近10年深圳氣象科研成果分類及特點

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/深圳市國家氣候觀象臺/深圳南方強天氣研究重點實驗室；胡娟、張凱，深圳市氣象局/深圳南方強天氣研究重點實驗室）

從應用研發、基礎研究兩方面對深圳氣象近10年的科學研究和研發成果進行了分類總結。在應用研發領域，深圳氣象在臨近預報方法、數值預報方法以及氣象服務方法等領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減災和決策服務對及時、快速和準確的氣象信息的需求。在基礎研究方面，深圳氣象主要在天氣學、城市氣候和大氣環境等應用基礎研究領域取得了一些成果。

深圳瀕臨南海，飽受臺風、暴雨、強對流等災害性天氣的影響，城市的生命和財產安全遭受到嚴重威脅。深圳的快速城市化與工業發展，在一定程度上帶來了局地氣候和大氣環境的變化，諸多研究表明，深圳出現了城市熱島加劇、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，更好地服務城市防災減災和可持續發展的需要，深圳市氣象局依靠科技創新著力推進現代氣象業務體系建設和提升氣象服務能力，逐漸形成了以“業務中發現問題-科學研究解決問題-業務服務中檢驗問題”為特色的良性循環機制。尤其是近10年來，深圳市氣象局取得了大量的科技創新成果，并推動了氣象監測、預報、預警水平及服務能力的快速提高。本文著重對近10年深圳在氣象科技創新領域取得的成果作簡要總結，以期為國內不同城市的氣象科技創新發展提供參考。

1 應用研發

1.1 臨近預報方法

由于地處華南沿海，天氣復雜多變，臨近預報對于深圳具有特別重要的意義。深圳市氣象局在臨近預報的技術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邊界追蹤技術開發了一種短時臨近預報方法，主要通過模式識別技術進行云團邊界識別、拓撲處理，建立云團生命時序與族譜關系，并在此基礎上通過雷暴云團外推進行臨近預報。該方法主要解決了三個技術難題：一是對已預處理的雷達數據進行邊界識別；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判斷因子，分別識別出每個云團的時間序列，以及每個云團的運動方向、速度、面積、強中心，以及所處的狀態等信息；三是對云團的移動方向、速度、面積、強度進行線性外推。通過這些技術，可獲得雷暴云團的空間位置信息、發展軌跡、演變特征和未來預測。該方法在一定程度上推動了臨近預報預警技術的發展。

在蘭紅平等工作的基礎上，曹春燕等嘗試將計算機視覺領域的重要方法——光流法引入對流臨近預報外推算法方案中。光流法具有高彈性、高靈活性等特點，可以模擬出接近理想的運動矢量場，能準確地實現對目標物的識別、追蹤和運動估計，被應用于醫學、天文、氣象等領域。光流法的基本原理是由于運動目標和觀測器之間的相對運動，以圖像量化作為識別對象，在序列圖像中產生瞬時位移，體現圖像亮度模式的表觀運動，圖像中所有像素點的亮度光流構成了圖像的光流場，而光流法的核心就是從連續的圖像系列中計算光流場。與傳統的交叉相關法相比，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的方式。將光流法應用于臨近預報，開發基于光流法的雷達回波預報產品，不僅得到了回波的外推預報，還很大程度上彌補了傳統的雷暴外推（交叉相關法）的缺陷，提升了臨近預報系統的性能。

陳元昭等利用廣東省12臺天氣雷達的資料開展研究，開發了基于粒子濾波法的新臨近預報方法。該方法首先在雷達數據質量控制中應用了一種雙邊濾波器；同時采用基于Lucas-Kanade算法和Harris角點檢測算法的光流方法跟蹤雷達回波并提取回波運動矢量；然后，將運動矢量用粒子濾波混合算法進行混合，以估計真實回波運動的最優運動矢量；最后，基于獲得的運動矢量場采用準拉格朗日外推方法進行雷達回波外推。應用檢驗表明，這種改進對于颮線等西風帶系統帶來的降水天氣過程，粒子濾波融合法30 min的擊中率為82%，較傳統方法有所提升，在應對“5·20”暴雨和“山竹”臺風等多次氣象服務保障過程中發揮了重要作用。

1.2 數值預報方法

過去10年，深圳市氣象局通過技術引進、吸收再創新的途徑，與國內外多家機構合作開展了多項研究，建成了有深圳特色的數值預報系統。Hou等利用WRF對深圳及周邊的雷達資料和自動氣象站資料進行了同化，表明其短時預報的效果令人滿意，同化對于預報技巧的提高可以延伸至9 h。基于這種技術，深圳市氣象局開發了逐時循環同化系統（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）的四維數據同化技術（FDDA）。在實際工作中，兩套模式并行運行，表現上也各有千秋，HAPS在降雨的短時預報中發揮了重要作用，而FDDA因為同化了大量地面自動氣象站資料，在風、溫的預報中有一定優勢。

