河南暴雨惊动中共高层 中国气象预警系统弊端再受瞩

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自7月中旬以来,中国多地持续面临强降雨风险,灾害频发。据报道,7月20日,河南郑州等多地降雨量突破历史极值,甚至达到“千年一遇”水平。中原大地,饱经沧桑,历史上发生在河南地区的水患不计其数。1975年8月,河南地区即创下6小时降雨量830mm的世界极值。自“75·8”暴雨之后,中国不断完善气象观测系统与观测能力,但暴雨危害仍在持续增加。中国天气动力和数值预报资深专家、中国工程院李泽椿院士领衔的中国国家气象中心团队,对数十年来大量气象材料进行深入分析称,尽管中国在暴雨预报系统建设、能力提升等方面取得长足进步,但仍有不可忽视的短板,主要体现在三个层面。本文由《文化纵横》转载《气象与环境科学》2015年第3期文章《由河南“75·8”特大暴雨引发的思考》。

暴雨(含台风暴雨、北方暴雪)是中国最主要的气象灾害。在和平发展、快速经济建设时期,干旱造成的损失虽然很大,但国家社会行为及工程技术有可能给予相当的防范,而由于暴雨的极端性、突发性和局地性给预报带来很大的不确定性,因此现代科学技术的发展应对暴雨灾害比应对干旱灾害具有更大的困难。

1975年8月4日至8日,该年度第3号台风在中国福建晋江登陆后,北上至河南省伏牛山脉与桐柏山脉之间的大弧形地带“停滞少动”,并在其他天气尺度系统的参与下,造成历史罕见的特大暴雨,史称 “75·8”特大暴雨。该次过程最大累积雨量达1,631mm,大于1,000mm的降水区集中在京广铁路以西板桥水库、石漫滩水库到方城一带。板桥水库附近的林庄的最大6h雨量为830mm,超过了当时世界的最高纪录782mm;最大24h雨量为1,060mm,也创造了中国同类指标的最高纪录。特大暴雨造成驻马店地区60多个水库垮坝溃决,1,015万人受灾,超过2.6万人死难,直接经济损失近百亿元人民币(据当时的估价) ,是世界最大最惨烈的水库垮坝惨剧。

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“75·8”特大暴雨之后,暴雨灾害和暴雨预报越来越得到气象学家的高度重视。近20年来,得益于日渐完善的气象观测系统、高分辨率数值模式的发展及诸多先进科研成果的应用,中国暴雨预报业务步入崭新的发展阶段,暴雨预报准确率稳步提高。但暴雨是多尺度系统共同作用的产物,形成机理复杂,加之中国地域辽阔、地形地貌多样,无论天气尺度模式还是中尺度模式对其预报能力均有限,暴雨尤其是极端性暴雨和局地突发性大暴雨的预报准确率和精细化程度仍远远达不到社会发展和防灾减灾的需求。

暴雨灾害的影响是中国和平发展时期最主要的桎梏

暴雨是中国多发的一种灾害天气,暴雨洪涝是中国最常见最严重的自然灾害,对社会经济、国家安全等有直接而严重的影响。各级领导和科技干部应当认识到做好暴雨预报应当是气象部门长期、稳定、首要的任务,不应因社会舆论而转移。

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(一)近20年中国重大暴雨灾害事件遍及大江南北城市乡村

中国是世界上暴雨天气出现频次、影响程度、影响范围都很大的国家,几乎全国各地都不同程度受其影响。近20年,虽然中国各项基础设施均有明显改善,但暴雨频发,造成的危害仍然严重,并且产生许多新的影响。1998年夏季,由于持续的强降雨天气,长江流域发生了继1954年之后又一次全流域大洪水,东北地区的松花江、嫩江也发生了百年不遇的特大洪水;持续强降水还引发山洪暴发、围垸漫溃及山体滑坡、泥石流等,造成近2,000人遇难,直接经济损失超过2,000亿元人民币。因登陆台风造成的大范围暴雨灾害、城市内涝等屡见不鲜,近几年“尤特”、“潭美”、 “菲特”、“海燕”、“威马逊”、“麦德姆”等登陆台风给中国华南、江南及华东大部地区带来强风暴雨,并由此引发一系列次生灾害。

