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：

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。

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。

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。

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。

气候行动最前线的高标准农田生产气象保障

以变暖为主要特征的全球气候变化已经严重威胁到全球粮食安全,高标准农田建设作为农业适应气候变化的重要措施已经在中国推广实施。为助力气候变暖影响下的高标准农田生产,文章梳理了国际土地整理与我国高标准农田建设历程,并从高标准农田适宜性评价、土地要素配置的粮食效应、高标准农田监督管理和高标准农田建设效益评价四个方面综述了高标准农田的最新研究进展,指出目前缺乏高标准农田生产气象保障相关研究。在此基础上,针对高标准农田旱涝保收、抗灾能力强和生态良好“三位一体”的要求,提出气象助力高标准农田生产应加强三个方面研究:农田生态系统气候水资源相互作用与农田节水灌溉;主要粮食作物气象灾变精准监测模拟与快速解析归因;农田生态气象风险敏感因子检测及其气象监测评价,以实现气象为农服务提质增效,助力高标准农田高产增效。

“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。

中尺度天气系统适应性观测研究进展及其在大城市短临预报中的应用构想

如何提高中尺度天气系统预报技巧是天气预报领域的重大科学问题之一。中尺度天气系统的发生和发展受到大气热动力条件、地形及污染条件等多重影响,且由于模式本身及初值的不确定性,中尺度天气系统所产生的对流天气预报仍有较大误差。通过在重点地区开展适应性观测试验降低模式初始场的不确定性是行之有效的方法之一,基于此有望更准确地揭示中尺度天气系统触发和形成机制、提高对流天气模式预报水平。首先,提出一种适应性观测试验的技术路线,即在已有的京津冀地区现代气象探测网基础上,采用集合变换卡尔曼滤波方法识别典型中尺度对流性天气的观测敏感区,结合无球探空移动观测平台,通过观测与预报互动方式,开展目标区的中尺度天气适应性观测试验,研究京津冀地区夏季对流天气触发机制,探索提高灾害性对流天气预报技巧的新方法。然后,针对大城市区域对流天气短临预报预警面临的低层大气垂直观测系统存在的“大网捞小鱼”问题,可通过构建由5个具有垂直观测能力的站点所组成的金字塔形对流层低层大气垂直观测系统,提出随云团大小和位置变化而变化的动态三角形组网观测技术,以获得不同空间尺度的大气动力廓线,进而增进对对流天气触发、发展和演变机理的认识。最后,探讨了适应性观测与大城市气象保障服务之间的内在联系,针对大城市大气垂直观测中尺度站网科学布局和以改进城市短临预报精度为目的的适应性观测等问题,给出具体建议,并展望以观测-预报互动为主要特征的中尺度适应性观测试验技术对大城市气象保障服务的科学价值和应用前景。

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。

葵花-8卫星AOD资料在CMA-MESO/CUACE CW 3DVar同化系统中的个例应用研究

CMA-MESO/CUACE CW化学天气耦合模式是自主研发的大气化学耦合模式,目前CMA-MESO/CUACE CW3DVar同化系统实现了地面气溶胶观测可吸入颗粒物PM_(2.5)和PM10的同化,为增强耦合同化系统非常规观测的同化能力,文中在CMA-MESO大气化学天气耦合三维变分同化框架基础上,利用查表法获得气溶胶消光系数,然后建立气溶胶光学厚度(AerosolOpticalDepth,AOD)和气溶胶组分之间关系的观测算子、切线性观测算子和伴随观测算子,实现AOD观测资料的同化应用。针对2016年12月18-20日华北、黄淮地区一次污染天气过程进行同化预报试验,试验结果表明同化葵花-8卫星(Hi‐mawari-8)气溶胶光学厚度观测后,PM_(2.5)分析的重污染区范围有所扩大,山西东南部分析与实况分布更为接近,但是山东大部地区PM_(2.5)分析偏强,与观测相比PM_(2.5)质量浓度存在高估。同时同化Himawari-8 AOD观测和地面气溶胶站点观测的PM_(2.5)分析最优,分析与观测距平相关系数最高,平均偏差、均方根误差及标准差最小。重污染区的PM_(2.5)预报检验结果表明,同化Himawari-8AOD观测对大于350µg·m^(-3)量级PM_(2.5)预报正贡献可以持续到48 h,但整体来说,同时同化Himawari-8AOD观测和地面气溶胶站点观测对各个量级的PM_(2.5)质量浓度预报质量最优。

