作者：张华，柳丽婷，毕磊*，林武绍，等
大气辐射学既包含了气体吸收、粒子(大气分子、云和气溶胶)散射和辐射传输算法等基础理论，也包含了基于这些理论的辐射传输模式在天气气候、数据同化、大气遥感与大气探测等领域的应用，是大气物理学的核心内容之一。气体吸收计算与粒子散射光学特性模拟是大气辐射传输的基础和辐射模式的重要组成部分。作为第一部分，本文将全面阐述近几十年来关于气体吸收与粒子散射方面取得的成果和研究进展，特别是对中国科学家的贡献开展评述。主要内容包括：1）光谱资料和不同气体吸收计算方法对辐射计算的影响，以及在天气气候模式、大气遥感领域的重要应用；2）电磁散射数值计算技术、气溶胶和云粒子的物理建模及其光学特性模拟研究的主要进展。
作者：张华，张峰，刘磊，刘玉芝，等
大气辐射既包含气体分子的吸收、云和气溶胶粒子的散射及辐射传输等基础理论，也包含这些分量组成的辐射传输模式在天气、大气遥感与大气探测、气候变化等领域的应用。在第一部分总结气体吸收和粒子散射领域研究进展的基础上，本文作为第二部分侧重介绍大气辐射传输算法和大气辐射在几个典型应用领域的相关研究进展，主要介绍中国科学家的贡献。本部分内容主要包括：在大气辐射传输算法研发方面，在回顾辐射传输方程的求解进展的基础上，分别总结了用于天气气候模式、大气遥感等的辐射传输算法和模型；在大气辐射的典型应用方面，以地表辐射估算、星载遥感机理和算法、气候模式和气候变化等为例，简要评述了辐射机理和模型的重要性。
作者：朱自强，翁富忠*，韩阳
本研究开发了新一代的矢量离散坐标辐射传输(VDISORT)模型。先前的VDISORT虽然考虑了辐亮度Stokes矢量，但求解理论仍然依赖球形粒子散射相矩阵的方位对称性质或假设。本文更新了VDISORT求解理论，避免了对大气散射相矩阵和地表反射矩阵的方位对称假设，使得VDISORT模型现在能够完整耦合一般情况下的大气散射和地表反射。该模型考虑了完整的Stokes正余弦分量和复特征值问题，能够在任意观测方向上直接求解。VDISORT的精度通过四个案例得到了全面验证：瑞利散射案例、非偏振源下的球形粒子案例(简称L13)、偏振源下的L13以及随机取向非球形粒子案例(简称L11)。模拟结果与基准值具有良好的一致性，瑞利、非偏振源下的L13和L11的绝对偏差分别小于0.0065、0.0006和0.0008。
作者：方程格格，董佩明*，韩阳，阚琬琳
针对首颗民用晨昏轨道卫星FY-3E红外高光谱大气探测，研究了影响卫星观测模拟的几个关键问题。建立快速大气透过率模型，并与逐线辐射传输模式LBLRTM和实际卫星观测比较，评估模型的精度。通过hamming和Sinc函数进一步探讨了切趾和非切趾模拟之间的差异，构建减少非局部热力学平衡NLTE效应的订正模块。与LBLRTM相比，模型偏差一般小于0.25K；与观测结果相比，大多数通道的偏差都低于1.0K。FY-3E红外高光谱大气探测器HIRAS-II的精度相当甚至优于NOAA-20跨轨道红外探测器CrIS。使用Sinc函数可以使模拟更好地拟合原始卫星观测，和使用hamming函数模拟与切趾观测的拟合相比，前者的偏差更大一些。NLTE订正显著降低了短波红外波段卫星模拟和实际观测之间的偏差。本研究为FY-3E红外高光谱大气探测的应用提供了技术基础和支持。
作者：兰鸿侠，马静*，徐海明，罗京佳
由于观测数据的限制，20世纪早期厄尔尼诺–南方涛动(ENSO)对印度洋-西北太平洋(IO-NWP)的气候影响是否出现了年代际变化仍不得而知。本文利用来自ECMWF和NOAA的多套再分析和回报数据集分析发现，1901–2009期间ENSO与IO-NWP的相关性经历了“强–弱–强”的年代际转变。进一步分析表明，这种年代际变化与ENSO的振幅密切关联。相比于1946–1967年，1901–1945年和1968–2009年中–东赤道太平洋的SST方差较大。较强的El Niño通过遥相关在东南印度洋上形成显著的反气旋异常，其南侧的西北风通过风–蒸发–温度(SST)反馈加热南印度洋，南印度洋增温引起西传的海洋Rossby波诱导西南印度洋更强的升温，进而在春季赤道上空产生了显著的不对称风场，其北侧的东北风减弱了西南季风，导致北印度洋“二次增暖”并引发东传的暖性Kelvin波增强西北太平洋副热带反气旋(NWPSA)。
作者：马井会，万仕全*，徐莎莎，汪婵娟，等
