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短期气候预测与防灾减灾

发布时间:2011/3/3 9:38:01

信息来源:广元市气象局  
 

张 铭

(解放军理工大学气象学院)

  1 引言

  气候预测是国际大气科学和地球科学领域的前沿课题,也是极其困难的跨学科难题。

  气候和环境变化是气候系统五大圈层(气圈、水圈、岩石圈、冰雪圈、生物圈)和大气圈内不同层之间相互作用的结果。而影响气候系统变化的因子非常多、非常复杂,它包含海洋温度及环流、冰雪过程、土壤的湿度和温度、大气环流的前期变化、大气中具有温室效应的气体成份含量变化、大气中云和降水结构与过程、太阳活动等等,必须立足于研究大气—海洋—陆地之间繁复的相互作用和规律。我国地处亚洲季风区,亚洲季风已成为当前世界气候研究的一个重要焦点。这不仅因为它涉及复杂的海陆气相互作用过程,影响着世界上人口最为集中区域的经济和社会,还因为亚洲季风气候的异常能引发全球气候的异常。反之,全球气候变化也能诱发亚洲季风的异常。我国的灾害性气候和未来可能的全球增暖都是气候系统变化和人类活动等因素复杂相互作用的结果。只有加深对这些相互作用和规律的认识,才能建立和完善具有坚实的科学基础和稳定、良好效果的预报理论和方法。

  目前,国际国内都把气候变化和气候预测研究作为今后一段时间内的重点发展领域,并投入了巨大的人才和经济力量。国际上,世界气候研究计划(WCRP)已制定并在全世界开始实施了其最新科学研究计划,主要有气候变化及可预报性研究计划(CLIVAR)、全球能量水份循环试验计划(GEWEX)、全球大洋环流试验计划(WOCE)、北极环流系统计划(ACSYS)、平流层过程及其在气候中的作用 (SPARC)。CLIVAR的主要科学目标是研究气候系统在季度、年际、年代际和百年际尺度上的变化规律以及这种变化在多大程度上是可以预测的。世界各国积极响应和参加CLIVAR计划,美国、英国、德国、日本等国都投入巨资并有相应研究计划以开展气候预测的理论和方法研究;发展中国家,如印度,也正在制定其本国的相应研究计划以解决印度季风和降水的预测理论和方法上的科学基础问题,巴西也对ENSO及其与巴西气候异常的关系及预测问题特别关注。CLIVAR和GEWEX还联手制定了自2001年7月至2003年9月的“协调强化观测期(CEOP)”,其核心计划之一是“CEOP亚-澳季风研究计划(CAMP)”。

  我国已制定和执行了一系列理论研究和试验计划,如:国家攀登项目“气候动力学和气候预测理论的研究”、国家“九五”重点攻关项目“我国短期气候预测系统的研究”、国家自然科学基金重大项目“内蒙古半干旱草原地区土壤-植被-大气相互作用”(IMGRASS)和“淮河流域水份和能量循环实验” (HUBEX),以及国家科技部组织实施的TIPEX、SCSMEX等一系列场地观测试验等等,积累了一定资料,为开展我国气候变化和气候预测的深入研究和理论创新奠定了一定的基础。但是,影响我国气候季节、年际和年代际变化的物理因素非常复杂,既包括全球海温,也包括青藏高原积雪、极地海冰、陆地表面过程及土壤中的温湿状况、大气成分-气溶胶-云-辐射相互作用等等。对于东亚气候短期变化而言,还包括大气环流的前期特征以及南半球大气环流的变化等等。就我国目前气候短期预测的实际水平而论,还远远达不到科学上令人信服的程度。原因也恰恰在于亚洲季风气候变化的高度复杂性。尽管研究上已经有了很好的开始和一定的基础,但是距离取得突破性进展还有相当一段距离。而这方面的突破有着极大的科学意义和巨大的实际价值,而且,对认识季风系统的本质、复杂性和变化规律具有极为重要的价值。

  我国在2015年前的总体目标应该是深入进行气候系统(特别是东亚季风气候系统)的物理过程和动力学研究,认识其季度、年际、年代际及百年际变化的规律,开拓气候系统季节变化可预报性的系统性理论,发展出我国高精度高分辨率的海陆气相互作用的气候系统模式,用于气候变化和生存环境变化的理论和预测研究。为我国二十一世纪初期国民经济和社会的可持续性发展服务,并使我国在气候学研究领域达到国际先进水平,在国际气候和环境研究领域拥有充分的发言权。

