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面對預報難題 如何破局? 聚焦極端天氣氣候專家權威解讀
2021-06-08 10:19:29    來源:中國氣象報

     50年一遇,浙江多地1月出現這樣級別的旱情。

  47.9米每秒,4月底,江蘇通州灣的15級大風刷新該省風速紀錄。

  去年東北地區遭遇罕見臺風“三連擊”,今年以來南方地區也出現沙塵天氣。

  面對不斷刷新的極值,呈擴張態勢的災害影響區域邊界,在我國極端天氣氣候事件總體呈增加趨勢的背景下,如何更好守住安全防線?

  一套成熟的、以預警為先導的“政府主導、部門聯動、社會響應”機制能為災害防御、應急處置贏得更多時間。那么,現在我們能做到哪一步?瓶頸何在?如何突破?多位專家接受了中國氣象報全媒體記者的專訪。

  “大網”捉“小魚”,是全球“天花板”

  極端天氣氣候中,強對流往往是最致命的。

  2020年6月12日14時許,一場龍卷風襲擊江蘇省高郵市城南新區3個村莊,造成部分房屋、車輛受損,4名村民輕傷。而約46分鐘前發布的暴雨黃色預警和公共服務產品,為當地災害防御爭取了寶貴時間。

  提前46分鐘,很難嗎?

  答案是,真的難。

  “因為強對流天氣屬于中小尺度天氣系統。”災害天氣國家重點實驗室主任梁旭東說,“尺度越小,可預報性也就越低。”

  尺度可以理解為定位天氣系統的坐標軸,x軸代表存活時間,y軸代表空間覆蓋范圍。在這個坐標軸里,強對流天氣恰好處于中等偏下位置——可覆蓋幾公里至幾百公里不等,生命史可能僅有幾分鐘至一小時,也可能長達十幾小時以上。

  10公里在人們的印象里可能并不算近,但在全國天氣預報模式的背景下,就僅僅是網格中的一個芝麻小點。“觀測站網,織得再密還是有‘網眼’。”梁旭東感慨,“相對龍卷等‘小魚’而言,“網眼”還是大了些。”曾參與幾次龍卷災后調查的他,對“局地性”三個字深有感觸,“眼前一片狼藉,但兩條街外又是另一幅光景。”

  而“小魚”一旦集結成巨型“魚群”,不僅“活”得更長,侵襲范圍更大,破壞力也成倍疊加。比如在今年5月10日至12日的這一輪強對流天氣中,湖北省武漢市局部遭遇10級及以上大風;浙江省建德市多地受雷雨天氣影響,出現樹木倒塌、蔬菜大棚受損情況;在江西省上饒市鉛山縣河口鎮上空,閃電劃過夜空猶如白晝;貴州省貴陽市城區遭暴雨冰雹襲擊,導致低洼路段被淹、內澇嚴重……

  有人可能要問,個頭大的“魚群”不是更好“抓”嗎?恰恰相反。“魚群”只是整體感覺,“小魚”仍是“小魚”。上例中大風、雷電、短時強降雨、冰雹等多種災難同一時間段出現,產生“大軍壓陣”的效果,但細究其中極端性災害發生地,仍然是“局部地區”。

  那能不能讓這張“捕魚”的網再密一些?令“小魚”無所逃遁?中央氣象臺首席預報員張濤坦言,當“小魚”游走各地,提前定位、布網仍然是全球氣象界共同的“天花板”。目前強對流預警時間提前量約為38分鐘,也就是說,對于某個具體的強對流天氣事件而言,氣象部門可以提前數小時到數天劃出大概范圍,但很難具體發布預警至某縣(區),精確到分鐘級或小時級。

  這背后更深層的原因,指向對極端天氣氣候事件的認知短板。

  認識“朱鹮”,比認識“麻雀”要難多了

  極端天氣氣候事件和一般致災性天氣,就好比朱鹮和麻雀,前者極端稀少,后者遍地都是。

  為什么這么說?學界對極端天氣氣候事件的普遍認識,是指一定地區在一定時間內出現的歷史上罕見的氣象事件,其發生概率通常小于5%或10%。

  同樣是從零基礎開始,要觀察麻雀的習性,可能在街頭支個凳子就能實現,但要認識朱鹮,可能要深入崎嶇險峻之地、花費幾十年甚至更長的時間去尋覓、跟蹤、記錄、總結。這個過程中,如果沒有不斷迭代、日益精準且輕量化的高科技觀測、定位設備,僅靠人力幾乎寸步難行。

  這也正是氣象科技工作者研究極端天氣氣候時所面臨的困境。

  要想觀測、記錄小概率事件本就要花費大量人力物力,而對于其中以局地性、突發性為典型特征的強對流天氣,就更是難上加難。現階段,捕捉強對流天氣較有效的手段是雷達監測。但地球是圓的,雷達發射的電磁波多為直線傳播,就好比對地球做一條切線,切線下方全是盲區,再加上地形干擾、雷達分辨率不足等限制,雷達對龍卷影響最大的接地部分很可能識別不出。此外,雷達數據解析需要時間,但幾分鐘很可能就是一場龍卷的“生死時速”。

