✪ 李澤椿、諶蕓、張芳華

 

孫軍、王月冬、符嬌蘭、于超

國家氣象中心

【導讀】自7月中旬以來，我國多地持續(xù)面臨強降雨風險，災害頻發(fā)。據(jù)報道，7月20日，河南鄭州等多地降雨量突破歷史極值，甚至達到“千年一遇”水平，災害之嚴重，令全國人民揪心。中原大地，飽經(jīng)滄桑，歷史上發(fā)生在河南地區(qū)的水患不計其數(shù)。1975年8月，河南地區(qū)即創(chuàng)下6小時降雨量830mm的世界極值。自"75·8"暴雨之后，我國不斷完善氣象觀測系統(tǒng)與觀測能力，但暴雨危害仍在持續(xù)增加。本文由16歲時(1952年)就參軍入伍學習氣象觀測、一生心許氣象報國的天氣動力和數(shù)值預報資深專家、中國工程院李澤椿院士領(lǐng)銜的國家氣象中心團隊，對數(shù)十年來大量氣象材料進行深入分析而成。文章指出，我國是受暴雨災害影響最為嚴重的國家之一。近10年來，暴雨對國民經(jīng)濟與人民生活的影響與日俱增，暴雨災害在和平時期是對國家安全的重大威脅。盡管我國在暴雨預報系統(tǒng)建設(shè)、能力提升等方面取得長足進步，但仍有不可忽視的短板。一是暴雨機理研究不足，我們對宏觀氣象系統(tǒng)的認識有了質(zhì)的提升，但對局地地形、氣候背景等對暴雨災害的影響認識不足；二是氣象災害預報技術(shù)手段與人才培養(yǎng)仍有進步空間；三是氣象預報對新技術(shù)的運用不足，平臺資料的匯整與分析能力提升尚需時日。據(jù)此，我們應(yīng)該補足短板，迎難而上，特別是需要形成氣象領(lǐng)域?qū)�業(yè)界與普通公眾之間的信息交換，如此方可提高公眾對氣象災害與極端天氣的防范意識，盡最大可能減少人員與財產(chǎn)損失。

 

本文原載《氣象與環(huán)境科學》2015年第3期，原題為“由河南‘75.8’特大暴雨引發(fā)的思考”，文章僅代表作者本人觀點，供諸君思考。

由河南“75.8”特大暴雨引發(fā)的思考

 

 

 

▍引言

 

暴雨(含臺風暴雨、北方暴雪) 是我國最主要的氣象災害。在和平發(fā)展、快速經(jīng)濟建設(shè)時期, 干旱造成的損失雖然很大, 但國家社會行為及工程技術(shù)有可能給予相當?shù)姆婪? 而由于暴雨的極端性、突發(fā)性和局地性給預報帶來很大的不確定性, 因此現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展應(yīng)對暴雨災害比應(yīng)對干旱災害具有更大的困難。

 

1975年8月4日至8日,該年度第3號臺風在中國福建晉江登陸后, 北上至河南省伏牛山脈與桐柏山脈之間的大弧形地帶“停滯少動”, 并在其他天氣尺度系統(tǒng)的參與下, 造成歷史罕見的特大暴雨, 史稱 “75·8”特大暴雨。該次過程最大累積雨量達1631 mm, 大于1000 mm的降水區(qū)集中在京廣鐵路以西板橋水庫、石漫灘水庫到方城一帶。板橋水庫附近的林莊的最大6h雨量為830mm, 超過了當時世界的最高紀錄782mm; 最大24h雨量為1060mm, 也創(chuàng)造了我國同類指標的最高紀錄。特大暴雨造成駐馬店地區(qū)60多個水庫垮壩潰決, 1015萬人受災, 超過2. 6萬人死難, 直接經(jīng)濟損失近百億元 (據(jù)當時的估價) , 是世界最大最慘烈的水庫垮壩慘劇。

 

“75·8”特大暴雨之后, 暴雨災害和暴雨預報越來越得到氣象學家的高度重視。近20年來, 得益于日漸完善的氣象觀測系統(tǒng)、高分辨率數(shù)值模式的發(fā)展及諸多先進科研成果的應(yīng)用, 我國暴雨預報業(yè)務(wù)步入嶄新的發(fā)展階段, 暴雨預報準確率穩(wěn)步提高。但暴雨是多尺度系統(tǒng)共同作用的產(chǎn)物, 形成機理復雜, 加之我國地域遼闊、地形地貌多樣, 無論天氣尺度模式還是中尺度模式對其預報能力均有限, 暴雨尤其是極端性暴雨和局地突發(fā)性大暴雨的預報準確率和精細化程度仍遠遠達不到社會發(fā)展和防災減災的需求。

