极端降雨随气候变化的物理过程研究目前尚很不足。一般来说，当气候变暖时，空气中水汽的（绝对）含量也会增多，那么降雨发生时产生的雨量也会增多。由此可以推断，如果只考虑大气水分增加，那么极端降雨强度随温度的增幅应为约7％每度（即遵从饱和水汽压的克劳修斯－克拉珀龙方程）。然而，在实际天气过程中，大气运动对降雨的影响也至关重要。 使用一个新颖且简化的模型，聂绩等通过模拟美国德克萨斯州2015年5月的一次灾害性极端降雨过程，模拟并量化分析了大气大尺度运动和小尺度对流之间的耦合，同时模拟了在工业化增温前（较于现在气温低1.5度）和本世纪末（较于现在增温4.5度）的情景下，发生在同一地区的极端降雨事件产生的降雨量差异（图1）。结果表明，在更暖的气候下的背景下，由于大气中的水汽增多（7％每度），凝结释放的潜热也会增多，导致更强的大气抬升运动；另外，潜热释放也将改变大气垂直层结。其结果是，极端降雨事件随气温的增加可能会是单纯水汽增多的效果的两倍左右（～14％每度）。 该研究为理解极端降雨事件对全球变暖的响应提供了新的认识，所使用的模拟和分析方法为理解极端降雨气候响应的区域特征提供了新的思路。图1: 观测和模拟的德克萨斯州极端事件的日降雨量；横轴是日期，纵轴是降雨量（毫米每天）。(a): 当前气候态下的模拟（黑色直方图）。各蓝色直方图是三套观测数据，蓝色粗线条是观测值的平均。数值模拟和观测结果较为吻合。(b): 工业化增温前（较于现在气温低1.5度；蓝色）和本世纪末（较于现在增温4.5度；红色）气候下，模拟的该地区极端降雨事件的雨量。通过和当前气候态模拟结果（黑色）的比较，可见极端降雨量随升温的增强非常显著（～14％每度）。

极端降雨天气常导致洪涝和泥石流等重大气象灾害，给人身安全、社会经济和生态环境带来极大影响。近年来在全球暖化的气候背景下，全球范围内很多区域的强降雨等极端天气的发生概率或强度也显著增加，对社会的灾害应对能力提出了严峻的挑战。极端降雨的气候响应有着很强的区域特征（图1），理解这些区域特征至关重要。 研究使用一种新颖的分析方法将极端降雨气候响应分解为干动力学部分（大尺度扰动强迫）和湿动力学部分（小尺度对流的潜热反馈），并且通过一个理论模型将干/湿动力学耦合起来。对多模式模拟结果的集成诊断分析发现：干动力部分在低纬度地区显著减弱、在中高纬度地区增强；湿动力部分则是低纬度增强，随着纬度的增加增幅减小。研究进一步为湿动力学部分构建了一个理论模型，使用一个简单的方程揭示了潜热反馈和大气水汽之间强的非线性关系。此理论模型很好的解释了全球增暖下大气水汽的增多和静力稳定度的变化导致的极端降雨中对流潜热反馈的变化（图2）。研究结果为极端降雨气候响应的区域特征提供了定量直观的解释，系统阐明了造成极端降雨气候响应分布特征的机制，有助于改进极端降雨的气候预测。

目前基于本项成果已经开发出系列深井电机、潜艇用电机、水下航行器电机、军用飞机电机、弹用电机等，该项目具有技术含量高，门槛高、具有刚性应用需求的特点，目前已经达到小批量生产的能力。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 极端环境是我国典型的 “卡脖子”问题，该项目具有技术含量高，门槛高、具有刚性应用需求的特点，目前已经达到小批量生产的能力，而且得到国外两家石油巨头公司的关注，正在为其制作样机，成功后将会在国内产生重要的影响，带来不可估量的经济效益。该成果经鉴定为国际领先水平，获得国家技术发明二等奖、黑龙江省技术发明一等奖、贵州省科技进步一等奖、国防科技进步二等奖、第二届“军民两用技术创新技术应用大赛银奖”。 目前基于本项成果已经开发出系列深井电机、潜艇用电机、水下航行器电机、军用飞机电机、弹用电机等，该项目具有技术含量高，门槛高、具有刚性应用需求的特点，目前已经达到小批量生产的能力。

