近10年深圳氣象科研成果分類及特點(diǎn)

張立杰 胡娟 張凱 李游 鄭慧

（作者單位：張立杰、李游、鄭慧，深圳市氣象局/深圳市國(guó)家氣候觀象臺(tái)/深圳南方強(qiáng)天氣研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；胡娟、張凱，深圳市氣象局/深圳南方強(qiáng)天氣研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

從應(yīng)用研發(fā)、基礎(chǔ)研究?jī)煞矫鎸?duì)深圳氣象近10年的科學(xué)研究和研發(fā)成果進(jìn)行了分類總結(jié)。在應(yīng)用研發(fā)領(lǐng)域，深圳氣象在臨近預(yù)報(bào)方法、數(shù)值預(yù)報(bào)方法以及氣象服務(wù)方法等領(lǐng)域都取得了較為豐碩的成果，在很大程度上滿足了城市防災(zāi)減災(zāi)和決策服務(wù)對(duì)及時(shí)、快速和準(zhǔn)確的氣象信息的需求。在基礎(chǔ)研究方面，深圳氣象主要在天氣學(xué)、城市氣候和大氣環(huán)境等應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得了一些成果。

深圳瀕臨南海，飽受臺(tái)風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣的影響，城市的生命和財(cái)產(chǎn)安全遭受到嚴(yán)重威脅。深圳的快速城市化與工業(yè)發(fā)展，在一定程度上帶來了局地氣候和大氣環(huán)境的變化，諸多研究表明，深圳出現(xiàn)了城市熱島加劇、灰霾增多等問題，并給市民的生活帶來不利影響。

為解決這些問題，更好地服務(wù)城市防災(zāi)減災(zāi)和可持續(xù)發(fā)展的需要，深圳市氣象局依靠科技創(chuàng)新著力推進(jìn)現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)體系建設(shè)和提升氣象服務(wù)能力，逐漸形成了以“業(yè)務(wù)中發(fā)現(xiàn)問題-科學(xué)研究解決問題-業(yè)務(wù)服務(wù)中檢驗(yàn)問題”為特色的良性循環(huán)機(jī)制。尤其是近10年來，深圳市氣象局取得了大量的科技創(chuàng)新成果，并推動(dòng)了氣象監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警水平及服務(wù)能力的快速提高。本文著重對(duì)近10年深圳在氣象科技創(chuàng)新領(lǐng)域取得的成果作簡(jiǎn)要總結(jié)，以期為國(guó)內(nèi)不同城市的氣象科技創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

1 應(yīng)用研發(fā)

1.1 臨近預(yù)報(bào)方法

由于地處華南沿海，天氣復(fù)雜多變，臨近預(yù)報(bào)對(duì)于深圳具有特別重要的意義。深圳市氣象局在臨近預(yù)報(bào)的技術(shù)方法研究上投入了大量的人力和物力。2009年，蘭紅平等基于雷暴云團(tuán)邊界追蹤技術(shù)開發(fā)了一種短時(shí)臨近預(yù)報(bào)方法，主要通過模式識(shí)別技術(shù)進(jìn)行云團(tuán)邊界識(shí)別、拓?fù)涮幚?，建立云團(tuán)生命時(shí)序與族譜關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上通過雷暴云團(tuán)外推進(jìn)行臨近預(yù)報(bào)。該方法主要解決了三個(gè)技術(shù)難題：一是對(duì)已預(yù)處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界識(shí)別；二是利用四分樹匹配分析因子、重疊因子、外接矩形因子、輪廓綜合因子、局部相似判定因子等六個(gè)判斷因子，分別識(shí)別出每個(gè)云團(tuán)的時(shí)間序列，以及每個(gè)云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)方向、速度、面積、強(qiáng)中心，以及所處的狀態(tài)等信息；三是對(duì)云團(tuán)的移動(dòng)方向、速度、面積、強(qiáng)度進(jìn)行線性外推。通過這些技術(shù)，可獲得雷暴云團(tuán)的空間位置信息、發(fā)展軌跡、演變特征和未來預(yù)測(cè)。該方法在一定程度上推動(dòng)了臨近預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)的發(fā)展。

