2022年11月15日，中科院老科协大气所分会在大气所3号楼12会议室举办了主题为“我国特大暴雨预报关键科学问题”的学术沙龙。中科院老科协副理事长桂文庄和赵震声，理化所、力学所、空天院、大气所等近30位专家学者（其中有11位在职专家）参加了此次沙龙。沙龙由中科院老科大气所分会理事长洪延超研究员主持。 

　　大气物理所冉令坤和周玉淑两位研究员做了题为“中亚极端降水触发机制和组织化机理”主旨报告。中国西北部是典型的内陆干旱、半干旱气候，复杂地形、特殊下垫面和多尺度天气系统共同作用造成致灾性极端降水。分析了与天气动力过程、水汽供应、边界层辐合和地形强迫有关的几个关键科学问题：低涡、静止锋和水汽聚集对极端降水组织化作用，复杂边界层物理过程对极端降水的触发作用和陡峭地形对极端降水的触发作用。研究了地形激发重力波特征，地形绕流、爬流和抬升作用，边界层物理过程对极端降水的动、热力触发作用，急流对降水触发和组织作用，建立了极端降水演变的物理模型。通过研究提出了中亚地区集中动力因子暴雨预报方法，获得较好的预报结果，并得到了新疆自治区气象台业务应用。

　　此报告对于了解特大暴雨产生机制、复杂地形和中尺度组织化对暴雨的影响以及深入理解暴雨预报的科学问题有重要意义。 

　　大气所郭学良研究员做了特邀报告，报告题目是：暴雨数值预报模式中的云微物理参数化等方案存在的问题及其解决途径。数值模式中各种参数化方案通过与大气动力、热力过程相互作用，直接或间接影响数值模式在定时、定点和定量降水预报的准确性，模式对暴雨降水强度预报普通偏小；暴雨发生、持续时间的预报准确率偏低；暴雨落区的预报准确率偏低，是数值天气预报不确定性的重要原因之一。产生原因是云微物理过程及其参数化方案存在不少问题。例如，不同云物理方案的雪和霰的参数化差异较大，由于采用的粒子谱、密度和末速度不同，导致云中粒子间的碰并和形成过程不同，大部分云物理方案模拟的霰含量高，雪含量低；这样对云动力过程的反馈作用的差异也会较大，可能导致对暴雨模拟的差异。此外，模式初始场质量差，分辨率如提高，计算机能力又不足；模式物理过程的参数化方案与实际差距大；刻画复杂地形的分辨率不足等等。 

　　至于解决思路，首先要提高模式资料同化能力，搞好资料同化，将先进的卫星资料、雷达资料同化进去；通过系统观测，改进参数化方案，努力建立一种普适的云物理参数化方案；提高地形分辨率；提高初始场的质量和对极端强对流天气的观测能力、数据分析处理能力。认为机器学习，集合预报等方法不能从根本上解决定量预报的问题，特别是中长期预报的问题。 

　　数值模式中微物理参数化方案直接影响预报的降水量。该报告对于改进数值预报模式有重要价值。 

　　结合报告，大家紧紧围绕我国特大暴雨预报需要解决的关键科学问题进行了充分、热烈的讨论，并提出了一些科学建议。 

　　大气所高守亭研究员做主题讨论发言，指出特大暴雨预报需要解决的一些科学问题。暴雨预报模式存在的瓶颈问题有三：一是次网格上气象要素对格点气象要素影响的参数化问题；二是模式本身的动力框架设置要解决降水时空中质量不再守恒问题；第三个，地形在数值模式中如何刻画与描述问题。特大暴雨过程存在的尚未解决的科学问题是：气压变化与温度变化在暴雨形成中的作用；暴雨过程中空中质量不守恒效应对风场及降水的影响；超强降水强度形成的机制。 

　　关键科学问题拟解决的方法：一是建立一个地球旋转实验室，大球套小球，小球代表地球。小球与大球之间填满具有层结效应的流体代表大气，这就是连续介质，克服了数值模式中因离散化格点不能描述连续介质的问题；同时在小球的不同区域进行强度不等的加热，使小球上带有与地球上成比例的地形，以代表真实地形。这样就解决了模式预报中离散化格点模式不能描述大气连续介质的问题。二是建立大型云雾实验室，通过实验研究大雨滴增长过程、水汽的凝结过程、相态分布和雨滴下落过程；三是改进数值模式，用动量方程来编写模式，解决了质量不守恒的问题。 

　　大气物理所分会理事长洪延超研究员认为，暴雨预报存在的问题主要是数值预报模式的问题。首先要解决数值模式离散化的问题；通过加强观测和试验研究，优化参数化方案。关于粒子产生、增长和转化过程要利用大型云室进行实验模拟分析，结果用于参数化方案。此外要加强对暴雨系统的综合探测，了解预报对象，研究大、中、小尺度天气系统相互作用和暴雨形成机制问题；提高初始场资料的质量和分辨率，为模式初始场提供优质数据。 

