华北地区日间和夜间强降水过程的环境条件特征异同尚未完全明确。利用经质量控制的981个地面加密气象站降水观测数据和ERA5再分析资料，综合分析了2013—2023年5—9月华北地区日间型和夜间型强降水过程的时、空分布特征和环境条件的异同，并利用倾斜旋转T模态主成分分析方法对这两类强降水过程分别进行了环流形势分类，从而对比分析各类环流形势的相应环境物理量分布特征，为加深对华北夜间强降水形成机制认识提供依据。结果表明：华北地区夜间型强降水过程午夜后加强特征突出、过程数多、站点分布集中，而夜间型过程的前半夜降水和日间型过程对流性更强，二者都主要发生在7和8月。夜间型强降水过程水汽条件显著好于日间型，而日间型对流有效位能（CAPE）强于夜间型；两类强降水过程的850和500 hPa温差、850 hPa垂直速度分布接近；降水峰值时刻前的低层风速和0—1 km风垂直切变夜间型明显强于日间型。副高边缘低槽和低涡是华北地区强降水过程的主要影响系统。不同类型环流形势的强降水环境物理量场特征分布存在差异，日间型的深槽类和夜间型的冷涡类环流形势水汽条件最差；0—6 km风垂直切变（SHR₆）和0—3 km风垂直切变（SHR₃）总体较弱，日间型强降水过程SHR₆略强于夜间型，夜间型强降水过程SHR₃略强于日间型。以上结果表明华北夜间强降水过程与东亚夏季风关系密切，具体表现为非常充沛的水汽、较高的假相当位温（θ_se）、适当的CAPE和强的大气低层风速等，而低层风场和SHR₃分布表明华北夜间强降水的主导因子之一是低空急流或强风速区的日变化。

郑州“7.20”暴雨是百年一遇的特大暴雨，持续时间长、小时降水强度大。本研究主要针对该暴雨过程瞬时降水强度特征展开边界层涡动传输对比分析，旨在探究此次小时降水极值形成过程中边界层结构特征及其作用。通过分别调整局地涡动扩散系数和逆梯度项系数，进行3组对比试验，结果显示：（1）边界层涡动传输过程对郑州特大暴雨局地1 h降水量极值有重要影响，局地涡动扩散系数减小主要使降水强度显著减弱，逆梯度项主要影响降水落区和演变过程；（2）边界层次网格尺度传输过程对产生暴雨的大尺度背景条件具有较强调制作用，调整边界层水汽和热量涡动传输过程可明显影响局地水汽供应和大气不稳定条件；（3）水汽和热量涡动传输可使水汽通量辐合及大气低层不稳定的分布、强度、时间演变发生显著变化，进而影响瞬时降水强度极值和出现时间，可能是影响本次局地强降水模拟的重要因子。

基于卫星遥感的大气污染物和温室气体排放反演研究，为全面认识这些关键大气成分来源、精准实施减排措施提供了不可或缺的信息和数据基础。中外相关研究在过去20年中有了长足的发展，中国学者做出了重要贡献，同时也对中国环境保护和碳中和事业提供了重要的科学支撑。在中国气象学会成立100周年及《气象学报》创刊100周年之际，系统梳理了中国学者近20年来在星基排放反演方面的研究进展。首先，对常用排放反演方法进行简要总结，包括资料同化、局地质量平衡、高斯模型、二维模型、机器学习等。在此基础上，展示中国学者在氮氧化物（NO_x）、氨气（NH₃）、甲醛（HCHO）、乙二醛（CHOCHO）、二氧化硫（SO₂）和一氧化碳（CO）等大气污染物，以及二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）等温室气体排放（和碳汇）反演的研究成果。最后，探讨反演方法和反演物种的历史演化进程、当前所面临的主要挑战和未来可能的发展方向，以期进一步推动大气污染物和温室气体排放的准确定量。

尽管台风路径和强度的数值预报已取得显著进展，但依然难以满足业务预报的需求。利用高分辨率中尺度数值预报模式WRF，通过不同的模式初值、起报时间和微物理参数化方案的8组组合试验，揭示模式初值对台风“利奇马”（1909）路径预报的敏感性，并将最大和最小路径误差的模拟结果作为代表性试验，构建了改进模式初值的敏感性试验，以此进一步研究不同模式初值导致台风路径预报差异的影响机制。结果表明：西太平洋副热带高压（简称副高）强度和范围的准确预报对台风路径的预报起重要作用，初始场中副高偏强将导致模式预报的副高偏强，致使台风沿副高西移、北上受阻且移速偏慢，从而导致路径预报误差显著增大。其次，台风移动路径与不同阶段台风内核结构的预报误差密切相关，而大尺度环流形势背景下的风垂直切变可能是导致这一误差的重要原因。此外，副高范围和强度偏大，台风中心附近水平风速非对称分布为对流触发提供了有利条件，进一步使得台风强度增大，是模拟台风移速偏慢的重要原因。

