青藏高原冬春积雪变化具有显著的年际变化特征， 其对中国东部夏季降水预测具有一定指示意义。由于特殊的复杂地形， 青藏高原气象站点分布稀疏且不均匀， 再分析数据和卫星数据提供的高原积雪资料的不确定性是影响和制约积雪变化及其天气气候效应研究中的一个关键问题。本文基于青藏高原台站观测、 再分析（ERA5 和NOAA-V3）和卫星反演（MODIS雪盖以及IMS雪盖）的多源积雪资料， 采用偏差分析、 均方根误差以及相关分析等多元统计方法重点检验了多源高原积雪数据在描述积雪年际变化特征方面的不确定性。通过比较不同积雪资料的时空分布和变化特征， 以期提升多源高原积雪资料适用性的认知， 并为相关研究提供有意义的参考。分析结果表明： （1）就再分析数据给出的积雪资料而言， ERA5雪深资料相较NOAA-V3雪深， 对高原站点观测雪深的描述效果更好。除了高原中东部分站点外， ERA5雪深数据的平均偏差和平均均方根误差均较小， 而NOAA-V3雪深数据的平均偏差和均方根误差在整个高原范围内均存在一定程度的高估； （2）再分析（ERA5 和NOAA-V3）和卫星反演（MODIS雪盖以及IMS雪盖）积雪数据和高原站点雪深均在年际变化特征上具有较好的一致性； 其中ERA5再分析积雪数据与高原站点观测雪深数据在长期趋势上更为类似； 另外， 北半球雪盖与站点观测雪深的年代际变化趋势更加类似； （3）再分析资料（ERA5、 NOAA-V3）的雪深和雪盖在高原的分布存在空间差异性， 其中NOAA-V3在多雪年和少雪年的大值区都位于高原南部、 北部边缘以及高原中东部， 而ERA5的大值区主要分布在高原的中东部、 西部以及南部边缘。然而， 每种再分析数据各自的雪深和雪盖之间差异较小， 且积雪异常年份的差值分布较为一致， 无论是雪深还是雪盖， 正异常区都位于高原中部、 西部和南部边缘， 负异常区则都在高原北部； （4）三种卫星的雪盖在多雪年大值区都位于高原中东部、 南部以及西部地区。不同卫星数据在积雪异常增多年份雪盖的差值分布也较为一致， 但再分析资料体现出的高原北部边缘的负异常并未在卫星雪盖资料上体现出来， 此结果可能与卫星反演积雪数据的涵盖时间短以及处理方式不同有关。
青藏高原地形复杂且气候恶劣， 对高原空投伞降和航空安全是巨大的挑战； 本文基于数值模拟方法， 研究一套适用于高原复杂地形的风场精确模拟方法。本研究首先基于WRF（Weather Research and Forecasting）模式的大涡模拟LES（Large Eddy Simulation）方案， 研究青藏高原大涡模拟方法， 构建一套降尺度至40 m水平分辨率的WRF-LES系统。然后， 基于青藏高原大风个例， 通过敏感性试验研究， 评估LES方案和地形高程数据对风场模拟影响。其外， 对LES方案的标准亚格子湍流应力模型中参数进行分析， 得到青藏高原风场模拟的最优方案组。最后， 进行批量试验， 检验该方案对高原风场模拟的适用性。试验结果表明： （1）40 m分辨率的WRF-LES系统可模拟得到更精细和准确的风场信息， 模拟风速平均绝对误差MAE（Mean Absolute Error）较ACM2方案减小1.4 m·s-1且均方根误差RMSE（Root Mean Square Error）减小1.81 m·s-1； （2）高精度地形资料ASTER的接入可以改善模式对风场模拟的效果， 各项误差较模式默认地形模拟结果均存在约0.2 m·s-1的改善； （3）LES方案采用基于1.5阶湍流动能方案且常数项系数为0.1时模拟效果最佳， MAE为1.56 m·s-1且RMSE为2.06 m·s-1。批量试验验证了大涡模拟方案对于青藏高原边界层风场模拟具有较强的适用性， 40 m分辨率区域风场模拟效果明显优于中尺度模拟效果， 可为高原空投伞降提供准确的风场信息。