2013年10月6日至8日,受1949年以来10月登陆中国大陆地区的最强台风——“菲特”的影响,浙江、福建、江苏、上海等省市出现狂风暴雨,10人因灾死亡,1人失踪,直接经济损失623.3亿元人民币,居近10年来单个台风直接经济损失之首。

除了区域性强降雨和流域性大洪水,局地强降水尤其是短时间内产生的强降水造成的灾害也非常严重。2005年6月10日中午,黑龙江省宁安市沙兰镇西北上游突降特大暴雨,汇集成洪水和泥石流冲入沙兰镇中心小学,造成117人遇难,其中包括105名学生,现场惨烈的状况引起非常强烈的社会反响。2010年8月7日夜间,甘肃省舟曲县城东北部山区突降暴雨,40多分钟内降雨量达97mm,引发特大山洪地质灾害,造成1,481人遇难,318人失踪。

近些年中国不少大城市因暴雨导致的洪水和内涝,造成了严重的人员伤亡和财产损失。2012年7月21日,北京遭遇历史罕见的大暴雨,11个气象站观测到的雨量突破了建站以来的历史极值,部分地区一天降雨量达到甚至超过了年平均降雨量。北京出现极其严重的城市内涝,部分中小河流和水库出现汛情,79人遇难,受灾人口达190万人,因灾造成经济损失近百亿元人民币。2007年7月18日,济南突降暴雨,造成30多人死亡,170多人受伤,约33万群众受灾,直接经济损失约13.2亿元人民币。2001年8月5日,上海市出现特大暴雨,黄浦区和徐家汇日雨量分别达294和275mm,为50 年来最大,造成了非常严重的城市内涝。

2008年年初春运期间,中国南方大部分地区接连出现4次雨雪天气,导致历史罕见的大范围持续性低温雨雪冰冻灾害,造成交通严重受阻,电力、通讯中断,能量供应紧张,群众生活困难;天气灾害与春运高峰叠加,造成了严重的交通阻塞。

因此,中国的暴雨灾害遍及大江南北城市乡村,既有大范围流域性洪涝,更有中小尺度局地暴雨造成的灾害,极端性暴雨天气也是频频出现,因冬季较强雨雪天气造成的低温雨雪冰冻灾害同样可以造成广泛和持续的严重社会影响。

(二)近10年中国及全球暴雨灾害影响社会各领域,经济损失呈加重趋势

表1为2004-2012年中国暴雨灾害受灾情况,图1为造成的直接经济损失与死亡人数。由表1和图1可见: 2004年至2012年,全国因暴雨灾害年均死亡人数约1260人,直接经济损失1155.5亿元人民币,农作物受灾927.4万公顷; 全国因灾死亡人数整体呈减少趋势,但因社会经济快速发展、行业间相互依赖关系紧密、社会财富不断增长,因灾造成的经济损失呈上升趋势。同时,暴雨灾害造成的影响越来越严重,且产生了许多新的灾害特点,如破坏生态环境、影响水质、破坏居住条件、降低交通效率等。

由1950年至2004年重大洪水灾害受灾人口和受灾损失统计结果可以清楚地看出,1950 2004年全球逐年重大洪水灾害受灾人口年变化及受灾经济损失在各个年份虽有波动,但总体上呈现逐渐稳步上升的趋势,重大洪水灾害受灾人口及经济损失越来越多。1998年是50年来全球重大洪水灾害最严重的一年,受灾人口达到291.31百万,受灾经济损失达到391.01亿美元;1991年次之,受灾人口达227.55百万,受灾经济损失为309.72亿美元。

不论受灾人口还是受灾损失,中国都是世界上最严重的国家。严重的洪水灾害,造成了巨大的经济损失,这将对中国经济的可持续发展产生重大影响。

综上分析,中国是世界上受暴雨灾害影响最为严重的国家之一。随着科学技术的飞速发展,人类的防灾减灾能力也逐步提高,但极端性和局地突发性暴雨灾害的预报能力进展并不显著,由暴雨灾害导致的经济损失和受灾人数却并没有显著降低,暴雨灾害对社会经济的可持续发展及社会稳定的影响日趋严重。

