1 災(zāi)害天氣監(jiān)測

1.1 觀測模式固態(tài)發(fā)射機體制的Ka波段云雷達回波強度譜密度質(zhì)量控制、融合和再分析方法

為了滿足云雷達穩(wěn)定連續(xù)觀測的需求，中國氣象科學(xué)研究院與中國航天科工集團23所聯(lián)合研發(fā)了多觀測模式固態(tài)發(fā)射機體制的Ka波段云雷達，該雷達采用了3種不同脈沖寬度、不同相關(guān)和非相關(guān)積累的工作模式，以實現(xiàn)近距離弱降水和遠(yuǎn)距離弱云的觀測，并用于華南云降水觀測。本研究比較了3種觀測模式的功率譜參數(shù)的一致性，評估了相關(guān)積累和脈沖壓縮對回波強度譜密度的影響，提出了基于多個模式比較的回波強度譜密度的退速度模糊方法，距離旁瓣影響回波強度譜密度的識別和剔除方法，3種模式回波強度譜密度的融和方法和回波強度、徑向速度、速度譜寬的再計算方法，討論了不同模式回波強度譜密度反演的上升速度和雨滴譜的差異。結(jié)果表明：3種觀測模式在粒子下落速度比較小條件下，回波強度譜密度形狀和位置比較一致，回波強度和徑向速度非常一致；對于比較大的徑向速度，相干積累使回波強度譜密度出現(xiàn)明顯偏差，從而造成了回波強度和徑向速度誤差，其主要原因是徑向速度大的信號的相干時間小于相關(guān)積累時間。相干積累在提高雷達靈敏度的同時，也帶來了明顯的觀測誤差，在弱降水觀測的云雷達中謹(jǐn)慎使用。采用長脈沖觀測模式常常在零度層亮帶上方觀測到明顯的虛假回波強度譜密度，這明顯擴展了譜的寬帶，并對徑向速度和速度譜寬產(chǎn)生了重要影響。本研究提出的方法可以很好地識別和剔除距離旁瓣對回波強度譜密度的影響，重新計算的徑向速度和速度譜寬更加合理，而這種距離旁瓣僅僅利用回波強度和徑向速度很難判斷。因采用相干積累功率譜數(shù)據(jù)密度數(shù)據(jù)出現(xiàn)的部分模糊問題基本得到解決。融合后的回波強度譜密度集成了3種觀測模式的優(yōu)勢，滿足了云和弱降水的同時觀測的需求。融合后的回波強度譜密度數(shù)據(jù)和再計算得到的回波強度、徑向速度和速度譜寬將用于云降水微物理和動力參數(shù)分析中。（劉黎平）

1.2 雙偏振、相控陣天氣雷達對超級單體的聯(lián)合觀測試驗

中國氣象科學(xué)研究院專門研發(fā)了用于強對流觀測的車載X波段相控陣天氣雷達系統(tǒng)（XPAR）。該雷達是中國第一部有源相控陣天氣雷達，具備快速掃描功能和多種觀測模式，為中國開展中小尺度強對流天氣現(xiàn)象的觀測研究提供了條件。2016—2018年，該雷達部署在廣東佛山，針對華南暴雨中的強對流系統(tǒng)進行觀測。廣東省作為中國氣象局與省政府合作共建氣象現(xiàn)代化的試點省，其范圍內(nèi)的S波段CINRAD雷達已全部升級為雙偏振天氣雷達，同時佛山市氣象局還有4部業(yè)務(wù)運行X波段雙偏振天氣雷達。本研究利用相控陣天氣雷達獲取的高時空分辨率資料，結(jié)合業(yè)務(wù)運行的雙偏振天氣雷達資料，分析了華南一次超級單體風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)特征。雙偏振雷達清晰地觀測到超級單體在初生、發(fā)展、成熟和消亡階段的獨特參量特征，反映了云內(nèi)的微物理過程。相控陣天氣雷達1 min間隔、垂直分辨率40層的高時空分辨率資料，揭示了超級單體鉤狀回波的演變特征。本研究體現(xiàn)了新體制天氣雷達在分析對流單體演變中的優(yōu)勢。（吳翀，劉黎平）

1.3 基于雙CCD激光探測系統(tǒng)探測環(huán)境氣溶膠相函數(shù)

氣溶膠散射相函數(shù)是衡量顆粒物在不同散射角度的散射強度的函數(shù)，它對于理解氣溶膠在氣候變化中的效應(yīng)，分析氣溶膠遙感觀測反演結(jié)果具有重要作用。本研究研發(fā)了一種基于雙電荷耦合器件（CCD）和激光器的氣溶膠探測系統(tǒng)對環(huán)境氣溶膠散射相函數(shù)進行探測的新方法。CCD激光大氣探測系統(tǒng)可以在10°～170°的角度范圍內(nèi)測量環(huán)境氣溶膠散射相函數(shù)，同時角度分辨率可以達到0.1°。這套探測系統(tǒng)包括1臺連續(xù)激光發(fā)射器、2個CCD相機和相對應(yīng)的魚眼鏡頭。通過將測量結(jié)果與帶入了氣溶膠觀測數(shù)據(jù)的米散射模式模擬結(jié)果進行比較，以及對這一方法在實驗室內(nèi)驗證，證明該方法具有較好的準(zhǔn)確性。在外場氣溶膠觀測中，同時使用這套CCD激光大氣探測系統(tǒng)以及TSI公司的商業(yè)化極角濁度計產(chǎn)品Aurora4000對氣溶膠散射相函數(shù)進行了觀測，并通過米散射模式模擬結(jié)果對兩套不同觀測儀器的觀測結(jié)果進行對比驗證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與Aurora4000相比，這套CCD激光大氣探測系統(tǒng)在對氣溶膠散射相函數(shù)進行探測時具有更寬的探測角度和更好的探測穩(wěn)定性。（邊宇軒）

1.4 我國東北地區(qū)2017年7月13—14日極端降水過程的多尺度分析

采用NCEP再分析、常規(guī)觀料、雷達觀測及反演產(chǎn)品、地面雨滴譜儀數(shù)據(jù)對2017年7月13—14日發(fā)生在我國東北地區(qū)的一次極端降水過程進行了多尺度分析。這次極端降水過程包括兩個造成大暴雨的中尺度對流系統(tǒng)（MCS）：其中一個MCS（MCS1）在吉林永吉縣氣象站（YJ）造成24 h 累積降水的極值達262 mm；另一個MCS（MCS2）在遼寧昌圖縣氣象站（CT）造成了小時降雨量極值達96 mm 。多尺度的觀測分析表明，強烈的低空急流和充足的水汽為此次強降水過程提供了動力和水汽條件，準(zhǔn)靜止鋒穩(wěn)定少動是這次極端降水過程的觸發(fā)及維持機制。在減弱消散的MCS1的西北側(cè)有兩個中尺度對流渦旋（MCVs）產(chǎn)生，在MCVs附近，不斷有二次對流在后側(cè)被觸發(fā)并快速發(fā)展演變成為一個近似東西走向的線性MCS（MCS2），向東緩慢移動。MCV的持續(xù)性加強可能對有組織的二次對流的發(fā)生和延長生命史至關(guān)重要。在很大程度上，對流的后向傳播及后續(xù)回波的列車效應(yīng)是造成CT站極端小時降水的重要因素。MCS2的回波頂高達到20 km，對流核反射率因子最大值超過55 dBz，對流的這種垂直結(jié)構(gòu)易形成大的降水率，大的降水率是造成極端降水的另一個重要因子。從微物理參數(shù)來看，CT站強降水的雨滴直徑較大，最大雨滴直徑達到6 mm，在02:00—03:12的強降水時段，垂直積分液態(tài)水含量（VIL）和雨滴濃度急劇增加。（王改利，張大林，孫繼松）

1.5 新一代天氣雷達組網(wǎng)探測環(huán)境分析

大氣折射垂直梯度（VRG）對天氣雷達波束傳播非常關(guān)鍵，雷達數(shù)據(jù)應(yīng)用中通常采用標(biāo)準(zhǔn)折射條件，即4/3等效地球半徑。為更好地揭示我國天氣雷達網(wǎng)電磁波傳播條件，利用6年的探空數(shù)據(jù)分析了地表1 km高度層的大氣折射指數(shù)垂直梯度，討論了其對當(dāng)?shù)乩走_波束路徑的影響。對于大部分雷達，一年中大部分時間VRG都相對標(biāo)準(zhǔn)條件小，只有極少數(shù)雷達不是，主要在青藏高原。VRG偏小的情況更普遍，特別是在天氣雷達觀測重點時期的雨季。相應(yīng)地，采用標(biāo)準(zhǔn)折射條件，大部分雷達多數(shù)時間波束高度較實際高度偏低。不過，考慮到雷達有1°的波束展寬，波束高度誤差量在允許范圍內(nèi)。值得一提的是，實際波束偏低較大的地區(qū)，如沿海地區(qū)、長江中下游地區(qū)，應(yīng)用雷達觀測更加需要注意地物雜波污染的問題。（王紅艷）

1.6 阜寧龍卷超級單體風(fēng)暴三維結(jié)構(gòu)研究

綜合利用高時空分辨率自動氣象站數(shù)據(jù)、探空數(shù)據(jù)、單部多普勒雷達數(shù)據(jù)以及雙多普勒天氣雷達三維風(fēng)場反演數(shù)據(jù)，分析了2016年6月23日江蘇省阜寧的龍卷超級單體風(fēng)暴的天氣背景、三維結(jié)構(gòu)及演變特征。研究表明：（1）龍卷發(fā)生期間，阜寧處于地面暖濕舌之內(nèi)、地面有γ中尺度氣旋和輻合線；環(huán)境大氣抬升凝結(jié)高度低、中低層有很強的垂直風(fēng)切變；這些均有利于龍卷的生成。（2）龍卷超級單體左移風(fēng)暴低層有典型的鉤狀回波和入流缺口。（3）龍卷發(fā)生前，風(fēng)暴質(zhì)心高度、最大反射率因子高度和風(fēng)暴回波頂高度均持續(xù)增加，風(fēng)暴垂直累積液態(tài)含水量激增；龍卷發(fā)生在上述參數(shù)的數(shù)值首次同時減小時。（4）雙雷達反演的三維風(fēng)場揭示，超級單體形成之前風(fēng)暴內(nèi)部中低層已經(jīng)有中尺度氣旋形成，中尺度氣旋位于鉤狀回波頂端、其南端有反氣旋，此渦旋偶對于中層動量下傳、龍卷生成、發(fā)展、加強和觸地具有重要作用。（周海光）

2 青藏高原研究

2.1 高原東南緣及其中西部地區(qū)多源觀測資料變分同化系統(tǒng)研發(fā)及數(shù)值試驗

為系統(tǒng)研究高原多源觀測資料對數(shù)值模式結(jié)果的影響，以WRF及其三維同化系統(tǒng)（3DVar）為基礎(chǔ)，開展了高原東南緣及其中西部地區(qū)多源觀測資料變分同化系統(tǒng)研發(fā)及調(diào)試工作。系統(tǒng)重點考慮L波段探空、AWS、PWV等多源觀測資料的同化。目前該系統(tǒng)在國家氣象中心準(zhǔn)業(yè)務(wù)賬戶上基本實現(xiàn)了自動運行。同時以上述變分同化系統(tǒng)為主，重點研究了105°E以東以及40°N以南高原東南緣及其中西部地區(qū)多源觀測資料同化對數(shù)值模式預(yù)報結(jié)果的影響。個例試驗對比結(jié)果表明：控制試驗對個例降水過程能夠一定程度上描述出來，但整體上有著一定的偏差；而同化試驗相比控制試驗，模式積分48 h和72 h，降水量以及降水分布均與實況更為接近。（張勝軍，徐祥德）

