在气候变暖背景下，昼夜非对称性升温和大气CO2浓度升高成为气候变化的重要特征与驱动因素。气候变化影响水热资源分布，驱动三大粮食作物（小麦、玉米、水稻）的种植结构、种植界限等发生改变，研究主要粮食作物对气候变暖的响应，对保障粮食安全具有重要意义。基于高密度气象台站资料，采用统计方法分析1990年前、后30 a热量资源变化及其对中国三大粮食作物潜在种植区的可能影响；同时，汇总“大田条件下的自由空气增温实验（Free Air Temperature Increase， FATI）”和“控温控CO2的开顶箱实验（Open-Top Chamber， OTC）”多站点试验结果，结合文献荟萃方法，探讨气候变暖对三大作物生育期和产量的影响。 结果表明：1）中国农业热量资源总体在增加，农耕期持续天数和积温显著上升，无霜期延长；极端高温日数普遍增多，部分地区（如陕甘宁）农耕期极端低温日数亦有所增加，极端气象灾害风险加剧。2）三大作物种植北界发生了程度不一的北移，潜在适宜种植面积增加。3）气候变暖初期利于冬小麦生长，过度升温将致发育提前、霜冻风险上升，春小麦生育期缩短、产量受限；CO2浓度升高虽有增产效应，但难以抵消高温带来的不利影响。4）气候变暖通过缩短玉米生育期、减少穗粒数和千粒重，抑制产量形成，夜间增温加剧产量下降；CO2浓度升高对玉米生长与产量的作用有限，增温为主导因子。5）单纯增温对早稻产量有抑制作用，对晚稻则有促进作用；早稻增温削弱CO2的增产效应，晚稻则表现为协同促进，提升产量。
黄淮海地区是我国粮食主要产区，气候变暖使该地区气温升高、蒸发加剧，冬春季干旱化趋势愈发明显，给冬小麦生产带来极大威胁，农业灌溉是保障冬小麦丰产的主要举措，而灌溉成本大小直接影响农业从业者的生产积极性，探讨冬小麦抗旱灌溉效益对于制定惠农政策、切实提高农民种植收益具有现实意义。以该地区冬小麦为研究对象，基于1981—2020年冬小麦发育期数据和同时期气象数据，应用缺水指标k划分干旱年型，并以河南3个站点为例应用世界粮食研究（World Food Studies，WOFOST）模型模拟分析不同干旱年型下灌溉抗旱的成本和收益，以期为提升农业产值和农业保险业务提供参考。结果发现，3站点在冬小麦生长期内均受到不同程度的水分胁迫，并以生长季中后段（4月上旬到收获）出现的干旱对产量形成影响最大。河南北部地区严重干旱年需灌5水，一般干旱年灌4水即可达到最大收益；河南东部水分条件相对较好，一般干旱年灌3水即可，严重干旱年出现概率低暂不做考虑。
为揭示干旱半干旱地区天气形势与气象要素对大气污染的影响机制，基于2016—2022年欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的第五代大气再分析数据集（ERA5），采用自组织映射神经网络（Self-Organizing Map，SOM）对700 hPa位势高度场和风场进行天气分型，并结合二次曲线拟合解析甘肃不同气候区典型城市气象要素与污染物的非线性关系。 结果表明：1）PM10和PM2.5质量浓度与气温整体呈负相关，而O3质量浓度随气温升高非线性增加；低风速（<1 m·s-1）和高风速（>4 m·s-1）下，PM10和PM2.5质量浓度较高，在静风及强风时分别因局地累积和沙尘输送导致颗粒物质量浓度升高，而1~4 m·s-1的风速有利于前体物积累，导致O3质量浓度升高；25%~75%的相对湿度条件下污染物质量浓度较高，但其影响存在区域差异，如干旱区的酒泉，在湿度小于25%条件下由于易发生沙尘天气PM10质量浓度较高，PM2.5由于吸湿增长作用，质量浓度随相对湿度升高而增加，O3在低湿条件下的消耗降低，其质量浓度随相对湿度升高递减。2）冬春季，以西南高压型和东部低槽型为主导，西南高压型下西部强西北风形成污染物输送通道，东部低压槽型下甘肃地区扩散条件差，其大气形势较为稳定，污染物易积累，导致PM10和PM2.5质量浓度显著升高。3）夏秋季，以高压型为主导，充沛的太阳辐射与高温条件促使边界层高度抬升，配合暖湿气流输送，为光化学反应提供有利环境，导致O3质量浓度较高。
