利用NCEP再分析资料、地面观测资料、多普勒雷达资料、风廓线雷达资料、FY-4A卫星资料、雷达变分同化分析系统输出的高分辨率分析场资料对2018年8月13日17:30发生在天津静海地区的EF3级强龙卷过程进行分析，结果表明：此次过程为发生在线状对流中的强龙卷，且引发龙卷的对流风暴不具备超级单体风暴典型特征，龙卷形成后，在涡旋不断加强的基础上，旋转中心不断下降，且TVS的伸展厚度不断增大。两个线状对流之间新单体的形成发展促使了线状对流的合并，新生对流单体强回波接地时间与龙卷的发生时间有较好的对应关系。在龙卷发生前20 min，分别位于两条边界层辐合线北侧和西侧的偏北风和前方入流的偏东风构成了中低压的辐合旋转流场，当雷暴出流与龙卷发生地的局地风垂直切变中心（在180 m高度可达90×10-3 s-1）相遇，辐合线上水平分布极不均匀的上升运动迫使水平涡管倾斜，加强了垂直涡度，涡管在垂直方向上被拉伸，根据角动量守恒，旋转加强形成龙卷母体涡旋，因此，发生在线状对流中的强龙卷虽然在对流模态上与超级单体龙卷不同，但龙卷母体涡旋形成的物理机理是一致的。

2018年7月15—17日，北京遭遇当年入汛以来最强降水过程。该过程具有持续时间长、累计雨量大、局地雨强强等特点。针对小时降水量阶段性减弱的特征，对该过程不同阶段三类对流风暴及其强降水特点进行了对比分析。结果表明： 16日凌晨副热带高压边缘暖区强降水主要由低质心型对流风暴造成，该时段暖湿层结深厚，垂直风切变较弱；对流系统具有类似热带强降水型风暴特征，加之“列车效应”影响，导致北京密云出现极端强降水；高质心型对流风暴出现在16日至17日凌晨，受高空槽和副热带高压共同影响，中层有干空气侵入，整层垂直风切变较强；对流系统存在悬垂结构特征，但局地性强、移速快，其造成的最大降水量要弱于低质心型对流风暴；混合型对流风暴对应17日高空槽过境的强降水，该时段能量和水汽条件较前期明显减弱；对流风暴的强度和降水量级在三类风暴中最弱。不同类型对流风暴对应的环境条件、结构特征及其移动传播特点决定了该过程不同阶段的降水强度和量级。

采用百分位法和1981—2010年30年逐年日降水量资料，设置了河南省极端暴雨阈值和区域极端暴雨标准，据此选取1981—2016年河南省极端暴雨个例13例，使用欧洲中期天气预报中心1°×1°再分析资料（ERA-Interim）对其环境参数进行分析，发现：表征大气水汽、动力及不稳定条件的环境参数，如850 hPa比湿和涡度、700 hPa垂直速度和V风分量，200 hPa散度、整层可降水量、K指数、0～3 km垂直风切变等，在极端暴雨过程中的平均值远远偏离其气候平均值，上述环境参数对极端暴雨预报有指示意义；环境参数的标准差倍数与降雨量具有较好相关性，二者的分位值基本沿y=x的对角线分布，环境参数标准差倍数分位值≥80%时，对异常降水（降水分位≥90%）有明显正相关；而环境参数标准差倍数分位较低时（<40%），则更多对应了小量级降水。单一环境参数的异常往往不能体现降水异常程度，基于对极端暴雨有明确指示意义的8个环境参数，组建了极端暴雨指数（ERI），经13例极端暴雨个例回代和预报效果评估，ERI≥0.7时，极端暴雨TS评分达35%，漏报率为27%，空报率为49%，可将其作为极端暴雨预报的参考阈值。2018年“温比亚”台风极端暴雨过程中应用表明，该指数对极端暴雨落区预报有较好参考意义。

