 近日，廣東韶關(guān),、清遠(yuǎn)兩市遭遇數(shù)日持續(xù)強(qiáng)降雨,，防汛形勢十分嚴(yán)峻 | 圖源：廣東新聞聯(lián)播
2022年入汛后，我國南方強(qiáng)降雨不斷,，華南、江南等多地發(fā)生洪澇災(zāi)害,。自今年5月，閩粵桂地區(qū)平均降水為1961年以來歷史同期最多,，近日粵北韶關(guān),、清遠(yuǎn)等地被洪水肆虐。與此同時,，我國華北,、黃淮等地40°C以上的高溫頻現(xiàn)，多次發(fā)布高溫預(yù)警,。今年仲夏 “水深火熱” 的天氣格局,，還會持續(xù)多久,？相關(guān)氣候預(yù)測如何進(jìn)行,？ ● ● ● 近日,，廣東韶關(guān),、清遠(yuǎn)兩市遭遇數(shù)日持續(xù)強(qiáng)降雨，受其影響,，北江干流全線大部分超警戒水位，韶關(guān)的樂昌市,、清遠(yuǎn)的英德市受淹嚴(yán)重,。據(jù)廣東省水文部門,，6月23日前后,，受連日強(qiáng)降雨和上游來水影響,，北江干流水位持續(xù)上漲,，北江干流石角站出現(xiàn)超百年一遇的洪峰流量（20,000立方米/秒），防汛形勢十分嚴(yán)峻,，廣東省水利廳一度將應(yīng)急響應(yīng)提升至I級 [1],。國家氣候中心數(shù)據(jù)顯示，今年入汛之初,，南方雨季偏早特征明顯,。華南前汛期于3月24日開始,，較常年偏早16天。5月以來,，華南,、江南等地連續(xù)出現(xiàn)數(shù)十次降水過程,，珠江流域降水量達(dá)1961年以來歷史同期最多 [2],。與此同時，我國北方烈日高懸,。據(jù)統(tǒng)計，自6月中上旬以來,，陜西中部、河南中西部40℃以上高溫頻現(xiàn),，內(nèi)蒙古,、河南等多地部分站點(diǎn)氣溫突破6月同期最高值 [3],。圖1 近日,，廣東韶關(guān),、清遠(yuǎn)兩市遭遇數(shù)日持續(xù)強(qiáng)降雨，防汛形勢十分嚴(yán)峻 | 圖源：廣東新聞聯(lián)播 中國東部位于東亞季風(fēng)區(qū),，隨著東亞夏季風(fēng)的爆發(fā)、盛行和向北推進(jìn),，東亞夏季風(fēng)主雨帶明顯自南向北移動，在中國東部地區(qū)依次形成華南前汛期,、江淮梅雨季和北方雨季,。圖2 中國雨帶進(jìn)程（氣候平均而言）示意圖。我國雨帶位置與西太平洋副熱帶高壓位置密切相關(guān),，西太副高在夏季一般存在兩次明顯的北跳,，其中第一次北跳將導(dǎo)致華南前汛期結(jié)束,、江淮梅雨建立，而第二次北跳則意味著江淮梅雨結(jié)束,、華北雨季開始 | 圖源：中國氣象網(wǎng) 每年4至6月,，是我國典型季風(fēng)雨季的第一個雨季——華南前汛期（區(qū)別于7至9月受臺風(fēng),、東風(fēng)波等熱帶天氣系統(tǒng)影響的華南后汛期）,。每年5月下旬到6月中旬,，端午節(jié)前后常出現(xiàn) “龍舟水”,，也是華南前汛期最后的尾聲。今年華南 “龍舟水” 期間（5月21日至6月21日）,，廣東,、廣西、海南平均降雨量為472.5毫米,，為1951年以來歷史第二多,。6月22日，國家氣候中心汛期值班首席,、研究員袁媛解釋說,，華南前汛期暴雨形成的主要原因有兩方面，其一是北方冷空氣在南下過程中勢力逐漸減弱,，但仍能到達(dá)華南地區(qū),，與夏季風(fēng)帶來的暖濕空氣在廣西、廣東,、福建上空交匯,，加之南嶺山脈的阻擋，形成華南準(zhǔn)靜止鋒,，其空中表現(xiàn)為華南切變線,。南北冷暖空氣兩股勢力勢均力敵、你來我往,，形成大范圍持續(xù)的強(qiáng)降雨過程,。