回望2018
——七大脈絡彰顯氣象科學持續發展的動力

編輯：賈朋群

剛剛過去的2018年，全球氣象界在看似波瀾不驚形勢下，實際上在醞釀一些根本的改變。2018年正值第一次世界大戰結束百年，這一時刻讓很多學者反思那場戰爭因對氣象信息的需求帶來的對整個學科的推動，尤其是回顧自一戰期間英國學者理查孫嘗試手工數值天氣預報之后100年來氣象科學的進步，更是百感交集和對未來有了更多期待。本文從AMS百年文集試圖對同樣時段的梳理開始，以偏概全凝煉出2018年氣象發展的脈絡，與讀者一起在回顧中更準確地前瞻和憧憬學科的發展。

本刊

讀圖

脈絡1 AMS百年文集：秀出世紀成就 劍指來日風流

AMS百年文集版眼

歷史并不算悠久的美國氣象學會（AMS），即將迎來成立100年。如果說，二戰前后當戰爭促進氣象大發展時，美國還是參與者，那么羅斯貝等眾多歐洲裔學者戰后移民美利堅，芝加哥學派替代更加經典的挪威學派成為大氣科學發展的新引擎，并在1950年成就NWP最先在美國獲得成功，美國氣象界無疑從20世紀下半葉開始已經走在了世界的前列。借美國氣象學會走過百年，這本文集的推出，從2018年下半年開始、并在2019年持續進行。文集計劃用27章梳理氣象科學的百年進步，從已經在網上發表的10章左右內容和近20章信息的題目看，這本文集既有對學科經典領域的再劃分（例如，應用氣象學科按照基本應用、應對人口增長和其他應用被劃分成3個分學科；大氣化學則按照氣態和非氣態進行劃分），又有對可能成為新的分支學科領域的探索（例如，將強對流風暴的科學和業務捆綁在一起的主題評述）。這些創新性的思想，無疑是對過去發展的凝練，并會對未來氣象和大氣科學的發展具有重要的啟發性意義。

脈絡2 你方唱罷我登場，氣象衛星“專門星座”時代開啟

隨著世界氣象衛星強國在2017年及之前，大多完成了新一代氣象業務衛星的發射和業務化，氣象業務衛星換代告一段落。2018年，是全球針對重要地球系統變量專門衛星或星座發射競爭開始進入白熱化的一年，這或許開啟了氣象衛星的“專門星座”的新時代。

ESA“探索地球”專門衛星系列引領潮流。8月22日，歐空局（ESA）研發20年的Aeolus（風神）衛星終于順利升空。星上被稱為“阿拉丁”的多普勒紫外激光雷達（ALADIN），實現了監測、繪制全球風速風向等風況。風神衛星改變了之前衛星只能通過追蹤云層、氣溶膠（煙、塵、霧、霾），或者通過測量海洋表面變化，間接獲得風況的狀況，可以說是填補了一項空白。更加難得的是，風神衛星是ESA“探索地球”系列中的第5項，它與之前的地球引力和地磁（Swarm衛星，3顆）、土壤濕度與海水鹽分（SMOS，2顆）和冰凍圈等4種衛星或星座，共同構成對地球重要變量的星座探測。

風神衛星

歐美日多機構跟上。2018年9月和10月，美國和日本分別發射了監測地球冰變化的ICESat-2衛星和“呼吸2號”溫室氣體觀測衛星。美國NASA的Parker太陽探測器和歐洲空間局的太陽衛星，都將進入瞄準太陽的軌道，目標是解開“日冕為何溫度如此之高”和“太陽風的動力來自何處”這兩個長期困擾學者的謎團。

小衛星推波助瀾。2018年，美國著名的SpaceX公司完成了“SSO-A：小衛星快車”發射任務，將64顆小衛星送入地球軌道。而美國“火箭實驗室”公司為了戰略性應對小衛星發射市場，研制了小型運載火箭“電子”號，2018年12月成功將13顆立方體衛星送入軌道。在大型衛星面臨制造和發射成本過高、研發時間周期長等風險時，2018年，重量在10～100 kg的微小衛星在遙感、通信兩大領域快速發展，并有未來部分或全部替代大型衛星的趨勢。作為對這一趨勢的呼應，美國氣象部門2018年停止了著名的合作項目COSMIC二期，選擇繼續從3家公司購買主要通過小衛星獲得的無線電掩星大氣探測數據。