(三)暴雨灾害对国家安全也产生巨大影响

现在国家安全的概念已经从传统的国防安全,扩大到更为广泛的国土安全、环境安全、食物安全、水资源安全等领域。暴雨灾害的直接影响主要包括洪涝或地质灾害造成的停工、停产、停课、断水、断电、断路甚至房屋倒塌、农田受淹、农作物减产或绝收、水利工程被毁、人员伤亡,以及由此带来的巨大经济损失等。洪涝进一步导致水土流失和土壤侵蚀,使环境、资源承载力发生改变,甚至会发生难以恢复的破坏,进而对粮食安全、自然生态环境安全等产生严重威胁。有研究表明,洪灾过后对社会经济和农业生产都有后效性影响。同时,大的水灾过后,饮用水源易受到污染,可能出现疫病流行,引发人民群众恐慌、焦虑,造成社会不安定因素。暴雨灾害通过影响人类生产生活的方方面面,可以危害到环境安全、粮食安全、水资源安全、生态安全、社会安定等,进而危害国家安全。

在和平发展时期,由暴雨灾害所引发的一系列社会效应将对国家安全造成不可估量的影响,因此须引起各方面的高度关注。

近20年中国暴雨预报业务进展及存在的问题

暴雨预报是预报员在对其形成机理深刻认识的基础上,充分利用现代化的观测资料、高分辨率的数值模式、先进的统计模型,并结合预报员的主观经验综合而成的。暴雨预报多年来有了很大进步,各级气象台为防灾减灾做出了杰出贡献。

(一)暴雨机理研究取得显著进展

在暴雨机理方面的主要进展体现在高频卫星和多普勒雷达应用后,人们对暴雨的中尺度结构和演变规律等有了更精细的认识。中小尺度天气系统的发展演变很大程度上决定了暴雨的分布和强度,在中尺度对流系统结构和中尺度系统的移动与传播等方面的研究对改进暴雨的预报有显著作用。

最近20年,中国气象科学家经过不懈的努力,在暴雨机理研究领域做出了令人瞩目的成就。成果主要来源于以南方暴雨为主要研究内容的3个国家级重大项目: “海峡两岸及邻近地区暴雨试验研究”(简称华南暴雨科学试验———HUAMEX)和国家973项目“中国重大天气灾害形成机理与预测理论研究”、“中国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究”,以及在项目执行期间实施的3个野外科学试验所获取的丰富的中尺度观测资料。

中国各级预报员经过长期的业务实践和个例分析,特别是对疑难或预报失败个例的分析研究,对暴雨发生发展的机理进行了很好的验证和有益的补充。

(二)暴雨客观预报技术有了长足进步

数值预报技术是现代天气预报的基础,近10 年来数值预报的同化方案越来越完善,同化的资料越来越丰富,模式分辨率越来越高,预报准确率不断提高,预报时效不断延长,在暴雨的精细化预报中发挥着越来越重要的作用。

1.数值预报系统

国际领先的数值预报中心现今通常同时在运行全球模式和高分辨率区域模式,全球模式的水平分辨率在16km至50km左右,区域模式则在1.5km至12.0km(普遍1km至7km) 。世界先进的预报中心支持高影响天气预报的NWP开发集中于高分辨率全球模式和中尺度模式,网格距在4km以下的模式一定程度上具备了解析对流风暴的能力,并将天气预报的能力提到了一个新的高度。

中国从20世纪80年代开始,以数值天气预报为重点的气象业务建设取得快速发展。从2007年开始业务化的全球模式T639在空间分辨率、初始场同化技术、台风Bogus技术、产品丰富性等方面都较之前的T213有长足进步,有力地保障了暴雨预报业务的发展。同时,从2001年开始,中国气象局组织自主开发建立新一代多尺度通用的同化与数值预报系统GRAPES。GRAPES模式有两个系列的应用版本: GRAPES-Meso(区域中尺度模式)和 GRAPES-GFS(全球中期预报模式),其中GRAPES-Meso于2014年7月升级为4.0版本,水平分辨率由15 km提高到10km,垂直层次由31层增加到50层,并采用了模式三维变分同化系统,暴雨预报能力有所提高。