基于强降水发生的物理机制，采用“配料法”综合动力、水汽、不稳定物理诊断参数，构建了综合强降水指数THWC（temperature, helicity and water condensation）。运用NCEP/NCAR再分析资料计算THWC指数，对2018年第14号台风摩羯北上影响海河流域期间进行诊断分析，结果表明，THWC指数对未来6 h台风偏北侧暴雨区分布及中心量级预报准确。选取2012—2018年影响流域的北上台风个例，进行普适性检验表明:标准化后的ZTHWC指数更具有普适性，解决了THWC指数对暴雨中心量级预报可能出现的不稳定性问题；ZTHWC指数与未来6 h的台风中心暴雨落区及中心量级大小均具有较好的对应关系，且北上台风环流越完整，两者的吻合度越高，因此可以将ZTHWC指数作为北上台风暴雨的定量预报指标。

采用中尺度气象模式WRF结合自动站观测资料，对天津城区及附近发生的一次局地降水过程进行数值模拟和敏感性试验，研究了城市环境（城市地表、城市大气污染）对降水发生发展的影响。结果表明：城市地表引起的热岛环流，叠加海风环流后，改变了辐合线的位置和强度，直接影响了对流降水的发生及落区。城市大气污染状况可影响对流发展后的强度及降水量，敏感性试验结果显示气溶胶浓度增大后区域平均降水量增加约25%；气溶胶的增雨效应主要表现在可增进对流云中液态水和冰相物质含量，增多的液态水物质被强的上升气流抬升到较高处冻结形成冰晶，这一过程中增多的凝结潜热又可促进对流发展，最终导致地面总降水量增多，研究个例中气溶胶浓度增加可使潜热加热率最大增加110 K·h-1。

通过对S波段天气雷达的多普勒速度进行滤波，得到了因生物定向迁飞而产生的雷达径向速度偏差，可有效地区分出定向迁飞生物的跨海迁徙活动。结果表明：通过对雷达同距离多普勒速度进行低通滤波处理，可有效地将定向迁飞生物从大气湍流产生的晴空回波中分离，实现监测定向迁飞生物的跨海迁飞活动。为验证算法，通过对美国KICT雷达2012年9月30日夜间的一次生物迁徙过程进行验证，成功地仅依靠多普勒速度和反射率因子，将定向迁飞的鸟类从昆虫中分离。依照中国农业科学院植物保护研究所长岛有害生物防治野外科学观测实验站的人工观测结果，分析渤海海峡2017年5月30日夜间存在粘虫迁飞的时间段的雷达数据，表明该方法可有效地识别、监测定向迁飞生物在渤海海峡上空的迁飞活动。

利用微脉冲激光雷达观测数据、PM2.5浓度数据、地面气象观测资料和探空数据对成都2017年1月1—6日连续出现的重污染过程进行分析研究。结果表明：激光雷达反演的消光系数演变与PM2.5浓度值变化对应一致，PM2.5浓度升高，近地面消光系数增大；反之，则近地面消光系数减小。对于此次过程，在无冷空气影响时，混合层高度和相对湿度的日变化对消光系数廓线有明显影响，混合层高度降低，大气环境容量减小，相对湿度增加，气溶胶吸湿增长，消光系数增大，地面污染加重。天空状况对气溶胶垂直分布影响显著，晴天或多云天气，早晨强逆温使得水汽和大量气溶胶集中在逆温层顶以下区域，地面污染严重；中午混合层发展，使得混合层内的气溶胶均匀混合，气溶胶层变厚，近地面消光系数显著减小，地面污染减轻。在前一日为晴天或多云天气，当天为阴天时，早上气溶胶明显分为两层，一层在近地面，另一层在残留层顶附近；中午由于垂直湍流增强，一部分残留层气溶胶向下混合至混合层内，使得混合层内的气溶胶粒子增多，地面污染加重，消光系数明显增加。近地面强逆温层、混合层高度降低、残留层气溶胶向下混合、相对湿度增加均是导致地面污染加重的原因。