陆面模式中的土壤如何分层至关重要， 一般情况下认为在受大气—地面界面影响较大的土壤表层应该细分， 土壤越往深层， 土壤层厚度的分层可以相应加大。已有研究表明： 在不同天气和气候积分条件下， 土壤厚度在根带以下， 其对模拟结果有不同的影响。这表示根据不同的研究要求， 应当改变土壤的分层方式。然而什么是陆面模式中的最优土壤分层方式仍不确定。因此本文主要利用BCC_AVIM陆面模式探究不同土壤垂直离散化方案对于土壤水热属性， 表面辐射通量与感热、 潜热通量模拟的敏感性， 从而达到提升模式模拟效果的目的。BCC_AVIM陆面模式中原土壤分层方案为10层， 将土壤各层的节点深度， 土壤层厚度以及土壤各层的界面深度进行插值， 由原来的10层土壤层插值到20层， 在本文中称为方案一； 参考模式CLM5.0中的土壤垂直离散化方案并改进到BCC_AVIM陆面模式中， 原土壤层次也由10层增加到20层， 为本文的方案二。将改进后的方案一和方案二与原方案结果对比分析发现： （1）方案一和方案二对土壤温度的模拟与实测数据更吻合， 对于各层土壤温度的数值大小与变化趋势的模拟效果有所提升， 其中方案一对浅层土壤温度的模拟效果更好。（2）在土壤湿度的模拟上， 三种方案对浅层土壤湿度的模拟效果较好， 对深层土壤湿度的模拟效果相对较差， 其中方案一对土壤各层湿度曲线变化趋势与数值大小的模拟更加贴近实测数据。（3）方案一对土壤各层是否发生冻结或消融的时间判定更合理， 更加接近实测数据。整体上， 方案一的模拟效果最佳。由此， 得出结论： 方案一相较于原方案对土壤温、 湿度的模拟效果有所改善， 这表明在同样的土壤深度下， 更密集更细致的土壤分层有利于提升模式对土壤水热输送的模拟能力。同时， 方案一的模拟效果总体优于方案二， 这也表明， 在相同的土壤层次下， 浅中层拥有更密集的土壤分层， 对于提升模式对土壤水热输送的模拟能力有一定的积极影响。
选取1961 -2020年中国西北地区东部154个气象站7月降水、 NCEP/NCAR大气再分析及北极海冰资料， 利用SVD分解等统计诊断方法， 分析了北极关键区海冰对西北地区东部主汛期7月降水主要模态分布型的可能影响途径。结果表明： 影响西北地区东部7月降水异常分布型主要有两种海冰模态， 一种是当巴伦支海、 千岛群岛海域海冰密集度偏小（大）， 戴维斯海峡海冰密集度偏大（小）时， 激发从戴维斯海峡向东南以及从鄂霍次克海向西南方向传播的波列， 使得我国西北地区东部上空500 hPa位势高度场距平为“西高东低”（“西低东高”）的分布， 造成区域降水异常为“一致偏少（多）”分布型； 另一种当波弗特海东海域海冰密集度偏小时， 激发从里海东传至鄂霍次克海的波列以及配合我国华南上空的正位势高度异常， 使得冷空气路径偏东、 偏南以及西太平洋副热带高压偏强， 造成研究区降水异常为“北少南多”分布型， 反之为“北多南少”分布型。利用“SVD投影法”建立的海冰关键区因子预测模型， 其对西北地区东部主汛期7月的降水距平符号的把握及空间分布型具有一定的预测能力， 尤其对“区域一致少型”和“北多南少型”的预测效果较好。
甘肃河东地区短时强降水易致灾， 预报预警难度大。利用2010 -2021年夏季加密观测站逐小时降水资料和NCEP/NCAR再分析资料， 筛选出甘肃河东50次区域性短时强降水天气过程， 基于这些天气过程的500 hPa位势高度距平场， 使用K均值客观聚类分析和主观天气学检验相结合的方法进行天气尺度环流形势分类， 并通过合成分析和中尺度对流天气环境场条件分析方法构建不同类型的天气尺度系统配置概念模型。结果表明： （1）甘肃河东区域性短时强降水的天气尺度环流形势可分为高原槽东移型、 副高边缘西南气流型、 两高切变型和西北气流型四类。