2.2 低空氣密度對“世界屋脊”青藏高原對流觸發(fā)的影響

從氣候統(tǒng)計和大渦模擬的角度研究青藏高原上空氣密度與對流特征的關(guān)系。通過氣候統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，相對中國東部季風(fēng)區(qū)，青藏高原東部和中部地區(qū)在相對的近地面相對濕度的條件下有更強的熱力湍流并且形成更多的低云。重點研究了低空氣密度條件下大氣邊界層的動力和熱力結(jié)構(gòu)。通過大渦模擬和邊界層理論探究了邊界層湍流與低云形成的關(guān)系。在地表熱通量相同的情況下，空氣密度的減小增強了浮力通量，低空氣密度條件增加了邊界層厚度并且使得更多的云下層水汽輸送至云層。如果不同空氣密度條件出現(xiàn)相同的低云覆蓋度，高空氣密度條件下混合層內(nèi)的平均相對濕度將大于低空氣密度條件下的結(jié)果。（王寅鈞，徐祥德等）

2.3 夏季風(fēng)爆發(fā)后青藏高原地區(qū)云垂直結(jié)構(gòu)的模擬研究

利用COSP 2006—2012年的衛(wèi)星雷達觀測資料，對ACCESS 模式在青藏高原地區(qū)夏季云垂直結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)進行了詳細(xì)評估。結(jié)果表明，與觀測相比模式對青藏高原上空的典型積云模擬偏少，而對高云和低云模擬明顯偏多。衛(wèi)星觀測結(jié)果顯示，夏季風(fēng)爆發(fā)后，春季高原上空的高云逐漸向中低云轉(zhuǎn)變，而ACCESS模擬的高云則主要向更高的高空發(fā)展，與衛(wèi)星觀測存在很大偏差。與ERA interim資料進行對比發(fā)現(xiàn)，ACCESS模式對青藏高原南坡的地形抬升作用描述偏強，季風(fēng)爆發(fā)后，偏強的地形坡面抬升作用造成高原東南側(cè)強對流發(fā)展過多過強，使得夏季青藏高原地區(qū)高云明顯偏多，對流降水也比觀測明顯偏多。（胡亮）

2.4 夏季青藏高原不同區(qū)域水汽來源的識別與對比分析

采用拉格朗日方法對1980—2016年雨季（5—8月）輸送至青藏高原4個分區(qū)的水汽來源進行了識別和比較。研究發(fā)現(xiàn)：（1）高原4個分區(qū)的水分來源在空間格局和數(shù)量上都存在顯著差異，其分布差異主要取決于夏季季風(fēng)、局部再循環(huán)和西風(fēng)帶的綜合效應(yīng)。（2）基于后向軌跡分析的水分源的空間演化表明，約80%的水分在1 ～4 d內(nèi)被輸送到目標(biāo)區(qū)域，但各個分區(qū)具有不同的輸送路徑和輸送時間尺度。（3）印度夏季風(fēng)的次季節(jié)性變化調(diào)節(jié)著不同水源對青藏高原南部的重要性，但對高原北部地區(qū)影響不顯著。另外，即使同處于高原南部地區(qū)，但高原東南與西南部區(qū)域的水下水源演化差異較大。（4）夏季整個高原降水的年際變化與西風(fēng)帶輸送的水分變化呈負(fù)相關(guān)，而與高原北部的印度夏季風(fēng)輸送的水分和高原南部的相鄰水汽輸送呈正相關(guān)。（陳斌，徐祥德）

2.5 夏季青藏高原的全球氣候效應(yīng)

Boss 等發(fā)表在Nature的文章指出，喜馬拉雅山及南坡地形抬升的動力作用在現(xiàn)代南亞季風(fēng)氣候特征的形成中起著主要作用，而青藏高原主體加熱對現(xiàn)代南亞季風(fēng)形成的影響可能很小。他們的結(jié)果引起了關(guān)于青藏高原主體加熱異常是否對現(xiàn)代南亞季風(fēng)甚至更大范圍氣候變率有重要影響的討論。本研究表明：現(xiàn)代氣候平均而言，夏季青藏高原主體起著巨大的加熱作用，造成當(dāng)?shù)貜娏业纳仙龤饬?，在對流層上層出現(xiàn)龐大的南亞高壓，在200 hPa上南亞高壓環(huán)流東西向跨度超過150°，覆蓋了歐亞和非洲大陸以及西太平洋的中低緯度，并且形成青藏高原與周邊的大尺度垂直環(huán)流。在緯向上，青藏高原上升氣流的一支在對流層向東流到東太平洋下沉，形成青藏高原與太平洋之間的緯向垂直環(huán)流（TPC），高原上升氣流的另一支進入平流層低層并向西流到大西洋—歐洲—非洲中緯度區(qū)域上空下沉，形成青藏高原與大西洋北部（包括歐洲南部）之間的緯向垂直環(huán)流（TAC）；在經(jīng)向上，一個大尺度的逆時針垂直環(huán)流出現(xiàn)在青藏高原與南印度洋熱帶之間，即青藏高原—南印度洋經(jīng)向環(huán)流（TIC）。當(dāng)夏季青藏高原加熱偏強時，亞洲上空對流層溫度大范圍升高，在高原及周邊地區(qū)產(chǎn)生異常上升運動，南亞高壓明顯加強，其異常環(huán)流覆蓋了歐亞和西太平洋中緯度。高原上空異常上升運動在對流層上層、平流層低層向南流到熱帶下沉并在中、低層向北流向青藏高原；沿著TIC經(jīng)向環(huán)流，青藏高原加熱產(chǎn)生的異常越過赤道影響南半球大氣環(huán)流。高原的異常上升氣流在對流層高層也朝東、西兩個方向流動，其中向東到達中、東太平洋后下沉，使TPC環(huán)流加強，而向西到達地中海后下沉。很顯然，夏季青藏高原加熱變化可以引起了TPC、TAC和TIC大尺度垂直環(huán)流異常，使青藏高原氣候異常信號向外擴展到更大范圍。夏季青藏高原加熱異常加強了亞洲—非洲季風(fēng)以及太平洋和大西洋副熱帶高壓系統(tǒng)，使非洲和南亞季風(fēng)區(qū)降水增加，東亞季風(fēng)雨帶位置偏北（華北降水增多，南方降水減少），歐洲降水減少、氣溫升高，北美中西部降水偏少、氣溫升高。鑒于在現(xiàn)代氣候格局下夏季青藏高原主體熱力強迫的重要性，在全球天氣氣候研究中不考慮青藏高原的作用是不完整的。（趙平，周秀驥，陳軍明，劉舸，南素蘭等）

2.6 青藏高原那曲地區(qū)地閃與雷達參量關(guān)系

基于2014—2015年5—9月西藏那曲地區(qū)多普勒天氣雷達數(shù)據(jù)，結(jié)合地閃觀測資料，識別雷暴單體樣本，統(tǒng)計分析了地閃位置附近的雷達回波分布特征，研究了高原雷暴的雷達參量與地閃頻次的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，那曲地區(qū)地閃發(fā)生位置附近的雷達最大反射率因子呈正態(tài)分布，峰值分布區(qū)間集中于34 ～41 dBz。發(fā)生地閃附近的20 dBz回波頂高集中于11 ～15 km，30 dBz回波頂高分布的峰值區(qū)間為8.5 ～12 km。分析表明，表征局地雷暴對流發(fā)展強度的雷達參量與地閃頻次之間的相關(guān)關(guān)系較差，但相關(guān)性隨地閃頻次增加而增強?；诶走_參量分段統(tǒng)計得到的分段平均地閃頻次與雷達參量之間表現(xiàn)出較強相關(guān)關(guān)系，體現(xiàn)了閃電活動強度與雷暴發(fā)展強度在宏觀上的正向關(guān)系。基于原始數(shù)值進行區(qū)間劃分的強回波（組合反射率因子不小于30 dBz）面積與平均地閃頻次的線性相關(guān)系數(shù)達0.75，基于對數(shù)值區(qū)間劃分的7 ～11 km 累積可降水含量的對數(shù)值和地閃頻次的線性相關(guān)系數(shù)達0.95。對比了多個雷達參量和地閃頻次線性擬合與冪函數(shù)擬合結(jié)果，整體上冪函數(shù)擬合略好于線性擬合。（孟青，樊鵬磊，鄭棟）

3 暴雨和強對流研究

3.1 觀測得到的珠三角極端小時降水變化與城市化的關(guān)系

認(rèn)識城市短時極端降水的變化以及人類活動的可能影響對于城市建設(shè)至關(guān)重要。本研究利用1971—2016年共61個國家站的小時降水?dāng)?shù)據(jù)以及多年地表類型數(shù)據(jù)，分析了華南珠三角地區(qū)極端小時降水的變化特征，同時利用2011—2016年密集的自動站資料和雷達網(wǎng)觀測，分析了共120起極端降水事件。研究表明，珠三角地區(qū)小時降水強度的顯著增加導(dǎo)致了年極端小時降水總量和年總降水量在快速城市化期間（1994—2016年）比在城市化之前（1971—1993年）增多了，這表明該地區(qū)小時降水的增強與其城市化有一定的關(guān)系。那些與城市化有關(guān)的顯著增加的極端小時降水更傾向于發(fā)生在短時（≤6 h）、突發(fā)的降水事件中，而不是維持時間更長或者持續(xù)型、增長型的降水事件中。對于2011—2016年的共120起極端降水事件，根據(jù)產(chǎn)生極端降水的對流系統(tǒng)的觸發(fā)位置和移動方向，進一步將其劃分為6種類型。盡管這6種類型發(fā)生在不同的天氣背景和不同的季節(jié)當(dāng)中，但都發(fā)現(xiàn)強熱島效應(yīng)對降水有增強的作用，尤其是在熱島效應(yīng)更顯著的城市群內(nèi)陸地區(qū)。本研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)由西南風(fēng)主導(dǎo)的大尺度環(huán)流條件較不利于對流發(fā)生時，由強熱島引發(fā)的熱力擾動及其向下游的傳播對于局地對流的觸發(fā)和增強起到了非常重要的作用。（羅亞麗，吳夢雯）

