图1.20 2004年7月10日北京南郊观象台风廓线仪连续观测垂直剖面图
北京南郊观象台风廓线仪连续观测垂直剖面图 图1.20是2004年7月10日北京城区发生局地暴雨前，位于暴雨云团外侧的南郊观象台风廓线仪的连续观测结果。13:00以前，5500m以下风随高度顺转，有暖平流，而之上风随高度逆转有冷平流；13:00之后中层的冷平流高度明显降低到4400m，到14:00前，中层冷平流的厚度也逐渐增加，表明冷平流略有增加，由于低层暖平流、中层冷平流，大气层结不稳定度加强，使得暴雨云团迅速发展。14:00后1500m以下的东南风逐渐加强，由于风廓线仪所在的位置位于云团南侧，故东南风的加强表明暴雨云团外侧低层的入流在加强，5000～7000m逐渐由西南风转为西北风，说明云团中高层的出流区也是逐步扩大、加强的，由此我们可以初步认为，该暴雨云团将逐步逐渐加强，暴雨过程还将持续。
观象台
图1.21 2006年7月8日23:00-9日05:00垂直风廓线演变（时间间隔：18m
南郊观象台 图1.21是2006年7月8日夜间，北京西部城区发生局地性中尺度暴雨前后，两部距离暴雨中心点不同位置的风廓线仪的同步观测结果。从分布在南郊观象台和海淀气象站的两部风廓线仪连续观测的对比结果可以看到，在距离暴雨中心40 km左右的南郊，暴雨过程前后，边界层和对流层中层的风向、风速并没有发生明显的改变。但是在靠近暴雨中心的海淀，边界层内以及对流层中下层的垂直切变的发生了明显的改变。
海淀
图1.21 2006年7月8日23:00-9日05:00垂直风廓线演变（时间间隔：18min）
海淀气象站 比较7月8日23:00前后（距离强降水开始2个多小时）南郊观象台和海淀低空风场，可以看到，在海淀，东风高度达到700m，其中400～600m的偏东风（6～8m/s）明显大于近地面层（2m/s左右），南郊观象台的东风层次略偏低，而且边界层内风速的垂直切变也明显小于海淀，而两地1000m以上基本上维持4～10m/s的西南风。由于低层风切变是对流能否形成的重要环境条件，也就是说，海淀附近更有利于对流单体的发生、发展。
强降水开始（9日01:20）后，靠近暴雨中心的海淀，不仅边界层内的东风明显加强，而且1000m以上的西南气流也明显加强。9日03:20前后，海淀2000m以上的上空，风向存在明显地从西南风转为西北风的过程，边界层的东南风也明显减弱，表明中尺度切变线正在经过海淀上空，暴雨云团正在失去有利的维持环境，暴雨过程趋于结束。 从以上例子可以看出，业务预报中利用具有高时空分辨率的垂直风廓线资料，可以通过分析水平和垂直风场的切变、冷暖平流以及冷空气侵入等变化，分析判断系统的演变，进而进行天气预报。
1.6.2 地基GPS水汽应用
研究发现大气中无线电信号的延迟时间正比于沿信号传播路径上的大气中水汽总含量，利用这种关系反演GPS探测资料可以得到大气可降水量PWV（Precipitable Water Vapor，即单位面积气柱中总水汽量）。 详情进入
地基GPS观测网得到的水汽分布随时间的变化已经被广泛地应用到数值预报模式中，以补充常规天气观测网对水汽观测的不足，改善中尺度数值预报的预报能力。
日常的预报工作中，将一定区域内的GPS观测资料绘制成水汽分布图，可以随时了解整层大气的水汽分布状况，确定大值湿度区、干区的演变状况，对暴雨系统的演变、暴雨落区的判断，具有重要参考价值。另外，单站GPS反演的大气可降水量在预报业务中也具有一定参考价值。曹云昌等在研究PWV与局地降水关系时，采用2h PWV增量为5mm作为阈值，得出在PWV迅速增加后3～4h内出现降水（曹云昌等 2005）；陈小雷等研究表明单站PWV能反映当地降水季节和地区变化特征，降水大多出现在PWV高于当月非降水时段PWV平均值(以下简称平均值)的时段，不同影响天气系统，PWV变化具有不同的变化特征，但大部分降水过程前24h之内PWV值有在1～3h内增长4～5mm以上的急升出现，这可作为降水预报的指标之一（陈小雷等 2007）。
2009年11月10—12日石家庄出现罕见暴雪天气，过程降水量石家庄市区最大，为93.5mm，累计积雪深度最大达55cm，日最大降雪量和累积最大积雪深度均突破当地有气象记录以来的历史极值。在这种极端的天气过程前，GPS资料的PWV有明显的变化。石家庄降水是从11月10日06:00左右开始，7:30左右转为降雪。从图1.22中可见，降雪天气之前一周，11月3—8日PWV一直处于平均值（8mm）之上（8～16mm）震荡，表明石家庄上空有水汽的聚积，且前几日石家庄早晨均有雾出现，表明低层水汽较大。降水开始前48h，8日09:00开始PWV有近15h的陡升，