（2）副高边缘西南气流型引发的区域性短时强降水次数最多， 两高切变型和高原槽东移型发生频率相当， 西北气流型发生次数最少。（3）四种类型的环流形势在天气系统配置、 抬升条件、 水汽条件和不稳定条件等方面存在显著差异。高原槽东移型、 副高边缘西南气流型、 两高切变型三种类型发生时西太平洋副热带高压（以下简称西太副高）所处的位置逐渐向西向北推进， 水汽条件和不稳定条件逐渐趋好， 当高空槽引导冷空气东移南下， 斜压锋生形成大范围短时强降水。高原槽东移型抬升条件最好， 短时强降水落区偏南； 两高切变型冷空气偏北且主要由对流层低层侵入， 短时强降水落区偏北； 副高边缘西南气流型冷暖气团交汇最剧烈， 斜压锋生最强， 短时强降水范围及强度也更大。西北气流型的动力条件和水汽条件是四类中最差的， 但强烈的中高层干冷平流叠加低层暖湿气流或温度暖脊形成了四类中最好的不稳定条件， 短时强降水落区较分散。
基于陕西省99个国家站1979 -2021年夏季逐日降水资料和ERA5再分析数据， 研究了陕西省夏季极端降水的时空变化以及相应的大尺度环流特征， 并对全省典型地区进行水汽追踪分析。结果表明， 陕西省夏季极端降水总体呈现出南多北少的空间分布， 陕北中部、 关中中东部极端降水为增加的趋势， 通过REOF分析并计算得到陕北、 关中极端降水变化趋势分别为0.36 mm·a-1， 0.35 mm·a-1， 陕南极端降水变化趋势最小为0.11 mm·a-1。夏季影响陕西省的水汽来源主要有三支路径， 北支水汽来自欧亚中高纬地区， 东支水汽主要来自内陆的江河流域， 南支水汽主要来自南海和孟加拉湾。此外， 陕西省夏季极端降水在2005年后增多是大气高、 中、 低层大气环流共同作用的结果， 大气高层辐散增强有利于上升运动， 大气中层西太平洋副热带高压（以下简称， 西太副高）西伸北抬造成外围水汽更容易进入内陆， 蒙古反气旋南侧的异常东风和低层的异常东南风更有利于水汽进一步向西北地区输送。
利用FNL（Final Reanalysis Data）、 ERA5（ECMWF Reanalysis V5）再分析资料和GPM（Global Precipitation Measurement）全球逐半小时降水数据， 选取我国西南高原地区一次强降水过程， 研究了对流尺度集合预报中两种初始扰动方法BGM（Breeding Growth Mode）和LBGM法（Local Breeding Growth Mode）对复杂地形强降水的预报能力。基于对象诊断的MODE（Method for Object-Based Diagnostic Evaluation）方法评估了模式对降水对象的位置、 结构、 强度的模拟能力， 并与TS（Threat Score）等评分方法进行对比分析， 综合评估模式预报性能， 表明： （1）基于BGM和LBGM法生成初始扰动的集合预报系统BGM-EPS和LBGM-EPS， 集合平均预报对24 h各个量级降水评分均优于控制预报， 且暴雨的TS评分LBGM-EPS优于BGM-EPS； （2）整体上， WRF模式能够较好捕获降水对象， 尤其是对于高原山地复杂地形的降水预报效果很好， LBGM-EPS在降水目标的整体相似度表现上优于BGM-EPS， 且从扰动总能量随预报时间的演变中能看出LBGM较BGM扰动总能量更大， 更能代表预报误差的增长， 突出LBGM方法在对流尺度集合预报中表示强对流能力的优势； （3）与传统TS评分等检验方法相比， MODE法更能反映降水预报的空间位置信息， 在卷积半径和降水阈值相同情况下， 基于LBGM方法的集合平均预报识别降水对象的效果更佳。
