低空风切变的分析与预报

低空风切变是飞机起飞和着陆阶段威胁飞行安全的主要危险天气，分为水平风的垂直切变、水平风的水平切变、垂直气流切变三种类型。低空风切变主要是由大气运动的变化所造成，强对流天气、锋面天气、低空急流天气都可能引起低空风切变；另外，特别的地理环境也是不容忽视的因素。     

低空风切变的分析与预报

低空风切变是飞机起飞和着陆阶段威胁飞行安全的主要危险天气,分为水平风的垂直切变、水平风的水平切变、垂直气流切变三种类型.低空风切变主要是由大气运动的变化所造成,强对流天气、锋面天气、低空急流天气都可能引起低空风切变;另外,特别的地理环境也是不容忽视的因素.     

气流的垂直分布对地形雨落区的影响

从大气运动的基本方程出发,讨论了华北地区太行山东侧低空东风气流背景下不同垂直分布气流对降水落区的影响。认为：当垂直于山体的气流随高度减小时,地形的作用表现为迎风坡上水平辐合,造成气旋式涡度增加,产生风场切变,因此对迎风坡降水产生明显的增幅作用。当气流的垂直分布随高度增加时,迎风坡方向表现为反气旋涡度增强,而在背风坡方向产生辐合作用,造成气旋式涡度增加,发生风场切变。     

地形与城市环流共同作用下的β中尺度暴雨

从中尺度天气动力学理论入手, 利用尺度分析的方法, 得到了地形与城市热岛共同作用下的β中尺度暴雨的一系列理论特征。利用北京地区稠密的地面观测网资料以及分布于距暴雨中心区不同距离的两部风廓线仪观测资料, 通过分析2006年夏季发生的3次β中尺度暴雨酝酿、 发生、 发展、 维持过程中的气温、 降水、 风场的配置关系, 对β中尺度暴雨的部分理论特征进行了验证。主要结论: (1) 由城市热岛形成的水平温度梯度有可能在靠近城区的山前迎风坡强迫产生相对独立的中尺度风的垂直切变, 由此产生的低空风的垂直切变是维系中尺度对流降水发生、 发展的重要条件。另一方面, 一旦迎风坡出现强降水, 将形成吹向迎风坡的风速与降水强度之间的正反馈现象, 这种正反馈过程对β中尺度暴雨的形成过程起到了重要作用; (2) 地形越靠近城区, 山前越容易形成强的水平温度梯度, 进而越容易出现低空风的垂直切变。形成强低空风的垂直切变的响应时间取决于水平温度梯度的强度; (3) 地形坡度越大的地方, 产生的上升运动越强, 中尺度系统的水平尺度越小, 对于地形坡度较为平坦的地方, 更有利于产生水平尺度较大的中尺度系统; (4) 一般情况下, 地形与城市热力过程造成的中尺度暴雨过程多发生于傍晚前后或凌晨前后。     

2009年秋季冀中南暴雪过程的地形作用分析

2009年11月10-11日,河北中南部地区出现了回流暴雪天气,强降雪中心位于太行山喇叭口地形南侧迎风坡处。本文使用MM5数值试验结果分析中小尺度地形对于降雪的影响。结果表明：在喇叭口地形作用下北侧为下坡风,南侧为迎风坡,出现上升运动;由于向东开口的喇叭口地形对于气流有汇聚作用,整个喇叭口地形上空到800 hPa为地形辐合产生的上升运动。垂直剖面显示低层地形产生的上升运动冲破逆温层（或与逆温层内波动的上升支叠加）,与700 hPa以上的西风带低槽系统引起的上升支叠加,加强了垂直上升运动,且东北风遇山后呈现出两支气流,一支在山前堆积下沉,一支在山前冷空气堆前上升,且山前冷空气下沉支逐步形成环流圈,说明冷空气在山前堆积,气流在冷空气堆以东上升。这可能是降雪中心在平原而不在山坡的主要原因。     

