2019年，在新中國氣象事業(yè)70周年之際，習(xí)近平總書記對氣象工作作出重要指示，明確要求廣大氣象工作者要發(fā)揚優(yōu)良傳統(tǒng)，加快科技創(chuàng)新，做到監(jiān)測精密、預(yù)報精準(zhǔn)、服務(wù)精細(xì)，推動氣象事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，提高氣象服務(wù)保障能力，發(fā)揮氣象防災(zāi)減災(zāi)第一道防線作用。
大家熟知的夏季雷雨天氣通常是電閃雷鳴同時有陣雨、陣風(fēng)、冰雹等，這就是氣象學(xué)上所稱的對流天氣。強對流天氣通常指的是短時強降水、雷雨大風(fēng)、龍卷風(fēng)、大冰雹等劇烈天氣，它們時空尺度小、突發(fā)性強、發(fā)展快、強度大，易于導(dǎo)致重大災(zāi)害。比如，2015年6月，下?lián)舯┝魉?ldquo;東方之星”號長江游輪翻沉事件；2015年10月，超強臺風(fēng)“彩虹”橫掃廣東沿海地區(qū)，造成嚴(yán)重災(zāi)害；2016年4月，廣東東莞突發(fā)雷電大風(fēng)強降雨，導(dǎo)致龍門吊倒塌事故。
中國強對流天氣發(fā)生頻繁，從初春到深秋、從華南到東北、西北都有強對流天氣發(fā)生。強對流天氣是國際氣象學(xué)界和業(yè)務(wù)天氣預(yù)報重點關(guān)注的主要災(zāi)害天氣之一。
強對流天氣預(yù)報預(yù)警就是在監(jiān)測當(dāng)前天氣和大氣狀況基礎(chǔ)上，應(yīng)用多種觀測資料和對這些天氣發(fā)生發(fā)展的物理規(guī)律認(rèn)識，判斷未來一定時段的強對流天氣情況，包括未來哪些區(qū)域有對流風(fēng)暴、哪些類型的對流風(fēng)暴、哪些類型的強對流天氣以及它們的強度和持續(xù)時間等。
提高對這些災(zāi)害性天氣的精密監(jiān)測和精準(zhǔn)預(yù)報能力，是筑牢氣象防災(zāi)減災(zāi)第一道防線。2009年，中國氣象局在國家氣象中心（中央氣象臺）成立強天氣預(yù)報中心。作為強天氣預(yù)報中心初創(chuàng)人員之一和強對流天氣重點創(chuàng)新團隊首席科學(xué)家，筆者和科研團隊同仁一起一直致力于相關(guān)科研工作并到一線指導(dǎo)相關(guān)防災(zāi)減災(zāi)實踐，通過十多年來不懈努力，強天氣預(yù)報中心研究團隊規(guī)模不斷發(fā)展壯大，強對流天氣業(yè)務(wù)預(yù)報能力持續(xù)提升，充分踐行了氣象防災(zāi)減災(zāi)第一道防線的職責(zé)和使命。
持續(xù)深化機理認(rèn)識
強對流天氣是地球大氣復(fù)雜非線性運動的結(jié)果，也是多種尺度（分為空間尺度和時間尺度，空間尺度指的是大小，時間尺度指的是持續(xù)時間）大氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，對其機理認(rèn)識是一個不斷深化的過程。
為了給強對流天氣精準(zhǔn)預(yù)報提供氣候背景認(rèn)識，我?guī)ьI(lǐng)團隊利用長時間序列靜止氣象衛(wèi)星、雷達(dá)、閃電、逐時降水、地面等多源觀測資料，深入分析了中國不同區(qū)域、不同尺度、不同類型對流風(fēng)暴和強對流天氣，不同累積時段極端強降雨的氣候分布特征，發(fā)現(xiàn)了不同類型天氣的高發(fā)時段和高發(fā)區(qū)、不同區(qū)域和季節(jié)的日變化特征差異及其成因和所表征物理意義。例如，華南初春和華北春末夏初多強風(fēng)冰雹、降雨小的“干”性對流，而盛夏多降雨量大的“濕”性對流等；針對不同強度降雨的氣候特征，揭示了中國總體降雨、不同強度層狀云降雨和對流性降雨以及極端降雨等不同性質(zhì)的降雨日變化特征的異同、相互聯(lián)系和成因。
