1 灾害天气监测

1.1 观测模式固态发射机体制的Ka波段云雷达回波强度谱密度质量控制、融合和再分析方法

为了满足云雷达稳定连续观测的需求，中国气象科学研究院与中国航天科工集团23所联合研发了多观测模式固态发射机体制的Ka波段云雷达，该雷达采用了3种不同脉冲宽度、不同相关和非相关积累的工作模式，以实现近距离弱降水和远距离弱云的观测，并用于华南云降水观测。本研究比较了3种观测模式的功率谱参数的一致性，评估了相关积累和脉冲压缩对回波强度谱密度的影响，提出了基于多个模式比较的回波强度谱密度的退速度模糊方法，距离旁瓣影响回波强度谱密度的识别和剔除方法，3种模式回波强度谱密度的融和方法和回波强度、径向速度、速度谱宽的再计算方法，讨论了不同模式回波强度谱密度反演的上升速度和雨滴谱的差异。结果表明：3种观测模式在粒子下落速度比较小条件下，回波强度谱密度形状和位置比较一致，回波强度和径向速度非常一致；对于比较大的径向速度，相干积累使回波强度谱密度出现明显偏差，从而造成了回波强度和径向速度误差，其主要原因是径向速度大的信号的相干时间小于相关积累时间。相干积累在提高雷达灵敏度的同时，也带来了明显的观测误差，在弱降水观测的云雷达中谨慎使用。采用长脉冲观测模式常常在零度层亮带上方观测到明显的虚假回波强度谱密度，这明显扩展了谱的宽带，并对径向速度和速度谱宽产生了重要影响。本研究提出的方法可以很好地识别和剔除距离旁瓣对回波强度谱密度的影响，重新计算的径向速度和速度谱宽更加合理，而这种距离旁瓣仅仅利用回波强度和径向速度很难判断。因采用相干积累功率谱数据密度数据出现的部分模糊问题基本得到解决。融合后的回波强度谱密度集成了3种观测模式的优势，满足了云和弱降水的同时观测的需求。融合后的回波强度谱密度数据和再计算得到的回波强度、径向速度和速度谱宽将用于云降水微物理和动力参数分析中。（刘黎平）

1.2 双偏振、相控阵天气雷达对超级单体的联合观测试验

中国气象科学研究院专门研发了用于强对流观测的车载X波段相控阵天气雷达系统（XPAR）。该雷达是中国第一部有源相控阵天气雷达，具备快速扫描功能和多种观测模式，为中国开展中小尺度强对流天气现象的观测研究提供了条件。2016—2018年，该雷达部署在广东佛山，针对华南暴雨中的强对流系统进行观测。广东省作为中国气象局与省政府合作共建气象现代化的试点省，其范围内的S波段CINRAD雷达已全部升级为双偏振天气雷达，同时佛山市气象局还有4部业务运行X波段双偏振天气雷达。本研究利用相控阵天气雷达获取的高时空分辨率资料，结合业务运行的双偏振天气雷达资料，分析了华南一次超级单体风暴的结构特征。双偏振雷达清晰地观测到超级单体在初生、发展、成熟和消亡阶段的独特参量特征，反映了云内的微物理过程。相控阵天气雷达1 min间隔、垂直分辨率40层的高时空分辨率资料，揭示了超级单体钩状回波的演变特征。本研究体现了新体制天气雷达在分析对流单体演变中的优势。（吴翀，刘黎平）

1.3 基于双CCD激光探测系统探测环境气溶胶相函数

气溶胶散射相函数是衡量颗粒物在不同散射角度的散射强度的函数，它对于理解气溶胶在气候变化中的效应，分析气溶胶遥感观测反演结果具有重要作用。本研究研发了一种基于双电荷耦合器件（CCD）和激光器的气溶胶探测系统对环境气溶胶散射相函数进行探测的新方法。CCD激光大气探测系统可以在10°～170°的角度范围内测量环境气溶胶散射相函数，同时角度分辨率可以达到0.1°。这套探测系统包括1台连续激光发射器、2个CCD相机和相对应的鱼眼镜头。通过将测量结果与带入了气溶胶观测数据的米散射模式模拟结果进行比较，以及对这一方法在实验室内验证，证明该方法具有较好的准确性。在外场气溶胶观测中，同时使用这套CCD激光大气探测系统以及TSI公司的商业化极角浊度计产品Aurora4000对气溶胶散射相函数进行了观测，并通过米散射模式模拟结果对两套不同观测仪器的观测结果进行对比验证。结果发现，与Aurora4000相比，这套CCD激光大气探测系统在对气溶胶散射相函数进行探测时具有更宽的探测角度和更好的探测稳定性。（边宇轩）

1.4 我国东北地区2017年7月13—14日极端降水过程的多尺度分析

采用NCEP再分析、常规观料、雷达观测及反演产品、地面雨滴谱仪数据对2017年7月13—14日发生在我国东北地区的一次极端降水过程进行了多尺度分析。这次极端降水过程包括两个造成大暴雨的中尺度对流系统（MCS）：其中一个MCS（MCS1）在吉林永吉县气象站（YJ）造成24 h 累积降水的极值达262 mm；另一个MCS（MCS2）在辽宁昌图县气象站（CT）造成了小时降雨量极值达96 mm 。多尺度的观测分析表明，强烈的低空急流和充足的水汽为此次强降水过程提供了动力和水汽条件，准静止锋稳定少动是这次极端降水过程的触发及维持机制。在减弱消散的MCS1的西北侧有两个中尺度对流涡旋（MCVs）产生，在MCVs附近，不断有二次对流在后侧被触发并快速发展演变成为一个近似东西走向的线性MCS（MCS2），向东缓慢移动。MCV的持续性加强可能对有组织的二次对流的发生和延长生命史至关重要。在很大程度上，对流的后向传播及后续回波的列车效应是造成CT站极端小时降水的重要因素。MCS2的回波顶高达到20 km，对流核反射率因子最大值超过55 dBz，对流的这种垂直结构易形成大的降水率，大的降水率是造成极端降水的另一个重要因子。从微物理参数来看，CT站强降水的雨滴直径较大，最大雨滴直径达到6 mm，在02:00—03:12的强降水时段，垂直积分液态水含量（VIL）和雨滴浓度急剧增加。（王改利，张大林，孙继松）

1.5 新一代天气雷达组网探测环境分析

大气折射垂直梯度（VRG）对天气雷达波束传播非常关键，雷达数据应用中通常采用标准折射条件，即4/3等效地球半径。为更好地揭示我国天气雷达网电磁波传播条件，利用6年的探空数据分析了地表1 km高度层的大气折射指数垂直梯度，讨论了其对当地雷达波束路径的影响。对于大部分雷达，一年中大部分时间VRG都相对标准条件小，只有极少数雷达不是，主要在青藏高原。VRG偏小的情况更普遍，特别是在天气雷达观测重点时期的雨季。相应地，采用标准折射条件，大部分雷达多数时间波束高度较实际高度偏低。不过，考虑到雷达有1°的波束展宽，波束高度误差量在允许范围内。值得一提的是，实际波束偏低较大的地区，如沿海地区、长江中下游地区，应用雷达观测更加需要注意地物杂波污染的问题。（王红艳）

1.6 阜宁龙卷超级单体风暴三维结构研究

综合利用高时空分辨率自动气象站数据、探空数据、单部多普勒雷达数据以及双多普勒天气雷达三维风场反演数据，分析了2016年6月23日江苏省阜宁的龙卷超级单体风暴的天气背景、三维结构及演变特征。研究表明：（1）龙卷发生期间，阜宁处于地面暖湿舌之内、地面有γ中尺度气旋和辐合线；环境大气抬升凝结高度低、中低层有很强的垂直风切变；这些均有利于龙卷的生成。（2）龙卷超级单体左移风暴低层有典型的钩状回波和入流缺口。（3）龙卷发生前，风暴质心高度、最大反射率因子高度和风暴回波顶高度均持续增加，风暴垂直累积液态含水量激增；龙卷发生在上述参数的数值首次同时减小时。（4）双雷达反演的三维风场揭示，超级单体形成之前风暴内部中低层已经有中尺度气旋形成，中尺度气旋位于钩状回波顶端、其南端有反气旋，此涡旋偶对于中层动量下传、龙卷生成、发展、加强和触地具有重要作用。（周海光）

2 青藏高原研究

2.1 高原东南缘及其中西部地区多源观测资料变分同化系统研发及数值试验

为系统研究高原多源观测资料对数值模式结果的影响，以WRF及其三维同化系统（3DVar）为基础，开展了高原东南缘及其中西部地区多源观测资料变分同化系统研发及调试工作。系统重点考虑L波段探空、AWS、PWV等多源观测资料的同化。目前该系统在国家气象中心准业务账户上基本实现了自动运行。同时以上述变分同化系统为主，重点研究了105°E以东以及40°N以南高原东南缘及其中西部地区多源观测资料同化对数值模式预报结果的影响。个例试验对比结果表明：控制试验对个例降水过程能够一定程度上描述出来，但整体上有着一定的偏差；而同化试验相比控制试验，模式积分48 h和72 h，降水量以及降水分布均与实况更为接近。（张胜军，徐祥德）