另一方面，5月中旬后,，南海西南季風(fēng)開始爆發(fā),，季風(fēng)北上受到陸地地形抬升等因素的作用，往往會給華南帶來大范圍持續(xù)性強(qiáng)降水,；有時冷空氣東移出海,，回流的潮濕偏東氣流也會給華南帶來暴雨。這也是華南前汛期最典型的特征 [4],。中國氣象服務(wù)協(xié)會會長許小峰表示,，今年春季以來,，中東太平洋衰減緩慢的 “拉尼娜” 事件影響到了東亞夏季風(fēng)的建立和我國雨季進(jìn)程，導(dǎo)致南海夏季風(fēng)爆發(fā),、我國雨季進(jìn)程均偏早 [5],。此外，中科院大氣物理研究所季風(fēng)系統(tǒng)研究中心副主任魏科解釋說,，由于北方較強(qiáng)的東北冷渦的影響,，本該大幅北跳的雨帶沒有完全北跳，導(dǎo)致雨帶一直壓在華南北部與江南的南部地區(qū),，造成了當(dāng)?shù)剡B綿不絕的暴雨,。圖3 2022年初夏，我國華南地區(qū)降雨量分布圖 | 圖源：中央氣象臺 去年（2021年）的7月中下旬,，河南省出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降水天氣,，全省大部出現(xiàn)暴雨、大暴雨,。7月20日16至17時,，鄭州市一小時降雨量達(dá)201.9毫米，創(chuàng)造了中國大陸小時降雨量紀(jì)錄,，很多市民至今仍心有余悸。而目前,，正值夏收夏種時節(jié),，作為 “中原糧倉” 的河南等北方多地，緣何會出現(xiàn)如此強(qiáng)的持續(xù)性高溫呢,？袁媛解釋說,，6月以來，我國黃淮地區(qū)對流層低層水汽條件偏差,，大部分地區(qū)以晴熱少雨天氣為主,，降水偏少。黃淮地區(qū)上空受到高空高壓暖脊的長期控制,，下沉氣流致使增溫效應(yīng)明顯,；同時，白天受太陽短波輻射影響,，加之大氣干燥,，地面快速升溫。這些因素共同導(dǎo)致當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)高溫天氣,。 圖4 今日（6月24日）全國最高氣溫分布圖 | 圖源：中央氣象臺 每年5月至9月為我國汛期，相關(guān)氣候預(yù)測研究已有數(shù)十年歷史,。每年的3月與5月,，國家氣候中心例行組織 “汛期全國氣候趨勢預(yù)測會商會”,，邀請全國氣象領(lǐng)域科研院所/高校等共同參與會商研判，并在會商的基礎(chǔ)上對外發(fā)布正式的氣候預(yù)測結(jié)論,。2022年會商結(jié)果表明,，預(yù)計在今年汛期，我國氣候狀況總體為一般到偏差,，旱澇并重,，區(qū)域性、階段性的旱澇災(zāi)害明顯,，極端天氣氣候事件偏多,，主要多雨區(qū)分布在我國北方；全年登陸我國的臺風(fēng)個數(shù)接近常年到偏多 [6],。圖5 2022年汛期（5月至9月）全國氣象災(zāi)害預(yù)報圖 | 圖源：國家氣候中心 因此,，盡管我國北方目前飽受高溫、干旱的煎熬,，但在未來一段時間,，隨著西太平洋副熱帶高壓的北抬，北方（包括東北南部,、華北等地）將成為我國降雨的主戰(zhàn)場,，局部地區(qū)甚至有可能出現(xiàn)極端洪澇災(zāi)害。受目前中東太平洋持續(xù)的 “拉尼娜” 現(xiàn)象的影響,，我國北方降水仍舊可能 “后來居上”,，成為今年汛期的主雨區(qū)。圖6 今日（6月24日）全國降水量分布圖,，今年的梅雨不夠典型,，可能匆匆開始又草草結(jié)束 | 圖源：中央氣象臺 而這其中最需要注意的，就是隨著西太平洋副熱帶高壓的迅速北抬,，我國北方部分地區(qū)出現(xiàn)的可能不是 “久旱逢甘霖”,，而是 “旱澇急轉(zhuǎn)” 事件。