2.客观统计方法

中国国家气象中心近几年在暴雨客观统计预报方法方面也取得了较大的进步,研发了集合融合预报、多模式集成、配料法强降水等级预报及模式频率匹配订正预报等定量降水预报客观产品。集合融合预报技术主要是基于降水评分最大化原则,利用历史资料确定每个量级降水最优的百分位取值,进行定量降水预报融合计算。

多模式集成利用多家模式之间的相似离度,确定比例权重,进行动态集成。配料法降水等级预报技术,主要是通过历史资料选取最优预报因子并训练logistic判别模型,获取等级预报参数,进行降水等级预报。频率匹配订正预报技术利用历史降水资料的频率分布曲线订正模式降水的频率分布曲线,使观测与预报降水接近或重合,以达到对于降水预报订正的目的。这4种客观预报产品较数值模式直接输出的降水预报均有提高。在实际业务中,预报员可结合具体检验结果,有针对性地选用其中一种或几种。

(三)暴雨主观预报积累了更多经验

暴雨主观预报随着预报员对暴雨形成机理认识的不断提高、数值预报模式(中尺度数值模式和集合预报等)的进步及预报员数值预报模式应用能力的提高,取得了飞速发展。暴雨的短期预报侧重于模式输出的天气概念模型识别、天气尺度和中尺度分析及水汽、抬升、不稳定性等降水形成要素分析,着重对物理量参数进行异常诊断和极值分析,并参考集合模式预报的异常性,从而判断暴雨发生的可能性。暴雨的短临预报是在短期预报暴雨有可能发生时,进一步分析中尺度对流系统的生成时间、位置、移动、类型等,是否有后向传播和列车效应发生。

中央气象台定量降水预报(QPF)业务开展多年,预报准确率稳步提高,目前24h暴雨的Ts评分由2007年的0.15上下提高到了0.18以上。主要产品包括未来24h时效内逐6h累积QPF、未来168h时效内逐24h累积QPF,以及旬降水量预报、过程降水量预报等特色QPF产品。同时,试验面向全国的订正PQPF产品,开发6d至10d有无降水和大量级降水概率预报产品。目前,在传统绘制等值线落区的基础上,增加了精细化的格点预报场,并初步形成中央台发布指导产品、地方台订正反馈的业务体系。

(四)中国暴雨预报业务存在的主要问题

中国暴雨天气形成机理复杂,地域特征明显,预报难度大,近20年来虽然取得了诸多进步,但距离防灾减灾的需求还有较大差距。主要表现在以下几个方面:

对中国暴雨发生发展的机理认识仍要深入。中国地域辽阔,地形复杂,暴雨影响因子多样,各地各季暴雨都有不同的特点,大范围极端性暴雨和中尺度突发性强对流暴雨是当前最为突出的预报难点,其机理研究和认识有待加强。

预报技术手段基础仍薄弱。数值预报模式在强降水的预报能力方面有了很大提高,区域性暴雨天气过程基本不会漏报,但具体的雨带位置和降雨强度仍有较大偏差,特别是对极端性暴雨和中尺度突发性暴雨预报能力仍有限。各种模式产品释用和客观统计方法也是在数值预报基础上的再加工,预报准确率提高很受影响。

新型观测资料和数值模式使用能力不强。各种新型观测资料的快速业务化为预报员提供了分析暴雨天气的良好条件,但同样这些非常规资料在使用方面仍处于起步阶段; 同时,因业务流程和系统平台的局限,预报员分析新型资料的时间不够,分析不够细致全面。另外,预报员对数值模式的物理过程及其对不同类型暴雨的预报性能了解还不深入, 缺乏对中尺度模式的理解和应用技术,集合预报系统应用也处于探索、积累经验和应用发展阶段。

