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1、项目名称：我国持续性重大天气异常形成机理与预测理论和方法研究首席科学家：起止年限：2012.1-2016.8依托部门：中国气象局一、关键科学问题及研究内容1、关键科学问题1）从大气内部的多种尺度天气系统相互作用和低频变化入手，揭示我国持续性重大天气异常形成的机理和条件。2）从基于外部强迫的复杂下垫面强迫、海陆气相互作用尤其是青藏高原大地形的动力与热力作用的研究，深入剖析影响我国持续性重大天气异常形成的物理过程和根本原因。3）在研究我国持续性重大天气异常可预报性基础上，建立动力与统计相结合的持续性重大天气异常预报理论和方法。2、主要研究内容1）多尺度天气系统的相互作用对我国持续性重大天气异常的影
2、响及其机理研究。研究产生我国夏季持续性强降水，冬季持续性冰冻雨雪天气的持续稳定的多尺度天气系统结构配置的演变特征，揭示其形成的多尺度天气学模型。从半球尺度、大陆尺度、天气尺度和中尺度多尺度天气系统的相互作用入手，研究产生持续性重大天气异常的持续稳定的中高纬与中低纬的多尺度天气波动的演变特征；研究波流相互作用及其对持续性天气异常环流的影响机理；剖析北极涛动（AO）对中高纬度持续性天气异常环流的作用；开展形成我国持续重大天气异常的低频振荡的形成源地、传播特征及其对持续性重大天气异常形成的作用和机理研究；形成我国持续性重大天气异常的物理模型。 2）青藏高原大地形对我国持续性重大天气异常的作用研究。由
3、于青藏高原是位于我国西部上游的特大地形，它对全球和东亚大气环流有着极为重要的影响，研究青藏高原对我国持续性重大天气异常影响具有特别重要的科学意义。为此本申请将探讨高原大地形动力和热力异常激发的准静止行星波对我国持续性重大天气异常的影响；阐明热力动力作用以及高原天气系统群发、频发和持续东移对我国持续性强降水的影响和作用。 3）复杂下垫面强迫和海陆气相互作用对我国持续性重大天气异常影响的物理过程研究。研究海陆气相互作用对持续性大气环流异常与大尺度水分循环的作用和影响，揭示热带印度洋、西太平洋、北大西洋等区域海洋热力异常对持续性稳定的大尺度环流形势形成的作用；探讨稳定大尺度环流形势下，复杂下垫面强迫
4、，特别是局地陆面过程在持续性降水过程中的贡献。在此基础上，研究大地形、复杂下垫面强迫和海陆气相互作用对持续性重大天气异常的环流形势的影响及其热力动力过程，以及持续中高纬阻塞高压和中低纬系统异常稳定的物理过程。4）我国持续性重大天气异常可预报性及其预报理论和方法。研究确定我国夏季持续性强降水和冬季持续性低温雨雪冰冻天气过程特征，开展其可预报性研究，基于多尺度相互作用对大尺度环流持续影响以及大气对海陆气相互作用和复杂下垫面尤其是青藏高原的动力热力作用的强迫响应的理论，在观测资料和模式预报结果中把握关键环流异常特征，提取与我国持续性重大天气异常有关的强信号，其中包括低频振荡对我国持续性重大天气异常的
5、影响信号，发展我国持续性重大天气异常的物理统计预测模型；发展基于海陆气耦合模式集合预报和区域高分辨模式嵌套的动力持续性强降水的预报理论与方法。建立以统计与动力相结合的我国持续性重大天气异常的预报理论和方法。 5）开展针对青藏高原东移天气系统的加密观测试验。青藏高原热源和高原天气系统对于研究高原对其下游的持续性强降水天气十分重要。研究确高原东移天气系统关键加密观测区及其下游影响区，在业务观测系统的基础上，适当增加探空频次，在资料奇缺的区域适当增加观测，实施加密观测野外试验，形成上下游观测剖面，为研究青藏高原东移天气系统及其热力异常强迫影响研究提供相关的加密观测资料；建立相关的科学试验数据库，实现
