热带海洋研究计划

中国气象局广州热带海洋气象研究所 中国气象局广州热带海洋气象研究所编制 2010 年 11 月 1 日 II 目 录 一、前言 ............................................................ 1 1、概况 .................................................................. 1 2、学科的业务需求 ........................................................ 2 3、学科发展现状及存在问 ................................................ 2 二、发展目标 ........................................................ 4 1、瞄准国家级科学试验基地，推进海洋气象综合观测平台建设 .................. 4 2、提升对海岸带灾害性天气、气候、环境的预报技术与能力 .................... 4 3、优化基于观测研究的数值模式，推进海洋气象科研与业务结合 ................ 4 三、科技研发的重点任务 .............................................. 5 1、热带海洋气象 .......................................................... 5 2、热带天气气候 .......................................................... 5 3、热带数值预报 .......................................................... 6 4、热带环境气象 .......................................................... 6 四、研究方法及拟解决的关键技术问题 .................................. 7 1、热带海洋气象 .......................................................... 7 2、热带天气气候 .......................................................... 8 3、热带数值预报 ......................................................... 12 4、热带环境气象 ......................................................... 14 五、预期成果 ....................................................... 15 1、深入认识热带天气、气候特征 ........................................... 15 2、改进热带天气、气候、环境的预报预测技术与方法 ......................... 16 3、拓展观测资料应用潜力，提高数值预报水平 ............................... 16 六、编制依据 ....................................................... 16 1 一、前言 1、概况 ⑴ 单位概况 中国气象局广州热带海洋气象研究所（以下简称广州热带所）前身是 1976 年成立的广东省热带海洋气象研究所，2001 年经国家科技部、财政部、中央编 制办公室批准转为国家非营利性科研机构，人员编制 50 人。目前固定科研人员 38 人，其中具有博士学位的有 12 人，具有硕士学位的有 15 人，研究员 4 人， 副研究员 17人，科研人员平均年龄 35岁。 广州热带所主要从事热带数值预报模式的技术开发、南海季风、华南暴雨、 南海台风、华南旱涝、热带卫星资料收集和应用技术、热带环境气象等方面的科 研工作。重点开展热带大气环流和天气系统以及海气相互作用对我国天气气候的 影响研究。 广州热带所下设办公室、热带海洋气象团队、热带天气气候团队、区域数值 预报团队、热带环境气象团队、热带气象信息与应用研究室。主办《热带气象学 报(中、英文版)》，其中中文版为中国自然科学核心期刊，英文版被列入美国《科 学引文索引（网络版）》（SCIE）源刊。历年来承担了国家科技攻关，国家和省自 然科学基金，部门重点及气象科学基金等科研课题 300多项，获厅局级以上科技 成果奖 70多项。 ⑵ “十二五”基本定位和目标 定位： 广州热带所作为国家气象科技创新体系的主体和现代气象业务体系的主要 科技支撑力量，坚持以解决制约热带海洋气象业务发展中关键性科技问题为宗 旨，坚持以应用研究为主、基础研究为辅的发展思路，以热带海洋气象综合观测 与试验、热带海洋灾害性天气与短期气候预测、热带区域中尺度预报模式和中国 南海台风预报模式、海岸带与城市环境气象预报研究为重点研究开发领域和科研 目标，切实满足国家需求和服务地方经济发展。 目标： 通过重点研究和联合攻关，分析海洋大气边界层结构特征，研究海-陆-气相 互作用对登陆台风及其衍生天气影响机理，完善和改进海洋气象数值预报系统中 关键物理过程，提高对台风、海上大风、海雾等海洋气象灾害性天气的预警预报 技术水平；在热带灾害天气的监测、机理、预报等方面取得明显进展，提高对热 带区域灾害天气的预报能力，提升短期气候预测水平、发展延伸期预报技术；实 现多种观测资料在数值模式中的应用，发展有特色的热带区域模式与中国南海台 风模式，为提高各种热带天气、台风、暴雨、局地强对流等气象灾害预报准确率 2 提供有力的技术支持，为天气预报业务提供高品质的精细化数值预报产品；针对 海岸带与城市环境气象预报，研究城市气溶胶对热带、海洋区域天气、气候、环 境的影响。开发研究一批拥有自主知识产权的科技成果，在海洋气象综合观测理 论、方法与技术方面取得明显进展，提升我国综合气象探测能力、技术水平和可 靠性。基本建立与现代气象业务体系接轨的规范、高效、协调、有序、可持续的 科技创新机制，凝聚和培养一支学科层次、结构合理的气象科技人才队伍，进一 步增强气象行业自主创新能力和国际竞争力，促进我国气象事业协调发展。 2、学科的业务需求 广义的海洋气象，涵盖所有在海-气界面、海面以下及海面以上的大气(高空 观测)和与之有关要素的观测与研究。海洋覆盖了地球表面的 71%，海洋对大气 有着很大的调节控制作用，海洋具有较大的热容量，控制着气候变化的速率，是 许多重要天气系统的发源地，也是气候系统的重要组成部分。华南地处低纬、毗 邻南海，区域天气气候受热带和中高纬度天气系统共同影响、复杂多变，暴雨、 强对流等灾害天气频繁发生，是我国灾害天气多发地区。尤其是南海区域台风、 强对流、海上大风和海雾等灾害性天气频发，南海季风的发生发展不仅影响华南 区域，而且也影响着我国大部地区的天气气候变化。随着国民经济的快速发展， 为满足沿海省市人民政府防灾、减灾、海上安全生产、救助打捞、军事活动等各 种生产生活，对各种海洋气象灾害（如台风、寒潮大风、强温带气旋、海雾等） 及海洋灾害（如风暴潮、灾害性海浪等）的预警预报的需求也越来越高。 首先，为有效对各种热带海洋气象和热带灾害性天气开展精细化预报，对适 用于热带地区的数值预报技术提出了更高的要求；其次，满足海洋气象服务需求， 对海洋气象业务监测预报水平提出了迫切的要求；三是防御海岸带城市群复合体 多发性的高影响天气，对热带灾害性天气短时临近预报技术提出了新的需求；四 是防御和应对全球变暖背景下各种极端天气，对短期气候预测和延伸期预测技术 提出了更高的要求；五是合理评估城市空气质量及城市发展对天气气候的相互影 响，促进城市健康发展提出了更多的要求。 3、学科发展现状及存在问题 南海是我国面积最大的领海，是我国通往各大洲的海洋重要门户之一，在我 国的国家安全与经济发展中具有重要的战略地位，因而发展海洋气象一直是气象 部门非常重要的一项任务。海气耦合模式不仅是研究海气相互作用的主要研究工 具，同时也是海洋气象预报的主要手段。近年来，国际上开展了一些大型观测计 划，如：ARGO 中利用海洋浮标开展海气交换过程、资料同化及改进海气耦 合模式参数化的研究。2006 年开始，广州热带所在广东茂名博贺海洋气象 站建设海岸带海陆气相互作用于灾害性天气科学实验基地，并在近海建设了我国 3 首个海洋气象观测平台。然而，由于海上观测资料的缺乏，海上天气系统生消的 物理过程认识不够深入，海气之间能量交换特别是极端天气背景下的能量交换不 清楚，海气耦合模式系统不完善，海洋气象预报的精细化程度和准确度远远不能 满足社会发展和海上安全的需求。 针对华南及热带区域灾害天气特征，重点围绕华南的中尺度对流系统，结合 华南及珠三角海岸带-城市群复合体的环境特征，应用观测资料诊断分析和数值 模拟相结合方法，对致灾的局地强暴雨和雷暴等中尺度灾害天气现象和对流系统 的形成发展机制开展了广泛的研究，在暴雨中尺度对流系统组织发展形式、城市 下垫面等陆面特征影响及城市污染环境对对流系统发展影响等方面形成了较好 的研究基础，在强降水临近预报技术、雷电活动预报技术发展等方面也取得了积 极成果。但也存在一些问题：对具有热带区域特征的灾害性天气过程的发展、中 低纬度天气系统及不同尺度天气系统之间的相互作用仍缺乏深入研究；对发展区 域性暴雨、局地暴雨及强对流等灾害性天气客观定量预报和短时临近预报技术方 法方面仍缺少必要的投入。 在全球气候变暖的背景下，极端天气气候事件发生的频率和强度呈增加趋 势，而且这种极端天气事件发生往往由于持续时间长而导致了更为严重的气象灾 害。延伸期天气预报是自 2008 年初低温雨雪冰冻极端天气过程以来开始提出的 气象预报新业务。目前研究和业务上最常用的短期气候预报方法是经验统计方 法，即利用统计方法从历史资料中寻求某种规律进行预报。