 

 

 

 

▍暴雨災害的影響是我國和平發(fā)展時期最主要的桎梏

 

暴雨是我國多發(fā)的一種災害天氣, 暴雨洪澇是我國最常見最嚴重的自然災害, 對社會經(jīng)濟、國家安全等有直接而嚴重的影響。各級領(lǐng)導和科技干部應(yīng)當認識到做好暴雨預報應(yīng)當是氣象部門長期、穩(wěn)定、首要的任務(wù), 不應(yīng)因社會輿論而轉(zhuǎn)移。

 

（一）近20年我國重大暴雨災害事件遍及大江南北城市鄉(xiāng)村

 

我國是世界上暴雨天氣出現(xiàn)頻次、影響程度、影響范圍都很大的國家, 幾乎全國各地都不同程度受其影響。近20年, 雖然我國各項基礎(chǔ)設(shè)施均有明顯改善, 但暴雨頻發(fā), 造成的危害仍然嚴重, 并且產(chǎn)生許多新的影響。1998年夏季, 由于持續(xù)的強降雨天氣, 長江流域發(fā)生了繼1954年之后又一次全流域大洪水, 東北地區(qū)的松花江、嫩江也發(fā)生了百年不遇的特大洪水; 持續(xù)強降水還引發(fā)山洪暴發(fā)、圍垸漫潰及山體滑坡、泥石流等, 造成近2000人遇難, 直接經(jīng)濟損失超過2000億元。因登陸臺風造成的大范圍暴雨災害、城市內(nèi)澇等屢見不鮮, 近幾年 “尤特”、“潭美”、 “菲特”、“海燕”、“威馬遜”、“麥德姆”等登陸臺風給我國華南、江南及華東大部地區(qū)帶來強風暴雨, 并由此引發(fā)一系列次生災害。

 

2013年10月6日至8日, 受1949年以來10月登陸我國大陸地區(qū)的最強臺風——“菲特”的影響, 浙江、福建、江蘇、上海等省市出現(xiàn)狂風暴雨, 10人因災死亡, 1人失蹤, 直接經(jīng)濟損失623.3億元, 居近10 年來單個臺風直接經(jīng)濟損失之首。

 

除了區(qū)域性強降雨和流域性大洪水, 局地強降水尤其是短時間內(nèi)產(chǎn)生的強降水造成的災害也非常嚴重。2005年6月10日中午, 黑龍江省寧安市沙蘭鎮(zhèn)西北上游突降特大暴雨, 匯集成洪水和泥石流沖入沙蘭鎮(zhèn)中心小學, 造成117人遇難, 其中包括105名學生，現(xiàn)場慘烈的狀況引起非常強烈的社會反響。2010年8月7日夜間, 甘肅省舟曲縣城東北部山區(qū)突降暴雨, 40多分鐘內(nèi)降雨量達97mm, 引發(fā)特大山洪地質(zhì)災害,造成1481人遇難, 318人失蹤。

 

近些年我國不少大城市因暴雨導致的洪水和內(nèi)澇, 造成了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。2012年7月21日,北京遭遇歷史罕見的大暴雨, 11個氣象站觀測到的雨量突破了建站以來的歷史極值, 部分地區(qū)一天降雨量達到甚至超過了年平均降雨量。北京出現(xiàn)極其嚴重的城市內(nèi)澇,部分中小河流和水庫出現(xiàn)汛情, 79人遇難, 受災人口達190萬人,因災造成經(jīng)濟損失近百億元。2007年7月18日, 濟南突降暴雨, 造成30多人死亡, 170多人受傷, 約33萬群眾受災, 直接經(jīng)濟損失約13.2億元。2001年8月5日, 上海市出現(xiàn)特大暴雨, 黃浦區(qū)和徐家匯日雨量分別達294和275mm, 為50 年來最大, 造成了非常嚴重的城市內(nèi)澇。

 

 