数值预报中气象卫星资料同化前处理技术进展

在数值天气预报变分同化中,利用同化前处理将卫星资料完成有效信息优选、资料拼接和稀疏化、初级通道选择、下边界参数耦合等处理,实现卫星资料同化对数值天气预报业务的正贡献,是决定海量卫星资料同化效率、质量和效果的重要环节。针对多种格式的卫星资料,中国气象局研发标准格式的高时效卫星资料拼接等技术,有效减小整轨卫星资料时间滞后对数值天气预报业务的负面影响。对于风云气象卫星资料,将云和降水检测、资料质量分析等处理置于同化前处理中,实现多光谱资料融合的同化预质量控制,保证了风云卫星微波温度探测资料和红外高光谱资料的同化正贡献。利用统一资料格式对预处理卫星资料进行再处理,拓展针对卫星成像和主动探测资料的处理,将卫星资料同化的部分质量控制功能置于卫星资料同化前处理中,是风云卫星资料同化前处理技术发展的重要趋势。

不同天气尺度强迫下陕西暴雨的成因对比

选取常规高空观测资料、地面加密观测资料和ERA5(0.25°×0.25°)再分析资料,对2020年8月4—7日陕西持续性暴雨过程进行诊断分析,并探讨了暴雨发生发展的物理机制。结果表明:暴雨过程分为两个阶段,分别是5日陕北区域暴雨和7日陕西中南部暴雨,二者的环流背景差异显著;5日暴雨的主要影响天气系统是高空槽、低空急流和低涡,中低层急流强且维持时间长,系统涡度大、辐合强,天气尺度强迫强;7日暴雨的主要影响天气系统是短波槽和低层切变,中低层大气风速小,系统涡度小,辐合相对弱,天气尺度强迫较弱。4—5日中低层大气水汽输送强,水汽输送较气候态偏大3~4σ;700 hPa西南急流和850 hPa东南急流给陕北带来充沛的水汽,中低层大气存在明显低涡,大气湿斜压性强,同时低涡南侧有明显锋生,次级环流增强上升运动,水汽在低涡中心及右侧强烈辐合抬升,强降水得以维持;800~700 hPa存在条件对称不稳定,进一步增强上升运动,异常充沛的水汽供应和偏强的低涡造成持续的上升运动是本阶段产生极端大暴雨的主要原因。6—7日陕西中南部水汽输送较弱,水汽辐合强度较小,但本地可降水量大;暴雨区为暖湿大气控制,对流不稳定较强,对流有效位能大,切变线辐合抬升触发对流,降水对流性更强;本阶段强降水较为分散,但雨强大且持续时间短,与地形关系密切。

湖北冷季高架雷暴天气分类及环境参数特征分析

利用常规观测资料、加密地面自动站、闪电定位仪和ERA5再分析资料,将2011—2020年湖北冷季91次高架雷暴事件,按照形成机制分为雷雨型、强对流型和雷打雪型3类,并细致归纳了3类事件的时空分布特征、大气环流背景及关键环境参数等特征。(1)湖北冷季高架雷暴雷雨型最多,强对流型次之,雷打雪型最少。3类型存在明显的时空分布差异,雷雨型主要发生在秋末冬初(11月)和冬末初春(1—2月),强对流型及雷打雪型常出现在早春2月,3月基本以强对流型为主。(2)低槽冷锋、850 hPa切变线及低空西南急流是冷季高架雷暴发生的有利环流背景,近地面为稳定的冷气团控制,逆温明显,西南低空急流沿着锋面逆温层以上的850 hPa附近触发抬升,水汽、上升运动及不稳定层结均出现在850 hPa以上。雷雨型和雷打雪型距离冷锋超过100 km以上,强对流型不足100 km。(3)850 hPa是风场转换的重要层次。强对流型850 hPa露点温度(T_(d850))、K指数、850 hPa与500 hPa温差(ΔT_(85))、850 hPa假相当位温(θ_(se850))、西南急流厚度和强度(I700)、切变线强度(S_(850))最大,中低层(850~700 hPa)垂直风切变(SL78)最小;雷打雪型对水汽和不稳定能量的要求最低,SL78最大。

干冷空气活动对热带气旋强度变化影响的研究进展与展望

热带气旋的强度变化一直是热带气旋研究中的重要内容之一,干冷空气活动与热带气旋强度变化之间有密切的关系,如快速增强和快速减弱过程。文章对国内外干冷空气影响热带气旋强度变化的研究成果进行了回顾和总结,主要包括干冷空气的强度、侵入位置,以及高空冷性天气系统对热带气旋强度变化的影响三个方面,并对未来的研究进行展望,以期为干冷空气影响热带气旋强度的研究提供参考。