经验统计预报的缺陷 主要在于缺乏物理过程支撑，预报结果时好时坏。单一物理过程的统计也不能有 较好地预报效果。 业务数值天气预报现前已经成为日常天气预报不可或缺的参考工具之一，其 重要性随着技术发展越显突出。在中国气象局和广东省气象局的领导和支持下， 广州热带所建立了以 GRAPES 系统为核心的新一代数值预报业务系统和逐时同化 分析与模式预报循环业务系统，热带区域数值预报技术得到了长足进步，南海台 风模式的有了新的发展，以 CHAF 为核心的短时临近预报技术也取得了明显的进 步。但现有业务模式离精细业务预报的要求，差距仍然较大，仍有许多问题尚未 解决。目前我们国家的数值预报技术较国际上发达国家，仍有明显的差距，主要 表现在各种新型观测资料的同化应用、模式动力框架的精细化，物理过程本地化 等工作相对落后，关键科学问题和相关技术仍缺少有深入研究，模式产品后处理、 可视化及释用技术水平也相对较低。 从 2003 年起广州热带所在广州番禺建设大气成分站，并列入中国气象局 30 个基本大气观测站之一（站好：59481）；建设了珠江三角洲大气成分野外观测站 及监控平台，研发了大气灰霾等预警预报系统。目前，我国新一代风云三号和风 4 云四号系列卫星搭载了紫外、红外、微波等多种大气观测新型仪器，突破了对云、 气溶胶和水汽等重要大气要素反演的数据处理关键技术，但在华南及南海缺乏卫 星遥感有效的地基比对与校正场。近年的观测表明平均而言在珠三角污染气溶胶 造成的紫外与可见光辐射的衰减分别可达 60％、40％，因此在卫星遥感中能否 正确估算气溶胶对陆表和水色遥感精度影响很大；已有研究表明卫星反演的中国 地区的气溶胶参数与飞机观测的不一致，其原因是反演所应用的气溶胶模型不适 用于中国地区。 二、发展目标 1、瞄准国家级科学试验基地，推进海洋气象综合观测平台建设 十二五期间将基本建成常规与非常规相结合，覆盖近海、海岸带内陆地区的， 服务于防灾减灾、应对气候变化的中尺度灾害天气（登陆台风、暴雨、强对流、 雷电）、近海海岸带海—陆—气相互作用、城市群气溶胶辐射强迫的观测系统。 完善博贺海洋气象科学试验基地，充分发挥试验基地的综合观测平台作用，积极 参与国家和区域性大型科学试验，加强与国家级研究项目的交汇与合作，逐步将 博贺海洋气象科学试验基地建设成为国家示范性科学试验基地。 2、提升对海岸带灾害性天气、气候、环境的预报技术与能力 通过提高各种常规、非常规资料的应用水平，发展中尺度的分析诊断技术， 加强对华南连续性暴雨中尺度对流系统、热带区域近海及海岸带暴雨、强对流、 雷电等灾害天气发生发展规律的研究，深入理解热带灾害天气的形成机理；发展 相应的短时临近预报技术和客观预报方法。提高华南区域汛期降水、冬季气温的 延伸期预报、短期气候预测的技术水平，为天气预报业务提供高品质的精细化数 值预报产品。研究热带海洋与城市群气溶胶对云雨、霾雾、空气质量的影响机理， 建立气溶胶粒子谱、成分谱与光学特性、水汽之间的定量关系，结合观测数据开 展模式产品的释用技术，提高区域环境气象预报服务水平。 3、优化基于观测研究的数值模式，推进海洋气象科研与业务结合 自主研发有特色的热带区域模式与中国南海台风模式；基于多种天气条件下 近海大气边界层观测与研究，气溶胶对热带天气气候影响的研究，改进数值预报 物理参数化过程；发展稠密资料同化技术和高分辨同化技术，实现多种观测资料 （如：天气雷达、风廓线雷达、GPS/MET等）在数值模式中的应用。 基于博贺海洋气象科学试验基地开展应用研究，为海洋气象各种观测与布局 提供科学指导，为相关科研与业务提供较高质量的卫星遥感大气参数产品。 5 三、科技研发的重点任务 1、热带海洋气象 ⑴科研基础条件建设（热带海洋气象观测系统完善） 仪器设备备份：针对海上观测条件属于高温、高湿、高盐环境，气象观测设 备容易受到腐蚀损坏。但仪器损坏周期有所不同，温度湿度传感器一般寿命为 6 个月，螺旋桨式风向风速传感器为 1年，涡动相关系统为 2年，水下温盐传感器 为 6 个月。按照目前的观测系统布局，每年需对梯度观测系统更换 20 套温度湿 度传感器、10套螺旋桨式风向风速传感器，每年需更换 10套水下温盐传感器， 每 2年需更换 2套涡动相关系统。 新购仪器设备：为加强对热带气旋、ITCZ 引起的中尺度对流系统等观测， 需购置能监测云相态等多种观测信息的 X波段双线偏振全相参多普勒天气雷达， 以获取热带天气系统的中尺度结构信息。 ⑵业务应用支撑技术 开展南海夏季风影响期间华南沿海地区大气边界层结构及海气界面海洋气 象要素演变特征的研究，开展夏季风影响下的边界层参数化方法，提高海面风、 海浪等海洋气象要素的预报能力。 开展华南海岸带灾害性天气背景下的海气交换特征与参数化研究，了解海雾 及台风极端低风速和极端风速条件下海气界面湍流及海洋气象要素演变的特征， 建立参数化方案，改进数值模式对台风、海雾边界层模拟和预报。 开展南海热带云团活动及其强风的监测和预报技术研究，了解南海热带云团 的活动规律及其加强成为热带气旋的物理机制，完善和改进南海热带气旋风浪监 测和预报技术。 