中国气象科学研究院雷达气象研究50年

该文回顾了自20世纪50年代以来,中国气象科学研究院在模拟信号的天气雷达、数字化天气雷达、多普勒雷达和雷达新技术如双线偏振雷达、双基地多普勒雷达等雷达技术研究及其在冰雹、暴雨、台风等中尺度天气过程的监测和临近预报等方面的应用工作,特别介绍了近年来开展的针对暴雨、台风的中尺度外场试验、双多普勒雷达和双多基地多普勒雷达技术在风场中尺度结构中的应用、双线偏振雷达在云和降水微物理结构探测中的应用、新一代天气雷达三维数字组网及临近预报方法研究等工作;对中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室在雷达气象领域研究的未来进行了分析和展望。

气候统计诊断与预测方法研究进展——纪念中国气象科学研究院成立50周年

概述了近50年来中国气象科学研究院在气候统计诊断与预测方法方面的研究进展。20世纪60年代,我国气候学者引入统计学方法,结合我国的气候特点,开展了气候统计分析与预测的研究;70年代至80年代期间,中国气象科学研究院首先将模糊集理论和灰色系统推向大气科学的各个领域,并在应用推广工作中做出了积极的努力;进入20世纪90年代,利用气候统计诊断与预测新方法对气候系统进行更深入地研究,得到许多新的观测事实,不仅涉及气候趋势与突变诊断、年代际振荡,多尺度变率相互作用,还涉及气候异常成因的研究。同时,提出和发展了一系列统计预测的新方法,并已在气候业务预测和气象决策服务中发挥了作用。

灾害天气国家重点实验室建设进展

中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室2005年3月22日正式进入建设阶段。实验室主任为气科院院长张人禾研究员，常务副主任为从海外招聘的王东海博士，数值预报研究中心主任陈德辉和灾害天气研究所所长刘黎平担任实验室副主任。为加强实验室与海外气象界的合作，聘请了美国马里兰大学气象系的张大林教授任实验室海外主任。目前全室有固定人员31人，流动人员（包括在读硕士、博士、博士后）58人以及全职客座人员8人已全部到位。

灾害天气国家重点实验室通过科技部组织的建设期验收

灾害天气国家重点实验室2007年8月29日正式接受．科技部组织的建设期验收。验收会由科技部基础研究管理中心张峰主持，中科院大气物理研究所符淙斌院士任验收专家组组长。两年来实验室通过公开招聘、人才引进等方式健全了领导班子、确定了关键岗位、成立了实验室学术委员会及顾问专家组，完成了实验室人员队伍和机构建设；建立、健全了一系列管理规章制定；圆满完成了建设任务书中的基本科研能力建设任务，主要包括：

中国暴雨的科学与预报:改革开放40年研究成果

总结了改革开放以来中国学者在暴雨科学与预报领域取得的重要研究进展和主要成果。其中,暴雨机理研究成果从重要天气系统、中国主要区域的暴雨、台风暴雨等3个方面分别进行综述,而暴雨预报技术研发与应用则从中国数值天气预报发展和暴雨预报客观方法两方面进行归纳。

中国农业洪涝灾害研究进展

农业洪涝灾害是国内外灾害研究的重要分支领域。该文采用分类归纳总结已有研究成果并与观测事实相佐证的方法,从农业洪涝相关概念出发,系统阐述了中国农业洪涝灾害的研究进展,评述了气候变暖对中国农业洪涝灾害的影响。基于影响作物及发生时段,中国农业洪涝灾害可分为影响越冬作物的春涝、影响夏播夏收和夏季作物生长的夏涝及影响秋播秋收作物的秋涝。农业洪涝灾害的形成及强度,是天气气候、作物抗涝性、地形地貌、土壤结构及人类活动等多种因素综合作用的结果;气候变暖背景下,中国农业洪涝成灾率呈南方增强北部减缓的趋势,总体呈上升趋势;一方面与极端降水事件的变化有直接关系,另一方面受作物气候适宜性变化等的间接影响。农业洪涝灾害的致灾机理包括物理性破坏、生理性损伤及生态性危害。其影响包括对农业生产环境、作物生态生理和生长发育的影响及诱发病虫害等。气候变化背景下的农业洪涝综合性指标、基于灾变过程的综合风险评估及气候变暖对不同作物洪涝灾害的影响事实将是未来重点研究方向。