基于三源融合降水产品（China Meteorological Administration Multi-source Merged Precipitation Analysis System，CMPAS）和中尺度数值预报系统（China Meteorological Administration Mesoscale Weather Forecast System，CMA-MESO）预报的逐小时降水数据，分析2021年6—9月京津冀特殊地形下降水的分布特征，进一步评估CMA-MESO的预报性能。 结果表明：（1）京津冀地区实况平均小时降水量大值中心主要位于太行山东部和燕山南麓山前迎风坡海拔100~600 m处，CMA-MESO预报的大值区位于山前迎风坡偏向平原一侧；实况小时降水频率大值中心在太行山山前迎风坡偏向山区一侧，降水强度大值中心分布在山前迎风坡和东部平原地区。（2）京津冀山前迎风坡地区实况平均小时降水量随时间呈现双峰型特征，主峰值出现在午后至前半夜，次峰值出现在凌晨；CMA-MESO预报的主峰值时间与实况接近，但平均小时降水量明显偏大。（3）京津冀山前迎风坡地区实况10 mm·h-1以上降水量占比大值时段在午后至前半夜和凌晨；CMA-MESO预报的午后至傍晚时段10 mm·h-1以上降水量偏大，凌晨时段降水量偏小。（4）山前迎风坡地区午后至前半夜降水事件以3 h内的短时降水为主，CMA-MESO较好地把握了这一特征，但预报的短历时降水事件偏多。（5）CMA-MESO预报出了山前迎风坡一侧地形对降水的增幅作用，和山地上空的次级环流，但850 hPa以下比湿预报偏小，14：00（北京时）对流有效位能值明显偏小，也是山前迎风坡降水量存在负偏差中心的原因。
东北地区低温春涝事件是指春季（主要为3—4月）出现的温度持续偏低、降水偏多的气象现象，严重影响春耕春播顺利进行。本文利用1961—2020年东北地区104个国家级气象站逐月气温、降水资料和美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心（National Center for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR）逐月再分析资料，结合海温和相关显著的大气环流指数，通过个例分析，定义了春季低温春涝事件及其判定指标，初步揭示了跨季节尺度下温度、降水等多因子协同作用，以及同期、前期大气环流和海温异常的影响机制。结果表明，春季的持续低温多雨是关键影响因素，而前一年秋季累积降水异常偏多是形成严重低温春涝事件的关键因子；前期冬季北极涛动（Arctic Oscillation，AO）呈负位相、春季西伯利亚高压偏强，东北冷涡和寒潮活跃是重要动力条件；前一年秋冬季发生厄尔尼诺（El Niño）事件时，海温异常有利于东北地区低温春涝事件的发生；当低温春涝事件发生后，东北地区当年春末夏初、盛夏和冬季易出现“旱、涝、旱”交替的现象。
研究江西省短时强降水的变化趋势及其可能成因，以提升短时强降水等极端降水事件的预报预警能力。本文基于1979—2019年江西省84个国家气象观测站的小时降水资料及欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）ERA5大气再分析资料，采用距平化处理、线性倾向估计、Mann-Kendall检验和相关性分析等方法，探究江西省短时强降水的变化趋势及其可能的影响因素。 结果表明：（1）江西省短时强降水具有显著的季节性特征，4—9月的短时强降水频次和占比分别为全年的95.7%和92.4%。（2）根据小时雨量（R），将短时强降水分为20≤R<30 mm（I级）、30≤R<50 mm（Ⅱ级）、R≥50 mm（Ⅲ级）3个级别。其中，I、II级短时强降水的空间分布整体表现为东多西少，山区多于平原和盆地，而III级短时强降水无明显空间分布特征。所有级别的短时强降水年均频次和年占比均呈增长趋势，且在21世纪初发生突变。（3）江西省大气可降水量高值频次距平、低层大气假相当位温距平与江西省短时强降水年均频次距平及其年占比距平呈显著正相关，且相关系数随着短时强降水量级的增加而逐渐降低。短时强降水高、低频年大气环流分析表明，当西太平洋副热带高压和乌拉尔高压异常偏强，并伴随低层异常强盛西南气流时，江西省短时强降水事件偏多，反之则偏少。
