北京的夏夜里降水和强对流天气频频光顾，极易引发洪涝、泥石流等灾害。然而，夜间降雨的精准预报仍然是一个巨大挑战，尤其是夜雨触发 (从无到有)：几点下雨？下到哪里？低空急流 (LLJ) 作为夜雨的重要幕后推手，可能是影响北京夜间对流系统发生发展的关键。风暴发生前对流环境变化莫测，若能捕捉降雨前LLJ和热动力条件的分钟级演变，或许能够为“预告”夜雨赋能。 由于现有观测手段的局限，被广泛使用的再分析资料、卫星资料和天气雷达等无法准确捕获夜间风暴发生前特别是降雨开始前1-2小时内 (如图1) 的对流环境变化。随着地基遥感垂直观测的飞速发展，我国稠密的高时空分辨率风廓线雷达 (RWP) 组网观测，为我们认识夜间降雨前的LLJ和相关动力条件演变提供了宝贵机会。下面，让我们一起用RWP探索 临近夜间降雨前LLJ的特征及其精密的连续 演变过程，以及LLJ演变如何“预告”北京夜间降雨吧 ！ 图1 高分辨率风廓线雷达可以填补降水前对流云下方边界层内风廓线连续精密演变的观测空白。 本工作基于2020–2023年4个夏季 (6–8月) 华北平原的风廓线雷达组网探测数据，结合分钟级 国家地面气象站和ERA5再分析资料，聚焦典型大尺度天气形势下的北京夏季夜间 (1800–0600 LST) 降雨 前2 h内的两类LLJ，即1 km以下的边界层急流 (BLJ) 和1–3 km内的天气尺度低空急流 (SLLJ) 的特征及其演变过程。其中，一次北京夜雨事件定义为距北京RWP 25 km半径范围内的国家站 (如图2e) 测得每6 min累积降水量超过0.1 mm，且半小时内至少出现两次的事件，两次降雨事件间至少间隔2 h。 夏季北京降雨通常受到副高和短波槽等系统的影响。我们首先结合降雨前1 h的ERA5 850 h Pa位势高度场和T-PCA客观天气分型方法，将降雨前的典型环流背景进行了分型 (如图2a-c)。结果表明，有近一半的降雨事件与京津冀上空盛行的低层西南风天气型 (SW型，图2a) 有关，这种天气型通常能够引起大范围水汽输送和强迫抬升，有利降雨发生。因此本研究重点关注SW型影响下的北京夜间降雨。58例SW型夜雨事件中，有61.7%的事件前2 h存在LLJ (SW_LLJ) 活动，其中60% (40%) 为BLJ (SLLJ)。 与其他天气型LLJ事件相比，SW_LLJ事件更容易产生强降雨 (图2f)，特别是在夜间，其中BLJ更容易引起夜间强降雨 (>60 mm；图2g) 。 图2 北京降雨前三种主要天气类型的850 hPa环境场，填色为位势高度，箭头为水平风场，并给出了每种类型的出现频率。红色圆圈表示三个关键区域：北京 (BJ)、保定 (BD) 和石家庄 (SJZ)。(d, e) 根据RWP站 (红点) 确定关键区的示意图，黑点表示国家级气象站。(f) 北京所有降雨事件、其他天气型下的LLJ事件和SW_LLJ事件的降雨量概率分布 (%)。(g) SW_LLJ、SW_SLLJ和SW_BLJ事件的夜间降雨量概率分布 (%)。 SW_LLJ事件中，北京夜雨发生前上游降雨主要集中在太行山及西南方向。因此，我们重点关注北京及其上游两个站 (石家庄和保定) RWP观测的LLJ特征变化 (图3)。 在北京降雨发生前，LLJ的最大频率从南到北依次出现，分别在-114 min、-54 min和-6 min 。通过水平动量方程诊断，我们发现水平平流作用以及LLJ风速核的向北移动是石家庄和保定的LLJ比北京更早达到峰值的原因。尽管在提前2 h时，北京地区已经出现上升运动，但直到降雨前48 min，LLJ影响加强，降雨才开始 (图3c)。同时，从石家庄到北京的LLJ均伴有明显增强的垂直风切变和暖湿平流 (图3d-f)，表明降雨前环境较为潮湿和不稳定。 图3 SW天气型下北京夜雨开始前2 h，(a) 石家庄、(b) 保定和 (c) 北京的LLJ发生频率 (深红色线) 和降水量 (深蓝色柱) 的逐6 min演变。(d-f) 可降水量 (PWV; 蓝线)，相当温度 ( RWP观测表明， SW型下BLJ和SLLJ风速在降雨前48 min内显著增强 (图4a-b) ，在降雨开始时分别达到最大值9.3 m/s和11.4 m/s，有利于风暴和强降雨的形成。