天气研究计划（2013-2020年）

需求分析与重大科技问题：（ 1）需求分析：强对流天气具有突发性和易致灾

性，大风经常导致人员伤亡、房屋倒塌、树木和农作物倒伏等。我国中东部地区

人口密集，经济发展较快，工业化水平较高，线状对流所产生的雷暴大风天气更

易导致多点并发的致灾情况，比如 2009 年 6 月 3 日河南和 2011 年 4 月 17 日广

州及其周边地区的雷暴大风天气过程，就在当地引发了明显的灾害和经济损失甚

至人员伤亡。目前，对于雷暴大风对流系统的发生发展机理和组织机制还缺乏深

入认识，短期预报的准确率较低，有效预警时效还较短，因此，非常有必要深入

研究其发生发展规律和预报技术。（ 2）重大科技问题：线状对流发生的卫星、雷

达气候学规律；线状对流系统中对流组织化发展的关键物理机制和干湿背景下分

类线状对流天气中尺度物理模型；线状对流系统短期、短时、临近无缝隙客观精

细预报技术。

主要研究任务与目标：（ 1）研究任务：我国不同天气背景环境下（分为干环

境和湿环境）线状对流发生的气候分布规律、组织类型和伴随的天气特征等；干

湿两种环境下线状对流产生的天气尺度系统特征、相关物理量的典型分布配置，

以及关键局地环境要素特征，分类提炼出线状对流天气物理模型；在强对流发生

季节开展综合加强观测试验，分类选取典型个例，研究线状对流系统的多尺度结

构和演变特征、云微物理参数和动力参数与强对流天气分类的关系、多尺度系统

相互作用，以及线状对流系统中对流组织化发展的机理，形成中尺度物理模型和

预报着眼点；研究线状对流天气数值预报误差的主要来源，改进中尺度数值模式

和资料同化技术；寻找线状对流预报的敏感区，研究线状对流的可预报性；研发

基于多源资料和数值预报的线状对流系统短期预报和短时临近客观无缝隙精细

预报技术。（ 2）目标：深刻认识雷暴大风线状对流系统的三维结构及形成演变机

理、雷暴大风天气的产生机制和预报关键因子；提出不同区域雷暴大风天气的物

理模型；建立线状对流系统短期潜势预报和短时临近客观无缝隙预报系统，并针

对强对流天气的预报技术等形成实际业务应用能力。

（二）重大基础、高技术研究和试验

主攻方向 4：华北暴雨发生发展机理和预报方法研究

需求分析与重大科学问题：（ 1）需求分析：我国是世界上受暴雨洪涝影响最8

严重的国家之一。华北地区虽然降水总量并不丰沛，但在全球气候变化背景下，

近年夏季极端强降水事件明显增多，并在特殊的自然地理、人文和脆弱植被条件

下，引发了明显的灾害和损失。尤其是，华北地区是季风气候区与非季风气候区

的过渡带，华北暴雨往往与冷暖空气的交汇程度和方式、与季风所能到达的具体

位置及强度等密切相关。暴雨发生背景因素的不确定性以及当前我们对中小尺度

系统发展演变机理认识的局限，加剧了华北暴雨预报的困难。因此，加深对华北

暴雨机理的认识和提高预报能力，对我国防灾减灾、趋利避害有重大意义。（ 2）

重大科学问题：华北暴雨物理（定量化）模型；华北暴雨发生发展机理，特别是

暴雨过程中暖区对流性降水的触发机制，以及对流中尺度组织化强烈发展的物理

机理；华北区域密集、高分辨率、中尺度观测网数据的快速融合分析技术；适用

于华北暴雨的无缝隙精细客观预报技术。

主要研究任务与目标：（ 1）研究任务：季风背景下华北暴雨发生的典型环流

特征、天气系统及与之相联系的降水多尺度特征；华北暴雨的卫星、雷达气候学

特征，以及暴雨强度时空变化的气候学统计特征和规律；华北暴雨外场试验、加

强观测，发展密集、高分辨率、中尺度观测网数据的快速融合分析技术，以及适

合北方暴雨的中尺度模式物理过程（边界层和降水物理过程）参数化关键技术；

华北暴雨发生发展机理，包括中低纬相互作用、边界层辐合系统和水汽条件对华

北地区暖区暴雨的作用机理，以及太行、燕山山脉及余脉多尺度地形对华北暴雨

的影响，中小尺度系统组织化发展的物理机制等；中尺度数值预报和区域集合预

报应用关键技术，建立基于客观技术的华北暴雨短期、短时、临近无缝隙精细预