中科院大氣物理所研究員黃剛解釋說,，這種事件往往具有三個顯著特征：前期干旱維持時間長,、旱澇轉(zhuǎn)折迅速劇烈、轉(zhuǎn)折后降水量大,。舉個例子,，2011年春末至夏初，長江中下游地區(qū)就曾發(fā)生過一次典型的 “旱澇急轉(zhuǎn)” 事件,。主要表現(xiàn)為,，當(dāng)年1月至5月，長江中下游地區(qū)降水整體偏少，出現(xiàn)嚴(yán)重干旱現(xiàn)象,；6月初,，伴隨一場強(qiáng)降水過程，長江中下游迅速由旱轉(zhuǎn)澇,，整個過渡時間不到一周,，轉(zhuǎn)變十分迅速劇烈；之后強(qiáng)降水持續(xù)20天左右,，且整個6月降水達(dá)到以往夏季（6,、7、8月）整體降水的量級,。這次事件當(dāng)時造成了上百萬人受災(zāi),、數(shù)百人死亡、無數(shù)的農(nóng)田被淹,、房屋倒塌,，給長江中下游地區(qū)人民生命、財產(chǎn)帶來了重大損失 [7],。而由暴雨導(dǎo)致的山洪,、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，是伴隨 “旱澇急轉(zhuǎn)” 事件最嚴(yán)重的危害之一,。長期持續(xù)處于干旱狀態(tài)下的土壤,，易出現(xiàn)土質(zhì)疏松、土壤顆粒間的連接強(qiáng)度降低等問題,，這時一旦遭遇持續(xù)性強(qiáng)降雨,，就極易引發(fā)山洪、滑坡,、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。如果發(fā)生持續(xù)時間極長的極端干旱,，還有可能導(dǎo)致水利工程出現(xiàn) “旱損” 現(xiàn)象（堤防,、大壩等土質(zhì)結(jié)構(gòu)工程出現(xiàn)較大裂縫）。另外,，久旱地區(qū),，公眾往往更多關(guān)注的是抗旱保作物、保供水,，對于防汛抗洪會有麻痹大意的趨向,。我國北方一些常年干旱的地區(qū)，也缺乏防汛抗洪方面的經(jīng)歷和經(jīng)驗(yàn),。圖7 當(dāng)前赤道中東太平洋的拉尼娜狀態(tài)仍在持續(xù),，該拉尼娜從今年春季開始逐漸衰退，但接下來幾個月指數(shù)仍維持在負(fù)的狀態(tài) | 圖源：美國國家海洋和大氣管理局 此外,，未來我國北方強(qiáng)對流天氣的發(fā)展仍然值得警惕,。東北冷渦系統(tǒng)常給我國北方帶來干冷空氣,，當(dāng)與華北、黃淮等地暖濕空氣匯合,，就會使得當(dāng)?shù)貙α鞑环€(wěn)定層結(jié)急劇增強(qiáng),，形成強(qiáng)風(fēng)雹天氣。隨著西太平洋副熱帶高壓的北抬,，我國南方大部降雨將減弱,。而我國南方需要注意，華南的龍舟水雖然已經(jīng)結(jié)束,，但臺風(fēng)活躍期也越來越近,。“拉尼娜” 現(xiàn)象會減弱西太平洋副熱帶高壓的強(qiáng)度,，因而有利于西北太平洋臺風(fēng)的增加,，需要注意防范。“南風(fēng)之薰兮，可以解吾民之慍兮,；南風(fēng)之時兮,，可以阜吾民之財兮”。汛期季風(fēng)降水和我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)豐歉密切相關(guān),，早在先秦時代,，中華大地上的先民們，就有意識地觀察和認(rèn)識我國的季風(fēng)氣候,。圖8 目前國際上天氣預(yù)報的技巧以約每10年提高一天的速度增長,。