2.2 低空气密度对“世界屋脊”青藏高原对流触发的影响

从气候统计和大涡模拟的角度研究青藏高原上空气密度与对流特征的关系。通过气候统计发现，相对中国东部季风区，青藏高原东部和中部地区在相对的近地面相对湿度的条件下有更强的热力湍流并且形成更多的低云。重点研究了低空气密度条件下大气边界层的动力和热力结构。通过大涡模拟和边界层理论探究了边界层湍流与低云形成的关系。在地表热通量相同的情况下，空气密度的减小增强了浮力通量，低空气密度条件增加了边界层厚度并且使得更多的云下层水汽输送至云层。如果不同空气密度条件出现相同的低云覆盖度，高空气密度条件下混合层内的平均相对湿度将大于低空气密度条件下的结果。（王寅钧，徐祥德等）

2.3 夏季风爆发后青藏高原地区云垂直结构的模拟研究

利用COSP 2006—2012年的卫星雷达观测资料，对ACCESS 模式在青藏高原地区夏季云垂直结构的表现进行了详细评估。结果表明，与观测相比模式对青藏高原上空的典型积云模拟偏少，而对高云和低云模拟明显偏多。卫星观测结果显示，夏季风爆发后，春季高原上空的高云逐渐向中低云转变，而ACCESS模拟的高云则主要向更高的高空发展，与卫星观测存在很大偏差。与ERA interim资料进行对比发现，ACCESS模式对青藏高原南坡的地形抬升作用描述偏强，季风爆发后，偏强的地形坡面抬升作用造成高原东南侧强对流发展过多过强，使得夏季青藏高原地区高云明显偏多，对流降水也比观测明显偏多。（胡亮）

2.4 夏季青藏高原不同区域水汽来源的识别与对比分析

采用拉格朗日方法对1980—2016年雨季（5—8月）输送至青藏高原4个分区的水汽来源进行了识别和比较。研究发现：（1）高原4个分区的水分来源在空间格局和数量上都存在显著差异，其分布差异主要取决于夏季季风、局部再循环和西风带的综合效应。（2）基于后向轨迹分析的水分源的空间演化表明，约80%的水分在1 ～4 d内被输送到目标区域，但各个分区具有不同的输送路径和输送时间尺度。（3）印度夏季风的次季节性变化调节着不同水源对青藏高原南部的重要性，但对高原北部地区影响不显著。另外，即使同处于高原南部地区，但高原东南与西南部区域的水下水源演化差异较大。（4）夏季整个高原降水的年际变化与西风带输送的水分变化呈负相关，而与高原北部的印度夏季风输送的水分和高原南部的相邻水汽输送呈正相关。（陈斌，徐祥德）

2.5 夏季青藏高原的全球气候效应

Boss 等发表在Nature的文章指出，喜马拉雅山及南坡地形抬升的动力作用在现代南亚季风气候特征的形成中起着主要作用，而青藏高原主体加热对现代南亚季风形成的影响可能很小。他们的结果引起了关于青藏高原主体加热异常是否对现代南亚季风甚至更大范围气候变率有重要影响的讨论。本研究表明：现代气候平均而言，夏季青藏高原主体起着巨大的加热作用，造成当地强烈的上升气流，在对流层上层出现庞大的南亚高压，在200 hPa上南亚高压环流东西向跨度超过150°，覆盖了欧亚和非洲大陆以及西太平洋的中低纬度，并且形成青藏高原与周边的大尺度垂直环流。在纬向上，青藏高原上升气流的一支在对流层向东流到东太平洋下沉，形成青藏高原与太平洋之间的纬向垂直环流（TPC），高原上升气流的另一支进入平流层低层并向西流到大西洋—欧洲—非洲中纬度区域上空下沉，形成青藏高原与大西洋北部（包括欧洲南部）之间的纬向垂直环流（TAC）；在经向上，一个大尺度的逆时针垂直环流出现在青藏高原与南印度洋热带之间，即青藏高原—南印度洋经向环流（TIC）。当夏季青藏高原加热偏强时，亚洲上空对流层温度大范围升高，在高原及周边地区产生异常上升运动，南亚高压明显加强，其异常环流覆盖了欧亚和西太平洋中纬度。高原上空异常上升运动在对流层上层、平流层低层向南流到热带下沉并在中、低层向北流向青藏高原；沿着TIC经向环流，青藏高原加热产生的异常越过赤道影响南半球大气环流。高原的异常上升气流在对流层高层也朝东、西两个方向流动，其中向东到达中、东太平洋后下沉，使TPC环流加强，而向西到达地中海后下沉。很显然，夏季青藏高原加热变化可以引起了TPC、TAC和TIC大尺度垂直环流异常，使青藏高原气候异常信号向外扩展到更大范围。夏季青藏高原加热异常加强了亚洲—非洲季风以及太平洋和大西洋副热带高压系统，使非洲和南亚季风区降水增加，东亚季风雨带位置偏北（华北降水增多，南方降水减少），欧洲降水减少、气温升高，北美中西部降水偏少、气温升高。鉴于在现代气候格局下夏季青藏高原主体热力强迫的重要性，在全球天气气候研究中不考虑青藏高原的作用是不完整的。（赵平，周秀骥，陈军明，刘舸，南素兰等）

2.6 青藏高原那曲地区地闪与雷达参量关系

基于2014—2015年5—9月西藏那曲地区多普勒天气雷达数据，结合地闪观测资料，识别雷暴单体样本，统计分析了地闪位置附近的雷达回波分布特征，研究了高原雷暴的雷达参量与地闪频次的相关关系。结果表明，那曲地区地闪发生位置附近的雷达最大反射率因子呈正态分布，峰值分布区间集中于34 ～41 dBz。发生地闪附近的20 dBz回波顶高集中于11 ～15 km，30 dBz回波顶高分布的峰值区间为8.5 ～12 km。分析表明，表征局地雷暴对流发展强度的雷达参量与地闪频次之间的相关关系较差，但相关性随地闪频次增加而增强。基于雷达参量分段统计得到的分段平均地闪频次与雷达参量之间表现出较强相关关系，体现了闪电活动强度与雷暴发展强度在宏观上的正向关系。基于原始数值进行区间划分的强回波（组合反射率因子不小于30 dBz）面积与平均地闪频次的线性相关系数达0.75，基于对数值区间划分的7 ～11 km 累积可降水含量的对数值和地闪频次的线性相关系数达0.95。对比了多个雷达参量和地闪频次线性拟合与幂函数拟合结果，整体上幂函数拟合略好于线性拟合。（孟青，樊鹏磊，郑栋）

3 暴雨和强对流研究

3.1 观测得到的珠三角极端小时降水变化与城市化的关系

认识城市短时极端降水的变化以及人类活动的可能影响对于城市建设至关重要。本研究利用1971—2016年共61个国家站的小时降水数据以及多年地表类型数据，分析了华南珠三角地区极端小时降水的变化特征，同时利用2011—2016年密集的自动站资料和雷达网观测，分析了共120起极端降水事件。研究表明，珠三角地区小时降水强度的显著增加导致了年极端小时降水总量和年总降水量在快速城市化期间（1994—2016年）比在城市化之前（1971—1993年）增多了，这表明该地区小时降水的增强与其城市化有一定的关系。那些与城市化有关的显著增加的极端小时降水更倾向于发生在短时（≤6 h）、突发的降水事件中，而不是维持时间更长或者持续型、增长型的降水事件中。对于2011—2016年的共120起极端降水事件，根据产生极端降水的对流系统的触发位置和移动方向，进一步将其划分为6种类型。尽管这6种类型发生在不同的天气背景和不同的季节当中，但都发现强热岛效应对降水有增强的作用，尤其是在热岛效应更显著的城市群内陆地区。本研究还发现，当由西南风主导的大尺度环流条件较不利于对流发生时，由强热岛引发的热力扰动及其向下游的传播对于局地对流的触发和增强起到了非常重要的作用。（罗亚丽，吴梦雯）

