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中国科学报:华北暴雨研究何时拨云见日

来源:www.timetimetime.net 时间:2019-11-11 编辑:生活散文
作者:甘晓文潮资料来源:中国科学日报发布时间:2013年

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中国科学日报:何时拨云见日华北暴雨研究

■本报记者甘晓实习生文超

●随着20世纪90年代华北干旱气候的出现,曾经在气象界流行的华北暴雨研究逐渐减少。许多学者要么转向解决长江流域的洪水问题,要么致力于全球气候变化问题。

●华北地区暴雨研究仍有许多困难,特别是暴雨强度预报和面积预报亟待改进。气象学家认为,北方暴雨预报仍是现代气象科学研究中一个未完成的重大课题。

自7月份以来,四川一直在下暴雨。四川气象局副局长马莉表示,此次暴雨是四川开展相关监测以来前所未有的,“都江堰六天来降雨量已达一年。”成都、北川、汶川等地也遭到暴雨袭击,城镇和村庄遭受泥石流和洪水袭击。

几乎与此同时,北京气象部门也发布了黄色暴雨警告。我不知道从哪一年开始,北京暴雨警告已经成为夏季常见的事情。这座城市严重的内涝已经把“在北京看海”变成了一个笑话。

直到去年7月21日,北京气象台在一天内发布了五次预警,最高暴雨级别上升到橙色。同一天,该市的平均降雨量达到164毫米,造成70多人死亡,约190万人受灾。整整一年过去了,人们仍然怀着深深的感激记得这场暴雨。当然,除了这些冰冷悲伤的数字,还有人们在面对自然灾害时热情互助的温暖记忆。

对科学家来说,华北的暴雨并不陌生,对北京“721”暴雨的研究也在一年内相继出现。然而,正是由于一些科学问题没有得到解决,气象学家仍然不能非常准确地预测当地的暴雨。对于气象学家来说,更准确地预测暴雨将在何时、何地以及发生的程度仍然是一个难题。

“降雨可变性”建议

根据气象历史记录,“721”暴雨不是中国北方最大的暴雨。中国北方暴雨的科学研究早在20世纪30年代就开始了。

1935年,朱克真在我国气象学史上首次提出,“降雨变异性”越大,该地区的旱涝灾害就越严重。这是一个用来表示降水变化程度的统计概念。年降水量丰富的地区年变化率较小,而年降水量少的地区年变化率较大。华北地区的这一数字约为25%,高于东北、华东和华南地区。

根据这些情况,朱克真得出结论,当时华北地区频繁的干旱和饥荒是由降雨量变化过大造成的。他进一步观察到降雨的可变性与暴雨直接相关。例如,在年平均降雨量超过10毫米的干旱地区,降雨量达到几十毫米的暴雨足以使该地区的降雨量变异性在几年内急剧上升。

北京气象局研究员吴华政向记者《中国科学报》解释说:“如果今年有一次强烈而频繁的暴雨过程,它将被水淹。如果没有暴雨过程,就会有干旱。旱涝取决于是否有暴雨过程,暴雨过程有多强

也正因为如此,华北暴雨研究一直是中国气象研究的重点。

朱克珍关于干旱地区暴雨会影响“降雨变异性”的观点也是华北暴雨研究的出发点。直到20世纪80年代,中国科学院院士程春树利用1951-1970年的气象观测资料,重新计算和分析了华北地区的降水变化,试图为当时的干旱提供科学依据。

解放三大“战役”后,华北的几次暴雨引起了广泛关注,科学界对华北暴雨的研究达到了高潮。

“63.8”暴雨发生在1963年8月1日至10日,造成华北地区连续7天暴雨。“从8月8日到8月9日清晨,北京经历了平均300毫米的降水过程,持续了10多个小时,淹没了240平方公里。”当时北京大学的学生吴华政不仅亲身经历了这场大雨,而且还记得所有与这场大雨有关的数据,因为他参加了中国气象局气象研究所的暑期勤工俭学项目。

中国科学院大气物理研究所研究员高守丁对记者回忆说:“当时,有八名教师保卫天津,以防海河决堤淹没整个河北省。甚至去年的“721”暴雨也没有达到这个水平。”

随后,当时的中央气象局(现为中国气象局)集中各省市气象局的科研骨干对暴雨过程进行了简单的分析和研究。“当然,这些研究没有具体的项目。主要是业务部门分析和总结了预测经验。”吴华政说道。最后,预报员和专家在观测到亚洲和西太平洋的大气运动后,对暴雨的一般天气背景达成共识,这是一个典型的“稳定的经向环流”。换句话说,当时的大气流动导致了中国北方的南北降雨带。