报方法。（ 2）目标：揭示华北暴雨发生发展的典型特征，深刻认识直接造成暴雨

的对流中尺度系统的形成与组织化发展机制；形成一套可用于华北暴雨研究和天

气总结的网格化高分辨率分析场资料集；建立华北暴雨物理模型和适用于华北暴

雨的短期、短时、临近无缝隙精细预报方法。

主攻方向 5：我国西部山地突发性暴雨预报理论和方法研究及其在

山洪地质灾害预警中的应用

需求分析与重大科学问题：（ 1）需求分析：据不完全统计，近年来山洪地质

灾害和中小河流洪涝灾害造成的伤亡人数已经占全国洪涝灾害伤亡人数的 80%。

我国西部地区地形复杂、山地丘陵众多并与中小河流交织、人口密度大，在独特

气候和地形影响与地质条件下，突发性强降水成为引发西部（特别是西南）地区9

山洪地质灾害的主要诱因。山洪地质灾害的发生，暴露出中小河流防洪能力低、

山洪地质灾害防治滞后，也凸显出对于诱发山洪地质灾害的直接因素——突发性

强降水的监测以及预报预警能力依然十分薄弱。因此，提高我国西部山地突发性

暴雨预报预警能力是国家防洪减灾面临的重大、迫切需求。（ 2）重大科学问题：

山地条件下观测资料的应用技术；我国西部（特别是西南）山区中尺度对流系统

发生发展的关键环流条件和局地环境因素及其指标；我国西部（特别是西南）山

区局地突发性暴雨的精细化短期、短临客观预报关键技术和基于强降水集合预报

的中小河流面雨量概率预报方法；山地条件下暴雨发生发展的机理及暴雨与不同

地质结构作用诱发山洪地质灾害的规律。

主要研究任务与目标：（ 1）研究任务：我国西部（特别是西南）山地突发性

暴雨外场观测试验；山区突发性暴雨发生发展的天气背景条件和局地环境因素、

中尺度对流系统的结构和典型演变特征；反映山区复杂地形地貌特征的区域暴雨

精细化模式系统关键技术，包括地形的合理描述、山区观测资料的快速分析循环

同化技术、数值预报模式云内过程和陆面水文过程的改进，以及陆面方案与成熟

水文模型的耦合技术等；山区突发性暴雨预报的不确定性研究，发展强降水集合

预报技术和基于降水集合预报的中小河流面雨量概率预报方法；降水特征（强度、

持续时间等）与山洪地质灾害（滑坡、崩塌、泥石流等）的相关性研究及历史气

候特征调查，暴雨发展演变机制及作用于不同地质结构并引发山洪地质灾害的机

理。（ 2）目标：提高对我国西部（特别是西南地区）山地条件下暴雨发生发展的

机理及暴雨与不同地质结构作用诱发山洪地质灾害规律的认识；发展山地条件下

基于雷达和自动雨量观测的精细定量降水估计技术和山区中小河流面雨量算法；

发展适合于我国西部山地条件的暴雨数值预报技术系统，建立我国西部山地突发

性暴雨短期、临近预报方法和暴雨诱发山洪地质灾害的预警示范系统并实现业务

应用。

主攻方向 6：城市群陆气相互作用机理及边界层参数化方案研究

需求分析与重大科学问题：（ 1）需求分析：我国正处于快速城市化进程中，

预计到 2020 年我国的城市化水平将达到 55%。城市化带来的生产、生活活动的

集中化，使得气象灾害造成的影响更为集中，更为严重。另一方面，城市化进程

导致的城市地表“立体化”、地表特性复杂化，以及人类活动产生的物质和能量

使得城市下垫面对大气的影响具有很强的局地性和多尺度特征，从而造成明显的10

“热岛”、“干岛”、“空气穹窿”等特殊结构，进而导致城市区域大气环境显著异

常，城市[群]局地环流、污染物输送机制更为复杂，局地气候变化更为显著。城

市规划、城市防灾减灾、城市精细化气象服务、城市污染扩散防控等都需要深入

了解城市区域精细化的大气环境结构特征及演变机理，同时需发展能模拟城市区

域精细化大气结构的模式技术。（ 2）重大科学问题：城市地气间物质、能量交换

过程和机理；城市区域不同尺度大气扰动间的能量级串过程及机制；城市陆面和

边界层精细化数值模拟技术及其与大气模式的耦合技术；城市精细化定量降水预

报技术。

主要研究任务与目标：（ 1）研究任务：针对城市陆面、冠层、边界层能量和