利用连云港市气象和环境监测数据，分析2008—2018年该地区霾的变化特征及其与气象要素的关系，中-重度霾发生的天气背景和污染物源地特征。主要得到以下结论：连云港主城区霾日数从2011年起逐年显著增加，2013—2015年达峰值，之后逐年减少；冬季霾出现最为频繁，其中1月重度霾日数最多；1~2 m·s-1风速最利于该地区霾的形成；WNW、WSW和SSW三个风向下连云港主城区霾出现的频率最高，受地形和工业布局等因素影响，在自海上来的偏东风下该地区霾出现的频率也较高。相对湿度在70%~80%时，霾出现频率最高，但更高相对湿度更利于中-重度霾形成。PM2.5浓度与能见度、风速和相对湿度等气象要素的相关性均大于PM10。根据地面环流形势，可将连云港地区霾的天气背景分为低压倒槽型、锋前型、高压前部型、高压后部型和均压场型5种，其中均压场型占比最大，达35.8%。逆温层结对中-重度霾的形成有较好指示作用，08时和20时逆温出现的频次和强度均大于14时。轨迹聚类分析表明，不同天气型下中-重度霾对应气团的源地、路径和移动距离均有明显差异。

在郑州农业气象试验站开展不同程度干旱、灌溉试验，研究了不同水分条件对冬小麦根系活力、形态及产量的影响。结果表明，干旱条件下，冬小麦根系活力和根直径均有明显的降低，根长有明显增加，土壤下层所占根系总体积比例增大，且随着发育期的推进，下层根系所占比例呈现增大的趋势，水分利用效率有明显提高；随着干旱程度的增加，上述变化趋势更加明显。在灌溉量相同的情况下，越冬期灌溉，有利于冬小麦根系活力和根直径增加，但不利于根系的向下伸展；返青期和拔节期灌溉有利于根系向下伸展、水分利用效率提高、理论产量增加，但不利于根系活力和直径的增加；拔节期灌溉，可适当增大灌溉量，减少灌溉次数，以提高水分利用效率。综合根系形态和活力、水分利用效率及产量，在冬小麦干旱持续发生条件下，在返青期、孕穗期灌水600 m3·hm-2左右，可根据干旱程度适当增减灌水量，重旱条件下适当增加灌水次数，少量多灌缓解旱情，而重大干旱年份灌水困难条件下可只在拔节期灌水600 m3·hm-2，以实现产量的减损和节水效果。

2019/2020年冬季，我国大部分地区气温显著偏高，降水异常偏多，气候总体表现为“暖湿”的异常特征。异常成因分析表明：2019/2020年东亚冬季风强度较常年同期偏弱，西伯利亚高压异常偏弱，季节内冬季风强度阶段性变化特征显著；北极极涡收缩于极地，强度偏强，AO为异常偏强的正位相，乌拉尔山阻塞高压活动偏弱，东亚槽偏弱，欧亚中高纬以纬向环流为主；西太平洋副热带高压强度偏强、位置偏西偏北，印缅槽阶段性活跃，二者有利于太平洋和印度洋水汽向我国输送。受北半球环流异常的影响，我国冬季出现了“暖湿”的异常特征。进一步对东亚冬季风偏弱的可能原因分析表明：2019年秋冬季赤道中太平洋暖海温发展，2019年10月至2020年1月Ni〖AKn~D〗o3.4指数均大于0.5℃，这种类中部型El Ni〖AKn~D〗o海温异常有利于激发偏强、偏北的西北太平洋反气旋，进而抑制了东亚冬季风的发展和南下；此外，冬季北半球极涡收缩于极地，强度偏强，AO持续异常偏强的正位相，均不利于乌拉尔山阻塞高压的发展，且东亚大槽明显偏弱，共同导致了欧亚中高纬地区以纬向环流为主，东亚冬季风偏弱。

2020年4月大气环流呈单极型分布，中高纬环流为三波型，西太平洋副热带高压强度与常年相当，南支槽较常年偏弱。4月全国平均气温为11.2℃，接近常年同期，全国共有18个站日降温幅度达到极端事件标准。全国降水量为33.7 mm，较常年同期（45.1 mm）偏少25.3%。月内共出现2次主要冷空气过程，4次大范围降雨过程；云南气象干旱缓解，长江以北多地气象干旱发展；北方地区出现1次沙尘暴天气，较常年同期明显偏少。