在蘭紅平等工作的基礎(chǔ)上，曹春燕等嘗試將計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的重要方法——光流法引入對(duì)流臨近預(yù)報(bào)外推算法方案中。光流法具有高彈性、高靈活性等特點(diǎn)，可以模擬出接近理想的運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)，能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的識(shí)別、追蹤和運(yùn)動(dòng)估計(jì)，被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、天文、氣象等領(lǐng)域。光流法的基本原理是由于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和觀測(cè)器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以圖像量化作為識(shí)別對(duì)象，在序列圖像中產(chǎn)生瞬時(shí)位移，體現(xiàn)圖像亮度模式的表觀運(yùn)動(dòng)，圖像中所有像素點(diǎn)的亮度光流構(gòu)成了圖像的光流場(chǎng)，而光流法的核心就是從連續(xù)的圖像系列中計(jì)算光流場(chǎng)。與傳統(tǒng)的交叉相關(guān)法相比，光流法立足于變化，而不是選定不變特征再跟蹤不變特征移動(dòng)的方式。將光流法應(yīng)用于臨近預(yù)報(bào)，開發(fā)基于光流法的雷達(dá)回波預(yù)報(bào)產(chǎn)品，不僅得到了回波的外推預(yù)報(bào)，還很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的雷暴外推（交叉相關(guān)法）的缺陷，提升了臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)的性能。

陳元昭等利用廣東省12臺(tái)天氣雷達(dá)的資料開展研究，開發(fā)了基于粒子濾波法的新臨近預(yù)報(bào)方法。該方法首先在雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制中應(yīng)用了一種雙邊濾波器；同時(shí)采用基于Lucas-Kanade算法和Harris角點(diǎn)檢測(cè)算法的光流方法跟蹤雷達(dá)回波并提取回波運(yùn)動(dòng)矢量；然后，將運(yùn)動(dòng)矢量用粒子濾波混合算法進(jìn)行混合，以估計(jì)真實(shí)回波運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)矢量；最后，基于獲得的運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)采用準(zhǔn)拉格朗日外推方法進(jìn)行雷達(dá)回波外推。應(yīng)用檢驗(yàn)表明，這種改進(jìn)對(duì)于颮線等西風(fēng)帶系統(tǒng)帶來的降水天氣過程，粒子濾波融合法30 min的擊中率為82%，較傳統(tǒng)方法有所提升，在應(yīng)對(duì)“5·20”暴雨和“山竹”臺(tái)風(fēng)等多次氣象服務(wù)保障過程中發(fā)揮了重要作用。

1.2 數(shù)值預(yù)報(bào)方法

過去10年，深圳市氣象局通過技術(shù)引進(jìn)、吸收再創(chuàng)新的途徑，與國(guó)內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)合作開展了多項(xiàng)研究，建成了有深圳特色的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。Hou等利用WRF對(duì)深圳及周邊的雷達(dá)資料和自動(dòng)氣象站資料進(jìn)行了同化，表明其短時(shí)預(yù)報(bào)的效果令人滿意，同化對(duì)于預(yù)報(bào)技巧的提高可以延伸至9 h。基于這種技術(shù)，深圳市氣象局開發(fā)了逐時(shí)循環(huán)同化系統(tǒng)（Hourly Assimilation and Prediction System，HAPS）。Pan等同樣利用WRF同化了深圳及周邊的大量觀測(cè)資料，與Hou等基于三維變分的同化方法有所不同，Pan等使用了基于張弛逼近（Nudging）的四維數(shù)據(jù)同化技術(shù)（FDDA）。在實(shí)際工作中，兩套模式并行運(yùn)行，表現(xiàn)上也各有千秋，HAPS在降雨的短時(shí)預(yù)報(bào)中發(fā)揮了重要作用，而FDDA因?yàn)橥舜罅康孛孀詣?dòng)氣象站資料，在風(fēng)、溫的預(yù)報(bào)中有一定優(yōu)勢(shì)。

歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心（ECMWF）精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和NCEP/NCAR的全球模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品一直是深圳市氣象局開展預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的重要支撐，為充分挖掘這些產(chǎn)品的價(jià)值，深圳市氣象局組織對(duì)這些模式產(chǎn)品進(jìn)行了二次開發(fā)。蘭紅平等在ECMWF的15 d數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品基礎(chǔ)上開發(fā)了時(shí)間滯后集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品，結(jié)果表明，采用時(shí)間滯后集合對(duì)于氣溫的預(yù)報(bào)比直接用單次預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率有一定提升。陳申鵬等利用NCEP/NCAR格點(diǎn)資料和華南地區(qū)主要站點(diǎn)的降水資料，結(jié)合華南地區(qū)汛期強(qiáng)降水過程的大氣低頻系統(tǒng)的地理位置和相互配置，建立了華南汛期大氣低頻系統(tǒng)延申期強(qiáng)降水預(yù)測(cè)模型，并應(yīng)用在業(yè)務(wù)服務(wù)中，通過兩年的實(shí)踐表明，該模型可以提前10～30 d預(yù)報(bào)華南地區(qū)強(qiáng)降水過程，具有一定的預(yù)報(bào)能力，這也意味著，低頻系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型在華南地區(qū)實(shí)現(xiàn)本地化，成為深圳中長(zhǎng)期降水預(yù)報(bào)的重要支撐。

1.3 氣象服務(wù)

孫石陽等根據(jù)深圳氣象服務(wù)特點(diǎn)，剖析存在的問題，提出轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要性和必要性，對(duì)氣象服務(wù)轉(zhuǎn)型發(fā)展的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)、前提條件、業(yè)務(wù)體系建設(shè)及配套政策進(jìn)行了深入研究和探索。劉錦泉等根據(jù)深圳現(xiàn)有氣象信息發(fā)布方式，分析了建立綜合氣象信息發(fā)布平臺(tái)的必要性，研究團(tuán)隊(duì)采用地理信息系統(tǒng)可視化、人機(jī)交互式設(shè)計(jì)，并運(yùn)用單一信息源生成與多種信息源發(fā)布模式對(duì)接的方法，開發(fā)了氣象災(zāi)害預(yù)警、預(yù)報(bào)產(chǎn)品及監(jiān)測(cè)資料的發(fā)布平臺(tái)，平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用極大地提高了信息發(fā)布效率，并為今后增加發(fā)布渠道提供了擴(kuò)展空間。劉東華等利用高性能計(jì)算技術(shù)、智能語音識(shí)別技術(shù)、智能語音合成、海量氣象監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫，提出了個(gè)性化氣象信息服務(wù)模式，設(shè)計(jì)了深圳市個(gè)性化氣象信息服務(wù)系統(tǒng)，同時(shí)拓寬了公眾獲取氣象信息的渠道，并可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互。謝坤、陳申鵬等結(jié)合重要天氣過程詳細(xì)分析了“深圳天氣”微博、微信等互聯(lián)網(wǎng)新媒體在氣象服務(wù)中的應(yīng)用，對(duì)微博、微信的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比分析，在發(fā)布方式方面，微博發(fā)布方式屬于點(diǎn)對(duì)面，對(duì)用戶沒有“非看不可”的硬性要求，信息送達(dá)率相對(duì)較低，有些信息可能會(huì)被公眾忽略，所以微博通常發(fā)布頻率很高，重大災(zāi)害天氣影響期間最頻繁約1條/15 min；微信推送次數(shù)雖然受限，但屬于真實(shí)的朋友圈建立的聯(lián)絡(luò)方式，信息送達(dá)率可達(dá)100%，重要天氣過程時(shí)的一條推文創(chuàng)下過40多萬閱讀量的記錄。目前“深圳天氣”微博粉絲已達(dá)180多萬，微信粉絲110多萬，成為深圳氣象公共服務(wù)的叫得響品牌。