伴冻雨的极端暴雪在内蒙古较少出现，研究此类天气对预报预警和灾害防御有重要意义。利用常规气象观测资料、欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料和内蒙古通辽多普勒天气雷达资料，针对2023年11月5—6日内蒙古东南部一次伴冻雨的极端暴雪天气过程，深入分析其发生的环境条件和成因。 结果表明：500 hPa高空冷涡、700 hPa暖式切变线、850 hPa偏东风急流以及北上的地面江淮气旋是此次过程的主要影响系统。冻雨发生时，垂直方向呈现“冷、暖、冷”的层结结构，925~875 hPa存在融化层，雷达基本反射率图中出现零度层亮带；过冷却水粒子和冰晶经零度层亮带进入融化层，之后降落到地面，这一过程符合融化型冻雨的特征。中层西南暖湿气流在低层偏东风形成的冷垫上爬升，产生强烈的动力锋生作用，为极端降雪提供了强劲的动力抬升条件，而强上升运动的存在和长时间维持，是导致极端暴雪天气发生的重要因素。暴雪区低层比湿最大达4~6 g·kg-1，且低层强水汽辐合维持时间长，为极端暴雪提供了充足的水汽供应。综合来看，此次内蒙古东南部伴随冻雨的极端暴雪天气，是高低空系统相互作用、动力锋生触发的垂直抬升以及持续水汽输送共同作用的结果。
为提高浙江省夏季区域性暴雨预报的准确性及落区预测精度，基于2010—2023年浙江省75个国家气象站降水观测数据、欧洲中期天气预报中心第五代ERA5再分析资料（0.25°×0.25°）及2020—2023年浙江省客观预报系统（Objective Consensus Forecasting，OCF）模式降水预报产品（0.05°×0.05°），针对187例浙江夏季区域性暴雨过程，进行天气分型，对各类降水的OCF模式产品进行调整，并检验订正效果。 结果表明：1）频率匹配法通过分级调整显著优化降水预报，对30 mm及以下量级降水向下修正，30 mm以上量级向上补偿，暴雨以上TS评分提升4.2%，命中率提高14.3%。2）通过天气形势分型将暴雨划分为静止锋雨带型、暖式切变型、副高型、台风型、台风倒槽型和冷槽型6类，发现不同暴雨类型对频率匹配法的订正响应存在明显差异。其中，暖式切变型、台风倒槽型和冷槽型暴雨的TS评分分别提升11.8%、39.1%和15.4%（OCF模式完全漏报），台风倒槽型暴雨的命中率提升至60.0%；暖式切变型与冷槽型暴雨的漏报率分别降低20.0%和26.0%。3）分类订正策略有效提升了各类型暴雨预报的TS评分和命中率，暴雨落区预测精度显著改善。
高时空分辨率的风廓线雷达资料在短时降水的临近预报预警中具有重要价值。基于常规气象观测、区域站资料、美国国家环境预报中心（National Center for Environmental Prediction，NCEP）再分析资料及风廓线雷达组网数据，对2023年山东入汛以来首场大范围暴雨过程进行分析，结果表明，此次过程受高空槽、低涡、低空急流及中尺度切变线共同影响，6月27日为暖区对流，28日以低涡引发的短时强降水为主；强降水主要位于中尺度切变线右侧的正涡度平流区及辐合中心上空，低层辐合与高层辐散的垂直配置为强对流发生提供动力条件；1 km以下超低空风场变化对强降水具有指示意义，低空急流下探及水平风脉动与降水强度呈一定正相关；强降水前1.0 h内低空急流指数与垂直风切变明显增强，降水结束前风切变迅速减弱，近地层出现强切变，风廓线雷达在识别短时强降水临近特征方面具有明显优势。
为提升雷暴大风预警信号的有效性，并在准确率与时间提前量之间实现科学平衡，基于2016—2023年上海地区245个自动气象站观测资料及9个区气象台预警信号，采用百分位法与天气学分型方法，对雷暴大风预警信号进行系统评估。 结果表明，雷暴大风主要发生在4—8月，7月最为频繁；其日变化特征表现为午后至夜间高发；沿江沿海地区易出现特强雷暴大风；雷暴大风预警信号的集中发布时间较实况峰值提前约1 h。整体有效性评分为14.1分（总分100分），特强雷暴大风的平均得分为28.2分，其中暖式切变型得分最高（49.2分），静止锋切变型最低（12.1分）。副热带高压边缘型及静止锋切变型雷暴大风过程中，西北太平洋副热带高压强度偏强、位置偏西。个例分析显示，东北冷涡影响下的高空冷涡型特强雷暴大风预警得分相对较高，但与其他过程类似，当风力达到12级以上时，预警发布时间往往滞后于实况。副高边缘型雷暴大风影响范围较广，各区预警发布普遍及时，有效性评分整体较高。
研究爆发性气旋背景下极端雨雪天气的形成机制，对冬季降水预测与雪灾防御具有重要意义。本文基于常规气象观测资料和ERA5再分析资料，从影响系统、水汽条件、动力机制及热力作用等方面，对比分析了2021年11月6—9日（简称“过程Ⅰ”）与2023年11月5—7日（简称“过程Ⅱ”）辽宁地区两次极端雨转暴雪过程的成因与特征。结果表明，高空冷涡与地面爆发性气旋的共同作用是两次过程形成和发展的关键，高低空急流耦合为极端雨雪天气提供了强动力支撑，强降水主要分布在地面气旋北侧；条件性对称不稳定是两次极端雨雪天气的主要动力机制，低层锋区明显，水汽辐合区与锋区配合，有利于强降水形成。低层抬升运动、锋区与水汽辐合区的相位差异，是导致两次过程降水中心强度差异的主要原因。动力与水汽条件的共同作用以及温度条件共同决定降水相态，其中，低层冷锋强度及冷空气入侵时间影响降水相态的转变及雨雪分布。