脈絡3 新一代導航衛星和“偽衛星”平臺帶來天基觀測新變數

2018年12月23日，美國空軍成功將首顆新一代全球定位系統衛星GPS III發射升空。較上一代衛星，GPS III具有更強大的信號系統，其提供的一種新的民用信號，可以與其他導航衛星兼容，這意味著數據精度的提升。因此，借助導航衛星的無線電掩星大氣探測技術和依據GPS準確定位的探空儀等，未來性能的進一步提升成為可能。

另外，主要由企業創新主導的天基觀測“偽衛星”技術，例如，空中客車公司于2018年8月5日試飛的“西風神”HAPS（太陽能高空偽衛星）太陽能無人機，創下在空中停留超過25天的記錄。這次飛行的高度達到7萬英尺，超越了其他飛機和大部分云層。另一家企業——美國世界觀察公司，則在2018年試驗通過高海拔熱氣球形成“同溫層衛星”平臺。這類熱氣球可以到達16～30 km的高度，占據了飛機和衛星之間的最佳地球探測位置。目前，熱氣球飛行的最長時間為5天，未來將延長到數周。無疑，當這些技術成熟時，作為一個“動態”的“偽”衛星或下一代亞軌道星體，在地球觀測中更多的作為非常可期。

GPS III衛星

左：空客公司Zephyr HAPS 無人機；右：搭載在熱氣球上的“同溫層衛星”平臺

脈絡4：氣候變化怎樣改變天氣預報？

左：未來全球強暴雨增加趨勢分布；右：東亞夏季風降水機制調整

氣候變化改變全球天氣，在2018年成為更被關注的主題，最新的模擬研究表明，在升溫背景下，全球風暴將更濕和更不穩定。2015年發表的一篇預測強暴雨趨勢增加的成果，也在最近被驗證。影響中國天氣的主要系統，例如，東亞夏季風降水，在高緯度地球溫度更高的背景下，帶來夏季降水的急流北抬偏早，或許將給東北地區帶來更多降水并縮短中部地區的雨季。

脈絡5 地震火山預警與預報合一，或許提供激烈天氣預報新思路

地震早期預警系統

2018年10月，美國第一個地震早期預警系統ShakeAlert投入運行。系統利用地震中傳播更快的壓力波（P）與造成損害更大、但傳播速度更慢的橫波（S）的時間差，用P分析S的危害和地點，并通過電子預警以與時間賽跑的方式預警。這樣的“無預報”手段的預警之所以成立，完全因為當今網絡化的社會信息體系才可行。

無獨有偶，意大利佛羅倫薩大學的地質學家，2018年研發了世界上第一個自動化的火山預報系統，并提前1小時預測了埃特納火山將要噴發。系統通過追蹤次聲波判斷噴發是否將要發生，并成功向意大利政府發出預警。而在今年AGU會議上，美國、英國等學者利用人工智能手段，成果地快速處理衛星數據。正是這種處理的新算法，“意外”地自動捕捉到了火山爆發前的地面運動，從而建立了預測火山噴發系統的雛形。如果進一步試驗成功，這一借助AI和衛星大數據的預測技術，將使世界上大約8億居民受益，他們居住在全球海面以上大約1400座可能爆發的火山周邊。

以往地震、火山等難以駕馭的災害的預警，有了新的預報預警途徑，即完全由數據驅動的預報方法和借助社會信息網絡預警，也提示氣象學者：龍卷、颮線等中小尺度強對流系統，是天氣災害中導致人員傷亡的重要事件，但其生命期顯然要長于地震，而預測難度在某種意義上不會超過火山噴發。地球科學中與預測相關的研究，不僅具有學科意義，更有深厚的應用需求，相互借鑒或許能啟發學者開辟新思路。

脈絡6：揭示細節：雙偏振雷達和遙感更強能力的展示

雙偏振雷達圖像中可以區分出天氣系統中更多的區域

NCAR學者展示了S-波段雙偏振多普勒雷達（S-Pol）最先進的風暴探測能力。與一般業務雷達需要快速掃描有所不同，主要用于研究的S-Pol掃描速度更慢，但能獲得很多研究所需的更高分辨率和質量更好的數據：對流系統的S-Pol雷達圖中，可以區分出8個不同區域并給出識別標志。