12年后,噩梦再次开始。1975年8月5日至7日,一场损失更大的暴雨悄然来临。

据统计,暴雨一般落在淮河上游河南省中部的漯河、驻马店、南阳和平定山之间,总降雨量超过1000毫米,达到1460平方公里。暴雨中心位于河南省沁阳县庄琳,三天内总降雨量为1605毫米。一些大中型水库几乎同时坍塌。这也成为中华人民共和国成立以来中国北方最致命的暴雨和洪水。没有人预料到3号台风在福建登陆后,沿着江西、湖南和湖北向北移动,直到到达河南南部,造成这场暴雨吴华政说道。

1975年10月,当时的中央气象局在北京组织了一次研讨会。由于研讨会持续时间长、规模大,被气象界称为“北京之战”。

吴华政回忆道:“豫北地区相关部门、北京大学、南京大学、中国科技大学、中国科学院大气研究所等许多单位的科研人员都在中央气象局会面。研讨会持续了7天。”数十名科研人员分别介绍了灾害发生后两个月内各单位暴雨的初步分析,并交换了意见。

随后,华北暴雨研究史上最大的研讨会全面展开。中央气象局分别在南京和郑州组织了两场“战役”,主要是对“758”暴雨的成因和预报进行综合研究。

吴华政认为,两次“战役”发生在“文化大革命”末期,各单位的科研工作处于半停滞状态。很难集中人力和物力来重新开始科学研究。

1976年2月,主要分析“758”暴雨成因的“南京战役”开始了。

那年春节刚过,吴华政和中科院大气研究所的研究员朱福康、丁易慧一起去了南京。着名气象学家、中国科学院院士陶世炎也作为专家组成员参加了这场“战役”。同时,为解决台风移动路径和台风暴雨问题,还举行了“郑州战役”。

根据吴华政的记忆,当时有50多名气象研究人员住在南京空军气象学院(现为解放军科技大学)的学生宿舍,学校还开设了专门的食堂供他们用餐。“如此多的研究人员,没有任何奖金或其他待遇,都带着免费贡献的态度聚集在一起。”他说,“一次停留时间为58天,直到4月初。”

直到今天,吴华政仍然清晰地记得当时中央气象局总工程师程春树的形象,他是非正式的。“在南京,我曾经把他从附近的机场送到郑州。老人拿了两个破布包,塞了些衣服进去,上了飞机。”他说。

在如此困难的条件下,发布了“758”暴雨分析报告,这是这场战斗的主要结果。后来,这些成就被收录在陶十堰的书《中国科学报》中。

1981年,由北方15个省、市、自治区的科技骨干、北京大学、中国科学院大气研究所、中国气象科学院参与成立了北方暴雨科研协作组。合作小组由中国现代气象学和大气环流的创始人之一谢冰夷和中国科学院院士担任总技术顾问。合作小组由许多科技精英组成,包括吉林气象局研究员丁世生、河北气象局研究员游景炎、中国气象科学院前研究员雷雨顺、北京大学前地球物理学教授蒋尚成和中国科学院大气物理研究所研究员孙树清。合作小组每年定期举行年会,并不时举行各种形式的学术交流活动。

吴华政告诉记者:“北方暴雨协调小组是气象学家自发组织的。它没有得到任何项目资金的支持,但当时中央气象局拨出了一笔活动资金。这都是由于气象学家高度的专业责任感,克服科技困难的坚强决心,团结、合作、互助的和谐精神,他们共同走过了十多年的艰辛历程。“1982年,气象领域颇有影响的学术期刊《中国之暴雨》在这里诞生。”北京大学教授陶祖玉负责出版。我们技术团队的几个成员是编辑,所有的手稿都必须是中文和英文的。”吴华政说道。

北京大学出版社一直印刷出版《集锦》,直到1987年共出版了6期。

与此同时,1983年上半年,合作小组分别在兰州、鞍山和遵化举办了暴雨预报培训班,共有550人参加,主要是北方各主要气象站的预报员。吴华政、蒋尚成、游景炎、丁世生主持讲座,主要讨论北方暴雨及其预报思路。不仅如此,北方暴雨研究合作小组还致力于北方暴雨研究成果的应用和推广,并在帮助气象预报员建立暴雨预报理念和方法方面做了大量工作。1985年,与北方暴雨有关的科研成果获得国家科技进步奖二等奖。

此外,1992年出版的《北方暴雨系列》也是合作小组的成果之一。《北方天气文集》卷由游景炎、吴华政主持编写。技术小组的一些成员也参加了汇编。

孙凤(化名),北京军区空军气象中心的预报员,评论道:“《华北暴雨》为预报打下了坚实的基础。许多年后,我仍然经常阅读和挖掘基础知识。”高守馆还认为,《华北暴雨》已经为未来北方暴雨的研究制定了一个框架。

正是由于合作团队的努力,吴华政很高兴在20世纪80年代末听到预报员的声音:“在暴雨来临之前,我们并不着急!”

