中国科学报：华北暴雨研究何时拨云见日

■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，一度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。

●华北暴雨研究仍有许多困难，特别是暴雨强度预报和落区预报亟待改进。在气象学家看来，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月以来，四川一直有暴雨。据四川省气象局副局长马丽介绍，此次暴雨是四川省开展相关监测以来前所未有的，“都江堰在六天内已经下了一年的雨。”成都、北川、汶川等地也遭受暴雨袭击，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，北京的暴雨预警已经成为夏季的一个常见事件。这个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，北京气象台在一天之内发布了五次警报，*别的暴雨升至橙色。同一天，该市的平均降雨量达到164毫米，造成70多人死亡，约190万人受到影响。整整一年过去了，人们仍然深深地记得这场暴雨。当然，除了这些冰冷悲伤的人物，还有市民们面对自然灾害时热情互助的温馨回忆。

对科学家来说，华北的暴雨并不陌生，北京“7·21”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，气象学家仍然无法非常准确地预测当地的暴雨。对于气象学家来说，更准确地预测暴雨何时、何地以及会发生多少仍然是一个难题。

“降雨变异性”的提出

从气象历史来看，“7·21”暴雨不是华北地区最大的暴雨。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，朱克真在我国气象史上首次提出“降雨量变异性越大”，这一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小，年降水量少的地区年变化率大。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过度的降雨变异引起的。他进一步观察到降雨的可变性与暴雨直接相关。例如，在一个年平均降雨量超过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可变性在几年内急剧上升。

北京气象局研究员吴向《中国科学日报》记者解释说:“如果今年有一次强而频繁的暴雨过程，它将被淹没。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，暴雨过程的强度有多大。”

也正因为如此，华北暴雨研究一直是我国气象研究的重点。

朱克真关于干旱地区暴雨影响“降雨变异性”的观点也是研究华北暴雨的出发点。直到20世纪80年代，中国科学院院士程春树利用1951年至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。

三大“战役”

解放后，华北几次暴雨引起广泛关注，华北暴雨科学研究达到高潮。

“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日凌晨，北京经历了平均300毫米的降水过程，历时10个多小时，淹没了240平方公里当时就读于北京大学的吴不仅亲身经历了这场暴雨，而且还记得所有与这场暴雨有关的数据，因为他正在参加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·丁向《中国科学日报》记者回忆道:“当时，八名教师保卫天津，以防止海河决口淹没整个河北省。甚至去年7月21日的暴雨也没有达到那个水平。”

随后，当时的*气象局(现中国气象局)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。”吴对说: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了共识，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。

十二年后，噩梦又开始了。1975年8月5日至7日，一场损失更大的暴雨悄然降临。

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1460平方公里。暴雨中心位于河南省沁阳县庄琳，三天总降雨量为1605毫米。一些大中型水库几乎同时坍塌。这也是*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，沿江西、湖南和湖北向北移动到河南南部，造成了这场暴雨吴对说:

1975年10月，当时的*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”。

吴回忆说:“河南、河北地区的有关部门，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单位的研究人员都在*气象局开会。研讨会持续了七天。”几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。

于是，华北暴雨研究史上最大的研讨会如火如荼地展开了。*气象局分别在南京和郑州组织了两次“战斗”，主要是对“75.8”暴雨的成因和预报进行综合研究。

在吴看来，两次“战斗”是在“*”结束时，各单位的科研工作处于半停滞状态。很难集中人力和物力重新开始科学研究。

1976年2月，主要分析“75.8”暴雨成因的“南京战役”开始了。

那年春节刚过，吴就和中国科学院大气研究所的朱福康、丁研究员一起去了南京。著名气象学家、中国科学院院士陶世炎也作为专家组成员参加了“战斗”。同时，为解决台风移动路径和台风暴雨问题，还举行了“郑州会战”。

