淮河流域氣象業務服務及科技發展

胡雯 田紅 葉金印 徐勝 張曉紅 盧燕宇

（1 安徽省氣象局，合肥 230031；2 安徽省氣候中心，合肥 230031；3 中國氣象局氣象干部培訓學院安徽分院，合肥 230031；4 淮河水利委員會水文局，蚌埠 233040；5 安徽省氣象科學研究所，合肥 230031）

0 引言

淮河流域地跨河南、安徽、江蘇、山東及湖北5省，人口眾多，城鎮密集，資源豐富，交通便捷。流域處在我國南北氣候過渡地區，天氣氣候復雜多變，降雨時空分布不均；流域內平原廣闊，地勢低平，支流眾多，上下游、左右岸水事關系復雜，人水爭地矛盾突出。歷史上，黃河長期侵淮奪淮，使其喪失入海口，淮河變得桀驁不馴，水旱災害頻發，形成“大雨大災，小雨小災，無雨旱災”的局面。淮河因此得名“最難治理的河流”[1]。

中華人民共和國成立以后，淮河治理問題受到高度重視。1950年10月，中央人民政府政務院發布《關于治理淮河的決定》，制定了上中下游按不同情況實施蓄泄兼籌的方針。新中國水利建設事業的第一個大工程拉開了帷幕。在全國人民的支援下，治理淮河第一期工程于1950年11月底開工。數十萬民工和工程技術人員奮戰在治淮工程的工地上。1951年5月，中央治淮視察團把印有毛澤東親筆題詞“一定要把淮河修好”的四面錦旗，分送到了治淮委員會和3個治淮指揮部，極大地鼓舞了治淮大軍的士氣。70年來，我國從一窮二白起步，開拓進取、敢為人先，掀起了三大歷史階段的治淮高潮，建成了一大批標志性水利工程，取得了一大批影響深遠的開創性成果，創造出一個又一個治水奇跡。在淮河流域大型骨干工程顯示出巨大防洪減災效益的同時，科技含量越來越高的非工程體系在防洪減災中的作用日益凸顯，推動實現了由控制洪水到管理洪水的巨大轉變。這其中，氣象服務在流域防汛抗旱科學決策中發揮著越來越重要的作用[2-3]。本文對最近幾十年淮河流域氣象業務、服務、科研工作進行回顧和總結，展望未來流域氣象事業的發展。

1 流域科學試驗進展

氣象科技創新是淮河流域防汛減災能力提升的強有力支撐。治淮70年，圍繞這一主題的科學研究從來沒有停下腳步。

作為我國南北氣候自然分界線，淮河受東亞季風影響顯著，是我國梅雨系統主要活動區和降水變率最大地區之一。淮河流域是研究能量和水分循環的理想試驗場，一直以來是大氣科學研究的熱點區域。近20年來，以HUBEX為代表在淮河流域開展了一系列的國家大型科學試驗，研究天氣氣候過程和機理以及多圈層相互作用等科學問題，為提升預報預測能力提供科學依據。

1.1 以HUBEX 為代表的第一階段科學試驗

20世紀90年代末，針對東亞梅雨的預報能力不足等問題，以HUBEX為發端開啟了流域能量與水循環、天氣氣候異常及演變的大型科學試驗研究。HUBEX是1997—2001年國家基礎研究重大項目之一，日本文部省也把HUBEX列入日本GEWEX/GAME計劃之中，是20世紀末亞洲重大氣候研究項目之一[4]。HUBEX于1998—1999年開展了加密外場觀測，成功地觀測到江淮及淮河流域梅雨爆發前、梅雨期間，以及梅雨結束后不同天氣條件下的重要降水天氣系統和過程，捕捉到季風雨帶北移、南撤的氣候背景下，影響江淮和淮河流域的強降水天氣過程與水文過程，尤其是多尺度梅雨云系條件下的β和γ中尺度能量與水循環過程（圖1），完成了項目預定的科學目標[5-6]。除HUBEX外，該階段還開展了973梅雨鋒暴雨外場試驗，獲取暴雨中尺度系統三維結構的第一手資料，深入研究梅雨鋒中尺度暴雨的成因及機理（圖2）[7-8]。