业务平台对海量资料调阅和分析的支撑能力有待继续提高。目前中国主要预报业务平台为MICAPS3(现代化人机交互气象信息处理和天气预报制作系统第3版本),尚存在资料尤其是高分辨资料调阅显示速度慢、数据加工处理功能单一等缺点,制约了暴雨预报的精细化分析和准确率的提高。

梯队式预报员队伍建设仍需加强。现代气象预报业务向客观化和自动化方向发展,但预报员仍是满足国家防灾减灾和社会生产生活需要的预报服务业务主体。目前,各级气象台站均不同程度地存在骨干预报员缺乏的现象,尤其缺少在暴雨预报业务和研究方面的学科带头人,人才队伍建设任重道远。

近期中国暴雨预报业务的发展思考

现代暴雨预报发展主要基于精细化高分辨率数值预报技术的进步,更基于预报员对于天气系统识别、概念模型和降水物理机制的理解和经验积累,以及对数值预报产品解释应用能力的提高。

(一)遵循个性化研究原则,建立特殊性个例数据库和预报员经验库

天气过程的综合分析是预报员提高对降水天气过程认识和理解的最重要手段,通过对不同区域、不同季节和不同影响系统降水的诊断分析,可以帮助预报员深刻理解降水产生的物理机理,寻找相应的预报着眼点,提高分析、诊断和预报的能力。目前的数值模式还是着重描述天气过程普遍规律,缺乏对特殊过程的反映,如极端暴雨、局地突发性暴雨、复杂地形下降水等,模式的预报能力还是有限的。此时,更应该加强预报员对特殊个例的研究,建立特殊性个例数据库和预报员经验库。

通过对北京7?21特大暴雨的实况诊断和极端性成因分析,对华北暖区暴雨发生发展条件及极端强降水预报思路给出了初步的分析,为预报员认识和理解暖区暴雨形成的原因、建立极端强降水预报思路提供了较好的参考。华南暖区暴雨是华南地区独特的强降雨现象,通过对这一类天气形成的天气系统的统计分析表明:影响华南暖区暴雨的环流系统为三大类: 切变型、低涡型及偏南风风速切变辐合型,这些总结性的研究成果为华南暖区暴雨提供了很好的预报依据。

然而,对于不同类型强降水形成的物理机理认识仍有待深入,预报员仍需要通过对特殊降水个例的收集和归档,建立特色暴雨个例库,从预报失败的强降水个例的深入研究入手,不仅关注大的环流形势、影响系统及水汽、热力条件,更有必要加强对湿对流系统的触发、组织化发展、移动演变和降水效率等物理过程,以及局地地形、气候背景和边界层过程等对强降水可能影响的探索性研究,总结出不同类型强降水形成的“特殊性”条件和预报着眼点,逐步积累预报经验,并归纳入库,且简明扼要便于及时调阅参考。

(二)继续发展区域中尺度模式和集合预报技术

数值预报是现代天气业务的基础,也是暴雨预报业务的基本手段之一。未来数值预报技术的发展趋势是建立多尺度一体化模式,但在中国还应当注意区域模式的发展与应用。

随着模式分辨率的提高,发展和改进格点尺度云(凝结物)预报方案已同改进积云对流参数化方案一样受到重视。一个较为完善的高分辨模式可以帮助揭示各类MCSs的发展规律、形成机制及其结构的可能演变,从而弥补全球模式的不足,为暴雨预报尤其是极端暴雨预报提供参考。中尺度数值模式要取得进一步突破和发展,关键是能够捕捉到中尺度系统真实的三维结构和演变过程,而这一过程大大依赖于准确的中尺度观测资料,因此,未来中尺度观测和探测技术的发展是重中之重,多种尺度资料融合、集成和同化也是发展中尺度模式必不可少的一环。

由于大气可预报性与数值预报初始场不确定性的存在,限制了用传统的决定论制作确定性预报的预报技巧,而集合预报则为解决这一问题提供了新的途径。目前,集合预报产品已经在天气预报业务中得到广泛应用。有证据证明,ECMWF集合预报在大雨以上量级强降水和极端降水预报中具有较好的参考价值。而一个好的集合预报系统一定是建立在好的数值模式上,只有当模式足够好,预报的不准确主要源自初值的误差时,集合预报才会有明显的效果。所以,不断改进数值模式的质量对提高集合预报的效用是至关重要的。