据吴回忆，当时有50多名气象人员住在南京空军气象学院(现为解放军科技大学)的学生宿舍里，学校还专门开了食堂供他们吃饭。"如此多的研究人员，没有任何奖金或其他待遇，却以免费贡献的态度聚集在一起。"他说，“一次停留是58天，直到4月初。”

时至今日，吴仍清晰地记得时任*气象局总工程师、不拘小节的程春树的形象。“在南京，我曾经把他从附近的机场送到郑州。老人拿了两个破袋子，塞进一些衣服，然后上了飞机。”他说。

在如此困难的条件下，发布了“75.8”暴雨分析报告，这是这场战斗的主要结果。后来，这些成就被收入陶世炎的《中国的暴雨》一书。

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和中国气象科学研究院参与成立了北方暴雨科学研究协作组。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，包括吉林省气象局研究员丁世生、河北省气象局研究员游景炎、中国气象科学研究院前研究员雷雨顺、北京大学前地球物理学教授姜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，不定期举行各种形式的学术交流活动。

吴告诉记者:“北方暴雨协调小组是由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*气象局拨出了一笔活动资金。这都要归功于气象学家高度的职业责任感、克服科技困难的坚强决心和团结、合作、互助的和谐精神，他们经历了十多年的艰辛历程。"

1982年，在气象领域有影响力的学术期刊《北方天气集》在这里诞生。北京大学教授陶祖宇负责出版。我们技术团队的几名成员是编辑，所有手稿都要求是中英文的。”吴对说:

这本集子由北京大学出版社印刷出版，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，主要是来自北方各主要气象站的预报员。讲座由吴、、姜尚成、游景炎、主持。主要内容是北方暴雨及其预报思路。不仅如此，北方暴雨研究协作组还注重北方暴雨研究成果的应用和推广，在帮助天气预报员建立暴雨预报思路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。《华北暴雨》一书由游景炎、吴、主持编写。技术小组的一些成员也参加了汇编。

北京军区空军气象中心预报员孙凤(化名)评论说:“这本书《华北暴雨》为预报工作打下了坚实的基础。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》一书为今后研究华北暴雨提供了一个框架。

正是由于合作团队的努力，吴在20世纪80年代末高兴地听到了预报员的声音:“现在暴雨来临之前我们并不着急！”

然而，随着20世纪90年代中国北方干旱气候的出现，一度在气象学界流行的中国北方暴雨研究逐渐减少。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不得不提及的学者。陶世炎在“63.8”暴雨后开始积累资料，撰写《中国暴雨》一书，详细阐述了中国暴雨的物理成因。在这本书中，陶世炎根据成因将华北暴雨分为11种类型，主要是不同地区的大气涡旋和槽。

在高守馆看来，导师陶世炎主要采用定性研究方法。他说:“在早期观测不发达的时候，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的“涡旋”循环。

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

传统气象学认为冷空气和水蒸气是暴雨形成的必要条件。在这样的定性研究中，陶世炎总结出影响华北暴雨形成的水汽分为两部分，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中的经典结论。

“每年夏天，副热带高压缓慢向北移动。如果它延伸到北纬30度，中国北方很有可能会下大雨。”高守馆解释说:“在去年7月21日的暴雨中，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约37%的暴雨。

然而，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明显不能满足日益提高的预报精度要求。

作为与陶诗岩接触最多的学生，高守馆开始提出一些定量研究的思路。“有时我会向陶先生汇报一些我在数量上关注的驱动因素，他肯定会支持的。”陶世炎于去年12月去世，享年95岁。回想起和导师一起学习暴雨的岁月，高守馆非常怀念。"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，这在临近预报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，小时空尺度的暴雨研究正在逐步开展。

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力学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放入该模型中进行计算，最终得到预测结果。定量过程可以使预测更加客观和准确。

然而，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《中国科学》，“北京7月21日的暴雨是一个暖区降水和锋面降水的例子。暖区降水开始于21日下午，但所有的数值模式都被忽略了。尽管有报道称在后面有锋面降水，但仍然没有迹象表明降水会在哪里、多少和什么时候下降。”

