本文专家：中国气象局气象探测中心工程师 赵世颖 高级工程师 陶法 茆佳佳

北京冬奥会期间，布设在北京市海淀区、延庆区的气溶胶激光雷达每日提供《冬奥气象服务监测快报》和《冬奥气象服务监测日报》，为有关部门了解赛区空气质量提供了有力支撑，这也是历时5年的超大城市垂直综合气象观测技术研究及试验（以下简称“超大城市气象观测试验”）的成果之一。

自筹设备开展10余个大城市垂直观测试验

近年来，我国超大城市及城市群气象环境发生显著变化，局地短时强降水、雾和霾、高温热浪、龙卷风等极端天气频发，其影响在人口聚集的超大城市具有放大效应，例如2021年苏州和武汉强龙卷风、郑州特大洪水等。而超大城市边界层垂直探测资料缺乏，成为制约短时临近预报以及城市应急气象保障服务的主要因素之一。

由中国气象局气象探测中心牵头，联合北京市气象局、南京大学、北京师范大学等10余家单位和学校，组织开展了超大城市气象观测试验，利用毫米波测云雷达、风廓线雷达、微波辐射计、激光雷达等新型地基遥感设备对北上广等10余个大城市（群）风、温、湿、水凝物、气溶胶等要素廓线开展连续观测。此次试验带动近50家相关企业“自筹干粮”近100套设备，对大气垂直廓线开展连续观测。

针对超大城市短时临近预报、雾和霾应急保障服务等需求，在北京、上海、广州建立了13个由Ka波段云雷达、微波辐射计、L波段风廓线雷达、气溶胶激光雷达和X波段双偏振雷达组成大气垂直廓线超级站，与常规观测设备共同构成“新增观测站+基础业务观测网”的观测试验网。攻克了温、湿、风协同观测技术，重点解决了有云条件下微波辐射计温湿廓线数据质量难点问题、降水条件下风廓线雷达风速反演精度及雷达组网风场空间一致性问题、晴空回波对毫米波云雷达低云探测影响等问题，建立了毫米波云雷达、微波辐射计、气溶胶激光雷达等5类观测设备标定测试方法和技术规范。

以气溶胶激光雷达为例，其标定技术实现了全流程标定的自主创新，消光系数和后向散射系数标准偏差小于等于20.4%，达到国际先进水平。

试验成果“反哺”超大城市预报和服务

超大城市气象观测试验在北京、上海、广州开展了一系列以气溶胶和边界层为核心的增强综合观测试验，获得了大量高精度资料，得到超大城市湍流发展助推新粒子生成的新发现。以广州城市群边界层与热岛效应特征为例，试验团队利用数值模式敏感性试验研究下垫面边界环流对降水的影响。研究显示，城市热岛效应导致次级环流的增强，城市热岛环流和海陆风环流的相互作用是影响城市降水强度和位置分布的重要因素。同时，城市下垫面粗糙度越高，湍流发展越旺盛，加速了小粒子碰并促进新粒子生成。

超大城市气象观测试验建立了温湿廓线的快速资料同化和预报系统，解决了资料同化质量控制和参数配置问题；建立了风廓线雷达和微波辐射计同化方法，实现准业务运行。目前，超大城市气象观测试验成果已应用于短时临近预报、重大气象服务保障和防灾减灾服务。数据显示，资料同化后减小了预报误差，对预报有正贡献。

在垂直廓线资料同化和融合应用方面，试验建立了超大城市综合观测数据平台，50多种分钟级大气垂直产品进入国家级业务平台，在庆祝建党100周年活动、第十四届全运会等气象服务中得以应用并发挥了很好的作用；建立了气溶胶同化和融合系统，有效提高气溶胶三维结构分析和预报水平；建立了大气廓线三维实况分析场，实现超大城市区域三维大气基本变量的连续描述，为刻画天气过程空间立体结构特征提供了技术支撑，为提高超大城市中小尺度灾害预报水平奠定了基础。

此外，试验建立了从建站、运行到数据传输、业务应用等较完整的全链条业务系统，为“十四五”期间中国气象局垂直观测网业务建设提供了重要支撑，并被世界气象组织列为未来的工作方向。

（作者：简菊芳 责任编辑：张林）