9日00:00达最大27mm，是石家庄11月GPS/PWV平均值（2005—2008年）的3倍多，可见上空水汽总含量异常多。9日00:00到降雪开始的10日凌晨，PWV一直在8～16mm高位震荡；10日持续降雪期间，PWV也一直在15mm之上震荡，上空水汽没有明显的减少，石家庄上空仍存在充足的水汽条件，当11日高空槽再次东移影响时，石家庄又继续产生降雪。
图1.22 2009年11月2－16日逐时PWV与10－12日逐时降水量的变化图
GPS的资料由于具有成本低、精度高、时间分辨率高、可全天候观测等优点，随着GPS地基站的建设和GPS地基观测网的形成，其资料在天气预报业务中会发挥越来越大的作用。
1.6.3闪电定位仪资料应用
闪电是雷暴云中发生的一系列连续的起电和击穿过程。闪电定位系统是用于雷电监测和预警的新型探测设备，可以自动、连续、实时监测闪电发生的时间、方位、强度、极性等特征参数。应用闪电资料能够对雷电灾害进行探测、预警。详情进入
研究表明：发生在超级单体雷暴中的冰雹、大雨或龙卷风等灾害性天气过程与雷电的时空演变特征有很好的相关性。观测发现，闪电频数小于10次/min的雷暴一般不产生降雹，而大于100次/min的雷暴60%产生大的降雹（张义军等 2006）。李建华等通过对北京地区暴雨和冰雹两类强雷暴中的闪电活动与雷达回波反射率的关系进行分析，结果认为降雨和降雹天气的地闪具有明显差异。降雹天气正闪比例较大，特别是在降雹前正闪频数增加剧烈，并较降雹开始时间有几十分钟到1h的提前量。总结得到，北京地区闪电通常发生在45dBZ以上的回波中（李建华等 2006）。而国外研究认为，在热带低纬度风暴中，闪电一般发生在30～40dBZ回波区，中纬度闪电发生在30～45dBZ回波区（Carey等 2000）。
在实际的监测、预报预警中，常常将闪电定位仪资料与其他资料（如卫星资料、雷达资料、自动站资料）一起综合使用，用来综合判断对流活动的性质、强度、及移向、移速等。
1.7 中尺度分析
中尺度分析是指对中尺度天气系统的描述和分析。根据Olanski(1975)的尺度划分，即中-α尺度为200～2000km、中-β尺度为20～200km和中-γ尺度为2～20km。由于强风暴天气系统的水平尺度一般为20～200km，故中尺度分析主要是针对产生雷雨大风、冰雹、短历时强降水、龙卷等强对流天气的中-β尺度系统分析。我国开展中尺度分析业务相对较晚，国家气象中心2009年3月成立了“强天气预报中心”，主要进行强天气的监测和潜势预报。目前，一方面运用常规观测资料和中尺度数值预报分析其发生的可能性，进行潜势预报；另一方面运用非常规的自动站加密观测资料、危险天气报告、雷达、卫星等资料进行中尺度系统的监测和预报预警，及时捕捉其信号，及早发布灾害天气预警信号。
1.7.1 环境背景分析
1.7.1.1 中尺度天气图分析
主要是指在常规天气图分析基础上，针对产生中尺度对流性天气的主要条件（水汽、不稳定、抬升和垂直风切变条件），分析各等压面上相关大气的各种特征系统和特征线，最后形成中尺度对流性天气发生、发展大气环境场“潜势条件”的高空和地面综合分析图。
水汽条件：主要分析中低层的湿舌、干舌；
不稳定条件：分析低层和中层的温度及其温度递减率、变温；
抬升条件：分析中低层切变线（辐合线）、低层干线（露点锋）、高低空急流； 垂直风切变条件：分析0～6km和0～1km垂直风切变。
中尺度分析中要特别重视边界层的分析，如地面、925hPa的分析。 具体内容包括：
925hPa分析——边界层急流：最大风带(风速核) 边界层水汽输送：水汽通量辐合区
850hPa分析——风场：低空急流、切变线（辐合线）、显著流线 温度场：暖脊（温度脊）、T850-T500大值区
湿度场：干线（露点锋）、湿舌、显著湿区（T-Td≤5℃） 700hPa分析——风场：低空急流、槽线或切变线、显著流线 温度场：温度脊（或槽）、24h 变温、T700-T500大值区 湿度场：干线（露点锋）、干舌、湿舌、显著湿区（T-Td≤5℃） 500hPa分析——风场：中空急流、槽线或切变线、显著流线 温度场：温度槽、24h 变温 湿度场：干舌 高度场：变高
200hPa分析——风场：高空急流、急流核、显著流线 地面分析内容——任何不连续线(锋面、辐合线、露点锋等) 3h变压、低压、高压中心和特征等压线 湿舌、暖舌、高能舌 重要天气区
图1.23 中尺度分析方法示意图
1.7.1.2 探空T-ln p图分析
探空图主要分析大气层结的稳定度、不稳定能量、垂直风切变等情况，大气层结和不稳定能量的分析
前面1.1.3节中已作详细说明。垂直风切变是指水平风（包括大小和方向）随高度的变化，业务中主要是通过各层的风速大小以及风向变化来判断，强对流天气预报主要关注0～6km的垂直风切变大小，一般较强的龙卷、下击暴流、冰雹等强对流天气需要有较大的垂直风切变条件。 由于探空进行的标准时间是世界时00:00和12:00（北京时为08:00和2