为深入了解贵州省气候舒适度的时空演变特征，并为地方旅游产业发展规划提供科学依据，基于贵州省77个国家气象站1974—2023年逐日气象数据，采用综合舒适指数（Comprehensive Comfort Index，CCI）和室外天气舒适指数（Outdoor Weather Comfort Index，OWCI）评价模型，结合最小二乘法、皮尔逊相关分析与M-K突变检验等方法，分析了贵州省气候舒适日数的时空变化特征及其对环境变化的响应。结果表明，CCI与OWCI两种指数模型具有相似的时空变化特征，均能较好地反映贵州省气候舒适度，其中CCI可以更好地反映通过穿衣调节应对不舒适气候的能力，对年尺度气候变化响应更优，OWCI则对环境气象条件变化响应更迅速，在月尺度上表现更好。在气候变化和环境因素共同作用下，贵州省3月及11月的气候舒适日数显著增加，而6—9月则显著减少，其中3月气候舒适日数呈显著增加趋势的站点占比最高，7—8月呈显著减少趋势的站点最多。总体而言，贵州省1—3月及11—12月南部低海拔地区、5—9月西部高海拔地区、4月及10月大部分地区气候舒适度条件较好。
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。
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。
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。
为了克服传统气象干旱指数在计算时依赖历史同期气候概率数据的不足，本文建立了能够反映土壤干旱程度但只需当期降水量、蒸发量资料的气象干旱指数。根据土壤水分平衡方程，结合土壤干旱等级，利用干土层表土蒸发强度与水面蒸发强度关系和土壤蒸发计算方法，推导出在累积降水量-累积蒸发量坐标系中的各干旱等级临界线表达式，4条临界线表达式分别对应轻旱、中旱、重旱、特旱4个干旱等级。通过前向逐日滚动计算，将累积降水量、累积蒸发量构成的坐标点到相应临界线距离最大的点作为该临界线的最大距离点，在各临界线最大距离点中以位于最高干旱等级区且离下方最近临界线距离最大的坐标点确定干旱等级，由该坐标点到各临界线的距离构造土壤干旱等级距离指数，反映土壤干旱等级。将土壤干旱等级距离指数与土壤水分测量数据和干旱灾情记录进行比较，发现该指数变化与土壤水分变化高度负相关，与实际干旱影响有很高的一致性。土壤干旱等级距离指数具有物理意义明确、计算方便、时间尺度短等优点，对干旱监控实际业务具有重要意义。
基于气象、水文观测及NCEP/NCAR（National Center for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）再分析数据对黄河上游主要汇流区夏季复合干热事件变化特征及其成因以及对径流的影响进行了分析与探讨。结果表明，在平均空间分布上，黄河上游主要汇流区夏季高温日数从西南到东北逐渐增多，而夏季降水量正好相反；从时空分布看，1961年以来黄河上游主要汇流区夏季高温日数呈一致增多趋势；夏季降水从长期趋势看呈一致波动变化，但2000年以后呈一致增加趋势；复合干热事件本世纪以来显著增多。在多时间尺度变化上，黄河上游主要汇流区夏季复合干热事件主要以年际和趋势变化为主。环流影响因子方面，黄河上游主要汇流区夏季复合干热事件变化受多环流因子共同影响，但在不同时间尺度上影响因子差异较大，年际尺度上西风环流、东亚夏季风、南亚夏季风、高原夏季风及北风环流的影响程度均较弱，年代际尺度上主要受高原夏季风环流影响，多年代际尺度上同时受西风环流、东亚夏季风、南亚夏季风、高原夏季风及北风环流共同影响。大尺度环流背景场上，西太平洋副热带高压偏西偏强、缺少异常的西南水汽输送及垂直场上异常的下沉运动是本世纪以来黄河上游主要汇流区夏季复合干热事件增多的主要原因。黄河上游主要汇流区夏季复合干热事件的增加会使得流域兰州站的径流量减少，而1998年以来黄河兰州段径流量的增加主要原因是降水增加。
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