利用演化建模机器学习方法对长三角地区0–12个月内144个气候系统监测指标与秋冬PM2.5浓度之间的滞后关系开展研究，发现外部气候因子(海温、海冰，以及大气环流)对该地区PM2.5浓度有潜在影响。在计算了过去12个月所有指数对长三角地区PM2.5浓度的贡献率和滞后相关系数后，选择前36个指数进行模型训练。由于包括大西洋多年代际振荡指数、热带印度洋全区一致海温指数在内的9个指数对长三角地区秋冬季PM2.5浓度贡献最大，因此分析这9个指数对PM2.5浓度影响的物理机制。建立的演化预测模型对长三角地区主要城市秋冬季月尺度PM2.5浓度预测与实况的相关系数介于0.73–0.83，均方根误差介于9.5–11.6 μg m−3，预测精度很高。特别是该模型在提前50天捕捉长三角秋冬季PM2.5浓度的异常变化方面表现出优异的性能。
作者：Yunjae CHO, Hyun Mee KIM*, Eun-Gyeong YANG, Yonghee LEE, 等
作为一种在线的化学-气象耦合模式(CCMM)，WRF-Chem考虑了空气质量与气象条件之间的相互作用，以改进空气质量预报。气象资料同化可以降低气象场的不确定性，而此不确定性是造成CCMM预报不确定的原因之一。本文利用WRF-Chem和三维变分同化分析研究了气象资料同化对朝鲜半岛空气质量和气象预报的影响，模式区域采用内(朝鲜半岛)、外(东亚)两层嵌套。采用不同的同化区域进行了3次试验，以确定气象资料同化的最优区域。在东亚或东亚和朝鲜半岛同时进行气象资料同化时，预测的颗粒物(PM)浓度的均方根误差(RMSE)和偏差，以及预测的气象变量相对于观测值的RMSE，均小于仅在朝鲜半岛区域进行气象资料同化的试验结果。这说明资料同化对天气气象场的改善，增强了内层区域的气象初始条件和气象边界条件，进而改善了那里的空气质量和气象预报。与不使用气象资料同化的试验相比，使用资料同化的试验中气象变量和PM变量的均方根误差和偏置都较小。气象资料对PM预报的改善作用持续时间约为58–66 h。总之，气象资料同化减少了WRF-Chem模式初始条件的不确定性，改善了其对空气质量及气象要素的预报。
作者：黄桉凡，寇蕾蕾*，梁彦之，毛赢，等
结合地基和星载雷达在同一区域的降水信息，可以获得更高质量的降水估算。对于一组有噪声的雷达降水观测值，如何估计真实降水状态是一个典型的逆问题。正则化方法可以适当地约束逆问题，以获得唯一且稳定的解。对于具有不同先验分布的降水类型，L1和L2范数分别对层状降水和对流降水的约束更有效。作为L1和L2的组合，Huber范数更适合于混合型降水。采用不同正则化范数对C波段双偏振地面雷达(CDP)和双频降水雷达(DPR)的降水数据进行融合。与单源雷达数据相比，融合图包含更多的信息。27个降水案例中，三种正则化范数的融合结果表明，基于Huber范数的融合结果更有效地融合了对流降水和层状降水的特征，平均绝对误差(MAE)分别降低了16.1%和22.6%，均方根误差(RMSE)分别降低了11.7%和13.6%。与尺度递归估计(SRE)的融合结果相比，Huber范数在捕获局域降水强度和重建降水细节特征方面表现出更强的能力。
作者：袁潮*，白杨，孙鹏飞，白华，等
龙卷是一种极具破坏性的自然灾害，但母体风暴的微物理特征及对龙卷形成的影响尚不清楚。本文分析了2021年5月14日江苏盛泽龙卷超级单体的双偏振雷达参量，并将其与同一地区的另一龙卷和两个非龙卷超级单体进行比较。研究发现，相比于非龙卷超级单体，龙卷超级单体的钩状回波区域表现出更低的差分反射率(ZDR)。对于非龙卷超级单体钩状回波，在2.5–4 km高度范围内，随着高度下降，ZDR明显增加；同时在融化层以下也显示出更大的比差分相移(KDP)；粒子分类结果表明其源于更强烈的冰相粒子融化。此外，KDP的垂直梯度与钩状回波的冷却池强度相关，其可能是调节超级单体后侧下沉气流的关键因素。通过监测超级单体钩状回波的微物理参量分布和演变，可以帮助改进未来的龙卷预警。
作者：杨磊，郑永光*