“我国重大天气灾害形成机理与预测理论研究”取得的主要研究成果

国家重点基础研究发展计划项目“我国重大天气灾害形成机理与预测理论研究”经过项目全体科学家的5年研究,取得了一系列重要的研究成果:①提出了基于多种实时观测资料的梅雨锋暴雨的多尺度物理模型;②建立了梅雨锋暴雨的天气学模型;③梅雨锋是由多个不同尺度系统构成的梅雨锋系,它具有介于温带锋系结构与热带辐合带结构之间的副热带锋系结构,在长江中下游可以有时表现为双峰结构。锋前的湿物理过程与锋上强对流系统发展形成的正反馈过程以及梅雨锋系的不同尺度系统的相互作用是梅雨锋维持与发展的重要机制;④提出了多种中尺度暴雨的定量卫星遥感反演理论和方法,并形成一系列新的反演产品;⑤成功地研究了双多普勒雷达同步探测和反演中尺度暴雨三维结构的理论和方法;⑥发展了配有三维变分同化系统的中尺度暴雨数值预报模式系统,在2003年淮河抗洪救灾中发挥了积极作用;⑦成功组织了2001/2002年长江中下游梅雨锋暴雨野外科学试验,在野外试验中还开展了中日国际合作,在此基础上项目建立了规范、完善、使用便捷的暴雨野外试验数据库,实现了数据共享。

2001—2020年中国月尺度热带气旋灾害时空变化特征研究

在全球变暖背景下,西北太平洋和南海热带气旋(TC)移动路径发生了明显变化。中国社会经济迅速发展导致承灾体暴露度增加,中国TC灾害的时空分布呈现新的特征。利用2001—2020年中国省级TC灾害损失资料,对比分析了前后10年中国月尺度TC灾害的时空分布特征。结果表明:中国7—9月的TC灾害损失占全年总损失的84%以上,大部分省(区、市)TC灾害损失峰值出现在8月,但广西峰值出现在7月,海南、内蒙古和黑龙江出现在9月;中国致灾TC(DTC)中有15%未登陆中国,未登陆DTC在海南发生频次最高,在黑龙江造成的损失最重;与2001—2010年相比,2011—2020年中国DTC年频数增加,其中未登陆DTC年频数增加,登陆DTC年频数减少,但8月登陆和未登陆DTC频数均增加;受西北太平洋和南海TC活动路径变化的影响,2011—2020年中国8月DTC灾害损失更突出,未登陆DTC影响增大,DTC影响范围向北扩展,给中国TC灾害预报预警和防台减灾工作带来更严峻的挑战。

2021年秋季中国气候异常特征及主要气象灾害

利用1961—2021年中国区域2400余站地面气象常规观测资料,根据2019年中国气象局发布的《区域性重要过程监测和评价业务规定》,对2021年秋季中国气候基本概况及主要气象灾害进行全面分析。结果表明:(1)2021年秋季,中国气候状况总体偏差,平均气温较常年同期偏高,平均降水量较常年同期偏多;由于台风登陆个数偏少,且强降水以及冷空气过程影响区域叠加累积效应显著,导致北方部分省份雨、雪和冰冻灾害影响明显高于南方。(2)2021年秋季,我国气象灾害形势复杂严峻,极端天气气候复合事件多发,以暴雨洪涝、高温干旱、低温冰冻雨雪灾害为主,灾害极端性和区域性特征显著。区域暴雨过程较常年同期偏多4.2次,北方多地发生罕见秋汛,山西、陕西等地洪涝灾害较重;阶段性区域高温天气多发,区域高温过程较常年同期偏多2.4次,导致江南、华南高温干旱复合发展;寒潮过程较常年同期偏多1.2次,过程影响区域叠加累积效应显著,东北三省和内蒙古部分地区雪情较重。

