作者:甘晓 温超 来源:中国科学报 发布时间:2013-7-19 7:17:47
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中国科学报:华北暴雨研究何时拨云见日

 
■本报记者 甘晓 实习生 温超
 
●随着上世纪90年代,华北地区干旱气候的到来,气象界曾流行一时的华北暴雨研究慢慢减少。许多学者或转而攻关长江流域洪涝难题,或投身气候变化的全球议题。
 
●华北暴雨研究仍有诸多难点,特别是暴雨强度预报、落区预报亟待提高。在气象研究学者看来,北方暴雨预报仍然是现代气象科学研究中一项未完成的重大课题。
 
7月以来,四川连降暴雨。据四川省气象局副局长马力称,此次强降水是四川开展相关监测以来前所未见的,“都江堰6天之内下了一年的雨量”。成都、北川、汶川等地也受到强降雨的袭击,城镇、农村都深受泥石流、洪涝灾害之苦。
 
几乎在同时,北京气象部门也发布了暴雨黄色预警。不知从哪一年开始,北京暴雨预警就变成了夏日里的家常便饭。严重的城市内涝让“到北京看海”变成了一句玩笑话。
 
直到去年7月21日,一天内,北京市气象台连发5个预警,暴雨级别最高上升到橙色。当天,全市平均降雨量达164毫米,70多人遇难,约190万人受灾。整整一年过去了,人们对这场暴雨仍然刻骨铭心,当然除了这些冷冰冰的悲情数字之外,也有市民在天灾面前热情互助的温暖记忆。
 
对于科学家而言,华北暴雨其实并不陌生,针对“7·21”北京特大暴雨的研究也在一年内层出不穷。但正是由于一些科学问题尚未解决,气象学家至今仍无法非常精确地预报局部暴雨。更准确地预测暴雨将在何时、何地产生,雨量多大,仍然是摆在气象学家面前的难题。
 
“雨量变率”的提出
 
从气象学历史记录上看,“7·21”暴雨并不算是华北地区最大的暴雨。而针对华北暴雨的科学研究,早在上世纪30年代就开始了。
 
1935年,竺可桢在我国气象学历史上首次提出,“雨量变率”越大,这一地区发生的旱涝灾害越严重。这是一个用来表示降水量变动程度的统计学概念。年降水量丰富的区域年变率小,而年降水量少的区域年变率大。而华北地区这一数值则在25%左右,比东北、华东、华南等地区都要大。
 
根据这些情况,竺可桢断定,当时的华北旱荒频起,正是雨量变率过大所致。他还进一步观察到,雨量变率和暴雨直接相关。例如,在年平均降雨量为十几毫米的干旱地区,一场降雨量为几十毫米的暴雨,就足以让该地区几年内的雨量变率陡升。
 
北京市气象局研究员吴正华向《中国科学报》记者解释到:“如果这一年有比较强和多的暴雨过程,就涝;如果没有暴雨过程,就旱。旱和涝取决于有没有暴雨过程、暴雨过程的多少和强弱。”
 
也正因如此,华北暴雨研究历来是我国气象学研究的重点。
 
竺可桢提出的干旱地区暴雨影响“雨量变率”观点也是华北地区暴雨研究的起点。直到上世纪80年代,中国科学院院士程纯枢利用1951年到1970年的气象观测资料,重新计算和分析了华北地区的雨量变率,试图为当时的旱灾提供科学依据。
 

三场大“会战”
 
解放后,华北地区发生的几次特大暴雨引起了广泛关注,科学界对于华北暴雨的研究进入高潮。
 
发生在1963年8月1日到10日的“63·.8”暴雨使华北地区连续七天遭受强降雨过程。“北京市在8月8日到9日凌晨,出现了一场全市平均300毫米的降水过程,长达10多个小时,240平方公里被淹。”当时还是北京大学学生的吴正华不仅亲身经历了这场大雨,还因为正在中国气象局气象研究所参加暑期勤工俭学,而将与这场暴雨有关的所有数据都记得清清楚楚。
 