台风“米克拉”在台湾海峡南部快速增强的原因分析

利用欧洲中期天气预报中心ERA-Interim再分析资料、中国气象局台风最佳路径资料、 NOAA逐日最优海表温度（OISST）、Himawari-8卫星观测资料以及中国地面自动气象站观测资料等,分析了台风“米克拉”近海强度预报的难点,并研究了导致“米克拉”在台湾海峡南部快速增强的环境因子,探讨了“米克拉”在较强环境风垂直切变下快速增强过程中对流非对称分布特征。结果表明：（1）台风“米克拉”在较强200—850 hPa环境风垂直切变下在台湾海峡南部海域发生了快速增强,并以峰值强度在福建登陆,非常少见,造成预警时间短,强度预报难度大;（2）有利的海洋热状况和大气环流环境条件,如中国南海北部海温异常偏高,南亚高压南侧东风急流与“米克拉”相互作用引起的强烈高层出流以及强劲稳定西南季风气流带来的充沛水汽输送,均对台风“米克拉”在台湾海峡南部海域快速增强起重要作用;（3）台风“米克拉”快速增强过程中,传统业务主要关注的200和850 hPa之间的环境风垂直切变较强,但从环境风的垂直结构分析发现切变主要集中在对流层中、高层,而中、低层切变较小,且中、高层环境风垂直切变对台风增强的抑制作用相对中、低层...     

太行山地形影响下的极端短时强降水分析

2015年8月2日午夜和2011年8月9日前半夜,在两种不同天气系统背景下太行山东麓都出现了小时雨量超过50 mm的极端短时强降水天气,两次过程都是雷暴先在太行山区触发加强,经过下山2 h先后在丘陵站平山和山前平原站石家庄市区产生极端短时强降水。利用常规探测资料、地面加密观测资料、石家庄SA多普勒天气雷达资料,对不同天气系统背景下太行山特殊地形影响的极端短时强降水成因进行分析。结果表明:偏东气流被南北向的太行山地形强迫抬升,且与下山雷暴出流形成中尺度辐合线触发新的雷暴,雷达回波呈现后向传播特征和列车效应造成局地极端短时强降水。太行山地形通过增强辐合上升运动、增大垂直风切变使雷暴下山加强。不同天气系统强迫下,太行山特殊地形对雷暴发展作用不同。在偏西气流引导下,暖区极端短时强降水由阵风锋触发,具有突发性、降水时间短、伴随风力大的特点,下山雷暴出流加快且与山前偏东风的辐合加强,陆续在丘陵区和山前平原触发对流与下山雷暴合并加强造成极端短时强降水;而在东北气流引导下,回流冷锋和阵风锋共同触发的极端短时强降水具有持续时间较长、降雨总量较大、伴随风力较小的特点,太行山东坡对东北冷湿回流有阻挡积聚作用,东北偏北来的雷暴出流边界西端在迎风坡上强迫抬升使雷暴触发并加强,东北气流遇山后发生气旋性偏转使雷暴出流转向东南下山,与平原的偏东风辐合加强,造成丘陵区和山前平原的总降雨时间更长、降雨总量更大。     

2017年6月一次华南沿海强降水的对流性特征及热动力机制研究

在华南北部或长江流域有锋面雨带活动时,华南沿海常常会出现对流性强降水,突发性很强,给预报造成很大的困惑。文章采用多种观测资料、ERA-Interim 0.125°×0.125°逐6 h再分析资料,对2017年6月15～16日华南北部的锋面雨带及沿海强降雨过程开展分析,对比了二者降水特征与环境条件,重点探讨了该次过程华南沿海强降雨的对流触发与维持,揭示了一种由边界层风切变强迫造成涡度持续发展的动力效应。结果表明:（1）锋面雨带与华南沿海强降雨在降水特征上有显著差异,并各有特点。锋面雨带以大尺度层状云降水和弱对流性降水为主,降水强度东段弱西段强。沿海强降雨以对流性降水为主,局地性强、落区集中、强降雨持续时间长、夜发性明显。（2）水汽方程诊断发现沿海强降雨在边界层水平水汽平流项、垂直水汽输送项比锋面雨带东段具有更大量级,大气层结反映出更深厚的暖层、湿层与对流不稳定,是二者降水强度及性质差异的主要原因。（3）莲花山、峨眉嶂造成气流侧向摩擦与正面阻挡促使漯河河谷内垂直涡度发展,暖湿空气堆积上升并达到自由对流高度,触发了华南沿海最初的降水。夜间建立的西南风急流使边界层垂直风速切变增强,水平涡度倾斜部分转化为垂直涡度发展,与风速水平切变造成的垂直涡度叠加,是强降雨持续时间长的动力机制。海陆边界摩擦差异造成水平、垂直两个方向的风切变增强,共同强迫垂直涡度发展是此次强降雨过程对流维持的动力效应。（4）方程诊断表明华南沿海强降雨由对流潜热释放造成的垂直上升速度占总垂直上升速度的39%～75%,持续、稳定的对流潜热释放是强降雨持续时间长的热力驱动因素。     

