世界氣象日|早預(yù)警早行動：科技“利器”應(yīng)對極端天氣筑防線

由于氣候變化，世界上許多地方的極端天氣、氣候和水事件正變得越來越頻繁和強烈。3月23日是世界氣象日，今年主題為“早預(yù)警、早行動：氣象水文氣候信息，助力防災(zāi)減災(zāi)”。

聚焦防災(zāi)減災(zāi)是不是意味著極端天氣在增多?極端天氣面前我省有哪些新穎的科技手段?氣象預(yù)警信息的發(fā)布手段有哪些?《科技周刊》記者采訪到氣象領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者。

極端天氣和氣候預(yù)測難度變大

“今年世界氣象日主題之所以定為‘早預(yù)警、早行動’，正是由于氣候變化背景下極端天氣、氣候和水事件日漸多發(fā)、頻發(fā)、重發(fā)。”江蘇省氣象臺臺長康志明說，以暴雨為例，因其局地性、突發(fā)性和活動規(guī)律多變等特點，其形成機制迄今尚未被研究透徹，暴雨的精細化預(yù)報依然是氣象領(lǐng)域的一道難題。

“特別是極端暴雨的出現(xiàn)，其中還有中小尺度對流系統(tǒng)和地形等因素共同發(fā)生作用，當(dāng)前的技術(shù)手段很難將這種復(fù)雜的相互作用機制揭示出來。”在康志明看來，及時監(jiān)測和及早預(yù)警成為筑牢防災(zāi)減災(zāi)第一道防線的關(guān)鍵。

近年來，高溫、干旱、洪澇等極端氣候事件頻發(fā)，讓我們每個人都切身感受到了氣候變化帶來的影響。據(jù)美國國家海洋和大氣管理局發(fā)布報告稱，2021年美國共發(fā)生了20起極端天氣和氣象災(zāi)難。2022年世界各地也已出現(xiàn)極端天氣，今年1月位于南半球的阿根廷，多地已出現(xiàn)40攝氏度以上極端高溫天氣。

“今年仍然處于‘拉尼娜’年的影響中。”南京信息工程大學(xué)水文與水資源工程學(xué)院院長袁星表示，出現(xiàn)“南旱北澇”的概率會上升，但由于氣候系統(tǒng)的復(fù)雜性，每次拉尼娜事件的影響不盡相同，且全球變暖讓大氣積攢的能量變得更強，呈現(xiàn)旱澇或者冷暖交替變化劇烈的階段性特征。

面對更加頻繁的極端天氣氣候事件,相應(yīng)的預(yù)報與預(yù)測正變得更具挑戰(zhàn)性。對極端氣候的預(yù)測，目前還是粗輪廓的描繪，“比方說今年是偏冷還是偏熱，偏旱還是偏澇。”袁星說，極端天氣氣候除了全球氣候變暖的大背景，還受到很多復(fù)雜因素的影響。

“觀測數(shù)據(jù)不足、可以研究的樣本數(shù)量匱乏，都會影響我們總結(jié)其發(fā)生發(fā)展規(guī)律。”袁星認為，目前的氣候模型還沒有精確、全面地捕捉到導(dǎo)致極端天氣的因素，現(xiàn)有模型或許低估了人類活動、氣候變化等對極端天氣事件的影響程度。

極端氣候相關(guān)的影響因素有多復(fù)雜?“大氣環(huán)流是一個相對復(fù)雜的系統(tǒng)，不能說某一個因素起到?jīng)Q定性作用。”袁星舉例說，去年河南鄭州的暴雨不僅受到大陸高壓、太平洋副熱帶高壓的影響，還疊加臺風(fēng)“煙花”的影響，跟當(dāng)?shù)氐牡貏菀灿泻艽箨P(guān)系，當(dāng)?shù)靥厥獾牡匦螌?dǎo)致降雨范圍集中，雨勢更強。“因此，傳統(tǒng)預(yù)測方式已經(jīng)不滿足當(dāng)下需求，我們需要更精準(zhǔn)、更復(fù)雜的模型，不僅關(guān)注到天上的‘風(fēng)云變幻’，水文等陸地上的預(yù)報也要跟上。”袁星表示，需要加強高影響天氣預(yù)報和氣候預(yù)測在水利、市政、農(nóng)業(yè)、生態(tài)等部門的應(yīng)用。