  “觀測數據不足,可以研究的樣本數少,在一定程度上影響我們總結其發生、發展規律。”梁旭東說。沒有精確認識,何談精準預判呢?目前他及其團隊通過積極參加災后調查,開展氣候模擬試驗,不斷積累對強對流天氣尤其是龍卷的認識,中國氣象局積極推進的氣象災害風險普查也是數據積累的手段之一,但這些都需要一個過程。

  更糟的是,“朱鹮”的“習性”還在不斷發生變化,甚至超過科學家的認知速度。

  近百年來,全球氣候正經歷一次以變暖為主要特征的顯著變化。氣候變暖帶來了一系列影響,包括海平面上升、冰川消融、沙漠化加劇等,這些讓地球系統各圈層之間的相互作用和反饋機制變得更加復雜,其中也包括影響大氣環流的機制。

  不要小看這些看似微小的變化,1961年,氣象學家愛德華?勞倫茲用計算機模式模擬天氣時,發現變量的微小變化,能夠造成大相徑庭的結果,他由此發出了著名一問:“一只蝴蝶在巴西振翅,是否會掀起得克薩斯的一場颶風?”

  要消弭氣候預測中的“蝴蝶效應”,就必須把蝴蝶振翅帶起的氣流從巴西到得克薩斯的路徑、演變摸得清清楚楚。

  但影響大氣環境的要素十分復雜。而隨著考慮的要素越來越多,需要計算的數據量也隨之水漲船高,這又是現有觀測手段和算力難以支撐的。

  難道我們就束手無策了嗎?

  “磨利劍”與“繃緊弦”缺一不可

  當然不。

  提高預報預測準確率,守牢防災減災第一道防線,這是氣象部門的永恒課題。

  我國主要發展數值模式預報,需要從氣象專業角度摸清機理,確保預報科學合理,其系統設計、程序規范、運行支撐、檢驗評估等還涉及大量計算,耗費較長時間與較大的計算資源。“氣象+計算”的融合不是一蹴而就的,核心技術的研發,好比一塊生鐵,要經過淬火、鍛造、打磨,才能百煉成鋼。

  從極端天氣氣候事件發生發展的角度看,首先要從氣候預測的角度,強化對極端天氣發生概率、時段、范圍的預報預測,做好防范準備。

  “做好氣候預測要夯實理論,也要‘磨利’工具,即發展高精度氣候預測動力模式。”南京信息工程大學教授、氣候與應用前沿研究院院長羅京佳建議,一方面需要繼續從科研管理的角度對核心技術研發的從業者給予支持,鼓勵專家潛心科研;另一方面,需要通過機制建設,加強大氣海洋模式方面專家與計算機專家的跨學科融合,研發匹配我國芯片和預報模式運算需求的計算程序。

  擊準目標,還需從更近的天氣尺度來看,做好強對流天氣的預報。

  “盡管強對流發生比較隨機,但可以從容易出現強對流的環境背景來判斷,進而支持決策。”梁旭東認為,可以從技術角度發力,如加強基于雷達的快速分鐘級預報等,其核心是把現有資料用好,探索更小尺度的預報。要加強對強對流的機理研究,如天氣過程為何會發生,天氣系統內部熱力和動力過程如何演變等,為預報業務提供科研支撐。

  張濤認為,更為精細的分鐘級和小時級的預警預報業務,實際上是由各地氣象臺特別是地市級氣象臺落實。因此,中央氣象臺與地方氣象臺要在技術層面加強溝通,形成上下互聯機制,共同防范強對流天氣。

  機器學習和人工智能的不斷發展或許能提供新的解題思路。當前,多地氣象部門致力于擦亮這把“新劍”:深圳市氣象局建立的基于深度學習的雷達外推模型,可以在5分鐘至10分鐘內有效預測未來0小時至6小時的降水;上海市氣象局基于機器學習的智能外推技術可根據突發性雷雨大風和短時強降水預報需求, 實現0小時至6小時短臨精細化格點預報產品自動生成。羅京佳表示,這為提高預報預測準確率創造了較好的應用前景,其關鍵問題也在于跨學科融合,即如何圍繞預報預測核心技術短板組織團隊、強化政策支持開展長期攻關。

  突破天花板,能力提升非一日之功,在全球共同打磨的極端天氣精準預報利刃出鞘前,專家認為,政府和公眾也需要提高警惕,完善應急體系,根植防御意識,未雨綢繆,做好防御準備。

  “每到這個季節,遇到風險提示的時候,需要上至政府、相關部門,下至企業、公眾都必須繃緊防御之弦。”梁旭東說,“一般突發的強天氣過程帶有隨機性,考驗的就是應急應變能力和平時的防御準備,需要在掌握孕災事件發生概率等信息的情況下及時決策。”

  內蒙古自治區巴彥淖爾市農業氣象試驗站高級工程師孔德胤則結合自身經歷,建議要破除思維定式,遵循科學變化規律從事生產生活。“在搶播小麥的過程中,也有少數農戶認為氣溫偏高沒有關系,按照往年經驗在3月底種植就行,結果今年到了那時候卻種不上了。”

  國家氣候中心氣候服務室首席周兵建議,進一步健全預警信息接收和傳播工作機制,充分利用權威渠道和公眾喜聞樂見的平臺,針對防范極端天氣氣候事件開展科普宣傳,提高公眾應對極端天氣氣候事件和防御氣象災害的能力。

(葉奕宏 吳彤 李一鵬)


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