为提高地面气象观测站网布局的科学合理性，利用1992—2021年国家级基准、基本及常规气象站观测资料，分析山东省平原和山地丘陵两类地形的气温、相对湿度、降水、气压（简称“4要素”）结构函数，确定 4 要素站网的最佳布站方案与布设距离，并评估现有观测站网布局的适宜性。结果表明，山地丘陵地区4要素的结构函数值均高于平原地区，平原地区结构函数更接近线性；山地丘陵在3种内插方式下的内插标准误差均高于平原地区；当距离满足点值内插标准误差小于观测标准误差时，4要素均以正三角形布站的内插精度最高。山东省国家级基准、基本及常规气象观测站的合理布站方式为正三角形布设；平原和山地丘陵的最佳布站距离分别不超过36.4、29.4 km。分要素看，气温分别不超过36.4 km和29.4 km；相对湿度不超过90.9 km和73.3 km；降水不超过81.9 km和52.3 km；气压不超过44.8 km和31.2 km。平原地区观测站网布局的适宜性优于山地丘陵地区。

贺兰山东麓春季气温起伏大，酿酒葡萄易遭受晚霜冻影响，农业气象服务工作中越来越迫切需 要 针 对 酿 酒 葡 萄 种 植 区 域 复 杂 地 形 进 行 日 最 低 气 温 的 精 确 插 值，坡 面 回 归 方 程 插 值 模 型（Parameter-elevation Regression on Independent Slopes Model，PRISM）一定程度上满足了这种需求。基于2022—2023年银川市269个气象站的日最低气温和高程数据，利用PRISM对贺兰山东麓银川段酿酒葡萄晚霜冻期间的日最低气温进行插值；为验证 PRISM 插值的适用性，选取银川市酿酒葡萄种植区、贺兰山东麓银川段沿山附近区域、银川平缓区域的气象站作为验证站，使用反距离加权法（Inverse Distance Weighted，IDW）、样条函数法（Spline）、普通克里金法（Ordinary Kriging，OK）3种常用的插值方法作为对比。结果表明：酿酒葡萄种植区插值效果PRISM最好，然后依次是IDW、Spline，OK最差；贺兰山东麓沿山区域插值效果PRISM最好，接着依次是IDW、OK、Spline；平缓地区PRISM的插值效果较差；综合3个区域的插值效果PRISM最好，接着是IDW、OK、Spline。PRISM在贺兰山东麓银川段晚霜冻期间日最低气温插值的适用性最好。

评估数值模式在降水日变化方面的偏差特征，有助于深入了解模式的预报能力。本文利用太行山脉、伏牛山及以东复杂地形区域的夏季降水观测资料，结合模式12~36 h预报时效的逐3 h降水量数据，计算了降水频次、降水强度及其峰值、振幅等关键参数。采用偏差分析和空间相关性分析等方法，将欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）数值预报模式、美国国家环境预报中心全球预报系统（National Centers for Environmental Prediction-Global Forecast System，NCEP-GFS）、中国气象局区域台风数值预报系统（CMA-TYM）、中国气象局上海数值预报模式系统（CMA-SH9）等业务常用模式的预报特征与实际观测结果进行对比，并对产生偏差的原因开展了初步分析。结果表明，区域模式CMA-TYM和CMA-SH9对降水的预报具有“低频次、高强度”的特征，全球模式ECMWF和NCEP-GFS则为“高频次、低强度”，且各模式预报结果与观测的空间相关性均较弱。区域模式中，CMA-TYM降水量预报偏差较小，在0附近波动，降水频次的峰值时间和日变化振幅预报效果较好；CMA-SH9对大部分时次的降水量预报正偏差最大，预报的降水强度峰值时间和日变化振幅效果最好，但预报降水频次偏大且其峰值时间基本为前半夜，而观测的华北平原、山东省中东部及黄淮平原北部的峰值时间主要出现在清晨，相差近12 h。全球模式中，NCEP-GFS的降水量预报大部分时次小于观测且夜间到清晨和下午的负偏差绝对值最大，预报的降水频次大部分时次为正偏差最大，降水强度为负偏差绝对值最大；ECMWF低估傍晚到夜间的降水量，高估清晨到中午的降水量，降水频次各时次均为正偏差，降水强度均为负偏差。综合分析有(无）降水时的气温场及风场，模式降水量迅速增大主要是CMA-SH9对晚上和ECMWF对中午预报的气温偏高配合东南暖湿气流，容易在近地层形成不稳定层结，从而触发对流天气，产生较大的降水量尤其是较大的降水频次。

