85歲老院士: 暴雨災(zāi)害慘痛, 我們怎么辦?
自7月中旬以來，我國多地持續(xù)面臨強降雨風(fēng)險，災(zāi)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(zāi)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(xué)習(xí)氣象觀測、一生心許氣象報國的天氣動力和數(shù)值預(yù)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(zāi)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(zāi)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(yù)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(zāi)害的影響認識不足；二是氣象災(zāi)害預(yù)報技術(shù)手段與人才培養(yǎng)仍有進步空間；三是氣象預(yù)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)I(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(zāi)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。
撰文 | 李澤椿、諶蕓、張芳華、孫軍、王月冬、符嬌蘭、于超（ 國家氣象中心）
01
引言
1975年8月4日至8日, 該年度第3號臺風(fēng)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1631mm, 大于1000mm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(zāi), 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(zāi)害和暴雨預(yù)報越來越得到氣象學(xué)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(yù)報業(yè)務(wù)步入嶄新的發(fā)展階段, 暴雨預(yù)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(fù)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(yù)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(yù)報準確率和精細化程度仍遠遠達不到社會發(fā)展和防災(zāi)減災(zāi)的需求。
02
暴雨災(zāi)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(zāi)害天氣, 暴雨洪澇是我國最常見最嚴重的自然災(zāi)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(dǎo)和科技干部應(yīng)當認識到做好暴雨預(yù)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。
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(fēng)造成的大范圍暴雨災(zāi)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(fēng)給我國華南、江南及華東大部地區(qū)帶來強風(fēng)暴雨, 并由此引發(fā)一系列次生災(zāi)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(fēng)——“菲特”的影響, 浙江、福建、江蘇、上海等省市出現(xiàn)狂風(fēng)暴雨, 10人因災(zāi)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(fēng)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(zāi)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(xué), 造成117人遇難, 其中包括105名學(xué)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(zāi)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(dǎo)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(zāi)人口達190萬人, 因災(zāi)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(zāi), 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(dǎo)致歷史罕見的大范圍持續(xù)性低溫雨雪冰凍災(zāi)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(zāi)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(zāi)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(zāi)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(zāi)害同樣可以造成廣泛和持續(xù)的嚴重社會影響。
表1為2004-2012年中國暴雨災(zāi)害受災(zāi)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(zāi)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(zāi)927. 4萬公頃; 全國因災(zāi)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(zāi)造成的經(jīng)濟損失呈上升趨勢。同時, 暴雨災(zāi)害造成的影響越來越嚴重, 且產(chǎn)生了許多新的災(zāi)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(zāi)害受災(zāi)情況
圖1 2004 - 2012年中國暴雨災(zāi)害造成的直接損失與死亡人數(shù)
由1950-2004年重大洪水災(zāi)害受災(zāi)人口和受災(zāi)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(zāi)害受災(zāi)人口年變化及受災(zāi)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(zāi)害受災(zāi)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(zāi)害最嚴重的一年, 受災(zāi)人口達到291.31百萬, 受災(zāi)經(jīng)濟損失達到391.01億美元; 1991年次之, 受災(zāi)人口達227.55百萬, 受災(zāi)經(jīng)濟損失為309.72億美元。
圖2 全球1950 - 2004年重大洪水災(zāi)害受災(zāi)人口
圖3 全球1950 - 2004年重大洪水災(zāi)害受災(zāi)損失
表2給出了1950-2004年全球重大洪水災(zāi)害地區(qū)分布。由表2可見, 不論受災(zāi)人口還是受災(zāi)損失, 中國都是世界上最嚴重的國家。嚴重的洪水災(zāi)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(zāi)害地區(qū)分布
綜上分析, 我國是世界上受暴雨災(zāi)害影響最為嚴重的國家之一。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展, 人類的防災(zāi)減災(zāi)能力也逐步提高, 但極端性和局地突發(fā)性暴雨災(zāi)害的預(yù)報能力進展并不顯著, 由暴雨災(zāi)害導(dǎo)致的經(jīng)濟損失和受災(zāi)人數(shù)卻并沒有顯著降低, 暴雨災(zāi)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。