可靠的降水资料对理解青藏高原水量平衡和水循环过程尤为重要。IMERG（Integrated Multi-satellitE Retrievals for Global Precipitation Measurement）是新一代卫星降水产品，具有更广的覆盖范围与更高的时空分辨率，但在高原复杂地形条件下仍然存在较大的不确定性。鉴于此， 本研究应用Delta分位数映射法（Quantile Delta Mapping， QDM）， 对IMERG日降水数据进行偏差订正， 使用2001 -2010年的中国区域地面气象要素数据集（China Meteorological Forcing Dataset， CMFD）降水数据和IMERG日降水产品分季节建立传递函数， 对2011 -2014年的IMERG逐日降水进行订正。研究结果表明： （1）Delta分位数映射法能够有效订正IMERG的降水频率、 数值和空间分布， 对极端降水和负偏差较大区域的订正效果更为明显。订正后的IMERG降水概率分布更加接近观测概率分布， 降水偏差也更符合正态分布， 改进了对全年和季节降水空间分布的刻画， 提高了月降水的精度。（2）订正后日降水量均方根误差由1.49 mm·d-1降低到1.26 mm·d-1， 精度提高了15.44%； 订正后的日降水在不同降水量级的临界成功指数CSI、 命中率POD、 误报率FAR、 准确率Precision和F评分Fscore均有提高， 降低了微量和暴量降水的空报率。（3）对极端降水的订正效果显著， 降水强度SDII以及极强降水量R95p和R99p的均值更接近观测值； 有效提高了对极端降水空间分布的表征， 极端降水偏差从30%以上降低到5%以内； SDII、 R95p和R99p的均方根误差从1.59 mm·d-1、 6.54 mm·d-1、 14.89 mm·d-1降为0.65 mm·d-1、 3.01 mm·d-1、 8.99 mm·d-1， 精度分别提高了59.12%、 53.98%和39.62%。本研究验证了Delta分位数映射法在青藏高原的适用性， 有利于为青藏高原气象和水文研究获取更精确的降水数据。
利用多源实况观测资料以及ERA5再分析资料对2010 -2022年夏季（6 -8月）广西暖区暴雨个例中伴随大气河的特征进行统计分析， 并基于波作用通量、 水平锋生以及非绝热加热诊断等， 从热力、 动力角度分析了2022年6月2 -4日大气河背景下广西典型暖区暴雨过程。结果表明： （1）绝大多数暖区暴雨个例伴随大气河。当大气河通过广西区域并维持在约1000 kg·m-1·s-1以下时， 大气河强度增强有利于暖区暴雨降水强度增强。大多数个例中大气河呈西南-东北向， 在经过广西时方向角在15°~65°。（2）典型个例中东西伯利亚阻塞高压和东北冷涡异常活跃， 造成副高总体被压制， 位置偏南， 使得大气河维持在孟加拉湾-南海-华南-北热带太平洋一带， 为暖区暴雨发生发展提供充足水汽。副高维持而低涡东移造成的气压梯度增大以及夜间季风气流加速共同作用使得局地大气河增强。（3）大气河夜间增强促进了局地水汽辐合及垂直输送使得湿层不断增厚， 大气可降水量增大， 有利于降水效率增大。同时， 持续的暖湿输送有利于低层不稳定层结的建立和维持， 使大气对流不稳定结构贯穿整个降水过程。（4）山脉地形的辐合抬升、 侧向摩擦促进了上升运动、 垂直涡度发展， 一方面有利于山前堆积的暖湿空气被迫抬升而触发对流， 另一方面有利于对流系统维持， 造成更多水汽凝结致雨。此外， 暖湿空气堆积产生持续的锋生强迫也有利于降水维持和增强。（5）大气河影响下的强上升造成大量水汽不断凝结释放潜热， 大气受热后又加强了上升运动， 在该正反馈机制下对流持续发展增强。