  2 短期气候预测的发展前景和困难

  长期天气预报,正确的说法应该是短期气候预测,主要是指月、季、年、时间尺度的气候预测。1958年我国正式发布业务预报,至今开展短期气候预测服务已有40余年的历史。随着短期气候预测理论、技术的进步和国民经济发展的需要,短期气候预测服务的内容、形式也在不断地丰富和多样化,逐步趋于科学、合理、实用。由于影响短期气候变化的因素很多,其相互关系非常复杂,所以我国短期气候预测多年来一直是采用多种因子的综合分析和多种方法的总和应用,预测方法归纳起来主要有物理统计方法和动力数值方法两大类。我国短期气候预测的技术方法也是随着观测事实的积累丰富、气候预测理论和计算机技术的发展而逐步改进、提高的,大体经历了经验统计分析、数理统计分析、物理统计分析、动力与统计相结合四个阶段。

  短期气候预测当前面临三大方面的难题,首先是预报的时间长度很长,天气预报一般是1-7天,而短期气候预测需预测未来一个月,一个季和下一年的气候变化:时间越长,不确定因素越多,预测的难度越大。第二是它们所依据的预报原理不同,对天气预报,只要知道了大气的初始状况,就可以用一套描述大气运动的方程组来预测未来的天气,它涉及的主要是大气圈;而气候预测则不同,它是从全球各圈层的变化及其与大气圈的相互作用来预测未来的气候变化,因而它涉及的是地球上的五个圈层,即大气圈,岩石圈,生物圈,冰雪圈和水圈。它所用的方程组极其复杂,并且从数学和物理上如何正确表征各圈层相互作用,还没有完全解决,所以短期气候预测不能沿用中短期天气预报的原理与方法,必须面对整个复杂的气候系统及其变化研制新的理论和方法。第三是资料和数据不足,由于气候预测需要各圈层即整个气候系统的资料,因此困难比天气预报要严重得多。

  我国的短期气候预测有更大的难度,我国由于有青藏高原,亚洲季风和太平洋的共同影响,气候成因极其复杂和特殊,一般性气候理论和方法不能完全解决我国的气候预测问题,故必须根据我国的气候特点,研究适用于我国的气候预测理论与方法。影响我国气候的主要因子,不但要考虑太平洋和印度洋的影响,还要考虑欧亚积雪,青藏高原与陆面状况的影响,以及大气环流本身变化等一系列因子的作用。我国的灾害性气候和未来可能的全球增暖都是气候系统变化和人类活动等因素复杂相互作用的结果:只有加深对这些相互作用规律的认识,才能建立完善具有坚实科学基础和稳定良好效果的预报理论、方法。

  近年来,我国短期气候预测的准确率有了明显提高,国家级预报准确率在原有基础上提高了4%,区域级(省级)预报水平提高了5%到10%,预测与实况的相关系数提高了12%,处于国际先进行列。国家“九五”重中之重科技项目——“我国短期气候预测系统的研究” 所建立的短期气候业务系统达到了90年代后期国际水平。它主要取得了以下成果:①建立了一套由月动力延伸预报模式、海气耦合的全球气候模式、高分辨区域气候模式和ENSO预测模式以及前处理和后处理系统组成的月、季和年际尺度的业务动力模式系统。②建立了新一代短期气候预测业务系统,实现了动力与统计相结合,增强了短期气候预测的物理基础和综合决策、预测能力。⑧建立了ENS0监测与预测系统,并通过网络实现了与其它国家的ENSO监测和预测产品的交换与交流。④研制了一套适合我国国情的气候异常对国民经济影响的评估预测模型,并与气候预测模式系统实现了耦合:建立了与短期气候预测业务系统相配套的综合评估及对策业务服务系统,为综合评估系统的业务化、定时化提供了基本条件。⑤针对我国不同区域的主要气象灾害,研究并进一步揭示了东北夏季低温、华北和西北干旱、华中和西南旱涝、华东和华南台风的气候变化规律:开展了国内外先进预测方法在区域级短期气候预测业务中的应用:形成了具有不同区域特色的短期气候预测物理概念模型;建立了七个具有物理基础的区域级(省级)短期气候预测系统,并与国家级预测系统实现了联接。