3.2 華南前汛期降水統(tǒng)計特征及其天氣背景

本研究利用1980—2017年國家級地面氣象站逐小時降水資料、2011—2017年稠密的自動觀測站逐小時降水?dāng)?shù)據(jù)、天氣圖和組網(wǎng)雷達數(shù)據(jù)，研究了華南地區(qū)華南前汛期（4—6月）降水特征及對應(yīng)的天氣背景。結(jié)果表明，在南海季風(fēng)爆發(fā)前后兩個時段，降水特征具有顯著的空間差異。季風(fēng)爆發(fā)后，短（1 ～6 h）、中（7 ～12 h）和長時（＞12 h）3類不同時長的降水事件的平均強度在華南都增強了，持續(xù)時長更長（＞6 h）的降水事件的降水強度在華南西部內(nèi)陸增強更明顯。華南西部內(nèi)陸和沿海地區(qū)的降水事件發(fā)生頻次在季風(fēng)爆發(fā)后增多，而華南東部內(nèi)陸的降水事件在季風(fēng)爆發(fā)后更少發(fā)生。降水事件強度和頻次的變化導(dǎo)致華南西部內(nèi)陸和沿海地區(qū)的降水量在季風(fēng)爆發(fā)后顯著增多，而華南東部內(nèi)陸的降水量變化不大。季風(fēng)爆發(fā)后西部內(nèi)陸長時降水事件強度的加強和更好的水汽、動熱力條件有關(guān)，冷空氣活動減弱和西南氣流的增強導(dǎo)致了華南東部內(nèi)陸降水事件發(fā)生頻次的減少，華南沿海地區(qū)的長時降水事件發(fā)生在高相當(dāng)位溫、弱相當(dāng)位溫梯度的南風(fēng)（季風(fēng)爆發(fā)前）和西南風(fēng)（季風(fēng)爆發(fā)侯）氣流中，并且在季風(fēng)爆發(fā)之前和后分別伴隨著東北干冷空氣入侵華南西北部和華南西部氣旋性渦度增強。2011—2017年的日平均極端小時降水（＞60 mm/h）發(fā)生頻次在季風(fēng)爆發(fā)后增多40%，在季風(fēng)爆發(fā)前后兩個階段，華南東南部的極端小時降水主要發(fā)生在弱相當(dāng)位溫梯度的暖區(qū)中，而華南西北部的極端小時降水往往和地面鋒面相聯(lián)系，低渦和切變線型兩類極端小時降水的占比由季風(fēng)爆發(fā)前的18%升高到31%，主要發(fā)生在華南西部。（羅亞麗，李爭輝，陳楊瑞雪）

3.3 華南前汛期區(qū)域極端降水與天氣尺度波動的關(guān)系研究

本研究通過對1998—2015年（不包括1999，2006，2011和2014年）華南前汛期日降水?dāng)?shù)據(jù)的頻譜分析，發(fā)現(xiàn)天氣尺度波動為華南日降水的主導(dǎo)頻率。通過分析天氣尺度帶通濾波的環(huán)境場，根據(jù)24個極端降水事件（定義為日降水量最高的5%）主要影響系統(tǒng)特征，將之分為“渦旋型”（15例）、“槽線型”（8例）及“反氣旋型“（1例）。15個“渦旋型”個例可進一步分為“低渦型”（11例）和“高渦型”（4例）。對其波動場的分析表明，2種類型的個例均可追溯至青藏高原下游的氣旋異常。然而，對于“低渦型”，在所有階段均出現(xiàn)對流層低層的氣旋性異常；但是“高渦型”只在最后階段出現(xiàn)對流層低層的氣旋性異常，其峰值擾動發(fā)生在上層暖異常之下?！安劬€型”極端降水的產(chǎn)生與中國北方強氣旋異常向西南方向延伸的槽線密切相關(guān)，而該強氣旋異常則可追溯到經(jīng)過青藏高原的中緯度羅斯比波列。本研究的結(jié)果對于了解與華南地區(qū)極端降水相關(guān)的天氣擾動的起源、結(jié)構(gòu)和演化具有重要意義。（黃齡，羅亞麗，張大林）

3.4 天氣尺度至準(zhǔn)月尺度擾動在華南前汛期2次代表性強降水過程中的作用

本研究基于波譜分析探討了天氣尺度至準(zhǔn)月尺度擾動在華南前汛期強降水過程中的作用，針對從2008—2015年4—6月挑選出的2次代表性的強降水過程。結(jié)果表明，第1次強降水過程的發(fā)生主要是天氣尺度和準(zhǔn)2周時間尺度擾動的作用。在準(zhǔn)2周時間尺度上降水處于西南風(fēng)異常區(qū)，該異常與南海上的反氣旋有關(guān)；而在天氣尺度上則處在西南風(fēng)與東北風(fēng)異常的輻合帶，分別與云貴高原下游向東南移動的反氣旋異常和來自更高緯的東移反氣旋有關(guān)。對比而言，第2次強降水過程則與天氣尺度和準(zhǔn)月尺度擾動有關(guān)。在準(zhǔn)月尺度上降水處在西西南風(fēng)異常與西西北異常輻合區(qū)，分別與南海反氣旋以及中國北部東傳氣旋有關(guān)；在天氣尺度上，降水處于南西南風(fēng)異常與云貴高原下游的氣旋輻合區(qū)。2個個例中，對流層低層南西南風(fēng)異常提供了有力的環(huán)境條件，而天氣尺度、準(zhǔn)2周以及準(zhǔn)月尺度擾動則決定了強降水的大概時間和位置。（姜智娜，張大林，劉鴻波）

3.5 1979—2014年華南前汛期水汽通道和來源分析

基于拉格朗日框架的HYSPLIT模式，分析了1979—2014年華南前汛期南海季風(fēng)爆發(fā)前后華南地區(qū)的水汽來源及其路徑。季風(fēng)爆發(fā)前，主要水汽通道有6條，其中4條海洋源地型通道貢獻了83.9%的水汽，另外2條大陸源地型通道（起源于貝加爾湖和波斯灣）貢獻了16.1%。其中，2條分別起源于西太平洋和東海的太平洋源地的通道貢獻了46%，起源于南海的通道貢獻了24.3%，起源于孟加拉灣的通道貢獻了13.6%。季風(fēng)爆發(fā)后，主要水汽通道有4條，其中3條西南來向通道（來自阿拉伯海、中印度洋和西印度洋）貢獻了76%，而唯一的太平洋源地通道貢獻了23.8%。水汽通道極大地受到地形的影響，尤其是青藏高原、印度半島和中南半島。在季風(fēng)爆發(fā)前后，南海都是貢獻水汽最多的區(qū)域（分別貢獻35.3%和31.1%）。季風(fēng)爆發(fā)前，太平洋是水汽貢獻次多的區(qū)域（21%），而季風(fēng)爆發(fā)后，其水汽貢獻下降到5%，來自孟加拉灣和印度洋的水汽貢獻由季風(fēng)爆發(fā)前的17.1%增長到季風(fēng)爆發(fā)后的43.2%。（羅亞麗，陳楊瑞雪）

3.6 2016年7月19—20日沿華北太行山極端降水過程研究

本研究考察了2016年7月19—20日華北太行山東麓的南部、中部和北部小時降水率達100 mm以上的3個極端降雨階段的天氣尺度和中尺度過程。極端降水主要發(fā)生在南部和北部的200 ～600 m海拔區(qū)域，而在中部區(qū)域的極端降水也同時發(fā)生在低海拔地區(qū)。這3個區(qū)域的極端降水分別發(fā)生在上午、傍晚和午夜。這3個階段的極端事件是由不同的過程引起的，這些過程涉及溫帶氣旋的生成，低空急流的充足水分輸送及其與局部地形的相互作用。在南部，由于東南部地形，特別是云臺山對伴隨低空急流而來的對流不穩(wěn)定暖濕空氣的提升凝結(jié)造成回波及線性對流系統(tǒng)的發(fā)展。相比之下，在北部，大氣呈現(xiàn)出弱不穩(wěn)定性，通過陡峭的地形對濕東北氣流的抬升，2個孤立的圓形對流系統(tǒng)得以發(fā)展，在它們前沿具有更強的對流核心。中間區(qū)域的極端降水系統(tǒng)是由潮濕的東風(fēng)低空急流與氣旋生成有關(guān)的北方較冷氣流的匯聚造成。結(jié)果表明，低空急流和相關(guān)的水分輸送，氣旋生成，局部地形的坡度和方向以及過山氣流的穩(wěn)定性對太行山東麓極端降水發(fā)生的時間和位置、極端降水率和對流組織模式等方面起著不同的作用。（夏茹娣，張大林）

3.7 青藏高原中部夏季雷達觀測降水回波的分類及日變化特征研究

利用第3次青藏高原大氣科學(xué)試驗2014年加密觀測期間的C波段調(diào)頻連續(xù)波（C-FMCW）垂直指向雷達觀測，研究了青藏高原中部地區(qū)夏季降水回波的分類和日變化特征。結(jié)果表明，51.32%的垂直廓線包含反射率＞ -10 dBz的有效回波，其中35.06%的有效回波廓線在地面產(chǎn)生了降水（降水廓線）。在所有降水廓線中，具有明顯亮帶結(jié)構(gòu)的層狀降水、弱對流降水和強對流降水分別占52.03%、42.98%、4.99%。大約59.84%的降水發(fā)生在下午至前半夜，而40.16%的降水發(fā)生在后半夜和早上，強度也較弱。降水發(fā)生頻次有明顯的日變化，其主峰位于21:00—22:00 LST（當(dāng)?shù)貢r），此時59.02%的降水為層狀降水；次峰位于13:00—14:00 LST，此時59.71%的降水為弱對流降水；強對流降水集中發(fā)生在下午和傍晚（占比81.83%），它的2個發(fā)生頻次峰值分別出現(xiàn)在12:00—13:00 LST和17:00—18:00 LST。11:00左右降水回波開始發(fā)展，觀測到垂直運動增強，回波頂升高，雷達反射率增強。強的空氣上升運動主要發(fā)生在17:00—18:00 LST，次峰出現(xiàn)在11:00—14:00 LST，降水回波頂和強空氣上升運動頂均于16:00—18:00 LST達到最高。早上的環(huán)境大氣條件不利于對流觸發(fā)和發(fā)展；至中午時分，對流有效位能（CAPE）顯著增加，對流抑制能量（CIN）通常較小，且近地面（0 ～400 m高度）存在一個超干絕熱層；傍晚出現(xiàn)一些更大的CAPE、中性浮力層高度和整層可降水量值，表明此時可能出現(xiàn)更有利的熱力和水汽條件。建立了前半日和后半日平均的層狀降水、弱對流降水、強對流降水回波垂直結(jié)構(gòu)的概念模型。（羅亞麗，馬若赟，汪會）

3.8 華南暖區(qū)暴雨對流初生機制分析

華南暖區(qū)暴雨的定時、定點、定量精細(xì)化預(yù)報一直是數(shù)值天氣預(yù)報和業(yè)務(wù)預(yù)報工作中的難點問題。以2013年5月8日發(fā)生在廣東西南沿海的一次強降水過程為例，使用WRF模式運行了3個不同初始場的數(shù)值試驗。對比試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，華南前汛期暖區(qū)暴雨的對流初生時間與局地溫度垂直遞減率的大小顯著相關(guān)。低層溫度升高、中層溫度降低、垂直遞減率增加，進而自由對流高度（LFC）降低、對流有效位能（CAPE）增加，有利于對流觸發(fā)。一般LFC降低到500 m以下時，降水隨之發(fā)生。而局地溫度的變化與入流空氣的來源、風(fēng)速大小、上游空氣的溫度和水汽條件等因素有關(guān)。低層?xùn)|—東南環(huán)境氣流將暖濕的空氣輸送到對流發(fā)生區(qū)域的低層，同時中層西南氣流也將冷濕的空氣輸送到對流發(fā)生區(qū)域的中層，導(dǎo)致對流區(qū)域中低層的溫度直減率增大，環(huán)境條件有利于對流觸發(fā)。再者，風(fēng)速大小會影響對流發(fā)生的時間。風(fēng)速越大，冷（暖）空氣能更快到達對流區(qū)域的中（低）層，溫度直減率更早增大，LFC降低，對流會更早發(fā)生。此外，山脈地形的抬升作用與低層氣流相配合能影響對流發(fā)生的位置和時間。更強的低層暖濕氣流遇到山脈的阻擋更容易被抬升。（寶興華，羅亞麗）