利用NCEP再分析资料、地面观测资料、多普勒雷达资料、风廓线雷达资料、FY-4A卫星资料、雷达变分同化分析系统输出的高分辨率分析场资料对2018年8月13日17:30发生在天津静海地区的EF3级强龙卷过程进行分析，结果表明：此次过程为发生在线状对流中的强龙卷，且引发龙卷的对流风暴不具备超级单体风暴典型特征，龙卷形成后，在涡旋不断加强的基础上，旋转中心不断下降，且TVS的伸展厚度不断增大。两个线状对流之间新单体的形成发展促使了线状对流的合并，新生对流单体强回波接地时间与龙卷的发生时间有较好的对应关系。在龙卷发生前20 min，分别位于两条边界层辐合线北侧和西侧的偏北风和前方入流的偏东风构成了中低压的辐合旋转流场，当雷暴出流与龙卷发生地的局地风垂直切变中心（在180 m高度可达90×10-3 s-1）相遇，辐合线上水平分布极不均匀的上升运动迫使水平涡管倾斜，加强了垂直涡度，涡管在垂直方向上被拉伸，根据角动量守恒，旋转加强形成龙卷母体涡旋，因此，发生在线状对流中的强龙卷虽然在对流模态上与超级单体龙卷不同，但龙卷母体涡旋形成的物理机理是一致的。

2018年7月15—17日，北京遭遇当年入汛以来最强降水过程。该过程具有持续时间长、累计雨量大、局地雨强强等特点。针对小时降水量阶段性减弱的特征，对该过程不同阶段三类对流风暴及其强降水特点进行了对比分析。结果表明： 16日凌晨副热带高压边缘暖区强降水主要由低质心型对流风暴造成，该时段暖湿层结深厚，垂直风切变较弱；对流系统具有类似热带强降水型风暴特征，加之“列车效应”影响，导致北京密云出现极端强降水；高质心型对流风暴出现在16日至17日凌晨，受高空槽和副热带高压共同影响，中层有干空气侵入，整层垂直风切变较强；对流系统存在悬垂结构特征，但局地性强、移速快，其造成的最大降水量要弱于低质心型对流风暴；混合型对流风暴对应17日高空槽过境的强降水，该时段能量和水汽条件较前期明显减弱；对流风暴的强度和降水量级在三类风暴中最弱。不同类型对流风暴对应的环境条件、结构特征及其移动传播特点决定了该过程不同阶段的降水强度和量级。

采用百分位法和1981—2010年30年逐年日降水量资料，设置了河南省极端暴雨阈值和区域极端暴雨标准，据此选取1981—2016年河南省极端暴雨个例13例，使用欧洲中期天气预报中心1°×1°再分析资料（ERA-Interim）对其环境参数进行分析，发现：表征大气水汽、动力及不稳定条件的环境参数，如850 hPa比湿和涡度、700 hPa垂直速度和V风分量，200 hPa散度、整层可降水量、K指数、0～3 km垂直风切变等，在极端暴雨过程中的平均值远远偏离其气候平均值，上述环境参数对极端暴雨预报有指示意义；环境参数的标准差倍数与降雨量具有较好相关性，二者的分位值基本沿y=x的对角线分布，环境参数标准差倍数分位值≥80%时，对异常降水（降水分位≥90%）有明显正相关；而环境参数标准差倍数分位较低时（<40%），则更多对应了小量级降水。单一环境参数的异常往往不能体现降水异常程度，基于对极端暴雨有明确指示意义的8个环境参数，组建了极端暴雨指数（ERI），经13例极端暴雨个例回代和预报效果评估，ERI≥0.7时，极端暴雨TS评分达35%，漏报率为27%，空报率为49%，可将其作为极端暴雨预报的参考阈值。2018年“温比亚”台风极端暴雨过程中应用表明，该指数对极端暴雨落区预报有较好参考意义。