产生极端灾害性大风的飑线对水电站安全至关重要。本文以2016年6月4日金沙江下游白鹤滩水电站峡谷产生13级大风的飑线为例， 从天气系统和中小尺度上讨论其形成机制。获得以下结论： （1）飑线到达前， 受飑前低压影响水电站气压稳降了9 hPa， 气温上升超过14 ℃。飑线到达时受雷暴高压作用1 h内气压陡升10 hPa， 气温骤降超过10 ℃， 相对湿度陡增到70%， 伴随短时降水发生。飑线过境后以上要素恢复到原值。（2）天气尺度环流的分析发现， 飑线当天水电站在高空急流入口右侧辐散和低空西南涡南侧切变辐合的耦合作用下， 次级环流的上升运动为飑线深对流提供了环境背景。飑线前中高层干冷平流叠加在中低层暖湿平流上， 加上低空强烈升温增加了气温直减率， 积累了对流发展的静力和对流不稳定， 为飑线长生命提供了有利环境条件。垂直风速显示峡谷的上空下沉运动增强了动量下传， 促进飑线前侧的抬升， 正反馈作用下促进风暴稳定发展。（3）昭通雷达探测表明， 飑线中30 dBZ以上多单体紧密聚合成带状回波， 镶嵌着超过10 km高度柱状发展的50 dBZ以上强回波核。径向速度场上， 垂直于峡谷的中尺度辐合线与带状强回波吻合， 是飑线的触发机制， 对应深厚的中层径向辐合MARC（Mid-Altitude Radial Convergence）特征。在云体剖面结构上， 飑线前强上升运动形成穹窿， 飑线到达时高悬的回波核快速下降， 形成下击暴流， 并诱发顺着河谷的新单体生成， 改变了飑线走向， 形成顺着的峡谷的极端大风。
2020年9月11日辽东半岛南部发生了一次强对流天气， 并出现了湿下击暴流， 大连金州得胜站地面最大阵风达到21.7 m·s-1。本文利用常规气象资料、 大连多普勒天气雷达资料、 欧洲中期天气预报中心第5代全球再分析资料和高分辨率中尺度数值模拟资料， 对此次湿下击暴流天气过程的环流背景、 对流风暴发生发展环境及其回波特征等进行分析。结果表明： （1）此次强对流天气发生在北上台风变性形成的高空冷涡东部西南风与东南风的切变线上， 地面辐合线和低空急流是触发初始对流的直接系统， 初始对流在高空辐散耦合作用下发展加强； 对流系统西移登陆至地面冷池与其东部暖空气之间形成锋生带上， 辐合抬升作用加强， 促使对流系统组织化程度更高、 强度更强。（2）高温、 高湿、 对流不稳定层结是对流系统发生发展的有利环境条件。强对流发生前， 探空曲线“上干下湿”、 呈“V”型分布， 抬升凝结高度明显下降； 湿下击暴流发生时， 径向速度垂直分布为中层径向辐合、 低层辐散； 瞬时大风出现前后， 大连多普勒天气雷达在高、 低仰角均探测到超过45 dBZ强反射率因子缺口， 高仰角强反射率因子缺口先于低仰角出现， 通过监测高仰角强反射率因子的变化， 对湿下击暴流有一定的预警作用。
水电是重庆重要的产电形式之一， 研究重庆水电流域夏季降水的强弱和分布对做好夏季电力气象保障服务具有重要意义， 目前的研究主要聚焦于西南地区或四川盆地， 较少以水电流域为单位进行研究， 对做好精细化的电力气象服务参考作用有限。本文利用1981 -2022年重庆水电流域115个气象观测站点降水数据、 ERA5再分析资料， 通过EOF分析、 回归分析、 合成分析等方法， 对重庆水电流域夏季降水模态和成因进行了分析， 并进一步探究了各模态水汽输送特征。结果表明： 重庆水电流域夏季降水主要有全区一致型和南北反向型两个模态， 全区一致型中一致偏多型环流特征主要表现为中高纬高度场波动振幅较大， 中纬度西风急流偏强、 偏南， 中低纬南亚高压偏强、 偏南， 西太平洋副热带高压偏西， 同时流域内配合有异常的西南水汽输送和水汽辐合， 一致偏少型则与之相反， 此外， 影响全区一致型的水汽通道共有4条， 分别为孟加拉湾西部南风通道、 中南半岛北部的南风通道、 高原东侧的西风通道、 菲律宾以西的东风通道， 其中以菲律宾以西的东风通道影响最为显著； 南北反向型中北多南少型环流特征主要表现为中高纬高度场西高东低， 中纬度西风急流偏北， 中低纬南亚高压表现为东部型， 西太平洋副热带高压容易西伸、 北跳， 同时流域内配合有较强的向北输送的水汽通量， 且北部有水汽辐合、 南部有水汽辐散， 南多北少型则与之相反， 此外， 影响南北反向型的水汽通道共有2条， 分别为流域中部南风通道和菲律宾东部南风通道， 且二者表现出一致变化的特征。