物质交换过程，开展城市复杂下垫面状况下地气相互作用及边界层物理过程综合

观测科学试验，获取城市陆气间能量、物质交换的高分辨率观测资料；研究城市

复杂下垫面与大气相互作用的物理过程和城市“陆面—冠层—边界层—自由大

气”间能量、物质的水平与垂直传输机理；研究城市下垫面引起的大气扰动尺度

特征及中小尺度扰动间的能量级串过程及机理，城市化对城市及周边地区短时强

降水天气发生、发展的影响和机理；发展反映我国城市地气能量、物质传输过程

特点的陆面、冠层、边界层模拟技术，完善精细化城市大气数值模拟系统；提高

对城市高影响天气特别是精细化定量降水的预报能力。（ 2）目标：揭示城市群地

气相互作用过程和机理；发展适合模拟我国大型城市[群]效应的陆面模式和边界

层参数化方案；建立耦合城市陆面模式、城市边界层参数化方案的精细化城市数

值天气预报系统。11

四、重点领域

领域 1：多源资料融合分析与应用

预期目标：建立卫星、雷达、 GPS-Met 等不同类型资料的质控、评价和偏差

订正等系列处理技术，发展多种资料（特别是雷达、卫星、自动站、 GPS-Met 和

数值模式分析等资料）融合分析算法，形成地面、三维天气要素及气象变量客观

分析场（水平分辨率为 3—5 千米）制作技术与方法，研发雷达、卫星等多源资

料在不同地域、灾害性天气系统和天气要素（特别是中尺度分析）中的分析应用

技术。其解决的关键科技问题包括：不同类型观测资料的质量控制技术、误差估

计和偏差订正算法；多源资料融合定量降水估计（ QPE），特别是复杂地形区的

QPE 技术；三维云分析技术；多源资料融合中不同资料的代表尺度、尺度间的平

衡与协调关系；雷达、卫星大气参数定量提取和反演技术等。

（一）优先主题

优先主题 1：多种观测数据的质量控制和误差估计技术

研究多种卫星观测资料（ FY—3/4、 NOAA 和 MetOp 等）误差分析、质量控制、

分析评估和偏差订正算法，发展多种地基观测资料（雷达、 GPS-Met、地面自动

气象站、风廓线、闪电定位仪等）质量控制算法、预处理技术及改进方法以及误

差订正技术，开展探测新资料实时质量控制和质量检验评估分析，实现质控软件

和算法共享，发展多种新型雷达（云雷达、偏振雷达、相控阵天气雷达、微波辐

射计等）观测数据质量控制算法和数据比对方法，为天气预报提供优质基础数据。

优先主题 2：地面多源资料融合与分析技术

发展不同下垫面的多源资料融合技术，形成二维天气要素。包括：研究多源

资料融合 QPE 算法，形成高时空分辨率的 QPE 产品；卫星遥感资料估算近地表气

温方法；基于自动站和新一代天气雷达数据的地面大风融合技术；海洋气象遥感

数据融合获得海洋精细化海表温度和风场融合技术；多种卫星资料与数值预报资

料融合的热带气旋、海洋风场估计技术及监测分析方法，形成不同下垫面（热带

洋面和陆面）温度和风场精细化遥感分析产品等。

优先主题 3：三维多源资料融合与分析技术

研究多源资料融合分析技术，发展不同尺度观测网多种数据融合算法，形成12

高分辨率（ 5—10 千米）三维天气要素和中尺度客观分析场数据、大气垂直廓线

精细化分析产品，并应用示范；研究多源资料分析系统在不同尺度下的平衡关系

适用性，基于数值模式产品的对流尺度环流和云雨多源资料融合技术；对流系统

三维结构特征的多源资料反演和信息提取技术；三维云分析和云微物理参量估计

技术，融化层高度自动识别方法等。

优先主题 4：雷达资料应用技术

复杂地形区多普勒雷达 QPE 技术，复杂地形及自动站稀疏地区雷达和自动站

联合 QPE 估测技术；天气雷达系统中强降水、对流性大风、冰雹、中尺度气旋识

别算法改进及参数本地化；多种雷达探测在暴雨、台风中的云降水参数信息提取

及综合反演技术；多型号雷达三维基数据拼接技术；基于风廓线雷达原始观测数

据的中尺度风场信息提取技术、跨区域组网算法评估分析；双偏振雷达、风廓线

雷达等多种探测手段结合的降水粒子相态、滴谱和空气上升速度的反演方法，以