上海浦东国际机场低层大气垂直风场特征研究

风廓线雷达资料具有较高的时间和空间分辨率,但多集中于强对流性天气的预报和分析。文章主要将该资料应用于低层大气风场结构的研究和分析中。利用2009年1月至2010年6月共计18个月的上海浦东国际机场LAP 3000边界层风廓线雷达探测的水平风速风向资料,根据差值后的每小时平均的风速、风向进行统计分析（垂直分辨率50 m）,发现风速极大值出现的高度具有重复性,主要出现在1000、600、500、450、550和250 m,相邻两层之间的风矢量变差的极大值主要出现在250和300 m之间。按照国际民航组织建议的的水平风的垂直切变强度标准,将各个层次之间的风矢量进行统计分类,有轻度、中度、强烈、严重四个等级的风切变,同时发现不同等级的风切变的发生具有明显的季节特征。对于浦东国际机场区域的低层垂直风场的特征及演变情况初步的分析和探讨,为今后可以更好地结合AMDAR资料、电子探空仪、微波辐射计等探测手段针对机场区域甚至是内陆部分机场关于风切变的精细化预报、预警服务的研究奠定了一定的基础。     

西北太平洋环境风垂直切变和热带气旋移动对涡旋内对流非对称分布影响的特征分析

热带气旋（TC）预报特别是强度预报是当今大气科学研究和业务预报的重点、难点问题,TC环流内部的对流系统对气旋的结构和强度变化有着十分重要的影响。利用FY-2C/2E黑体亮温（TBB）资料和NCEP分析资料,研究了2005-2012年西北太平洋热带气旋外雨带区的对流非对称分布特征,及其与环境风垂直切变和TC移动的关系。分析发现,整层风垂直切变的方向与TBB一波非对称大值区关于方位角的分布有很好的对应关系。在弱整层风垂直切变条件下（<5 m/s）,TC移动引起的非对称摩擦效应会使对流易出现在移动方向的右前象限。在中强整层风垂直切变条件下（>5 m/s）,风切变成为影响对流非对称分布的主要因子,TC外螺旋雨带区的对流集中于顺风切方向及其左侧,对流偏离顺切变左侧的程度一方面受到TC内逆时针环流的影响,另一方面与风垂直切变的强度有关：对于发展阶段的TC,当风垂直切变增强时,一波非对称分布更加显著,切变越强,TC强度越大,外雨带区的对流越偏离顺风切左侧;对于消亡阶段的TC,风垂直切变的影响作用并不明显。     

太行山地形在“7·19”华北持续性低涡暴雨中的作用北大核心

本文对2016年“7·19”华北特大暴雨进行观测分析和数值模拟,并设置了改变地形高度的敏感性试验,以探究该过程降水系统的发生发展机制以及太行山地形的作用。结果表明:(1)本次强降水过程发生在“东高西低”的有利环流形势下,受太行山地形和平原环流系统影响,低层东风急流造成强的对流性降水和低涡作用的叠置造成“7·19”华北地区持续性暴雨的维持和加强;(2)第一阶段为对流性降水,太行山东麓大气对流不稳定能量释放,大气逐渐转为稳定层结;第二阶段为低涡降水,涡度收支分析表明水平散度项和扭转项对低涡维持和发展起到了主要的正贡献,同时伴随有较强的上升运动和垂直风切变,垂直风切变的增强促使水平涡度向垂直涡度转变;(3)太行山地形在持续性暴雨中对两阶段降水、低涡和水汽的作用存在差异。地形高度敏感性试验中,地形高度增高对低层气流的阻挡和强迫抬升作用增强,使得地形降水增强,低涡路径东移,且强度增大。水平散度项使得对流层低层辐合上升运动增强,造成涡度的垂直输送,这是低涡发展和维持的重要原因之一。太行山地形阻挡截留东部平原水汽,且水汽回流加强,有利于太行山东麓水汽的输送与辐合。     