  从90年代起,研制短期气候预测系统开始成为各国气象现代化发展的一个新热点,美、英、日、加、澳等国利用动力气候模式所进行的业务气候预报,已经取得了一定的效果。以往,我国的短期气候预测主要依靠统计法,准确率不高,也不稳定,新的业务系统首次实现了动力气候模式与统计法相结合,大大增强了我国短期气候预测的物理基础和综合决策、预测能力。这套系统已经在近3年夏季降水预测中发挥了强大威力。1998年和2000年夏季降水趋势和主要雨带的预测与实况基本符合,特别是对1998年汛期长江流域的严重多雨洪涝,2000年汛期黄淮地区的多雨洪涝和北方部分地区的少雨干旱,预测相当成功。目前,我国气象产品的可信度日益增强,在为各级政府制定国民经济计划、趋利避害、防灾减灾方面提供了较为可靠的科学依据,产生了明显的社会和经济效益。许多灾害,如干旱、洪涝、低温、持续高温等,均与短期气候异常密切相关。

  3 短期气候预测在防灾减灾中的作用

  大范围的气候灾害指发生在广大区域上的旱涝异常灾害,它们往往因圈层相互作用出现持续性异常所致。大范围的持续干旱直接与大范围大气环流异常相联系。而大范围的持续洪涝除与大范围大气环流异常有关外,还与灾害性天气的频繁、持续发生有关。灾害对经济建设和社会发展、国防建设和人民生活和安全构成了重要威胁。

  联合国环境计划署的一份报告估计,2003年因气候变化所导致的各种自然灾害使全世界至少损失 600亿美元,比2002年的550亿增加了10%。专家警告说,像2003年出现在欧洲的酷热夏天,到本世纪中可能会成为正常现象。2003年的欧洲热浪估计导致2万人死亡,仅农业上的损失就达100亿美元以上。

  我国地处欧亚大陆东南部,经济发达的东南沿海地区濒临太平洋,西部地区有全球面积最大、海拔最高的高原一青藏高原,我国幅员辽阔,地形复杂,季风气候明显,冷暖、千湿变化复杂多样;暴雨洪涝、台风、干旱、低温冷(冻)害、冰雹、雷暴、酷热、暴风雪、大雾、龙卷等气象灾害均有发生。而且干旱、暴雨洪涝、台风、低温冷(冻)害、雷雨大风和冰雹等局地强对流天气发生频率之高也是全球少数的几个国家之一。

  我国气象灾害种类多,发生频繁,危害面广,灾情严重,其灾害损失占自然灾害总损失的绝大部分,夏季暴雨、冬季雪暴以及台风是造成我国气象灾害中最重要的天气过程,早涝、高温、冷害等气象灾害对国计民生危害严重。每年, 因各种气象灾害使农田受灾面积达5亿多亩,受干旱、暴雨、洪涝和热带风暴等极端天气、气候事件影响的人口达6亿多人次,气象灾害使20%-35%农作物受灾,倒塌房屋200多万间,造成的直接经济损失为数百亿元到几千亿人民币,死亡人数在6000人以上。1990-2002年间的10多年资料统计表明:每年气象灾害造成的经济损失约占国内生产总值的3-6%。

  此外,全球气候变暖对人类社会可持续发展的危害日益彰显,对我国已经产生了严重影响,如大面积持续干旱、水资源短缺加剧、天气气候灾害频发、海平面升高、冰川退缩、冻土融化、动植物数量减少等,例如2003年我国发生了南方罕见高温热浪、东北连续5年春旱等十大主要天气气候事件;监测显示,我国乌鲁木齐河源1号冰川一直处于后退状态,1962年至1992年退缩了140米。与此同时,我国西北各山系冰川面积自“小冰期”以来减少了24.7%,达7000平方公里左右。预计到2050年,我国西部冰川面积将减少27.2%。这将给我国带来难以承受的、不可逆转的、持久的严重影响,特别是由此带来的食物、水、能源和生态系统危机将严重影响国家安全和民族生存。不容乐观的是,全球气候还将持续变暖。政府间气候变化专门委员会已经作出结论,全球气候增暖的速率将比过去100年还要快,未来100年全球平均气温可能上升1.4至5.8摄氏度,人类将完全进入一个变暖的世界。气象灾害和气候变暖已经成为制约国民经济的可持续发展的重要因素。

