关键水平尺度的扰动特征,提出位势切变形变波作用密度的概念,最后结合关键水平尺度扰动和波作用密度进行暴雨预报的应用试验。本论文研究工作获得以下四方面主要成果：(1)在2004年7月10日暴雨过程中,地基GPS测站天顶总水汽的时间变化与暴雨系统的发生发展关系密切,随着降水量增加或减小,总水汽含量不断地波动,表现出较强的扰动特征。在降水发生前,总水汽激增达到极大值；降水结束时,耗尽大部分水汽,总水汽降到极小值。水汽总量达到50毫米阀值,并伴有水汽总量的急增,那么未来1-3小时内有阶段性降水；在水汽供应显著减少,水汽总量急降到50毫米阀值以后,阶段性降水结束。在2006年8月1日北京地区一次飑线过程中,当飑线过境时,地基GPS斜路径总水汽与天顶总水汽两种总水汽都经历了急增和快速衰减的过程,呈现强烈扰动,并且不同方向上的斜路径总水汽在时间和空间上的分布具有显著的差异。54511测站的斜路径总水汽达到极大值,与天顶总水汽差异最大可以达到天顶总水汽的20%；如果地基GPS斜路径与天顶总水汽的差异在-2毫米-2毫米之间变化,则表明该斜路径没有穿过飑线系统,而是位于飑线系统的外部,也就是飑线还没有过境此条斜路径所指向的位置。如果斜路径穿过飑线上空,由于斜路径比较长,大于天顶路径,所以斜路径总水汽的数值相对较大。斜路径总水汽不仅能够捕捉到飑线过程中大气湿度的时间变化特征,而且还能比较细致地揭示出了大气湿度的空间变化,可以推测天气系统的移动。(2)2012年7-8月,地基GPS总水汽的时间多尺度变化特征显著,时间多尺度变化周期大于13小时,其中周期为83小时的扰动振幅最强。在2012年7月21日暴雨过程中,自动站每小时降水量与地面比湿及地基GPS天顶总水汽均具有显著的相关性,GPS总水汽扰动主要发生在较大的时间尺度上,GPS总水汽变化具有较大时间周期。自动站比湿的多时间尺度扰动可以分成两部分,较强的长周期扰动和较弱的短周期扰动,并以长时间周期扰动为主。本次过程中气压、纬向风和经向风与位温的位相差都接近±2/π,说明四个基本气象要素同时满足重力波的极化关系,本次过程中存在重力波活动,并具有长周期的特征。(3)通过初始场同化GPS总水汽资料,可以明显地提高2012年7月21日暴雨过程降水模拟效果。在高低空环流场、动力和热力场的有利的配合下,副高脊线北抬并稳定维持,阻挡了贝加尔低槽的西移,使得高空槽系统在华北地区滞留了较长时间,造成12721暴雨的发生。本次暴雨过程分为暖区降水、过渡性降水、冷锋降水三个阶段。暖区降水阶段对流层低层存在两个水汽比湿高值区,一个位于河北省西部地区,与低压西南侧的偏南风低空急流密切相关,主要是由偏南低空急流输送孟加拉湾水汽造成的。另一个高湿区出现在渤海湾地区,主要与台风韦森特和副热带高压之间形成的强劲东南风输送南海水汽有关。水汽通量辐合主要发生1公里以下高度的近地面层,其上部为水汽辐散区。对流中低层气流以偏南风为主,在高地形迎风坡爬升,携带的水汽在爬升过程中温度和气压降低,凝结等云微物理过程更容易发生,这也是高地形的一个重要作用。另一方面,在高地形边缘(经向500公里处),雨水蒸发冷却,下沉冷空气冲击地面产生冷池,冷空气向外辐散,形成冷池前沿阵风锋,抬升南侧暖湿气流,出现水汽高值中心。暖区降水与冷锋降水的过渡阶段,锋后西北冷空气越过高地形,激发出一系列的中尺度波动,这种波动引起山西中西部,河北中部和北京中北部的近地面层出现多条水汽辐合辐散区带。在云凝结物混合比高值区,低层为强烈的向下水汽垂直通量和中低层为向上的水汽垂直通量。冷锋降水阶段,锋面后部水汽含量明显减小。在锋面低涡的影响下,偏南水汽通量与东北水汽通量辐合在北京和河北省的东北部,使得较强的雷达回波出现在河北省东部和天津东南部。地形在本次暴雨过程中也发挥重要的动力抬升辐合作用,北京地区的马蹄状地形一方面动力抬升暖湿气流,增强上升运动,另一方面阻挡低空急流,使暖湿气流在迎风坡辐合,积聚更多的水汽,促进暴雨增幅。引入相对湿度函数来描述对流云系相对湿度的强度,并利用其水平梯度来代表水汽集中的程度。相对湿度幂函数在降水区呈现高值,在远离降水的区域数值比较小。相对湿度幂函数水平梯度的水平平流是影响其局地变化的主要强迫项,也是影响水汽集中的关键物理过程。(4)对于水汽收支来讲,第6动力尺度和第3水汽扰动尺度是影响水汽变化的关键水平尺度。对于位温扰动平流来说,位温扰动的关键水平尺度是第3尺度,水平风场扰动的关键水平尺度是第6尺度。这种关键水平尺度的水汽和位温扰动平流主要发生在对流层中低层,与锋面和低涡等天气影响系统的发展移动有密切联系。把水汽和位温的第3水平尺度分量作为扰动场,其它水汽尺度分量之和作为水汽和位温的基本态,把水平风的第6水平尺度分量作为动力扰动场,其它水平尺度分量之和作为动力基本态。利用分解得到的基本态和扰动态计算位势切变形变波作用密度,结果表明,第6尺度扰动水平风场和第3尺度扰动水汽和位温场所构成的波作用密度在空间分布和时间演变上与强降水密切相关,能够指示降水区的发展和移动,代表这些动、热力和水汽扰动在强对流发展中发挥重要作用。基于美国GFS预报资料,建立波作用密度暴雨预报方程,并对“12721”暴雨过程进行预报试验。该方程预报的降水强度始终弱于观测降水,但在降水落区预报,特别是降水中心位置预报方面有一定的预报能力。波作用密度降水预报能力在一定程度上优于GFS模式本身的降水预报。