3.2 华南前汛期降水统计特征及其天气背景

本研究利用1980—2017年国家级地面气象站逐小时降水资料、2011—2017年稠密的自动观测站逐小时降水数据、天气图和组网雷达数据，研究了华南地区华南前汛期（4—6月）降水特征及对应的天气背景。结果表明，在南海季风爆发前后两个时段，降水特征具有显著的空间差异。季风爆发后，短（1 ～6 h）、中（7 ～12 h）和长时（＞12 h）3类不同时长的降水事件的平均强度在华南都增强了，持续时长更长（＞6 h）的降水事件的降水强度在华南西部内陆增强更明显。华南西部内陆和沿海地区的降水事件发生频次在季风爆发后增多，而华南东部内陆的降水事件在季风爆发后更少发生。降水事件强度和频次的变化导致华南西部内陆和沿海地区的降水量在季风爆发后显著增多，而华南东部内陆的降水量变化不大。季风爆发后西部内陆长时降水事件强度的加强和更好的水汽、动热力条件有关，冷空气活动减弱和西南气流的增强导致了华南东部内陆降水事件发生频次的减少，华南沿海地区的长时降水事件发生在高相当位温、弱相当位温梯度的南风（季风爆发前）和西南风（季风爆发侯）气流中，并且在季风爆发之前和后分别伴随着东北干冷空气入侵华南西北部和华南西部气旋性涡度增强。2011—2017年的日平均极端小时降水（＞60 mm/h）发生频次在季风爆发后增多40%，在季风爆发前后两个阶段，华南东南部的极端小时降水主要发生在弱相当位温梯度的暖区中，而华南西北部的极端小时降水往往和地面锋面相联系，低涡和切变线型两类极端小时降水的占比由季风爆发前的18%升高到31%，主要发生在华南西部。（罗亚丽，李争辉，陈杨瑞雪）

3.3 华南前汛期区域极端降水与天气尺度波动的关系研究

本研究通过对1998—2015年（不包括1999，2006，2011和2014年）华南前汛期日降水数据的频谱分析，发现天气尺度波动为华南日降水的主导频率。通过分析天气尺度带通滤波的环境场，根据24个极端降水事件（定义为日降水量最高的5%）主要影响系统特征，将之分为“涡旋型”（15例）、“槽线型”（8例）及“反气旋型“（1例）。15个“涡旋型”个例可进一步分为“低涡型”（11例）和“高涡型”（4例）。对其波动场的分析表明，2种类型的个例均可追溯至青藏高原下游的气旋异常。然而，对于“低涡型”，在所有阶段均出现对流层低层的气旋性异常；但是“高涡型”只在最后阶段出现对流层低层的气旋性异常，其峰值扰动发生在上层暖异常之下。“槽线型”极端降水的产生与中国北方强气旋异常向西南方向延伸的槽线密切相关，而该强气旋异常则可追溯到经过青藏高原的中纬度罗斯比波列。本研究的结果对于了解与华南地区极端降水相关的天气扰动的起源、结构和演化具有重要意义。（黄龄，罗亚丽，张大林）

3.4 天气尺度至准月尺度扰动在华南前汛期2次代表性强降水过程中的作用

本研究基于波谱分析探讨了天气尺度至准月尺度扰动在华南前汛期强降水过程中的作用，针对从2008—2015年4—6月挑选出的2次代表性的强降水过程。结果表明，第1次强降水过程的发生主要是天气尺度和准2周时间尺度扰动的作用。在准2周时间尺度上降水处于西南风异常区，该异常与南海上的反气旋有关；而在天气尺度上则处在西南风与东北风异常的辐合带，分别与云贵高原下游向东南移动的反气旋异常和来自更高纬的东移反气旋有关。对比而言，第2次强降水过程则与天气尺度和准月尺度扰动有关。在准月尺度上降水处在西西南风异常与西西北异常辐合区，分别与南海反气旋以及中国北部东传气旋有关；在天气尺度上，降水处于南西南风异常与云贵高原下游的气旋辐合区。2个个例中，对流层低层南西南风异常提供了有力的环境条件，而天气尺度、准2周以及准月尺度扰动则决定了强降水的大概时间和位置。（姜智娜，张大林，刘鸿波）

3.5 1979—2014年华南前汛期水汽通道和来源分析

基于拉格朗日框架的HYSPLIT模式，分析了1979—2014年华南前汛期南海季风爆发前后华南地区的水汽来源及其路径。季风爆发前，主要水汽通道有6条，其中4条海洋源地型通道贡献了83.9%的水汽，另外2条大陆源地型通道（起源于贝加尔湖和波斯湾）贡献了16.1%。其中，2条分别起源于西太平洋和东海的太平洋源地的通道贡献了46%，起源于南海的通道贡献了24.3%，起源于孟加拉湾的通道贡献了13.6%。季风爆发后，主要水汽通道有4条，其中3条西南来向通道（来自阿拉伯海、中印度洋和西印度洋）贡献了76%，而唯一的太平洋源地通道贡献了23.8%。水汽通道极大地受到地形的影响，尤其是青藏高原、印度半岛和中南半岛。在季风爆发前后，南海都是贡献水汽最多的区域（分别贡献35.3%和31.1%）。季风爆发前，太平洋是水汽贡献次多的区域（21%），而季风爆发后，其水汽贡献下降到5%，来自孟加拉湾和印度洋的水汽贡献由季风爆发前的17.1%增长到季风爆发后的43.2%。（罗亚丽，陈杨瑞雪）

3.6 2016年7月19—20日沿华北太行山极端降水过程研究

本研究考察了2016年7月19—20日华北太行山东麓的南部、中部和北部小时降水率达100 mm以上的3个极端降雨阶段的天气尺度和中尺度过程。极端降水主要发生在南部和北部的200 ～600 m海拔区域，而在中部区域的极端降水也同时发生在低海拔地区。这3个区域的极端降水分别发生在上午、傍晚和午夜。这3个阶段的极端事件是由不同的过程引起的，这些过程涉及温带气旋的生成，低空急流的充足水分输送及其与局部地形的相互作用。在南部，由于东南部地形，特别是云台山对伴随低空急流而来的对流不稳定暖湿空气的提升凝结造成回波及线性对流系统的发展。相比之下，在北部，大气呈现出弱不稳定性，通过陡峭的地形对湿东北气流的抬升，2个孤立的圆形对流系统得以发展，在它们前沿具有更强的对流核心。中间区域的极端降水系统是由潮湿的东风低空急流与气旋生成有关的北方较冷气流的汇聚造成。结果表明，低空急流和相关的水分输送，气旋生成，局部地形的坡度和方向以及过山气流的稳定性对太行山东麓极端降水发生的时间和位置、极端降水率和对流组织模式等方面起着不同的作用。（夏茹娣，张大林）

3.7 青藏高原中部夏季雷达观测降水回波的分类及日变化特征研究

利用第3次青藏高原大气科学试验2014年加密观测期间的C波段调频连续波（C-FMCW）垂直指向雷达观测，研究了青藏高原中部地区夏季降水回波的分类和日变化特征。结果表明，51.32%的垂直廓线包含反射率＞ -10 dBz的有效回波，其中35.06%的有效回波廓线在地面产生了降水（降水廓线）。在所有降水廓线中，具有明显亮带结构的层状降水、弱对流降水和强对流降水分别占52.03%、42.98%、4.99%。大约59.84%的降水发生在下午至前半夜，而40.16%的降水发生在后半夜和早上，强度也较弱。降水发生频次有明显的日变化，其主峰位于21:00—22:00 LST（当地时），此时59.02%的降水为层状降水；次峰位于13:00—14:00 LST，此时59.71%的降水为弱对流降水；强对流降水集中发生在下午和傍晚（占比81.83%），它的2个发生频次峰值分别出现在12:00—13:00 LST和17:00—18:00 LST。11:00左右降水回波开始发展，观测到垂直运动增强，回波顶升高，雷达反射率增强。强的空气上升运动主要发生在17:00—18:00 LST，次峰出现在11:00—14:00 LST，降水回波顶和强空气上升运动顶均于16:00—18:00 LST达到最高。早上的环境大气条件不利于对流触发和发展；至中午时分，对流有效位能（CAPE）显著增加，对流抑制能量（CIN）通常较小，且近地面（0 ～400 m高度）存在一个超干绝热层；傍晚出现一些更大的CAPE、中性浮力层高度和整层可降水量值，表明此时可能出现更有利的热力和水汽条件。建立了前半日和后半日平均的层状降水、弱对流降水、强对流降水回波垂直结构的概念模型。（罗亚丽，马若赟，汪会）

3.8 华南暖区暴雨对流初生机制分析

华南暖区暴雨的定时、定点、定量精细化预报一直是数值天气预报和业务预报工作中的难点问题。以2013年5月8日发生在广东西南沿海的一次强降水过程为例，使用WRF模式运行了3个不同初始场的数值试验。对比试验结果发现，华南前汛期暖区暴雨的对流初生时间与局地温度垂直递减率的大小显著相关。低层温度升高、中层温度降低、垂直递减率增加，进而自由对流高度（LFC）降低、对流有效位能（CAPE）增加，有利于对流触发。一般LFC降低到500 m以下时，降水随之发生。而局地温度的变化与入流空气的来源、风速大小、上游空气的温度和水汽条件等因素有关。低层东—东南环境气流将暖湿的空气输送到对流发生区域的低层，同时中层西南气流也将冷湿的空气输送到对流发生区域的中层，导致对流区域中低层的温度直减率增大，环境条件有利于对流触发。再者，风速大小会影响对流发生的时间。风速越大，冷（暖）空气能更快到达对流区域的中（低）层，温度直减率更早增大，LFC降低，对流会更早发生。此外，山脉地形的抬升作用与低层气流相配合能影响对流发生的位置和时间。更强的低层暖湿气流遇到山脉的阻挡更容易被抬升。（宝兴华，罗亚丽）