2 學(xué)科發(fā)展研究

2.1 天氣學(xué)研究

特殊的地理位置和地形地貌使深圳災(zāi)害性天氣頻發(fā)，受熱帶氣旋影響頻繁，全方位探究災(zāi)害性天氣特征，了解其演變規(guī)律，認(rèn)識(shí)災(zāi)害性天氣形勢(shì)和形成的物理機(jī)制，是準(zhǔn)確把握災(zāi)害性天氣形勢(shì)、做好災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)前提。張蕾等利用深圳機(jī)場(chǎng)跑道兩端氣象觀測(cè)資料，針對(duì)颮線、強(qiáng)對(duì)流、連續(xù)暴雨和冷空氣等典型災(zāi)害性天氣過程，分析了不同天氣條件下水平梯度變化特征。謝坤等對(duì)熱帶氣旋海高斯登陸后重新加強(qiáng)并導(dǎo)致深圳暴雨的情況進(jìn)行分析，分析表明，弱冷空氣擴(kuò)散南下，“海高斯”變性加強(qiáng)，且GPS/MET大氣水汽含量變化和強(qiáng)降水具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前的快速增加過程，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)具有指示意義。謝小敏等對(duì)30年的前汛期西風(fēng)帶大暴雨期間的500、850 hPa和地面環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)深圳市前汛期有77%的大暴雨過程由西風(fēng)帶系統(tǒng)引起。2012年，胡娟等通過近40年深圳出現(xiàn)的臺(tái)風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性天氣過程的環(huán)流特征，構(gòu)建了深圳市重大災(zāi)害性天氣的概念模型和指標(biāo)體系，并研發(fā)了基于Web網(wǎng)頁的各類災(zāi)害天氣過程概念模型查詢系統(tǒng)，對(duì)提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、做好城市防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。2014年，Li等結(jié)合探空資料、鐵塔資料、利用CFD（計(jì)算流體力學(xué)）模擬分析了臺(tái)風(fēng)莫拉菲登陸期間深圳東部山地的風(fēng)場(chǎng)精細(xì)結(jié)構(gòu)，為深圳強(qiáng)風(fēng)致災(zāi)等問題的研究提供了新的技術(shù)手段。為進(jìn)一步了解珠三角地區(qū)重大短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的環(huán)境特征，2016年，陳元昭等利用珠三角地區(qū)自動(dòng)氣象站資料、探空資料、衛(wèi)星資料研究了7年間68個(gè)重大短時(shí)強(qiáng)降水事件的環(huán)境流型和關(guān)鍵物理參數(shù)，結(jié)果表明，珠三角地區(qū)重大短時(shí)強(qiáng)降水天氣流型主要有臺(tái)風(fēng)型、西南季風(fēng)型、北部灣低壓型、冷切變線型和熱帶云團(tuán)型5種，將不同流型配置方法、重大短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)以及根據(jù)箱線圖展示的參數(shù)范圍設(shè)定適宜的閾值方法相結(jié)合，為珠三角地區(qū)顯著強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)改進(jìn)提供了重要參考。

2.2 城市氣候研究

深圳自1980年成立經(jīng)濟(jì)特區(qū)后，人口、GDP及城市建成區(qū)面積都快速增加，其城市化進(jìn)程的速度之快在全世界范圍內(nèi)都極為罕見。然而，快速城市化對(duì)深圳的氣候造成了顯著影響。早期，張小麗等對(duì)新時(shí)段的氣候要素平均值的演變特征進(jìn)行了分析，指出新的氣候平均值出現(xiàn)了氣溫上升、雨量增加、濕度下降和日照減少等特點(diǎn)；張恩潔等的分析表明，近50年間深圳增溫速率為0.034 ℃/a，明顯高于全國(guó)水平。王博等在張小麗、張恩潔等研究基礎(chǔ)上，分析了不同年代的氣候要素平均值的變化趨勢(shì)，并進(jìn)一步指出了深圳的氣候存在著夏季延長(zhǎng)，秋、冬季漸短及雷雨影響時(shí)段略有延長(zhǎng)的事實(shí)。李輝等利用56年來對(duì)深圳造成風(fēng)雨影響的熱帶氣旋特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明，影響深圳的熱帶氣旋年內(nèi)變化呈單峰型分布，其中8月出現(xiàn)對(duì)深圳造成嚴(yán)重影響的熱帶氣旋概率最大。

隨著深圳探測(cè)數(shù)據(jù)的不斷積累，關(guān)于深圳城市氣候特征的研究也不斷深入。張立杰等利用自動(dòng)站氣溫觀測(cè)資料，對(duì)深圳的城市熱島現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)深圳的近地層氣溫分布是海陸作用疊加城市熱島效應(yīng)形成的結(jié)果。特別值得一提的是，該研究所用資料空間密度很高，在深圳近2000 km2的土地上，共收集了103 個(gè)自動(dòng)氣象站的資料，所反映出的近地層氣溫空間結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星遙感資料具有非常好的一致性。李磊等對(duì)深圳快速城市化的氣候效應(yīng)及物理機(jī)制展開分析，在得出城市化造成高溫日數(shù)顯著增多、夜間變得更為炎熱、相對(duì)濕度顯著降低以及短歷時(shí)降水強(qiáng)度增加等局地變化結(jié)論的基礎(chǔ)上，從發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃層面對(duì)城市發(fā)展提出可針對(duì)性采取一定措施，從而保護(hù)和調(diào)節(jié)城市氣候，例如：海綿城市建設(shè)、低碳發(fā)展戰(zhàn)略、自然通風(fēng)規(guī)劃等。