中科院大气物理研究所研究员高守亭向《中国科学报》记者回忆道:“当时,八个师保卫天津,以防海河决口淹没整个河北。即使是去年‘7·21’暴雨,也没有到那种程度。”
 
随后,当时的中央气象局(现为中国气象局)集中了各省市气象局的科研骨干对该暴雨过程进行了一次简单的分析研究。“当然,这些研究并没有专门立项,主要是业务单位进行了分析、总结预报经验。”吴正华说。最后,预报员、专家们在观察了亚洲和西太平洋的大气运动状况后,对这场暴雨的天气大势背景达成了共识,这是一个典型的“稳定经向型环流”。也就是说,当时的大气流动造成了华北地区一条南北走向的降雨带。
 
12年后,噩梦重来。1975年8月5日至7日,一场损失更大的暴雨悄悄袭来。
 
据资料统计,河南省中部漯河、驻马店、南阳和平顶山之间的淮河上游地区普降暴雨,总雨量超过1000毫米的面积达到1460平方公里。暴雨中心在河南省沁阳县林庄,3天总雨量达到1605毫米。一些大中型水库几乎同时垮坝。这也成了我国建国后死亡人数最多的一场北方暴雨洪灾。
 
“谁也没有料到,三号台风在登陆福建后,沿着江西、湖南、湖北北上,一直到河南南部,造成了这场特大暴雨。”吴正华说。
 
1975年10月,当时的中央气象局便在北京组织了一次研讨会。由于持续时间长、规模大,这次研讨会被气象界称为“北京会战”。
 
吴正华回忆说:“河南、河北地区相关部门,北京大学、南京大学、中国科学技术大学、中科院大气所等许多单位的科研人员,都到中央气象局碰头,研讨会进行了整整7天。”几十名科研人员分别介绍了灾害发生后两个月时间里,各单位对此次特大暴雨的初步分析,并且进行了交流。
 
紧接着,我国华北暴雨研究历史上最大规模的一次研讨会如火如荼地展开了。中央气象局分别在南京和郑州两地组织了两场“会战”,主要针对“75·8”暴雨的成因及预报问题进行综合性研究。
 
在吴正华看来,两场“会战”正值“文革”后期,各单位的科研工作处于半停滞状态,要集中人力、物力重新启动科研,难度相当大。
 
1976年2月,主要分析“75·8”暴雨成因的“南京会战”开始了。
 
那一年春节刚过,吴正华与同在气象研究所工作的研究员朱福康、中科院大气所研究员丁一汇一起前往南京。著名气象学家、中科院院士陶诗言也作为专家组成员参与了“会战”。同时进行的还有以解决台风的移动路径和台风暴雨等问题为主的“郑州会战”。
 
据吴正华回忆,50多名气象科研人员住进当时的南京空军气象学院(现为解放军理工大学)学生宿舍楼,学校还专门开辟了一个食堂供他们用餐。“那么多科研人员,没有任何奖金和其他待遇,大家怀着无偿奉献的态度集合在一起。”他说,“一呆就是58天,一直到4月初。”
 
直到今天,吴正华仍然清楚地记得,时任中央气象局总工程师的程纯枢不拘小节的形象。“在南京,有一次我送他从附近机场前往郑州,老先生拎了两个破布袋子,塞进几件衣服一背就上了飞机。”他说。
 
就在如此艰苦的条件下,“75·8”特大暴雨的分析报告出炉了,这便是此次会战的主要成果。后来,这些成果都收入到了陶诗言主编的《中国之暴雨》一书中。
 
1981年,由北方15个省、市、自治区气象局,及北京大学、中科院大气所、中国气象科学院等单位的科技骨干共同参加的北方暴雨科研协作组成立。协作组由中国现代天气学和大气环流学奠基人之一、中科院院士谢义炳担任技术总顾问,由时任吉林省气象局研究员的丁士晟、时任河北省气象局研究员的游景炎、中国气象科学研究院原研究员雷雨顺、北京大学原地球物理系教授蒋尚城、中科院大气物理所研究员孙淑清等众多科技精英组成技术组。协作小组每年定期召开年会,不定期举办各种形式的学术交流活动。
 