3.9 中国不同粒径大小冰雹的环境场特征研究

利用地面站观测的冰雹大小数据，L波段探空数据和再分析数据探究了不同粒径大小的冰雹对应的环境场特征和天气环流特征。一共1003个粒径大于5 mm的冰雹个例按照粒径大小被分为3组。最大冰雹粒径组对应0 ～6 km垂直风切变、大气整层可降水量和对流有效位能中位数分别为21.6 m/s、34.8 mm 和2192 J/kg。不同粒径大小的冰雹个例对应的零度层高度都是4000 m左右，而大冰雹对应的冰雹增长区的厚度（-10 ℃到-30 ℃之间的厚度）更薄。随着东亚夏季风的进退，不同粒径大小的冰雹都有明显的季节变化，冰雹季始于南方春季，到夏季时冰雹区转移至北方。季风爆发前，由于同时存在高空急流和低空的西南风，提供垂直风切变和水汽，大粒径的冰雹主要发生在春季的中国南方地区。当存在强的地面加热和季风气流北移时，由于提供了较大的对流有效位能和水汽，以及中等强度的垂直切变，小冰雹则多发生在夏季的北方。大冰雹发生所需环境场条件与美国的类似，但是要大于很多欧洲国家。（李明鑫，张大林，孙继松，张庆红）

3.10 中尺度对流系统层云区中与0 ℃层附近电荷层有关的闪电特征

利用架设在重庆地区的一部S波段多普勒雷达和一套甚高频（VHF）辐射源定位系统分析了与0 ℃附近电荷层有关的层云闪电（SL0）特征。分析了2014—2015年夏季共10个中尺度对流系统的观测数据，发现多数SL0事件发生于其中2个雷暴个例的消散阶段。亮带与SL0事件的发生具有密切的联系。与冰相物融化过程有关的感应和非感应起电被认为对亮带区的电荷累积具有贡献。在SL0事件首个VHF辐射源位置（FirstS）的反射率值弱于闪电发展区域内的最大反射率核心值，且最大反射率核心值越高，FirstS位置上的反射率值与反射率核心值的差值越大。具有低SL0发生频率的雷暴所产生的SL0事件通常在其FirstS上具有更弱的反射率，但相比高SL0发生频率的雷暴，在其闪电发展区域内具有更高的反射率核心值。在低SL0发生频率的雷暴中，只有在其他层云闪电的FirstS高度逐渐下降到SL0发生高度时SL0事件才会发生；但在高SL0发生频率雷暴中，SL0事件可以和其他发生在更高高度上的层云闪电同时发生。这可能意味着融化起电机制增强了亮带区的电荷密度。（王飞，刘恒毅，董万胜）

3.11 华南季风降水试验

华南季风降水试验（SCMREX）计划是我国气象部门针对我国华南季风强降水，尤其是突发性暴雨灾害亟待解决的科学问题而提出的国际科学试验计划，被世界气象组织世界天气研究计划（WMO/WWRP）批准为WMO/WWRP的研究发展项目（RDP），由中国气象科学研究院牵头组织实施。2018年5—6月继续在华南地区开展了降水综合观测试验，加密观测区域设在珠三角城市群及其邻近地区，此加密观测区域内的龙门、佛山、从化3个超级观测基地，布设了一系列先进的观测设备和感应器，更好地观测了云降水垂直结构、快速演变对流系统的三维结构、三维闪电过程。2018年度继续深入研究并揭示了珠三角城市群对于局地强降水的影响、超级单体的精细结构、华南降水对流可分辨集合预报不同扰动源的多尺度特征等。（罗亚丽）

3.12 一次天气形势对华南暖区暴雨系统移动和发展影响的研究

利用高时空分辨率的观测资料和ERA-Interim再分析资料，对发生在2014年5月8日一次天气形势演变对华南暖区暴雨系统移动和发展的影响开展了研究。分析结果显示，出现在华东上空低层的稳定反气旋阻挡了我国西南地区的低空槽向东移动。受此影响，反气旋和低空槽之间的气压梯度和风速明显加强，并发生了从西南风向偏南风转向现象。偏南风低空急流下出现了明显的偏东南低空风切变，这导致了从广西向东移至广东的较大的暖区暴雨系统转向东南方向移动。偏南风低空急流的东侧下则出现了偏东向的低空风切变，导致了广东沿海地区形成的一系列较小的暖区暴雨系统向偏东或偏东北方向移动。向东南向移动的较大的暖区暴雨系统陆续与这一系列较小的暖区暴雨系统并合，造成了广东沿海大片地区发生暴雨。另一方面，与低空反气旋和低空槽相关的海平面高压和低压的加强和扩张造成了边界层水汽通量辐合以及有效位能高值区伴随着较大的暖区暴雨系统向东南方向移动，从而有利于该暖区暴雨系统的发展或维持。同时，与低空反气旋相关的海平面高压的加强造成了广东地区近地面偏东南风的加强。加强的偏东南风有利于较大的暖区暴雨系统向东南方向移动时其前沿辐合上升运动的加强，同时，也促进了广东沿海地区一系列较小的暖区暴雨系统的触发。（梁钊明，刘英，尹金方，柳崇健）

4 台风研究

4.1 热带气旋强度预报误差分布特征分析

对西大西洋、东北太平洋以及西北太平洋热带气旋（TC）24 h强度业务预报误差（OFE）进行分析，发现OFE与TC强度变化存在显著的相关关系，相关系数分别为-0.77、-0.77和-0.68。预报得到的TC 24 h强度变化分布虽然与实际强度变化都呈高斯分布，但标准差相差1/3，即目前的业务预报对快速强度变化存在明显低估。而且增强台风的误差多为正的，而减弱台风的误差多为负的，在快速增强和快速减弱台风更为明显。为了理解OFE的这种分布，引入了简单的TPM（trend-persistence model）强度预报模型。发现TPM所计算的误差有着相似的分布。在TPM中，强度预报误差与强度随时间变化曲线的曲率成反比，即负（正）误差为强度随时间变化曲率增大（减小）。从而可以推算出OFE的分布与TC强度本身随时间变化特点有关，而TC强度变化受TC动热力过程控制。基于和TPM对比，目前对RI和RW的预报并没有实质性进展，但RW比RI预报误差要小。（魏娜）

4.2 初始涡结构对热带气旋加强率的影响

利用高分辨率数值理想实验针对热带气旋（TC）不同初始尺度及最大切向风径向外扩先衰减程度进行试验，试验结果分析表明，在涡旋初始强度相同的情况下，尺度较小涡旋快速加强的速率明显快于尺度较大和初始涡旋的速度廓线沿最大速度向外（眼区方向）衰减慢的初始涡旋。TC的快速增强速率（RIR） 主要受到惯性稳定度的影响，而涡旋的初始结构决定了惯性稳定度的分布，当初始涡旋尺度较大或者初始速度沿径向衰减慢时，最大风半径外侧的较大的切向速度有利于涡旋获得更多的海表热通量，进而有利于组织形成螺旋云带。大范围的对流云带中的非绝热加热，一方面将边界层中的径向入流沿径向扩展的范围更大，从而减弱边界层中向眼墙的入流；另一方面，眼墙外侧切向速度的增加也增加了眼墙外侧的惯性稳定度，这两方面的综合作用减弱了向眼墙的绝对角动量输入，从而减弱了涡旋加强的速度同时也增加了风暴的内核尺度。（徐晶，王玉清）

4.3 西北太平洋热带气旋增强率与海表面温度、TC强度和尺度的关系

基于对西北太平洋TC最佳路径资料1981—2016年的统计分析揭示了TC增强率（IR）与TC当前强度和结构的关系，尤其是发现TC的增强率与TC自身的强度呈现出倒抛物线型关系，即当TC强度小于（大于）70 ～80 kt时，TC的增强率与强度成正（反）相关，也即TC在达到30 ～40 m/s左右最易出现快速增强（RI）。分析还发现TC涡旋的尺度会影响TC的增强率，即TC的增强率与其内核的尺度（最大风速半径）及外核宽度（用34 kt半径减去最大风速半径来表示）呈明显的反相关，即涡旋尺度越大，眼墙到外核的宽度越宽，则TC加强越慢。统计事实表明，TC最大增强率发生在强度80 kt左右，最大风速半径（RMW）40 km左右，外核尺度（34 kt半径）及外核宽度在 150 km左右。这些结果不仅为TC强度的统计预报提出了可能的强度和尺度因子，也为进一步研究影响TC增强率的因子提供了新的视野，同时也为检验有关TC增强率的理论模型提供了一个很强的约束。（徐晶，王玉清）

