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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，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。

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，结合数值模拟手段，研究复杂下垫面强迫、海陆气相互作用和青藏高原热力动力作用对我国重大持续天气的影响，分析其物理过程，揭示其影响的机理。

4）采取初值场低频滤波、耦合海洋、陆面过程等模拟试验，结合集合预报方法的试验，探索提升基于动力模式的持续性异常天气预报能力的可能性。

同时在现有精细数值天气模式基础上利用全球集合预报产品作为区域高分辨模式的初值和边值驱动高分辨数值模式的滚动运行，在持续性天气异常预报基础上实现强降水过程预报，在上述动力预报思路下发展全球集合预报与区域精细预报的嵌套技术，从而实现持续性重大天气异常的动力预报理论和方法的建立。

5）把以诊断分析为基础的物理统计预报理论和方法与发展数值预报模式为基础的动力预报理论和方法相结合，建立持续性重大天气异常的预报理论和方法，为提升我国持续性重大天气异常的预报（1-2周以上）能力奠定基础。

最终构成如下图的技术路线框图。

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3.创新点与特色

1）本项目既强调大气内部的多尺度相互作用，也强调海洋、陆面以及青藏高原的外源强迫对持续性重大天气异常影响的机理，并重视准定常波与大气低频振荡对我国持续性重大天气异常的影响；

既从形成持续性重大天气异常的中高纬和中低纬持续稳定的天气形势的大气内部的多尺度相互作用寻找直接原因，又从形成持续稳定的天气形势的外强廹影响与海陆气相互作用的物理过程寻找根本原因。

从两个不同层面上研究持续性重大天气异常形成机理在国际上也是一条新的研究思路，在理论上具有创新性。

2）项目强调了发展基于机理研究的物理统计预报理论和发展动力预报理论相结合，形成有自身特点的我国持续性重大天气异常1-2周以上的预报理论和方法，具有创新性。

3）发展基于海陆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，这不仅在国内即使在国际上也是一种探索。

4）实施对我国持续性重大天气异常高原热力影响关键区、东移天气系统频发区和其下游关键影响区的大气加密观测，这在我们国家第一次开展，对认识我国持续性强降水形成机理研究具有重要意义，是一次与以前历次开展的野外科学试验完全不同的新的观测试验。

5）参加本项目研究的不仅有研究部门、高等院校的研究人员，也有来自国家级业务部门的研究骨干人员，他们本身就是从事中长期预报的研究型业务人员，这种合作既建立了研究人员和业务人员在同一研究项目中的紧密合作，取长补短，也有利于实现研究成果的业务转化，这是本项目的一个重要特色。

由于本项目具有上述创新性与自身特点，通过五年努力完全有可能在深入揭示持续性重大天气异常形成机理和建立动力/统计相结合的预报理论和方法方面取得一些重要突破。

4、可行性

1）前期国家支持的天气、气候预测理论研究成果为开展本项目研究奠定了基础。

最近二十多年来，我国所开展的许多基础理论研究主要是围绕中小尺度天气预报和气候预测方面展开的。

“八五”期间开展了国家攀登计划项目“气候动力学和气候预测理论的研究”，“九五”期间开展了973项目“我国重大气候和天气灾害形成机理和预测理论研究”和重中之重科技攻关项目“我国短期气候预测系统研究”，“十五”期间开展了973项目“我国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究”，“十一五”期间开展了“亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响”研究。

这一系列基础理论研究，一方面发展了数值预报模式和我国中尺度暴雨短期数值预报方法；

另一方面也发展了我国短期气候预测理论、模式和方法，建立了气候预测系统。

这些研究也对深刻认识我国灾害性天气气候形成条件和机理，特别是对多尺度天气系统相互作用、西太平洋和印度洋暖池以及青藏高原对我国天气气候的影响的研究奠定了坚实的基础。

