提升灾害性对流天气的监测预警能力是短临天气预报的首要目标，但对流性降水在时间、空间上分布高度不均，观测难度大。卫星遥感监测降水的传统红外、水汽亮温判识方法，报警云团数量多，空报率高，指示意义不稳定，需要结合背景因素寻找方法提炼卫星辐射观测中更多的内在隐含信息，建立云顶亮温与此类灾害天气间的联系。此文尝试使用FY-2气象卫星红外云图数据和逐时加密地面降水观测资料，通过追踪云团移动进而分类、提取参数，然后用模糊支持向量机（FSVM）方法建立地面观测雨强与云团特征动态演变间的机器学习数学关系，标识出有监测预警意义的云团和强降水中心，对检验地域和时间的卫星强降水云团检测识别率达80％左右。

利用国家气候中心提供的1958—2013年756个台站的逐日降水资料，定义了“弱台风大暴雨”事件，并对其发生的时间和空间分布特征进行统计分析，初步揭示了有利于“弱台风大暴雨”发生的大气异常环流特征。结果表明：“弱台风大暴雨”降水事件主要发生于5—10月，但初秋的10月该事件发生的占比最高；“弱台风大暴雨”降水事件发生次数在20世纪80年代中期后有明显的增加，整体呈现3～5 a的周期振荡，盛夏（7—8月）是“弱台风大暴雨”降水事件的最多发生时段；空间上，初夏（5—6月）事件分布面积最小，盛夏最广；有利于“弱台风大暴雨”降水事件多发的大气环流场主要是在北极涛动正位相异常环流背景下，中纬度西风带较为稳定平直，有利于中纬度大气类环球遥相关型定常波列的持续稳定，使得东亚地区维持的高压异常环流有利于北方冷空气南下，与热带气旋带来的暖湿气流交汇；同时，西太平洋副热带高压的偏弱有利于登陆我国的台风停留时间增加以及水汽的源源不断输送，水汽的主要来源是北太平洋西南侧和南海、孟加拉湾等热带季风区。

利用多普勒天气雷达探测资料，结合常规气象观测资料和天气实况及灾情调查，对2018年8月14日台风“摩羯”（1814）和8月19日台风“温比亚”（1818）产生龙卷的环境物理量及龙卷风暴强度结构特征进行了分析，对诱发龙卷和未诱发龙卷的小尺度气旋性涡旋特征进行了对比。结果表明：两次台风减弱低压东北象限是龙卷发生的关键区，低层高湿，强的低层垂直风切变和大的相对风暴螺旋度是关键物理量；龙卷出现时都伴有ΔV＞20.0 m·s-1的小尺度气旋性涡旋，且基本出现在2.0 km高度以下，但并不是所有这种低层小尺度气旋性涡旋都能诱发龙卷；以ΔV＞20.0 m·s-1为阈值，龙卷识别具有较高的命中率，识别准确率为31.8%，空报率为67.4%，漏报率为6.7%；约35.7%的龙卷没有识别时间提前量，半数龙卷几乎没有预警时间提前量。

利用NCEP/NCAR 1°×1°的FNL再分析资料、CMORPH（CPC MORPHing technique）卫星-地面自动站融合降水数据以及FY-2G卫星反演的TBB（black-body temperature，云顶亮温）对1822号台风“山竹”在华南造成强降水过程进行了分析。结果表明：西北太平洋副热带高压和南亚高压的稳定维持有利于台风残涡持续影响华南地区；低层来自孟加拉湾的低空急流与西北太平洋副热带高压南侧偏东风汇合后建立起一条连接华南的水汽通道；在登陆台风影响下，大气视热源和视水汽汇主要来自于垂直运动释放的凝结潜热；湿位涡诊断分析表明强的水平风垂直切变导致低层大气斜压性增强，出现显著的对流不稳定。

通过资料分析与数值模拟研究了西北太平洋低空环流特征及其与海面温度（SST）异常关系的季节性差异，得到如下结论：1）西北太平洋低空环流的空间尺度和位置在春季和夏季存在明显差异，从春季到夏季，异常环流范围缩小且中心位置向西北偏移；2）西北太平洋低空环流与西北太平洋局地海温的相互作用存在季节差异，春季西北太平洋冷海温与上空反气旋异常之间存在相互作用，而夏季则以大气影响海洋为主，异常的反气旋/气旋可以加热/冷却其下垫面的海温，大气超前3～4 d影响海洋；3）夏季异常反气旋环流（WNPAC）的维持主要来自非局地海温异常（北印度洋暖海温与中太平洋冷海温异常）的强迫，这两个海区对WNPAC的影响也存在季节性差异，北印度洋的影响主要体现在晚春至盛夏，而中太平洋则主要在晚夏发挥作用。