4.4 台湾岛附近热带气旋运动的异常特征

利用JTWC西北太平洋最佳路径资料、中国台湾气象局台风资料库发布的TC逐时路径图及地面气象场再分析图，对1949—2014年台湾岛附近区域19°～29°N，116°～126°E范围内TC的运动特征进行统计分析，结果表明：（1）66年内共有530个TC经过该区域，TC右折频次比左折多约10%。左折主要集中在台湾岛东岸沿海，岛屿北部及北侧海峡内；右折主要分布在台湾岛东北侧、西南侧及台湾海峡南端。台湾东岸沿海、岛南部TC移速较大，台湾海峡内、岛北部TC移速较小。（2）约33%TC经过台湾岛时伴随有SC，其中强热带风暴伴随SC出现概率最高。SC平均强度为994 hPa，与TC中心相距15 ～650 km不等，平均258 km。SC位于TC中心南部（北部）时，二者以气旋式（反气旋式）相对运动为主。一般两者相距越近，TC强度越强，SC的强度越强，相对运动角度越大。伴随TC的SC最容易在台湾岛西北方出现，其次是东南方、西南方，东北方最少，两系统一般位于台湾岛CMR异侧。（3）该区域共出现44例不连续路径TC，其中38例是从台湾岛东侧登陆、6例是从西侧登陆。TC强度较弱、涡旋弗洛德数（Fr）较小时，容易形成不连续路径。12个打转在打转过程中绝大多数在其南侧伴有SC。（龚月婷，李英，张大林）

4.5 2006—2015年西北太平洋上的TUTT cell的活动特征

采用NCEP的6 h一次1°×1°经纬距格点资料，对2006—2015年西北太平洋上的TUTT高空冷涡活动（TUTT cell）进行了统计分析，结果初步表明：（1）10年间共发生369次TUTT cell事件，以6 h频率计共6836频次，年均发生37次TUTT cell事件，除1、2月外，TUTT cell在各月均可发生，一般发生于5—10月，与台风的活跃季大致相符，7月最多，12月最少。TUTT cell事件数呈逐年下降趋势，2008年最多，2014年最少，大多数TUTT cell事件生成于130°E以东，而后向西移动。15°～25°N，150°～175°E为TUTT cell的活跃区域。（2）大多数TUTT cell的半径在5°以下，由远海运动至近海时其半径逐渐减小；中心位势高度值在1239.4 dagpm以下，平均移速为6.6 m/s，平均生命时长为4.4 d，最长可达29 d。（3）TUTT cell涡度中心位于225 hPa左右，正涡柱位于550 ～125 hPa。冷中心位于350 hPa左右，平均温度异常值约-4.5 ℃，西北太平洋北部TUTT cell的冷中心较强，表明当TUTT cell向西南方向运动时逐渐消亡。（温典，李英，张大林等）

4.6 西北太平洋热带气旋和东西风垂直切变相关关系对比

对西北太平洋1982—2015年热带气旋（TC）强度变化和不同方向的风速垂直切变的相关关系进行了统计研究。结果表明，西风切变（-0.36）比东风切变（-0.07）与TC强度变化相关系数要大，尤其是西南风切变（-0.43）。进一步分析表明海表面温度（SST）与这种相关关系差异有关。SST与纬向风切变存在-0.48的相关性，即当东风切变增大时SST升高，可以抵消一部分大风切对TC增强的不利影响，导致了东风切变与TC强度变化的相关系数减小。相反，西风切变增大时SST减小，两个不利因素的叠加使得相关性增强。所以，在强度统计预报模型中不仅要考虑风切变的大小，而且要考虑风切变的方向。（魏娜）

4.7 客观路径相似指数及其在登陆热带气旋降水预报中的初步应用

动力模式输出与历史观测的统计信息结合是预报灾害天气的创新途径。在本研究中，为了研究登陆热带气旋（TC）降水预报的动力—统计方法，发展了一个客观的TC路径相似面积指数（TSAI）。TSAI表示由2条TC路径和2个分别连接2条路径的起始点和终点的线段所围起来范围的面积。TSAI值越小，说明2条TC路径的相似度越大，“0”则表示完全一致。然后，将TSAI初步应用于登陆华南TC的降水预报试验。考虑到过去几十年数值天气预报模式的TC路径预报取得的巨大进步，方法中直接吸收了TC预报路径。通过该试验，建立了基于路径相似的登陆TC降水动力—统计集合预报模型（DSEF_LTP），该模型包括采用TC预报路径、TC路径相似性判别、登陆季节相似性判别和降水预报集合4个步骤。对华南登陆TC降水预报应用显示，DSEF_LTP模型相对于3个数值天气预报模式（即ECMWF、GFS和T639 /中国）无论在训练样本（2012—2014年）还是独立样本（2015—2016年）均表现出明显的优势，尤其对于≥100 mm或250 mm的强降水预报。（任福民）

4.8 受地形影响情况下的热带气旋动力初始化方案研究

在现有实时台风数值业务模式中，在模式初始场中不能对靠近或经过地形（例如，台湾和菲律宾岛）的台风涡旋结构进行精准刻画是造成台风登陆前后精细化的强度、降水和大风预报误差大的重要原因之一。针对台风数值预报业务中面临的难题，发展了一套在台风遇到岛屿地形情况下特殊的“地形补偿”处理方法，较好地解决了这一关键科学问题，经批量后报试验检验，采用新的初始化方案的台风72 h路径误差和36 h的强度误差显著减小，并低于美国目前用于西北太平洋的台风区域模式（HWRF）的预报误差。采用新的动力初始化方案后，热带气旋（TC）内核结构和雨带分布更加接近卫星和雷达观测。具体方案包括，原有的TC动力初始化方案基础上进一步拓展到包含地形影响的情况。当TC中心距离地形150 ～450 km时，定义地形变量并且采用一种滤波算法将地形产生的不真实信号滤除，随后进行涡旋分离。当TC中心与地形相距150 ～300 km并且地形高度超过1 km，或者TC中心与地形间距小于150 km时，首先采用无地形的半理想数值积分增强轴对称涡旋，随后将增强的轴对称涡旋与大尺度分析场合并，并复原地形信号。另外，为进一步减小TC初始误差，在数值预报之前引入涡旋的尺度和强度调整。对2015年西北太平洋受地形影响的9个TC进行回报试验。结果表明，新的动力初始化方案很大程度减小了TC的初始位置和强度误差。相比控制性试验，新的动力初始化试验的72 h路径误差和36 h的强度误差显著减小，并且低于美国HWRF的预报误差。同时采用新的动力初始化方案后，TC内核结构和雨带分布更加接近卫星和雷达观测。（刘昊炎，王玉清，徐晶，端义宏）

4.9 台风“摩羯”诱发龙卷研究及其启示

在我国，台风中的龙卷灾害尚未引起足够关注。本研究结合气象卫星、多普勒天气雷达和现场灾害调查等综合观测资料，给出了2018年登陆台风“摩羯”诱发的系列龙卷过程的多尺度涡旋特征，并基于无人机航拍影像展示了3种典型的龙卷致灾路径特征及其潜在危害，指出了现有气象观测和预报体系在应对台风龙卷灾害方面的不足。我国亟待加强针对龙卷可分辨尺度的天气雷达观测和数值预报模式的研究，从而揭示台风龙卷的生成机制及其可预报性，提高对龙卷灾害的有效预报、预警和防御能力。（姚聃，李建，吴翀）

4.10 台风外场观测试验

在灾害天气国家重点实验室主持的“973”计划项目“登陆台风精细结构的观测、预报与影响评估”的支持下，实验室与广州市气象局、广州热带海洋气象研究所、南京大学等联合开展了2018年度登陆台风观测试验，对1822号超强台风“山竹”的大气和海洋边界层结构、海气交换和海洋飞沫等进行了观测。主要观测内容如下。

博贺观测试验基地开展登陆台风大气边界层结构和气象要素观测。采用C波段双偏振多普勒雷达探测沿岸和近海台风期间的降水粒子的大小、分布、相态类型等参量，监测台风内部中小尺度强降水系统演变与降水强度和分布变化；采用X波段测波雷达探测5 km沿岸范围内高空间分辨率海表反射率、波高、波向、波长、流速和流向等；采用地波雷达获取150 km范围内较低分辨率的海表反射率、波高、波向、波长、流速和流向。

采用GPS探空仪获取了高频率（不少于4 h/次）、高垂直分辨率（小于20 m/层）的大气风、温、湿垂直结构数据；采用激光测风雷达对台风边界层三维风速进行连续的、高时空分辨率的观测，获取台风边界层三维风速平均场和阵风信息；采用微波辐射计对台风边界层进行连续的、高时间分辨率的温度、水汽和液态含水量探测，获取台风边界层至对流层的大气层结信息。

另外，还开展了台风期间气象背景要素观测，为台风后续研究提供气象和海洋背景信息。主要观测项目包括：海岛自动站探测海岸附近风、温、湿、压和降水等要素；4分量辐射仪测量向下短波和长波、向上短波和长波辐射及净辐射通量；云高仪测量台风云底高度；一维雨滴谱仪测量降水的粒子直径、速度、分布密度、雨强、累积雨量；全天空成像仪获取的逐小时天空状况图像信息。