吴正华告诉记者:“北方暴雨协作组是气象学研究者们自发组织的,没有任何课题经费的支持,只是由当时的中央气象局拨了一笔活动经费,全靠气象工作者高度的职业责任感、攻克科技难题的强烈决心、融洽的团结合作互助精神,一起走过了十余年的艰苦历程。”
 
1982年,气象界颇有影响的学术刊物《北方天气文集》便是在这里应运而生。“刊物由北大教授陶祖钰具体负责,我们几个技术组成员担任编辑,要求所有稿件的图都要中英文对照。”吴正华说。
 
文集由北大出版社印刷出版,直到1987年一共出版了6期。
 
同时,1983年上半年,协作组分别在兰州、鞍山和遵化举行了西北、东北和华北暴雨预报培训讲座班,学员共有550人之多,主要是北方基层台站的预报人员。由吴正华、蒋尚城、游景炎以及丁士晟负责主讲,内容主要是北方暴雨及其预报思路。不仅如此,北方暴雨科研协作组还以北方暴雨科研成果应用推广为重点,在帮助气象预报员建立暴雨预报思路和预报方法上开展了大量工作。1985年,有关北方暴雨的科研成果获得国家科技进步奖二等奖。
 
另外,1992年出版的“北方暴雨丛书”也是协作组的成果之一。《华北暴雨》一册的编写工作由游景炎、吴正华主持,部分技术组成员也参与了编写工作。
 
北京军区空军气象中心预报员孙峰(化名)评价:“《华北暴雨》一书为预报工作奠定了坚实的基础。时隔多年,我仍然经常阅读,挖掘基础知识。”高守亭也认为,《华北暴雨》一书为今后的北方暴雨研究拟订了框架。
 
正是在协作组的努力下,到了上世纪80年代末,吴正华欣慰地听到来自预报员的声音:“现在暴雨来临前,我们不慌了!”
 
不过,随着上世纪90年代,华北地区干旱气候的到来,气象界曾流行一时的华北暴雨研究慢慢减少。许多学者或转而攻关长江流域洪涝难题,或投身气候变化的全球议题。
 
从定性到定量
 
在暴雨研究领域,陶诗言是不得不提及的学者。陶诗言在“63·8”暴雨后开始积累资料编写《中国之暴雨》一书,书中详细地阐述了中国暴雨的物理成因。在这本著作里,陶诗言按照华北暴雨的成因将其分为11种,主要是来自不同地区的大气低涡和低槽。
 
在高守亭看来,导师陶诗言主要采用的是定性研究方法。他说:“在早期观测不发达时,天气预报主要依靠经验和韵律进行长期预报。”例如,通过记录温度、气压、湿度绘制“三线图”,用统计方法总结冷空气“打转”的周期。
 
“这样的方法有时候不太严格,但规律的确存在。”高守亭说,“如今长期天气预报都没有脱离韵律的概念。”
 
传统气象学认为,冷空气和水汽是形成暴雨必不可少的条件。就在这样的定性研究中,陶诗言总结道,影响华北地区暴雨形成的水汽来源分为两部分,一部分来源于西南气流,另一部分则来自副热带高压。这一结论已经成为华北暴雨研究中的经典结论。
 
“每年夏天,副热带高压慢慢向北移动,如果延伸到北纬30度,华北地区就极有可能发生暴雨。”高守亭解释,“去年的‘7·21’暴雨,副热带高压就延伸到了北纬33度。”
 