2、热带天气气候 热带天气方向： ⑴基础研究方面 充分应用华南区域现有的现代探测资料，通过发展和完善中尺度分析和物理 量诊断方法，提高各种观测资料的综合应用能力。基于诊断分析，从不同尺度环 流条件，深入理解华南连续性暴雨过程的多尺度结构特征及不同尺度系统之间、 低纬热带天气系统和西风带系统之间的相互作用。借助观测分析及数值模拟方 法，从直接引发暴雨和强对流天气的中尺度对流系统的起始发展过程、组织形式、 结构特点、演变规律等方面，探讨中尺度对流系统发展的规律，深入理解华南暴 雨形成和强对流天气发展的物理过程和机制。 ⑵业务应用支撑技术 开展风廓线雷达资料在天气分析和数值模式中的应用研究，提高现代探测资 6 料的综合应用能力。开展中尺度分析方法研究，发展大气对流参数，特别是与稳 定度和对流能量有关的强对流参数的分析和诊断计算方法，建立强对流天气“分 区预警”和落区预报技术。 开展华南暴雨中尺度对流系统形成发展过程及预报技术的研究，建立基于模 式预报的诊断分析和预报技术，发展暴雨的客观预报方法，提高暴雨天气的预报 能力。开展珠三角城市环境对天气影响的研究，考察沿海中心城市及周边地区雷 暴雷电活动及降水变化的特征，了解“城市热岛”及海陆风的天气效应，发展城 市天气的模式预报技术，建立城市天气的客观定量预报方法。 热带气候方向： 基础研究方面主要关注热带季节内振荡对华南持续性强降水的影响及其与 季风活动、中低纬度环流系统的协同作用；南海季风 ISOs 的基本规律及其影响 因子。 在业务应用支撑技术方面，重点研发多时间尺度的延伸期预报技术和集合物 理统计的短期气候预测技术。 3、热带数值预报 ⑴基础研究方面 通过长期的业务预报与业务试验，提炼出热带区域模式和南海台风模式相关 的资料同化、模式动力过程、物理过程等技术问题，研究建立适合于热带地区资 料同化、模式动力框架和模式物理过程的理论和技术方法。 ⑵业务应用支撑技术方面，重点发展两大业务模式。 发展热带区域精细预报模式:以 GRAPES非静力模式为基础，根据热带区域特 点，研究模式精细动力框架、水汽过程和物理过程等技术方案，发展高分辨热带 区域预报模式；研究稠密资料同化技术和循环同化预报技术，构建高分辨模式预 报系统和短时临近数值预报系统。 改进中国南海台风模式:研究南海台风初值方案和合适的模式物理方案，建 成具有台风生成预报能力，路径预报和强度预报能力较好的中国南海台风模式。 4、热带环境气象 ⑴ 科研基础条件建设 在茂名海洋观测基地补充开展与卫星遥感大气要素密切相关的大气成分要 素的观测，如多波段气溶胶光学厚度、粒子谱、成分谱及其吸湿特性、激光雷达、 微波辐射计等观测系统，与珠三角大气成分观测站网形成华南覆盖城市群－海岸 带－海洋背景的有机观测网络，为卫星遥感提供多点地基观测的比对与校验。 ⑵ 业务应用支撑技术 开展天基与地基观测的比对与校验，分析海洋背景与城市群背景气溶胶模型 7 与大气廓线的差异性；不同气溶胶模型与大气廓线对卫星反演效果的响应，特别 是南海季风驱动下海洋性气溶胶特性对卫星水汽、云参数反演的作用与反馈。为 相关科研与业务提供较高质量的卫星遥感大气参数产品。 以热带区域精细化气象模式为基础，耦合城市冠层模式与本地化污染源模 式、大气化学模式，开展大气成分（空气质量）的数值预报技术研发与模式本地 化工作，实现大气成分（空气质量）的数值预报模式的业务运行，结合观测数据 开展模式产品的释用技术，改进大气成分（空气质量）预报模式，提高城市群环 境气象预报水平。 四、研究方法及拟解决的关键技术问题 1、热带海洋气象 任务一:季风影响下的海岸带大气边界层结构及通量交换 技术路线: ⑴南海夏季风期间海气边界层观测，在广州热带所位于华南沿海的观测试验 基地进行为期 1～2 年的南海夏季风期间海气边界层的观测，主要观测仪器包括 GPS探空、风廓线雷达、微波辐射计、辐射平衡观测系统、湍流观测系统等。 ⑵海气边界层结构特征分析， 在获取海气边界层观测资料的基础上，进行 海气边界层结构特征的分析研究。认识在南海夏季风爆发期和间断期的海气边界 层结构特征，以及主要气象要素廓线的变化特点。 ⑶海气边界层的参数化方法，在认识南海夏季风背景下海气边界层结构特征 的基础上，进行华南沿海地区海气边界层的参数化方法研究。 ⑷海气边界层气象要素廓线的数值预报方法，在进行南海夏季风海气边界层 参数化方法研究的基础上，利用中尺度模式与边界层模式，建立海气边界层气象 要素廓线的数值预报方法，初步实现海气边界层内主要气象要素廓线的数值预 报，并进行业务化应用研究。 拟解决的关键技术问题： ⑴如何综合分析海气边界层的观测资料，认识南海夏季风背景下海气边界层 的主要结构特征。 ⑵如何建立南海夏季风期间海气边界层内物理过程的参数化方法。 ⑶如何建立海气边界层内主要气象要素廓线的数值预报方法。 任务二：华南海岸带灾害性天气背景下的海气交换特征与参数化研究 技术路线： ⑴设计外场观测试验方案，实施华南海岸带灾害性天气背景下的海气交换观 测试验 设计外场观测试验科学、合理的实施方案，获取近海面动量、热量和水 8 汽通量、边界层风、温、湿结构以及海温、波高、波向和波周期等数据。 ⑵研究外场观测数据质量控制技术，建立华南海岸带台风、海雾灾害性天气 的海气交换数据集 收集、整理外场观测试验数据， ⑶研究近海岸台风、海雾背景下的海洋和大气边界层结构特征及其与海表温 度、海气动量、热量和水汽通量输送的关系，揭示两种极端风速和稳定度条件下 海洋与大气的相互作用和适应过程。 ⑷研究近海岸强风条件下波生应力和海面波浪飞沫溅射对海面动力粗糙度 （z0）的影响，揭示台风过程中整体输送系数（CD，CH，Cq）随风速的演变规律； 研究海雾生成、发展和消散阶段的湍流尺度特征，认识海雾中海气交换与平流输 送强度的关系。研究适用于业务数值预报模式（海气耦合模式、大气数值模式以 及较短的迭代计算时间）的海气通量参数化方案。 ⑸对新型海面通量参数化方案进行模拟检验，验证其对近海岸海气相互作用 过程的描述能力，并投入业务预报模式应用。 拟解决的关键技术问题： ⑴极端强降水及强风天气下的界面交换通量资料获取和质量控制方法。 ⑵海面状况对整体输送系数影响研究。 ⑶通量参数化方案的建立和验证。 任务三：南海热带云团活动及其强风的监测和预报技术 技术路线： ⑴分析南海热带云团发生的频数、对流强度、与之相关的天气系统及其引起 的强风统计特征，并进行分类，建立各类热带云团概念模型和基本特征数据库。 ⑵综合利用卫星资料、外场观测资料和再分析资料，从热力学、动力学理解 南海热带对流云团发展成为热带低压可能的机制，建立热带云团是否发展成为热 带气旋的监测方法，并探索南海热带气旋生成或近海突然加强的机理。 ⑶研发海面强风卫星监测技术和数值预报产品解释应用技术，提高热带云团 强风的监测与预报能力；建立南海热带云团及其强风监测和预报产品平。 拟解决的关键科学问题： ⑴卫星云图上热带云团提取及其追踪技术。 ⑵卫星资料在热带气旋强风监测方面的应用技术研究。 ⑶多种资料融合技术及其在南海热带云团发展成为热带气旋物理过程研究 中的应用。 2、热带天气气候 热带天气方向： 任务一：风廓线雷达在华南海岸带暴雨中尺度分析及模拟研究的示范性应用 9 技术路线： ⑴选取具有典型特征的华南沿海暴雨中心（如阳江-斗门及海丰-普宁暴雨中 心）为观测基地，通过合理布点开展风廓线雷达观测，获取暴雨中尺度系统发展 演变过程的观测资料。发展风廓线雷达资料的同化应用技术，改进 Grapes 同化 分析系统对暴雨系统中小尺度结构的分辨能力。 ⑵开展针对暴雨中尺度系统的对比分析和模拟研究。通过将已同化风廓线雷 达资料、能反映暴雨中尺度系统三维流场结构的中尺度分析资料应用于数值模式 中，考察模式模拟效果的改进；通过不同观测站点风廓线雷达资料在同化和模拟 试验中的应用对比，有针对性的研究位于暴雨中尺度系统上下游方向的风廓线资 料对暴雨过程模拟效果的影响，结合对暴雨边界层动力学、热力学特征的分析， 深入理解沿海暴雨形成发展的机制，为风廓线观测站点合理布局提供优化思路。 拟解决的关键技术问题： ⑴发展风廓线雷达资料同化应用技术，有效改进分析资料对中尺度暴雨的分 辨能力，减小数值模拟结果的不确定性。 ⑵合理设计敏感性试验，正确理解不同站点布局风廓线雷达资料对中尺度暴 雨模拟应用能力的影响，为风廓线雷达站点布局和优化提供科学指导。 任务二：华南春季强对流天气形成发展规律及雷达外推预报时效延长和潜 势预报方法 技术路线： ⑴在总结分析有利于华南区域性强对流天气形成发展的环流条件基础上，通 过对与强对流天气发生密切相关的大气对流参数，特别是与稳定度和对流能量有 关的强对流参数的诊断计算和分析，提高对强对流天气发生发展过程的认识。 ⑵研究发展强对流回波外推预报与模式预报结果相互融合的技术，有效实现 短时临近预报 3～6 小时的延长预报。 ⑶应用基于快速同化分析及预报循环系统(CHAF)的资料输出，发展多指标叠 套的综合应用技术，建立强对流天气的“分区预警”和落区未来 6～24 小时的潜 势预报技术方法。 拟解决的关键技术问题： ⑴充分应用华南区域现有的探测资料，通过发展和完善中尺度分析和物理量 诊断方法，提高各种观测资料在诊断分析中的综合应用能力。 ⑵发展和改进雷达回波及降水的外推预报技术，建立外推预报结果与模式预 报结果的融合技术，实现外推预报到模式预报的平滑过渡，延长外推预报的时效。 ⑶合理选取不同的物理诊断量，建立有效的多指标叠套技术，提高对强对流 天气的预报能力。 10 任务三：华南持续性暴雨过程中尺度对流系统活动特征及其可预报性 技术路线： ⑴基于观测和再分析资料的诊断分析，从不同尺度环流条件，理解华南连续 性暴雨过程的多尺度结构特征及不同尺度系统和低纬热带天气系统与西风带系 统相互作用，提高对华南连续性暴雨过程的认识。 ⑵从暴雨 MCSs 的天气学意义出发，根据其卫星云图范围大小、形状、持续 时间长短等确定不同 MCSs 的分类方法，并基于普查分析，了解持续性暴雨过程 MCSs活动的天气气候特征。 ⑶针对持续性暴雨过程 MCSs 形成的环境场，通过对有关物理量的诊断及对 比分析，考察有利于 MCSs组织发展的环境条件，借助数值模拟方法，探讨 MCSs 的可预报性问题。 拟解决的关键技术问题： ⑴从华南暴雨 MCSs 的天气学意义出发，确定对各种 MCSs进行分类的， 建立华南暴雨 MCSs 的资料集。 ⑵针对华南各种类型 MCSs 开始发生时间、发展强盛时的最大范围、消亡时 间、持续时间、系统移动路径等的统计分析，归纳总结出华南暴雨 MCSs 活动的 天气气候特征。 ⑶针对不同类型 MCSs 形成的环境场，通过对有关物理量的诊断，考察有利 于 MCSs 组织发展的环境条件并与无组织性发展对流环境场进行比较分析，了解 暴雨 MCSs的可预报性。 任务四：珠三角中心城市夏季雷暴和局地强降水天气特征及预报技术研究 技术路线： ⑴应用自动站降水观测、卫星云图 Tbb、雷达回波及云地闪观测资料，分析 研究珠三角沿海中心城市及周边地区雷暴雷电活动及降水变化的特征。 ⑵基于高分辨率的数值模式，研究“城市热岛”及海陆风的天气效应。 ⑶改进和发展适用于城域尺度天气预报的模式技术，建立城市天气的客观定 量预报方法。 拟解决的关键技术问题： ⑴基于多种观测资料的分析，较为清楚地认识城市发展对局地天气影响的基 本观测事实和特征。 ⑵通过典型个例的数值模拟研究和分析，了解沿海“城市热岛”及海陆风的 效应，深入理解其对天气产生影响的物理过程和机制。 ⑶完善数值模式对地表特征的描述，增进模式对华南及珠三角城市下垫面影 响过程的表征，优化地表特征初始化过程，发展研究城市气溶胶对降水影响模式 11 技术方法，提高精细模式的模拟预报性能。 热带气候方向： 任务一：热带季节内振荡对华南持续性强降水的影响及预测技术研究 技术路线: ⑴分析热带季节内振荡对华南降水的调制作用，揭示不同月份有利于华南降 水偏强的热带季节内振荡位相和强度特征。针对华南持续性强降水过程，研究热 带季节内振荡对华南持续性强降水的影响特征和机理。 ⑵分析热带季节内振荡与季风活动、中低纬度环流系统的协同作用，认识热 带季节内振荡对华南持续性强降水贡献，建立华南持续性强降水预测概念模型。 ⑶基于动力模式产品，研发热带季节内振荡活动和华南持续性强降水过程的 统计动力释用技术，建立华南持续性强降水的中期、延伸期业务化预报方法。 拟解决的关键技术问题： ⑴热带季节内振荡对华南持续性强降水的影响程度如何，热带季节内振荡与 中低纬度环流系统怎样协同作用。 ⑵如何形成对华南强降水有指示意义的热带季节内振荡活动表征方法，如何 充分利用动力模式产品和实用方法，建立热带季节内振荡活动变化预测模型。 ⑶如何建立华南持续性强降水的中期至延伸期时间尺度的统计动力释用技 术和预报模型。 任务二：南海季风季节内变率预报技术研究 技术路线: ⑴ 诊断南海季风季节内振荡（ISOs）的时空活动特征，利用卫星遥感资料 和同化资料，了解南海夏季风自身变化的物理过程和影响机理。 ⑵通过动力诊断、统计分析以及数值方法研究外强迫因子对南海季风异常活 动影响，寻找有物理意义的预报因子，从而给出外部因子影响南海季风异常活动 的概念模型，建立起统计和物理概念模型相结合的南海季风活动预报模型。 ⑶通过对影响南海季风预报的季风内部动力过程和影响南海季风活动的下 垫面的相对贡献的研究，了解南海季风的可预报性。 ⑷研究南海季风建立及强度的月季预报技术和方法。主要采用大气环流数值 模式试验、统计预报、概念模型以及对国外先进数值模式的动力诊断、统计释用 等方法制作南海季风活动特征量的集成预报，通过动力诊断、数理统计等方法得 到南海季风建立及强度的预报。 ⑸通过对南海季风异常活动影响因子、南海季风异常活动的可预报性以及南 海季风预报技术研究，建立一个包含多种预报技术的南海季风建立、中断、推进 及强度的预报平台，通过网页以滚动形式发布南海季风的预测信息，并定期发布 12 南海季风预测公报来提供给公众和相关部门使用。 拟解决的关键性问题： ⑴南海季风 ISOs 的基本规律及其影响。 ⑵影响南海季风活动的外强迫因子和关键影响区域（重点是海洋的影响）。 ⑶各种预报方法的建立和预报结果的集成。 任务三：华南灾害性天气延伸期预报的多尺度预测技术 技术路线: ⑴研究不同地理区域汛期降水、冬季气温等灾害性天气变化的多时间尺度特 征。拟采用滤波和小波变换方法对多年汛期降水和冬季气温资料进行整体研究， 确定其时间尺度范围及可能的多尺度性。研究灾害性天气发生的可预报性。 ⑵研究华南汛期降水、冬季气温等灾害性天气的年际变化特征及其与大尺度 海洋、大气的关系。 ⑶研究不同时间尺度上影响灾害性天气季节内振荡的信号来源及传播路径。 在海平面气压、OLR 及 500hPa和 200hPa高度场上寻找相对稳定的空间关键区， 确定预报因子。研究不同预报因子信号影响灾害性天气的传播途径和物理机制。 ⑷用最优子集回归建立的建立不同时间尺度上变化的预测方程，对不同尺度 的预报结果综合，给出预报结果。用历史资料和交叉检验验证多时间尺度预测方 法的预报能力。 拟解决的关键技术问题： ⑴变化基本同步的合理地理区域的划分问题。 ⑵影响同一时间尺度上灾害性天气的前兆信号和传播路径在不同年份可能 是不同的，如何进行分类并有效用于预报方法？ ⑶不同预报信号影响灾害性天气的物理机制。 3、热带数值预报 任务一：稠密资料同化技术和短时临近预报技术研究 技术路线： 开展卫星资料同化技术研究，重点改进有云环境下红外资料同化观测算子， 开展同化试验，优化同化效果；开展地面资料同化技术研究，在已完成的地面气 压同化模块基础上，参考国外（如 EC 等）相关方案，改进地面要素同化技术； 开展 GPS资料同化，对比探空资料，改进 GPS可降水量的计算，改进同化效果； 开展雷达资料同化，发展基于时间、空间连续性的雷达反射率、径向风的质量控 制，改进雷达反射率、径向风的同化方案。在变分同化基础上，改进高分辨要素 场的台风重定位技术，开展模型台风与常规资料、遥感资料的融合同化技术研究。 优化模式和初值方案，建立高效快速滚动预报运行方案，实现外区、内区模 13 式的合理配置，建立短临预报系统，发布短临预报产品。 拟解决的关键技术问题： ⑴发展合适的雷达反射率、径向风和 VAD 风、GPS 水汽等同化技术，提高模 式的短临预报能力； ⑵开发地面资料、局地加密资料同化技术方案，提高分析场和下垫面分析场 的精度； ⑶发展快速循环同化技术和短时临近数值预报技术，支持短临预报业务。 任务二：热带区域模式动力框架和物理过程相关技术研究 技术路线： 以 GRAPES 非静力模式为基础，根据区域特点和现前的技术状况，发展热带 模式动力框架和合适的物理过程，实现模式预报精细化，同时实现预报性能稳定 高效。 重新整理模式动力方程各项的计算，实现预报模式非线性项、物理强迫项的 合理计算，实现隐式计算与显式计算有机、紧密结合，通过合理的技术改进，减 少网格计算误差；改进模式拉氏平流项、水汽平流项的计算方案，提高热带系统 的精细化预报水平。 在现有业务物理方案的基础上，针对业务预报中存在的问题，开展模拟研究 和方案改进试验，例如对流参数化，主要考虑从触发机制、上升速度和闭合假设 等方面进行改进。边界层方案要结合观测试验和数值模拟进行对比研究，开展， 研究水汽湍流交换系数、反梯度项（或附加项）的作用，改进低层偏干等问题。 拟解决的关键技术问题： ⑴模式动力框架精细化，整理模式动力框架，合理安排模式动力方程各项的 计算顺序和算法，提高动力框架的计算精度； ⑵通过模拟研究，诊断现有云、降水和边界层等物理过程，发展适合热带地 区的物理方案。 任务三：南海台风模式和海气耦合模式技术研究 技术路线： 开展南海台风数值模拟研究，进一步加深对南海台风发生发展机理，及其大 气边界层结构和对流特征的认识，开发相关初值处理技术，优化台风模式，改进 模式的物理方案，最终建成合适的南海台风模式预报系统，提高南海台风模式的 精细预报水平。 拟解决的关键技术问题： ⑴发展台风初值、卫星资料同化技术，提高南海台风模式预报能力； ⑵发展海气耦合模式技术，提高热带海洋天气预报能力。 14 4、热带环境气象 任务一：气溶胶物化特性参数在卫星遥感城市与海洋大气要素中的应用 技术路线： ⑴利用地基观测建立的气溶胶模型、大气廓线、云高云量等作为先验知识库， 改进卫星反演算法，提高风云三号卫星遥感反演关键大气要素（海温、水汽、云 参数、气溶胶参数等）精度，实现地基观测对卫星反演的校验与比对。 ⑵分析海洋背景与城市背景气溶胶模型与大气廓线的差异性；分析不同气溶 胶模型与大气廓线对卫星反演效果的响应，特别是研究南海季风驱动下海洋性气 溶胶特性对卫星水汽、云参数反演的作用与反馈。 拟解决的关键科学问题： ⑴基于观测资料建立卫星遥感的先验知识库，建立珠三角城市群与海洋背景 的气溶胶模型与大气廓线模型。 ⑵改进卫星反演算法，研究不同气溶胶模型与大气廓线模型对卫星反演效果 的响应，提高卫星遥感反演关键大气要素的精度。 任务二： 气溶胶吸湿增长特性研究 技术路线： ⑴HTDMA 的研制。使用渗透式增湿器（Humidifer）和湿度传感器，控制和 监测样本气溶胶暴露的环境湿度；使用 TDMAinv反演算法进行气溶胶吸湿性模态 的准确反演计算。 ⑵气溶胶吸湿性观测研究。使用 HTDMA的 SMPS功能在线分析干颗粒粒径范 围 20 -1000 nm 的大气气溶胶数浓度和粒径分布。使用 HTDMA 的 GF 功能在线 分析 20-600nm气溶胶在 RH=20-90%范围内的吸湿性。获得气溶胶模态以及各模 态的丰度和吸湿增长因子等信息。 ⑶大气气溶胶光学性质和化学组分对吸湿性的影响。分析大气气溶胶的光散 射系数，观测气溶胶的吸收系数，分析酸碱性气体和气溶胶水溶性离子成分。比 较干湿条件下光学性质的差值，结合模式分析关联吸湿性的直接光学效应。 拟解决的关键技术问题： ⑴为气溶胶吸湿增长的关键过程观测提供重要手段。气溶胶的吸湿性一直为 科学界所关注，但一直缺乏有效的手段。在影响吸湿性的诸多因素中，哪个是主 导因素？粒径分级的气溶胶吸湿性结合高时间分辨率的离子化学（Marga）的长 期在线观测，可能是解决这一问题的最佳途径。 ⑵气溶胶吸湿增长对大气能见度（灰霾）影响的途径和程度。湿度如何影响 大气能见度？