大气逆温在气象研究和空气质量研究中有非常重要的意义。本研究采用2011 -2020年ERA5逐时温度廓线数据分析西北、 华北、 东北、 西南、 华东、 华南六个地区的低空大气逆温特征。从日变化来看， 逆温频率、 逆温强度多在07:00（北京时， 下同）达到最大， 最高分别可达70%和2 ℃左右， 逆温厚度多在11:00 -18:00达到最大值。从月变化上看， 站点逆温特征均在1 -2月和12月达到最大值， 6 -8月达到最小值， 部分站点1月逆温频率最高可到90%， 逆温强度可达3 ℃以上， 逆温厚度整体多集中在200~400 m。从年变化上看， 多数站点逆温特征变化较小， 逆温频率、 逆温强度、 逆温厚度年份波动分别约在10%、 0.4 ℃、 60 m之间， 东北各站点逆温特征总体呈下降趋势， 华东、 华南各站点逆温特征总体无明显上升或下降趋势。逆温特征在时间上的差异多与地面辐射冷却和天气气候相关。从空间分布来看， 东北、 华东和华南临海地区， 受海洋上空环流所带来的暖空气影响， 逆温更易于形成， 逆温频率区域均值（分别为44.5%、 48.7%、 48.65%）总体高于西北（23.4%）、 西南（13.4%）和华北地区（21.84%）。西北、 华东及华南沿海地区逆温强度最大， 厚度最厚， 逆温强度和厚度整体在1.5 ℃和300 m以上， 西南地区环境潮湿多云不利于形成逆温层， 逆温强度和厚度最小。本研究可为后续探究我国不同地区大气污染物在垂直方向上的累积和扩散提供科学参考。
利用站点资料和高分辨率再分析资料， 对2022年西北干旱区夏季一次持续性高温天气进行诊断分析， 并对高温的贡献因子作定量估计。研究结果表明： （1）研究区内高温达2092个站次， 主要分布在西北干旱区偏北区域， 其中108个站最高温突破近40年历史极值， 98个站高温持续日数超过10天， 均属历史罕见。（2）此次高温过程影响范围广， 持续时间长。高温持续期， 南亚高压中心位置较同期偏北， 强度较同期偏强。过程前期受中高层暖脊影响， 在过渡期暖脊东移， 大陆高压逐渐东伸， 后期大陆高压发展强盛， 并向东延伸与西伸的西太平洋副热带高压（以下简称西太副高）相互连通， 影响西北区大部分区域。西北区境内水汽辐散偏强， 不易形成降水， 同时下沉气流异常偏强， 高层空气下沉增温， 有利于高温天气的发展与维持。（3）无论是过程前期还是后期， 温度平流项在升温过程中贡献较小， 而垂直输送项和非绝热加热项均是影响极端高温天气的关键因子， 从影响因子类别角度， 过程前期以动力因子贡献为主， 形成稳定热穹顶后， 在过程后期以热力贡献占主导地位。
基于2020 -2021年的中国气象局（CMA）陆面数据同化系统（CLDAS）逐小时地面气温（T2m）产品， 融合CMA上海快速更新循环数值预报（CMA-SH3）的T2m预报数据， 构建深度学习语义分割模型（MT-Cunet）， 实现逐小时滚动更新的24 h T2m网格预报， 并对2022年预报结果进行了检验评估。结果表明， 在研究范围内， MT-Cunet在3~9 h时效订正效果最好， 平均MAE和平均RMSE分别降低42.4%、 40.89%； 10~24 h时效的订正效果较好， 平均MAE和平均RMSE分别下降26.7%、 26.3%。