为获取高精度的风廓线和湍流产品，全面认识测风激光雷达应用潜力，基于径向速度和信噪比，开展了测风激光雷达5波束（DBS5）模式观测资料的质量控制算法研究。通过与铁塔上安装的三维超声风速仪观测资料对比，评估了测风激光雷达DBS5模式获取的三维风速和湍流的探测性能。结果显示，在140 m高度处，测风激光雷达具有卓越的观测精度，水平风速（WS）、垂直速度（w）、垂直速度标准差（σ_w）、摩擦速度（u_*）和平均湍流强度（TKE）的均方根误差（RMSE）分别低至0.4 m/s、0.1 m/s、0.1 m/s、0.1 m/s和0.5 m²/s²。此外，还分析了时间尺度、观测仰角和空间尺度对雷达观测精度的影响。分析发现，时间尺度的变化对其观测精度影响可以忽略不计，而观测仰角对TKE影响较大。空间尺度对w、σ_w和u_*影响较小，而对WS和TKE影响较大。研究北京晴空条件下的湍流廓线特征发现，不同时段、不同高度垂直速度功率谱均展现经典−5/3幂次律特征，但在高频区域存在白噪声，且白噪声随着探测高度的上升而增大，在边界层以上尤为显著。对低空急流的垂直湍流结构特征分析表明，低空急流期间伴有强烈的上升运动，且急流高度以下的湍流较强，急流高度及其以上的湍流大幅度减弱。研究为测风激光雷达在不同场景下的应用提供了基础支撑，揭示了北京晴空条件下的湍流廓线特征。

地面强冷池在飑线灾害大风的生成过程中具有重要作用，其模拟强度与模式内云微物理过程及边界层过程的参数设置密切相关。然而，由于参数的不确定性，目前仍无法对飑线系统实施合理的参数扰动。为提升对流尺度数值模式在飑线系统预报中的表现，基于WRF（The Weather Research and Forecasting Model）模式，针对飑线冷池模拟偏弱的问题，从云微物理过程和边界层过程等方案中选取5个关键参数进行敏感性试验。并在此基础上，对其中的敏感参数实施联合扰动，探讨该方法对江苏地区一次飑线过程模拟的影响。结果表明，调整影响蒸发作用的参数，能够显著改变对地面冷池的估计，其中反映雨滴大小对其下落速度影响的参数CONSTB和考虑雨滴下落时周围空气的流动对雨滴影响的参数VF1R对地面冷池的敏感性最强；在单参数和多参数联合扰动试验中，飑线冷区模拟的2 m气温相比对照试验低1—2℃，有效改善了冷池模拟偏弱的问题。此外，CONSTB和VF1R的联合扰动对预报的影响更显著，且其模拟的10 m最大风速最接近实况。上述结果表明，针对飑线冷池的多参数联合扰动方法不仅能够有效表征物理参数化方案中参数的不确定性，还能改进对冷池的模拟，进而提高对飑线大风的预报准确度。

2023年河西走廊中部出现了60年一遇的极端高温干旱，给当地农业生产和生态环境带来不利影响，造成严重的经济损失。利用河西走廊中部6个国家基本气象站1951—2023年逐月降水和气温资料、黑河上游莺落峡水文站黑河径流量资料、FY-3D/MERSI资料、GF-1卫星观测资料、NCEP/NCAR月平均再分析资料、国家气候中心提供的88项大气环流指数和26项海温指数，对2023年河西走廊中部高温干旱从气象、水文、生态、农业等多角度探讨了高温干旱特征及影响，重点分析了降水对大气环流和关键区海温的异常响应。结果表明：2023年5—9月河西走廊中部降水和平均气温均突破历史极值，降水量创历史新低，气温创历史新高，高温叠加降水偏少，使干旱强度明显加重，引发祁连山中段积雪面积减小45.8%，黑河年径流偏枯15%，主要水库面积减小25.8%—66.0%。干旱的传递特征是气象干旱—水文干旱—生态和农业干旱。河西走廊中部5—9月降水量存在5、11、17、32 a显著多尺度振荡，多个时间尺度显示2023年均处于偏少期。河西走廊中部干旱的异常环流特征是西太平洋副热带高压脊线偏南、西伸脊点偏东、南亚高压脊点偏东、印度低压偏弱、北半球和亚洲区极涡面积偏小、亚洲中高纬度阻塞高压偏强、欧亚地区西风环流经向度加大、Nino3区和西风漂流区海温偏高、黑潮区海温偏低。