3.9 中國不同粒徑大小冰雹的環(huán)境場特征研究

利用地面站觀測的冰雹大小數(shù)據(jù)，L波段探空數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù)探究了不同粒徑大小的冰雹對應(yīng)的環(huán)境場特征和天氣環(huán)流特征。一共1003個粒徑大于5 mm的冰雹個例按照粒徑大小被分為3組。最大冰雹粒徑組對應(yīng)0 ～6 km垂直風(fēng)切變、大氣整層可降水量和對流有效位能中位數(shù)分別為21.6 m/s、34.8 mm 和2192 J/kg。不同粒徑大小的冰雹個例對應(yīng)的零度層高度都是4000 m左右，而大冰雹對應(yīng)的冰雹增長區(qū)的厚度（-10 ℃到-30 ℃之間的厚度）更薄。隨著東亞夏季風(fēng)的進退，不同粒徑大小的冰雹都有明顯的季節(jié)變化，冰雹季始于南方春季，到夏季時冰雹區(qū)轉(zhuǎn)移至北方。季風(fēng)爆發(fā)前，由于同時存在高空急流和低空的西南風(fēng)，提供垂直風(fēng)切變和水汽，大粒徑的冰雹主要發(fā)生在春季的中國南方地區(qū)。當(dāng)存在強的地面加熱和季風(fēng)氣流北移時，由于提供了較大的對流有效位能和水汽，以及中等強度的垂直切變，小冰雹則多發(fā)生在夏季的北方。大冰雹發(fā)生所需環(huán)境場條件與美國的類似，但是要大于很多歐洲國家。（李明鑫，張大林，孫繼松，張慶紅）

3.10 中尺度對流系統(tǒng)層云區(qū)中與0 ℃層附近電荷層有關(guān)的閃電特征

利用架設(shè)在重慶地區(qū)的一部S波段多普勒雷達和一套甚高頻（VHF）輻射源定位系統(tǒng)分析了與0 ℃附近電荷層有關(guān)的層云閃電（SL0）特征。分析了2014—2015年夏季共10個中尺度對流系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)多數(shù)SL0事件發(fā)生于其中2個雷暴個例的消散階段。亮帶與SL0事件的發(fā)生具有密切的聯(lián)系。與冰相物融化過程有關(guān)的感應(yīng)和非感應(yīng)起電被認(rèn)為對亮帶區(qū)的電荷累積具有貢獻。在SL0事件首個VHF輻射源位置（FirstS）的反射率值弱于閃電發(fā)展區(qū)域內(nèi)的最大反射率核心值，且最大反射率核心值越高，F(xiàn)irstS位置上的反射率值與反射率核心值的差值越大。具有低SL0發(fā)生頻率的雷暴所產(chǎn)生的SL0事件通常在其FirstS上具有更弱的反射率，但相比高SL0發(fā)生頻率的雷暴，在其閃電發(fā)展區(qū)域內(nèi)具有更高的反射率核心值。在低SL0發(fā)生頻率的雷暴中，只有在其他層云閃電的FirstS高度逐漸下降到SL0發(fā)生高度時SL0事件才會發(fā)生；但在高SL0發(fā)生頻率雷暴中，SL0事件可以和其他發(fā)生在更高高度上的層云閃電同時發(fā)生。這可能意味著融化起電機制增強了亮帶區(qū)的電荷密度。（王飛，劉恒毅，董萬勝）

3.11 華南季風(fēng)降水試驗

華南季風(fēng)降水試驗（SCMREX）計劃是我國氣象部門針對我國華南季風(fēng)強降水，尤其是突發(fā)性暴雨災(zāi)害亟待解決的科學(xué)問題而提出的國際科學(xué)試驗計劃，被世界氣象組織世界天氣研究計劃（WMO/WWRP）批準(zhǔn)為WMO/WWRP的研究發(fā)展項目（RDP），由中國氣象科學(xué)研究院牽頭組織實施。2018年5—6月繼續(xù)在華南地區(qū)開展了降水綜合觀測試驗，加密觀測區(qū)域設(shè)在珠三角城市群及其鄰近地區(qū)，此加密觀測區(qū)域內(nèi)的龍門、佛山、從化3個超級觀測基地，布設(shè)了一系列先進的觀測設(shè)備和感應(yīng)器，更好地觀測了云降水垂直結(jié)構(gòu)、快速演變對流系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)、三維閃電過程。2018年度繼續(xù)深入研究并揭示了珠三角城市群對于局地強降水的影響、超級單體的精細(xì)結(jié)構(gòu)、華南降水對流可分辨集合預(yù)報不同擾動源的多尺度特征等。（羅亞麗）

3.12 一次天氣形勢對華南暖區(qū)暴雨系統(tǒng)移動和發(fā)展影響的研究

利用高時空分辨率的觀測資料和ERA-Interim再分析資料，對發(fā)生在2014年5月8日一次天氣形勢演變對華南暖區(qū)暴雨系統(tǒng)移動和發(fā)展的影響開展了研究。分析結(jié)果顯示，出現(xiàn)在華東上空低層的穩(wěn)定反氣旋阻擋了我國西南地區(qū)的低空槽向東移動。受此影響，反氣旋和低空槽之間的氣壓梯度和風(fēng)速明顯加強，并發(fā)生了從西南風(fēng)向偏南風(fēng)轉(zhuǎn)向現(xiàn)象。偏南風(fēng)低空急流下出現(xiàn)了明顯的偏東南低空風(fēng)切變，這導(dǎo)致了從廣西向東移至廣東的較大的暖區(qū)暴雨系統(tǒng)轉(zhuǎn)向東南方向移動。偏南風(fēng)低空急流的東側(cè)下則出現(xiàn)了偏東向的低空風(fēng)切變，導(dǎo)致了廣東沿海地區(qū)形成的一系列較小的暖區(qū)暴雨系統(tǒng)向偏東或偏東北方向移動。向東南向移動的較大的暖區(qū)暴雨系統(tǒng)陸續(xù)與這一系列較小的暖區(qū)暴雨系統(tǒng)并合，造成了廣東沿海大片地區(qū)發(fā)生暴雨。另一方面，與低空反氣旋和低空槽相關(guān)的海平面高壓和低壓的加強和擴張造成了邊界層水汽通量輻合以及有效位能高值區(qū)伴隨著較大的暖區(qū)暴雨系統(tǒng)向東南方向移動，從而有利于該暖區(qū)暴雨系統(tǒng)的發(fā)展或維持。同時，與低空反氣旋相關(guān)的海平面高壓的加強造成了廣東地區(qū)近地面偏東南風(fēng)的加強。加強的偏東南風(fēng)有利于較大的暖區(qū)暴雨系統(tǒng)向東南方向移動時其前沿輻合上升運動的加強，同時，也促進了廣東沿海地區(qū)一系列較小的暖區(qū)暴雨系統(tǒng)的觸發(fā)。（梁釗明，劉英，尹金方，柳崇?。?/p>

4 臺風(fēng)研究

4.1 熱帶氣旋強度預(yù)報誤差分布特征分析

對西大西洋、東北太平洋以及西北太平洋熱帶氣旋（TC）24 h強度業(yè)務(wù)預(yù)報誤差（OFE）進行分析，發(fā)現(xiàn)OFE與TC強度變化存在顯著的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.77、-0.77和-0.68。預(yù)報得到的TC 24 h強度變化分布雖然與實際強度變化都呈高斯分布，但標(biāo)準(zhǔn)差相差1/3，即目前的業(yè)務(wù)預(yù)報對快速強度變化存在明顯低估。而且增強臺風(fēng)的誤差多為正的，而減弱臺風(fēng)的誤差多為負(fù)的，在快速增強和快速減弱臺風(fēng)更為明顯。為了理解OFE的這種分布，引入了簡單的TPM（trend-persistence model）強度預(yù)報模型。發(fā)現(xiàn)TPM所計算的誤差有著相似的分布。在TPM中，強度預(yù)報誤差與強度隨時間變化曲線的曲率成反比，即負(fù)（正）誤差為強度隨時間變化曲率增大（減?。?。從而可以推算出OFE的分布與TC強度本身隨時間變化特點有關(guān)，而TC強度變化受TC動熱力過程控制?；诤蚑PM對比，目前對RI和RW的預(yù)報并沒有實質(zhì)性進展，但RW比RI預(yù)報誤差要小。（魏娜）

4.2 初始渦結(jié)構(gòu)對熱帶氣旋加強率的影響

利用高分辨率數(shù)值理想實驗針對熱帶氣旋（TC）不同初始尺度及最大切向風(fēng)徑向外擴先衰減程度進行試驗，試驗結(jié)果分析表明，在渦旋初始強度相同的情況下，尺度較小渦旋快速加強的速率明顯快于尺度較大和初始渦旋的速度廓線沿最大速度向外（眼區(qū)方向）衰減慢的初始渦旋。TC的快速增強速率（RIR） 主要受到慣性穩(wěn)定度的影響，而渦旋的初始結(jié)構(gòu)決定了慣性穩(wěn)定度的分布，當(dāng)初始渦旋尺度較大或者初始速度沿徑向衰減慢時，最大風(fēng)半徑外側(cè)的較大的切向速度有利于渦旋獲得更多的海表熱通量，進而有利于組織形成螺旋云帶。大范圍的對流云帶中的非絕熱加熱，一方面將邊界層中的徑向入流沿徑向擴展的范圍更大，從而減弱邊界層中向眼墻的入流；另一方面，眼墻外側(cè)切向速度的增加也增加了眼墻外側(cè)的慣性穩(wěn)定度，這兩方面的綜合作用減弱了向眼墻的絕對角動量輸入，從而減弱了渦旋加強的速度同時也增加了風(fēng)暴的內(nèi)核尺度。（徐晶，王玉清）

4.3 西北太平洋熱帶氣旋增強率與海表面溫度、TC強度和尺度的關(guān)系

基于對西北太平洋TC最佳路徑資料1981—2016年的統(tǒng)計分析揭示了TC增強率（IR）與TC當(dāng)前強度和結(jié)構(gòu)的關(guān)系，尤其是發(fā)現(xiàn)TC的增強率與TC自身的強度呈現(xiàn)出倒拋物線型關(guān)系，即當(dāng)TC強度小于（大于）70 ～80 kt時，TC的增強率與強度成正（反）相關(guān)，也即TC在達到30 ～40 m/s左右最易出現(xiàn)快速增強（RI）。分析還發(fā)現(xiàn)TC渦旋的尺度會影響TC的增強率，即TC的增強率與其內(nèi)核的尺度（最大風(fēng)速半徑）及外核寬度（用34 kt半徑減去最大風(fēng)速半徑來表示）呈明顯的反相關(guān)，即渦旋尺度越大，眼墻到外核的寬度越寬，則TC加強越慢。統(tǒng)計事實表明，TC最大增強率發(fā)生在強度80 kt左右，最大風(fēng)速半徑（RMW）40 km左右，外核尺度（34 kt半徑）及外核寬度在 150 km左右。這些結(jié)果不僅為TC強度的統(tǒng)計預(yù)報提出了可能的強度和尺度因子，也為進一步研究影響TC增強率的因子提供了新的視野，同時也為檢驗有關(guān)TC增強率的理論模型提供了一個很強的約束。（徐晶，王玉清）