　　大气物理所孙建华研究员提出，中小尺度系统理论上到底多大程度上可以预报，要理论论证。产生暴雨的中小尺度系统发展是非线性的，变化剧烈、非常快。利用AI做短时的预报不准确，问题很大。 

　　此外模式框架涉及很多问题，离散化问题，物理过程问题。但要达到终极准确预报不可能。 

　　大气所周玉淑研究员就地形对暴雨影响的问题谈了自己的看法。考虑地形的作用只能用数值模式做敏感性实验，地形复杂，每个地区、每次过程也不同，要与环流配合起来；不同的下垫面影响也是不同的，很难精确到定量考虑。客观刻画对提高暴雨预报有一定作用。 

　　长期做暴雨预报研究的蔡则怡研究员认为，对于局地暴雨预报，一直存在大网捞小鱼的问题。暴雨是中小尺度天气系统的产物，很难观测到，网眼很大捞小鱼不行，要加密观测。 

　　   中科院老科协副理事长桂文庄认为，大气物理过程是非常复杂的非线性的过程，微小的扰动和变化就会导致最后的非常大的变化。他提出要想精确的模拟，就要有逼近实际物理过程的描述，要做到非常精确的描述是很困难的。能否用多尺度的思想来发展数值预报，即可以把小、中、大尺度分别处理然后耦合起来，使得可以更精确的描述这几个尺度。他还提出用人工智能深度学习的办法来解决相关问题。 

　　肖辉研究员谈了极端暴雨的观测问题及其资料在暴雨预报研究中的应用，尤其是获取时空同步的三维观测资料和综合资料的融合处理技术对于研究的重要性。 

　　  针对高守亭研究员提出用动量方程来编写模式问题，力学研究所王柏懿研究员谈了牛顿第二定律应用问题，认为对一个质点而言，对于流体力学而言，我们本来用的就是动量方程。另外对做旋转的地球实验也提出了质疑。  

　　 总的来讲，大家认为，我国特大暴雨预报存在的主要问题是，对局地突发性强降水的落区、降水量的预报难度还较大。这牵涉到三大问题。一是目前我国观测网站之间距离太大，观测不到产生暴雨的中小尺度天气系统的信息，严重影响到预报员对暴雨系统的诊断分析，也不能给数值预报模式提供优质的初始场。二是暴雨预报数值模式存在几个瓶颈问题，其中包括对于连续介质的描述问题，动力框架设置问题，地形刻问题以及物理过程参数化问题。微物理方案没有普适性；参数值的设置没有科学依据支撑，没有考虑模式分辨率问题。三是对暴雨形成的机制还不清楚。 

　　针对上述暴雨预报存在的问题和原因，提出了特大暴雨预报需要解决的一些关键科学问题。 

　　一是特大暴雨的形成机制，包括水汽输送和垂直运动与暴雨的定量关系；暴雨系统的宏微观结构与暴雨的关系；大中小尺度系统相互作用对暴雨的影响；温度场变化在特大暴雨中的作用；地形，尤其是特殊地形在暴雨形成中的作用，其中包括地形的强迫抬升、地形绕流、涡旋和辐合、地形重力波对暴雨形成的影响；质量不守恒效应对动力场和降水的影响等。 

　　二是与改进暴雨预报数值模式有关的科学问题：正确描述大气连续介质；用动量方程来建立模式，改进模式动力框架，以解决质量不守恒的问题。 

　　三是与改进模式微物理过程参数化方案的科学问题： 

　　（1）适合我国不同类型云系的微观参数。对暴雨系统进行微观探测，研究不同类型暴雨系统云中粒子类型、粒子谱和不同粒子的密度、下降末速度以及不同粒子形成过程；（2）与粒子增长和转化有关的参数。建立大型云雾实验室，通过调节温度、湿度和气压场，模拟云中环境场，实验研究水汽快速凝结过程和雨滴超常规增长过程及其条件；实验研究云中不同粒子，其中包括雨滴碰并过程和确定不同大小雨滴的捕获系数；冰晶的结淞增长过程，霰粒子形成条件及其撞冻增长过程等。为改进数值模式微物理过程参数化方案提供科学依据。 

　　四是进一步改进边界层、辐射等物理过程参数化方案。 

　　最后对改进暴雨预报方法提出如下建议： 

　　1、特大暴雨预报，要重视大尺度背景场和中低纬度系统相互作用的诊断分析，尤其要抓温度场。 

　　2、对于暴雨短期预报，尤其是局地短时和区域性暴雨，要结合和利用卫星、雷达的预警和临近预报结果。 

　　3、预报要考虑地形和城市等下垫面的影响。 

　　4、预报员要加强机理认识，建立从中期到短期再到短临递进式的预报思路。 

　　沙龙结束前，负责沙龙工作的院老科协桂文庄副理事长对沙龙工作提出了要求，希望加强老中青专家之间交流，通过沙龙活动形成好的建议并与咨询建议结合起来，要高质量的完成沙龙上网稿件等。同时还介绍了中科院与中国老科协合作办沙龙的有关情况。希望大气物理所继续加强暴雨预报的相关研究，能够发挥自己的优势资源，把学术沙龙办得更好。（老科协大气分会供稿）