在双碳政策的背景下，近年来光伏装机量不断攀升，但太阳能资源自身波动性及随机性特点使其发电过程中的骤升或骤降现象对电力系统的合理调控和有效调度带来困难，容易造成弃光现象的发生。准确预测光伏发电功率可以使电力调度部门及时调整调度计划，提高电网运行的经济性和稳定性，促进新能源消纳。预测的结果精度与其时间尺度具有强相关性，因而对于光伏场站而言，分钟级的出力预报信息具有较高的参考价值。 光伏发电功率预测是基于光伏电力不稳定性特征和电力系统实时平衡要求矛盾而产生的一种需求。超短期内光伏输出功率爬坡主要由云团对太阳辐射无规律的遮挡造成，该遮挡过程难以量化，对超短期内光伏输出爬坡预测造成了很大的困难。 为量化云团对太阳辐射的遮挡过程，本课题利用天空成像仪获取云团参数（云高，云速，云团形状），云高方面：基于双目视觉原理，采用两台全天空成像仪捕捉天空图片，根据双目摄像机视差及其几何关系反向推算得出云团高度；云速方面，结合单摄像机拍摄的连续天空图像计算得到云团的运动速度矢量；云团形状方面：利用图像畸变矫正技术，结合云高信息，可获取云团形状信息。根据上述云团物理信息，默认云团运动状态短期内保持恒定，对未来15分钟内云团运动轨迹进行刻画，再通过天文算法计算得到的太阳方位，推算得出当前云团状况下未来15分钟地面阴影的变化情况，以此判断光伏板的遮挡情况。后根据云团厚度情况判断其对太阳光的遮挡率大小，以其为依据对理论计算出的太阳辐照数据进行削减修正，由此完成未来15分钟内的分钟级超短期光伏功率变化预测。 本方法相比于基于卫星云图的数值天气预报，观测设备仅需两台全天空成像仪，安装更为灵活且兼具更优的性价比；设备还具备更高的时空分辨率，因而可以实现云团的精细观测，从而可完成更高精度的预测任务，预测结果具备更高的准确性。 创新点 1、开发出一种基于双目视觉原理及图像处理技术的云团多尺度信息获取方法。 2、开发出一种基于云团透射率和地面阴影轨迹预测的光伏场站出力分钟级预测方法。 市场前景 随着全球加快应对气候变化，光伏市场需求持续增加，数据显示，我国光伏行业在2021年继续高歌猛进，光伏新增装机创历史新高，达到54.88GW。未来十几年，中国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。根据光伏发电行业国家政策规划，未来将着力推进光伏基地化开发、分布式化开发以及综合水风光的综合基地开发。 无论是以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地开发，还是整县屋顶分布式光伏试点的组织开展，或是综合多种发电手段的新能源大规模发展，都需要准确的光伏发电功率预测为电网调度提供参考与保护。预测精度直接影响着电力系统的安全稳定运行，更会影响所有市场参与者的经济收益。据统计，2019年，我国发电功率预测市场的规模为6.34亿元，预计2019年至2024年市场年均复合增速为16.2%，预计2024年光伏发电功率预测市场规模将增加至6.51亿元。从中可以看出，光伏出力预测具备广阔的市场前景。 本成果可实现雾霾、多云等极端天气下的分钟级光伏出力预报，满足对电网调度及运营管理的需求同时兼具精度与成本优势。未来，随着新能源信息化应用环节的增加以及应用对象的转变，类似光伏功率预测等信息化服务将成为主要需求，光伏出力预测技术的应用规模将持续扩大，渗透率也将继续加深。 应用案例 本成果已应用于中国长江三峡集团有限公司联合华北电力大学和北京四方继保自动化股份有限公司研发的面向大规模并网友好型风光储场站群智慧运维系统。该系统依托于三峡集团乌兰察布新一代电网友好绿色电站示范项目（项目总装机：风电170万千瓦、光伏发电30万千瓦、配套建设55万千瓦储能系统），在电站现场部署了两台天空成像仪，并配备了集实时3d天空云团、电站精细模型、气象站数据、电站实时发电功率、超短期功率预测等于一体的数字孪生3d可视化系统，极大提高了电站智慧运维的便捷性。

团队长期坚持在介观光学、超快光物理和光电子学等极端光学前沿领域开展基础研究。近几年，在国际权威期刊Science、NaturePhotonics、NaturePhysics和PhysicalReviewLetters等发表论文500余篇；成果获国家自然科学奖二等奖，3次入选中国高校十大科技进展。

本技术以在高温井下（＞200℃）作业的测井仪为研究对象，采用绝热-储热-导热三种技术联用的方式，对井下电子进行热管理，保障其正常作业。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 在国防、航空航天、石油勘探等领域，电子器件常面临极端的高温环境（150℃以上），常规热管理方法无法满足其散热需求，亟需开发一套极端环境下的电子器件热管理系统。本技术以在高温井下（＞200℃）作业的测井仪为研究对象，采用绝热-储热-导热三种技术联用的方式，对井下电子进行热管理，保障其正常作业。主要工作和创新如下：1）针对井下电子数量多且分散特点提出了分布式储热均温系统，设计了导热储能一体集成模块并成功实践；2）新型相变材料的研制、封装、可靠性测试及其在极端热环境下的应用；3）极端环境下热管理系统的热学建模及实时温度预测算法开发。