對流天氣的發(fā)生需要充足的水汽、一定的不穩(wěn)定條件和抬升觸發(fā)機制。我們總結(jié)分析了對流天氣和強對流天氣發(fā)生所需條件的一些基本物理問題，總結(jié)了不同季節(jié)和區(qū)域分類強對流天氣等的環(huán)流特征等，包括春季高架對流、梅雨鋒強對流、暖區(qū)強對流、華南前汛期強對流、冷渦強對流以及東風(fēng)帶強對流等，分別構(gòu)建了形成不同類型強對流天氣的物理條件和機制模型等，給出了分類強對流天氣發(fā)生發(fā)展的必要環(huán)境條件和近似的充分條件，揭示了這些天氣發(fā)生發(fā)展所需要的大氣環(huán)境條件，為提高強對流天氣預(yù)報水平提供了更加深入的環(huán)境條件認(rèn)識。
中小尺度對流風(fēng)暴是各類強對流天氣的直接制造者。為了進一步提升強對流天氣的精準(zhǔn)預(yù)報水平，從對流風(fēng)暴（如超級單體、颮線、弓形回波等）的熱動力結(jié)構(gòu)和微物理特征等方面，我們進一步揭示了雷暴大風(fēng)、龍卷、極端強降雨形成機制，龍卷近地面渦度生消機制，下?lián)舯┝骷訌姍C制，地面冷池對對對流風(fēng)暴發(fā)展的作用等。
基于這些深化的機理認(rèn)識，我們建立了分類強對流天氣的精細(xì)化短期和短臨預(yù)報分析技術(shù)規(guī)范和流程，提供了分類強對流天氣的預(yù)報思路和定量化指標(biāo)，規(guī)范了基于自動氣象站、雷達(dá)、閃電和氣象衛(wèi)星等觀測資料的中尺度天氣過程分析和臨近預(yù)報，引領(lǐng)和帶動了全國強對流天氣研究和業(yè)務(wù)的發(fā)展。
扎實創(chuàng)新監(jiān)測預(yù)報技術(shù)
2013年以前，強天氣預(yù)報中心成立初期，基于常規(guī)地面觀測、重要天氣報、自動氣象站、閃電、雷達(dá)和衛(wèi)星等多源觀測資料，我們應(yīng)用模糊邏輯、聚類、卡爾曼濾波等算法發(fā)展了自動站資料質(zhì)量控制技術(shù)、強對流信息提取和統(tǒng)計技術(shù)、對流風(fēng)暴識別和追蹤、深對流云識別、中尺度對流系統(tǒng)識別和追蹤、雷暴單體識別和追蹤等實時監(jiān)測、外推預(yù)報技術(shù)和氣象資料的客觀分析診斷技術(shù)，基于數(shù)值天氣預(yù)報資料和強對流天氣的環(huán)境條件，構(gòu)建了分類強對流天氣短期預(yù)報技術(shù)，形成了業(yè)務(wù)化的強對流天氣綜合監(jiān)測、分析和預(yù)報產(chǎn)品，為強對流天氣短期預(yù)報業(yè)務(wù)提供了支撐。
2014年到2016年，我們構(gòu)建了基于雷達(dá)觀測資料的覆蓋全國的強對流特征量報警，包含龍卷渦旋特征、中尺度氣旋、風(fēng)暴結(jié)構(gòu)、風(fēng)暴追蹤、冰雹指數(shù)等，發(fā)展了初生對流和不同發(fā)展階段對流風(fēng)暴的臨近預(yù)報技術(shù)，建立了雷暴（閃電）和短時強降水等臨近預(yù)報產(chǎn)品；利用數(shù)值集合預(yù)報資料，發(fā)展了基于極端天氣指數(shù)的不同類型強對流天氣分析和短期預(yù)報技術(shù)；開始采用深度學(xué)習(xí)模型發(fā)展分類強對流天氣短期預(yù)報技術(shù)，在國際上率先把機器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于分類強對流天氣短期短時預(yù)報中。
2017年以來，在科技部重點研發(fā)計劃項目資助下，我們聚焦龍卷、雷暴大風(fēng)、極端降水等強對流天氣監(jiān)測預(yù)報預(yù)警，深入挖掘雷達(dá)、衛(wèi)星、自動站、高分辨數(shù)值預(yù)報等多源精細(xì)資料，綜合應(yīng)用模糊邏輯、配料法、頻率訂正、多模式集成和機器學(xué)習(xí)等先進方法，研發(fā)了初生對流、下?lián)舯┝?、龍卷、大冰雹識別等監(jiān)測算法，開發(fā)了基于隱空間條件生成模型的三維像素卷積循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型、對抗生成網(wǎng)絡(luò)（GAN）等深度學(xué)習(xí)技術(shù)的對流風(fēng)暴和分類強對流天氣短時臨近預(yù)報方法，形成了一整套應(yīng)用物理機理和人工智能相結(jié)合方法的強對流天氣監(jiān)測、短期預(yù)報和短時臨近技術(shù)體系。