2008年年初春運期間, 我國南方大部分地區(qū)接連出現(xiàn)4次雨雪天氣, 導致歷史罕見的大范圍持續(xù)性低溫雨雪冰凍災害, 造成交通嚴重受阻, 電力、通訊中斷, 能量供應(yīng)緊張, 群眾生活困難; 天氣災害與春運高峰疊加, 造成了嚴重的交通阻塞。

 

因此,我國的暴雨災害遍及大江南北城市鄉(xiāng)村, 既有大范圍流域性洪澇, 更有中小尺度局地暴雨造成的災害, 極端性暴雨天氣也是頻頻出現(xiàn), 因冬季較強雨雪天氣造成的低溫雨雪冰凍災害同樣可以造成廣泛和持續(xù)的嚴重社會影響。

 

（二）近10年我國及全球暴雨災害影響社會各領(lǐng)域,經(jīng)濟損失呈加重趨勢

 

表1為2004-2012年中國暴雨災害受災情況, 圖1為造成的直接經(jīng)濟損失與死亡人數(shù)。由表1和圖1可見: 2004 - 2012年, 全國因暴雨災害年均死亡人數(shù)約1260人, 直接經(jīng)濟損失1155. 5億元, 農(nóng)作物受災927. 4萬公頃; 全國因災死亡人數(shù)整體呈減少趨勢, 但因社會經(jīng)濟快速發(fā)展、行業(yè)間相互依賴關(guān)系緊密、社會財富不斷增長,因災造成的經(jīng)濟損失呈上升趨勢。同時, 暴雨災害造成的影響越來越嚴重, 且產(chǎn)生了許多新的災害特點, 如破壞生態(tài)環(huán)境、影響水質(zhì)、破壞居住條件、降低交通效率等。

 

表1：2004 - 2012年中國暴雨災害受災情況

 

注：數(shù)據(jù)來自2004 - 2012年《中國氣象災害年鑒》

 

圖1 2004 - 2012年中國暴雨災害造成的直接損失與死亡人數(shù)   

 

 

 

由1950 - 2004年重大洪水災害受災人口和受災損失統(tǒng)計結(jié)果 (圖2、3) 可以清楚地看出, 1950 2004年全球逐年重大洪水災害受災人口年變化及受災經(jīng)濟損失在各個年份雖有波動, 但總體上呈現(xiàn)逐漸穩(wěn)步上升的趨勢,重大洪水災害受災人口及經(jīng)濟損失越來越多。1998年是50年來全球重大洪水災害最嚴重的一年, 受災人口達到291.31百萬, 受災經(jīng)濟損失達到391.01億美元; 1991年次之, 受災人口達227.55百萬, 受災經(jīng)濟損失為309. 72億美元。

 

圖2 全球1950 - 2004年重大洪水災害受災人口

 

圖3 全球1950 - 2004年重大洪水災害受災損失

 

 

表2給出了1950-2004年全球重大洪水災害地區(qū)分布。由表2可見, 不論受災人口還是受災損失,中國都是世界上最嚴重的國家。嚴重的洪水災害, 造成了巨大的經(jīng)濟損失,這將對中國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

 

表2 全球1950 - 2004年重大洪水災害地區(qū)分布

 

綜上分析, 我國是世界上受暴雨災害影響最為嚴重的國家之一。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展, 人類的防災減災能力也逐步提高, 但極端性和局地突發(fā)性暴雨災害的預報能力進展并不顯著, 由暴雨災害導致的經(jīng)濟損失和受災人數(shù)卻并沒有顯著降低, 暴雨災害對社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展及社會穩(wěn)定的影響日趨嚴重。

 

 

（三）暴雨災害對國家安全也產(chǎn)生巨大影響

 

現(xiàn)在國家安全的概念已經(jīng)從傳統(tǒng)的國防安全, 擴大到更為廣泛的國土安全、環(huán)境安全、食物安全、水資源安全等領(lǐng)域。暴雨災害的直接影響主要包括洪澇或地質(zhì)災害造成的停工、停產(chǎn)、停課、斷水、斷電、斷路甚至房屋倒塌、農(nóng)田受淹、農(nóng)作物減產(chǎn)或絕收、水利工程被毀、人員傷亡, 以及由此帶來的巨大經(jīng)濟損失等。洪澇進一步導致水土流失和土壤侵蝕, 使環(huán)境、資源承載力發(fā)生改變, 甚至會發(fā)生難以恢復的破壞, 進而對糧食安全、自然生態(tài)環(huán)境安全等產(chǎn)生嚴重威脅。有研究表明, 洪災過后對社會經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都有后效性影響。同時, 大的水災過后,飲用水源易受到污染, 可能出現(xiàn)疫病流行, 引發(fā)人民群眾恐慌、焦慮, 造成社會不安定因素。暴雨災害通過影響人類生產(chǎn)生活的方方面面, 可以危害到環(huán)境安全、糧食安全、水資源安全、生態(tài)安全、社會安定等,進而危害國家安全。