同时,台风远距离水汽输送也是造成华北暴雨的一大原因。据统计,在华北地区发生的所有暴雨中,受台风影响的大约占到37%。
 
不过,随着观测手段的不断进步,高守亭渐渐发现,暴雨研究的定性方法显然不能满足越来越高的预报准确性要求。
 
作为与陶诗言接触最多的学生,高守亭开始提出一些定量研究的思路。“有时候我给陶先生汇报我从定量上关注的一些动力因子,他都肯定会支持。”去年12月,陶诗言去世,享年95岁。回忆起多年来与导师一起研究暴雨的时光,高守亭甚是怀念。“我和他都住在中关村,每次过节我都会去他家里。”他说。
 
自上世纪60年代末起,雷达、卫星等观测手段引入暴雨研究领域,研究者发现了中小尺度天气系统对暴雨发生的作用。例如,卫星可以直接观察到云的移动,雷达则能通过监测云中的回波,以判断雨滴的形成,这在临近预报上发挥了很大的作用。
 
同时,自动站的应用也让观测时间密度从一天4次到每分钟1次。因此,更小空间、时间尺度的暴雨研究逐渐展开。
 
随着计算机技术的发展,数值预报技术成为主流。这一方法把大气运动的动力过程、物理过程编成一个数值模式,再把现有观测资料放到这个模式里进行计算,最终得出预报结果。定量过程能使预测更客观、准确。
 
不过,在实际预报中,数值模式也存在漏报、空报的问题。孙峰告诉《中国科学报》记者:“北京‘7·21’暴雨是一个暖区降水和锋面降水的案例,暖区降水在前,21日下午便开始了,但所有数值模式都漏报了。后面的锋面降水虽然都报了,但下在哪儿、下多大、什么时候下,还是没有报准。”
 
高守亭在陶诗言理论的基础上从事定量暴雨研究。2004年,他以物理学为基础,从科学上开辟了大气物理学研究的新领域。“之前欧美学者对大气的研究总是基于干空气或饱和湿空气。”他解释。
 
高守亭在2004年首次提出了湿空气研究,科学描述了真实大气的非均匀饱和特性,解决了暴雨形成机理研究中水汽相变的问题。
 
进一步,他还将此理论形成“集合动力因子”预报方法,解决了数值预报技术的一些问题。这一方法用大气动力过程中的关键因子,将它们集合起来进行预报,从而避开了数值预报技术的短处。
 
孙峰称,利用“集合动力因子”方法可以提高短期异常天气预测的准确性,与数值模式预报结果相结合,极大地减少了实际工作中的空报率和漏报率。
 
高守亭团队也因此获得科技部奥运气象保障项目“北京市夏季异常天气预测及应急措施研究”的资助。“幸运的是,奥运会期间北京虽然有降雨,但没有下暴雨。”他说。
 
未完成的研究
 
在过去的研究中,学者们已经整理出了影响华北暴雨的一些因素,包括《华北暴雨》编写组从能量天气学、强对流天气、低空急流等方面开展的研究。
 
但在高守亭看来,一项成功的暴雨研究应当从形成机理的理论探讨走向如何准确预报的实践活动。“集合动力因子”预报方法便是他的一次尝试。目前,基于“集合动力因子”的预报系统已经在陕西、吉林、上海等地的气象部门采用,反响良好。
 
不过,高守亭也指出:“在暴雨预报中,有两个不能直接测量的大气数值对提高预报准确率造成了困难。”首先是大气垂直运动的相关数据,“没有一个仪器能直接测量上下风多大”。其次是大气密度,“现有的结论都是通过方程推导出来的,准确率大打折扣”。专家一致认为,要进一步提高暴雨预报准确率,首先要直接获得这两个参数。
 
同时,在高守亭看来,暴雨与地形的关系科学上也没能很好地描述。“都说山区多暴雨,加上一些迎风坡、喇叭口的地形特点,对于如何影响暴雨形成,应当进一步推进研究。”他说。
 