低温（≤0 ℃）和高温（≥35 ℃）事件检验评估表明， MT-Cunet在高温预报整体表现为正偏差， 而低温整体为负偏差， 但误差幅度远低于CMA-SH3； 空间尺度上， MT-Cunet能较大幅度减少复杂地形下的T2m预报误差， 降低CMA-SH3的MAE离散度， 使预报误差分布较为稳定。通过对2022年2月和3月的区域性增温、 寒潮过程分别进行检验评估发现， MT-Cunet能较好预报出增（降）温转折时间和增（降）温幅度。在增温和寒潮过程中， MT-Cunet的MAE比CMA-SH3分别降低28.9%和33.8%， 表明MT-Cunet模型在转折性天气过程中同样具有较好的预报能力。因此， 利用可以快速增加预报样本数量的快速更新循环数值预报， 经过语义分割深度学习模型客观方法订正， 就能较大幅度降低数值模式预报误差， 解决常规数值预报由于数据量太少， 深度学习训练效果较差的问题， 这对充分利用国产模式资源， 更广泛地开展国产模式后处理和应用提出了一个新的思路。
本研究运用多尺度变换和摄动法简化正压准地转涡度方程， 分析了西风流场切变对具有非线性Shr?dinger孤子特征的包络Rossby孤立波的影响， 并分析了具有这类波形的西风流场的拓扑结构。结果表明： （1）西风流场切变存在一临界值， 当切变小于这个临界值时， 流场的拓扑结构无奇异点， 只有退化的中心结构， 对应的西风流场为纬向流场； 大于这个临界值时， 流场的拓扑结构存在奇异点， 西风流场则有涡旋产生。（2）流场奇异点出现位置不同， 西风流场呈现不同的涡旋流型， 当奇异点仅出现在系统的北部时， 则西风流场呈Ω型阻塞流场； 当奇异点仅出现系统的南部时， 则西风流场呈倒Ω型切断流场； 当奇异点在南北部均出现时， 则西风流场呈偶极子型阻塞流场。（3）倒Ω型流场和偶极子型阻塞流场中， 均有切断低压出现， 如果切断低压在乌拉尔山附近形成， 向下游运动到我国东北地区， 则为东北冷涡。研究从东北冷涡的源头阻塞形势为切入点， 结合阻塞的全局思想与局地特征， 探讨东北冷涡的形成机制， 深化了对东北冷涡形成的认识。
基于祁连山排露沟流域2020 -2021年生长季不同海拔段土壤温湿度及气象数据， 分析土壤温湿度变化特征以及与气象要素的响应关系， 确定影响土壤温湿度的主要气象要素。结果表明： （1）生长季土壤温度表现为先升高后降低的趋势（2020年）， 其中5 -8月土壤温度逐渐升高（3.93 ℃）， 9 -10月逐渐降低（2.44 ℃）， 同时随着海拔升高土壤温度呈波动性升高， 随土层加深土壤温度逐渐降低。（2）土壤湿度具有明显的生长季内变化， 整体表现为先升高后降低的趋势（2020年）， 5月份土壤湿度最低（0.164 m3·m-3）， 9月份土壤湿度最高（0.318 m3·m-3）。（3）土壤湿度随着海拔升高呈波动性增加， 随土层深度增加整体呈逐渐降低的趋势。（4）影响土壤温度主要气象要素为空气温度和空气相对湿度， 而土壤湿度主要受空气温度和饱和水汽压差的影响。
热力作用对河西走廊沙尘源地的起沙过程和沙尘垂直输送具有重要影响， 是该地区沙尘暴预报需要考虑的关键因子。为了揭示热力作用对河西走廊冷锋型沙尘暴强度的影响， 本文利用ERA5逐时再分析资料和常规气象观测资料， 针对发生在河西走廊春季不同强度冷锋型沙尘暴过程， 在有利的大气环流形势背景分析基础上， 重点诊断分析了边界层气温、 锋生函数和地表热通量等热力机制的异同。