粒径分布、吸湿性以及光学性质的同时在线观测可以辨析每个因素 在低能见度事件中的角色。 15 任务三：城市冠层结构对珠三角大气污染扩散影响的研究 技术路线： ⑴统计获取珠三角地区非均匀下垫面类型资料，尤其是城市冠层模式所需的 相关参数；收集和整理气象资料和污染源排放资料以及污染物浓度观测资料。 ⑵基于典型的城市街渠三维结构，构建城市冠层参数化方案；在 GRAPES 系 统陆面过程中耦合包含城市冠层动力机制和热力机制的地表参数化方案，并通过 对真实城市下垫面的模拟，对比评估城市冠层模式的引入对 GRAPES 系统在城市 区域模拟效果的改善。 ⑶通过对典型大气污染天气的模拟，研究城市冠层结构的动力和热力特征对 污染物输送和扩散，大气化学反应机理的影响。结合实时监测资料，评估城市冠 层模式的引入对珠三角空气质量预报系统整体模拟性能的改善。 拟解决的关键科学问题： ⑴珠三角地区下垫面十分复杂，是陆－海－气相互作用的边缘地带。在这种 多过程相互作用，极不均匀的下垫面上，如何合理考虑城市冠层中各种动力热力 机制，构建适用于珠三角区域的城市冠层参数化方案。 ⑵如何在 GRAPES 系统中耦合进城市冠层模式参数化方案，分析城市冠层内 各种物理过程对污染扩散的影响。 任务四： 精细化空气质量模式的研发以及关键污染参数的反演 技术路线： ⑴利用空气质量数值模式系统做情景模拟，对排放源做敏感性试验，研究区 域空气质量对不同天气系统和排放源调控的响应。结合观测数据以及卫星数据开 展排放源同化和模式产品的释用技术，改进大气成分（空气质量）预报模式，提 高城市群环境气象预报水平。 ⑵利用激光雷达反演边界层结构，实现大气成分（空气质量）气溶胶对边界 层气象场以及辐射通量的反馈作用。 拟解决的关键技术问题： ⑴耦合 chaf模式，卫星数据以及观测数据的同化技术。 ⑵关键气象参数的反演以及模式在气溶胶对气象场的反馈作用的模拟能力. 五、预期成果 1、深入认识热带天气、气候特征 ⑴认识热带云团活动规律及其强风特征，深入了解南海热带气旋生成机理； ⑵理解季风、登陆台风和海雾背景下海气边界层结构及海气要素特征。 16 2、改进热带天气、气候、环境的预报预测技术与方法 ⑴建立边界层要素预报模型，提高海洋气象各相关要素预报； ⑵建立热带云团加强成为热带气旋的监测方法，建立海面强风卫星监测技术 和强风客观预报技术，提高热带云团强风的监测与预报能力； ⑶在发展多种观测资料融合分析和中尺度诊断分析技术基础上，实现暴雨、 强降水、雷电活动的客观预报方法和技术； ⑷提出广东汛期降水和冬季气温的多时间尺度的延伸期预报模型，建立南海 夏季风爆发、强弱的月季预报模型和华南地区月尺度降水的集合物理统计模型。 ⑸在茂名海洋观测基地开展与卫星遥感大气要素密切相关的大气成分要素 的观测，并试探论证研究该基地作为华南卫星遥感校正场基地的可能性，开展天 基与地基观测的比对与效验。 ⑹研发精细化空气质量模式以及关键污染参数的反演技术,开展排放源同化 和模式产品的释用技术，提高城市群环境气象预报水平。 3、拓展观测资料应用潜力，提高数值预报水平 ⑴实现天气雷达、风廓线雷达、GPS/MET、地面、卫星等资料同化研究； ⑵初步完成精细动力框架方案设计、物理过程优化，提供精细数值预报产品； ⑶基于博贺海洋气象观测基地的不断完善，形成海洋气象科研与业务相结合 特色优势；通过风廓线雷达多点对比观测试验，为风廓线雷达在中尺度暴雨观测 研究中的科学布局提供指导；通过开展天基与地基观测的比对与效验，探究观测 基地作为华南卫星遥感校正场基地的可能性，为相关科研与业务提供较高质量的 卫星遥感大气参数产品。 六、编制依据 本规划编制的主要依据有：  《关于印发<气象科技创新体系建设实施方案（2009-2012年）>的通知》(气 发〔2009〕1号)  《气象科学和技术发展规划（2006-2020）》（气发〔2006〕352号）  《“十二五”气象科技发展思路建议和重大科技需求》（气办函〔2010〕111 号）  “大力提高气象科技创新能力加快建设气象现代化体系——2010 年夏季党 组中心组学习会议”，郑国光，2010年 6月 28日  便函“关于做好海洋经济发展试点工作气象服务的通知”，中国气象局应急 减灾与公共服务司，2010年 7月 30日  《关于印发中国气象局 2010年工作要点的通知》（气发〔2010〕26号） 17  《南海海洋气象业务发展专项规划》，华南区域气象中心，2010年 4月  《珠三角地区改革发展规划纲要(2008-2020年)》，国家发展和改革委员会， 2008年 12月  “关于征求《广东省开展国家低碳省试点》意见的函”（粤发改资 环函〔2010〕1903 号）  《广东省珠江三角洲大气污染防治办法》，广东省人民政府令第 134 号，2009 年 3月 30日  《广东省政府与中国气象局共同推进珠江三角洲地区气象防灾减灾工作合 作协议》，广东广州，2009年 7月 2日  《中国气象局广州热带海洋气象研究所“十二五”气象科技发展规划》初稿， 广东广州，2010 年 9月