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(zāi)害的直接影響主要包括洪澇或地質(zhì)災(zāi)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(dǎo)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?xí)l(fā)生難以恢復(fù)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(zāi)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(zāi)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(zāi)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(zāi)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。
03
近20年我國暴雨預(yù)報業(yè)務(wù)進展及存在的問題
暴雨預(yù)報是預(yù)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(yù)報員的主觀經(jīng)驗綜合而成的。暴雨預(yù)報多年來有了很大進步, 各級氣象臺為防災(zāi)減災(zāi)做出了杰出貢獻。
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(yù)報有顯著作用。
最近20年, 我國氣象科學(xué)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(xué)試驗———HUAMEX）和國家973項目“我國重大天氣災(zāi)害形成機理與預(yù)測理論研究”、“我國南方致洪暴雨監(jiān)測與預(yù)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(xué)試驗所獲取的豐富的中尺度觀測資料。
我國各級預(yù)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(yù)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。
數(shù)值預(yù)報技術(shù)是現(xiàn)代天氣預(yù)報的基礎(chǔ), 近10年來數(shù)值預(yù)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(yù)報準確率不斷提高, 預(yù)報時效不斷延長, 在暴雨的精細化預(yù)報中發(fā)揮著越來越重要的作用。
數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)
國際領(lǐng)先的數(shù)值預(yù)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16~50km左右, 區(qū)域模式則在1.5~12.0km（普遍1~7km）。世界先進的預(yù)報中心支持高影響天氣預(yù)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4km以下的模式一定程度上具備了解析對流風(fēng)暴的能力, 并將天氣預(yù)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(yù)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(fēng)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(yù)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(yù)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(yù)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10km, 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(yù)報能力有所提高。
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(yù)報方法方面也取得了較大的進步, 研發(fā)了集合融合預(yù)報、多模式集成、配料法強降水等級預(yù)報及模式頻率匹配訂正預(yù)報等定量降水預(yù)報客觀產(chǎn)品。集合融合預(yù)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(yù)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(yù)報技術(shù), 主要是通過歷史資料選取最優(yōu)預(yù)報因子并訓(xùn)練logistic判別模型, 獲取等級預(yù)報參數(shù), 進行降水等級預(yù)報。頻率匹配訂正預(yù)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(yù)報降水接近或重合, 以達到對于降水預(yù)報訂正的目的。這4種客觀預(yù)報產(chǎn)品較數(shù)值模式直接輸出的降水預(yù)報均有提高。在實際業(yè)務(wù)中, 預(yù)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。
暴雨主觀預(yù)報隨著預(yù)報員對暴雨形成機理認識的不斷提高、數(shù)值預(yù)報模式（中尺度數(shù)值模式和集合預(yù)報等）的進步及預(yù)報員數(shù)值預(yù)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(yù)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(yù)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(yù)報是在短期預(yù)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6 北京7·21暴雨過程集合預(yù)報降水量單位: mm, 概率單位: %
中央氣象臺定量降水預(yù)報（QPF）業(yè)務(wù)開展多年, 預(yù)報準確率穩(wěn)步提高, 目前24h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24h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(yù)報、過程降水量預(yù)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(yù)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(yù)報場, 并初步形成中央臺發(fā)布指導(dǎo)產(chǎn)品、地方臺訂正反饋的業(yè)務(wù)體系。
04
近期我國暴雨預(yù)報業(yè)務(wù)的發(fā)展思考
提高暴雨預(yù)報準確率, 現(xiàn)代化的預(yù)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(fēng)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(yù)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(yù)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(yù)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(fēng)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(yù)報客觀訂正模塊, 增加暴雨診斷分析和暴雨預(yù)報智能化綜合判斷工具, 使其成為實時預(yù)報業(yè)務(wù)中快速、高效、穩(wěn)定的暴雨天氣綜合分析預(yù)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。
05
結(jié)語
暴雨是我國最主要的一種災(zāi)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(yù)報員通過典型、疑難或預(yù)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(yù)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(yù)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(fù)雜, 理論突破較難, 因此需要各級領(lǐng)導(dǎo)和部門繼續(xù)重視暴雨基礎(chǔ)研究和預(yù)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(dǎo)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(yù)報業(yè)務(wù)能力。