2.3 大氣環(huán)境研究

隨著城市化的快速發(fā)展，大氣環(huán)境也受到嚴(yán)重影響，開展大氣環(huán)境研究，分析灰霾、臭氧等典型污染特征及成因，對(duì)城市大氣環(huán)境治理和改善具有重要的參考意義。王明潔等在大運(yùn)會(huì)（26屆世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)）召開前夕，對(duì)大運(yùn)會(huì)即將召開時(shí)段深圳重度灰霾天氣特征及環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行分析，研究了可能造成該時(shí)段重度灰霾天氣的主要原因以及發(fā)生重度灰霾的可能性，為做好大運(yùn)氣象服務(wù)保障工作提供科學(xué)支撐。楊琳等研究了深圳地區(qū)灰霾分布特征、預(yù)報(bào)預(yù)警方法，建立了灰霾預(yù)警預(yù)報(bào)模型，檢驗(yàn)表明，該模型具有一定的可靠性，為灰霾防治和預(yù)警系統(tǒng)的建立提供了科學(xué)依據(jù)。張麗等利用深圳國(guó)家基本氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)和竹子林大氣成分站顆粒物、污染氣體的濃度資料，對(duì)典型灰霾過程粒子濃度的日變化特征進(jìn)行對(duì)比分析，分別給出了在變性高壓脊控制下、在熱帶氣旋外圍下沉氣流控制以及在低槽或切變線影響下，灰霾污染物的變化特征。2015年王明潔等利用精細(xì)化的觀測(cè)資料對(duì)深圳不同季節(jié)灰霾的污染特征進(jìn)行研究分析表明，約80%的中重度灰霾出現(xiàn)在風(fēng)速小于2 m/s和相對(duì)濕度在70%～90%情況下。2017年，梁碧玲等利用3年深圳國(guó)家基本氣象站的觀測(cè)資料和11個(gè)國(guó)家級(jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的臭氧數(shù)據(jù)，對(duì)其污染特征及氣象條件進(jìn)行了分析，分析結(jié)果為深圳地區(qū)臭氧污染監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和進(jìn)一步深入研究臭氧污染機(jī)理提供了參考。

3 小結(jié)

過去的10年，深圳氣象無論在臨近預(yù)報(bào)、數(shù)值預(yù)報(bào)以及氣象服務(wù)方法還是在天氣學(xué)、城市氣候和大氣環(huán)境等學(xué)科發(fā)展研究方面都取得了較為豐碩的成果。

未來，隨著臨近預(yù)報(bào)技術(shù)和數(shù)值預(yù)報(bào)方法越來越成熟，預(yù)報(bào)預(yù)警越來越精細(xì)和精準(zhǔn)，以及決策部門和公眾對(duì)氣象服務(wù)的需求越來越高，如何提高服務(wù)效率和信息發(fā)布的精準(zhǔn)度，做到將合適的信息發(fā)送給合適的接收者，均值得在業(yè)務(wù)服務(wù)中不斷實(shí)踐、應(yīng)用和分析研究。在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，隨著氣象探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步完善，探測(cè)資料質(zhì)量日益提高，有助于對(duì)典型天氣過程的特征進(jìn)行更為深入和精細(xì)化分析，而關(guān)于城市氣候、大氣環(huán)境變遷后的物理、化學(xué)機(jī)制和社會(huì)經(jīng)濟(jì)機(jī)制的大量科學(xué)問題將可能得到進(jìn)一步研究和解決，從而對(duì)建設(shè)更安全和可持續(xù)發(fā)展的深圳有一定的促進(jìn)作用。

致謝：本文由“中國(guó)氣象局華南區(qū)域中心科技攻關(guān)項(xiàng)目（GRMC2015M05）”資助。

深入閱讀

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