利用鲁中地区2001—2016年伴随瞬时风力不低于8级的所有强对流天气个例共106次进行分析，总结其气候特征，并通过箱须图的形式研究了分类强对流天气相关环境参数的分布特征和预报阈值。结果表明：2001—2016年强对流天气分布呈山区多、平原少、中部多、北部和西南部少的特点；6月和6月中旬是主要月份和旬份；地面辐合线是最主要触发机制类型；雷暴大风型、冰雹雷暴大风型和强降水混合型对应的地面和850 hPa的平均温度露点差，0～1 km和0～3 km垂直风切变，SWEAT指数、LI指数、K指数、风暴相对螺旋度、高度指数等环境参数各有不同的最低阈值；鲁中地区易发生强对流天气的0 ℃层高度为4.1 km左右；对于伴随冰雹的强对流天气，其融化层高度比0 ℃层高度低0.6 km左右。根据以上环境参数的分布特征、高低空垂直风切变的强弱变化可对3类强对流天气进行一定程度的区分。

应用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料，选取登陆北上山东地点相近但暴雨落区分别位于台风中心西北侧和东北侧的两个台风，分析暴雨落区相对台风中心非对称分布的成因。结果表明：台风进入中纬度以后，0421号台风“海马”位于高空深槽前，与西风槽相互作用，西风槽携带的冷空气从西北侧侵入台风环流，产生湿斜压锋区强迫抬升、冷暖空气交绥、水汽辐合等因素造成暴雨，暴雨趋于出现在台风中心的西北侧，为高比湿舌前方、较强水汽辐合区与相当位温密集区叠加的区域；而0509号台风“麦莎”与副热带高压相互作用，引起涡度及涡度平流的非对称改变，暴雨区与500 hPa正涡度区或正涡度平流相对应，暴雨趋于出现在台风中心的东北侧，为强正涡度平流区与水汽辐合叠加的区域。

利用探空、地面自动气象站、多普勒天气雷达和NCEP/NCAR再分析等资料,对2006年4月28日影响山东大部的强飑线过程的中尺度结构进行了诊断分析。此次强飑线是由东北冷涡横槽沿西北气流下滑激发对流发展形成的,冷涡横槽底部为后倾的干冷下沉气流区,干空气侵入有利于位势不稳定能量的储存。冷涡横槽在300 hPa最为强盛,并连接横槽前后南北两支急流,对流层顶折叠特征明显；高空横槽区的地转调整运动引发中尺度重力波,促进了高空急流动量向对流层中下部的传输,加剧了地面大风灾害。风暴发生区具有明显的等熵面倾斜、对流不稳定和垂直风切变,具有倾斜涡度剧烈发展的条件。风暴发生区中低层散度场、垂直速度场和地面风压扰动场均具有典型中尺度重力波的结构特征,风暴和中尺度重力波相互耦合促进,是强飑线发展维持的重要动力机制。

利用常规的地面观测资料、高空探测资料、自动气象站1 h间隔观测资料、NCEP/NCAR再分析资料（1°×1°，6 h）和ERA5再分析资料（0.25°×0.25°，1 h），针对1999—2013年山东省12例江淮气旋降雪过程，总结了降水形态类型及时空分布、相态转换等特征并讨论了降水相态“逆转”现象的物理机制。结果表明：1）江淮气旋降雪过程的降水形态种类多样，可出现雨、雪、雨夹雪、冰雹、冰粒、霰、米雪和雨凇，降水相态转换过程中，除了雨夹雪，冰粒也是一种过渡形态；2）冰雹、冰粒、霰、米雪和雨凇5种特殊降水形态最易出现在2月和3月，“雷打雪”现象亦多发于2月和3月；3）鲁东南和半岛南部地区以降雨为主，鲁西北地区多出现降雪，雷暴集中出现在鲁中的中西部和鲁南地区，尤其是鲁东南地区；4）江淮气旋降雪过程相态转换的基本形式为雨转雪，以有无明显雨雪分界线为依据，可分为“典型雨转雪”和“无明显雨雪转换”两类，二者的影响系统特点显著不同；5）范围较大的相态逆转现象易发区域在地面雨雪分界线附近，位于地面倒槽后部，走向与地面倒槽槽线走向一致。气旋生成前低层暖温度平流增强引起低层增温以及气温日变化导致的中午前后近地层浅薄增温均可引起相态逆转，上述两个因素均与地面倒槽的发展态势关系密切。

