氣候系統研究與HUBEX

■ 許小峰

1 HUBEX的歷史與科學背景

1998年中國基礎科學研究十大新聞評選中，大氣科學研究四大試驗名列第九，其中，淮河流域能量和水分循環試驗和研究（HUBEX）是四大科學試驗之一。若追溯HUBEX項目的實際啟動時間，該計劃1995年就已開始，分為四個階段進行，即1995—1996年的準備階段、1997—1999年的實施階段、1999—2000年的研究階段和2000年的總結階段。1998年啟動的試驗正是在做了充分準備后，正式進入到實施階段。

盡管在中國年度科技新聞中占有一席之地，但若僅將HUBEX作為在中國開展的一個或一組獨立的科學試驗，格局則有些窄了。實際上，HUBEX無論是從時間、空間，還是科技內涵上，都有著更廣泛的時代背景和深刻的內在價值，與國際地球科學的發展進程有著密切的關聯。

談到HUBEX及在同一時期開展的諸多地球科學相關試驗，一個重要的背景是人們對氣候問題及重要性的認識取得了整體性的提升和共識；標志性的事件是1974年在斯德哥爾摩召開的世界氣象組織（WMO）和國際科學聯盟理事會（ICSU）聯合召開的“氣候的物理基礎及其模擬”國際學術討論會，會上明確地提出了“氣候系統”的概念，將氣候系統作為大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈相互作用的整體。這一事件為氣候問題和地球科學的研究拓展了新的空間，是一次開創性、戰略性的轉變，明確了完整、系統地思考氣候問題的新思路和方法，使各領域的專家逐步從單一學科的研究走向系統和綜合。

促使科學界關注和向氣候系統研究轉變的，還有其他一些重要事件。例如，在20世紀70年代，世界上許多地區出現了歷史罕見的嚴重干旱和其他氣候異常現象，對全球糧食生產造成了嚴重影響，特別是1968—1973年非洲一些地區出現大旱，造成數十萬人死亡，引起全球對氣候問題的關注。第一屆世界氣候大會于1979年2月12—23日在日內瓦舉行，名稱確定為“世界氣候大會——氣候與人類”，來自50多個國家的約400人出席了會議。會議通過了“世界氣候大會宣言”，提出鑒于氣候會影響到人類社會的諸多領域，世界各國要充分利用現有的氣候知識，評估氣候發生的變化及其人為造成的影響。

此外，地球環境問題從另一角度提醒了人類活動所造成的負面影響，1972年6月在瑞典斯德哥爾摩召開的聯合國第一次人類與環境會議上，1300多名代表通過了《人類環境宣言》《人類環境行動計劃》等文件，58個國家、152位成員參與完成的報告——《只有一個地球：對一個小行星的關懷和維護》是第一份關于人類環境問題的完整報告，提出了“只有一個地球，人類應該同舟共濟”的理念（圖1）。

在技術方面，1950年，美國氣象學家查尼等人率先成功在計算機上輸出了第一張數值天氣預報結果，開創了天氣預報進入到客觀、定量制作的新階段。1975年歐洲中期數值天氣預報中心（ECMWF）正式成立，很快就確立了在世界數值天氣預報技術領域中的領先地位。在數值天氣預報技術取得快速進步的同時，人們在不斷探索改進數值模式的進程中，也意識到了大氣系統運動的復雜性使得大氣初始場信息會隨時間迅速衰減，難以跨越兩周的時間門檻。著名美國氣象學家洛倫茨1963年發表了一篇堪稱經典的論文《確定性的非周期流》，用一個非常簡單的云對流數值積分預報模型，在計算過程中發現大氣運動存在的混沌現象，限制了其可預報性。這篇論文發表后十多年才受到廣泛關注，被稱之為混沌理論，并以“蝴蝶效應”的形象比喻影響到了諸多學科。按洛倫茨的推論，超過一定時間范圍后，大氣初值信息就會消失殆盡，這個時間期限大約為兩周。這一在天氣預報研究進程中有些令人沮喪的結論，使不少在積極探索延長數值天氣預報時效的科學家多少感到困惑，但并沒有使人們止步于此，而是在如何提高可預報性這一問題上進一步加強了探討和實踐，如努力提升初始場的完整性和精度，減少計算過程中的誤差，改進數值模式的性能等。另一個重要舉措則是如何利用可以影響大氣長期變化的外界因子，或被稱為對大氣長期變化有重要影響的氣候信號，如海洋、陸面、冰雪、植被等，這些也正是氣候系統所涵蓋的重要成員，如能把握這些具有強記憶因子的變化規律，再研究其與活躍大氣之間的約束關系，顯然有助于延長對大氣演變的預測時效。