农业气象灾害监测预测技术研究进展

农业气象灾害的监测预测是灾害评估和防控的基础和前提,因此,农业气象灾害的监测预测研究长期以来一直是农业气象研究工作的重点领域。该文系统回顾了我国农业气象灾害的指标、监测技术和预测预警技术等方面的相关进展和成果,提出当前存在的主要问题:农业气象灾害的基础性研究仍然十分薄弱,农业气象灾害指标对致灾因子的概括性尚不足,农业气象灾害监测的精细化程度有待进一步提高,临近预警技术缺乏,气候变化背景下农业气象灾害的新规律揭示不够。该文同时指出未来应加强农业气象灾害综合指标的研究,强化农业气象灾害的预测预报研究,构建农业气象灾害实时预警技术体系,构建农业气象灾害立体、动态监测体系,关注气候变化背景下农业气象灾害风险变化评估研究,加强气象或气候预测信息在农业气象灾害预测中的应用技术研究。

国家自然科学基金大气科学学科二级申请代码下设研究方向与关键词解读:D0511大气数值模式发展

为响应国家自然科学基金委员会“优化学科布局”改革,大气科学学科于2020年完成了申请代码调整,明确了“分支学科”“支撑技术”“发展领域”三大板块的新布局。调整后大气数值模式发展被设置为“支撑技术”板块中的独立代码(D0511)。大气数值模式本质是基于物理或化学过程,应用数值算法求解偏微分方程组的数值解。大气数值模式发展应以攻克关键核心技术为导向,提升我国在该领域综合国际竞争力。为了服务大气数值模式发展领域的基金项目申请和评审,推动学科进一步发展,本文对国家自然科学基金大气科学学科二级申请代码D0511大气数值模式发展下设的研究方向和关键词进行了解读。系统介绍了D0511的设置背景、下设研究方向及关键词的总体框架。在对关键词进行解读的同时,基于文献计量方法和Web of Science数据库对该代码下不同方向的词频和研究热点进行了分析和讨论。结合近两年申请情况分析了关键词的使用情况,并就关键词的选择和优化提出了建议。后续还将在关键词设置基本指导思想不变的前提下,根据实际需求不断完善其具体内容。本文有助于申请人更好地理解及选择D0511下设的研究方向与关键词,亦可作为D0511研究方向和关键词设置后续更新的参考。

美国国家强风暴实验室(NSSL)文献产出分析

NSSL的研究,既有基础研究层面的成果(以外场试验为代表),更有基础研究与业务应用“最后一公里”意义上的以提升业务能力为目标的研究(以新技术平台研究为代表),同时兼顾强天气的国际、国内环境、合作和文化等建设。

京津冀一次重度雾霾天气能见度及边界层关键气象要素的模拟研究

本文利用GRAPES_CUACE大气化学模式对京津冀地区2015年12月重度雾霾过程进行了模拟和评估。京津冀地区能见度和PM2.5模拟值与观测值的对比表明:该模式能较好地模拟京津冀地区能见度和PM2.5的逐日变化情况,但模式存在对伴随着重污染发生的低能见度模拟偏高的问题。以12月5~10日的重度雾霾过程为重点,针对地面风速、边界层高度、相对湿度、PM2.5及其对能见度的影响进行了详细分析,研究结果表明:污染过程中大部分地区过程平均风速低于2 m s-1,边界层平均高度低于600 m,相对湿度较高。模式低能见度模拟偏高可能因为:(1)模式模拟重雾霾时段的PM2.5极大值浓度偏低。(2)模拟相对湿度存在系统性偏低的误差,这一误差对能见度的影响表现为两方面,一是相对湿度会通过影响可溶性气溶胶的吸湿增长过程影响气溶胶质量浓度,导致气溶胶消光系数的计算偏低;二是目前模式中采用的能见度的参数化公式考虑了相对湿度对气溶胶吸湿增长的影响,没有考虑雾滴的直接消光作用。