本项目是围绕国家针对持续性天气异常延伸期预报需求，在前期基础上开展的另一个层面上的新的、更深入的研究。

2）中国气象局近年来在大气观测系统上有了长足的进步，并且正在积极筹备第三次青藏高原大气科学试验，已经完全有能力依托观测体系，实施高原天气系统东移关键区加密试验。

中国气象局近年来设臵了足够数量与足够密度（最大分辨率达10公里）的地面自动观测系统以及多普勒雷达观测网，很多省市气象局建设了GPS/Met，购臵了微波辐射计等观测系统。

特别是在青藏高原及其东侧地区建设了GPS/Met、边界层观测系统。

同时，中国气象局已经发射了两颗新的风云系列气象卫星，其探测装备的先进程度与信息通道数量以及空间分辨能力均比前几颗卫星有较大改进。

我们还已经建立了GPS移动探空观测系统、边界层观测系统、多部车载雷达等移动观测系统，为实现开展高原热源和高原东移系统观测都打下了良好的装备基础。

上述加密观测系统是完全基于天基空基与地基遥感技术与常规业务观测网建立的。

3）中国气象局具有比较完整的天气气候预报预测业务体系和天气预报以及气候预测模式，具有长期的预报实践积累和对关键科学问题的深刻认识，对近20多年的持续性重大天气异常事件及其形成的大气环流异常的背景也均有不同程度的总结和了解。

近年来，也已经逐步开始了延伸期预报的业务探索，也为本项目开展理论与方法研究奠定了基础和试验应用的平台。

综上所述，正因为本项目的实施已经具备了上述基本条件，这表明本项目的成功实施和取得重大突破是完全有可能的，只要项目全体科学家团结努力，广泛地开展国际合作，一定会圆满完成本项目规定的研究任务和研究目标。

5、课题设置

课题1：

多尺度天气系统相互作用对我国持续性重大天气异常的影响及其机理研究

研究目标：

从半球尺度、大陆尺度、天气尺度和中尺度等多尺度相互作用入手，深入了解大尺度环流持续异常对我国持续性重大天气异常（重点研究夏季持续性强降水、冬季持续性低温雨雪天气）的影响机理，揭示我国持续性重大天气异常的多尺度天气系统相互作用的动力过程和物理模型。

研究内容：

（1）持续性重大天气异常的多尺度天气系统特征的综合研究。

分析近60年所有历史个例，研究产生持续性重大天气异常（夏季持续性强降水，冬季持续性冰冻雨雪天气）持续稳定的多尺度天气系统结构配臵的演变特征，揭示持续性重大天气异常形成的多尺度天气学模型。

（2）持续性重大天气异常的多尺度相互作用研究。

研究半球尺度、大陆尺度、天气尺度和中尺度系统等多尺度相互作用对持续性重大天气异常形成的影响及其机理，其中包括中高纬系统、中低纬系统之间的相互作用；

研究南亚高压与西太平洋副热带高压的相互作用；

提出形成我国持续性重大天气异常的物理模型。

（3）低频振荡对我国持续性重大天气异常的影响机理研究。

研究影响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影响机理。

经费比例：

17%

承担单位：

南京大学、中国科学院大气物理研究所

课题负责人：

方娟

学术骨干：

谈哲敏、张熠、孙建华、高守亭、卫捷

课题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

揭示青藏高原大地形和下垫面热力异常激发的准静止行星波的传播及其与我国持续性重大天气异常的关系，阐明高原天气系统异常变化对其以东地区持续性强降水天气异常的具体影响，发展基于高原影响的我国持续性强降水天气的预报理论与方法。

（1）开展青藏高原热源和高原东移天气系统的加密观测试验。

研究确定高原热源和东移天气系统关键加密观测区，实施高原及其下游影响区域加密观测野外试验，积累2-3年的青藏高原热源和东移天气系统发生发展的东西向剖面加密观测资料。