1979年2月在日內瓦召開的世界氣候大會上還擬定了世界氣候計劃（WCP），并在當年舉行的第八次氣象大會上得到批準。這是一個完整的設計，涵蓋了氣候問題的各個方面，包括資料、研究、應用、氣候與人類活動的相互影響等，反映了這一時期對氣候問題認識的重要變化和進展。同時也是響應第一屆世界氣候大會的要求，制定計劃和采取具體措施提升對氣候問題的認識，評估氣候發生的變化及人類活動造成的影響。

2 GEWEX與HUBEX

前節所述對氣候問題認識和研究的歷史背景與HUBEX又有怎樣的具體關聯呢？這就涉及到了在WMO和ICSU共同承擔的WCRP計劃（1993年，政府間海洋學委員會IOC加盟，圖2）。按照預定的目標要求，經過了大約10年左右的努力，圍繞WCRP兩個重要研究目標，即氣候的可預測性與人類活動對氣候的影響，形成了若干個核心計劃，如熱帶海洋和全球大氣研究計劃（TOGA，1985—1994年，已完成）、世界大洋環流試驗（WOCE，1982—2002年，已完成）、全球能量與水循環試驗（GEWEX）、平流層過程及其在氣候中的作用（SPARC）、北極氣候系統研究（ACSYS，1994—2003年，已完成）等，后期又增加了氣候變率及其可預報性（CLIVAR，1995開始）、氣候與冰凍圈（CliC，2000年開始）兩項核心計劃，并啟動了耦合氣候模式比較計劃（CMIP，1995 年開始）、國際區域協調氣候降尺度試驗（CORDEX，2009年開始）等重點計劃。其中著名的GEWEX試驗于1988 年開始啟動、準備，于1990年12月被正式批準，成為WCRP的重點核心項目，并延續至今。

圖2 WCRP目前的核心計劃

GEWEX是一個時間跨度超過了20年的國際執行計劃，按初期設計，1990—2002年為啟動準備階段，2003—2012年為全面實施階段，目標是在全球觀測和試驗的基礎上，對資料進行數值同化處理，研究海洋、陸面與大氣間的能量與水分的相互作用、影響及對氣候環境的反饋，并將成果應用于預報模式，改善蒸散發和降水的模擬能力，提高大氣輻射和云霧模擬的精度，最終達到改進氣候模式、指導全球及區域的氣候變化預測的目的。

選擇能量與水循環變化為切入點開展全球性試驗研究，可以看出在認識氣候問題上出現的系統性轉變，開始從不同圈層相互作用的角度來理解氣候系統的變化規律。地球上不同相態的水與能量收支及分布是密不可分的，水汽、云、冰、雪等水的不同形態對地球的輻射收支有著重要影響，從而關系到大氣與陸面、海面的能量收支狀況。蒸發到大氣中的水汽是地球上最重要、最豐富的溫室氣體，也是大氣能量的重要載體；不同高度的云在大氣冷暖變化中起著重要的調節作用；而形成的降雨則影響著海陸水量的存儲與大陸流向海洋的徑流變化。因此，對水循環過程的認識成為預測氣候演變的最高優先考慮因素之一，GEWEX的目標則是要研究水的蒸發、云的形成和降水過程整個周期的變化。而對這一演變過程，無論是觀測與數據、理解與認識還是數值模擬與預測都存在很大差距，啟動這項龐大的研究試驗計劃確實抓到了氣候系統問題的關鍵點。