4.4 臺灣島附近熱帶氣旋運動的異常特征

利用JTWC西北太平洋最佳路徑資料、中國臺灣氣象局臺風(fēng)資料庫發(fā)布的TC逐時路徑圖及地面氣象場再分析圖，對1949—2014年臺灣島附近區(qū)域19°～29°N，116°～126°E范圍內(nèi)TC的運動特征進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明：（1）66年內(nèi)共有530個TC經(jīng)過該區(qū)域，TC右折頻次比左折多約10%。左折主要集中在臺灣島東岸沿海，島嶼北部及北側(cè)海峽內(nèi)；右折主要分布在臺灣島東北側(cè)、西南側(cè)及臺灣海峽南端。臺灣東岸沿海、島南部TC移速較大，臺灣海峽內(nèi)、島北部TC移速較小。（2）約33%TC經(jīng)過臺灣島時伴隨有SC，其中強熱帶風(fēng)暴伴隨SC出現(xiàn)概率最高。SC平均強度為994 hPa，與TC中心相距15 ～650 km不等，平均258 km。SC位于TC中心南部（北部）時，二者以氣旋式（反氣旋式）相對運動為主。一般兩者相距越近，TC強度越強，SC的強度越強，相對運動角度越大。伴隨TC的SC最容易在臺灣島西北方出現(xiàn)，其次是東南方、西南方，東北方最少，兩系統(tǒng)一般位于臺灣島CMR異側(cè)。（3）該區(qū)域共出現(xiàn)44例不連續(xù)路徑TC，其中38例是從臺灣島東側(cè)登陸、6例是從西側(cè)登陸。TC強度較弱、渦旋弗洛德數(shù)（Fr）較小時，容易形成不連續(xù)路徑。12個打轉(zhuǎn)在打轉(zhuǎn)過程中絕大多數(shù)在其南側(cè)伴有SC。（龔月婷，李英，張大林）

4.5 2006—2015年西北太平洋上的TUTT cell的活動特征

采用NCEP的6 h一次1°×1°經(jīng)緯距格點資料，對2006—2015年西北太平洋上的TUTT高空冷渦活動（TUTT cell）進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果初步表明：（1）10年間共發(fā)生369次TUTT cell事件，以6 h頻率計共6836頻次，年均發(fā)生37次TUTT cell事件，除1、2月外，TUTT cell在各月均可發(fā)生，一般發(fā)生于5—10月，與臺風(fēng)的活躍季大致相符，7月最多，12月最少。TUTT cell事件數(shù)呈逐年下降趨勢，2008年最多，2014年最少，大多數(shù)TUTT cell事件生成于130°E以東，而后向西移動。15°～25°N，150°～175°E為TUTT cell的活躍區(qū)域。（2）大多數(shù)TUTT cell的半徑在5°以下，由遠(yuǎn)海運動至近海時其半徑逐漸減??；中心位勢高度值在1239.4 dagpm以下，平均移速為6.6 m/s，平均生命時長為4.4 d，最長可達29 d。（3）TUTT cell渦度中心位于225 hPa左右，正渦柱位于550 ～125 hPa。冷中心位于350 hPa左右，平均溫度異常值約-4.5 ℃，西北太平洋北部TUTT cell的冷中心較強，表明當(dāng)TUTT cell向西南方向運動時逐漸消亡。（溫典，李英，張大林等）

4.6 西北太平洋熱帶氣旋和東西風(fēng)垂直切變相關(guān)關(guān)系對比

對西北太平洋1982—2015年熱帶氣旋（TC）強度變化和不同方向的風(fēng)速垂直切變的相關(guān)關(guān)系進行了統(tǒng)計研究。結(jié)果表明，西風(fēng)切變（-0.36）比東風(fēng)切變（-0.07）與TC強度變化相關(guān)系數(shù)要大，尤其是西南風(fēng)切變（-0.43）。進一步分析表明海表面溫度（SST）與這種相關(guān)關(guān)系差異有關(guān)。SST與緯向風(fēng)切變存在-0.48的相關(guān)性，即當(dāng)東風(fēng)切變增大時SST升高，可以抵消一部分大風(fēng)切對TC增強的不利影響，導(dǎo)致了東風(fēng)切變與TC強度變化的相關(guān)系數(shù)減小。相反，西風(fēng)切變增大時SST減小，兩個不利因素的疊加使得相關(guān)性增強。所以，在強度統(tǒng)計預(yù)報模型中不僅要考慮風(fēng)切變的大小，而且要考慮風(fēng)切變的方向。（魏娜）

4.7 客觀路徑相似指數(shù)及其在登陸熱帶氣旋降水預(yù)報中的初步應(yīng)用

動力模式輸出與歷史觀測的統(tǒng)計信息結(jié)合是預(yù)報災(zāi)害天氣的創(chuàng)新途徑。在本研究中，為了研究登陸熱帶氣旋（TC）降水預(yù)報的動力—統(tǒng)計方法，發(fā)展了一個客觀的TC路徑相似面積指數(shù)（TSAI）。TSAI表示由2條TC路徑和2個分別連接2條路徑的起始點和終點的線段所圍起來范圍的面積。TSAI值越小，說明2條TC路徑的相似度越大，“0”則表示完全一致。然后，將TSAI初步應(yīng)用于登陸華南TC的降水預(yù)報試驗?？紤]到過去幾十年數(shù)值天氣預(yù)報模式的TC路徑預(yù)報取得的巨大進步，方法中直接吸收了TC預(yù)報路徑。通過該試驗，建立了基于路徑相似的登陸TC降水動力—統(tǒng)計集合預(yù)報模型（DSEF_LTP），該模型包括采用TC預(yù)報路徑、TC路徑相似性判別、登陸季節(jié)相似性判別和降水預(yù)報集合4個步驟。對華南登陸TC降水預(yù)報應(yīng)用顯示，DSEF_LTP模型相對于3個數(shù)值天氣預(yù)報模式（即ECMWF、GFS和T639 /中國）無論在訓(xùn)練樣本（2012—2014年）還是獨立樣本（2015—2016年）均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，尤其對于≥100 mm或250 mm的強降水預(yù)報。（任福民）

4.8 受地形影響情況下的熱帶氣旋動力初始化方案研究

在現(xiàn)有實時臺風(fēng)數(shù)值業(yè)務(wù)模式中，在模式初始場中不能對靠近或經(jīng)過地形（例如，臺灣和菲律賓島）的臺風(fēng)渦旋結(jié)構(gòu)進行精準(zhǔn)刻畫是造成臺風(fēng)登陸前后精細(xì)化的強度、降水和大風(fēng)預(yù)報誤差大的重要原因之一。針對臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)中面臨的難題，發(fā)展了一套在臺風(fēng)遇到島嶼地形情況下特殊的“地形補償”處理方法，較好地解決了這一關(guān)鍵科學(xué)問題，經(jīng)批量后報試驗檢驗，采用新的初始化方案的臺風(fēng)72 h路徑誤差和36 h的強度誤差顯著減小，并低于美國目前用于西北太平洋的臺風(fēng)區(qū)域模式（HWRF）的預(yù)報誤差。采用新的動力初始化方案后，熱帶氣旋（TC）內(nèi)核結(jié)構(gòu)和雨帶分布更加接近衛(wèi)星和雷達觀測。具體方案包括，原有的TC動力初始化方案基礎(chǔ)上進一步拓展到包含地形影響的情況。當(dāng)TC中心距離地形150 ～450 km時，定義地形變量并且采用一種濾波算法將地形產(chǎn)生的不真實信號濾除，隨后進行渦旋分離。當(dāng)TC中心與地形相距150 ～300 km并且地形高度超過1 km，或者TC中心與地形間距小于150 km時，首先采用無地形的半理想數(shù)值積分增強軸對稱渦旋，隨后將增強的軸對稱渦旋與大尺度分析場合并，并復(fù)原地形信號。另外，為進一步減小TC初始誤差，在數(shù)值預(yù)報之前引入渦旋的尺度和強度調(diào)整。對2015年西北太平洋受地形影響的9個TC進行回報試驗。結(jié)果表明，新的動力初始化方案很大程度減小了TC的初始位置和強度誤差。相比控制性試驗，新的動力初始化試驗的72 h路徑誤差和36 h的強度誤差顯著減小，并且低于美國HWRF的預(yù)報誤差。同時采用新的動力初始化方案后，TC內(nèi)核結(jié)構(gòu)和雨帶分布更加接近衛(wèi)星和雷達觀測。（劉昊炎，王玉清，徐晶，端義宏）

4.9 臺風(fēng)“摩羯”誘發(fā)龍卷研究及其啟示

在我國，臺風(fēng)中的龍卷災(zāi)害尚未引起足夠關(guān)注。本研究結(jié)合氣象衛(wèi)星、多普勒天氣雷達和現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查等綜合觀測資料，給出了2018年登陸臺風(fēng)“摩羯”誘發(fā)的系列龍卷過程的多尺度渦旋特征，并基于無人機航拍影像展示了3種典型的龍卷致災(zāi)路徑特征及其潛在危害，指出了現(xiàn)有氣象觀測和預(yù)報體系在應(yīng)對臺風(fēng)龍卷災(zāi)害方面的不足。我國亟待加強針對龍卷可分辨尺度的天氣雷達觀測和數(shù)值預(yù)報模式的研究，從而揭示臺風(fēng)龍卷的生成機制及其可預(yù)報性，提高對龍卷災(zāi)害的有效預(yù)報、預(yù)警和防御能力。（姚聃，李建，吳翀）

4.10 臺風(fēng)外場觀測試驗

在災(zāi)害天氣國家重點實驗室主持的“973”計劃項目“登陸臺風(fēng)精細(xì)結(jié)構(gòu)的觀測、預(yù)報與影響評估”的支持下，實驗室與廣州市氣象局、廣州熱帶海洋氣象研究所、南京大學(xué)等聯(lián)合開展了2018年度登陸臺風(fēng)觀測試驗，對1822號超強臺風(fēng)“山竹”的大氣和海洋邊界層結(jié)構(gòu)、海氣交換和海洋飛沫等進行了觀測。主要觀測內(nèi)容如下。

博賀觀測試驗基地開展登陸臺風(fēng)大氣邊界層結(jié)構(gòu)和氣象要素觀測。采用C波段雙偏振多普勒雷達探測沿岸和近海臺風(fēng)期間的降水粒子的大小、分布、相態(tài)類型等參量，監(jiān)測臺風(fēng)內(nèi)部中小尺度強降水系統(tǒng)演變與降水強度和分布變化；采用X波段測波雷達探測5 km沿岸范圍內(nèi)高空間分辨率海表反射率、波高、波向、波長、流速和流向等；采用地波雷達獲取150 km范圍內(nèi)較低分辨率的海表反射率、波高、波向、波長、流速和流向。

采用GPS探空儀獲取了高頻率（不少于4 h/次）、高垂直分辨率（小于20 m/層）的大氣風(fēng)、溫、濕垂直結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；采用激光測風(fēng)雷達對臺風(fēng)邊界層三維風(fēng)速進行連續(xù)的、高時空分辨率的觀測，獲取臺風(fēng)邊界層三維風(fēng)速平均場和陣風(fēng)信息；采用微波輻射計對臺風(fēng)邊界層進行連續(xù)的、高時間分辨率的溫度、水汽和液態(tài)含水量探測，獲取臺風(fēng)邊界層至對流層的大氣層結(jié)信息。

另外，還開展了臺風(fēng)期間氣象背景要素觀測，為臺風(fēng)后續(xù)研究提供氣象和海洋背景信息。主要觀測項目包括：海島自動站探測海岸附近風(fēng)、溫、濕、壓和降水等要素；4分量輻射儀測量向下短波和長波、向上短波和長波輻射及凈輻射通量；云高儀測量臺風(fēng)云底高度；一維雨滴譜儀測量降水的粒子直徑、速度、分布密度、雨強、累積雨量；全天空成像儀獲取的逐小時天空狀況圖像信息。