基于强降水发生的物理机制，采用“配料法”综合动力、水汽、不稳定物理诊断参数，构建了综合强降水指数THWC（temperature, helicity and water condensation）。运用NCEP/NCAR再分析资料计算THWC指数，对2018年第14号台风摩羯北上影响海河流域期间进行诊断分析，结果表明，THWC指数对未来6 h台风偏北侧暴雨区分布及中心量级预报准确。选取2012—2018年影响流域的北上台风个例，进行普适性检验表明:标准化后的ZTHWC指数更具有普适性，解决了THWC指数对暴雨中心量级预报可能出现的不稳定性问题；ZTHWC指数与未来6 h的台风中心暴雨落区及中心量级大小均具有较好的对应关系，且北上台风环流越完整，两者的吻合度越高，因此可以将ZTHWC指数作为北上台风暴雨的定量预报指标。

采用中尺度气象模式WRF结合自动站观测资料，对天津城区及附近发生的一次局地降水过程进行数值模拟和敏感性试验，研究了城市环境（城市地表、城市大气污染）对降水发生发展的影响。结果表明：城市地表引起的热岛环流，叠加海风环流后，改变了辐合线的位置和强度，直接影响了对流降水的发生及落区。城市大气污染状况可影响对流发展后的强度及降水量，敏感性试验结果显示气溶胶浓度增大后区域平均降水量增加约25%；气溶胶的增雨效应主要表现在可增进对流云中液态水和冰相物质含量，增多的液态水物质被强的上升气流抬升到较高处冻结形成冰晶，这一过程中增多的凝结潜热又可促进对流发展，最终导致地面总降水量增多，研究个例中气溶胶浓度增加可使潜热加热率最大增加110 K·h-1。

通过对S波段天气雷达的多普勒速度进行滤波，得到了因生物定向迁飞而产生的雷达径向速度偏差，可有效地区分出定向迁飞生物的跨海迁徙活动。结果表明：通过对雷达同距离多普勒速度进行低通滤波处理，可有效地将定向迁飞生物从大气湍流产生的晴空回波中分离，实现监测定向迁飞生物的跨海迁飞活动。为验证算法，通过对美国KICT雷达2012年9月30日夜间的一次生物迁徙过程进行验证，成功地仅依靠多普勒速度和反射率因子，将定向迁飞的鸟类从昆虫中分离。依照中国农业科学院植物保护研究所长岛有害生物防治野外科学观测实验站的人工观测结果，分析渤海海峡2017年5月30日夜间存在粘虫迁飞的时间段的雷达数据，表明该方法可有效地识别、监测定向迁飞生物在渤海海峡上空的迁飞活动。

利用微脉冲激光雷达观测数据、PM2.5浓度数据、地面气象观测资料和探空数据对成都2017年1月1—6日连续出现的重污染过程进行分析研究。结果表明：激光雷达反演的消光系数演变与PM2.5浓度值变化对应一致，PM2.5浓度升高，近地面消光系数增大；反之，则近地面消光系数减小。对于此次过程，在无冷空气影响时，混合层高度和相对湿度的日变化对消光系数廓线有明显影响，混合层高度降低，大气环境容量减小，相对湿度增加，气溶胶吸湿增长，消光系数增大，地面污染加重。天空状况对气溶胶垂直分布影响显著，晴天或多云天气，早晨强逆温使得水汽和大量气溶胶集中在逆温层顶以下区域，地面污染严重；中午混合层发展，使得混合层内的气溶胶均匀混合，气溶胶层变厚，近地面消光系数显著减小，地面污染减轻。在前一日为晴天或多云天气，当天为阴天时，早上气溶胶明显分为两层，一层在近地面，另一层在残留层顶附近；中午由于垂直湍流增强，一部分残留层气溶胶向下混合至混合层内，使得混合层内的气溶胶粒子增多，地面污染加重，消光系数明显增加。近地面强逆温层、混合层高度降低、残留层气溶胶向下混合、相对湿度增加均是导致地面污染加重的原因。