内蒙古是我国重要的季节性积雪区之一，积雪判识和雪深反演对农业生产、生态评估以及研究春汛、积雪灾害等有重要意义。为了提高本地积雪判识精度，本文提出一种基于归一化差分雪指数（Normalized Difference Snow Index，NDSI）的直接比较积雪判识方法，即应用葵花8号卫星的待判识积雪图和当年秋季无雪底图的NDSI做差运算进行积雪判识，并与日常业务使用的积雪判识方法进行比较。结果表明：日常使用的积雪决策树算法（Snow Mapping，SNOMAP）存在漏判部分薄雪像元现象，积雪分数（Fractional Snow Cover，FSC）算法在积雪判识时会受到水体影响最终影响精度。内蒙古地区的非林区，NDSI直接比较判识法相较 SNOMAP 和 FSC算法判识精度分别提升 3.88%、0.52%，NDSI直接比较法和 FSC 算法在非林区的判识精度相差很小；林区，NDSI直接比较法相较 FSC 算法判识精度明显提升，同时错判误差降低，说明NDSI直接比较法更适用于内蒙古地区林区的积雪判识。

复杂地形飑线发生、发展机理及其灾害性天气预警指标一直是山西强对流天气短时临近预报关注的重点。2022年7月25日，山西南部发生一次罕见的最大瞬时风力达12级的飑线过程，本文基于多源观测及再分析资料分析了其触发、演变、组织化过程。结果表明：（1）飑线生命史分为上游离散对流单体东移发展形成线状对流系统、山区新生雷暴发展形成多单体风暴、线状对流并入多单体风暴

后组织成飑线三个阶段。前两个阶段，垂直风切变较弱，但高能高湿、层结不稳定等有利环境使得对流以组织化程度较低的多单体风暴为主；第三阶段，前倾结构更加明显，层结不稳定显著增大，临近低空扰动使得局地垂直风切变明显改善，对流迅速组织为强飑线。（2）地面中尺度辐合线、露点锋以及中尺度涡旋的发展维持是主要的组织触发机制；垂直方向上前侧入流与后侧出流共存、低层辐合与高层辐散共存，水平方向上环境入流与系统出流共存的自组织结构，使得飑线得以维持发展。（3）从热力结构看，第三阶段地面冷池合并加强形成强冷池，其造成的冷池密度流是极端雷暴大风产生的关键原因。（4）地面辐合线和中尺度涡旋较对流组织加强提前20 min以上，雷达图像上低层径向速度大值区、中层径向辐合等特征比地面大风出现提前10~25 min，对监测预警有一定指示意义。

六盘山是我国黄土高原—川滇生态屏障的重要组成部分，也是西北重要的水源涵养林基地。为进一步加强对六盘山区地形云宏微观特征的认识，科学开展地形云人工增雨作业，本文基于六盘山区海拔 2 842 m 高山气象站的雾滴谱仪、雨滴谱仪及毫米波云雷达等多种观测资料，研究了 2020 年8月21—23日宁夏六盘山区一次积层混合地形云的宏微观特征。结果表明，此次降水云系受地形影

响明显，云顶高度和云系垂直厚度抬升的高度与山脉平均海拔（2 162 m）相当；雨滴粒子数浓度、最大粒径、平均粒径和液态水含量在降水最强时段达到极大值，分别为 970 个·m-3、4.25 mm、1.23 mm 和1.36 g·m-3；雨滴谱分布符合 Gamma 分布，相较 M-P 分布 Gamma 分布拟合效果更优；根据云微物理量的观测数据，可将云系划分为 3 个中小尺度云区，其中云区 2 和云区 3 的宽度基本相当，均约为400 km，云区3除云雾滴粒子数浓度低于云区2外，其液态水含量、平均中值体积直径和平均有效直径均有所增加，导致降水量增加1倍左右。