然而,记者通过查询资料了解,在北方暴雨科研协作组之后,专门针对华北暴雨的研究就因为华北地区出现干旱天气而大大减少。尽管针对江淮、华南暴雨研究已有“973”项目支持,但国家层面支持华北暴雨研究的项目仅有“华北强降水(暴雨)天气系统的动力过程和预报方法研究”。
 
此外,吴正华还考察过华北暴雨和厄尔尼诺现象的关联,曾在1998年出版的第五期《气象》杂志中发表文章《北京汛期暴雨与厄尔尼诺事件》。文章指出,厄尔尼诺事件属大空间尺度、长时间的强气候信号,而北京汛期暴雨是属中尺度天气系统产生的降水现象,如何认识和理解两者之间的统计关系,有待深入研究。
 
“这些年来,气象界有一个共识,在拉尼娜年,北方多雨;而厄尔尼诺年,长江流域多雨。”他说。不过,这些年来,这方面的进展也很少见。
 
北京市气象台台长乔林曾在接受采访时表示:“目前,对于是否出现降雨,我国的预报准确率为80%;而对于暴雨的预报,准确率仅为20%。”
 
尽管我国暴雨预报水平已经进入世界前列,华北暴雨研究仍有诸多难点,特别是暴雨强度预报、落区预报亟待提高。在气象研究学者看来,北方暴雨预报仍然是现代气象科学研究中一项未完成的重大课题。
 
《中国科学报》 (2013-07-19 第4版 影像)
 
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防灾减灾别光“马后炮”
 
■甘晓
 
暴雨是一种灾害性天气,可能造成洪涝灾害和严重的水土流失,导致工程失事、堤防溃决和农作物被淹等重大的经济损失。去年北京“7·21”暴雨造成78人遇难,全市受灾人口达190万。一年过去了,巨大的损失仍然让所有人记忆犹新。
 
目前,四川正在遭受暴雨灾害袭击。截至7月15日16时,“7·9”暴雨灾害已造成该省16个市(州)、91个县(市)、1151个乡镇的346.89万人受灾,58人因灾死亡,175人失踪。
 
纵观我国暴雨研究历史,呈现出“哪儿下雨研究哪儿”的局面。“马后炮”式的研究尽管能够掌握并分析大量已有暴雨资料,但却不利于最大程度地减少损失,也有可能造成科研资源的浪费。
 
因此,如何让科学研究在灾害应对上发挥作用,是一个亟待解决的问题。
 
第一,灾害研究要加强基础性。只有全面了解灾害发生的机理,才有可能降低灾害的损失。以暴雨研究为例,降雨过程与大气物理过程息息相关,中科院大气物理研究所研究人员便以物理学为突破口,科学上描述了大气的真实性质,从而提高了暴雨预报的准确率。加强基础性研究无疑能为灾害研究注入一剂强心针。
 
第二,灾害研究要保证连续性。我们面对的自然界纷繁复杂,其运动规律也难以在短时间掌握。几乎所有成功的科学研究,都需要长时间的探索和尝试。从事灾害研究的科学家需要长期坚持本领域的研究。当暴雨灾害来临就开展研究、灾害减轻时又停止研究的现状,不仅不能深入、全面地认识灾害,也容易造成人才断代。进行长时间、连续的科学研究是灾害研究取得关键进展的重要保障。
 
第三,灾害研究要具有前瞻性。有效的灾害研究能提前发现问题,发现灾害来临的先兆,并且进行风险评估,为政府行为提供决策依据。暴雨预报便是灾害前瞻性的重要体现,如何提高暴雨预报准确率则是这项研究的重点。开展前瞻性的科学研究是达到灾害研究目的的重要手段。
 
科技支撑防灾减灾,需要科学家加强基础性、前瞻性的研究,并保持长时间、连续性开展工作。只有这样,科学家才能称得上是防灾减灾队伍中一支真正强有力的队伍!
 
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