數(shù)值天氣預(yù)報被世界氣象組織稱為20世紀(jì)最偉大的科技和社會成就之一，它的發(fā)展靜水深流,，悄然不驚地改變公眾生活,，被《自然》雜志譽(yù)為 “一場靜悄悄的革命” | 圖源：文獻(xiàn)[8] 汛期降水預(yù)測與大家熟知的天氣預(yù)報（明天天氣如何），具有根本性的區(qū)別,。1963年,，美國麻省理工學(xué)院氣象學(xué)家愛德華·洛倫茲提出混沌理論，即著名的 “蝴蝶效應(yīng)” —— 任何一個非線性系統(tǒng)都受到初值的強(qiáng)烈影響,，存在初值敏感性,。上述特性最終可能影響系統(tǒng)的發(fā)展方向。長久以來,，人們將上述效應(yīng)形象化理解為巴西熱帶雨林中的蝴蝶煽動幾下翅膀,，可能在美國德克薩斯州引起一場龍卷風(fēng)。在天氣預(yù)報過程中，數(shù)值積分累積誤差等原因使得模式初始化過程中相較真實(shí)世界不可避免得存在偏差,，有效的天氣預(yù)報也就存在可預(yù)測的時間極限,。洛倫茲指出，天氣的可預(yù)測性極限是2~3周,，即2~3周以上的逐日天氣預(yù)報是不可信的,。如果科學(xué)家連幾周后的天氣尚不能準(zhǔn)確預(yù)報，如何預(yù)測幾個月后的氣候呢,？南京信息工程大學(xué)氣候與應(yīng)用前沿研究院院長羅京佳解釋說,，雖然科學(xué)家預(yù)報不出未來幾個月后指定某天的具體天氣事件，但可以預(yù)測出未來幾個月的平均氣候狀況,。 原因在于短時間尺度的天氣可預(yù)報性主要由大氣內(nèi)部變化的記憶力決定,，大氣記憶力短導(dǎo)致天氣可預(yù)測的時限短，而長時間尺度的氣候可預(yù)測性主要來源于海洋等變化緩慢的下墊面強(qiáng)迫的影響,。海洋的長記憶力使得海溫等強(qiáng)迫信號可以提前幾個月甚至幾年做出預(yù)測,，進(jìn)而可以預(yù)測出大氣活動在某個時期內(nèi)的氣候特征。這就好比未來中國每個居民的年收入是無法預(yù)測的,，但可以預(yù)測出未來中國國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的走向,，羅京佳說。 我們把未來幾個月到一年以氣象要素平均狀態(tài)為預(yù)測對象的預(yù)測稱為短期氣候預(yù)測,，包括我國今年夏季長江流域是多雨還是少雨,、冬季是冷冬還是暖冬等。它區(qū)別于長期氣候預(yù)測,， 后者常指提前一年以上的氣候預(yù)測,。正是由于短期氣候預(yù)測是對 “氣象要素平均狀態(tài)” 預(yù)測這一特性，常常會給公眾帶來許多誤解,。如針對降水的短期氣候預(yù)測,，是對未來一段時期平均降水量的預(yù)測。預(yù)測今年某地區(qū)夏季平均降雨量正常,，并不意味著 “風(fēng)調(diào)雨順”,，因?yàn)榭赡艹霈F(xiàn) “旱澇急轉(zhuǎn)” 的情形。前期發(fā)生了旱災(zāi),，后期發(fā)生了洪災(zāi),，從整個夏季季節(jié)平均來看,，降水量可能還是正常的,，但其實(shí)帶來了非常大的危害。還有一個典型例子,。2021年年初,，我國中東部大部地區(qū)遭遇強(qiáng)寒潮天氣，50余市（縣）的日最低氣溫突破或達(dá)到建站以來歷史極值。然而,，2月19日至21日,，氣溫迅速回暖，全國超過四分之一的市（縣）的日最高氣溫突破2月歷史極值,。該事件被中國氣象局列為 “2021年中國十大天氣氣候事件” 之一,。如果僅從結(jié)果來看，正如2020年10月所預(yù)測的那樣,，2020/2021年冬季是一個暖冬（盡管發(fā)生了一次又一次的寒潮）,，但這個結(jié)果非常具有迷惑性。