 

在和平發(fā)展時期, 由暴雨災害所引發(fā)的一系列社會效應(yīng)將對國家安全造成不可估量的影響, 因此須引起各方面的高度關(guān)注。

 

▍近20年我國暴雨預報業(yè)務(wù)進展及存在的問題

 

暴雨預報是預報員在對其形成機理深刻認識的基礎(chǔ)上, 充分利用現(xiàn)代化的觀測資料、高分辨率的數(shù)值模式、先進的統(tǒng)計模型, 并結(jié)合預報員的主觀經(jīng)驗綜合而成的。暴雨預報多年來有了很大進步, 各級氣象臺為防災減災做出了杰出貢獻。

 

（一）暴雨機理研究取得顯著進展

 

在暴雨機理方面的主要進展體現(xiàn)在高頻衛(wèi)星和多普勒雷達應(yīng)用后, 人們對暴雨的中尺度結(jié)構(gòu)和演變規(guī)律等有了更精細的認識。中小尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)展演變很大程度上決定了暴雨的分布和強度, 在中尺度對流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和中尺度系統(tǒng)的移動與傳播等方面的研究對改進暴雨的預報有顯著作用。

 

最近20 年, 我國氣象科學家經(jīng)過不懈的努力, 在暴雨機理研究領(lǐng)域做出了令人矚目的成就。成果主要來源于以南方暴雨為主要研究內(nèi)容的3個國家級重大項目: “海峽兩岸及鄰近地區(qū)暴雨試驗研究” ( 簡稱華南暴雨科學試驗———HUAMEX) 和國家973項目“我國重大天氣災害形成機理與預測理論研究”、“我國南方致洪暴雨監(jiān)測與預測的理論和方法研究”, 以及在項目執(zhí)行期間實施的3個野外科學試驗所獲取的豐富的中尺度觀測資料。

 

我國各級預報員經(jīng)過長期的業(yè)務(wù)實踐和個例分析, 特別是對疑難或預報失敗個例的分析研究, 對暴雨發(fā)生發(fā)展的機理進行了很好的驗證和有益的補充。

 

（二）暴雨客觀預報技術(shù)有了長足進步

 

數(shù)值預報技術(shù)是現(xiàn)代天氣預報的基礎(chǔ),近10 年來數(shù)值預報的同化方案越來越完善, 同化的資料越來越豐富, 模式分辨率越來越高, 預報準確率不斷提高, 預報時效不斷延長, 在暴雨的精細化預報中發(fā)揮著越來越重要的作用。

 

1.數(shù)值預報系統(tǒng)

 

國際領(lǐng)先的數(shù)值預報中心現(xiàn)今通常同時在運行全球模式和高分辨率區(qū)域模式, 全球模式的水平分辨率在16 ~ 50 km左右, 區(qū)域模式則在1.5 ~ 12.0 km( 普遍1 ~ 7 km) 。世界先進的預報中心支持高影響天氣預報的NWP開發(fā)集中于高分辨率全球模式和中尺度模式, 網(wǎng)格距在4 km以下的模式一定程度上具備了解析對流風暴的能力, 并將天氣預報的能力提到了一個新的高度。

 

我國從20世紀80年代開始, 以數(shù)值天氣預報為重點的氣象業(yè)務(wù)建設(shè)取得快速發(fā)展。從2007年開始業(yè)務(wù)化的全球模式T639在空間分辨率、初始場同化技術(shù)、臺風Bogus技術(shù)、產(chǎn)品豐富性等方面都較之前的T213有長足進步, 有力地保障了暴雨預報業(yè)務(wù)的發(fā)展。同時, 從2001年開始, 中國氣象局組織自主開發(fā)建立新一代多尺度通用的同化與數(shù)值預報系統(tǒng)GRAPES。GRAPES模式有兩個系列的應(yīng)用版本: GRAPES-Meso (區(qū)域中尺度模式) 和 GRAPES-GFS (全球中期預報模式) , 其中GRAPES-Meso于2014年7月升級為4.0版本, 水平分辨率由15 km提高到10 km, 垂直層次由31層增加到50層, 并采用了模式三維變分同化系統(tǒng),暴雨預報能力有所提高。