近海平臺觀測。在距岸6.5 km、平均水深16 m的海上觀測平臺水上，采用4層超聲風(fēng)溫儀精確測量近海面不同高度上的三維風(fēng)速和虛溫脈動量（20 Hz），獲取近海面湍流結(jié)構(gòu)及其變化信息，提供臺風(fēng)的強風(fēng)陣性特征及其對海洋飛沫輸送作用的信息；作為輔助觀測，采用氣象要素梯度觀測系統(tǒng)進行近海面氣象要素梯度（5層）的觀測，獲取近海面風(fēng)、溫和濕度平均場的垂直分布數(shù)據(jù)。在海上觀測平臺水下部分，采用聲學(xué)波浪流速儀同步測量臺風(fēng)條件下的波高、波周期、波向和流速廓線等海面狀況參數(shù)；采用溫鹽梯度鏈觀測系統(tǒng)測量海洋邊界層溫度和鹽度垂直分布，獲取上層海洋層結(jié)狀況信息。

遠(yuǎn)海平臺觀測。利用距離海岸約100 km、10 m直徑的茂名大型海洋氣象浮標(biāo)作為觀測平臺及搭載氣象和水文傳感器，測量臺風(fēng)過程中近海水域的海面氣象要素和海表水文等要素的變化，測量的要素包括近海面風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓、降水量、波浪、海流、海表溫度和鹽度參數(shù)。（徐晶）

5 雷電研究

5.1 一種低頻閃電電場變化探測陣列的三維定位新方法

LF/VLF頻段全閃探測系統(tǒng)是近年來閃電探測技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，中國氣象科學(xué)研究院在廣州雷電野外實驗基地發(fā)展建設(shè)了由10個快電場變化測量儀組成的低頻閃電電場探測陣列（LFEDA）。通過引入經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法，對1 ms分段記錄的電場變化波形采取低頻濾波、高頻降噪處理，利用降時間窗口的二次互相關(guān)方法，發(fā)展了一種新的信號處理方法和定位算法，較大程度提升了Hilbert變換后閃電LF/VLF脈沖信號峰值時間提取的精確度和脈沖數(shù)量豐富度，從而提升了LFEDA系統(tǒng)對電場變化脈沖的定位精度和閃電發(fā)展通道的描繪能力。通過與舊算法的定位結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，該算法可以更充分地識別脈沖信號，降低脈沖峰值的時間誤差，得到更優(yōu)的定位結(jié)果：在時間誤差估計，限定的條件下，脈沖定位數(shù)量提升近7倍，定位輻射源的分布符合正態(tài)分布，95%置信區(qū)間為0 ～4，對應(yīng)定位空間誤差小于60 m；閃電通道連續(xù)性明顯改善，能夠清晰分辨閃電通道的發(fā)展特征和精細(xì)結(jié)構(gòu)。針對一次致人死亡的“晴天霹靂”閃電事件，LFEDA系統(tǒng)給出了精細(xì)的定位結(jié)果，與氣象部門調(diào)查的實際雷擊點的對比，客觀證明了LFEDA系統(tǒng)現(xiàn)有的定位性能：LFEDA系統(tǒng)給出了該次地閃的全部回?fù)舳ㄎ唤Y(jié)果，且在先導(dǎo)過程脈沖信號較弱的情況下描繪出了首次回?fù)舻南葘?dǎo)—回?fù)暨^程；多次回?fù)舻亩ㄎ唤Y(jié)果與實際調(diào)查雷擊點之間的水平最大誤差僅為57.3 m，最小誤差為2.67 m，平均誤差為26.7 m，回?fù)舳ㄎ唤Y(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為16.98 m。（范祥鵬，張義軍，鄭棟）

5.2 人工引雷初始階段上行正先導(dǎo)的電磁輻射特征研究

利用山東人工引雷實驗和廣東野外雷電綜合觀測試驗的觀測結(jié)果，對人工引雷初始階段上行正先導(dǎo)的電磁輻射特征進行了分析研究。根據(jù)近距離（100 m以內(nèi)）測量到的上行正先導(dǎo)磁場脈沖波形特征的不同，將其分成脈沖型和波紋型兩類，其中脈沖型脈沖能夠通過傳輸線模式進行模擬，表明脈沖型脈沖是由上行正先導(dǎo)對應(yīng)的電流脈沖沿著引雷鋼絲向下傳輸時輻射產(chǎn)生。由于在脈沖型脈沖階段之后，引雷鋼絲頭部形成一定長度的高阻抗先導(dǎo)通道，會對流經(jīng)其中的先導(dǎo)電流脈沖產(chǎn)生低通濾波效應(yīng)，進而導(dǎo)致脈沖型脈沖向波紋型脈沖的轉(zhuǎn)化。與磁場脈沖的單極性特征不同，近距離測量到的上行正先導(dǎo)所對應(yīng)的電場脈沖極性會隨著人工引雷觸發(fā)高度的不同而變化，即當(dāng)觸發(fā)高度低于“反轉(zhuǎn)高度”時呈現(xiàn)單極性特征，反之呈現(xiàn)雙極性特征，其原理與偶極子輻射中存在的“反轉(zhuǎn)距離”現(xiàn)象一致。（樊艷峰）

5.3 VHF寬帶閃電干涉儀的三維定位觀測

甚高頻閃電干涉儀能以高時間分辨率定位和觀測閃電放電的時空發(fā)展特征。特別是近來出現(xiàn)的連續(xù)滑動窗口處理接收信號的方法，使得干涉儀的二維定位結(jié)果在時間分辨率和完整性上進一步提高。然而簡單分析二維定位信息得到的結(jié)論存在不確定性。如果沒有其他三維閃電定位網(wǎng)絡(luò)的支持，雙站干涉儀可以作為獲取三維信息的一種選擇。本研究介紹了一種用于雙站寬帶干涉儀的三維閃電定位方法，該方法借鑒了經(jīng)緯儀高空測風(fēng)方法，并給出了定位精度的仿真結(jié)果。利用多基線連續(xù)二維和三維定位方法，給出了一次云內(nèi)閃電個例的定位結(jié)果以及61次地閃和80次云閃的起始高度統(tǒng)計結(jié)果。結(jié)果表明，兩站干涉儀在兩個站點之間的連接兩側(cè)具有較高的觀測精度。隨著輻射源和兩個站之間距離的增加或高度的降低，定位精度會下降。實際定位的結(jié)果類似于現(xiàn)有甚高頻到達時間差閃電定位網(wǎng)絡(luò)。（劉恒毅）

5.4 西北太平洋區(qū)域閃電活動的氣候特征

利用全球閃電定位網(wǎng)資料，研究了2005—2015年西北太平洋區(qū)域（定義為0°～55°N，100°～180°E）閃電活動的氣候特征。研究發(fā)現(xiàn)，閃電密度高值區(qū)分布在亞洲東南部沿海和熱帶島嶼地區(qū)。低緯度熱帶區(qū)域的閃電密度空間分布與降水空間分布存在較大差異。南海的閃電密度遠(yuǎn)高于西北太平洋深海地區(qū)，且閃電密度日變化峰值提前3 h。西北太平洋區(qū)域閃電活動具有明顯的季節(jié)變化特征，在季風(fēng)前期中印半島和南海的閃電密度迅速增大，閃電活動存在緯向的季節(jié)移動。月變化顯示西北太平洋區(qū)域閃電最活躍時段為7—9月，這與降水率的月變化特征一致。海陸閃電活動日變化差異較大。南海區(qū)域具有不同與陸地和海洋的、其自身閃電活動季節(jié)變化和日變化特征。西北太平洋區(qū)域的熱帶氣旋閃電活動存在兩個大值區(qū)，分別位于菲律賓以東海域和中國南部海域，表明熱帶氣旋進入南海登陸期間會產(chǎn)生較強的閃電活動。熱帶氣旋閃電的平均貢獻率為4.9%，其中熱帶風(fēng)暴閃電貢獻率最大。在ENSO事件對閃電氣候分布的影響方面發(fā)現(xiàn)，El Ni?o期間西北太平洋區(qū)域閃電密度比氣候平均值增加10.3%，而La Ni?a期間平均閃電密度減少4.8%。南海區(qū)域閃電活動對ENSO的響應(yīng)最為敏感。相比El Ni?o，南海區(qū)域閃電活動在La Ni?a期間呈現(xiàn)出向北移動的特點。（張文娟，張義軍）

5.5 觸發(fā)閃電大電流M事件的放電過程和特征

在大電流M分量如何始發(fā)問題上至今沒有統(tǒng)一的結(jié)論。為了更好地理解大M分量的成因，基于甚高頻連續(xù)干涉儀、電場變化、通道電流和高速攝像觀測，獲得了18次觸發(fā)閃電中212次M放電事件的觀測結(jié)果，精確分析了M分量的電流特征和相關(guān)放電過程。其中68次M放電事件（28%）峰值電流超過1 kA，其電流峰值、電流脈沖寬度、10%～90%上升時間、半峰寬、轉(zhuǎn)移電荷量、距離回?fù)舻臅r間間隔以及背景電流的幾何平均值分別為2.358 kA、0.627 ms、0.078 ms、0.165 ms、0.417 C、2.172 ms和579 A。對比其他M事件，大峰值電流M事件在回?fù)艉蟮母淌录?nèi)發(fā)生，并且電流變化更快。3次M事件放電過程個例揭示，大的M事件可能由速度為107 m/s的快正流光和伴隨的回傳事件始發(fā)，也可能由連續(xù)電流通道仍存在條件下的直竄先導(dǎo)始發(fā)。M電流脈沖上升時間小于300 μs是大M事件存在的必要非充分條件，快的M電流脈沖常常對應(yīng)低的或近的匯入位置。（張陽，張義軍，鄭棟）

5.6 NBE和IBP始發(fā)的閃電初始特征

閃電如何始發(fā)是雷電物理研究的熱點，基于閃電低頻電場探測陣列（LFEDA）所獲得的全閃三維定位數(shù)據(jù)和波形，研究了一次雷暴過程中具有明顯始發(fā)脈沖的閃電初始放電特征和放電規(guī)律。結(jié)果表明，212例近距離云閃和地閃中，32例（占15%）閃電由窄偶極性放電事件（NBE）始發(fā)；180例（占85%）閃電由初始擊穿脈沖始發(fā)。作為始發(fā)的NBE（INBE），其相對孤立并且相對幅度大，INBE與后續(xù)閃電的第一個脈沖的時間間隔為7 ms，幅度比為3.5，遠(yuǎn)大于FIBP相對應(yīng)的時間間隔0.6 ms和幅度比0.8，且INBE后常常跟隨傳統(tǒng)的IBP脈沖。大多數(shù)正極性INBE與FIBP對應(yīng)初始向上發(fā)展的閃電，而負(fù)極性對應(yīng)初始向下發(fā)展的閃電。INBE始發(fā)閃電前15 ms的平均發(fā)展速度隨始發(fā)高度的增大而減小，且快于FIBP，這與INBE具有更快的速度相關(guān)。INBE速度估計為4.7×107m/s，F(xiàn)IBP為1.5×107m/s，兩者速度差異也體現(xiàn)在脈沖上升時間方面，INBE具有更快的上升沿。（張陽，張驍，張義軍）