因?yàn)閷τ谄胀ㄈ说娜粘Ｉ疃?，一個冬天偏冷還是偏暖并沒有那么重要,，反而是寒潮和冷空氣這樣的天氣事件對人們的影響更為直觀。短期氣候預(yù)測目前有三種主流方法,，第一種是統(tǒng)計分析,，其優(yōu)點(diǎn)是計算省時，但建立預(yù)報因子與預(yù)報量統(tǒng)計關(guān)系時,，常缺乏明確的物理機(jī)制,，并且容易受到氣候變化等背景態(tài)因素的干擾。第二種是動力數(shù)值模式（本質(zhì)是利用超級計算機(jī)求解復(fù)雜的偏微分方程組）,，其優(yōu)點(diǎn)包括物理機(jī)制明確,、可以描述氣候系統(tǒng)不同分量之間的非線性相互作用等，但數(shù)值模式需要耗費(fèi)大量的計算資源,。數(shù)值模式需要在超級計算機(jī)上運(yùn)行,，而如我國 “天河二號” 超級計算機(jī)一年的耗電量堪比一座中小城市。此外,，數(shù)值模式本身并不完善,，受數(shù)值模式動力框架、物理過程參數(shù)化（如積云對流的模擬）等條件的限制,，模擬結(jié)果常較觀測有較大偏差,。圖9 氣候模式和地球系統(tǒng)模式的發(fā)展歷史與未來，數(shù)值模式對解讀地球過去,、了解地球現(xiàn)在和預(yù)測地球未來具有重要意義,。圖中的FAR、SAR,、TAR,、AR4、AR5和AR6分別表示聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第一至第六次評估報告,，分別發(fā)布于1990,、1995,、2001、2007,、2013和2021年 | 圖源：文獻(xiàn)[9] 實(shí)際業(yè)務(wù)中,，我國氣象系統(tǒng)短期氣候預(yù)測通常使用第三種方法——統(tǒng)計分析與動力多模式相結(jié)合。統(tǒng)計與動力相結(jié)合有兩種形式,，一種是內(nèi)部結(jié)合,，即將統(tǒng)計方法在動力模式內(nèi)部結(jié)合；另一種為外部結(jié)合,，簡單而言,，可以首先利用過去觀測或預(yù)報數(shù)據(jù)建立大尺度環(huán)流場與地面氣象要素之間的統(tǒng)計關(guān)系，再通過數(shù)值模式模擬出的環(huán)流場信息間接預(yù)報地面要素,。由此思想進(jìn)一步發(fā)展出的模式誤差訂正技術(shù),，已經(jīng)成為改善動力模式預(yù)報不可缺少的有力工具。近年來,，隨著人工智能的發(fā)展,，利用機(jī)器學(xué)習(xí)（深度學(xué)習(xí)）算法開展氣候預(yù)測登上舞臺。機(jī)器學(xué)習(xí)是一門以數(shù)據(jù)驅(qū)動的科學(xué),，它通過學(xué)習(xí)已有數(shù)據(jù)中的變化規(guī)律,，之后將這種規(guī)律自主推廣應(yīng)用開展預(yù)測。在某些場合,，其預(yù)測技巧已經(jīng)超過統(tǒng)計與動力相結(jié)合的方法 [10],。近百年來,，人類為了預(yù)測氣候進(jìn)行了諸多努力,，但至今，氣候仍然以不確定性,、可能性和復(fù)雜性,，吸引和困惑著每一個人。我國地處東亞季風(fēng)區(qū),，同時受到青藏高原強(qiáng)大地形影響,，降水預(yù)測存在著太多不確定性，國際上幾乎所有先進(jìn)的氣候模式在東亞地區(qū)的預(yù)測水平都比較低,。