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> 灾害天气国家重点实验室科研成果④|多源廓线探秘强对流天气预警的薄弱环节——有云覆盖边界层演变及影响机制

灾害天气国家重点实验室郭建平研究员，作为中国气象局边界层气象重点创新团队首席科学家，带领团队，近年来围绕对流触发监测预警这一世界难题，坚持“小切口，大问题”理念，聚焦降水前大气边界层垂直廓线观测不足的痛点问题，持续深耕边界层关键动力参数高精度遥感反演算法、对流前期信号、对流监测预警等全链条领域研究，取得了一系列创新性成果。这些成果被广泛应用于全国各级气象部门的业务运行以及重大活动的气象保障服务中，为我国强对流监测预警服务保障提供了有力的科技支撑。

在全球变暖背景下，致灾性强对流天气呈频发、多发和并发态势，地面触发的中尺度对流系统是强降水的重要“制造者”之一，且中小尺度对流系统的触发多发生在距离地面1—2公里的边界层内。然而，当前强对流天气短临监测预警业务系统主要依赖静止卫星和天气雷达，难以刻画从晴空到成云过程中的大气热动力垂直结构的演变特征。例如，基于天气雷达的外推对于新生对流、不动或少动对流系统短临预警效果有限，而静止卫星和地面观测又仅能从云顶或云底获取云和大气的基本特征（图1）。这在制约在于有云覆盖边界层高精度热动力产品的严重缺失，亟需利用多源地基垂直遥感组网观测，构建从晴空到成云致雨全过程的无缝隙大气边界层观测平台。

图1. 对流触发前云下边界层热动力廓线观测不足是困扰强对流天气短临监测预警的薄弱环节示意图。

突破的关键：中尺度风廓线雷达观测组网

与其他地基遥感手段相比，风廓线雷达具有全天候连续观测、自动化程度高等优势，可实时提供水平风风向、风速、垂直速度、折射率结构常数等要素的垂直廓线，是提高对灾害性天气监测能力和短时临近预报的重要手段。我国于2005年左右采购运行风廓线雷达，2007年建立了相关的保障体系和技术标准。近年来在全国范围内广泛开展建设，截至目前共部署了212台风廓线雷达，尤其在京津冀、长江三角洲等大城市群地区已构建了世界范围内最稠密的风廓线雷达中尺度观测网，为深入揭示边界层过程如何影响对流发生发展提供了坚实的观测网络条件。尽管当前风廓线雷达资料已进入业务同化系统，成为了天气预报的重要组成部分，然而，在针对强对流天气的监测预警业务中，人们获取的仅仅是单站风廓线雷达产品，缺乏不同云团对应的散度、涡度和垂直速度等关键大气动力廓线产品。

郭建平研究员敏锐地捕捉到这一关键问题，带领团队发展了一套基于风廓线雷达三角形组网的高精度水平散度、涡度和垂直速度廓线反演算法，通过地球曲率、三角形形状和面积以及雷达波束等校正，大幅提升了边界层动力廓线反演精度，解决了散度廓线反演失效的难题。反演得到了我国各典型区域中的水平散度和垂直速度等动力廓线的三角形网格化产品，填补了国际上气象观测业务上网格尺度大气动力廓线产品的空白。该产品的垂直分辨率可达到120米、时间分辨率为6分钟，能精细刻画边界层内湍流、辐合、辐散、涡旋及垂直运动等演变规律。

与ERA-5，CRA，NCEP等再分析资料相比，郭建平研究员团队研发的风廓线雷达产品可很好地捕捉有云边界层内明显的低层深厚辐合、湍流增强、高层辐散的垂直结构特征（图2-3），对大气垂直上升和对流触发有着重要的指示意义。基于中尺度风廓线雷达组网的大气动力参数反演，实现了全天候、分钟级边界层动力结构的“CT”扫描，有效弥补了降水前高精度边界层动力参数廓线观测资料的缺失。

图2. 风廓线雷达观测资料（左上）与ERA-5（右上），NCEP（左下），CRA（右下）三种再分析资料反演得到的降水前有云边界层下的散度廓线结果对比。中间图表示选取2018年7月16日典型降水个例下的风云四号卫星云图，红框表示研究区域北京地区。