（2）研究高原大尺度行星波及其影响和作用。

探讨高原大地形和下垫面热力异常激发的准静止行星波的传播及其与我国东部持续性重大天气异常的关系。

（3）研究高原东移系统发生发展规律及其对下游天气异常的影响。

分析高原天气系统异常变化的热力、动力环境条件，研究高原天气系统群发、频发和持续稳定与东移发展对下游持续性强降水天气发展的影响。

27%

中国气象局成都高原气象研究所、中国气象科学研究院、成都信息工程学院

李跃清

刘黎平、林永辉、罗亚丽、何光碧、李国平

课题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

揭示海温异常、复杂下垫面强迫和海陆气相互作用在形成持续性稳定异常环流形势和维持重大天气异常过程中的物理过程，提出有利于我国持续性重大天气异常形成的大尺度环流持续异常和中低纬天气系统活跃的基本条件和根本原因。

（1）海洋热力异常对我国持续性大气环流异常的影响及其物理过程研究。

其中包括西太平洋、印度洋和大西洋海温异常与我国持续性重大天气异常的关系，分析海温异常导致的热源强迫引起的大尺度环流形势持续异常及其物理过程。

（2）陆地下垫面强迫对我国持续性重大天气影响及其物理过程研究。

利用数值模式模拟，分析多样性和非均一性的下垫面对维持异常环流的影响和作用；

研究局地下垫面异常（土壤湿度与温度、植被覆盖与地表反照率变化）在持续性重大天气异常发展过程中的效应。

（3）海陆气相互作用对大尺度环流持续异常的影响机理研究。

用数值模式模拟海陆气相互作用在稳定大尺度环流形势形成和持续性重大天气异常发生过程中的影响，分析下垫面强迫在持续性重大天气异常过程中热量、动量和水汽交换的特征和作用，揭示热源和动力强迫引发的热动力过程在稳定环流形势和持续性降水天气形成过程中的作用及相关的物理机理。

中国科学院大气物理研究所、南京大学、国家气候中心

高志球

包庆、任雪娟、鲍名、孙旭光、柳艳菊

课题4：

我国持续性强降水的动力预报理论与方法和可预报性研究

认识我国持续性重大天气异常的可预报性，发展基于海陆气耦合模式的集合预报和高分辨区域数值模式嵌套的持续性重大天气异常的预报理论与方法。

（1）我国持续性重大天气异常的可预报性研究。

开展包括大气初值滤波、引入海温异常强迫、改进对流参数化等不同方式的数值试验，研究其捕捉阻塞、准定常波和低频信号的能力，研究我国持续性重大天气异常的可预报性。

（2）我国持续性重大天气异常动力预报理论和方法研究。

开展以海气耦合模式为基础的集合预报、超级集合预报试验，研究探索持续性重大天气异常的动力预报理论和方法；

发展集合卡尔门滤波技术的高分辨区域同化预报模式及其与上述集合预报嵌套技术，研究探索持续性天气异常背景下强化强降水预报的可能与能力；

研究和发展集合预报系统与高分辨区域模式的嵌套技术和滚动预报技术，建立完整的持续性重大天气异常动力预报理论和方法。

中国气象科学研究院、国家气象中心

王东海

彭新东、陈静、康红文、姜智娜、牛若芸

课题5：

我国持续性重大天气异常的物理统计预报理论和方法

在多尺度相互作用物理模型和提取外强迫异常信号的基础上，寻找其影响持续性天气异常发生、维持、结束和强度等关键低频因子，建立持续性重大天气异常的物理统计-诊断预报（1-2周以上）理论和方法；

在以上基础上，并研究与第四课题生成的动力预报产品的集成方法，建立物理统计与动力预报相结合的我国持续性重大天气异常预报理论与方法。

（1）从多尺度相互作用对大尺度环流持续影响角度，和认识高原大地形的动力、热力影响以及海陆气相互作用以及局地下垫面异常角度，提取与持续性重大天气异常有关的强信号，建立我国持续性重大天气异常的诊断预测的概念模型。

（2）研究低频振荡、北极涛动等低频波不同发展位相与我国持续性重大天气异常的联系，在此基础上利用低频波形成、发展、传播和影响特征，建立基于低