 

2.客觀統(tǒng)計方法

 

國家氣象中心近幾年在暴雨客觀統(tǒng)計預報方法方面也取得了較大的進步, 研發(fā)了集合融合預報、多模式集成、配料法強降水等級預報及模式頻率匹配訂正預報等定量降水預報客觀產(chǎn)品。集合融合預報技術(shù)主要是基于降水評分最大化原則, 利用歷史資料確定每個量級降水最優(yōu)的百分位取值, 進行定量降水預報融合計算。

 

多模式集成利用多家模式之間的相似離度, 確定比例權(quán)重, 進行動態(tài)集成。配料法降水等級預報技術(shù), 主要是通過歷史資料選取最優(yōu)預報因子并訓練logistic判別模型,獲取等級預報參數(shù),進行降水等級預報。頻率匹配訂正預報技術(shù)利用歷史降水資料的頻率分布曲線訂正模式降水的頻率分布曲線, 使觀測與預報降水接近或重合, 以達到對于降水預報訂正的目的。這4種客觀預報產(chǎn)品較數(shù)值模式直接輸出的降水預報均有提高。在實際業(yè)務(wù)中, 預報員可結(jié)合具體檢驗結(jié)果,有針對性地選用其中一種或幾種。

 

（三）暴雨主觀預報積累了更多經(jīng)驗

 

暴雨主觀預報隨著預報員對暴雨形成機理認識的不斷提高、數(shù)值預報模式( 中尺度數(shù)值模式和集合預報等) 的進步及預報員數(shù)值預報模式應(yīng)用能力的提高,取得了飛速發(fā)展。暴雨的短期預報側(cè)重于模式輸出的天氣概念模型識別、天氣尺度和中尺度分析及水汽、抬升、不穩(wěn)定性等降水形成要素分析, 著重對物理量參數(shù)進行異常診斷和極值分析(圖5), 并參考集合模式預報的異常性(圖6) , 從而判斷暴雨發(fā)生的可能性。暴雨的短臨預報是在短期預報暴雨有可能發(fā)生時, 進一步分析中尺度對流系統(tǒng)的生成時間、位置、移動、類型等, 是否有后向傳播和列車效應(yīng)發(fā)生。

 

圖5 2012 年 7 月 21 日 20 時 GFS 模式大氣可降水量( a) 、850 h Pa 水汽通量( b) 、850 h Pa 風( c) 及標準化距平( 陰影)

 

圖6 北京 7·21 暴雨過程集合預報降水量單位: mm,概率單位: %   

 

中央氣象臺定量降水預報(QPF) 業(yè)務(wù)開展多年, 預報準確率穩(wěn)步提高, 目前24 h暴雨的Ts評分由2007年的0.15上下提高到了0.18以上。主要產(chǎn)品包括未來24 h時效內(nèi)逐6h累積QPF、未來168h時效內(nèi)逐24h累積QPF, 以及旬降水量預報、過程降水量預報等特色QPF產(chǎn)品。同時, 試驗面向全國的訂正PQPF產(chǎn)品, 開發(fā)6 ~ 10d有無降水和大量級降水概率預報產(chǎn)品。目前, 在傳統(tǒng)繪制等值線落區(qū)的基礎(chǔ)上, 增加了精細化的格點預報場, 并初步形成中央臺發(fā)布指導產(chǎn)品、地方臺訂正反饋的業(yè)務(wù)體系。

 

 

圖7 2007 - 2014年中央氣象臺暴雨短期 Ts 評分

 

 

​（四）我國暴雨預報業(yè)務(wù)存在的主要問題

 

我國暴雨天氣形成機理復雜, 地域特征明顯, 預報難度大, 近20年來雖然取得了諸多進步, 但距離防災減災的需求還有較大差距。主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

 

對我國暴雨發(fā)生發(fā)展的機理認識仍要深入。我國地域遼闊, 地形復雜, 暴雨影響因子多樣, 各地各季暴雨都有不同的特點, 大范圍極端性暴雨和中尺度突發(fā)性強對流暴雨是當前最為突出的預報難點, 其機理研究和認識有待加強。

 

