災害天氣國家重點實驗室：探究風雲變幻的奧秘

■聚 焦

近年來，各種極端天氣災害層出不窮，「百年一遇」「五十年一遇」等對災害的描述性詞語在媒體上屢見不鮮。我國幅員遼闊，災害天氣頻發，每年因天氣引發的災害都給經濟社會發展和人民生命財產帶來巨大損失。

2012年7月21日，北京及其周邊地區遭遇61年來最強暴雨及洪澇災害，造成房屋倒塌10660間，160.2萬人受災，經濟損失達116.4億元。

2017年8月23日，颱風「天鴿」在廣東登陸，登陸時中心附近最大風力14級，與1991年第11號颱風「Fred」並列成為1949年以來8月登陸廣東的最強颱風，導致廣東、廣西等省區近30人死亡，直接經濟損失超過200億元。

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全球氣候變化背景及東亞地區複雜大氣環流和地形，使得東亞地區災害天氣監測和預報面臨更大的挑戰，提高科學防災減災能力已經成為各級政府和廣大群眾的重要任務和迫切需求。在這樣的背景下，2005年3月，在原中國氣象科學研究院強風暴實驗室和數值預報中心的基礎上組建的災害天氣國家重點實驗室進入建設階段，2007年8月通過建設期驗收，2008年3月正式進入國家重點實驗室的行列，成為我國從事災害天氣領域研究的國家重點實驗室。

經過十餘年的發展，實驗室現有83名固定人員，其中兩院院士4名，研究員36名。已承擔原國家「973」項目2項，國家科技支撐項目1項，國家基金委重大項目1項，國家重大行業專項項目1項，基金重點項目5項，獲得國家科技進步獎二等獎3項，有多人在20多個國際國內學術組織任職。他們通過以遙感遙測為主的觀測理論與技術研發，大型觀測試驗為牽引的機理研究，數值預報為核心的預報理論與技術研究，引領了我國災害天氣學科發展，在國家氣象防災減災能力建設中發揮了重要的科技支撐作用。

「世界屋脊」 協同觀測

了解物理學的人都知道，如果潮濕空氣在經過充足的冷卻後，在大氣凝結核上凝結，就會形成雲。當水汽凝結物再經過一系列的物理過程，從雲中降落到地面時，就成了降水。雲和降水過程在全球水循環、生態環境、災害天氣及氣候變化等方面均具有重要作用和影響。雲物理及降水過程研究是當前國際大氣科學領域的前沿科學問題，也是提高我國災害性天氣精細化、定量化預報能力所亟待解決的重大科學問題之一。

東亞雲物理及降水過程有其獨特性，尤其在青藏高原地區和華南季風區。青藏高原的雲和降水物理過程不僅影響高原腹地，而且還通過調節亞洲季風區的能量和水分循環，影響著高原周邊及下游地區的災害性天氣和水循環。而華南地區受季風、海陸熱力差異、複雜下墊面等因素綜合影響，降水頻繁、強度大，雲微物理過程複雜，對其進行觀測有利於深化暴雨物理機制認識，提高定量降水預報。

為加強青藏高原和華南地區雲和降水物理過程演變規律的認識，提高數值預報模式中雲物理過程的定量化描述能力，實驗室牽頭組織了「第三次青藏高原大氣科學試驗」和「華南季風降水試驗」，重點開展雲微物理及降水過程的觀測和機理研究。

第三次青藏高原大氣科學試驗是目前為止對高原雲和降水過程最為系統的觀測試驗。團隊以青藏高原那曲為綜合觀測核心基地，構建了青藏高原東南緣、中部與南坡關鍵區的雲物理、邊界層和衛星反演綜合觀測系統，首次對高原雲微物理過程進行了飛機、多波段雷達等協同觀測，首次在高原組織實施了雲和降水空基和地基協同觀測試驗，獲得了獨有的高原雲和降水觀測數據集，揭示了高原獨特的雲微物理和降水過程。

具體來看，團隊揭示了高原對流雲和降水過程的顯著日變化特徵，指出高原日平均降水轉化率較大，水分循環次數較同區域的乾旱地區高，水分再循環（內循環）比較活躍。飛機觀測研究首次發現，青藏高原過冷液態水含量豐富，雲滴濃度甚至比海洋清潔環境下的還小，但尺度大，表明高原雲系統更容易產生降水。研究表明，高原雨滴譜分布相對於同緯度同季節的平原地區較寬，並確定了高原地區雨滴譜Γ分布的3個關鍵參數。這些成果對於揭示高原雲和降水形成機理，改進數值模式雲物理過程參數化方案，提高模式預報水平具有非常重要的價值和意義。

採用高原大氣科學試驗資料，他們評估了中國氣象科學研究院自主研發的CAMS雙參數雲微物理方案，指出高原地區地面降水對雲滴凝結過程十分敏感，初始雲滴尺寸的影響甚至超過其他微物理過程。進一步模擬研究揭示，高原對流雲的暖雲層較淺薄，但是在降水中心，暖雨過程的作用甚至超過冷雨過程。這一發現已應用於CAMS雲微物理方案的優化，對於提高青藏高原數值預報水平具有重要價值。

華南暴雨 探索試驗

在第三次青藏高原大氣科學試驗開展得如火如荼之時，實驗室對華南地區的研究也沒有落下。實驗室持續開展暴雨多尺度機制和數值模擬研究，利用快速發展的雷達技術觀測我國東部尤其是華南地區的極端強降水，再經由高精度的數值模擬實現對暴雨的預報，多管齊下加深對暴雨機制的了解，在對流觸發、對流系統長生命期等方面取得了系統性研究進展。