6、数据共享。二、预期目标本项目的总体目标： 通过五年对历史上发生的大量案例的综合分析和研究，深刻揭示我国持续性重大天气异常形成机理及其可预报性；发展建立持续性重大天气异常1-2周以上预报理论和方法；培养一支我国持续性重大天气异常研究领域具有创新能力，并以中青年学术骨干为主体的研究队伍，造就一批具有国际影响力的学术带头人。 五年预期目标: 1深入了解我国持续性重大天气（尤其是夏季持续性强降水和冬季持续性低温雨雪冰冻天气）的异常特征及其形成机理和可预报性；分别提出我国夏季持续性暴雨和冬季持续性低温雨雪冰冻天气的多尺度天气系统相互作用的物理模型，其中包括影响我国持续性重大天气异常的大气低频振荡对我国持
7、续性重大天气异常的可能影响及其物理机制。2深刻揭示复杂下垫面强迫和海陆气相互作用对我国持续性重大天气异常影响的物理过程，尤其是青藏高原大地形的动力、热力作用的影响；阐明青藏高原天气系统频繁发生、东移发展及其对下游地区持续性强降水的影响和作用。 3. 在建立我国持续性重大天气异常的多尺度相互作用的物理模型和影响的物理过程研究基础上，提取与我国持续性重大天气异常预报有关的强信号，建立我国持续性重大天气异常预测的物理概念模型和物理统计预报理论和方法；发展基于海气耦合模式的集合预报和区域高分辨数值模式嵌套的我国持续性重大天气异常延伸期动力预报理论与方法；在上述基础上建立我国持续性重大天气异常的动力/统
8、计相结合的1-2周以上的预报理论和方法。 4.出版有关专著和论文集，在国内外主要学术刊物上发表论文150-200篇，其中SCI（包括SCIE）论文100-120篇。 5. 培养博士后5名、博士生约15名、硕士生约30名。 6.形成一支分布在气象科研院所、高校和业务部门的具有30名中青年学术骨干、10名有国际影响力的中青年学术带头人的持续性重大天气异常与延伸期预报领域的研究队伍。通过五年的项目实施，在实现上述六方面的预期目标的基础上，有望在以下几个方面取得突破性进展：（1）深刻认识我国持续性重大天气异常形成机理，建立形成我国持续性重大天气异常的多尺度天气系统相互作用物理概念模型；（2）阐明海陆气
9、相互作用与复杂下垫面对我国持续性重大天气异常的影响，尤其是青藏高原对持续性强降水形成的物理机制；（3）揭示我国重大天气异常的可预报性，建立和发展我国持续性强降水的动力/统计相结合的预报理论和方法。 上述进展将为奠定我国持续性重大天气异常1-2周以上的预报业务发展提供科学支撑，在满足国家减灾防灾重大需求上跨出实质性的一步。三、研究方案1.学术思路 1）从大气异常持续性和慢变过程切入，从半球尺度、大陆尺度、天气尺度和中尺度多尺度相互作用入手，揭示我国持续性重大天气异常形成机理。 本项目研究重点是我国夏季的持续性强降水和冬季的持续性雨雪天气。其产生的原因既是不同空间尺度的天气系统相互作用的结果，又是
10、中高纬和低纬天气系统相互作用以及高低层大气相互作用的结果，但要形成“持续性”。这就反映了只有在中高纬的超长波天气系统相对稳定和季风也持续稳定的条件下才有可能形成“持续性降水”，如1998年汛期这种稳定的天气形势维持达40余天之久。只有在这种稳定的背景条件下才能在中纬度地区促使天气尺度系统的不断形成、发展、东移，才有可能不断有小股冷空气南侵和夏季风带来的暖湿空气的对峙，从而产生持续性降水的天气形势，为中尺度系统的发生发展提供了动力、热力和水汽条件，从而不断有中尺度系统生成，发展产生强降水过程。这就是三类不同尺度天气系统在季风背景条件下相互作用，从而形成持续性重大天气异常的可能直接原因和形成机理。
11、 2）从复杂下垫面强迫和海陆气相互作用入手, 特别强调青藏高原的作用，剖析我国持续性重大天气异常形成物理过程及本质原因。 在冬夏季风背景条件下多尺度天气系统之间通过什么样的动力过程和热力过程影响的问题，是在研究直接原因和持续性重大天气异常形成机理层面上需要进一步深入研究的另一个科学问题。但事实上，为什么会形成高纬持续稳定的大尺度超长波系统，它又是如何建立的？为什么这种有利于形成持续性重大天气异常的天气形势会稳定或持续这么长的时间？对这些问题的回答就要在更深层次上研究形成这种相对稳定的多尺度天气形势的原因和深层次的机理。已有研究表明这种相对稳定的多尺度天气形势的形成都与复杂下垫面强迫和海陆气相互