另一方面， BLJ的急流核高度从距地面0.8 km逐渐降低到0.5 km左右 ，动能收支计算表明与降雨前的动量下传有关，可能增强低层扰动进而有利于降雨发 生，这种下降趋势还可能源自夜间边界层高度的下降。相反， SLLJ的急流核高度上升到约2.4 km ，这可能与对流云的上升运动增强引起的潜热释放有关。 降雨前LLJ的发展与惯性振荡 (周期约为24小时) 密切相关 (如图4c)。根据SW_LLJ夜雨事件发生前12 h内的风向廓线数据，我们发现在降雨前的LLJ频发高度，风矢量随时间顺转 (图4d-e)，特别在日落后的旋转更为明显。在惯性振荡的驱动下，通常在午夜至凌晨，非地转风与地转风方向相近，从而增强西南超地转风，向北京上空输送更多水汽。 图4 北京夏季 (a) SW_BLJ和 (b) SW_ SLLJ事件夜雨开始前2 h内RWP 探测到的平均风廓线的演变 (蓝实线；每12 min) 和ERA5数据计算得到的地转风廓线 (灰虚线；每1 h)。(c) 可能与惯性振荡有关的SW_LLJ夜雨事件的示意图。夜雨前2 h内 (d) BLJ最大发生频率的高度 (距地面0.51 km) 和 (e) SLLJ最大发生频率的高度 (距地面1.83 km) 风速矢演变。蓝色数字表示夜间时间 (HHMM)，黑色数字表示白天时间。 那么，RWP探测到的LLJ廓线如何成为夜间降雨的前兆？由于水汽对于降雨的发生极其关键，因此本文以水汽为切入点，将水汽通量 主导的热力项，以探讨水汽与LLJ之间的关系。在这里我们重点讨论SW_BLJ降雨事件：降雨前30 min，平均 主要受到动力项作用快速下降， 动力项急剧增加，而热力项变化不大 (图5)。这表明， 降雨前30 min内BLJ的快速增强 (图4a) 显著增强水汽输送和低层辐合 。同时，降雨前30 min内，BLJ伴随的更强的垂直风切变和上升运动，也使得BLJ比SLLJ产生更强的夜雨。这进一步强调了RWP网在跟踪降雨前 风速的快速变化和随之增加的水汽辐合方面所起的关键作用。
图5 (a) SW_BLJ事件水汽通量散度变化率中, 本研究创新揭示了低层西南风主导的天气形势下，北京夏季夜间降雨前低空急流精细的连续 演变特征及其与降雨的关系 (如图6)，表明低空急流是北京夜间降雨的前兆信号。 高分辨率风廓线雷达网的应用，将有助于深入认识降雨前LLJ的分钟级尺度演变，为提高夜间降雨的临近预报技巧提供强大观测支撑 。
图6 SW型天气背景下，北京夜间降雨开始前2h内 (a) BLJ和 (b) SLLJ影响对流环境的示意图。
上述研究工作已于2024年10月14日发表在地学权威期刊《Geophysical Research Letters》，第一作者为中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室硕士研究生李宁，通讯作者为郭建平研究员，文章合作者还包括香港科技大学吴梦希博士，灾害天气国家重点实验室助理研究员张帆等。
https://doi.org/10.1029/2024GL110840
郭建平 ， 中国气象科学研究院研究员，主要从事边界层气象，中尺度气象学，极端环境观测技术，湍流-对流相互作用等方向研究。现为中国气象局边界层气象重点创新团队首席科学家，国家杰出青年科学基金获得者，中国气象局气象领军人才，科睿唯安全球高被引科学家 (2023年)，2020年以来连续入选“爱思唯尔中国高被引学者”榜单，2021年以来连续入选美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单。
截止目前，发表SCI收录论文200余篇，Google Scholar总引1.42万余次，H指数65；21篇论文入选ESI全球TOP 1%高被引论文 (其中5篇入选ESI全球TOP 0.1%热点论文)。现担任Geophysical Research Letters副主编。曾获中国科学院院长奖学金优秀奖，三次获省部级二等奖科技奖励，三次荣获华风优秀研究生导师奖。边界层气象和湍流相关成果有力支撑了我国气象监测预警业务、重大活动气象服务保障和国防气象科技事业。
常年招收博士后，每年招收博士生 (含复旦-气科院联培学博，国科大-气科院联培学博、气科院专博) 2名，硕士生2名。
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