助力防災(zāi)減災(zāi)，江蘇科技手段在支撐

如果說衡量大氣物理特征長期平均狀態(tài)的氣候預(yù)測難度變大，那么對大氣中的風(fēng)、云、霧、雨等各種自然現(xiàn)象的預(yù)測則是難上加難。“天氣是指短時間內(nèi)，比如幾分鐘內(nèi)或者幾天內(nèi)發(fā)生在大氣中的現(xiàn)象。”康志明解釋說，短時雨雪天氣精準(zhǔn)預(yù)報有“盲區(qū)”，近年來，我省氣象部門高度重視氣象科技研發(fā)，特別是南京氣象科技創(chuàng)新研究院成立三年來，匯聚頂尖人才，對標(biāo)氣象科技前沿，針對實際業(yè)務(wù)中出現(xiàn)的難點，攻克難關(guān)，精準(zhǔn)預(yù)報的“盲區(qū)”正在不斷縮小。

回顧冬天江蘇的降雪預(yù)報，以往數(shù)值天氣模式考慮積雪效益，對雪后氣溫預(yù)測會偏低。“業(yè)務(wù)中的氣溫預(yù)報模型建立在數(shù)值模式產(chǎn)品基礎(chǔ)上并對其進行訂正，天氣比較平穩(wěn)時預(yù)測溫度與實際溫度持平，但當(dāng)氣溫變化大時模型預(yù)報會產(chǎn)生偏差。”康志明解釋，氣象臺創(chuàng)新研發(fā)了訂正辦法，針對降雪等特殊情況提前判斷，優(yōu)化算法，提高時空分辨率，在今年1月底預(yù)報的全省大范圍雨雪天氣中，預(yù)報溫度和實際溫度接近。

3月16日至18日，江蘇降水的同時還伴隨大風(fēng)，給海上作業(yè)的漁民帶來一定影響。“致災(zāi)性大風(fēng)預(yù)警也是我們持續(xù)攻關(guān)的領(lǐng)域，但海上大風(fēng)的監(jiān)測預(yù)警存在一個很大的盲區(qū)。”康志明解釋，以去年4月30日發(fā)生的大風(fēng)為例，當(dāng)日強對流系統(tǒng)從北往南“掃”過我省，在南通的海上有一個明顯加強的過程。“與陸地上稠密的自動觀測網(wǎng)相比，海上手段要薄弱得多。由于缺乏觀測，當(dāng)天氣系統(tǒng)入海重新加強，成為監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)中很大的挑戰(zhàn)。目前我們正在研發(fā)基于機器學(xué)習(xí)的雷達和衛(wèi)星的融合模型，模擬海上雷達信息來彌補海上強對流天氣監(jiān)測的不足。”

防災(zāi)減災(zāi)，預(yù)警為先。在江蘇，每一條氣象預(yù)警都會從江蘇省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心權(quán)威發(fā)出。“發(fā)布預(yù)警信息也蘊藏著科技含量。”江蘇省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心主任李娟說，為提高預(yù)警發(fā)布效率，我省投入專項經(jīng)費建立了預(yù)警短信專用通道。“短信通道提速擴容后，發(fā)送速率由600到800條每秒提升到5000到8000條每秒，速率全國領(lǐng)先。”李娟介紹，依托與省通訊管理局合作研發(fā)的專用技術(shù)通道，江蘇預(yù)警發(fā)布信息實現(xiàn)省內(nèi)外在網(wǎng)用戶動態(tài)捕捉，覆蓋精度達到3公里，從2018年5月上線至今，已發(fā)布4萬多條預(yù)警信息，預(yù)警短信覆蓋應(yīng)急責(zé)任人超過9000萬人次，預(yù)警服務(wù)社會公眾超過10億人次。