结果表明： （1）区域冷锋型沙尘暴强度除受高低空风速影响外， 其高空到地面冷暖空气强度和位置， 地面热低压中心强度及冷锋过境时间等起着重要作用； （2）午后地表感热通量及其09:00 -14:00（北京时）感热通量增幅越大， 沙尘暴强度越强， 一般、 强和特强沙尘暴区感热通量最大值（增幅）分别为367（307） W·m-2、 417（360） W·m-2和460（380） W·m-2； （3）沙尘暴强度随边界层1.5 km以下爆发前一天增温和爆发前后一天升（降）温差增大而增强， 一般、 强和特强沙尘暴升温（升降温差）分别为2.9（-16.5） ℃、 4.9（-17.0） ℃和7.9（-22.8） ℃； （4）锋生强度越强或者锋生高度越高， 沙尘暴越强， 一般、 强和特强沙尘暴锋生强度分别为208×10-10、 477×10-10和588×10-10 K·m-1·s-1， 锋生高度分别为767、 686和450 hPa。本文研究结果对河西走廊沙尘暴发生发展的陆面热力特征有一定科学认识， 为有效提高沙尘暴预报预警准确率提供新的思路和技术方法。
沙尘气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分， 其通过辐射效应和对云的形成及降水过程影响全球天气和气候变化， 而尘卷风对全球沙尘气溶胶排放的贡献不容忽视。青藏高原北部的柴达木沙漠为高原尘卷风的发生提供了沙源。为研究柴达木盆地尘卷风的发生条件及其时空特征， 本文利用1991 -2020年ERA5再分析资料评估了尘卷风发生的热力学阈值， 分析青藏高原尘卷风发生时数（PDDPhours）和柴达木盆地尘卷风起沙量的时空分布特征， 探究了1991 -2020年近地面温度递减率（LR）、 对流比（w* /u *）和PDDPhours的变化趋势。利用2016 -2020年德令哈国家基本气象站的地面降水数据、 德令哈空气质量监测站的细颗粒物PM2.5和PM10数据以及Aura卫星臭氧监测仪的紫外吸收性气溶胶指数（UVAI）数据， 分析柴达木盆地夏季尘卷风对PM2.5和PM10的可能贡献。结果表明， w* /u *和LR是影响尘卷风形成的关键因素， 不同热力条件下PDDPhours均具有单峰日变化特征， 在12:00 -16:00（北京时）达到峰值。结合柴达木盆地PDDPhours累计贡献的日变化特征， 确定尘卷风发生的热力学阈值是w* /u *>5和LR>10 K·m-1。分析表明， 青藏高原夏季北部的柴达木盆地和西南部PDDPhours较大。柴达木盆地夏季尘卷风的起沙量最大， 起沙范围也较大， 平均起沙量可达1.28×105 t， 占全年平均起沙量的69.8%。1991 -2020年柴达木盆地LR呈现明显的减小趋势， w* /u *呈增加趋势， 导致PDDPhours有明显的减小趋势。虽然夏季德令哈降水明显较其他季节多， 但夏季UVAI较大， 说明夏季除沙尘暴外尘卷风可能对该地区PM2.5和PM10有重要贡献。
为解决大气输送仿真中保形、 正定及计算效率等问题， 本研究发展了基于水平-多矩有限体积/垂直-有限差分混合格式和显式成对龙格-库塔方法的高效、 高保真平流方程时空离散方案。为去除高阶算法在间断分布附近产生的数值振荡， 平流方案在水平和垂直方向分别使用了基于加权本质无振荡（weighted essentially non-oscillatory， WENO）和总变差减小（total variation diminishing， TVD）方法的斜率限制器。在时间积分中， 算法使用了二阶成对显式龙格-库塔方法， 通过在垂直方向增加内循环中空间离散调用次数增大求解器可用CFL数。成对龙格-库塔时间积分方法能有效缓解大气模式垂直小网格距对积分时间步长的限制， 使水平、 垂直方向稳定性条件允许的最大时间步长尽可能接近， 从而改善模式计算效率。论文中还设计了可用于库朗（Courant-Friedrichs-Lewy， CFL）数大于1情形的迭代正定修正算法， 能保证平流方程计算结果严格非负。本文采用二维标准算例对所提出的平流方程算法进行了测试和比较分析。数值试验结果表明： 本文提出的算法为解决高分辨、 可扩展非静力大气模式中平流输送高保真计算难题提供了一条有效途径。