預報技術(shù)手段基礎(chǔ)仍薄弱。數(shù)值預報模式在強降水的預報能力方面有了很大提高, 區(qū)域性暴雨天氣過程基本不會漏報, 但具體的雨帶位置和降雨強度仍有較大偏差, 特別是對極端性暴雨和中尺度突發(fā)性暴雨預報能力仍有限。各種模式產(chǎn)品釋用和客觀統(tǒng)計方法也是在數(shù)值預報基礎(chǔ)上的再加工, 預報準確率提高很受影響。

 

 

新型觀測資料和數(shù)值模式使用能力不強。各種新型觀測資料的快速業(yè)務(wù)化為預報員提供了分析暴雨天氣的良好條件, 但同樣這些非常規(guī)資料在使用方面仍處于起步階段; 同時, 因業(yè)務(wù)流程和系統(tǒng)平臺的局限, 預報員分析新型資料的時間不夠,分析不夠細致全面。另外, 預報員對數(shù)值模式的物理過程及其對不同類型暴雨的預報性能了解還不深入,  缺乏對中尺度模式的理解和應(yīng)用技術(shù), 集合預報系統(tǒng)應(yīng)用也處于探索、積累經(jīng)驗和應(yīng)用發(fā)展階段。

 

業(yè)務(wù)平臺對海量資料調(diào)閱和分析的支撐能力有待繼續(xù)提高。目前我國主要預報業(yè)務(wù)平臺為MICAPS3 (現(xiàn)代化人機交互氣象信息處理和天氣預報制作系統(tǒng)第3版本) , 尚存在資料尤其是高分辨資料調(diào)閱顯示速度慢、數(shù)據(jù)加工處理功能單一等缺點,制約了暴雨預報的精細化分析和準確率的提高。

 

梯隊式預報員隊伍建設(shè)仍需加強。現(xiàn)代氣象預報業(yè)務(wù)向客觀化和自動化方向發(fā)展, 但預報員仍是滿足國家防災減災和社會生產(chǎn)生活需要的預報服務(wù)業(yè)務(wù)主體。目前, 各級氣象臺站均不同程度地存在骨干預報員缺乏的現(xiàn)象, 尤其缺少在暴雨預報業(yè)務(wù)和研究方面的學科帶頭人, 人才隊伍建設(shè)任重道遠。

 

▍近期我國暴雨預報業(yè)務(wù)的發(fā)展思考

 

現(xiàn)代暴雨預報發(fā)展主要基于精細化高分辨率數(shù)值預報技術(shù)的進步, 更基于預報員對于天氣系統(tǒng)識別、概念模型和降水物理機制的理解和經(jīng)驗積累, 以及對數(shù)值預報產(chǎn)品解釋應(yīng)用能力的提高。

 

（一）遵循個性化研究原則,建立特殊性個例數(shù)據(jù)庫和預報員經(jīng)驗庫

 

天氣過程的綜合分析是預報員提高對降水天氣過程認識和理解的最重要手段, 通過對不同區(qū)域、不同季節(jié)和不同影響系統(tǒng)降水的診斷分析, 可以幫助預報員深刻理解降水產(chǎn)生的物理機理, 尋找相應(yīng)的預報著眼點, 提高分析、診斷和預報的能力。目前的數(shù)值模式還是著重描述天氣過程普遍規(guī)律, 缺乏對特殊過程的反映, 如極端暴雨、局地突發(fā)性暴雨、復雜地形下降水等, 模式的預報能力還是有限的。此時, 更應(yīng)該加強預報員對特殊個例的研究, 建立特殊性個例數(shù)據(jù)庫和預報員經(jīng)驗庫。

 

通過對北京7·21特大暴雨的實況診斷和極端性成因分析, 對華北暖區(qū)暴雨發(fā)生發(fā)展條件及極端強降水預報思路給出了初步的分析, 為預報員認識和理解暖區(qū)暴雨形成的原因、建立極端強降水預報思路提供了較好的參考。華南暖區(qū)暴雨是華南地區(qū)獨特的強降雨現(xiàn)象, 通過對這一類天氣形成的天氣系統(tǒng)的統(tǒng)計分析表明: 影響華南暖區(qū)暴雨的環(huán)流系統(tǒng)為三大類: 切變型、低渦型及偏南風風速切變輻合型,這些總結(jié)性的研究成果為華南暖區(qū)暴雨提供了很好的預報依據(jù)。

 