然而,随着20世纪90年代华北干旱气候的出现,曾经在气象界流行的华北暴雨研究逐渐减少。许多学者要么转向解决长江流域的洪水问题,要么致力于全球气候变化问题。

从定性到定量

陶世炎是暴雨研究领域中一位不可或缺的学者。陶世炎在“638”暴雨后开始积累资料,写了一本书《华北暴雨》,详细阐述了中国暴雨的物理成因。在本书中,陶世炎根据暴雨成因将华北暴雨分为11种类型,主要是来自不同地区的大气涡旋和槽。

据高守馆介绍,导师陶世炎主要采用定性研究方法。他说:“早期观测不发达时,天气预报主要依靠经验和节奏进行长期预报。”例如,通过记录温度、气压和湿度,绘制一个“三线图”,用统计方法总结冷空气“涡旋”的循环。

"这种方法有时不是很严格,但法律确实存在."“今天,长期天气预报并没有脱离节奏的概念,”高守汀说。

根据传统气象学,冷空气和水蒸气是暴雨的必要条件。在定性研究中,陶世炎认为影响华北暴雨形成的水汽来源分为两部分,一部分来自西南气流,另一部分来自副热带高压。这一结论已成为华北暴雨研究的经典结论。

"每年夏天,副热带高压都会缓慢向北移动。如果它延伸到北纬30度,中国北方很可能会下大雨。”高守馆解释说:“去年的‘721’暴雨将副热带高压延伸至北纬33度。”

同时,台风远距离水汽输送也是华北暴雨的主要原因。据统计,台风影响了中国北方37%的暴雨。

但是,随着观测方法的不断改进,高守馆逐渐发现暴雨研究的定性方法显然不能满足对预报精度越来越高的要求。

作为与陶世炎接触最多的学生,高守馆开始提出一些定量研究的想法。“有时我会向陶先生报告一些我注意到的驱动因素,他肯定会支持这些因素。”陶世炎去年12月去世,享年95岁。回忆起多年来和我的导师一起研究暴雨,高守馆非常怀念它。"我和他都住在中关村,每个假期我都去他家."他说。

自20世纪60年代末以来,雷达、卫星等观测方法被引入暴雨研究领域。研究人员发现了中小尺度天气系统对暴雨的影响。例如,卫星可以直接观察云的运动,而雷达可以监测云中的回波来判断雨滴的形成,这在临近预测中起着非常重要的作用。

同时,自动站的应用也使观测时间密度从每天4次提高到每分钟1次。因此,在更小的时空尺度上对暴雨的研究逐渐展开。

随着计算机技术的发展,数值预测技术已经成为主流。该方法将大气运动的动态过程和物理过程编织成一个数值模型,然后将已有的观测数据输入该模型进行计算,最终得到预测结果。定量过程可以使预测更加客观和准确。

但是,在实际预测中,数值模型也存在漏报和空报的问题。孙凤告诉记者《中国之暴雨》:“北京的‘721’暴雨是暖区降水和锋面降水的一个例子。暖区降水开始于21日下午,但是所有的数值模式都被忽略了。虽然后面的锋面降水已有报道,但仍然没有迹象表明它将在哪里、多少和什么时候下降。”

高守馆根据陶世炎的理论从事暴雨定量研究。2004年,他在物理学的基础上开辟了大气物理研究的新领域。"以前,欧美学者总是基于干燥空气或饱和湿空气来研究大气."他解释道。

高守馆于2004年首次提出湿空气研究,科学地描述了真实大气的非均匀饱和特性,解决了暴雨形成机制研究中的水汽相变问题。

此外,他将该理论形成了一种“集动态因子”预测方法,解决了数值预测技术中的一些问题。该方法利用大气动力学过程中的关键因素进行组合预测,避免了数值预测技术的缺点。

孙凤表示,使用“集合动态因子”方法可以提高短期异常天气预测的准确性,与数值模型预测结果相结合可以大大降低实际工作中的空置率和漏报率。

高守馆团队还得到科技部奥运气象支持项目“北京夏季异常天气预报及应急措施研究”的支持。"幸运的是,尽管北京奥运会期间下雨,但没有大雨."他说。

残缺研究

在过去的研究中,学者们已经整理出了一些影响华北暴雨的因素,包括《中国科学报》编委会从能量气象学、强对流天气、低空急流等方面进行的研究。

但在高守馆看来,一个成功的暴雨研究应该从对形成机制的理论探讨转向如何准确预报的实践活动。“集体动态因素”的预测方法是他的尝试之一。目前,陕西、吉林、上海等地气象部门已经采用了基于“集合动态因子”的预报系统,得到了良好的响应。