近海平台观测。在距岸6.5 km、平均水深16 m的海上观测平台水上，采用4层超声风温仪精确测量近海面不同高度上的三维风速和虚温脉动量（20 Hz），获取近海面湍流结构及其变化信息，提供台风的强风阵性特征及其对海洋飞沫输送作用的信息；作为辅助观测，采用气象要素梯度观测系统进行近海面气象要素梯度（5层）的观测，获取近海面风、温和湿度平均场的垂直分布数据。在海上观测平台水下部分，采用声学波浪流速仪同步测量台风条件下的波高、波周期、波向和流速廓线等海面状况参数；采用温盐梯度链观测系统测量海洋边界层温度和盐度垂直分布，获取上层海洋层结状况信息。

远海平台观测。利用距离海岸约100 km、10 m直径的茂名大型海洋气象浮标作为观测平台及搭载气象和水文传感器，测量台风过程中近海水域的海面气象要素和海表水文等要素的变化，测量的要素包括近海面风速、风向、温度、湿度、气压、降水量、波浪、海流、海表温度和盐度参数。（徐晶）

5 雷电研究

5.1 一种低频闪电电场变化探测阵列的三维定位新方法

LF/VLF频段全闪探测系统是近年来闪电探测技术发展的一个重要方向，中国气象科学研究院在广州雷电野外实验基地发展建设了由10个快电场变化测量仪组成的低频闪电电场探测阵列（LFEDA）。通过引入经验模态分解算法，对1 ms分段记录的电场变化波形采取低频滤波、高频降噪处理，利用降时间窗口的二次互相关方法，发展了一种新的信号处理方法和定位算法，较大程度提升了Hilbert变换后闪电LF/VLF脉冲信号峰值时间提取的精确度和脉冲数量丰富度，从而提升了LFEDA系统对电场变化脉冲的定位精度和闪电发展通道的描绘能力。通过与旧算法的定位结果对比发现，该算法可以更充分地识别脉冲信号，降低脉冲峰值的时间误差，得到更优的定位结果：在时间误差估计，限定的条件下，脉冲定位数量提升近7倍，定位辐射源的分布符合正态分布，95%置信区间为0 ～4，对应定位空间误差小于60 m；闪电通道连续性明显改善，能够清晰分辨闪电通道的发展特征和精细结构。针对一次致人死亡的“晴天霹雳”闪电事件，LFEDA系统给出了精细的定位结果，与气象部门调查的实际雷击点的对比，客观证明了LFEDA系统现有的定位性能：LFEDA系统给出了该次地闪的全部回击定位结果，且在先导过程脉冲信号较弱的情况下描绘出了首次回击的先导—回击过程；多次回击的定位结果与实际调查雷击点之间的水平最大误差仅为57.3 m，最小误差为2.67 m，平均误差为26.7 m，回击定位结果标准差为16.98 m。（范祥鹏，张义军，郑栋）

5.2 人工引雷初始阶段上行正先导的电磁辐射特征研究

利用山东人工引雷实验和广东野外雷电综合观测试验的观测结果，对人工引雷初始阶段上行正先导的电磁辐射特征进行了分析研究。根据近距离（100 m以内）测量到的上行正先导磁场脉冲波形特征的不同，将其分成脉冲型和波纹型两类，其中脉冲型脉冲能够通过传输线模式进行模拟，表明脉冲型脉冲是由上行正先导对应的电流脉冲沿着引雷钢丝向下传输时辐射产生。由于在脉冲型脉冲阶段之后，引雷钢丝头部形成一定长度的高阻抗先导通道，会对流经其中的先导电流脉冲产生低通滤波效应，进而导致脉冲型脉冲向波纹型脉冲的转化。与磁场脉冲的单极性特征不同，近距离测量到的上行正先导所对应的电场脉冲极性会随着人工引雷触发高度的不同而变化，即当触发高度低于“反转高度”时呈现单极性特征，反之呈现双极性特征，其原理与偶极子辐射中存在的“反转距离”现象一致。（樊艳峰）

5.3 VHF宽带闪电干涉仪的三维定位观测

甚高频闪电干涉仪能以高时间分辨率定位和观测闪电放电的时空发展特征。特别是近来出现的连续滑动窗口处理接收信号的方法，使得干涉仪的二维定位结果在时间分辨率和完整性上进一步提高。然而简单分析二维定位信息得到的结论存在不确定性。如果没有其他三维闪电定位网络的支持，双站干涉仪可以作为获取三维信息的一种选择。本研究介绍了一种用于双站宽带干涉仪的三维闪电定位方法，该方法借鉴了经纬仪高空测风方法，并给出了定位精度的仿真结果。利用多基线连续二维和三维定位方法，给出了一次云内闪电个例的定位结果以及61次地闪和80次云闪的起始高度统计结果。结果表明，两站干涉仪在两个站点之间的连接两侧具有较高的观测精度。随着辐射源和两个站之间距离的增加或高度的降低，定位精度会下降。实际定位的结果类似于现有甚高频到达时间差闪电定位网络。（刘恒毅）

5.4 西北太平洋区域闪电活动的气候特征

利用全球闪电定位网资料，研究了2005—2015年西北太平洋区域（定义为0°～55°N，100°～180°E）闪电活动的气候特征。研究发现，闪电密度高值区分布在亚洲东南部沿海和热带岛屿地区。低纬度热带区域的闪电密度空间分布与降水空间分布存在较大差异。南海的闪电密度远高于西北太平洋深海地区，且闪电密度日变化峰值提前3 h。西北太平洋区域闪电活动具有明显的季节变化特征，在季风前期中印半岛和南海的闪电密度迅速增大，闪电活动存在纬向的季节移动。月变化显示西北太平洋区域闪电最活跃时段为7—9月，这与降水率的月变化特征一致。海陆闪电活动日变化差异较大。南海区域具有不同与陆地和海洋的、其自身闪电活动季节变化和日变化特征。西北太平洋区域的热带气旋闪电活动存在两个大值区，分别位于菲律宾以东海域和中国南部海域，表明热带气旋进入南海登陆期间会产生较强的闪电活动。热带气旋闪电的平均贡献率为4.9%，其中热带风暴闪电贡献率最大。在ENSO事件对闪电气候分布的影响方面发现，El Niño期间西北太平洋区域闪电密度比气候平均值增加10.3%，而La Niña期间平均闪电密度减少4.8%。南海区域闪电活动对ENSO的响应最为敏感。相比El Niño，南海区域闪电活动在La Niña期间呈现出向北移动的特点。（张文娟，张义军）

5.5 触发闪电大电流M事件的放电过程和特征

在大电流M分量如何始发问题上至今没有统一的结论。为了更好地理解大M分量的成因，基于甚高频连续干涉仪、电场变化、通道电流和高速摄像观测，获得了18次触发闪电中212次M放电事件的观测结果，精确分析了M分量的电流特征和相关放电过程。其中68次M放电事件（28%）峰值电流超过1 kA，其电流峰值、电流脉冲宽度、10%～90%上升时间、半峰宽、转移电荷量、距离回击的时间间隔以及背景电流的几何平均值分别为2.358 kA、0.627 ms、0.078 ms、0.165 ms、0.417 C、2.172 ms和579 A。对比其他M事件，大峰值电流M事件在回击后的更短事件内发生，并且电流变化更快。3次M事件放电过程个例揭示，大的M事件可能由速度为107 m/s的快正流光和伴随的回传事件始发，也可能由连续电流通道仍存在条件下的直窜先导始发。M电流脉冲上升时间小于300 μs是大M事件存在的必要非充分条件，快的M电流脉冲常常对应低的或近的汇入位置。（张阳，张义军，郑栋）

5.6 NBE和IBP始发的闪电初始特征

闪电如何始发是雷电物理研究的热点，基于闪电低频电场探测阵列（LFEDA）所获得的全闪三维定位数据和波形，研究了一次雷暴过程中具有明显始发脉冲的闪电初始放电特征和放电规律。结果表明，212例近距离云闪和地闪中，32例（占15%）闪电由窄偶极性放电事件（NBE）始发；180例（占85%）闪电由初始击穿脉冲始发。作为始发的NBE（INBE），其相对孤立并且相对幅度大，INBE与后续闪电的第一个脉冲的时间间隔为7 ms，幅度比为3.5，远大于FIBP相对应的时间间隔0.6 ms和幅度比0.8，且INBE后常常跟随传统的IBP脉冲。大多数正极性INBE与FIBP对应初始向上发展的闪电，而负极性对应初始向下发展的闪电。INBE始发闪电前15 ms的平均发展速度随始发高度的增大而减小，且快于FIBP，这与INBE具有更快的速度相关。INBE速度估计为4.7×107m/s，FIBP为1.5×107m/s，两者速度差异也体现在脉冲上升时间方面，INBE具有更快的上升沿。（张阳，张骁，张义军）