預(yù)警之后，就是行動。“每當(dāng)重大氣象災(zāi)害來臨，江蘇省氣象部門都會加強與應(yīng)急管理部門的會商研判，聯(lián)合發(fā)布氣象災(zāi)害應(yīng)對工作提示單。”康志明舉例，去年江蘇氣象、公安以及交通等部門深度合作，在徐州試點探索建立惡劣天氣交通預(yù)警處置試點，確保災(zāi)害天氣早預(yù)警、早行動。2021年11月4日，徐州出現(xiàn)濃霧，在濃霧臨近預(yù)報和濃霧短時預(yù)警指導(dǎo)下，徐州交警立即采取應(yīng)急處置措施，一方面區(qū)域限速，一方面引導(dǎo)正在通行的汽車進入服務(wù)區(qū)等待大霧散去，確保夜間高速通行安全。目前，該成果已經(jīng)在全國31個省市108條路段推廣應(yīng)用。

超高分辨率模型助力極端氣象水文氣候預(yù)測

今年世界氣象日主題重點提到氣象水文氣候信息早預(yù)警早行動，加強國家氣象水文部門、災(zāi)害管理部門和發(fā)展機構(gòu)之間的協(xié)作對于更好地防災(zāi)、備災(zāi)和救災(zāi)至關(guān)重要。在袁星看來，要預(yù)測極端的氣象、水文、氣候事件，水文氣候模型要精準(zhǔn)到千米、百米，乃至米級尺度，這需要將傳統(tǒng)的物理模型與大數(shù)據(jù)、超級計算等新興科技手段相結(jié)合，更加精準(zhǔn)模擬真實的地球系統(tǒng)。

“總體來說，隨著人類觀測手段越來越多、超級計算機技術(shù)的發(fā)展，我們的預(yù)測模型已經(jīng)越來越復(fù)雜、計算也越來越精細，模型分辨率大大提升。”袁星說，但復(fù)雜模型需要有較長時間尺度的資料支撐，還要納入不同圈層中氣象、水文、人類活動的過程，因此不確定性大大增加，“比如我們正在研究城市擴張以及水庫調(diào)度影響下的水文氣象災(zāi)害形成與演進機理，研制相應(yīng)的模型進行預(yù)報預(yù)警，以此提升洪澇、干旱等災(zāi)害預(yù)測精度。今年3月，學(xué)校剛獲批籌建水利部水文氣象災(zāi)害機理及預(yù)警重點實驗室，研制高分辨率水文氣象耦合預(yù)報模式是實驗室建設(shè)的重要內(nèi)容之一。”

要了解未來的氣候變化，過去的氣象歷史資料十分重要。但受制于當(dāng)時的觀測水平，幾十年前的氣象資料還比較“粗”，中國氣象局去年發(fā)布了一套自主研制的全球再分析數(shù)據(jù)，利用模式模擬的數(shù)據(jù)，通過資料的訂正融合，再生產(chǎn)出一套數(shù)據(jù)，使他們更接近于真實數(shù)據(jù)。“過去這方面技術(shù)我們一直受制于歐美國家，現(xiàn)在我們用自主研發(fā)的技術(shù)，‘重建’過去幾十年跟氣候氣象相關(guān)的要素，這對于極端氣候預(yù)測模型的建立和檢驗?zāi)Ｐ陀泻艽笾Α?rdquo;袁星表示，除了歷史資料，我們還需要積累更多高分辨率的資料，“如何挖掘大數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，這也為人工智能留出了用武之地。”

隨著干旱、暴雨、高溫、臺風(fēng)等極端氣候災(zāi)害頻繁發(fā)生，加強災(zāi)害性天氣氣候預(yù)測研究任重道遠。在全球氣候變化的影響下，干旱影響的區(qū)域正在悄悄發(fā)生改變，中國原本濕潤的地區(qū)或?qū)㈩l發(fā)驟旱事件。袁星告訴記者，北方干旱是一種緩慢發(fā)展的氣候現(xiàn)象，南方干旱的特點是發(fā)展迅速、強度很大。通過模型計算，袁星及其合作者曾預(yù)測，到本世紀(jì)中葉，貴州、廣西、廣東、浙江等南方濕潤地區(qū)的驟旱風(fēng)險將增加40%。袁星表示，關(guān)于驟旱對植物生長、自然生態(tài)等會產(chǎn)生什么樣的影響，如何進行客觀評價，還需要更多學(xué)科的專家學(xué)者和各部門的協(xié)作攻關(guān)，開展更加廣泛深入的研究，建立相應(yīng)的早期預(yù)警系統(tǒng)，才能更好地開展驟旱防治。(張宣 楊頻萍 孫嘯)