基于风廓线雷达的湖北梅雨期暴雨中小尺度特征

针对2016年湖北梅雨期3次(“6·19”、“7·5”和“7·19”)暴雨过程,首先对比了汉口站探空数据与汉口、咸宁两个风廓线雷达站水平风速、风向,发现“6·19”和“7·5”过程汉口风廓线雷达站3 km以下水平风速和探空数据较为接近,而3次过程中咸宁风廓线雷达站8 km以下水平风向、风速和汉口站探空数据基本吻合。在此基础上利用风廓线雷达资料并结合常规、加密自动气象站资料,对3次过程中水平风场、平均垂直速度及其变率、水平风速垂直切变、大气折射率结构常数(C_(n)^(2))等进行分析。结果表明:(1)降水开始前西南风速明显增大,中层干冷空气入侵和地面冷池形成的中尺度偏东气流是“6·19”过程50站出现大于等于17.2 m·s^(-1)大风的主要原因,“7·5”和“7·19”过程西南急流长时间维持及1 km以下的偏东气流则是短时强降水持续时间较长的诱因;(2)梅雨期暴雨期间风廓线雷达观测的水平风速垂直切变、平均垂直速度及其变率随高度变化较小,较强上升运动区域主要集中在4 km高度以下;(3)C_(n)^(2)显示强降水发生前大气水汽含量有一增加过程,且整层水汽含量深厚,C_(n)^(2)大值区的消失对应降水结束。     

阿克苏初秋一次暴雨过程诊断分析

本文利用常规地面与高空观测资料、自动站逐时资料、NECP1°×1°再分析资料,对阿克苏地区2015年9月7日局地暴雨进行分析。结果表明,造成此次暴雨的主要原因有(1)中尺度分析暴雨发生前阿克苏处于高能高湿不稳定区域;(2)08时至20时探空图中湿层、风向以及不稳定能量的突变预示了强对流天气的发生;(3)暴雨过程的大部分水汽是通过低层偏东气流输送,水汽的来源主要为孟加拉湾,其次北疆短波槽及蒙古槽也提供了少量水汽(4)锋区加强、垂直风切变增大、水平风速辐合提供了热力及动力条件,垂直速度伸展高度影响了对流云厚度及高度。(5)地面风速辐合触发对流,加之较好的地面热力条件以及一定的地形增益暴雨强度。(6)地面辐合线及偏东风输送位置影响暴雨落区。     

一次河北大暴雨的华北低涡结构和涡度收支分析

利用Micaps系统下常规资料、云图资料和NCEP全球再分析资料,对2004年7月11-12日发生在河北省中南部的一次局地大暴雨个例进行了诊断分析。结果表明：200hPa西风槽、500hPa华北低涡和中低层偏东风,是这场暴雨的直接影响系统,该过程中的华北低涡为低层冷心、高层暖心结构,具有随高度向西北倾斜的特征,涡度场特征明显。暴雨区对应着深厚的正涡度区,散度场结构零乱,非高层辐散、低层辐合的配置,暴雨区上空上升运动较强。冷空气来源于500hPa以下的东北地区,水汽的源地来自渤海,低层偏东风可能是暴雨区所需水汽的主要携带者。水平涡度平流项和水平涡度辐散项作用相反,水平涡度辐散项对总涡度起直接作用且为正贡献,而垂直平流项对总涡度贡献比较小。     

一次回流降雪过程边界层东风结构分析

利用常规观测资料和NCEP1°×1°再分析资料,对2010年12月23日凌晨至上午发生在河北的一次回流降雪过程进行了诊断分析,结果表明：地面蒙古冷高压外围的偏北风携带冷空气东移至东北平原后转向西南方向抵达河北中南部地区,边界层偏东气流将渤海水汽带向河北中南部;在降雪前期表现为“湿冷”,在降雪过程中表现为“干冷”;偏东风在太行山东麓地形作用下被迫抬升,其携带的水汽随之抬升,为降雪过程提供了弱的水汽条件;边界层内水汽通量散度主要表现为纬向水汽辐合,在降雪前主要由水汽平流引起,在降雪过程中主要由风场辐合造成。     