东北冷涡(NCCV)是导致短时强降水(SDHR)的重要天气系统。由于NCCV不同象限的水汽、稳定度、垂直风切变等大气环境条件存在很大差异，因此，NCCV导致的SDHR(NCCV_SDHR)形成条件也显著不同，从而使得准确预报NCCV_SDHR存在很大难度。利用5年3196个自动气象站和ERA5资料，本研究筛选了中国东北地区10,232个NCCV_SDHR样本，根据每个自动站和NCCV中心(CVC)的相对位置，将样本划分为不同象限的NCCV_SDHR。结果发现，东南象限NCCV_SDHR的频次最高，更容易出现降水强度强、持续时间长、影响范围大。不同象限NCCV_SDHR的时间变化存在不同，这与不同象限NCCV_SDHR在不同月份的形成机理差异有关。进一步，通过以CVC为中心、冷涡半径rCV为单位距离建立坐标系，对长时间序列的NCCV_SDHR在该坐标系中进行合成后发现：1)随着与CVC的距离增加，NCCV_SDHR频率先增加后减小，峰值出现在东南象限距离CVC约0.8–2.5个rCV的区域，这是因为该区域具有暖湿层结、中层弱的干空气和中等强度的垂直风切变等有利条件；2)相比于NCCV_SDHR，NCCV_SDHR50(定义为超过50 mm的NCCV_SDHR)高频中心更靠近CVC；NCCV_SDHR50发生时，NCCV与副热带高压更接近，低空辐合更强，且环境具有更充沛的水汽、较低的抬升凝结高度、偏强的0–6和0–1 km的垂直风切变。以上发现可为更加准确预报NCCV_SDHR出现的位置、强度和持续时间提供参考。
Uptrend of the Western North Pacific Tropical Cyclone Outflow Height during 1959–2021 (点击获取全文)
作者：孙源*，冯智皓，钟玮，翟盘茂，等
尽管热带气旋(TC)外流层对TC强度有很大影响，但全球变暖背景下TC外流层的变化却知之甚少。本研究基于IBTrACS数据集和ERA5再分析数据，发现过去60余年(1959–2021年)北太平洋西部的TC外流层高度显著上升(48.20 ± 22.18 m decade-1)，且较强TC外流层高度的上升趋势更明显(强台风外流层高度的上升趋势为61.09 ± 40.92 m decade-1)。这种外流层高度的上升趋势解释了TC外流层温度下降趋势与全球变暖影响下大气对流层温度上升之间的矛盾。此外，本文还研究了TC外流层高度上升趋势对TC强度变化的可能贡献。结果表明，外流层高度的上升会导致外流层温度的下降，从而使海面温度与TC外流层温度之间的差值增大，最终有利于TC强度的增加。
作者：钱传海*，李英，许映龙，王新，等
热带气旋(泛指热带低压及不同等级的台风、飓风、气旋风暴等)多发生在洋面上，且缺少直接观测，因此热带气旋的精细监测和分析一直是热带气旋业务和科研的难点问题之一。近20年来，国内外热带气旋监测技术和手段发生了很大变化，对热带气旋业务和研究均产生了重要影响。一些新技术、新产品逐渐为业务提供技术支撑，提升了对热带气旋定量监测分析的精准度。本文将主要介绍国内外气象卫星、雷达、飞机等在热带气旋监测和分析应用方面的进展，以期为改进和优化我国热带气旋的监测分析能力，并进而为提高热带气旋预报预警准确率提供参考。
作者：魏娜，李英*，樊晓婷
本文对孟加拉湾风暴(BOBTC)活动期间我国降水异常分布特征进行定量分析，并从水汽输送角度揭示BOBTC在不同地区降水正异常中的作用。BOBTC活动期间，降水正异常主要分布在我国邻近孟加拉湾的两个区域(西南地区，5/11月；青藏高原南部地区，10月)和三个远距离地区(东南地区，5月；青海东北部地区，5月；北方中部地区，10月)，且极端降水(EP)发生概率均有所上升。对邻近区域而言，EP与BOBTC东侧环流内向北水汽输送异常显著相关，南边界水汽输入增加，且在5月受季风气流影响较为深厚；对远距离区域而言，相关的水汽输送异常多源于孟加拉湾，增加的水汽在我国西南地区辐合于地面切变线内，或在BOBTC低压与西风槽的相互作用下被输送至更北的地区。
作者：林佳璐，李英*，刘倍峣，安鹏超
孟加拉湾风暴和高原涡均为影响青藏高原(TP)的重要天气系统，两个系统的协同作用可在TP上产生大范围强降水过程。本文利用HYSPLIT模型，对孟加拉湾风暴和高原涡共同影响下的青藏高原三次大范围降水过程的水汽输送进行轨迹追踪，指出水汽输送上青藏高原的轨迹、比湿和位温变化以及水汽贡献，分析此类环流下高原大范围降水发生的主要原因。结果表明，孟加拉湾风暴影响下，孟加拉湾低层水汽被气旋式卷入风暴环流后抬升，经偏南气流向北输送到青藏高原东南部，并可增湿其上空整个对流层大气；而其北侧高原涡的气旋性环流辐合作用可进一步将汇集在TP东南部的水汽向北输送，有利于高原降水系统的维持和发展及产生大范围强降水过程。
