“把脉”超大城市高影响天气
北京城市气象聚焦关键科学问题创新发展
“释放时间：2016年7月19日；气压：1000hpa、999.43hpa、998.84hpa、998.24hpa……”
8月10日，正在参加“7.20”特大暴雨天气过程技术总结的北京市气象台首席预报员雷蕾收到一份关于此次天气过程的探空加密观测数据。原来，这是“城市对降水和雾-霾影响观测试验研究（Study of Urban-impacts on Rainfall and Fog/haze，以下简称“SURF”）的一项观测任务。据悉，在“7·20”特大暴雨天气过程期间，该试验为此开展了8次加密探空观测。
SURF是由中国气象局北京城市气象研究所（以下简称“城市所”）联合国内外多家单位组织实施的，今年是其开展工作的第二年。与2015年相比，今年的观测进一步增强了在垂直和水平方向上的观测能力，使观测网更加密集，获取更多观测资料。
聚焦关键开放合作促发展
“在外场观测试验中，我们采用精密、先进的设备来观测风、温度、降水、雾-霾等气象状况。”城市所特聘专家、美国圣何塞州立大学教授罗伯特·伯恩斯坦（Robert Bornstein）介绍。
近年来，随着中国城市化进程不断推进，城市化背景下的城市高影响天气如暴雨、雾-霾等往往带来巨大的经济损失和社会影响，成为超大城市发展过程中急需优先考虑的重要问题。
“我们希望通过SURF在影响京津冀城市群地区的强降水、雾-霾过程机理研究和预报能力等方面实现突破和提升，减少高影响天气事件对居民生活、社会正常运转的影响。”城市所副所长苗世光说。
城市所作为“城市气象研究国家国际科技合作基地”，力求在国际科技合作中更有效地发挥“引进来，走出去”的平台作用。因此，在SURF中，积极与美国、英国、芬兰等国家和地区联合开展野外科学观测，共享观测数据，合作开展机理研究和城市高分辨率数值模式的引进和本地化研发工作，促进面向京津冀一体化预报服务的“快速更新多尺度分析和预报系统（RMAPS）”的发展，实现研究成果的业务预报应用。
罗伯特·伯恩斯坦介绍，利用观测数据构建优秀的天气模型，用以探究造成这些环境问题的内因。这些模型将持续提升对模拟降水和雾-霾等发生的深层机理的认识，提高洪水、高温等气象灾害的预报准确率。
目前，我国在强降水和雾-霾的观测、预报以及高分辨率城市数值模式研究方面的能力仍待提高。苗世光坦言，通过技术引进及开发，可以实现对京津冀地区降水、雾-霾过程机理的认识及预报能力的提升。此外，借助于国际合作来学习大型野外科学实验的组织和管理经验、数据收集、处理的方法和策略，这也将推进该观测试验进一步发挥国际示范作用。
潜心研究强化认识助提升
SURF于2014年筹备，2015年开始预观测，主要观测期为期3年，分夏季降水和秋冬季雾-霾观测。2015年夏季观测是SURF第一年。
2015年7月22日，降水到达中心城区后发生“分叉现象”。
此次降水发生在弱热岛背景下，城市所边界层研究室研究人员窦晶晶和罗伯特·伯恩斯坦通过“Urban试验（对照性试验，有城市存在）”和“NoUrban试验（敏感性试验，去除城市）”，发现有城市下垫面的情况下，降水发生了“分叉现象”，而没有城市下垫面情况下，并没有产生。窦晶晶解释说，“城市热力环境不利于此次降水的发生。另外城市粗糙下垫面使得城区低层大气风速减小，并在城区两侧形成空气辐合上升区，城市中心形成空气辐散下沉区，从而造成降水的分叉现象。”
这一发现成为SURF第一年的重要研究成果之一，并由此进一步探究了城市影响机理。
另一重要研究成果，是城市所探测室研究人员程志刚与美国国家大气研究中心研究员孙洁伦合作分析SURF过程中大气所铁塔湍流数据。结果发现，“曲棍球”式转变理论（HOST）适用于城市区域，但相对于平原地区，城市区域下垫面类型、下垫面粗糙度、城市天气过程、城市热岛等影响因素较多，HOST理论在城市中更加复杂多样。
除此之外，观测试验还围绕北京夏季城市边界层结构的演变特征、城市粗糙子层的动量通量传输遵循莫宁-奥布霍夫相似理论（MOST）、重污染过程的边界层观测分析、气象条件对重雾-霾过程的影响、污染减排期间的气溶胶光学特征等内容进行研究。
“上述研究成果，增强了对城市地区天气气候特征和形成机理的认识，基于RMAPS将提高对城市高影响天气的预报预警能力。”苗世光说。
诊脉疑难对症下药寻突破
8月22日，程志刚到大气所铁塔分部对多普勒测风激光雷达和微脉冲气溶胶激光雷达进行仪器维护，并拷贝其观测数据，用于城市边界层风场和雾-霾特征分析、城市降水数值模拟等方面的研究。
目前京津冀城市群地区已有较为稠密的业务气象观测网，但城市所探测室主任李炬坦言，针对城市降水、雾-霾问题研究，仍然缺乏足够的立体连续观测，包括不同高度、不同观测地点的气象要素、气溶胶观测。特别是对于局地强降水，由于观测目标时空尺度小，所以站网密度不足往往会使之成为“漏网之鱼”。
为此，在2016的外场观测中，城市所对症下药，尤其是在边界层内，新增了多台风廓线雷达、激光雷达，加上地面车载激光雷达流动观测、空中飞机观测，尽可能地增加垂直和水平方向的观测资料以及更高的观测频次。
针对2015年观测试验中存在的问题和不足，依托2016年修购专项在北京地区建立了10台云高仪，形成覆盖平原地区的云高、气溶胶垂直分布、边界层高度的动态监测网，进一步增强了对雾-霾的观测能力。重点针对强天气、雾-霾天气过程等，在南郊观象台实施1天8次的加密探空。
SURF的开展，正是吸纳和打造高技术人才的重要机遇。“我们希望通过此次观测试验，吸引更多国外知名科学家来华工作、交流，培养优秀青年人才，为北京气象事业打造专业人才队伍提供智力支撑。”苗世光语重心长的说道。
SURF进行到现在只是迈出了一小步，之后，城市所将继续深化国际合作,以此促进RMAPS的发展，构建无缝隙短时临近预报模式体系，在解决关键科学技术问题或国家热点、难点问题上寻求突破。