一种Si-Mn-O玻璃态物质中控制Si-Mn形核、生长的动力学方法，实现了毫米级长度的Mn5Si3 @SiO2柔性纳米电缆（图1）。单根纳米线中，不论壳层厚度、还是电芯尺寸均表现出令人吃惊的均匀性（尺寸波动<4%），同时展现出极好的柔性与自支撑特性，不同弯曲程度下电阻几乎没有任何变化。统计电阻率数值为1.28 - 3.84×10-6 Ωm，最大耐受电流为1.22 - 3.54×107 A cm-2，分别为同等测试条件下同等尺寸银纳米线的10倍与1/3。这样一根导线在300℃的温度下，24小时的测试时间内，电阻率保持不变，证明其能够长时间在高温环境中正常工作。 在1 mol/L的HCl溶液中模拟强酸性环境，发现I-V特性几乎和空气环境中一致；在较长的一段时间内，原位监测导线在溶液中的电学特性变化，发现性能并无衰退。进一步，在溶液中外加矩形波电场，模拟复杂的外部干扰信号，导线仅由于电容效应发生十分微小的电阻变化。另外，同样考察了其耐氧化特性，放在30%双氧水溶液中20小时，电阻未发生明显变化。上述实验数据充分证明所设计的复合纳米电缆能够在高温、酸性及强氧化性等极端环境下正常工作，同时能够抵抗复杂的电场信号干扰。

发展了一种Si-Mn-O玻璃态物质中控制Si-Mn形核、生长的动力学方法，实现了毫米级长度的Mn5Si3 @SiO2柔性纳米电缆（图1）。单根纳米线中，不论壳层厚度、还是电芯尺寸均表现出令人吃惊的均匀性（尺寸波动<4%），同时展现出极好的柔性与自支撑特性，不同弯曲程度下电阻几乎没有任何变化。统计电阻率数值为1.28 - 3.84×10-6 Ωm，最大耐受电流为1.22 - 3.54×107 A cm-2，分别为同等测试条件下同等尺寸银纳米线的10倍与1/3。这样一根导线在300℃的温度下，24小时的测试时间内，电阻率保持不变，证明其能够长时间在高温环境中正常工作。

降雨型滑坡是世界范围内频发的一种严重自然灾害，常给人类生命财产造成重大损失。降雨事件中降雨强度的动态变化特征影响边坡水文过程和土体力学响应，进而影响滑坡的发生时间和空间分布。目前相关研究多聚焦于降雨事件的平均降雨强度和降雨持续时间对滑坡的控制作用，鲜有降雨强度时间序列的动态变化特征对滑坡的影响机制的相关研究。因此，研究团队主要针对“降雨强度时间序列

滇藏热泉生态系统中蕴含着丰富的微生物资源，包含大量的系统发育位置未知且功能奇特的神秘、新颖的微生物类群。课题组结合宏基因组学测序技术和生物信息学手段从中重构出14个具有甲烷/烷烃代谢能力的微生物基因组（图1），其系统发育多样性极高且独特，广泛分布于韦斯特古菌门、哪吒古菌门(Nezharchaeota)等TACK超级门中。值得一提的是，该课题组首次于奇古菌门(Thaumarchaeota)中发现其具有产甲烷功能。此前，奇古菌门以其好氧氨氧化能力而为众人所熟知，而课题组首次对其厌氧状态下产甲烷能力的发现表明我们目前对此门认知的局限性，神秘的自然界或将远远超出我们的认知。此外，组学技术的发展或将指引我们对其进化历史进行更全面的认知。课题组对这些未知生命的代谢特征进行了揭示，并发现除却传统的氢营养型产甲烷菌外，还有多种氢依赖的甲基营养性产甲烷菌，他们可吸收热泉生态系统中多种甲基底物以完成甲烷的产生（图2）。通过进化基因组分析，课题组还对古菌祖先的进化起源进行了推测，研究发现对于具有产甲烷能力的微生物类群，其甲烷代谢关键基因mcrABG相对较为保守，并无明显的水平基因转移时间发生；而对于烷烃氧化的微生物类群，水平基因转移对其多样性塑造有着深远影响。基于甲烷代谢基因的保守性，课题组对其祖先序列进行了序列重构，从而来推测祖先序列的最适生长温度，结果表明具有mcrABG标记基因的微生物类群或起源于高温生境（图3）。另外，由于 TACK和ASGARD超级门中，以及广古菌门中大部分支系均具有甲烷/烷烃代谢能力，且相应微生物相比其它同支系微生物有着更为悠久的进化历史，因此，课题组猜测地球早期生命中，古菌的祖先或具有甲烷和烷烃代谢能力。