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导读

自7月中旬以来，我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，灾害之严重，令全国人民揪心。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，我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。

本文由16岁时（1952年）就参军入伍学习气象观测、一生心许气象报国的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而成。文章指出，我国是受暴雨灾害影响最为严重的国家之一。近10年来，暴雨对国民经济与人民生活的影响与日俱增，暴雨灾害在和平时期是对国家安全的重大威胁。尽管我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。

一是暴雨机理研究不足，我们对宏观气象系统的认识有了质的提升，但对局地地形、气候背景等对暴雨灾害的影响认识不足；二是气象灾害预报技术手段与人才培养仍有进步空间；三是气象预报对新技术的运用不足，平台资料的汇整与分析能力提升尚需时日。据此，我们应该补足短板，迎难而上，特别是需要形成气象领域专业界与普通公众之间的信息交换，如此方可提高公众对气象灾害与极端天气的防范意识，尽最大可能减少人员与财产损失。

本文原载《气象与环境科学》2015年第3期，原题为“由河南‘75.8’特大暴雨引发的思考”，文章转载自“文化纵横”公众号。

撰文 | 李泽椿、谌芸、张芳华、孙军、王月冬、符娇兰、于超（ 国家气象中心）

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引言

暴雨（含台风暴雨、北方暴雪）是我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1631mm, 大于1000mm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1060mm, 也创造了我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, 1015万人受灾, 超过2. 6万人死难, 直接经济损失近百亿元（据当时的估价）, 是世界最大最惨烈的水库垮坝惨剧。

“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, 我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, 加之我国地域辽阔、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。

02

暴雨灾害的影响是我国和平发展时期最主要的桎梏

暴雨是我国多发的一种灾害天气, 暴雨洪涝是我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。

01

近20年我国重大暴雨灾害事件遍及大江南北城市乡村

我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, 虽然我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2000人遇难, 直接经济损失超过2000亿元。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”等登陆台风给我国华南、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月登陆我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, 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1481人遇难, 318人失踪。

近些年我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。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。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, 我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, 我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。

02

近10年我国及全球暴雨灾害影响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: 2004-2012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, 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。

表1：2004 - 2012年中国暴雨灾害受灾情况

图1 2004 - 2012年中国暴雨灾害造成的直接损失与死亡人数   

由1950-2004年重大洪水灾害受灾人口和受灾损失统计结果（图2、3）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。

图2 全球1950 - 2004年重大洪水灾害受灾人口

图3 全球1950 - 2004年重大洪水灾害受灾损失

表2给出了1950-2004年全球重大洪水灾害地区分布。由表2可见, 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。

表2 全球1950 - 2004年重大洪水灾害地区分布

综上分析, 我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。

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。

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。

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, 我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“我国重大天气灾害形成机理与预测理论研究”、“我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。

我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。

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。

• 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16~50km左右, 区域模式则在1.5~12.0km（普遍1~7km）。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。

我国从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。

• 客观统计方法

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。

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（图5）, 并参考集合模式预报的异常性（图6） , 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。

图6 北京7·21暴雨过程集合预报降水量单位: mm, 概率单位: %  

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6~10d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。

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。

暴雨是我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, 我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。