  研究表明,具有较高准确率的短期气候预测能使现有受灾损失减少1%到2%,即每年可以避免数十亿元的经济损失。因此,深入开展短期气候预测和灾害性天气发生发展机理的研究,提高我国气象灾害预警预测的技术水平成为国家的迫切需求。一方面,要建立综合性的、适合社会发展需求的、现代化的立体大气监测系统,提高大气监测能力:另一方面,加强科研攻关和关键技术的创新,深入开展短期气候预测和灾害性天气发生发展机理的研究,为提高重大灾害性天气预测的准确率提供科学依据。目前,人类还不可能阻止气象灾害的发生,但可以根据已掌握的天气情况,尽可能做出准确的预报,积极防御,减少损失,间接地提高生产力。

  进入新世纪,我国也进入全面推进小康社会建设、到世纪中叶基本实现现代化的新的发展阶段。为实现国家这个伟大的战略发展目标,我国经济必须保持快速和持续的增长。我国新时期经济发展向气候研究提出更严峻的挑战。遗憾的是目前短期气候预测的水平还比较低。气候研究能提供更准确的预测满足国家防灾减灾决策的需要吗?持续了20多年的华北干旱未来发展趋势如何?如果干旱继续维持,不单将严重制约华北地区的经济发展,还将影响到人民的日常生活。十年来有科学家试图回答这个问题,但于旱形势并未如所料的发生逆转,反而日趋严重。从1986年开始,我国连续经历了16个暖冬。最新研究结果表明,人类活动引起的温室气体增加是造成近50年全球气候变暖的主要原因,这种影响在将来还将持续和发展,造成一系列气候、环境和生态问题。例如,未来20-50年中国东部和南部沿海海平面究竟将上升多高,对沿海经济发达区域的经济发展会带来什么影响?在全球变暖背景下,中国西部最重要的冰雪水资源将发生什么变化,现有的脆弱的生态环境将发生什么变化,对实施西部大开发战略(诸如工业布局、农林牧规划、山河整治等)会带来什么影响?为迎接这种挑战,为能给出更准确的各种时间尺度的气候预测,满足国家经济发展短期和长期决策中的需要,当前气候研究的一个重要的战略部署就是加速发展气候系统模式。

  4 发展中国的气候系统模式

  当代气候研究的一个最重要进展就是提出了气候系统的概念。气候系统由大气、海洋、陆面、冰雪和生物圈等五大圈层组成,气候变化不仅是大气本身状态的一种表现,而且是与大气有紧密相互作用的海洋、陆面、冰雪圈以及生物圈所组成的复杂系统的总体状态的表现。因此,气候学不再是过去气象学或地理学一个分支的那种经典气候学,而是发展成为大气科学、海洋学、冰川冻土学、地球物理和地球化学、天文学、生物学等众多学科相互渗透共同研究的交叉学科。气候系统各圈层之间存在着非常复杂的非线性相互作用,不单有广阔的时间尺度和空间尺度,还包含各种复杂的动力、物理、化学和生物过程之间的相互作用。此外,影响气候变化还有许多复杂的外因,如太阳辐射变化、火山爆发和人类活动等。怎么能够将这样诸多复杂的相互作用的过程和影响因子有机的综合加以考虑并对未来气候变化做出可信的预测呢?气候系统模式就正是这样一种工具。它用数学公式精确表达所需要考虑的各种过程以及它们之间的复杂的非线性相互作用;它可以方便的分析一种或比较几种或综合考虑多种因子在气候变化中的作用,进行所谓数值模拟试验,以研究气候变化的机理和规律;它可以进行长时间的积分计算,再现过去一百年观测到的气候变化,定量评估未来一百年人类活动引起的气候变化。可以说耦合各圈层的气候系统模式是理解气候变化规律特别是预测未来气候变化的最重要的甚至是不可替代的研究工具。正因为如此,建立高精度、高分辨率气候系统模式成了目前世界气候研究的中心任务之一。

  当前,气候模式的发展进入所谓全球气候系统模式的新阶段,各国科学家正致力于把化学、水文、生态、生物地球化学循环等过程,甚至努力把有利于研究太阳活动的电离层耦合到气候模式中,从而形成完整的气候系统模式,或地球系统模式。