高守馆以陶世炎的理论为基础，从事定量暴雨研究。2004年，他在物理学的基础上开辟了大气物理学研究的新领域。"以前，欧美学者总是根据干燥空气或饱和湿空气来研究大气."他解释道。

2004年，高守馆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“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，将它们结合起来进行预测，避免了数值预测技术的缺点。

孙凤表示，使用“集体动力因子”方法可以提高短期异常天气预测的准确性，与数值模式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。

因此，高守馆团队获得了科技部奥运气象保障项目“北京夏季异常天气预报及应急措施研究”的资助。"幸运的是，尽管奥运会期间北京有雨，但没有下大雨."他说。

未完成的研究

在以往的研究中，学者们从能量气象学、强对流天气、低空急流等方面整理出了一些影响华北暴雨的因素，包括《华北暴雨》编委会的研究。

然而，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。“集体动力因素”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，反应良好。

不过，高守馆也指出:“在暴雨预报中，有两个大气数值不能直接测量，这就很难提高预报精度。”首先，有大气垂直运动的相关数据，“没有仪器可以直接测量风的升降”第二个是大气密度，“现有的结论都是从方程式中推导出来的，精确度大大降低。”专家们一致认为，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很好的科学描述。“据说山区有许多暴雨，如何影响暴雨的形成，需要进一步研究迎风坡和喇叭口的地形特征。”他说。

然而，记者从调查数据中了解到，华北暴雨研究合作小组成立后，由于华北干旱，华北暴雨研究大大减少。虽然“973”项目得到了江淮和华南暴雨研究的支持，但中国北方*暴雨研究唯一得到支持的项目是“中国北方暴雨(暴雨)天气系统的动态过程和预报方法研究”。

此外，吴还研究了华北地区暴雨与厄尔尼诺的关系，并在1998年出版的第五期《气象学》杂志上发表了《北京汛期暴雨与厄尔尼诺》一文。文章指出，厄尔尼诺事件是一个大的空间尺度和长期的强气候信号，而北京汛期暴雨是一种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，北方多雨；在厄尔尼诺现象中，长江流域多雨。”他说。然而，近年来，这方面的进展也很少。

北京气象台台长乔林在接受采访时表示:“目前，中国的降雨预报准确率为80%。暴雨预报的准确率只有20%。”

尽管我国暴雨预报水平已进入世界前列，但华北暴雨研究仍存在许多困难，特别是暴雨强度预报和区域预报亟待改进。在气象学家看来，北方暴雨预报仍是现代气象科学中一个未完成的重大课题。

中国科学新闻(2013-07-19，第四版图片)

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在防灾减灾方面不要“后知后觉”。

■干笑

暴雨是一种灾害性天气，可能造成洪涝灾害和严重的水土流失，导致重大经济损失，如工程事故、决堤和农作物洪涝。去年，北京7月21日的暴雨导致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时，全省16个市(州)、91个县(市)、1151个乡镇共368.9万人受灾，58人死亡，175人失踪。

纵观我国暴雨研究的历史，有一种“研究哪里下雨”的情况。“后见之明”研究虽然可以掌握和分析大量现有暴雨数据，但不利于减少损失，也可能造成科研资源的浪费。

因此，如何使科学研究在灾害应对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制，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难研究注入一剂强心针。

其次，灾害研究应该确保连续性。我们面临的自然是纷繁复杂的，其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长期坚持这一领域。暴雨灾害来临时开展研究，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，灾害研究应该具有前瞻性。有效的灾害研究可以提前发现问题，发现灾害的前兆，进行风险评估，为*行动提供决策依据。暴雨预报是灾害预测的重要体现，如何提高暴雨预报的准确性是本次研究的重点。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性和前瞻性研究，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！

中国科学新闻(2013-07-19，第四版图片)