中国气象学会2016年度

中国气象学会 2016 年度 大气科学基础研究成果奖拟授奖成果 一等奖（一项）： 成果名称：中国大陆降水精细化过程演变的气候特征及其变化研究 主要完成人：宇如聪、李建、原韦华、陈昊明 主要完成单位：中国气象科学研究院、中国科学院大气物理研究所 推荐专家：王会军、张人禾、端义宏 成果简介： 降水的时空分布对地球系统水资源分布和水循环过程有着不可 替代的调节作用，降水的异常变化常对人类和自然生态系统产生难 以抗拒的影响，因此降水特性研究始终是大气科学及相关领域备受 关注的国际热点课题。由于东亚地区地理环境特殊，多尺度地形和 海陆气相互作用过程复杂，因而我国降水的时空分布、演变过程和 异常变化所涉及的科学问题更加突出。但对降水精细化过程的科学 认识尚存在很大局限性，这制约了对降水异常变化机理的理解，制 约了短临预报业务中实时监测资料的有效应用，制约了对数值模式 降水模拟不确定性问题的认识，从而制约了降水预报准确率的提高。 本研究团队充分利用各类高分辨率降水资料，立足于提高对我国降 水精细化过程的科学认识，开展了深入细致的研究，取得了系统性 成果。发表的 20 篇主要论文他（总）引 403（623）次，其中 SCI 他（总）引 257（401）次；8 篇代表性论文他引 277 次，其中 SCI 他引 179 次。主要创新点如下： 1系统揭示了我国大陆降水日变化的气候特征和区域差异。研 究发现我国大陆具有多种日变化模态：我国东南和东北地区的夏季 降水日峰值主要集中在下午，西南地区多在午夜达到降水峰值，长 江中上游地区的降水多出现在清晨，江淮、黄淮地区清晨、午后双 峰并存，青藏高原大部分地区是下午和午夜峰值并存。并指出海陆 分布与高原大地形对我国降水日位相的空间分布有重要影响。 2提出按降水持续时数或云属性分类、按降水过程峰值时刻合 成分析降水精细化特征的新方法。研究指出降水持续小时数和降水 事件不对称性是降水精细化特征的两个重要方面，并提出了相应的 定量分析方法。发现长持续降水和层状云降水的峰值位相大多位于 午夜至清晨；短时降水和对流降水的峰值时间多出现在下午至前半 夜。揭示了降水过程的不对称性，即降水开始至达到峰值的时间较 峰值发生后至降水结束的时间明显偏短。 3揭示了我国夏季?带降?的?持续时间和清晨峰值等精细化过 程特征。研究发现我国东部降水的精细化特征在暖季存在显著的季 节内变化，且这种变化与夏季风雨带的南北移动紧密关联。夏季风 雨带内降水事件的峰值位相多出现在清晨且持续时间较长，而夏季 风雨带外降水则以午后短时降水为主。长持续降水的清晨峰值与低 层环流的日循环密切相关，长持续降水区在夜间为异常辐合上升区， 且该环流型随夏季风系统南北移动。 4揭示了伴随“南涝北旱”型年代际降水异常的小时降水特性 变化。研究发现，在上世纪后半期我国华北降水减少、长江流域降 水增多的同时，小时降水强度却呈现出“南减北增”的变化；长江 流域降水持续小时数增加、清晨峰值更显著，华北地区午后峰值更 突出。 “南涝北旱”源于夜间长持续降水变化，且主要由中等以下强 度降水贡献，与东亚夏季风的年代际演变紧密关联。 二等奖（二项） 成果（一） 成果名称：大气科学中变分同化与反演若干关键技术理论及 应用研究 主要完成人：黄思训、赵小峰、关吉平、项杰、杜华栋 主要完成单位：中国人民解放军理工大学气象海洋学院 推荐单位：中国人民解放军理工大学气象海洋学院 成果简介： 结合军事气象武器装备、军事气象信息处理与融合、气象预报 和卫星遥感中变分同化结合正则化及反演的关键技术展开了深入有 创造性的系统工作。 13-DVar 中若干关键技术的研究(1)背景场协方差阵构建问题 对 3-DVar 中设计了模拟全球背景场协方差阵 B 的新模型，提出了一 个新的区域 3-DVar 方案，设计了基于球面小波的模拟全球 B 的新方 法；在物理变换中涉及到确定流函数与势函数问题，基于数值微分 思想及采用变分方法重构了有限区域风场分解的理论框架和技术方 案；同时构建了相对湿度和其余控制变量间的多变量平衡约束算子。 (2)提出了一种改进的偏差原则，设计了最优迭代方法，既克服了反 演的不适定性，兼顾了问题的非线性性，该方法在 GOES-R 大气廓线 反演算法中得到应用，使得温度反演精度提高了 0.5 度左右，水汽 反演精度提高了 10%左右。(3)设计了多普勒天气雷达资料同化的新 技术，为多普勒天气雷达资料同化探索出一条新路子。 24-DVar 中若干关键技术的研究(1)提出了利用变分同化结合 反问题正则化方法，根据实际问题设置合理的稳定泛函（L1 或 H1 的背景场、能量项或有界变差形式等） ，在最优选择正则化参数条件 下，在整体及局部资料下对模式初值、边值和模式参数反演进行了 系统的理论研究（应邀在国际会议上作 1 小时大会特邀报告 3 次） 。 (2)对于不可微系统（例如 on-off 问题） ，提出了弱形式的思想并导 出了系统伴随形式。(3)在台风同化方面研究：首次提出了用变分方 法将台风分解为无旋流场、对称涡旋和不对称的?涡旋对；利用数值 微分方法来诊断台风的内部结构，对诊断分析中小尺度天气系统具 有很高的分辨能力，为现代数值天气预报客观分析和物理量诊断提 供了一种新的思路。 （在基金委数理部同化重大项目立项作大会 1 小 时报告） 3军事气象装备方面的创新技术研究(1)雷达超视距探测反演 大气波导系统的研究首次提出了在复杂环境下雷达回波资料反演大 气波导的新算法和新技术，构建了实时、快速和高精度反演算法， 为舰载雷达装备反演大气波导提供了保障。(2)对 GPS 探空仪风场反 演系统的研究设计了安全、稳定且具有军事特色的下投式 GPS 探空 仪反演算法。(3)多源数据气象水文同化技术研究在高光谱反演方法 上进行了理论研究并研制了高光谱反演业务应用系统，提出了高光 谱反演的最优通道选择方法和资料融合算法；对星载微波散射计设 计了风矢量模糊去除新技术及改进的反演海面风场的新技术；基于 合成孔径雷达图像中的风条纹信息，提出了利用二维数值微分方法 反演海面风向的新思想；结合反问题技巧及滤波技术提出了广义最 佳分析方法，对风场进行了分析；结合大气动力学理论和统计经验， 提出了利用卫星反演海面 10m 风场和高层 AMV 资料及卫星反演温湿 廓线联合计算海上大尺度三维风场的方案。 4在大气科学中非线性波的研究方面揭示了大气非线性波的特 征，得到了一系列非线性波解析解及孤波解的表达式，提出了拟能 与拟能影响函数的概念及对拟能曲线进行拟合得到近似解析解的思 想；建立了非线性波的波速公式和线性与非线性波的 M 判据（获首 届赵九章奖） 。 成果（二） 成果名称：中尺度系统动热力学新理论和预报新方法研究 主要完成人：高守亭、冉令坤、周玉淑、平凡、杨帅 主要完成单位：中国科学院大气物理研究所 推荐单位：中国科学院大气物理研究所 成果简介： 中尺度系统常引发暴雨及强对流等灾害性天气，其形成物理机 制复杂，发展迅速，预报准确度较低，很难满足我国经济发展和防 灾减灾需求，对其进行研究是我国的重大科学课题。中尺度热动力 学理论及预报方法也是国际研究的难点和热点。本项目从我国重大 需求出发，紧扣国际科学研究前沿，系统开展了广义位温、中尺度 波流相互作用、冷云和暖云地面降水物理过程等新理论及预报新方 法和新技术研究，取得如下重要成果： 1非均匀饱和湿大气位温理论针对实际湿大气某处饱和，周围 不饱和的特点，提出非均匀饱和广义湿位温的概念。它具有比相当 位温更严谨的守恒性，能够较客观地描述实际大气的热力状态。以 此为基础创建了一系列中尺度系统热动力学理论，如：广义湿位温 守恒理论和由此发展的广义湿位涡理论，成功应用于暴雨及“桑拿” 天气机理分析和预测；提出了非均匀饱和非地转 Q 矢量理论，为研 究实际湿大气垂直运动提供新方法；建立了动力涡度矢量和对流涡 度矢量理论，揭示出中尺度强对流发生发展机理，对中尺度暴雨落 区演变和移动具有较好指示作用。 2中尺度波流相互作用理论如何准确地描述中尺度系统与大尺 度环流之间存在的波流相互作用是大气科学研究的关键问题之一。 波流相互作用包括波对平均流的反馈作用和平均流对波的强迫作用 两个方面。在波对平均流的反馈方面，利用波动能变化项代替病态 条件项，提出广义 E-P 通量理论，把原来只适用于正压大气的 E-P 通量理论推广到斜压大气。该理论可以科学地解释高空急流加速现 象，为预测暴雨等灾害天气提供了重要依据。在平均流对波的强迫 方面，依据大气动量和能量守恒特性，避免纬向平均，采用 Casimir 方法得到三维非地转和非静力平衡的中尺度波作用方程， 能够描述叠加在基本气流上三维中尺度系统的发展演变，解决了过 去大尺度波流相互作用理论不能用于中尺度暴雨研究的问题，把波 流相互作用理论从大尺度拓展到中尺度领域。 3冷云和暖云地面降水方程针对冷云和暖云发展的不同特点， 建立了云微物理地面降水方程，实现降水物理机制的定量化分析。 利用该方程可以解释夜间长波辐射冷却对降水日变化影响，揭示出 垂直风切变、辐射和冰云影响降水过程的物理机制，使降水系统结 构及物理过程分析更加合理且能定量化。该方程是降水过程宏、微 观定量诊断的重要工具，为改进高分辨数值模拟及改善定量降水预 报提供了有力支持。 4提出暴雨预报新方法和新技术，服务于国家重大需求利用理 论研究成果，根据不同地区天气特点，提出了针对西风槽、台风、 锋面