此外,，我國大部分地區(qū)位于中緯度，大氣內(nèi)部變率大（如絲綢之路遙相關(guān)波列,，會掩蓋熱帶可預(yù)測信號的影響）,，加之對相關(guān)機(jī)理認(rèn)識有限、地面氣象觀測臺站數(shù)量有限且分布不均等因素,，汛期降水預(yù)測十分困難,。隨著全球變暖加劇，極端天氣事件頻率和強(qiáng)度增加,，中小尺度強(qiáng)對流系統(tǒng)更加活躍,，氣候的可預(yù)報性難度加大。對此,，羅京佳表示：“考慮到東亞季風(fēng)降水預(yù)測的難度,，未來更推薦使用概率預(yù)報的方式來進(jìn)行汛期降水預(yù)測，而非目前一直沿用的確定性預(yù)報”,。所謂確定性預(yù)報,，顧名思義，其特點(diǎn)是預(yù)報明確直觀,，但常會出現(xiàn)預(yù)報有雨卻無雨的預(yù)報不準(zhǔn)的情況,，人為地增加了預(yù)報誤差。而概率預(yù)報能顯著提高預(yù)報的科學(xué)性,，如目前臺風(fēng)路徑預(yù)報會同期發(fā)布概率分布預(yù)報,。然而另一方面，概率預(yù)報可能也會帶來公眾理解以及傳播使用上的偏差,。如天氣預(yù)報簡單地說 “明天下雨/不下雨”,，公眾容易理解；可是當(dāng)天氣預(yù)報試圖更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乇硎鰹椤懊魈煊?0%的可能性降雨” 時,，可能會給很多居民帶來困惑——明天出門到底要不要帶傘,。此外，羅京佳也談及,，目前我國氣候預(yù)測對于每個網(wǎng)格點(diǎn)的預(yù)報技巧其實(shí)只比拋硬幣稍微高一點(diǎn),。氣候系統(tǒng)是復(fù)雜的、不斷演變的系統(tǒng),。因此,，提高我國汛期降水預(yù)測的準(zhǔn)確率，對于氣象學(xué)者而言,，依然是 “路漫漫其修遠(yuǎn)兮,，吾將上下而求索”。 （感謝陳姍姍,、任志國參與本文討論） 參考文獻(xiàn)：（上下滑動可瀏覽） 1.廣東水利,，廣東水利防汛應(yīng)急響應(yīng)提升至Ⅰ級！https://mp.weixin.qq.com/s/-3tX1QlFSElyUTgC_k1vVQ 2.中國氣象局,，5月以來閩粵桂區(qū)域平均降水量為1961年以來歷史同期最多,，https://mp.weixin.qq.com/s/Fy_GMA1WF5pja7gLfrAZzA 3.中國氣象局，局地突破40℃,！北方多地持續(xù)高溫謹(jǐn)防中暑,！https://mp.weixin.qq.com/s/h4ROML8VFioF8ibYnu5roA 4.中國氣象局,，六問“早到”的華南前汛期，http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xqxyw/202204/t20220401_594224.html 5.南都,、N視頻,，中國氣象局原副局長：極端性降雨與拉尼娜密切相關(guān)，https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_18673164 6.https://mp.weixin.qq.com/s/1rNtClL7N2fwxG73A-_PvA 7.封國林,楊涵洧,張世軒,王闊,沈柏竹.2011年春末夏初長江中下游地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)成因初探[J].大氣科學(xué),2012,36(05):1009-1026. 8.Bauer, P., Thorpe, A., & Brunet, G. 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