但實現這一計劃也面臨著極具挑戰的困難，如何將各類觀測系統的設計與運行、資料分析、數據質量控制與同化、氣候系統模式研發等協調在一個試驗計劃內，還要考慮全球與區域的差異、氣候的地理分布特征等，靠一個頂層規劃設計是難以支撐如此復雜的試驗體系架構的，需要通過若干個子系統的協調來共同實現。為此，GEWEX在全球確定了五個試驗區：美國密西西比河流域的GEWEX大陸尺度試驗區、加拿大麥肯茲克（Mackenzic）GEWEX研究區域、歐洲波羅的海試驗區域、南美洲亞馬孫河大尺度大氣水汽平衡試驗區及亞洲季風試驗區（GAME）。而GAME又在東亞劃分了四個試驗區，中國東部的江淮流域被劃為四個試驗區之一，另三個為南海季風試驗（SCSMEX）、GAME-Tibet（青藏高原試驗）和 GAME-Tropics（亞洲熱帶試驗）。

圖3 是G E W E X 第一階段的戰略實施示意圖，首先是在全球范圍內建立區域性關鍵試驗區，通過區域過程研究提升對能量和水循環過程的認識，改進中尺度模式的地表耦合和云參數化過程，并通過加強全球觀測提升全球模式的能力，實現對氣候變化的預測能力改進，促進對水資源的合理利用。從圖中可以看到中國華東地區作為GAME一個試驗區的具體范圍，即HUBEX開展試驗的區域。

淮河流域作為GEWEX/GAME的一個試驗區，其觀測和研究結果對全球能量與水循環試驗研究具有重要作用，同時對于淮河流域的天氣、氣候與水循環的研究也極具價值。初夏是江淮梅雨鋒的活躍期，受亞洲季風、中緯度冷空氣和副熱帶高壓的共同影響，特別是西南季風和副熱帶高壓外圍的東南氣流向鋒區的水汽輸送，對大范圍降水和中尺度暴雨的維持起到重要作用，常造成嚴重的洪澇災害，并直接影響這一流域水文和水循環過程。不同陸面條件下產生的降水性質也有很大差別，從而影響到區域旱澇變化。這也正體現了在該區域開展氣象、水文加密觀測試驗并進行相關研究所具有的特殊意義。

HUBEX試驗區主要由γ中尺度、β中尺度和α中尺度相嵌套的觀測區組成（圖4）。γ中尺度觀測區設在阜陽、蚌埠、合肥、六安、金寨一線約（140×150）km2范圍內。在γ中尺度區域外圍嵌套了β中尺度和α中尺度觀測區，β中觀測區在南京、安慶、武漢、南陽、鄭州、濟南、青島、射陽一線約（700×500）km2范圍內，α中尺度觀測區以28°—40°N，110°—122°E為界，約1200 km×1500 km范圍。

通過中日合作，在這次試驗中引入了一些當時在我國科研和業務上還不具備的觀測設備，極大豐富了試驗中可獲取的資料種類，為完成研究任務提供了有力支持。在流域范圍內布設了一個由8部雷達組成的β中尺度觀測網（圖5），其中包括3部X波段雙偏振多普勒雷達（日本名古屋大學和北海道大學提供），可以用來進行雙多普勒、三多普勒雷達同步疊加觀測。新增加密觀測還包括湍流通量（動量、熱感、水、CO2）、雙通道微波遙感、輻射、梯度風、溫度和濕度廓線、土壤熱傳導、土壤水份廓線等。通過這些觀測實現三維大氣運動、陸氣相互作用、能量與水循環等過程的綜合數據采集，為進一步分析研究、改進模式、提升預報能力提供了有力支持。

圖4 HUBEX試驗區

圖5 HUBEX雷達觀測網

3 延續HUBEX的現實意義

在淮河流域持續了7年左右的HUBEX已過去20年了，有科學家提出要延續這一試驗，啟動HUBEX二期，是一個具有繼承性、拓展性和現實需求的考慮，應認真規劃、設計，做好前期準備。