及多种类型降水的水平、垂直参量特征和微物理特征；基于多普勒天气雷达地物

回波的低层大气水汽水平分布反演；强风、强降雪雷达定量估计技术与监测产品；

相控阵雷达在强对流天气预报中的应用技术。

优先主题 5：卫星资料应用技术

卫星云微物理参量反演方法、卫星大气参数反演技术；基于星载红外、微波

仪器以及地基雷达的综合观测资料、适用于区域性大范围降水三维结构的反演算

法和监测技术；强对流大气三维结构临近信号的提取、热带气旋和暖心结构特征

参数卫星定量反演技术和产品； FY—4 卫星资料的对流云结构特征（云相态，对

流特性、对流降水等）提取方法；多卫星资料及与数值预报资料的融合匹配；星

载降水雷达和洋面风场测量雷达资料的处理与应用。

（二）区域特色

多种观测网资料的区域性误差分布特征和质量评估分析；区域多源资料快速

更新分析高效流程和多要素精细化产品制作；西北太平洋及南海热带气旋初生阶

段卫星特征提取与模型库建立；基于风云极轨和静止卫星资料的沙尘监测方法和

定量监测产品；区域性重要天气系统卫星云图特征定量表述方法（西北太平洋热

带气旋环境场、南海热带气旋初生阶段、华北地区暴雨发生发展、长江中下游暴

雨发生发展等）。13

领域 2：数值天气预报

预期目标：至 2020 年，建立高分辨率 GRAPES 全球系统（模式分辨率至 10 千

米左右）、高分辨率 GRAPES 区域快速循环同化预报系统（模式分辨率至 3 千米左

右）和 30—50 个成员的 GRAPES 全球集合预报系统等，实现高时空分辨率观测资

料特别是卫星资料的有效同化， GRAPES_GFS 预报能力达到 8 天，高分辨率 GRAPES

区域系统降水预报评分较 2012 年提高 10%。其解决的关键科技问题：高分辨率下

GRAPES 全球和区域模式系统的资料利用技术和模式预报精度提升技术，重点包括：

对各种不同观测资料的质量控制和预处理技术； GRAPES 资料同化框架新技术，直

接同化多普勒雷达资料和新型卫星资料的技术；高精度 GRAPES 模式动力框架及其

对复杂地形的处理技术，GRAPES 物理过程对东亚云降水过程和边界层过程的描述；

模式检验新技术，大型并行计算技术和数值预报研发平台等。

（一）优先主题

优先主题 6：面向数值预报的观测资料质量控制和预处理技术

设计并实现观测资料的变分质量控制技术；针对不同观测资料建立黑名单动

态管理技术；实现卫星观测资料的有效稀疏化；建立地面资料、飞机观测、洋面

船舶和浮标观测的质量分析方法；设计风廓线观测资料的有效监控和质量管理技

术；通过上述研发工作，搭建合理的整体框架，实现包含常规和非常规观测资料，

具有高可读性、高可操作性、高可扩展性、模块化、便于维护的观测资料质量控

制系统，实现高效资料检索、质量控制、资料监控子系统以及卫星资料稀疏化；

在此基础上，与 GRAPES 资料同化系统结合，通过分析资料同化效果，实现对该

系统的动态反馈及调整。

优先主题 7： GRAPES 资料同化框架改进与发展

在现有 GRAPES 三维变分基础上，优化同化框架，改善模式背景误差方差/

协方差和观测误差/协方差的统计计算；引入流依赖方差矩阵估计方法，改进高

时空密度资料的同化效果；研发基于高分辨率 GRAPES 模式的集合卡门滤波—多

尺度变分混合同化框架技术方案，建立多尺度、流依赖的背景误差协方差的集合

估计、分析估计，以及两者的混合技术方法。研究高效的同化极小化算法，配合

模式顶提高至 0.1 百帕，重新构造和优化高层背景误差协方差矩阵，完善高层观

测误差估计。推进 GRAPES 四维变分研究，完善 GRAPES 四维变分的切线/伴随模

式，完成物理过程的切线/伴随模式，改进 GRAPES 四维变分湿度同化，建立适用14

于业务运行的 GRAPES 四维变分系统。

« 1 2 3 4 5 6 7 »

天气研究计划（2013-2020年）

编辑推荐

扩展阅读

相关资讯

健康新闻