图3.风廓线雷达中尺度网反演的大气动力参数廓线首次用于2023年4月28日北京冰雹天气复盘。左上图中为该日14:40风云四号卫星云图和天气雷达回波，展现出京津冀地区受位于内蒙古中东部的冷涡云团影响下爆发的强对流天气。右上图为北京地区风廓线雷达反演得到的散度廓线（填色）和降水（绿色实线）的时间演变。在15:10北京降水发生前呈现低层辐合，高层辐散的大气动力环境。右下图为降水前30分钟北京上空风廓线雷达三角形组网反演得到的散度精细的垂直结构，存在明显的低层深厚辐合的动力廓线信号，利于气团垂直上升触发对流。左下图为利用全国风廓线雷达反演得到的边界层湍流强度（填色）垂直分布，北京上空降水云团下伴随着边界层强湍流现象。

破解垂直观测“大网捞小鱼”困局的有益尝试：观测与预报互动的目标观测

尽管北京、上海、成都等大城市的风廓线雷达站点密度可基本中尺度天气的观测需求，但在更大范围的地区，现有的地基遥感垂直观测网分布还存在疏密不均，“大网捞小鱼”的问题。为破解这一难题，提高京津冀地区夏季强天气预报技巧，郭建平团队联合河北省气象局和中国气象局地球系统数值预报中心于2021—2022年连续两个夏季，借助无球探空移动观测平台，针对副高外围西来槽影响下的典型对流天气系统，开展了目标观测野外科学试验（图4）。通过移动走航观测，在潜在的对流触发区开展大气垂直结构的加密观测，通过构建更细的三角形网格，实现边界层辐合辐散的精细化观测，精准追踪对流触发前期大气垂直动力结构的变化。未来，团队将进一步通过模式敏感性试验，确定观测敏感区，并指挥移动观测平台在观测敏感区开展目标观测。将加密观测接入业务运行的快速循环同化系统，开展同化试验，实现观测与预报的实时联动，以期提高强对流天气预报准确率。

图4. 在气象联合基金项目支持下，团队联合河北气象局和中国气象局地球系统数值预报中心，2021—2022年连续两个夏季借助无球探空移动观测平台开展的针对副高外围西来槽影响下的对流天气的目标观测野外科学试验。

中尺度边界层热动力产品：助力“精密监测”和重大赛事气象服务保障

团队在做好基础研究的同时，始终瞄准业务需求和“精密监测”“精准预报”战略，积极践行“气象科技能力现代化”和“社会服务现代化”，坚持主动-互动-联动，推广风廓线雷达中尺度组网边界层关键参数反演和短临预警产品在国省两级监测预报业务单位落地应用，目前，已在中国气象局“天衡天衍”业务平台开展了为期一年的业务中试，并与浙江、福建、山东、江西、武汉、南京、厦门、成都、深圳和香港等地气象部门达成了合作意向（有些省市已完成研发并部署）。边界层成果已成功应用于第19届杭州亚运会和第31届成都大运会，为重大活动气象服务保障提供了坚实的科技支撑。在此过程中充分验证了组网反演和预警产品在对流触发监测预警中的可靠性。每一次产品的成功应用，团队成员都会感到无比兴奋与自豪，这不仅这是对团队长期努力成果和技术创新的肯定，也在推动我国灾害性强对流天气防灾减灾的道路上迈出了坚实而有力的一步。

图5. 大气关键动力参数实时产品应用于成都大运会（2023年7月28日）气象保障工作。

图6. 大气关键动力参数实时产品应用于杭州亚运会（2023年9月23日）气象保障工作。

勇闯气象前沿：是研究者，更是探险家

2023年，郭建平研究员获批国家自然科学基金委杰出青年科学基金项目“边界层-对流云降水相互作用”，在未来5年的项目执行周期里，他将继续带领团队聚焦大气动力参数廓线动态三角形反演算法研究，发展移动式无球探空适应性观测平台，以对流监测预警应用为目标，为我国气象站网科学布局和中小尺度对流天气数值预报事业做出应有贡献。郭建平研究员表示：“这一项目的获批不仅是对团队过去工作的认可，也为未来更深入探索湍流-对流相互作用这一天气学领域国际前沿科学问题提供了有力支持，未来，我们将从有云覆盖边界层过程无缝隙观测角度，为推动我国中小尺度气象学研究达到国际先进水平做点工作，为中国气象局实现‘两个现代化’贡献更多的智慧和力量。”

对于整个团队而言，充分发挥中国气象局垂直观测资料优势，补齐对流触发前高精度边界层廓线观测缺失的短板，开创强对流天气监测预警手段新格局，是要为之持续奋斗的永恒目标。团队将继续致力于提高对极端天气事件的认识和监测水平，为社会提供更加可靠的气象监测预警服务，朝着更高的科研峰巅迈进。