從繼承性和拓展性角度，對于天氣、氣候、水與能量循環這些復雜的系統性問題，在認識上還存在大量未解之謎，不可能通過一次試驗解決所有問題，20年前啟動的HUBEX只能算是一個起步。近年來隨著對天氣、氣候問題的持續研究，認識上的深入也帶來更多需要解釋的問題，如隨著我國近幾十年來的快速發展，加劇了人類活動對氣候、環境、生態等領域造成的影響，而這也是在氣候變化領域最受關注的前沿問題，20年前就已提出，但顯然并未完全解決，甚至有些問題更為嚴峻。既是全球性的，也是區域性的，與氣候系統各圈層相互影響，更呈現其復雜性，氣溫持續上升、土地利用、城市化、氣溶膠與溫室氣體的排放、季風的強弱、區域的旱澇、強天氣的頻發等都與20年前相比有了新的變化，需要切入的問題也隨之增多。特別需要關注的是，在21世紀初WCRP制定的2005—2015年十年戰略框架“地球系統的協同觀測與預報（COPES）”中，明確提出了無縫隙預報的概念，這一創新性表述的內涵旨在打破中小尺度預報、天氣尺度預報、季節預測、ENSO預測、年際預測和氣候變化預估之間的界限，在統一系統框架內開展天氣和氣候預測研究。這一理念的提出，在國際上為地球氣候系統的研究開拓了新的視野，近20年來的研究也取得了顯著進展， NOAA和ECMWF等都已明確提出了發展地球系統模式的計劃，并推動實施。近期，一項引起國際地球科學界關注的進展是由ECMWF科學家尼爾斯·韋迪、彼得·鮑爾和彼得·杜本帶領的團隊與來自美國橡樹嶺國家實驗室的瓦倫丁·安納塔拉吉合作，在橡樹嶺實驗室的“頂點”超級計算機上完成了世界上首個全球1 km網格分辨率的季節尺度數值模擬計算，使用的模式為ECMWF集成預報系統（IFS）的改進版本。結果表明，即使在1 km的網格間距下，經過改進的IFS靜力數值模型也表現良好，這與動力氣象學中的通常理念有些沖突，如此高分辨率模型一般可能會選擇非靜力方案。這也表明在天氣、氣候預測領域中面臨大量基本問題有待去探索和揭示，而通過模擬獲取的大量精細化信息也為進一步分析研究提供了有力條件。

而從現實需求看，至少從業務能力和應用服務的改進兩方面應予以關注。隨著監測、預報技術的提升，遠超越了20年前的水平，也進一步對技術突破和業務能力提升有了更高的要求，需要通過試驗設計進行研究，探索如何克服具體難點。在大量新型探測信息的應用、資料同化技術、參數化方案的改進、多圈層耦合、一體化模式設計、高分辨數值模擬、無縫隙預報的實現、人工智能技術應用等領域，都面臨諸多新問題需要解決。2019年6月17日， WCRP聯合科學委員會（JSC）發布了新的10年戰略規劃（2019—2028年），提出了未來10年的四項科學目標，包括對氣候系統的基本理解、預測氣候系統的近期演變、氣候系統的長期響應和構建氣候科學研究與社會之間的橋梁（圖6）。盡管這些新的目標是面向全球氣候問題而提出的，但對于區域氣候問題顯然也有借鑒意義。

圖6 WCRP戰略規劃2019—2028年四項科學目標

而應用服務方面需求也在迅速增加，自然災害防御，氣候變化應對，水資源與清潔能源的開發利用，生態、農業、城鎮建設、環境、交通、旅游、商貿、工程等領域都存在與天氣、氣候環境密切關聯，且定量化、精細化、長時效等要求越來越高，缺少系統、扎實的科學試驗則難以提供完好的解決方案。一個現實情況是近年來在長江流域、華南、青藏高原等地的科學試驗一直在持續進行，而淮河領域的研究則不夠活躍，這與其位于我國南北氣候過渡帶特殊地理位置的重要性顯然是不相匹配的。

4 結論

以上從對氣候問題認識的提升到與HUBEX相關的國際事件和研究計劃的角度做了簡要回顧，包括現實需求的推動、對科學問題的認識、重要會議的召開、相關組織的建立、重要科學計劃的實施和進展等，并肯定了重啟HUBEX的設想。從中可以看到實際問題的發生和對科學問題的探索推進了對天氣、氣候及相關領域研究的深化，如因干旱引起的大范圍饑荒發生；因人類活動引起的環境、生態、氣候變化問題；因不同圈層相互作用引起的地球氣候系統變化的復雜性；又因系統的復雜性導致需要開展大規模、多領域的科學試驗；對地球系統的整體研究需要各國的廣泛合作；對不同時空尺度系統變化的認識又推進了一體化、無縫隙框架的建立等。而對于淮河流域而言，如何跟上需求和科技進展的變化，針對尚未解決的新老問題，在HUBEX已過去20年之際，重新設計下一步的規劃和方案，已到了啟動之時。

深入閱讀

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