基于地面自动站、多波段天气雷达、实况探空及欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasting，ECMWF）第 5代再分析资料 ERA5，对 2022年 7月 7日云南省一次罕见飑线天气过程的环境条件、中尺度特征及维持机制进行了分析。结果表明，此次飑线过程发生在大陆高压与副热带高压辐合区内，环境场具有较强对流不稳定能量、中等强度垂直风切变及明显的高层干冷空气入侵特征。C波段雷达反射率和径向速度的变化与地面大风、冰雹的发生有很好的对应关系，飑线特征明显，近地层入流急流明显，伴随速度模糊和阵风锋特征；降雹单体具有三体散射、中层辐合和风暴顶辐散特征；X波段双偏振相控阵雷达的高时空分辨率观测显示，成熟冰雹云的强反射率因子超过 55 dBZ，强上升气流附近存在明显的差分反射率（ZDR）柱，垂直伸展至高于湿球温度 0 ℃层的高度；双偏振参数还表明，冰雹降落过程中伴有降水。分析认为，地面辐合线的持续维持、风暴内

部上升气流与倾斜下沉气流共存，以及低层辐合与高层辐散配合，是此次飑线得以维持的主要机制。

研究山地突发性降雨过程的基本特征及其动力、热力引起的局地环流，对提高山地环境下突发性暴雨的预报准确性和及时性具有重要意义。本文选取绵阳地区两次山地突发性降雨事件，基于中 国 逐 日 降 水 快 速 融 合 实 况 分 析 产 品（CMA Multi-source  merged Precipitation Analysis System，CMPAS）、FY-2G 卫星相当黑体亮温（Black Body Temperature，TBB）及欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasting，ECMWF）ERA5再分析资料，采用绕流、爬流和过山气流方程进行诊断分析和数值模拟试验。结果表明，两次突发性降雨均发生在西太平洋副热带高压控制的弱天气系统背景下，适宜的水汽条件、高温环境及冷暖空气交汇是暴雨触发的主要因素。山地阻挡作用促使过山气流产生绕流和爬流运动，在暴雨区形成上升运动和局地涡旋。在弱冷空气影响下，爬流运动占主导，爬流与绕流共同促进突发性暴雨的发生与发展；而在强冷空气影响下，二者对暴

雨的促进作用减弱。暴雨区内绕流和爬流与降水强度耦合。降雨过程中，地面热源输入的消失导致降雨区附近地表热力扰动明显减弱，使盆地西部难以形成局地环流，进而削弱绕流和爬流，同时辐合区消失，导致数值模拟区域降水量明显减少，强降水中心消失。两次降雨过程中数值模拟试验结果均表明，相较于感热，潜热对降水起主要作用。

2021年8月7日20：00—8日20：00四川盆地东北部地区发生了一次极端暴雨过程，其日降雨量和夜雨阶段的小时雨量突破历史极值。本文利用气象观测资料、多普勒雷达及 ERA5再分析资料对此次过程的演变及成因进行分析。结果表明：1）过程发生前700 hPa假相当位温（θse）偏离气候平均值2.5倍标准差，700、850、925 hPa比湿均偏离2倍标准差以上；2）稳定的地面辐合区和中低层低涡切变系统持续触发新生对流，并不断与原有对流系统合并形成“列车效应”，确保原对流系统维持发展；3）低层暖湿空气与干冷空气交汇形成稳定的θse锋区，形成的经向暖湿上升气流与纬向次级闭合环流的上升气流共同作用，为对流系统提供稳定的能量和水汽输送；700 hPa附近的辐合风场配合中低层经向次级环流中下沉偏北气流的阻挡作用，使对流系统呈现准静止“后向传播”特征，有利于此次极端暴雨的形成。