基于這些監(jiān)測預(yù)報技術(shù)和信息技術(shù)，從強對流天氣監(jiān)測、分析、臨近短時短期預(yù)報等方面構(gòu)建了“強天氣監(jiān)測和分析綜合業(yè)務(wù)平臺”和新一代中央、省、市、縣短臨協(xié)同預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)（SWAN3.0），應(yīng)用于氣象部門和民航等多個部門。這些系統(tǒng)平臺能夠快速處理多源和海量的氣象數(shù)據(jù)，具有標(biāo)準(zhǔn)化、高效化、專業(yè)化、模塊化和易學(xué)習(xí)、易推廣、易維護的氣象信息圖形加工能力，實現(xiàn)了氣象信息在網(wǎng)絡(luò)（Web）和網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（WebGIS）中的應(yīng)用。
提升業(yè)務(wù)預(yù)報預(yù)警能力
2005年，國家氣象中心（中央氣象臺）開始嘗試進行雷暴和強對流天氣短期預(yù)報，但并沒有進行天氣分類預(yù)報。
目前，我們團隊通過國際互聯(lián)網(wǎng)和業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)實時發(fā)布國家氣象中心（中央氣象臺）的不同類別、不同時間段的強對流天氣分類監(jiān)測產(chǎn)品；每年4月—9月每日3次定時發(fā)布未來24小時分類強對流天氣落區(qū)預(yù)報，1次發(fā)布未來48小時和72小時的強對流落區(qū)預(yù)報。2013年，中央氣象臺開始發(fā)布強對流天氣預(yù)警，分為藍(lán)、黃、橙3個等級，其中2015年4月28日首次發(fā)布黃色預(yù)警。從2015年起，中央氣象臺開始在氣象部門內(nèi)部發(fā)布未來0—6小時的短時臨近預(yù)報產(chǎn)品。
得益于監(jiān)測預(yù)報預(yù)警技術(shù)的發(fā)展和我們團隊能力的不斷提升，更多的強對流天氣被監(jiān)測和精準(zhǔn)預(yù)報。2015年4月28日，江蘇、上海等地發(fā)生了大范圍的大冰雹、大風(fēng)等強對流天氣，中央氣象臺提前3天氣發(fā)布預(yù)報、提前1天發(fā)布強對流黃色預(yù)警，這是中央氣象臺歷史上首次發(fā)布強對流黃色預(yù)警。2022年“7·20”江蘇大風(fēng)龍卷風(fēng)過程中，我們實現(xiàn)了提早3天提醒關(guān)注，并在當(dāng)天早間全國天氣會商中細(xì)致分析，多渠道提示政府、應(yīng)急部門和民眾，取得了非常好的防災(zāi)減災(zāi)效果。
強對流天氣監(jiān)測預(yù)報是國際難題和前沿研究課題，對它們的認(rèn)識和預(yù)報技術(shù)發(fā)展還面臨很多困難和挑戰(zhàn)。我們將繼續(xù)深入研究強對流天氣的機理，努力攻關(guān)監(jiān)測預(yù)報技術(shù)難題，把新技術(shù)轉(zhuǎn)化為業(yè)務(wù)能力，力爭盡早實現(xiàn)提前1小時預(yù)警局地強對流天氣、提前1天預(yù)報逐小時強對流天氣的氣象高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)，為實現(xiàn)中國式現(xiàn)代化和中華民族偉大復(fù)興保駕護航。
（作者為中國氣象局強對流天氣重點創(chuàng)新團隊首席科學(xué)家）
中國科協(xié)科學(xué)技術(shù)傳播中心、科學(xué)出版社與本報合作推出