“21·7”河南极端强降水特征及环流异常性分析

基于国家自动站及区域自动站降水观测资料、欧洲中心大气再分析资料（ERA5）分析了河南“21·7”过程的降水特征及环流和物理量的异常性，并对比1981年以来郑州和鹤壁50 mm以上强降水过程的物理量特征。结果表明：1）“21·7”强降水过程在累计降水量、强降水覆盖范围、日雨量和小时雨强等方面均表现出显著极端性，过程累计降水量超过400 mm的站点集中分布在太行山东麓沿山地区和伏牛山东侧迎风坡一侧，与地形关系十分密切。2）南亚高压增强东伸，副热带高压异常偏强偏北，低纬度地区活跃的低值系统等大气环流异常，导致了水汽稳定持久向河南输送，太行山和伏牛山沿山一带水汽辐合偏离气候态最强超过-10σ，表现出显著极端性。3）“21·7”过程中，动力条件的异常特征十分显著，200 hPa的辐散中心分别位于伏牛山和太行山东麓沿山一带，相较历史气候态偏离度达到2σ～5σ；伏牛山沿山一带850 hPa涡度偏离气候态程度较太行山东麓一带更大，达6σ；而700 hPa上升运动则是太行山东麓一带极端性更强，标准差达-3σ～-5σ。4）与1981年以来同区域暴雨过程相比，“21·7”过程中，850 hPa涡度和700 hPa垂直速度的标准差为历次过程最大（最小）或次大（次小）者，对暴雨极端性有指示意义，地形附近历次暴雨过程物理量统计显示，伏牛山和太行山东麓的850 hPa辐合及700 hPa垂直速度平均偏离气候态超过3σ（-3σ），且偏离程度与日雨量呈正相关。     

华北一次强降水过程的分阶段对比分析

利用GPS可降水量、多普勒天气雷达和地面加密自动站等高时空分辨率资料,对2011年6月23-24日发生在京津冀的强降水天气过程的不同阶段进行了对比分析.结果表明:(1)第一阶段降水为时间短、强度大的积状云对流降水;GPS可降水量的峰值与强降水对应,在降水之前6h左右会有GPS可降水量峰值出现;在空间分布上,高值中心的演变表现为东移南压趋势.(2)第二阶段降水表现为持续时间较长的系统性降水;雷达回波以大面积层状云降水回波为主;此阶段的GPS可降水量长时间维持在高值阶段,空间分布上GPS可降水量等值线“南高北低”并逐渐南压,西部GPS可降水量明显偏高.(3)在液态水与气态水对比上,雷达VIL随时间的变化不连续,而GPS可降水量表现为连续性演变,二者的峰值或高值对应较好,二者均可反映降水出现时间和降水性质,其中雷达VIL大值与降水出现时段吻合得好,而GPS可降水量的大小和演变趋势可以提前预示降水的出现时间和降水性质,对降水天气预报有指示意义.     

“05·6”华南持续性暴雨发生前上对流层及平流层异常信号分析

利用欧洲中心ERA-Interim再分析资料,对"05·6"华南持续性暴雨发生前上对流层及平流层信号进行分析。分析结果表明,暴雨发生前一周,暴雨区域上空对流层顶高度出现先降低后升高再降低的变化,这种变化与日本南部的位涡异常存在较好的对应关系,即我国中纬度沿海一带至日本的高位涡带向华南延伸,使得华南地区上空的位涡升高,对流层顶下降。在环流场中,本次暴雨发生前低纬地区上对流层下平流层（UTLS）区域的东风与1991~2010年平均值相比偏强偏北,华南地区上空平流层东风场也偏强,平流层低层东风在暴雨发生前第9天提早向下传播;位势高度场中,"05·6"华南暴雨发生前中低纬度100 hPa上的南亚高压中心位置偏东偏南;华南地区UTLS区域有较强的位势高度场正异常,在暴雨发生前随时间出现两次明显的加强,但在暴雨发生后减弱。南亚高压中心位置的偏移、东风信号的提早下传、高位涡空气入侵华南均有利于降水的发生。     

地形、冷池出流和暖湿空气相互作用造成北京一次局地强降水的观测分析

利用地面和探空常规探测资料、多普勒天气雷达以及风廓线雷达资料,对2015年8月7日发生于北京的一次伴随有闪电和冰雹的突发性局地强降水过程的成因进行了分析。结果表明:这次过程发生在强层结不稳定环境中,对流层中层低槽配合低层切变线,促进河北西北部对流发展,并向东南方向移动,形成北京西北部短时强降水;北京中部地区强降水的直接制造者则是新生的局地性雷暴单体,由雷暴冷池出流和暖湿空气在边界层交绥和辐合所触发。北京西北部地形促使冷池出流下山速度加快、冷池出流高度抬高,以及偏东暖湿气流的辐合抬升作用,则是局地雷暴新生的重要影响因子。