基于分布式降雨径流汇流模型，采用分钟级雷达定量降雨估测数据和 12.5 m 分辨率地形数据，并利用双溪水文站的实测数据进行模型参数本地化，对 2022年 7月 16日绵阳市北川县白什乡的山洪泥石流进行精细化模拟，回溯其径流形成与汇流过程，并分析灾害成因。结果表明，本地化后的径流汇流模型在水深模拟方面与实测数据拟合度较高，确定性系数 R2达 0.86，最大水深误差为0.25 m，水深涨幅误差为0.59 m，产流时间误差为0.1 h，均在可接受范围内，为后期模拟与分析奠定良好基础。2022年7月16日00：00（北京时）起，北川县持续降雨8.0 h，降雨强度达大暴雨等级。降雨中心位于白什乡灾害点及其上游的青片河和铁洞河流域，大雨及以上降水覆盖整个流域的70%，暴雨更是遍及中下游区域。流域内最大小时雨量达 30 mm，最大累计雨量 120 mm，中下游区域平均面雨量为 88 mm。降雨持续时间长、强度高、覆盖范围广，是此次山洪的主要诱因。此外，流域地形落差大、河道狭窄，持续性暴雨加剧水流速度并推高河道水深，多个点位水流速度超过 3.3 m·s-1；青片河下游水深持续上涨2.0 h，洪峰水深达15.4 m并持续2.6 h，为下游灾害点提供了主要径流；白什乡灾害点的洪峰水深高达 21.0 m 并在高位持续 3.0 h。复杂地形条件下的持续性暴雨导致小流域发生大规模山洪，造成河道沿岸多个村落不同程度被淹没。研究区位于龙门山断裂带中心，是“5·12”汶川大地震的重灾区，区域内泥石流和滑坡隐患点多达 23处。特大山洪剧烈冲刷泥石流物源引发山洪泥石流，对白什乡场镇造成毁灭性破坏。

研究青藏高原及周边地区夏季大气热源与川渝盆地高温日数变化的关系对川渝盆地高温预测及高温干旱灾害防御有重要意义。基于 1979－2022年川渝盆地 125个气象站的夏季（6—8月）日最 高 气 温 资 料 和 NCEP/NCAR（National Center for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）逐月再分析资料，分析了川渝盆地夏季高温日数的时空分布特征及其年际变化与青藏高原及周边大气热源的关系。结果表明：盆地高温日数EOF（Empirical Orthogonal Function）第一模态表现为全区一致型，高温日数在1979－2022年呈明显增多趋势，且存在明显的年际和年代际变化。夏季盆地高温日数年际变化与高原东部及其东侧大气热源强度关系密切，当高原关键区大气热源偏弱（强）时，盆地高温日数明显偏多（少）。在年际尺度上，当高原东部及其东侧热源偏弱时，南亚高压偏东偏北，西太平洋副热带高压偏西偏北，从西太平洋和南海以及孟加拉湾向盆地输送的水汽减弱，配合盆地上空显著的下沉运动异常，导致降水偏少，高温日数偏多。同时，盆地上空总云量偏少，到达地面的太阳短波辐射通量显著增加，导致地面气温升高，高温日数偏多。当高原东部及其东侧大气热源偏强时，环流异常形势有利于盆地高温日数偏少。

气候过渡区作为“陆-气耦合”热点地区，当前研究多集中于该区域陆-气耦合时空分布及水热条件的影响，缺乏对多因子协同作用及不同生态系统耦合度差异的研究。本文基于站点观测资料，聚焦陆面水、热、生因子与地表通量的耦合关系，对比分析不同生态系统之间单因子和多因子陆-气耦合度差异，评估各陆面因子对耦合度的贡献。结果表明，单因子耦合中，稀疏植被的潜热与叶面积指

数耦合强度最强，农田的潜热与土壤温度耦合强度最强；草地、森林和农田的感热与土壤温度耦合最强。多因子耦合度明显优于单因子，多因子与潜热的耦合度在森林和稀疏植被有明显提升，与感热的耦合在稀疏植被明显增强。各因子对地表通量的贡献中，草地感热和潜热分别由热力和生态因子主导；稀疏植被潜热由水分、生态因子共同主导，感热由热力因子主导；农田和森林的潜热和感热由热力因子主导。干旱条件下，水分和生态因子对多数生态系统中潜热和感热的贡献增大。

中国西北极端干旱区戈壁广布，风大沙多，灾害频发。充分了解戈壁沙尘运动基本规律是灾害预警与科学防治的重要前提。鉴于目前难以精准预测瞬时输沙率，探讨风沙事件中气流与沙尘特征物理量的统计规律，进而开展统计预测，也许是在秒及以下时间尺度上建立风和沙之间定量关系的可行之路。本研究借鉴湍流统计理论的思路和方法，利用 Hilbert-Huang变换分析 4个戈壁沙尘运动野外观测数据集。结果表明，沙尘事件中的风速、跃移沙粒动能与个数、粉尘浓度等时间序列的 Hilbert 边际谱均符合幂次标度律，沙尘特征量和风速的标度指数范围分别为 0.78~1.51 和0.59~1.47。