另一個例子中，學者利用全球水文地貌河流數據庫，計算得到全球在年平均流量時的河流和水體表面積為（773000 ± 79000 km2），占地球非冰川陸地面積的0.58%±0.06%，這一更詳盡的數據以及對河流水體的解析，較之前的估計增加了44±15%。這種通過積累得到的細節分析，以及對總體更好的概括，是遙感相關學科未來收獲的一個代表，而這樣的細節揭示，其意義無疑跨越學科，推進科學的整體進步。

脈絡7：想象力和細節：更多介入創新與決策

2018年在氣象天基觀測領域，想象力刺激著學界。全球氣象界都非常關注的歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的學術會議，2018年用戶年會的主題為“ECMWF模式輸出應用：唯一的限制是你的想象力”。這樣的主題也在提示全球氣象界和應用氣象涉及的領域，預報手段的更新以及模擬技術的發展，實際上在AI和大數據時代里，孕育了更多以前無法想象的拓展。這一點，在前述的地震和火山預警內容中已經有了揭示，而在氣象科學的主要領域，這樣的痕跡也是到處可見的。

在這次會議上，針對氣象服務的經典領域，ECMWF提出要把預報模式的輸出想象成現實生活天氣條件的VR（虛擬現實），從這個視角出發，支持更多的決策就有了靈感。各種更加豐富的信息圖表，實際上能夠對預報員給出強力的信息支撐，一些以前難度很大的瞬間決策，或許能夠更多和更好地實現。基于此，本次會議聚焦于“處理模式輸出”和“影響預報”兩個主題，前者圍繞支持預報員決定什么時候發布天氣預警，確定模式輸出可視化的策略；后者則針對水資源、能源、農業、防火和健康等主要應用領域，開發更多和更深入、好用的影響預報產品。會議的內容顯示，這些活動中，深入學習和大數據再利用等信息手段不可或缺，而ECMWF對其產品從“可用”到“好用”再到“更酷地利用”，想象的翅膀和幫助用戶建立信心是最好的手段。

數值天氣模式預報結果以大數據方式將物理量的計算值轉化為天氣VR

想象力需要細節分析的支撐，同時其應用的領域也包括了氣象相關的決策過程。美國NOAA在未來天基氣象觀測平臺發展中，針對其星座到底是由65顆傳統衛星組成，還是采用混合了包含86顆衛星的星座，NOAA通過對每個衛星性能的細致分析，制作了兩條技術路線的成本-性能改進圖。在這張圖上，適當的決策點將帶來的是：同樣的投入，星座性能的提升被“3D風”“實時圖像”“近太空大氣觀測”等要素所覆蓋。這種在細節分析的基礎上，利用想象力給出支持決策的路線圖，是未來氣象基礎設施改進戰略中更好的決策視角和手段。

數字

2.7 %

全球碳項目最新研究顯示，2018年全球工業碳排放二氧化碳可能增加2.7%，達到歷史最高，這標志著在排放相對平穩期過后，連續第二個大幅度增加年。

1.4 ℃

法國氣象局的統計表明，2018年該國平均溫度較1981—2010年平均溫度高出1.4℃，超過2012年的1.2 ℃和2011年的1.1℃，是法國有記錄以來最熱年。

3/8 倍

2018年末成功升空的美國新一代GPS首顆衛星，其定位精度是當前系統的3倍，而抗干擾能力更是目前系統的8倍，衛星的研發機構為洛克希德—馬丁公司。

第1

西班牙媒體在預測2019年將進一步發展的十大人道主義危機時，將氣候變化列為第1位，指出如果導致氣候變化的因素不發生改變，或導致上億人流離失所。

1.2 萬億千瓦時

初步統計表明，至2018年底，我國大陸已建5萬千瓦及以上水電站約640座，全國水電總裝機容量約3.5億千瓦，年發電量約1.2萬億千瓦時，雙雙繼續穩居世界第一。

3.4 %

一家獨立研究機構最新數據顯示，美國能源相關碳排放于2007年達到峰值，之后到2015年以年均1.6%的幅度下降。但自2016年以來下降放緩，2018年不降反升，增加了3.4%。

16%

澳大利亞學者利用大約70萬張衛星圖像，繪制了1984—2016年間全球潮灘范圍及變化，發現這一對防風暴、穩定海岸線和糧食生產具有重要意義的生態系統，在33年里減少了約16%。

第12位

Nature基于2015—2017年統計最新公布了中國自然指數，在地球和環境科學前50家機構中，中國氣象局位列第12位，中科院大氣所（第10位）、中國地震局（第16位）、環境保護部（第35位）和國家海洋局（第40位）等榜上有名。

榜單

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