歐洲中期數值預報中心（ECMWF）精細化數值預報產品和NCEP/NCAR的全球模式預報產品一直是深圳市氣象局開展預報業務的重要支撐，為充分挖掘這些產品的價值，深圳市氣象局組織對這些模式產品進行了二次開發。蘭紅平等在ECMWF的15 d數值預報產品基礎上開發了時間滯后集合預報產品，結果表明，采用時間滯后集合對于氣溫的預報比直接用單次預報的準確率有一定提升。陳申鵬等利用NCEP/NCAR格點資料和華南地區主要站點的降水資料，結合華南地區汛期強降水過程的大氣低頻系統的地理位置和相互配置，建立了華南汛期大氣低頻系統延申期強降水預測模型，并應用在業務服務中，通過兩年的實踐表明，該模型可以提前10～30 d預報華南地區強降水過程，具有一定的預報能力，這也意味著，低頻系統預測模型在華南地區實現本地化，成為深圳中長期降水預報的重要支撐。

1.3 氣象服務

孫石陽等根據深圳氣象服務特點，剖析存在的問題，提出轉型發展的重要性和必要性，對氣象服務轉型發展的實現目標、前提條件、業務體系建設及配套政策進行了深入研究和探索。劉錦泉等根據深圳現有氣象信息發布方式，分析了建立綜合氣象信息發布平臺的必要性，研究團隊采用地理信息系統可視化、人機交互式設計，并運用單一信息源生成與多種信息源發布模式對接的方法，開發了氣象災害預警、預報產品及監測資料的發布平臺，平臺的實際應用極大地提高了信息發布效率，并為今后增加發布渠道提供了擴展空間。劉東華等利用高性能計算技術、智能語音識別技術、智能語音合成、海量氣象監測與預報數據庫，提出了個性化氣象信息服務模式，設計了深圳市個性化氣象信息服務系統，同時拓寬了公眾獲取氣象信息的渠道，并可實現實時交互。謝坤、陳申鵬等結合重要天氣過程詳細分析了“深圳天氣”微博、微信等互聯網新媒體在氣象服務中的應用，對微博、微信的優勢和劣勢進行了對比分析，在發布方式方面，微博發布方式屬于點對面，對用戶沒有“非看不可”的硬性要求，信息送達率相對較低，有些信息可能會被公眾忽略，所以微博通常發布頻率很高，重大災害天氣影響期間最頻繁約1條/15 min；微信推送次數雖然受限，但屬于真實的朋友圈建立的聯絡方式，信息送達率可達100%，重要天氣過程時的一條推文創下過40多萬閱讀量的記錄。目前“深圳天氣”微博粉絲已達180多萬，微信粉絲110多萬，成為深圳氣象公共服務的叫得響品牌。

2 學科發展研究

2.1 天氣學研究

特殊的地理位置和地形地貌使深圳災害性天氣頻發，受熱帶氣旋影響頻繁，全方位探究災害性天氣特征，了解其演變規律，認識災害性天氣形勢和形成的物理機制，是準確把握災害性天氣形勢、做好災害性天氣預報的基礎前提。張蕾等利用深圳機場跑道兩端氣象觀測資料，針對颮線、強對流、連續暴雨和冷空氣等典型災害性天氣過程，分析了不同天氣條件下水平梯度變化特征。謝坤等對熱帶氣旋海高斯登陸后重新加強并導致深圳暴雨的情況進行分析，分析表明，弱冷空氣擴散南下，“海高斯”變性加強，且GPS/MET大氣水汽含量變化和強降水具有一定的對應關系，強對流發生前的快速增加過程，對強對流天氣預報具有指示意義。謝小敏等對30年的前汛期西風帶大暴雨期間的500、850 hPa和地面環流形勢進行分析，發現深圳市前汛期有77%的大暴雨過程由西風帶系統引起。2012年，胡娟等通過近40年深圳出現的臺風、暴雨等災害性天氣過程的環流特征，構建了深圳市重大災害性天氣的概念模型和指標體系，并研發了基于Web網頁的各類災害天氣過程概念模型查詢系統，對提高預報準確率、做好城市防災減災具有重要意義。2014年，Li等結合探空資料、鐵塔資料、利用CFD（計算流體力學）模擬分析了臺風莫拉菲登陸期間深圳東部山地的風場精細結構，為深圳強風致災等問題的研究提供了新的技術手段。為進一步了解珠三角地區重大短時強降水發生的環境特征，2016年，陳元昭等利用珠三角地區自動氣象站資料、探空資料、衛星資料研究了7年間68個重大短時強降水事件的環境流型和關鍵物理參數，結果表明，珠三角地區重大短時強降水天氣流型主要有臺風型、西南季風型、北部灣低壓型、冷切變線型和熱帶云團型5種，將不同流型配置方法、重大短時強降水對應的關鍵環境參數以及根據箱線圖展示的參數范圍設定適宜的閾值方法相結合，為珠三角地區顯著強降水的預報改進提供了重要參考。