5.7 一次由正地闪触发的广州塔上行闪电的三维光学观测

在地面电场达到一定强度或者云内、云地之间的放电过程引起地面环境电场瞬间变化达到一定强度时，高建筑物顶端或地面上高大物体上部就有可能产生上行闪电。基于双站光学、电场和雷达资料，对一次由正地闪引起的广州塔（600 m）上行闪电进行了多参量的观测。由双站光学系统获得的上行闪电通道和正地闪部分水平闪电通道被三维重建，提供了正地闪过程如何触发广州塔上行闪电的空间位置信息。上行闪电发生在飑线系统后面的尾随层状云区域，该区域的雷达回波强度相对较弱（30 ～40 dBz），最强雷达回波中心的高度约为4 km。从光学记录来看，正地闪水平闪电通道的二维长度超过17.2 km，三维重建部分的长度约为3660 m，其高度沿发展方向从3410 m增加到4170 m，平均高度为3640 m。基于上述结果以及文献中对层状区域电荷结构的研究，推断正电荷层的高度与最强回声中心的高度大致相同。（齐奇，吕伟涛，武斌）

5.8 建筑物高度对地闪回击电磁场影响的模拟

随着我国经济社会的快速发展和城市化进程的不断加速，城市地区的高建筑物逐年增多。由于高建筑物会吸引附近的闪电且产生上行闪电，一次雷暴过境时，高建筑物可能会遭受多次雷击，从而导致高建筑物附近区域的雷电电磁环境比较恶劣。因此，开展高建筑物雷电研究对于建筑物附近设备和线缆的雷电防护具有重要意义。基于三维时域有限差分数值算法（FDTD），建立了雷击高建筑物电磁场传播模型，通过考虑建筑物不同高度情况（100 ～600 m），研究了负地闪击中不同高度建筑物时回击垂直电场、角向磁场以及水平电场沿地表的传播规律。模拟雷电流幅值为11 kA，10%～90%上升沿时间为0.15 µs。模拟结果表明：建筑物高度对雷电电场峰值的影响显著，当建筑物高度从100 m增加到600 m时，在距离d=100 m位置的垂直电场峰值从8.59 kV/m减小至3.41 kV/m（减小比例为63%），水平电场正极性峰值从0.70 kV/m增大到1.29 kV/m（增加比例为84%），而水平电场负极性峰值的绝对值增加比例高达130%；当观测点到雷电通道距离不变时，角向磁场峰值和水平电场正极性峰值均会随着建筑物高度的增大而增大；而对于距离d=100 m和d=300 m时，垂直电场的峰值随着建筑物高度的增大而减小，并且当d=500 m时，垂直电场峰值随着建筑物高度的增大呈现出先增大后减小的趋势。此外，建筑物高度会影响垂直电场峰值对距离的敏感程度，建筑物越低（高），相应的垂直电场峰值随着观测点距离的增大衰减越剧烈（缓慢）。研究结果为高建筑物附近电力线缆和电子设备的雷电防护设计提供了参考。（宿志国，吕伟涛，陈绿文）

5.9 野外雷电观测试验

灾害天气国家重点实验室联合广东热带海洋气象研究所在广州建设了包括从化人工引雷试验场、从化气象局雷电观测站以及广州高建筑物雷电观测站3个部分组成的野外雷电试验基地，开展人工触发闪电试验以及自然闪电综合观测试验。2018年广州雷电试验基地正式命名为“中国气象局雷电野外科学试验基地”。灾害天气国家重点实验室2018年度人工引雷试验顺利结束，共成功引雷27次，为历年最高。本年度人工引雷试验主要关注雷电发生发展的物理过程以及雷电放电所引起的电磁效应。引雷试验场及从化气象局观测主要包括低频磁天线、连续干涉仪、快慢天线、大气电场、高速摄像及雷电流的相关测量。根据观测需要，2018年度人工引雷试验场新建近距离光学观测点1个，可有效提升对人工触发闪电通道起始阶段的观测能力。闪电成像阵列（LMA）首次在中国组网运行。国内首套闪电成像阵列在广州雷电野外科学试验基地落户。该阵列是一种长基线时差法雷电甚高频（VHF）辐射源定位系统，由灾害天气国家重点实验室率先引进，在广州市从化区、增城区、花都区完成架设组网，其试验运行将大大推动雷暴起电、闪电放电机制以及强对流天气研究及认识的深入。灾害天气国家重点实验室雷电团队此次架设组网的LMA阵列共有10个子站，布设在从化人工引雷试验场周围50 km范围，用于人工触发闪电的精确定位，也为雷暴电活动观测提供宝贵的精细定位资料，具有非常重要的科研价值。（吕伟涛，张阳，徐良韬，范祥鹏）

6 模式和再分析资料

6.1 适用于非均匀网格的正定平流传输算法

正定平流传输算法（MPDATA）最早由Piotr K.Smolarkiewicz在1983年所提出，用来高效求解大气动力学模式中非负热力学变量（如液态水或水蒸汽）的平流传输问题。一般大气模式中处理非负物理量平流传输方法有3种：（1）引入约束性条件，人工抹去间断性。（2）引入小量，置负为正。前2种方法会出现破坏精度、破坏守恒性等问题。（3）采用具有正定特点的数值算法来求解平流方程，例如MPDATA。该算法能够在保证精度，守恒性的前提下，求解平流方程，确保数值解始终在不变紧集合中 。现有的MPDATA算法对非均匀网格不相容，导致数值算法达不到设计的精度要求。本研究首先分析现有MPDATA算法对于非均匀网格的不足，即一阶数值格式的相容性缺失和边界导数逼近的相容性缺失。继而提出适用于非均匀网格的MPDATA算法，该算法针对非均匀网格的特点，参考Well-Balance中心格点算法的思想，设计出适用于一维、二维复杂网格结构的MPDATA算法。通过数学分析证明了该算法的相容性和正定保形性 。最后通过数值模拟验证了理论结果。（原新鹏，谢元富）

6.2 基于风塔观测的近地层稳定度分析

近地层稳定度是许多模式中定义边界层高度、大气湍流状态和大气扩散能力的重要参数。不同稳定状态也会影响中尺度对流系统的发展、城市热岛效应和风能评估。本研究利用2009—2016年全国铁塔的风速和温度分层数据，计算并分析了近地层稳定度情况。计算之前，对所用数据进行了质量控制。利用风塔质控后的两层风速和温度数据，根据莫宁—奥布霍夫相似理论，可以计算得到莫宁—奥布霍夫长度。根据MODIS地表覆盖率数据及下垫面粗糙度长度经验值，可得到全国及站点最近格点的下垫面粗糙度长度估值。结合下垫面粗糙度长度，可建立莫宁—奥布霍夫长度和Pasquill稳定度分类的关系，进而得到稳定度分类结果。不同时段和不同地区的稳定度特征存在较大差异，春夏季不稳定发生概率最高的时间较秋冬季早；西北地区不稳定发生最大概率的时刻为当地时间10:00，东南地区约当地时间01:00。不同地区及季节的不同特征与地表类型、潜热量、大气气溶胶含量和云覆盖量有密切关系，这项工作对于我们了解近地层特征和相关研究领域有重要意义。（李建，郭建平）

6.3 评估陆面模式子物理过程及其不确定性对模式表现的影响

陆面模式描绘陆地—大气间的能量、水量、动量的交换，是气候模式不确定性的主要来源。同时，模式结构不确定性，源于使用不同参数化方案描述同样的物理子过程，是陆面模式不确定性的主要来源。为了归因模式结构误差和参数化方案不确定性，识别关键子物理过程并研究这些物理过程对陆面模式表现的影响是至关重要的。本研究选用FLUXNET的92个站点来构建参数化方案集合模拟，并使用基于方差的敏感性分析方法来定量地评估Noah-MP陆面模式中参数化方案不确定性对模型表现的影响。结果表明：（1）陆表交换系数、径流和地下水以及地表阻抗是对Noah-MP模拟感热通量、潜热通量和净辐射的能力最重要的子物理过程。（2）对于一些站点，子物理过程间交互作用对模式表现方差的贡献可以多达50%。这个发现强调了考虑物理过程交互作用对于改进陆面模式的重要性。（3）对于全球陆面模拟，本研究推荐一个统计上最优的参数化方案组合。同时，对于不同区域甚至相邻的站点，最优参数化方案存在差异。（李剑铎，张果，陈飞）