明确气候变化背景下黑龙江省多尺度干旱时空特征，对于防灾减灾、保障粮食安全至关重要。基于 1961—2023 年黑龙江省水平分辨率为 1°×1°的 NCEP（National Center for Environmental Prediction）和 GPCC（Global Precipitation Climatology Centre）月尺度格点气象数据，计算不同时间尺度的标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI），使用 K-means 聚类方法，将黑龙江省分为3个区域，分析1961—2023年黑龙江省不同干旱分区、多时间尺度气象干旱时空特征。结果表明：1961—2023年黑龙江省 SPEI指数表现出明显的波动，北部山区 4月 SPEI呈现显著减小趋势，而中西平原区和东南区在不同时间尺度下 SPEI呈增加趋势，表明黑龙江省不同区域的干湿状况存在显著的空间差异。黑龙江省气象干旱主要以大范围群发的形式出现，有两个明显的高发期，分别是 1967—1989 年和 1999—2011 年；夏季干旱影响范围普遍大于春季。最近气候期（1991—

2020 年）黑龙江省的干旱频次增加、强度增强，这一趋势对区域的生态安全和可持续发展构成了挑战。

干旱胁迫是限制作物生长的主要因素，研究春玉米（Zea mays L.）苗期光合特性与生理抗旱机制，对有效抗御干旱、促进作物产量形成等方面具有重要意义。以春玉米为研究对象，采用盆栽试验，设置对照处理（简称“CK”处理）、轻度干旱（T1）、中度干旱（T2）、重度干旱（T3）4种梯度，研究不同干旱程度下春玉米七叶期叶片的光合生理特征及其抗旱机制。结果表明：干旱显著降低了春玉米叶片的净光合速率（Pn ）及最大净光合速率（Pnmax）；光响应曲线的初始斜率（α0 ）、暗呼吸速率（Rd ）、表观量子效率（Apparent Quantum Efficiency，AQE）在中度、重度干旱处理下显著下降，光饱和系数（γ0 ）显著增加，叶片的光能利用率显著下降；蒸腾速率（Tr ）随着干旱胁迫的加剧逐渐降低，水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）在中度干旱处理下显著增加，重度干旱下显著降低；气孔导度（Gs ）随着干旱胁迫的加剧逐渐下降，轻度、中度干旱处理下净光合速率下降的因素以气孔限制为主，轻度干旱下存在气孔非均匀关闭现象，重度干旱下胞间CO2浓度（Ci ）显著上升，气孔限制值（Ls ）显著降低，以非气孔限制为主导因素。

系统研究干旱演变特征及植被对干旱的响应，对防旱减灾、水资源管理和策略制定具有重要意义。本研究以新疆、青海和甘肃三省为研究区域，基于1963—2022年CN05.1数据计算标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，PEI），结合2003—2022年植被归一化指数NDVI，应用游程理论、Theil-Sen趋势检验、Mann-Kendall显著性检验、回归分析等方法，分析西北地区中西部不同时间尺度的干旱演变特征，并探讨干旱对植被的影响。结果表明，近60 a来，研究区在年代际和年际尺度上呈现干旱化趋势，1998年为干旱突变年；新疆东部和南部、柴达木盆地及河西走廊的干旱化趋势更为明显，干旱程度以轻旱和中旱为主，河西走廊中旱发生频率（大于 15.00%）明显高于其他地区。干旱变化具有12 a、30 a和46 a的周期特征并具有明显的季节差异。春、夏、秋季西北地区中西部具有明显干旱化趋势，其中秋季SPEI减小速率为-0.034 a-1，干旱化趋势最突出；尤其是河西走廊，春、夏、秋季 SPEI减小速率均小于-0.030 a-1，表明该地区连旱可能性较高，同时干旱历时、烈度峰值和平均干旱烈度均较高。塔里木盆地春秋季的干旱程度亦较为突出。干旱对植被变化具有一定的影响。与 2003—2012 年相比，2013—2022 年 NDVI 退化面积增加约 3.52%。近 20 a 来植被退化区域主要分布在新疆西部、青海东部和南部，NDVI与SPEI呈正相关。