利用连云港市气象和环境监测数据，分析2008—2018年该地区霾的变化特征及其与气象要素的关系，中-重度霾发生的天气背景和污染物源地特征。主要得到以下结论：连云港主城区霾日数从2011年起逐年显著增加，2013—2015年达峰值，之后逐年减少；冬季霾出现最为频繁，其中1月重度霾日数最多；1~2 m·s-1风速最利于该地区霾的形成；WNW、WSW和SSW三个风向下连云港主城区霾出现的频率最高，受地形和工业布局等因素影响，在自海上来的偏东风下该地区霾出现的频率也较高。相对湿度在70%~80%时，霾出现频率最高，但更高相对湿度更利于中-重度霾形成。PM2.5浓度与能见度、风速和相对湿度等气象要素的相关性均大于PM10。根据地面环流形势，可将连云港地区霾的天气背景分为低压倒槽型、锋前型、高压前部型、高压后部型和均压场型5种，其中均压场型占比最大，达35.8%。逆温层结对中-重度霾的形成有较好指示作用，08时和20时逆温出现的频次和强度均大于14时。轨迹聚类分析表明，不同天气型下中-重度霾对应气团的源地、路径和移动距离均有明显差异。

在郑州农业气象试验站开展不同程度干旱、灌溉试验，研究了不同水分条件对冬小麦根系活力、形态及产量的影响。结果表明，干旱条件下，冬小麦根系活力和根直径均有明显的降低，根长有明显增加，土壤下层所占根系总体积比例增大，且随着发育期的推进，下层根系所占比例呈现增大的趋势，水分利用效率有明显提高；随着干旱程度的增加，上述变化趋势更加明显。在灌溉量相同的情况下，越冬期灌溉，有利于冬小麦根系活力和根直径增加，但不利于根系的向下伸展；返青期和拔节期灌溉有利于根系向下伸展、水分利用效率提高、理论产量增加，但不利于根系活力和直径的增加；拔节期灌溉，可适当增大灌溉量，减少灌溉次数，以提高水分利用效率。综合根系形态和活力、水分利用效率及产量，在冬小麦干旱持续发生条件下，在返青期、孕穗期灌水600 m3·hm-2左右，可根据干旱程度适当增减灌水量，重旱条件下适当增加灌水次数，少量多灌缓解旱情，而重大干旱年份灌水困难条件下可只在拔节期灌水600 m3·hm-2，以实现产量的减损和节水效果。

2019/2020年冬季，我国大部分地区气温显著偏高，降水异常偏多，气候总体表现为“暖湿”的异常特征。异常成因分析表明：2019/2020年东亚冬季风强度较常年同期偏弱，西伯利亚高压异常偏弱，季节内冬季风强度阶段性变化特征显著；北极极涡收缩于极地，强度偏强，AO为异常偏强的正位相，乌拉尔山阻塞高压活动偏弱，东亚槽偏弱，欧亚中高纬以纬向环流为主；西太平洋副热带高压强度偏强、位置偏西偏北，印缅槽阶段性活跃，二者有利于太平洋和印度洋水汽向我国输送。受北半球环流异常的影响，我国冬季出现了“暖湿”的异常特征。进一步对东亚冬季风偏弱的可能原因分析表明：2019年秋冬季赤道中太平洋暖海温发展，2019年10月至2020年1月Ni〖AKn~D〗o3.4指数均大于0.5℃，这种类中部型El Ni〖AKn~D〗o海温异常有利于激发偏强、偏北的西北太平洋反气旋，进而抑制了东亚冬季风的发展和南下；此外，冬季北半球极涡收缩于极地，强度偏强，AO持续异常偏强的正位相，均不利于乌拉尔山阻塞高压的发展，且东亚大槽明显偏弱，共同导致了欧亚中高纬地区以纬向环流为主，东亚冬季风偏弱。

2020年4月大气环流呈单极型分布，中高纬环流为三波型，西太平洋副热带高压强度与常年相当，南支槽较常年偏弱。4月全国平均气温为11.2℃，接近常年同期，全国共有18个站日降温幅度达到极端事件标准。全国降水量为33.7 mm，较常年同期（45.1 mm）偏少25.3%。月内共出现2次主要冷空气过程，4次大范围降雨过程；云南气象干旱缓解，长江以北多地气象干旱发展；北方地区出现1次沙尘暴天气，较常年同期明显偏少。