近日，我室与上海交通大学联合培养的博士研究生韩心海以第一作者在Nature旗下期刊npj Climate and Atmospheric Science 发表了题为“Physics-guided score-based diffusion for 3D reconstruction of tropical cyclones from sparse observations”的研究成果。通讯作者为我室杨劲松研究员、我室优秀出站海星博士后李晓辉副研究员以及中山大学王久珂教授，合作者还包括中国气象局上海台风研究所牛泽毅助理研究员，加拿大海洋与渔业部韩国奇研究员，我室陈大可院士等。

热带气旋的三维动力-热力结构——风、温、水汽在径向和垂直方向的精细分布——关系到强度变化机制的理解、数值预报初始条件质量以及风暴潮等次生灾害评估。现行观测体系中各类平台各有所长但均不能独立给出完整的三维快照：星载红外/微波探测器覆盖广但水平足印粗、内核结构难还原；机载尾部多普勒雷达（TDR）可反演降水区三维风场，却不直接测量温湿度；GPS下投式探空仪（Dropsonde）能同步获取风、温、湿高垂直分辨率廓线，是气旋内部最可靠的原位手段，但受飞行路径约束，单次侦察仅能释放十余至数十枚，相对数百公里尺度的气旋分布十分稀疏。

由此引出了气旋观测科学中一个长期存在却从未被定量回答的基础问题：这些稀疏廓线观测本身究竟承载了多少关于气旋三维结构的信息？能否仅凭它们独立重建完整的三维动力-热力场？

近日，我室杨劲松研究员团队提出了一套物理引导的得分扩散后验采样（Score-based Data Assimilation, SDA）框架，能够仅依赖稀疏探空仪廓线观测，重建气旋从边界层（1000 hPa）到对流层顶（100 hPa）的四变量（纬向风u、经向风v、温度T、比湿q）完整三维场（图1）。

 图1　物理引导得分扩散后验采样（SDA）框架总览。 

研究背景与前期基础

本研究的前身是杨劲松团队在Han et al. (GRL, 2025)中基于生成对抗网络（GAN）首次实现从稀疏探空到多层风场的端到端重建；但受限于GAN架构，该工作仅涉及风速单变量、输出确定性结果，物理先验难以自然融入。

本研究以得分扩散生成模型替代GAN，结合贝叶斯后验采样框架，将重建目标扩展至风-温-湿动力-热力四变量联合场，并引入物理约束与集合概率推理，实现从确定性风场回归到高维非高斯贝叶斯状态估计的跃升。

仿真实验验证

观测系统模拟实验（OSSE）中，团队设计了从单穿越到星形穿越三种飞行方案，并模拟探空仪水平漂移与机载AVAPS通道限制，使仿真贴近实际操作。

以2023年超强台风“玛娃”（峰值强度165节）为案例（图2），“十字穿越”方案下全层（100–1000 hPa）水平风RMSE为5.61 m/s（u）和6.78 m/s（v），温度RMSE 2.06 K，比湿RMSE 0.60 g/kg；重建最大风速109.1 m/s，与HWRF参考值（109.4 m/s）仅差-0.3 m/s。框架成功再现了闭合眼墙、最大风速半径随高度外倾、上对流层暖核及内核高湿结构。

图2 超强台风"玛娃"（2023年5月26日00时UTC）三维重建结果。 

15成员集合实验表明（图3），集合均值可进一步降低各变量RMSE，并提供空间分辨的后验不确定性估计。最高不确定性集中在眼墙——该处径向风速梯度最陡，探空仪位置的微小偏差即被放大为显著的风速离散度。随观测密度增大，后验不确定性被系统性压缩，表明框架概率输出随信息量单调收紧，校准性良好。

图3　超强台风"玛娃"850 hPa风速场不确定性量化结果（十字穿越方案，15个集合成员）。 

消融实验进一步显示，物理约束在极端稀疏观测下对重建质量有明确正向贡献，其边际效益随观测密度增大而减小。

真实观测验证

框架进一步在真实侦察飞行数据上进行了系统验证。对飓风Lee（2023年），利用真实12枚探空仪廓线进行3D重建，与HWRF分析场对比，全层 u/v 风RMSE分别为4.65和7.13 m/s，温度1.22 K，比湿1.16 g/kg，最大风速偏差仅0.4 m/s。留一交叉验证表明，即使完全移除某枚探空仪的观测约束，模型在该位置仍能给出合理的垂直廓线推断（图4）。

图4　飓风Lee重建验证与留一交叉验证（LOO）结果。 

更严格的独立验证中，团队选取飓风Ian（快速增强）、Franklin（成熟非对称）和Beryl（极强五级）三个案例，仅用7–16枚探空仪重建风场并与机载TDR雷达独立反演逐点对比，全场矢量风速RMSE分别为6.77、6.24和8.86 m/s；对照的传统三次样条插值在850 hPa风速RMSE高达16.7、14.3和25.7 m/s，表明此稀疏度下传统插值已难以有效恢复涡旋结构。

Franklin案例中还观察到一个有意义的现象（图5）：TDR在东北象限风速明显低于探空仪实测，提示雷达反演偏低；SDA受探空仪约束在该区域恢复出更强的眼墙结构，体现了框架利用高质量原位观测修正大尺度场偏差的能力。

图5 飓风Franklin（2023年8月26日13:30 UTC）基于真实探空仪观测的重建结果及独立TDR雷达验证。

 研究意义

本研究的价值体现在三个层面：

一是提供了一种观测驱动的独立三维分析场。重建完全锚定探空仪原位观测，不依赖数值模式背景，也不继承模式的定位与强度偏差，可在快速增强、路径突变等背景场易失准的场景下为业务分析提供独立诊断参考。

二是为侦察飞行观测设计提供了定量工具。通过对单穿越、十字穿越、星形穿越三种方案的贝叶斯重建比较，首次给出不同飞行布局的信息含量定量评估，可指导飞行方案优化。

三是验证了生成式贝叶斯状态估计在极端物理场景下的可行性。台风内核是大气中梯度最陡、结构最复杂的系统之一；以此为概念验证平台，该框架可望推广至海洋次表层温盐重建、大气边界层垂直结构推断、中纬度稀疏站网填补等其他“高维场+稀疏观测”反演问题。

 本研究得到以下项目资助：国家自然科学基金项目（42530402、42192561）、国家自然科学基金原创探索计划项目（42450254）、国家自然科学基金委员会与澳门科学技术发展基金联合科研资助基金合作研究项目（NSFC-FDCT，62361166662）、国家重点研发计划项目（2023YFC3503400、2022YFC3400400）、卫星海洋环境动力学国家重点实验室专项项目（SOEDZZ2527）以及南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）创新团队项目（311024004、SML2023SP202）。

论文引用

[1] Han Xinhai, Li Xiaohui, Niu Zeyi, Yang Jingsong, Han Guoqi, Wang Jiuke, Tao Wei, Aouf Lotfi, Peng Shaoliang, Chen Dake. Physics-guided score-based diffusion for 3D reconstruction of tropical cyclones from sparse observations[J]. npj Climate and Atmospheric Science, 2026. https://doi.org/10.1038/s41612-026-01413-9

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[1] Han Xinhai, Li Xiaohui, Yang Jingsong, Wang Jiuke, Han Guoqi, Tao Wei, Lotfi Aouf. Tropical Cyclone Multi-level Wind-Speed Structure Reconstruction from Sparse Dropsonde Data via Adversarial Learning[J]. Geophysical Research Letters, 52, e2024GL110661. https://doi.org/10.1029/2024GL110661