5.7 一次由正地閃觸發(fā)的廣州塔上行閃電的三維光學(xué)觀測

在地面電場達到一定強度或者云內(nèi)、云地之間的放電過程引起地面環(huán)境電場瞬間變化達到一定強度時，高建筑物頂端或地面上高大物體上部就有可能產(chǎn)生上行閃電?；陔p站光學(xué)、電場和雷達資料，對一次由正地閃引起的廣州塔（600 m）上行閃電進行了多參量的觀測。由雙站光學(xué)系統(tǒng)獲得的上行閃電通道和正地閃部分水平閃電通道被三維重建，提供了正地閃過程如何觸發(fā)廣州塔上行閃電的空間位置信息。上行閃電發(fā)生在颮線系統(tǒng)后面的尾隨層狀云區(qū)域，該區(qū)域的雷達回波強度相對較弱（30 ～40 dBz），最強雷達回波中心的高度約為4 km。從光學(xué)記錄來看，正地閃水平閃電通道的二維長度超過17.2 km，三維重建部分的長度約為3660 m，其高度沿發(fā)展方向從3410 m增加到4170 m，平均高度為3640 m。基于上述結(jié)果以及文獻中對層狀區(qū)域電荷結(jié)構(gòu)的研究，推斷正電荷層的高度與最強回聲中心的高度大致相同。（齊奇，呂偉濤，武斌）

5.8 建筑物高度對地閃回?fù)綦姶艌鲇绊懙哪M

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和城市化進程的不斷加速，城市地區(qū)的高建筑物逐年增多。由于高建筑物會吸引附近的閃電且產(chǎn)生上行閃電，一次雷暴過境時，高建筑物可能會遭受多次雷擊，從而導(dǎo)致高建筑物附近區(qū)域的雷電電磁環(huán)境比較惡劣。因此，開展高建筑物雷電研究對于建筑物附近設(shè)備和線纜的雷電防護具有重要意義。基于三維時域有限差分?jǐn)?shù)值算法（FDTD），建立了雷擊高建筑物電磁場傳播模型，通過考慮建筑物不同高度情況（100 ～600 m），研究了負(fù)地閃擊中不同高度建筑物時回?fù)舸怪彪妶觥⒔窍虼艌鲆约八诫妶鲅氐乇淼膫鞑ヒ?guī)律。模擬雷電流幅值為11 kA，10%～90%上升沿時間為0.15 μs。模擬結(jié)果表明：建筑物高度對雷電電場峰值的影響顯著，當(dāng)建筑物高度從100 m增加到600 m時，在距離d=100 m位置的垂直電場峰值從8.59 kV/m減小至3.41 kV/m（減小比例為63%），水平電場正極性峰值從0.70 kV/m增大到1.29 kV/m（增加比例為84%），而水平電場負(fù)極性峰值的絕對值增加比例高達130%；當(dāng)觀測點到雷電通道距離不變時，角向磁場峰值和水平電場正極性峰值均會隨著建筑物高度的增大而增大；而對于距離d=100 m和d=300 m時，垂直電場的峰值隨著建筑物高度的增大而減小，并且當(dāng)d=500 m時，垂直電場峰值隨著建筑物高度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。此外，建筑物高度會影響垂直電場峰值對距離的敏感程度，建筑物越低（高），相應(yīng)的垂直電場峰值隨著觀測點距離的增大衰減越劇烈（緩慢）。研究結(jié)果為高建筑物附近電力線纜和電子設(shè)備的雷電防護設(shè)計提供了參考。（宿志國，呂偉濤，陳綠文）

5.9 野外雷電觀測試驗

災(zāi)害天氣國家重點實驗室聯(lián)合廣東熱帶海洋氣象研究所在廣州建設(shè)了包括從化人工引雷試驗場、從化氣象局雷電觀測站以及廣州高建筑物雷電觀測站3個部分組成的野外雷電試驗基地，開展人工觸發(fā)閃電試驗以及自然閃電綜合觀測試驗。2018年廣州雷電試驗基地正式命名為“中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗基地”。災(zāi)害天氣國家重點實驗室2018年度人工引雷試驗順利結(jié)束，共成功引雷27次，為歷年最高。本年度人工引雷試驗主要關(guān)注雷電發(fā)生發(fā)展的物理過程以及雷電放電所引起的電磁效應(yīng)。引雷試驗場及從化氣象局觀測主要包括低頻磁天線、連續(xù)干涉儀、快慢天線、大氣電場、高速攝像及雷電流的相關(guān)測量。根據(jù)觀測需要，2018年度人工引雷試驗場新建近距離光學(xué)觀測點1個，可有效提升對人工觸發(fā)閃電通道起始階段的觀測能力。閃電成像陣列（LMA）首次在中國組網(wǎng)運行。國內(nèi)首套閃電成像陣列在廣州雷電野外科學(xué)試驗基地落戶。該陣列是一種長基線時差法雷電甚高頻（VHF）輻射源定位系統(tǒng)，由災(zāi)害天氣國家重點實驗室率先引進，在廣州市從化區(qū)、增城區(qū)、花都區(qū)完成架設(shè)組網(wǎng)，其試驗運行將大大推動雷暴起電、閃電放電機制以及強對流天氣研究及認(rèn)識的深入。災(zāi)害天氣國家重點實驗室雷電團隊此次架設(shè)組網(wǎng)的LMA陣列共有10個子站，布設(shè)在從化人工引雷試驗場周圍50 km范圍，用于人工觸發(fā)閃電的精確定位，也為雷暴電活動觀測提供寶貴的精細(xì)定位資料，具有非常重要的科研價值。（呂偉濤，張陽，徐良韜，范祥鵬）

6 模式和再分析資料

6.1 適用于非均勻網(wǎng)格的正定平流傳輸算法

正定平流傳輸算法（MPDATA）最早由Piotr K.Smolarkiewicz在1983年所提出，用來高效求解大氣動力學(xué)模式中非負(fù)熱力學(xué)變量（如液態(tài)水或水蒸汽）的平流傳輸問題。一般大氣模式中處理非負(fù)物理量平流傳輸方法有3種：（1）引入約束性條件，人工抹去間斷性。（2）引入小量，置負(fù)為正。前2種方法會出現(xiàn)破壞精度、破壞守恒性等問題。（3）采用具有正定特點的數(shù)值算法來求解平流方程，例如MPDATA。該算法能夠在保證精度，守恒性的前提下，求解平流方程，確保數(shù)值解始終在不變緊集合中 。現(xiàn)有的MPDATA算法對非均勻網(wǎng)格不相容，導(dǎo)致數(shù)值算法達不到設(shè)計的精度要求。本研究首先分析現(xiàn)有MPDATA算法對于非均勻網(wǎng)格的不足，即一階數(shù)值格式的相容性缺失和邊界導(dǎo)數(shù)逼近的相容性缺失。繼而提出適用于非均勻網(wǎng)格的MPDATA算法，該算法針對非均勻網(wǎng)格的特點，參考Well-Balance中心格點算法的思想，設(shè)計出適用于一維、二維復(fù)雜網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的MPDATA算法。通過數(shù)學(xué)分析證明了該算法的相容性和正定保形性 。最后通過數(shù)值模擬驗證了理論結(jié)果。（原新鵬，謝元富）

6.2 基于風(fēng)塔觀測的近地層穩(wěn)定度分析

近地層穩(wěn)定度是許多模式中定義邊界層高度、大氣湍流狀態(tài)和大氣擴散能力的重要參數(shù)。不同穩(wěn)定狀態(tài)也會影響中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展、城市熱島效應(yīng)和風(fēng)能評估。本研究利用2009—2016年全國鐵塔的風(fēng)速和溫度分層數(shù)據(jù)，計算并分析了近地層穩(wěn)定度情況。計算之前，對所用數(shù)據(jù)進行了質(zhì)量控制。利用風(fēng)塔質(zhì)控后的兩層風(fēng)速和溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)莫寧—奧布霍夫相似理論，可以計算得到莫寧—奧布霍夫長度。根據(jù)MODIS地表覆蓋率數(shù)據(jù)及下墊面粗糙度長度經(jīng)驗值，可得到全國及站點最近格點的下墊面粗糙度長度估值。結(jié)合下墊面粗糙度長度，可建立莫寧—奧布霍夫長度和Pasquill穩(wěn)定度分類的關(guān)系，進而得到穩(wěn)定度分類結(jié)果。不同時段和不同地區(qū)的穩(wěn)定度特征存在較大差異，春夏季不穩(wěn)定發(fā)生概率最高的時間較秋冬季早；西北地區(qū)不穩(wěn)定發(fā)生最大概率的時刻為當(dāng)?shù)貢r間10:00，東南地區(qū)約當(dāng)?shù)貢r間01:00。不同地區(qū)及季節(jié)的不同特征與地表類型、潛熱量、大氣氣溶膠含量和云覆蓋量有密切關(guān)系，這項工作對于我們了解近地層特征和相關(guān)研究領(lǐng)域有重要意義。（李建，郭建平）

6.3 評估陸面模式子物理過程及其不確定性對模式表現(xiàn)的影響

陸面模式描繪陸地—大氣間的能量、水量、動量的交換，是氣候模式不確定性的主要來源。同時，模式結(jié)構(gòu)不確定性，源于使用不同參數(shù)化方案描述同樣的物理子過程，是陸面模式不確定性的主要來源。為了歸因模式結(jié)構(gòu)誤差和參數(shù)化方案不確定性，識別關(guān)鍵子物理過程并研究這些物理過程對陸面模式表現(xiàn)的影響是至關(guān)重要的。本研究選用FLUXNET的92個站點來構(gòu)建參數(shù)化方案集合模擬，并使用基于方差的敏感性分析方法來定量地評估Noah-MP陸面模式中參數(shù)化方案不確定性對模型表現(xiàn)的影響。結(jié)果表明：（1）陸表交換系數(shù)、徑流和地下水以及地表阻抗是對Noah-MP模擬感熱通量、潛熱通量和凈輻射的能力最重要的子物理過程。（2）對于一些站點，子物理過程間交互作用對模式表現(xiàn)方差的貢獻可以多達50%。這個發(fā)現(xiàn)強調(diào)了考慮物理過程交互作用對于改進陸面模式的重要性。（3）對于全球陸面模擬，本研究推薦一個統(tǒng)計上最優(yōu)的參數(shù)化方案組合。同時，對于不同區(qū)域甚至相鄰的站點，最優(yōu)參數(shù)化方案存在差異。（李劍鐸，張果，陳飛）

6.4 Henye-Greenstein近似對冰云短波輻射計算的影響

基于新的多形狀冰云參數(shù)化方案和BCC-RAD輻射傳輸模式，詳細(xì)分析了在輻射傳輸算法中通常使用的HG （Henye-Greenstein）近似對冰云短波輻射傳輸過程的影響。對于單個冰晶粒子光學(xué)性質(zhì)，HG近似對相函數(shù)勒讓德展開式第3和第4項系數(shù)計算造成了較大誤差，最大誤差分別為-0.28和-0.33，最大相對誤差分別為-55.7%和-73.8%。第4項系數(shù)的誤差絕對值和相對值均高于第3項系數(shù)。進一步分析發(fā)現(xiàn)，HG近似在可見光區(qū)造成的誤差高于近紅外區(qū)。對于冰云體積光學(xué)性質(zhì)，HG近似同樣對第3項和第4項系數(shù)造成了較大的誤差，最大誤差分別為-0.18和-0.22，最大相對誤差分別為-27.9%和-37.1%。第4項系數(shù)的誤差高于第3項系數(shù)，可見光區(qū)誤差高于近紅外區(qū)，與對單個冰晶粒子光學(xué)性質(zhì)的影響一致。HG近似也對有云大氣的輻射傳輸過程計算造成了較大的誤差。對短波向下輻射通量造成的最大誤差為-2.78 W/m2，對短波向上輻射通量造成的最大誤差為-1.06 W/m2，對短波加熱率造成的最大誤差為0.27 K/d。HG近似低估了短波輻射通量量，高估了云內(nèi)加熱率。因此，在冰云輻射傳輸計算中需精確描述相函數(shù)。（陳琪，張華）