然而,高守馆也指出:“在暴雨预报中,有两个大气值不能直接测量,这使得提高预报精度变得困难。”首先,有大气垂直运动的相关数据,“没有仪器可以直接测量上下风向。”第二是大气密度,现有的结论都是从方程中推导出来的,精度大大降低。专家一致认为,为了进一步提高暴雨预报的准确性,第一步是直接获取这两个参数。

同时,在高守馆看来,暴雨与地形的关系没有得到科学的描述。据说山区暴雨较多,迎风坡和喇叭口的地形特征应进一步研究如何影响暴雨的形成他说。

然而,记者从调查数据中了解到,北方暴雨研究合作小组成立后,由于华北干旱,对华北暴雨的研究大大减少。虽然“973”项目已经得到江淮和华南暴雨研究的支持,但在国家一级得到支持的华北暴雨研究的唯一项目是“华北暴雨(暴雨)天气系统的动态过程和预报方法研究”。

此外,吴华政还考察了中国北方暴雨与厄尔尼诺的相关性,并在1998年出版的《华北暴雨》杂志第五期发表了《气象》文章。指出厄尔尼诺事件是一个大空间尺度的长期强气候信号,而北京汛期暴雨是由中尺度天气系统产生的降水现象。如何理解和理解两者之间的统计关系需要进一步研究。

”多年来,气象界已经达成共识,在拉尼娜现象中,北方是多雨的;在厄尔尼诺现象中,长江流域是多雨的。”他说。然而,近年来,这方面的进展也很少。

北京气象台主任乔林(Joi Lin)曾在采访中表示:“目前,中国对降雨与否的预测准确率为80%。暴雨预报的准确率只有20%。”

虽然我国暴雨预报水平已走在世界前列,但我国北方暴雨研究仍存在许多困难,特别是暴雨强度预报和面积预报亟待提高。气象学家认为,北方暴雨预报仍是现代气象科学研究中一个未完成的重大课题。

《北京汛期暴雨与厄尔尼诺事件》 (2013-07-19第四版图片)

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防灾减灾不要“落后于马”

■甘肖

暴雨是一种灾害性天气,可能会造成洪涝灾害和严重的水土流失,导致工程事故、决堤、农作物洪水等重大经济损失。去年,北京“721”暴雨造成78人死亡,190万人受灾。一年后,巨大的损失仍然历历在目。

目前,四川正遭受暴雨袭击。截至7月15日16: 00,“79”暴雨灾害已影响全省16个市(州)、91个县(市)、1151个乡镇368.9万人,造成58人死亡,175人失踪。

纵观我国暴雨研究的历史,有一种“雨在何处研究”的局面。虽然“后见之明”研究可以掌握和分析大量现有暴雨数据,但不利于最大限度地减少损失,也可能造成科研资源的浪费。

因此,如何使科学研究在救灾中发挥作用是一个亟待解决的问题。

首先,灾害研究应该加强其基础。只有充分了解灾害的机理,才有可能减少灾害损失。以暴雨研究为例,降雨过程与大气物理过程密切相关。中国科学院大气物理研究所的研究人员以物理学为突破口,科学地描述了大气的真实性质,从而提高了暴雨预报的准确性。加强基础研究无疑将为灾害研究注入一剂强心针。

第二,灾难研究应该确保连续性。我们所面临的自然是纷繁复杂的,它的运动规律很难在短时间内掌握。几乎所有成功的科学研究都需要长时间的探索和试验。从事灾害研究的科学家需要在这个领域坚持很长时间。暴雨灾害发生时开展研究,减灾时停止研究的现状,不仅不能对灾害有一个全面透彻的了解,而且容易导致人才的产生。长期持续的科学研究是灾害研究取得关键进展的重要保证。

第三,灾难研究应该是前瞻性的。有效的灾害研究可以提前发现问题,发现灾害前兆,进行风险评估,为政府行动提供决策依据。暴雨预报是灾害预见的重要体现,如何提高暴雨预报的准确性是本研究的重点。开展前瞻性科学研究是实现灾害研究目的的重要手段。

科学技术支持防灾减灾,要求科学家加强基础和前瞻性研究,长期持续开展工作。只有这样,科学家才能被称为防灾减灾团队中真正强大的团队!

《中国科学报》 (2013-07-19第四版图像)

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