(三)提高预报员使用数值预报产品的能力

中国暴雨具有明显的地域特色,不同地区不同类型暴雨的可预报性明显不同,预报员只有更好地理解模式物理过程存在的问题和局限性,了解不同模式对不同类型暴雨可预报性的估计,才能在模式的基础上体现预报员的附加值。

在实际预报过程中,需要预报员对模式预报进行检验、评估和订正,特别是对降水落区和强度等系统性误差进行定量统计分析显得极为紧迫。基于对模式降水预报误差的认识,中央气象台预报员对西南地区强降水落区预报有了明显的改进。目前基于空间检验技术对模式降水误差进行定量化的检验工作还处在初级阶段,未来只有进一步对不同区域、不同季节和不同环流背景产生的降水误差进行深入分析,包括其初始误差在暴雨不同发展阶段的增长规律、预报误差分布特征及其可能的原因等,才能在模式的基础上增加预报员的附加值。

(四)做好中尺度系统精细化分析和短时临近预报

随着气象现代观测网的逐步完善,卫星、雷达、闪电定位仪、风廓线仪、微波辐射计、GPS水汽等新型观测资料逐步被引入气象业务体系,为加深对暴雨中小尺度特征的认识提供了可能。如卫星、雷达、闪电定位仪等对认识造成暴雨的中小尺度对流系统的发生发展规律及其结构特征提供了最为直接的手段。新型非常规资料的获取,对认识中尺度暴雨的结构及其环境条件提供了十分有利的手段,对短时临近预报有非常重要的意义;同时,也有利于通过资料同化改善模式初始场,进而提高数值模式预报准确率。因此,未来需要在业务预报及科研分析中加强对这些资料的应用,提高对中尺度对流系统结构及对流发生发展的物理机理的认识和理解。

(五)建设预报员专用的人机交互平台,提供提高效率和创新的手段

提高暴雨预报准确率,现代化的预报业务系统必不可少。现代观测系统不但提供如风压湿等常规观测数据,还提供大量的卫星、雷达等高时空分辨率数据,同时,数值模式也向高分辨率和集合预报发展,在天气分析中使用的数据较过去大量增加,这就需要业务预报系统后台应用实现高效数据管理,支持大数据应用,提高数据管理、数据备份、数据检索与应用效率。

因此,需要进一步加强MICAPS平台的建设,体现对预报员实时业务应用的智能化支持,完善各类资料传输、存储流程,开发针对风廓线资料、GPS水汽等非常规资料的专用工具,提高对高分辨率数值模式资料显示速度,开发多物理量综合剖面显示功能模块和以客观订正技术为基础的暴雨预报客观订正模块,增加暴雨诊断分析和暴雨预报智能化综合判断工具,使其成为实时预报业务中快速、高效、稳定的暴雨天气综合分析预报平台。目前使用的业务平台MICAPS3的升级版本———MICAPS4将逐步实现上述功能。

结论

暴雨是中国最主要的一种灾害性天气,对社会发展、民生福祉及国家安全都有深刻影响。过去的20年,高分辨率的观测资料和数值模式不断发展,基于模式的后处理、检验订正技术逐渐在业务中发挥作用,各级预报员通过典型、疑难或预报失误个例的总结,加深了对暴雨机理的认识,中国暴雨预报业务在产品内容、形式、准确率和精细化程度等方面都取得了长足的进步。

为此,我们应进一步加强暴雨机理研究、预报技术开发及科研成果的业务化。暴雨形成机理复杂,理论突破较难,因此需要各级领导和部门继续重视暴雨基础研究和预报技术研发,鼓励并保护广大科技人员的研究兴趣,倡导为业务服务的科研开发,促进科研成果真正转化为预报业务能力。

除此之外,暴雨预报业务发展还需要高质量的现代化观测系统、科学合理的预报业务流程、技术流程,包括预报产品制作、发布的无缝隙对接等一系列保障措施,这是一项值得持续深入探讨的课题。

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