[科普中國]-中小尺度氣象學(xué)

概念

中小尺度氣象學(xué)是研究幾千米到2000 km左右的天氣系統(tǒng)特征、發(fā)生規(guī)律及其機(jī)制的一門學(xué)科。中小尺度天氣系統(tǒng)會(huì)帶來狂風(fēng)暴雨，造成嚴(yán)重的天氣災(zāi)害，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失；并且，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，由天氣異常造成的災(zāi)害及其經(jīng)濟(jì)損失越來越大。因此，在20世紀(jì)70年代，世界各地加強(qiáng)了中小尺度氣象學(xué)的研究，使中小尺度氣象學(xué)有了很大發(fā)展。并且，天氣監(jiān)測網(wǎng)越來越密集，使得中小尺度氣象學(xué)的研究成為可能。2

發(fā)展現(xiàn)狀許多國家相應(yīng)開展了一系列的中小尺度天氣的研究計(jì)劃與外場試驗(yàn)計(jì)劃，圍繞一些重要的中小尺度天氣過程進(jìn)行比較詳細(xì)的研究，希望能通過這些觀測與理論研究，加深對(duì)中小尺度災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。另外，美國有關(guān)大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和氣象業(yè)務(wù)部門先后研制了中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)(MM5)、區(qū)域大氣模式系統(tǒng)(RAMS)和新一代區(qū)域預(yù)報(bào)系統(tǒng)(ARPS)等一系列的中小尺度數(shù)值模式，近些年來正組織美國整體力量重點(diǎn)發(fā)展用于研究與業(yè)務(wù)的下一代中小尺度數(shù)值模式——天氣研究與預(yù)報(bào)模式(WRF)。這些大大提高了美國對(duì)中小尺度災(zāi)害天氣形成機(jī)理的了解和監(jiān)測、預(yù)報(bào)能力，同時(shí)為中小尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)提供了必要的條件；隨之而來的是強(qiáng)對(duì)流動(dòng)力學(xué)、資料同化技術(shù)、集合預(yù)報(bào)等也有了飛速發(fā)展，為進(jìn)一步提高影響天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率奠定了基礎(chǔ)。

中小尺度氣象學(xué)是我國大氣科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)之一。我國從20世紀(jì)60年代初期，開始進(jìn)行中小尺度氣象的觀測試驗(yàn)；70年代后期與80年代初，在華南、華中、華北及華東地區(qū)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的中小尺度觀測試驗(yàn)；進(jìn)入90年代后，在華南、長江中下游地區(qū)進(jìn)行的規(guī)模比較大、觀測內(nèi)容比較豐富的中小尺度外場觀測試驗(yàn)，特別是我國新一代多普勒雷達(dá)網(wǎng)的建設(shè)，為建立初步的區(qū)域中尺度氣象觀測例積累了大量的中小尺度氣象資料。

隨著高時(shí)空分辨率中小尺度資料的增加，以及現(xiàn)代科學(xué)計(jì)算能力的提高，更精確地預(yù)報(bào)中小尺度天氣的可能性大大增加。同時(shí)，國際上把10千米格距的全球模式和1千米格距的區(qū)域模式作為數(shù)值模式的發(fā)展目標(biāo)。1

研究內(nèi)容中小尺度氣象學(xué)包括中小尺度天氣學(xué)、中小尺度動(dòng)力學(xué)，以及與其相關(guān)的中小尺度數(shù)值預(yù)報(bào)和臨近天氣預(yù)報(bào)，還包括中小尺度大氣物理學(xué)。1

其主要的研究內(nèi)容有：關(guān)于中小尺度對(duì)流系統(tǒng)及形成暴雨的系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)和發(fā)生、發(fā)展過程的觀測研究；中小尺度系統(tǒng)和地形的關(guān)系研究；各類尺度天氣系統(tǒng)與中尺度系統(tǒng)相互作用研究I中小尺度系統(tǒng)觸發(fā)機(jī)制研究；中小尺度大氣運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定研究；中小尺度天氣數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)研究；以及中小尺度災(zāi)害性天氣的短期、甚短期和臨近預(yù)報(bào)方法研究。3

研究課題中小尺度氣象學(xué)將是21世紀(jì)大氣科學(xué)的重要科學(xué)領(lǐng)域，它是抗災(zāi)防災(zāi)以及區(qū)域社會(huì)與自然協(xié)調(diào)發(fā)展的重要科學(xué)基礎(chǔ)。其發(fā)展方向?qū)⑹墙⒑侠矶行У闹行〕叨却髿馓綔y網(wǎng)，提高中小尺度大氣現(xiàn)象與狀態(tài)的短期預(yù)報(bào)預(yù)測水平，以及建立區(qū)域社會(huì)與自然協(xié)調(diào)發(fā)展模式，提供科學(xué)理論和方法。沿著這個(gè)方向?qū)㈤_展的研究課題有：

①中小尺度大氣探測理論與方法；②中小尺度大氣探測資料分析應(yīng)用的理論與方法；③中小尺度大氣綜合觀測與科學(xué)試驗(yàn)；④中小尺度大氣物理動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模式；⑤中小尺度大氣數(shù)值預(yù)報(bào)理論與方法；⑥中小尺度大氣物理動(dòng)力過程人工影響理論與方法。4

任務(wù)臺(tái)風(fēng)、雷暴、冰雹、龍卷、下?lián)舯┝鞯仁切纬芍卮髿庀鬄?zāi)害的主要天氣系統(tǒng)，它們的尺度在1 km到1000 km之間，其生命史短的只有一個(gè)小時(shí)左右，研究這類時(shí)空尺度大氣現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展的規(guī)律和機(jī)制，建立對(duì)它們的監(jiān)測、預(yù)報(bào)和人工影響的理論與方法，是中小尺度氣象學(xué)的基本任務(wù)。但中小尺度大氣探測理論與技術(shù)研究，中小尺度大氣探測資料分析與應(yīng)用的理論和方法研究，是中小尺度氣象學(xué)的首要任務(wù)。4

研究意義中短期大尺度天氣形勢(shì)數(shù)值預(yù)報(bào)的成功是20世紀(jì)大氣科學(xué)的巨大成就，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。隨著社會(huì)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大尺度天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)已無法滿足實(shí)際需求，定量、定時(shí)與定點(diǎn)預(yù)報(bào)出一個(gè)10 km范圍內(nèi)氣候要素值的分布將是21世紀(jì)社會(huì)發(fā)展的迫切需要，也是21世紀(jì)氣象災(zāi)害預(yù)測與防治的重點(diǎn)。此外，在中尺度區(qū)域模式基礎(chǔ)上研究全球與區(qū)域氣象環(huán)境系統(tǒng)的變化，將是21世紀(jì)研究的重點(diǎn)。利用中尺度區(qū)域氣候動(dòng)力學(xué)模式，設(shè)計(jì)優(yōu)化的區(qū)域經(jīng)濟(jì)與自然協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃，將把20世紀(jì)人工影響天氣提高到自然控制論的階段與水平。中小尺度氣象學(xué)是實(shí)現(xiàn)上述這些目標(biāo)的科學(xué)基礎(chǔ)，是21世紀(jì)大氣科學(xué)的重要科學(xué)分支。

中國災(zāi)害性天氣監(jiān)測與預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建成，一方面為中小尺度氣象學(xué)發(fā)展提供了科學(xué)試驗(yàn)基地，另一方面也迫切需要中小尺度氣象學(xué)理論的指導(dǎo)，提高監(jiān)測與預(yù)報(bào)水平，以充分發(fā)揮這些系統(tǒng)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)服務(wù)的效益。4