基于英国哈得来中心提供的逐月海表温度资料、美国全球降水气候中心提供的逐月降水资料以及CMIP6历史模拟资料，探究了热带北大西洋海温异常与局地降水异常关系的季节性特征及其在有无ENSO海温强迫下的差异，并分析了可能的物理机制。结果表明，热带北大西洋海温异常和局地降水异常的关系呈现出明显的季节性差异。春、夏季，该区域海温与降水呈显著正相关，局地海-气耦合强；相对而言，秋、冬季海-气耦合弱，局地降水对海温异常几乎没有响应。进一步研究表明，这种季节性变化特征主要是由热带北大西洋气候态海温及局地海温变率的季节循环导致。春季热带北大西洋气候态海温偏低，但该季的强海温变率使海温可突破对流阈值引发降水异常；夏季偏高的气候态海温使得该区域海-气耦合活跃；尽管秋季气候态海温也偏高，但是较小的海温变率使得局地降水响应减弱，易受外界噪声干扰；冬季偏低的气候态海温导致该区域海-气耦合较弱。由于ENSO对春季热带北大西洋海温异常的显著影响，春季该区域在ENSO强迫下的局地海温异常更容易激发局地对流；而在其他季节，该区域海-气耦合程度受ENSO的影响较小。本研究的结果强调了春、夏季热带北大西洋海温异常对激发热带强对流和引起远距离气候影响的重要作用，这对短期气候预测具有重要意义。

后向传播型中尺度对流系统（Mesoscale Convective System，MCS）极易引发突发性、局地性短时强降水。为了揭示该类MCS的特征及其与强降水的联系，对浙江省2015—2021年暖季引发短时强降水的后向传播型MCS的时空分布、不同类型组织形态和环境热、动力因子进行了系统研究，结果表明，引发浙江短时强降水后向传播型MCS存在有显著的月际变化和日变化规律，主要发生在6和7月，且分别以最大小时雨量30和50 mm为主。MCS主要形成在11—14时（北京时，下同），尤其12—13时形成的最多。绝大多数MCS的持续时长≤12 h，其中持续10 h的数量最多。后向传播开始的时间呈准双峰型，较MCS生成的主要时间晚2—3 h。近90%的个例最大小时雨量出现时间在后向传播开始之后0—2.5 h内。根据对流系统组织的演变特征，短时强降水后向传播型MCS分为平流型、准静止型、转向型和传播型4种，约42%发生在弱天气尺度系统强迫下。后向传播型MCS常发生在中等能量、高湿、具有一定风垂直切变的热、动力环境中，但不同组织类型的环境因子存在一定差异。准静止型MCS占比最高（44.7%），其环境场动力特征较显著，具有较强的大气层结不稳定、较强的引导气流和中低层风垂直切变，产生的平均最大小时雨强相对较弱（中位数为50 mm/h）；而传播型MCS（占比约17%）的环境场热力特征较明显，表现为较大的对流有效位能（CAPE）和整层可降水量（PW），造成的平均最大小时雨强最强（中位数达70 mm/h）。

气-浪相互作用是海-气交互面重要的动力学过程。海表空气动力粗糙度是气-浪相互作用的关键变量。旨在构建气-浪耦合系统并初步探索海浪模式提供的海表空气动力粗糙度对天气、气候模拟的影响。研究依托ESMF/NUOPC地球系统耦合框架，基于全球-区域一体化预测系统（GRIST）和海浪模式（WW3），发展了GRIST-WW3气-浪耦合模式系统。耦合系统中由大气模式提供海表10 m风场驱动海浪模式运行，根据海浪模式反馈的波浪参数计算海表粗糙度并导入大气模式。模拟结果表明，GRIST-WW3气-浪耦合模式系统能够保证大气和海浪模式的准确数据交换和高效运行，可再现和观测较为一致的海表风场和有效波高的空间分布。在南半球西风带和台风附近等高风速区域，GRIST模式模拟的10 m风速和有效波高相对ERA5再分析数据偏高。引入气-浪双向耦合过程显著提高了海表粗糙度的平均值和离散度，可减小高风速区域的模拟误差。在台风“烟花”个例的模拟试验中，气-浪耦合对台风中心最低气压的影响较小，对台风路径和10 m最大风速的模拟有一定优化效果。海表粗糙度参数化方案显著影响气-浪耦合模式系统在高风速区域的模拟准确性，方案后续优化应基于模式偏差特征，以降低风速模拟的偏差为主要出发点。