2016年12月19日—2017年1月9日，受静稳天气影响，济南接连出现了10次大雾天气过程，期间最低能见度不足50 m。利用10次冬季雾过程收集的雾滴谱资料、自动气象观测站加密资料、NCEP/NCAR再分析资料以及常规气象资料，分析了济南冬季雾期间的环流背景、雾类型以及微物理结构特征等。结果表明：济南冬季雾中以小滴为主，直径8 μm以下的小滴占总数的88%以上，小滴数与数浓度具有较好的线性关系；谱型有“单峰窄谱”和“多峰宽谱”之分，“单峰窄谱”雾谱宽不超过13 μm，小雾滴所占比例很高，液态含水量与数浓度具有较好的线性关系，各微物理量较小，“多峰宽谱”雾平均谱宽在34 μm以上，液态含水量与直径12 μm以上的大滴数具有较好的线性关系，各微物理量较大；平流辐射雾的数浓度和液态含水量最大，辐射雾次之，蒸发雾最小；冬季雾具有明显的地域性特征，与南京和上海相比，济南冬季雾数浓度明显偏小；辐射雾和平流辐射雾中液态含水量偏小1～2个数量级，且谱宽明显偏窄。

利用2006—2015年6—8月章丘探空站逐日探空资料，计算了K指数、抬升指数、对流稳定度指数等6个环境参数，探讨了单个环境参数和多个环境参数组合与闪电活动的关系。结果表明：1）单个环境参数在一定数值范围内可作为闪电活动预报的指标，且较强的闪电活动更容易由大气的不稳定状态来预报；2）多个环境参数的组合可在一定程度上反映闪电活动的特征，闪电出现的概率随着达到大气不稳定临界值物理量参数个数的增多而增大，预报效果比单个参数更好；3）应用事件概率回归方法建立了闪电概率潜势预报方程，方程通过了α=0.01的显著性水平检验，通过检验和评估，闪电概率预报的TS评分达到78%，该方法的建立为闪电潜势预报提供了参考依据。

2019年春季（3—5月）的大气环流特征为：北半球极涡呈偶极型分布，两个低值中心分别位于东、西半球，中高纬度呈4 波型。3月，亚洲中东部中高纬度的经向型环流利于冷空气南下。4月和5月，冷空气势力减弱，温带气旋活动增加。我国近海出现了17次8级以上大风过程，其中冷空气大风过程6次，冷空气和温带气旋共同影响的大风过程有3次，入海温带气旋大风过程8次。春季共有13次海雾过程，3月3次，4月6次，5月4次。近海浪高在2 m以上的海浪过程有14次，台湾海峡周边海域的浪高较大。西北太平洋和南海没有台风生成，全球其他各大洋共有热带气旋 12个。我国近海的海面温度整体呈上升趋势，且北方海域的上升幅度大于南方海域。

针对气象数据可视化应用中对渲染速度和出图质量的要求，基于抽象工厂模式设计并实现了一款集多种图形渲染技术于一体的渲染引擎。通过实时切换图形渲染技术，该引擎在保持图形显示属性不变的前提下，既能够提供由硬件加速技术所享有的高性能，又能够输出高质量的矢量图形。使用该引擎的气象信息分析处理系统能够实现天气图的交互制作，海量气象数据的实时显示，用于科研论文和业务演示的矢量格式图像文件生成。因此，该绘图引擎能够较好地满足天气预报业务和气象科研两个方面的可视化需求。

利用常规观测资料、自动气象站资料、NCEP再分析资料和高分辨率WRF模式，对2016年5月5日发生在浙江地区的一次强飑线过程进行模拟研究。结果表明，切变线是影响此次强飑线过程的主要天气系统，飑线发生在充沛的水汽，较弱的对流有效位能和中等强度垂直风切变大气环境下。WRF模式对此次飑线的演变过程和降水分布有较好的模拟能力。通过进一步分析模拟资料发现，雷暴高压和地面冷池是此次飑线风暴的重要边界层特征，边界层辐合线有利于飑线的发展和维持。飑线后侧对流层中层以下的强下沉气流，是造成此次雷暴大风的关键因素。

利用2011—2015年（11月—次年5月）临淄、莱芜、利津的日光温室小气候和自动气象观测站逐日资料，采用结构方程（SEM）和层次分析（AHP）等方法，甄别了寡照低温灾害的致灾因子，构建了日光温室番茄寡照低温灾害预警模型。利用2016年11月1日—2017年5月31日山东临淄、莱芜、利津、平度、章丘及2015年11月1日—2016年5月31日天津静海、河北徐水日光温室小气候和自动气象观测站逐日观测资料对模型进行独立样本检验。结果表明：1）3 d以下（1～3 d）寡照低温灾害致灾因子包括前1日温室内最低气温、前1日温室外最低气温、前1日温室内最低20 cm地温、当日温室外最低气温、前1日日照时数，4 d以上（4～12 d）寡照低温灾害致灾因子包括前2日温室内最低气温、前1日温室内最低气温、前1日温室外最低气温和前2日温室外最低气温；2）应用山东临淄、莱芜等5地及天津静海、河北徐水日光温室主要生产季内3 d以下、4 d以上寡照低温灾害实际发生情况对模型预警结果进行检验，预警等级与实际低温等级完全一致的平均准确率分别为72%和74%，误差在1个等级以内的分别为99%和98%。