6.5 利用中尺度起放電模式開展閃電活動的直接預(yù)報試驗

利用耦合有起電和放電物理過程的中尺度起電放電模式WRF-Electric，開展了華北地區(qū)連續(xù)3年（2015—2017年） 的閃電活動預(yù)報試驗。結(jié)合全國地閃定位觀測資料，針對不同影響范圍雷暴類型和預(yù)報時間，對數(shù)值預(yù)報結(jié)果開展定性和定量的分析。結(jié)果表明，WRF-Electric中尺度模式具備一定的區(qū)域閃電活動預(yù)報能力，在起報后的6 ～12 h對閃電活動區(qū)域具有較好的預(yù)報效果。雷暴落區(qū)預(yù)報的點對點定量檢驗中，模式預(yù)報在華北主汛期（6—8月）的預(yù)報臨界成功指數(shù)（CSI）為0.1，達到業(yè)務(wù)預(yù)報水平。模式預(yù)報的閃電活動范圍相對集中，閃電活動密度偏高，預(yù)報的主要問題存在于放電參數(shù)化方案的設(shè)計。應(yīng)當(dāng)考慮到模式空間分辨率對云內(nèi)電場強度的影響，合理降低閃電參數(shù)化中的放電閾值以擴大預(yù)報的閃電活動范圍。模式在閃電密度的定量預(yù)報上還有較大改進空間，單次放電中和電荷量應(yīng)當(dāng)更符合觀測事實。（徐良韜，姚雯）

6.6 東亞區(qū)域大氣再分析技術(shù)研究及資料集建設(shè)

東亞區(qū)域大氣再分析研究從資料搜集、同化系統(tǒng)、數(shù)值模式、檢驗評估4個方面完善了東亞區(qū)域大氣再分析系統(tǒng)。在觀測數(shù)據(jù)方面，完善了陸地、海洋、飛機報觀測數(shù)據(jù)，開展數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量控制。將地面數(shù)據(jù)和海洋數(shù)據(jù)寫成1 h間隔的little-r格式進入同化系統(tǒng)；將飛機報合并到探空資料，形成統(tǒng)一prepbufr格式，應(yīng)用于GSI同化系統(tǒng)。完成了2011年以來雷達觀測數(shù)據(jù)的收集，同時完成了2014年全年的雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和格式轉(zhuǎn)換，開展了雷達徑向風(fēng)同化和反射率云分析試驗，并開始實施雷達資料在再分析中的應(yīng)用試驗。在同化系統(tǒng)方面，優(yōu)化了地面觀測資料和高空資料同化方法，其中地面觀測資料采用1 h間隔nudging，高空觀測采用3 h變分同化；同時對GSI同化系統(tǒng)進行了本地化處理。在數(shù)值模式方面，結(jié)合觀測資料時間窗，調(diào)整了模式nudging相關(guān)配置，實現(xiàn)了時間間隔為1 h的地面觀測資料在東亞區(qū)域大氣再分系統(tǒng)中的應(yīng)用；綜合前期的全部研究成果，進一步梳理和優(yōu)化再分析系統(tǒng)流程和參數(shù)配置，固化了東亞區(qū)域大氣再分析系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，完成了為期5年的區(qū)域再分析數(shù)據(jù)集及其評估。評估結(jié)果顯示，與ERA-Interim資料比較，東亞區(qū)域大氣再分析偏差均有減小，明顯改善了東亞地區(qū)大氣再分析資料的質(zhì)量。此外，東亞區(qū)域大氣再分析年降水空間分布和季節(jié)變化更接近觀測。（尹金方，梁旭東，謝衍新）

6.7 天氣氣候一體化模式關(guān)鍵技術(shù)研究

針對模式的科學(xué)設(shè)計和目標(biāo)用途，將框架主體分為用于構(gòu)建底層功能支撐的基礎(chǔ)層和用于實例化頂層模式原型的驅(qū)動層2層結(jié)構(gòu)。在基礎(chǔ)層內(nèi)部包含模式的網(wǎng)格設(shè)置、基本算子、讀寫功能和并行方法等功能。驅(qū)動層則包含若干獨立的模式原型。針對框架系統(tǒng)的整體設(shè)計，對各個分量組件進行了部署。將模式內(nèi)部組件所依賴的關(guān)鍵算法進行提取，分解為若干子模塊。模式的并行化部署與無錫超級計算中心合作開展，建立起并行版本計算框架。嚴(yán)格保證程序的串行和并行版本的計算一致性。開展了基于準(zhǔn)均勻二十面體網(wǎng)格的球面離散化算法研究。在水平平流模塊中，設(shè)計、研究并發(fā)展了基于2階和4階次網(wǎng)格多項式重構(gòu)的高精度時空—分離類有限體積算法，通量半拉格朗日型算法，以及保形正定類算法。采用國際通行的球面線性平流標(biāo)準(zhǔn)，對這些算法進行了理想測試。在多種類型的初值分布（如連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)、強間斷場）和氣流環(huán)境（變形流和剛體平移流）下，這些算法表現(xiàn)出較好的計算結(jié)果。采用雙場相關(guān)性保持這一實現(xiàn)測試指標(biāo)，檢驗了框架目前所支持的幾個水平傳輸算法在有無單調(diào)限制情況下對雙場相關(guān)性的模擬能力，顯示出很好的模擬效果。針對正壓淺水模擬，在現(xiàn)有的能量守恒科氏力重構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用高精度迎風(fēng)位渦通量算子，有效地改善了淺水波模擬中的計算Rossby模態(tài)，并提高了模式對渦度場的模擬能力。特別地，模式顯示出對非線性渦度傳輸?shù)牧己媚M效果。采用碰撞渦旋算例對框架進行了測試，模式可以準(zhǔn)確穩(wěn)定地模擬出渦旋的旋轉(zhuǎn)特征。基于水平算法研究，發(fā)展了滿足科學(xué)性指標(biāo)的球面二維淺水模式框架，是發(fā)展三維框架的重要前提環(huán)節(jié)之一。在淺水版本框架的基礎(chǔ)上，初步發(fā)展了三維大氣干動力框架?；谫|(zhì)量坐標(biāo)體系，將靜力和非靜力模塊進行分解。采用三維有限體積觀點進行模式的離散化，實現(xiàn)整層離散的三維模式框架，為后續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。（張祎）

7 衛(wèi)星研究與應(yīng)用

7.1 快速輻射傳輸模式

當(dāng)前廣泛用于衛(wèi)星遙感和數(shù)據(jù)同化的快速輻射傳輸模式都是標(biāo)量模式，由于其忽略極化影響在很多情況下可能導(dǎo)致模擬結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，所以很有必要建立新的快速矢量輻射傳輸模式。目前中國第一代快速輻射傳輸模式ARMS已經(jīng)初步研發(fā)了測試Beta版。模式集成了包括P2S （帶偏振的二流模式）、VADA （矢量倍加模式）和VMOM （矢量矩陣算子模式）等多個矢量輻射傳輸求解方案，同時還集成了陸地和海洋表面發(fā)射模塊。對模式的測試和比較發(fā)現(xiàn)，P2S的求解速度快、精度高，能夠作為ARMS快速輻射傳輸求解的基本模塊。ARMS-P2S對單個大氣廓線模擬FY-3D MWTS 13個通道的亮溫與美國的CRTM模擬結(jié)果在陸面和海洋地表情況下都具有很好的一致性。（翁富忠，丁守國，董佩明）

7.2 衛(wèi)星資料同化關(guān)鍵技術(shù)研究

FY-3D攜帶的微波溫度、濕度探測儀MWTS和MWHS對于天氣應(yīng)用具有重要價值，目前這些數(shù)據(jù)已開放投入業(yè)務(wù)運用。但是，與AMSU和ATMS不同的是，F(xiàn)Y-3D微波探測沒有設(shè)計低頻的23.8 GHz和31.4 GHz通道，從而使得反演獲取云液態(tài)水含量等信息具有較大難度。另外，MWTS和MWHS是在各自觀測像元上的不關(guān)聯(lián)觀測，這些都導(dǎo)致了使用者很難進行質(zhì)量控制和匹配使用等問題。采用機器學(xué)習(xí)技術(shù)重構(gòu)FY-3D微波探測23.8 GHz和31.4 GHz通道亮溫，并通過Backus-Gilbert重采樣技術(shù)實現(xiàn)MWTS和MWHS像元匹配，構(gòu)造出了新的組合微波探空數(shù)據(jù)集CMWS（Combined MicroWave Sounder）。新的FY-3D CMWS數(shù)據(jù)集共有包含23.8 GHz和31.4 GHz在內(nèi)的30個微波探測通道，并已轉(zhuǎn)化為國際通用的BUFR數(shù)據(jù)格式。由CMWS導(dǎo)出的基于衛(wèi)星觀測的整層可降水量和云中液態(tài)水含量量級和分布合理，與ATMS導(dǎo)出結(jié)果具有較好的一致性，CMWS反演溫度也很好地揭示出臺風(fēng)溫度異常結(jié)構(gòu)。CMWS數(shù)據(jù)和對應(yīng)的快速輻射傳輸模式系數(shù)已提供上海應(yīng)用氣象研究所，有力地推動了FY-3D衛(wèi)星資料在臺風(fēng)區(qū)域數(shù)值預(yù)報中的同化應(yīng)用。（楊俊，董佩明，翁富忠）

7.3 臺風(fēng)熱力結(jié)構(gòu)反演技術(shù)

星載微波探測儀具有一定的穿云透雨能力，對于海上天氣系統(tǒng)的監(jiān)測具有重要意義。我國是臺風(fēng)災(zāi)害多發(fā)國家，但西北太平洋海域缺少業(yè)務(wù)化飛機觀測，因此星載微波探測儀對該海域臺風(fēng)的監(jiān)測尤其重要。然而，已有研究中由于缺乏對臺風(fēng)低層散射過程的考慮，造成微波儀器反演的臺風(fēng)溫濕結(jié)構(gòu)在低層存在較大誤差。基于以上考慮，本研究在傳統(tǒng)一維變分反演算法中加入基于不同散射類型計算的背景場、背景場協(xié)方差矩陣以及正演模式誤差矩陣，并結(jié)合微波儀器自身的云識別算法搭建了場景自適應(yīng)的一維變分反演系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用ATMS儀器對大西洋海域颶風(fēng)進行反演批量試驗結(jié)果表明，使用場景自適應(yīng)的一維變分算法反演得到的臺風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)更加合理，颶風(fēng)內(nèi)核區(qū)低層溫度和濕度反演誤差分別減小至3 K和2.5 g/kg以內(nèi)。在西北太平洋海域，分別采用ATMS儀器以及FY-3D CMWS產(chǎn)品對臺風(fēng)Maria進行反演試驗。結(jié)果表明，CMWS也可以反演出合理的暖心結(jié)構(gòu)，暖心位置和高度與ATMS反演的結(jié)果類似，但暖心強度略弱。（翁富忠，胡皓，楊?。?/p>