2.2 城市氣候研究

深圳自1980年成立經濟特區后，人口、GDP及城市建成區面積都快速增加，其城市化進程的速度之快在全世界范圍內都極為罕見。然而，快速城市化對深圳的氣候造成了顯著影響。早期，張小麗等對新時段的氣候要素平均值的演變特征進行了分析，指出新的氣候平均值出現了氣溫上升、雨量增加、濕度下降和日照減少等特點；張恩潔等的分析表明，近50年間深圳增溫速率為0.034 ℃/a，明顯高于全國水平。王博等在張小麗、張恩潔等研究基礎上，分析了不同年代的氣候要素平均值的變化趨勢，并進一步指出了深圳的氣候存在著夏季延長，秋、冬季漸短及雷雨影響時段略有延長的事實。李輝等利用56年來對深圳造成風雨影響的熱帶氣旋特征進行分析，結果表明，影響深圳的熱帶氣旋年內變化呈單峰型分布，其中8月出現對深圳造成嚴重影響的熱帶氣旋概率最大。

隨著深圳探測數據的不斷積累，關于深圳城市氣候特征的研究也不斷深入。張立杰等利用自動站氣溫觀測資料，對深圳的城市熱島現象進行了研究，發現深圳的近地層氣溫分布是海陸作用疊加城市熱島效應形成的結果。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 個自動氣象站的資料，所反映出的近地層氣溫空間結構與衛星遙感資料具有非常好的一致性。李磊等對深圳快速城市化的氣候效應及物理機制展開分析，在得出城市化造成高溫日數顯著增多、夜間變得更為炎熱、相對濕度顯著降低以及短歷時降水強度增加等局地變化結論的基礎上，從發展戰略和規劃層面對城市發展提出可針對性采取一定措施，從而保護和調節城市氣候，例如：海綿城市建設、低碳發展戰略、自然通風規劃等。

2.3 大氣環境研究

隨著城市化的快速發展，大氣環境也受到嚴重影響，開展大氣環境研究，分析灰霾、臭氧等典型污染特征及成因，對城市大氣環境治理和改善具有重要的參考意義。王明潔等在大運會（26屆世界大學生運動會）召開前夕，對大運會即將召開時段深圳重度灰霾天氣特征及環流形勢進行分析，研究了可能造成該時段重度灰霾天氣的主要原因以及發生重度灰霾的可能性，為做好大運氣象服務保障工作提供科學支撐。楊琳等研究了深圳地區灰霾分布特征、預報預警方法，建立了灰霾預警預報模型，檢驗表明，該模型具有一定的可靠性，為灰霾防治和預警系統的建立提供了科學依據。張麗等利用深圳國家基本氣象站觀測數據和竹子林大氣成分站顆粒物、污染氣體的濃度資料，對典型灰霾過程粒子濃度的日變化特征進行對比分析，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化的觀測資料對深圳不同季節灰霾的污染特征進行研究分析表明，約80%的中重度灰霾出現在風速小于2 m/s和相對濕度在70%～90%情況下。2017年，梁碧玲等利用3年深圳國家基本氣象站的觀測資料和11個國家級環境監測點的臭氧數據，對其污染特征及氣象條件進行了分析，分析結果為深圳地區臭氧污染監測預報和進一步深入研究臭氧污染機理提供了參考。

3 小結

過去的10年，深圳氣象無論在臨近預報、數值預報以及氣象服務方法還是在天氣學、城市氣候和大氣環境等學科發展研究方面都取得了較為豐碩的成果。

未來，隨著臨近預報技術和數值預報方法越來越成熟，預報預警越來越精細和精準，以及決策部門和公眾對氣象服務的需求越來越高，如何提高服務效率和信息發布的精準度，做到將合適的信息發送給合適的接收者，均值得在業務服務中不斷實踐、應用和分析研究。在基礎研究領域，隨著氣象探測網絡的進一步完善，探測資料質量日益提高，有助于對典型天氣過程的特征進行更為深入和精細化分析，而關于城市氣候、大氣環境變遷后的物理、化學機制和社會經濟機制的大量科學問題將可能得到進一步研究和解決，從而對建設更安全和可持續發展的深圳有一定的促進作用。

致謝：本文由“中國氣象局華南區域中心科技攻關項目（GRMC2015M05）”資助。

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