然而,對于不同類型強降水形成的物理機理認識仍有待深入, 預報員仍需要通過對特殊降水個例的收集和歸檔, 建立特色暴雨個例庫, 從預報失敗的強降水個例的深入研究入手, 不僅關(guān)注大的環(huán)流形勢、影響系統(tǒng)及水汽、熱力條件,更有必要加強對濕對流系統(tǒng)的觸發(fā)、組織化發(fā)展、移動演變和降水效率等物理過程,以及局地地形、氣候背景和邊界層過程等對強降水可能影響的探索性研究, 總結(jié)出不同類型強降水形成的“特殊性”條件和預報著眼點, 逐步積累預報經(jīng)驗, 并歸納入庫,且簡明扼要便于及時調(diào)閱參考。

 

 

 

（二）繼續(xù)發(fā)展區(qū)域中尺度模式和集合預報技術(shù)

 

 

數(shù)值預報是現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)的基礎(chǔ), 也是暴雨預報業(yè)務(wù)的基本手段之一。未來數(shù)值預報技術(shù)的發(fā)展趨勢是建立多尺度一體化模式, 但在我國還應(yīng)當注意區(qū)域模式的發(fā)展與應(yīng)用。

 

隨著模式分辨率的提高, 發(fā)展和改進格點尺度云( 凝結(jié)物) 預報方案已同改進積云對流參數(shù)化方案一樣受到重視。一個較為完善的高分辨模式可以幫助揭示各類MCSs的發(fā)展規(guī)律、形成機制及其結(jié)構(gòu)的可能演變, 從而彌補全球模式的不足,為暴雨預報尤其是極端暴雨預報提供參考。中尺度數(shù)值模式要取得進一步突破和發(fā)展,關(guān)鍵是能夠捕捉到中尺度系統(tǒng)真實的三維結(jié)構(gòu)和演變過程, 而這一過程大大依賴于準確的中尺度觀測資料, 因此, 未來中尺度觀測和探測技術(shù)的發(fā)展是重中之重, 多種尺度資料融合、集成和同化也是發(fā)展中尺度模式必不可少的一環(huán)。

 

由于大氣可預報性與數(shù)值預報初始場不確定性的存在, 限制了用傳統(tǒng)的決定論制作確定性預報的預報技巧, 而集合預報則為解決這一問題提供了新的途徑。目前, 集合預報產(chǎn)品已經(jīng)在天氣預報業(yè)務(wù)中得到廣泛應(yīng)用。有證據(jù)證明, ECMWF集合預報在大雨以上量級強降水和極端降水預報中具有較好的參考價值。而一個好的集合預報系統(tǒng)一定是建立在好的數(shù)值模式上, 只有當模式足夠好,預報的不準確主要源自初值的誤差時, 集合預報才會有明顯的效果。所以, 不斷改進數(shù)值模式的質(zhì)量對提高集合預報的效用是至關(guān)重要的。

 

（三）提高預報員使用數(shù)值預報產(chǎn)品的能力

 

我國暴雨具有明顯的地域特色, 不同地區(qū)不同類型暴雨的可預報性明顯不同, 預報員只有更好地理解模式物理過程存在的問題和局限性, 了解不同模式對不同類型暴雨可預報性的估計, 才能在模式的基礎(chǔ)上體現(xiàn)預報員的附加值。

 

在實際預報過程中, 需要預報員對模式預報進行檢驗、評估和訂正, 特別是對降水落區(qū)和強度等系統(tǒng)性誤差進行定量統(tǒng)計分析顯得極為緊迫�；�于對模式降水預報誤差的認識, 中央氣象臺預報員對西南地區(qū)強降水落區(qū)預報有了明顯的改進。目前基于空間檢驗技術(shù)對模式降水誤差進行定量化的檢驗工作還處在初級階段, 未來只有進一步對不同區(qū)域、不同季節(jié)和不同環(huán)流背景產(chǎn)生的降水誤差進行深入分析, 包括其初始誤差在暴雨不同發(fā)展階段的增長規(guī)律、預報誤差分布特征及其可能的原因等, 才能在模式的基礎(chǔ)上增加預報員的附加值。

 

（四）做好中尺度系統(tǒng)精細化分析和短時臨近預報

 