2021年夏季中国气候异常特征及主要气象灾害

利用1961-2021年中国区域2400余站地面气象观测资料,根据2019年中国气象局发布的《区域性重要过程监测和评价业务规定》,对2021年夏季中国气候基本概况及主要气象灾害进行全面分析。结果表明:(1)2021年夏季,平均气温较常年同期偏高,平均降水量较常年同期偏多;由于北方雨季开始时间偏早、强度偏强,南方雨季开始时间偏晚、强度偏弱,以及台风登陆个数偏少等原因,多雨区主要集中在北方。(2)2021年夏季,中国气候状况总体偏差,气象灾害形势复杂严峻,极端天气气候复合事件多发,以洪涝、高温、干旱灾害为主,且阶段性和区域性特征显著。其中,区域性暴雨过程较常年同期偏少4.9次,但极端性强,华北、黄淮、江汉等地相继遭受严重暴雨洪涝灾害;阶段性区域高温天气多发,区域性高温过程较常年同期偏多3.4次,主要影响黄淮、江南、华南、西北地区东部及内蒙古西部、新疆南部等地;南、北方气象干旱并发,区域性、阶段性、复合性明显,区域性干旱过程较常年同期偏多1.1次,华南、西北地区高温干旱复合发展。

中国气象数值预报技术创新研究

国家科技部2005年12月30日在北京组织召开了“十五”国家重点科技攻关计划“中国气象数值预报技术创新研究”项目验收会议，由11名著名专家组成的专家组同意该项目通过验收并给予了高度评价。标志着项目圆满完成国家“十五”攻关项目“中国气象数值预报技术创新研究”的各项研发任务。

灾害天气精细数值预报系统及短期气候集合预测研究

2007年，“十一五”国家科技支撑计划重点项目“灾害天气精细数值预报及短期气候集合预测研究”获得科技部批准，正式启动。我院数值预报研究中心作为项目具体承担单位，在过去的一年里，在中国气象局、科技部及中国气象科学研究院的领导下，在项目各课题科技人员的共同努力下，项目顺利启动并全面开展，取得了一系列的阶段成果。

西藏墨脱复杂地形X波段相控阵偏振天气雷达降水观测和反演方法研究

墨脱的降水变化与印度洋、孟加拉湾的水汽向内陆的输送、夏季风及我国东部雨带的推进过程联系紧密。它的独特地形与西南气流的相互作用在当地形成了年均降水超过2000 mm的降水带。但墨脱的复杂地形与有限的电力交通条件造成了降水观测的困难。2019年,第二次青藏高原综合科学考察研究任务专题项目在墨脱设置了一部X波段双偏振相控阵雷达,实现了对墨脱云降水的连续观测,对当地生态环境和云水资源研究以及高原东南水汽通道特征研究等具有重要的意义。文中使用墨脱X波段双偏振相控阵雷达2020年6-8月的观测数据,使用统计手段筛选降水回波片段,整合后构造得到符合墨脱复杂地形的混合仰角;利用2019年墨脱雨滴谱数据计算雷达参量、拟合得到适合墨脱地区降水特点的X波段天气雷达定量降水估测(QPE)公式。在此基础上选取2020年7-8月三次累积降水量、平均雨强、持续时间各不相同的降水过程,使用线性规划方案计算ΦDP(差分传播相移)、最小二乘拟合计算KDP(差分传播相移率)、“ZPHI”降水廓线算法订正ZH(反射率因子);以ZH和KDP为阈值,使用R(ZH)与R(KDP)分段估测降水,与单独使用R(ZH)和R(KDP)的估测结果进行对比;并基于降水估测结果和雷达参量的水平分布探讨降水分布与地形的关系。本文经过质量控制的ZH、 KDP数据质量有明显改善;使用统计方法构造的混合仰角有效回波面积大于使用SRTM1 v3.0地形数据构造的混合仰角,三次降水的典型时刻参量与过程累积降水量和平均ZH、 ZDR能初步反映降水变化与地形的关系;本文的降水估测公式和分段估测降水方法整体结果表现良好,各评估参数均具有较好的表现;结果表明:(1)墨脱雷达周边地形变化剧烈,根据现有地形数据构造的混合仰角在降水估测中表现不如本文统计筛选雷达观测数据得到的混合仰角数据;(2)本文采用的数据质控方法、定量降水估测公式与分段估测方法(PEM)在降水反演中表现良好,与单一的R(ZH)、 R(KDP)方法相比,得到的结果在CC和RMSE无明显变化的情况下,估测误差明显减小;(3)墨脱降水的发生发展或与西南气流被河谷偏北方山坡抬升有关,较大雨强、较小粒子直径的云位于地势平缓的谷底。