2012年7月，中國氣象局申請的「華南季風降水試驗」（SCMREX計劃）被世界氣象組織世界天氣研究計劃（WMO/WWRP）批准為WMO/WWRP的研究發展項目。2013年，試驗正式開展，美國、韓國、日本和澳大利亞等國家均參與了該項目的工作。依靠雷達探測和數值模擬技術，經過4年的不懈探索，研究人員揭示了華南前汛期特大暴雨過程對流觸發發展的多尺度物理機制，闡明了季風發展不同階段華南降水系統的微物理結構特徵，提高了數值模式對華南前汛期暴雨的預報能力。

團隊在暴雨和對流多發區的廣東龍門建立了集雙偏振雷達、多波段垂直觀測雷達、激光雷達、微波輻射計和雨滴譜儀等綜合觀測系統的雲降水垂直觀測超級站；研發了X波段相控陣天氣雷達系統，並在龍捲風多發地廣東佛山建成了X波段相控陣天氣雷達觀測基地。通過開展更大規模的華南暴雨外場觀測試驗，他們首次建立了包含水成物粒子相態，粒子落速，液、冰水含量，高時空解析度降水結構等在內的華南季風區暴雨過程雲和降水綜合數據集。在此基礎上，建立了多波段垂直觀測雷達的質量控制方法，雲降水微物理和動力參數反演方法，分析了華南雲降水微物理特徵及其與青藏高原、匯合流域的差異；利用X波段相控陣天氣雷達結合雙線偏振雷達，驗證了X波段相控陣天氣雷達探測快速變化的強對流過程精細結構的能力，並進一步認識了強對流系統中氣旋、冰雹和地面大風的結構、演變和相關關係。

利用外場試驗獲取的最新綜合觀測資料，結合高精度數值模擬，研究人員發現海岸線及其附近較小尺度山脈分布、先前對流活動遺留的冷堆、近地面風等中小尺度因素的協同作用是華南前汛期沿海特大暴雨對流系統觸發的關鍵，明確西南季風夜間加速、海陸風以及複雜下墊面等在3種降水日變化傳播模態中的作用。研究發現，弱地面冷出流導致的中尺度對流系統的穩定維持以及活躍的暖雨過程，是形成華南地區瞬時強降水並導致極端累積降水的直接原因；華南暖區強降水過程中，對流系統的自激發和自組織是華南暖區弱動力強迫下對流系統形成的關鍵過程。據此，團隊建立了華南暖區暴雨多尺度天氣概念模型，並應用於降水預報業務，提高了暴雨預報的準確性。

不忘初心 砥礪前行

颱風是影響我國的重要災害天氣，平均每年有7—8個颱風正面登陸我國，登陸颱風數居世界首位，年均因颱風造成的災害損失達440億元、死亡達470人。近30多年來，颱風移動路徑預報水平得到了持續改進，然而對颱風強度預報的改進卻非常緩慢。之所以如此，是因為研究人員對影響颱風強度變化的機理沒有足夠的認識，同時沒有一套成熟的理論體系。為此，實驗室依託主持的國家重點基礎研究計劃（原「973」）等科研項目，開展了「登陸颱風科學試驗」，在颱風結構及強度變化機理、數值模式關鍵技術等方面開展了深入細緻的研究，並取得了一系列創新性研究成果。

團隊致力於颱風數值模式關鍵技術的改進，開展了在現代城市化背景下，颱風登陸前後氣溶膠對模式雲微物理過程的影響、城市下墊面對颱風邊界層的物理過程及颱風降水影響的研究，取得了一系列研究成果。他們實現了雷達徑向風資料同化技術在登陸颱風預報試驗中的應用；改進複雜地形情況下的颱風渦旋初始化技術，有效減小了颱風路徑和強度預報誤差；研發和改進雲微物理、長波輻射及邊界層過程參數化方案，推動適用於颱風精細結構數值預報的關鍵技術發展。其建立的高解析度區域同化預報示範平台（T-RAPS）開展了2015—2017年的西北太平洋颱風實時預報試驗。強度誤差逐年減小，在汛期為中央氣象台颱風預警提供了有力的技術支撐。

同時，實驗室擁有中國氣象局雷電野外科學試驗基地，研發了閃電低頻電場探測陣列、連續干涉儀和全視野閃電通道成像儀等多種雷電光、電、磁探測設備，連續開展了十餘年的雷電外場觀測試驗，獲取了大量寶貴的科學試驗數據，為雷電物理過程及其成災機理的研究、雷電防護技術的綜合測試以及雷電監測系統的客觀檢驗評估等提供了關鍵的支撐。他們率先研發了專業化雷電臨近預警系統，實現了對雷電活動發生概率、移動趨勢、重點區域雷電危險度等級的臨近預警，並在中央氣象台和北京、上海、湖南等各省（市）氣象業務部門，以及林業、航空航天等多個雷電敏感行業得到應用，為奧運會、世博會、大運會和航天發射等重大活動提供了有效的雷電預警服務。

除此之外，實驗室在第一個評估期發展了我國數值天氣預報系統（GRAPES），並實現業務化運行；基於ECHAM5大氣模式和MOM4海洋模式建立了一個包含大氣、海洋、陸面和海冰的氣候系統模式（CAMS-CSM），為天氣—氣候一體化模式關鍵技術研究提供耦合模擬平台，研發了新一代天氣雷達颮線和對流系統識別軟體系統，並得到業務應用。

災害天氣國家重點實驗室肩負開展災害天氣學科前沿研究，監測、預報和預警重大技術研發任務，面向現代天氣業務發展需求，兢兢業業，踽踽獨行，在暴雨、颱風、雷電等災害性天氣和數值預報、雷達探測等方面碩果頻出、豐收不斷。新形勢下，且看他們如何不忘初心，砥礪前行，為我國災害預測和防災減災做出新的、更大的貢獻！（胡 敬）

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