12、作用有密切关系，这就是本项目提出的要进一步研究复杂下垫面的强迫和海陆气相互作用对形成这种相对稳定和持续的多尺度天气系统的影响及其物理过程的原因。本项目特别强调了我国特有的青藏高原大地形的热力、动力作用对持续性重大天气异常形成的影响。因此，从海陆气相互作用以及各种下垫面强迫影响，尤其是青藏高原动力、热力作用的角度，研究稳定的、有利于持续性重大天气异常的天气形势的形成原因就成为更深层面上的另一个科学问题。这就是持续性重大天气异常如持续性重大天气异常形成的根本原因。因此，只有从上述两个层面上研究持续性重大天气异常形成机理才会全面、深入地获得科学的答案，才有可能以此为理论基础建立持续性重大天气异常的预
13、报理论。 3）既追踪国际延伸期预报研究思路与方法的前沿动态，更注重创新发展，针对持续性重大天气异常面临的科学问题与预报技术难点，提出动力预报和物理统计预报相结合的预报理论和方法的研究思路。 要发展持续性重大天气异常预报理论和方法，正如在上述的国际发展动态中已经指出的从国际上发展趋势可以看出，发展全球超级集合预报是延伸期预报有效的方法和途径之一。本项目试图在基于海陆气耦合模式集合预报的基础上同时发展与全球超级集合预报耦合的空间分辨率更高的区域预报模式来提高强降水的预报精度，从而构建既有延伸时效的预报能力、又有持续性重大天气异常预报能力的集合预报耦合模式系统，建立我国持续性重大天气异常动力预报的基
14、本理论和基本方法。但是，数值模式发展仍然面临种种困难问题，单纯依靠发展动力数值预报模式来实现持续性重大天气异常有效的预报能力仍有很大的困难。因此，如何在大气和外强迫异常中提取更多有关的强信号就成为改进和提高预报时效的预报方法的另一途径。本项目试图通过发展动力预报和发展物理统计预报相结合的思路来进一步提高持续性重大天气异常的预报能力和预报时效。因此，另一方面还将发展物理诊断与统计分析理论和方法，在此基础上寻找影响大尺度环流持续异常背景形成和活跃的天气尺度系统发生、发展以及中尺度系统形成和发展的物理过程与物理因子及其与持续性重大天气异常的关系，在观测资料和模式预报结果中把握关键环流异常特征，提取相
15、应的强信号，从而建立持续性重大天气异常物理统计预报的理论和方法。2.技术途径 本项目拟将重点收集过去60多年我国持续性重大天气异常个例，并利用研究时段对可能出现的案例的跟踪研究，采取历史资料开发应用、关键区加密观测试验、数值模式模拟与动力诊断、数理统计分析相结合的技术途径，开展本项目涉及的多尺度相互作用、复杂下垫面强迫和海陆气相互作用、青藏高原影响以及持续性重大天气异常预报理论与方法的研究。具体采取以下技术途径，以实现揭示持续性重大天气异常形成机理、建立其预报理论与方法的主要目标。 1）主要依托业务观测系统获取各类常规的历史和实时气象观测资料，针对关键科学问题，围绕高原东移天气系统的影响、低频
16、波传播对我国持续性降水影响、持续性降水系统多尺度结构，提高1-2周以上持续性重大天气异常的预报能力进行研究。在高原热源和东移天气系统关键区，开展必要的加密观测试验，以加深持续性降水异常的多尺度相互作用过程、低频振荡传播和天气系统影响特征的认识，提高对我国持续性重大天气异常的预报能力。 2）根据历史地面气象观测资料，研究确定有观测以来我国持续性重大天气异常发生特点和规律性，依靠大气再分析资料以及充分利用数值模式产品对这些过程进行综合诊断分析，以寻找影响各种尺度天气系统演变的物理因子和物理过程，提取与持续性重大天气异常预报有关的强信号，建立不同时间尺度的物理统计模型，在此基础上建立持续性重大天气异常的物理统计预报理论和方法。 3）采用历史海面温度观测、积雪和海冰观测、土壤湿度观测以及陆面状况观测、卫星资料和大气再分析资料和各种科学试验的资料，利用动力、物理诊断分析方法，结合数