6.4 Henye-Greenstein近似对冰云短波辐射计算的影响

基于新的多形状冰云参数化方案和BCC-RAD辐射传输模式，详细分析了在辐射传输算法中通常使用的HG （Henye-Greenstein）近似对冰云短波辐射传输过程的影响。对于单个冰晶粒子光学性质，HG近似对相函数勒让德展开式第3和第4项系数计算造成了较大误差，最大误差分别为-0.28和-0.33，最大相对误差分别为-55.7%和-73.8%。第4项系数的误差绝对值和相对值均高于第3项系数。进一步分析发现，HG近似在可见光区造成的误差高于近红外区。对于冰云体积光学性质，HG近似同样对第3项和第4项系数造成了较大的误差，最大误差分别为-0.18和-0.22，最大相对误差分别为-27.9%和-37.1%。第4项系数的误差高于第3项系数，可见光区误差高于近红外区，与对单个冰晶粒子光学性质的影响一致。HG近似也对有云大气的辐射传输过程计算造成了较大的误差。对短波向下辐射通量造成的最大误差为-2.78 W/m2，对短波向上辐射通量造成的最大误差为-1.06 W/m2，对短波加热率造成的最大误差为0.27 K/d。HG近似低估了短波辐射通量量，高估了云内加热率。因此，在冰云辐射传输计算中需精确描述相函数。（陈琪，张华）

6.5 利用中尺度起放电模式开展闪电活动的直接预报试验

利用耦合有起电和放电物理过程的中尺度起电放电模式WRF-Electric，开展了华北地区连续3年（2015—2017年） 的闪电活动预报试验。结合全国地闪定位观测资料，针对不同影响范围雷暴类型和预报时间，对数值预报结果开展定性和定量的分析。结果表明，WRF-Electric中尺度模式具备一定的区域闪电活动预报能力，在起报后的6 ～12 h对闪电活动区域具有较好的预报效果。雷暴落区预报的点对点定量检验中，模式预报在华北主汛期（6—8月）的预报临界成功指数（CSI）为0.1，达到业务预报水平。模式预报的闪电活动范围相对集中，闪电活动密度偏高，预报的主要问题存在于放电参数化方案的设计。应当考虑到模式空间分辨率对云内电场强度的影响，合理降低闪电参数化中的放电阈值以扩大预报的闪电活动范围。模式在闪电密度的定量预报上还有较大改进空间，单次放电中和电荷量应当更符合观测事实。（徐良韬，姚雯）

6.6 东亚区域大气再分析技术研究及资料集建设

东亚区域大气再分析研究从资料搜集、同化系统、数值模式、检验评估4个方面完善了东亚区域大气再分析系统。在观测数据方面，完善了陆地、海洋、飞机报观测数据，开展数据分析和质量控制。将地面数据和海洋数据写成1 h间隔的little-r格式进入同化系统；将飞机报合并到探空资料，形成统一prepbufr格式，应用于GSI同化系统。完成了2011年以来雷达观测数据的收集，同时完成了2014年全年的雷达数据质量控制和格式转换，开展了雷达径向风同化和反射率云分析试验，并开始实施雷达资料在再分析中的应用试验。在同化系统方面，优化了地面观测资料和高空资料同化方法，其中地面观测资料采用1 h间隔nudging，高空观测采用3 h变分同化；同时对GSI同化系统进行了本地化处理。在数值模式方面，结合观测资料时间窗，调整了模式nudging相关配置，实现了时间间隔为1 h的地面观测资料在东亚区域大气再分系统中的应用；综合前期的全部研究成果，进一步梳理和优化再分析系统流程和参数配置，固化了东亚区域大气再分析系统。在此基础上，完成了为期5年的区域再分析数据集及其评估。评估结果显示，与ERA-Interim资料比较，东亚区域大气再分析偏差均有减小，明显改善了东亚地区大气再分析资料的质量。此外，东亚区域大气再分析年降水空间分布和季节变化更接近观测。（尹金方，梁旭东，谢衍新）

6.7 天气气候一体化模式关键技术研究

针对模式的科学设计和目标用途，将框架主体分为用于构建底层功能支撑的基础层和用于实例化顶层模式原型的驱动层2层结构。在基础层内部包含模式的网格设置、基本算子、读写功能和并行方法等功能。驱动层则包含若干独立的模式原型。针对框架系统的整体设计，对各个分量组件进行了部署。将模式内部组件所依赖的关键算法进行提取，分解为若干子模块。模式的并行化部署与无锡超级计算中心合作开展，建立起并行版本计算框架。严格保证程序的串行和并行版本的计算一致性。开展了基于准均匀二十面体网格的球面离散化算法研究。在水平平流模块中，设计、研究并发展了基于2阶和4阶次网格多项式重构的高精度时空—分离类有限体积算法，通量半拉格朗日型算法，以及保形正定类算法。采用国际通行的球面线性平流标准，对这些算法进行了理想测试。在多种类型的初值分布（如连续、准连续、强间断场）和气流环境（变形流和刚体平移流）下，这些算法表现出较好的计算结果。采用双场相关性保持这一实现测试指标，检验了框架目前所支持的几个水平传输算法在有无单调限制情况下对双场相关性的模拟能力，显示出很好的模拟效果。针对正压浅水模拟，在现有的能量守恒科氏力重构的基础上，采用高精度迎风位涡通量算子，有效地改善了浅水波模拟中的计算Rossby模态，并提高了模式对涡度场的模拟能力。特别地，模式显示出对非线性涡度传输的良好模拟效果。采用碰撞涡旋算例对框架进行了测试，模式可以准确稳定地模拟出涡旋的旋转特征。基于水平算法研究，发展了满足科学性指标的球面二维浅水模式框架，是发展三维框架的重要前提环节之一。在浅水版本框架的基础上，初步发展了三维大气干动力框架。基于质量坐标体系，将静力和非静力模块进行分解。采用三维有限体积观点进行模式的离散化，实现整层离散的三维模式框架，为后续发展奠定基础。（张祎）

7 卫星研究与应用

7.1 快速辐射传输模式

当前广泛用于卫星遥感和数据同化的快速辐射传输模式都是标量模式，由于其忽略极化影响在很多情况下可能导致模拟结果出现较大误差，所以很有必要建立新的快速矢量辐射传输模式。目前中国第一代快速辐射传输模式ARMS已经初步研发了测试Beta版。模式集成了包括P2S （带偏振的二流模式）、VADA （矢量倍加模式）和VMOM （矢量矩阵算子模式）等多个矢量辐射传输求解方案，同时还集成了陆地和海洋表面发射模块。对模式的测试和比较发现，P2S的求解速度快、精度高，能够作为ARMS快速辐射传输求解的基本模块。ARMS-P2S对单个大气廓线模拟FY-3D MWTS 13个通道的亮温与美国的CRTM模拟结果在陆面和海洋地表情况下都具有很好的一致性。（翁富忠，丁守国，董佩明）

7.2 卫星资料同化关键技术研究

FY-3D携带的微波温度、湿度探测仪MWTS和MWHS对于天气应用具有重要价值，目前这些数据已开放投入业务运用。但是，与AMSU和ATMS不同的是，FY-3D微波探测没有设计低频的23.8 GHz和31.4 GHz通道，从而使得反演获取云液态水含量等信息具有较大难度。另外，MWTS和MWHS是在各自观测像元上的不关联观测，这些都导致了使用者很难进行质量控制和匹配使用等问题。采用机器学习技术重构FY-3D微波探测23.8 GHz和31.4 GHz通道亮温，并通过Backus-Gilbert重采样技术实现MWTS和MWHS像元匹配，构造出了新的组合微波探空数据集CMWS（Combined MicroWave Sounder）。新的FY-3D CMWS数据集共有包含23.8 GHz和31.4 GHz在内的30个微波探测通道，并已转化为国际通用的BUFR数据格式。由CMWS导出的基于卫星观测的整层可降水量和云中液态水含量量级和分布合理，与ATMS导出结果具有较好的一致性，CMWS反演温度也很好地揭示出台风温度异常结构。CMWS数据和对应的快速辐射传输模式系数已提供上海应用气象研究所，有力地推动了FY-3D卫星资料在台风区域数值预报中的同化应用。（杨俊，董佩明，翁富忠）

7.3 台风热力结构反演技术

星载微波探测仪具有一定的穿云透雨能力，对于海上天气系统的监测具有重要意义。我国是台风灾害多发国家，但西北太平洋海域缺少业务化飞机观测，因此星载微波探测仪对该海域台风的监测尤其重要。然而，已有研究中由于缺乏对台风低层散射过程的考虑，造成微波仪器反演的台风温湿结构在低层存在较大误差。基于以上考虑，本研究在传统一维变分反演算法中加入基于不同散射类型计算的背景场、背景场协方差矩阵以及正演模式误差矩阵，并结合微波仪器自身的云识别算法搭建了场景自适应的一维变分反演系统。该系统使用ATMS仪器对大西洋海域飓风进行反演批量试验结果表明，使用场景自适应的一维变分算法反演得到的台风暖心结构更加合理，飓风内核区低层温度和湿度反演误差分别减小至3 K和2.5 g/kg以内。在西北太平洋海域，分别采用ATMS仪器以及FY-3D CMWS产品对台风Maria进行反演试验。结果表明，CMWS也可以反演出合理的暖心结构，暖心位置和高度与ATMS反演的结果类似，但暖心强度略弱。（翁富忠，胡皓，杨俊）