气象灾害预警信息传播过程的主要问题与对策——基于“3个世界”过程分析框架的探讨

运用“3个世界”的过程分析框架可以清楚地看到预警信息传播过程包括监测、加工和分发3个环节。监测预警能力不足、智能化系统建设不够、预警信息的制作耗时较长、预警信号与预警产品的定位不符、联合会商与应急处置流程衔接不顺畅、预警信息引起群众的警觉性不够等是这3个环节存在的主要问题。可以从长远与当下两个维度谋划应对这些问题的策略。

2008年1月中国南方低温雨雪冰冻天气特征及其天气动力学成因的初步分析

在欧亚大陆中高纬度长期维持阻塞形势的背景下,2008年1月11日至2月2日中国南方连续经历了4次低温雨雪冰冻天气过程(简称"0801南方雪灾")。这次强天气事件过程范围广、强度大、持续时间长且灾害极为严重。其天气学特征表现为中高纬阻塞形势稳定少变,低纬系统活跃确保水汽输送,以及南方部分地区满足冰雪风暴形成的有利天气条件等。研究表明,导致大气环流异常从而促使这次低温雨雪冰冻强天气事件出现的主要因素包括:(1)北极涛动(AO)的异常活跃,有利于行星尺度波动的稳定维持;(2)阻塞上游50°N区域有极强的负涡度平流持续输送到阻塞区,使濒临崩溃的阻塞形势得以重新加强,从而使阻塞形势长时间稳定维持;(3)青藏高原以南低纬地区南支气流活跃,确保中国南方充沛的水汽来源;以及(4)长期存在有利于冰雪风暴生成发展的天气-动力-物理学条件等。"0801南方雪灾"事件一个突出的特征就是冰冻现象极为严重。文中借助新型卫星CloudSat的星载云廓线雷达(CPR)资料对这次事件中典型云系进行天气-动力-物理学分析,揭示出西南暖湿气流沿锋面爬升,形成界限分明上下交替的两个冷暖气团,冷气团较浅薄;在2—4km高度存在一个融化层,冰水不仅存在融化层之上,在近地面层亦含有丰富的冰粒子。结合常规观测资料分析发现,在此期间中国南方大部地区中层(大约在850—700hPa)存在温度大约在0—4℃的逆温层,地面气温大致维持在-4—0℃且相对湿度在90%以上,分析表明,此次大范围冰冻灾害天气是由于冻结、凝华和冰雾粒子的附着增长等物理过程共同作用的结果。"0801南方雪灾"事件持续时间较长,事件本身作为一个整体其成因可追溯到行星尺度系统。研究极涡异常及其随时间变化的结果表明,平流层极涡变化比对流层的超前,尤其是该事件前期平流层极涡进入12月后就趋于加强,而对流层的极涡加强则明显滞后,并且直到1月中至2月初才快速加强;这意味着平流层蕴含着对流层极涡变化及伴随的强天气事件的先期信号,这可能是中长期预报的一个值得深入研究的方向。

极端天气气候事件监测与预测研究进展及其应用综述

极端天气气候事件(简称"极端事件")分为单站极端事件和区域性极端事件。本文回顾了极端事件的研究进展,首先回顾了单站极端温度、极端降水和干旱事件的观测研究及相关指数,进而对近年来不断增多的区域性极端事件研究做了简要回顾,最后还回顾了极端事件气候预测研究进展。同时,对国内外在极端事件气候监测和预测业务现状进行了初步总结,并指出:在极端事件气候监测方面中国的业务产品较丰富,并率先开展了针对区域性极端事件的监测业务,但在产品表现形式上缺乏统一组织,特别是英文产品表现力严重不足;在极端事件气候预测方面,国家气候中心发展了两种方法:一个是基于物理统计的BP-CCA和OSR的干旱预测方法,另一个基于国家气候中心月动力延伸预报模式(DERF)的高温预测方法。最后,对极端事件监测和预测业务发展及相关科学问题给出展望,指出应根据极端事件的业务需求继续加强相关研究和业务能力建设。