  美国的“国家大气研究中心”在美国国家海洋和大气局、能源部、国家宇航局等单位支持下于2000年提出“共同体气候系统模式发展计划” (2001-2005),美国各主要大学和研究单位的科学家都参加了共同体,美国国家科学基金会资助该项研究。为实施计划建立了完整的管理机构和研究实体。计划的具体目标是:尽可能使用最好的气候系统各分量模式并在一个灵活和协调的框架内实现耦合,从而发展出一个具有当代科学技术水平的气候模式:使共同体的科学家方便容易地参与模式发展,并使用模式或模式输出资料进行气候变率和全球变化的高水平科学研究;为国家(国内和国际政策)决策提供科学依据。

  欧洲各国提出发展“欧洲地球系统模拟网络”,下属“地球系统模拟集成”和“气候资料存储与分发”两个计划。 “地球系统模拟集成计划”是2000年向欧盟提出,并于2001年12月启动。欧洲有22个研究单位参加了该计划。计划的目标是建立一个方便使用的高效的欧洲全球气候模拟系统和超级计算机设备(5-10万亿次)。计划的一个特色是选用10个优秀的耦合气候模式进行集成模拟研究。计划经费预算为2-3亿欧元。

  日本在科学技术厅、日本原子能研究所、日本国家空间发展署、日本海洋科学技术中心、物理化学研究所等单位支持下新近提出两大气候研究计划。一是从1997年开始的“全球变化前沿研究系统”计划,目标是预测异常气候、全球变暖和生态破坏等灾害,1998-2000年平均年经费超过31亿日元。与此计划同步还启动了“地球模拟器”计划,此计划重点支持发展超高分辨率的气候系统模式,在超级计算机上再现真实的地球并预测未来的变化。2000年财政年度已投入72亿日元发展超级计算机,常规运算速度为每秒5万亿次,预计2002年3月投入运行。还可一提的是韩国,近年他们才开始发展海洋-大气耦合模式,但发展速度很快,2002-2011年用于气候变化的研究经费为7000亿韩元。

  综上所述,美欧日等发达国家或联合国内的或联合多国的科学家均致力于共同集中发展气候系统模式,其联合集中的程度、投资之巨、计算机之巨都是空前的。之所以需要这样的联合集中,是他们充分认识到发展气候系统模式在科学上的艰巨性和系统工程的复杂性,只有集中优势力量进行强强联合才可能快速地发展出最好的气候系统模式,从而为准确预测气候异常和全球变化、为各国的经济发展高水平服务。

  我国科学家早在八十年代就开始了大气环流模式和海洋环流模式的研究工作,从九十年代初我国又开始了海洋一大气耦合模式的研制,积累了丰富的研究开发和发展气候系统模式的经验。我国独立发展的大气环流模式、陆面过程模式、海气耦合模式分别参加相应的国际模式比较计划,充分展示出了我国在模式发展上的实力,受到了国内外同行的重视。利用我国自己的海气耦合模式研究了增强的温室效应对全球气候变化的影响,其结果分别被1992年、1996年和2001年政府间气候变化委员会(IPCC)组织撰写的气候变化科学评估报告所引用。中国是发展中国家中唯一提供这种研究结果的国家。我国还是利用气候模式进行夏季旱涝预测最早的国家,并已取得了一定的成效。近20年的工作积累,为我们今天研制发展新一代高精度、高分辨率气候系统模式打下了坚实的基础。

  最后要指出的是,国外几个先进的气候模式,对东亚区域的气候的模拟(特别是关于中国地区降水的模拟)都存在严重的缺陷,导致模式预测能力下降;这与东亚有着特殊的地理条件(西有最高的青藏高原,东邻最大的海洋)和特殊的季风气候有关。国外的模式不可能把东亚区域作为他们自己的重点研究对象,东亚的特殊问题理应由我们自己来解决。发展适合于东亚区域的气候系统模式的重任已责无旁贷地落到了我国科学家的肩上,而且是迫在眉睫。我们必须发展中国的气候系统模式,开展具有综合性和前瞻性的研究,抓住机会,迎头赶上国际先进水平,为减灾、防灾作出更大的贡献。

(文中插图省略)

作者简介: 张铭(1945—),男,教授,博士生导师

责任编辑:李志华

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