隨著氣象現(xiàn)代觀測網(wǎng)的逐步完善, 衛(wèi)星、雷達、閃電定位儀、風廓線儀、微波輻射計、GPS水汽等新型觀測資料逐步被引入氣象業(yè)務(wù)體系, 為加深對暴雨中小尺度特征的認識提供了可能。如衛(wèi)星、雷達、閃電定位儀等對認識造成暴雨的中小尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展規(guī)律及其結(jié)構(gòu)特征提供了最為直接的手段。新型非常規(guī)資料的獲取, 對認識中尺度暴雨的結(jié)構(gòu)及其環(huán)境條件提供了十分有利的手段, 對短時臨近預報有非常重要的意義; 同時,也有利于通過資料同化改善模式初始場, 進而提高數(shù)值模式預報準確率。因此, 未來需要在業(yè)務(wù)預報及科研分析中加強對這些資料的應(yīng)用, 提高對中尺度對流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及對流發(fā)生發(fā)展的物理機理的認識和理解。

 

（五）建設(shè)預報員專用的人機交互平臺,提供提高效率和創(chuàng)新的手段

 

提高暴雨預報準確率, 現(xiàn)代化的預報業(yè)務(wù)系統(tǒng)必不可少�，F(xiàn)代觀測系統(tǒng)不但提供如風壓濕等常規(guī)觀測數(shù)據(jù),還提供大量的衛(wèi)星、雷達等高時空分辨率數(shù)據(jù), 同時, 數(shù)值模式也向高分辨率和集合預報發(fā)展, 在天氣分析中使用的數(shù)據(jù)較過去大量增加,這就需要業(yè)務(wù)預報系統(tǒng)后臺應(yīng)用實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)管理, 支持大數(shù)據(jù)應(yīng)用, 提高數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)檢索與應(yīng)用效率。

 

因此, 需要進一步加強MICAPS平臺的建設(shè), 體現(xiàn)對預報員實時業(yè)務(wù)應(yīng)用的智能化支持, 完善各類資料傳輸、存儲流程, 開發(fā)針對風廓線資料、GPS水汽等非常規(guī)資料的專用工具, 提高對高分辨率數(shù)值模式資料顯示速度, 開發(fā)多物理量綜合剖面顯示功能模塊和以客觀訂正技術(shù)為基礎(chǔ)的暴雨預報客觀訂正模塊, 增加暴雨診斷分析和暴雨預報智能化綜合判斷工具, 使其成為實時預報業(yè)務(wù)中快速、高效、穩(wěn)定的暴雨天氣綜合分析預報平臺。目前使用的業(yè)務(wù)平臺MICAPS3的升級版本———MICAPS4將逐步實現(xiàn)上述功能。

 

 

▍結(jié)論

 

暴雨是我國最主要的一種災害性天氣, 對社會發(fā)展、民生福祉及國家安全都有深刻影響。過去的20年, 高分辨率的觀測資料和數(shù)值模式不斷發(fā)展, 基于模式的后處理、檢驗訂正技術(shù)逐漸在業(yè)務(wù)中發(fā)揮作用, 各級預報員通過典型、疑難或預報失誤個例的總結(jié), 加深了對暴雨機理的認識, 我國暴雨預報業(yè)務(wù)在產(chǎn)品內(nèi)容、形式、準確率和精細化程度等方面都取得了長足的進步。

 

為此，我們應(yīng)進一步加強暴雨機理研究、預報技術(shù)開發(fā)及科研成果的業(yè)務(wù)化。暴雨形成機理復雜, 理論突破較難, 因此需要各級領(lǐng)導和部門繼續(xù)重視暴雨基礎(chǔ)研究和預報技術(shù)研發(fā), 鼓勵并保護廣大科技人員的研究興趣, 倡導為業(yè)務(wù)服務(wù)的科研開發(fā), 促進科研成果真正轉(zhuǎn)化為預報業(yè)務(wù)能力。

 

 

除此之外, 暴雨預報業(yè)務(wù)發(fā)展還需要高質(zhì)量的現(xiàn)代化觀測系統(tǒng)、科學合理的預報業(yè)務(wù)流程、技術(shù)流程,包括預報產(chǎn)品制作、發(fā)布的無縫隙對接等一系列保障措施, 這是一項值得持續(xù)深入探討的課題。

 

本文原載《氣象與環(huán)境科學》2015年第3期，原題為“由河南‘75.8特大暴雨引發(fā)的思考’”。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)，歡迎個人分享，媒體轉(zhuǎn)載請聯(lián)系版權(quán)方。