1.2 2000—2010 年的第二階段科學試驗

在前期研究的基礎上，2000—2010年，繼續開展了陸氣相互作用、天氣系統結構和機理、氣溶膠輻射效應等試驗研究，進一步提升中尺度災害監測預警能力、提高梅雨預報預測準確率和評估氣溶膠影響。中日雙方進一步推進了“淮河地區低層大氣通量與降水研究試驗”（LAPS，2003—2006年），在淮河地區開展縱向剖面觀測，進一步采用多普勒風廓線儀、多普勒聲雷達、邊界層通量觀測鐵塔等新型設備并結合加密地面和探空觀測，獲取東亞典型干濕氣候過渡帶——淮河流域的陸面異常狀況和大氣邊界層各要素的高分辨率資料，揭示淮河流域大氣邊界層特征及其對降水系統影響作用的季節變化（圖3），建立降水異常概念模型，改進和驗證陸面過程參數化方法，提高梅雨期預報預測準確率[9-11]。在973梅雨鋒暴雨試驗基礎上，繼續開展了973南方暴雨野外科學試驗（2004—2009年），通過雙多普勒雷達、雙偏振雷達以及天-空-地三維立體觀測，掌握中尺度暴雨系統結構和機理（圖4），提高中尺度災害監測預警能力[12-15]。為研究氣溶膠氣候效應，中美雙方合作在淮河流域開展了大氣輻射綜合觀測試驗研究（ARM，2008年），依托云雷達、輻射計、風雷達等新設備，測量云、氣溶膠、輻射要素，研究氣溶膠-云相互作用，掌握氣溶膠對云、輻射影響，首次評估了中國東南部氣溶膠間接影響（圖5）[16-22]。

圖2 中尺度暴雨系統的三維結構模型（a）和梅雨鋒多尺度物理模型的β中尺度對流線模型（b）[7-8]Fig. 2 Three dimensional structure of the mesoscale heavy rainfall system (a) and the convective line model with the meso-β scale (b) [7-8]

圖3 LAPS試驗觀測到的每日最大邊界層（ABL）高度（b，柱形）和顯熱通量（b，線形）的季節性變化以及從NCEP/NCAR再分析資料中提取的32.5°N、117.5°E點位00Z（08：00 LT）處的925 hPa垂直速度（ω；a，柱形），負ω表示向上運動[10]Fig. 3 Seasonal changes in the observed daily maximum ABL height (b, bottom panel, bars), observed virtual sensible heat flux (b, bottom panel, rectangle with lines)between 08:00 and 16:00 LT, and the 925 hPa vertical pressure velocity (ω; a, upper panel, bars) extracted from the NCEP/NCAR reanalysis at 00Z (08:00 LT) at 32.5°N,117.5°E. Negative ω indicates upward motion[10]

1.3 近10 年的第三階段科學試驗

2010—2020年，隨著人類活動加劇，大氣污染問題凸顯，生態治理需求迫切，以及觀測技術的不斷進步，在淮河流域開展的大型科學試驗逐步向人類活動與天氣氣候相互作用、立體協同觀測精細化結構及演變等方向延伸（表1）。例如“天氣和邊界層變化中長三角秋冬季霾過程的觀測和模擬研究”通過地基遙感、在線分析、人工采樣等多種方式加密觀測，融合多種觀測資料揭示不同天氣系統對邊界層結構特征的影響，以及不同邊界層結構對霾過程的影響。“突發性強對流天氣演變機理和監測預報技術研究”通過立體協同觀測構建突發強對流天氣的四維精細化結構，開展強對流形成機制的診斷分析研究。此外，近年來一系列國產化新型探測設備研發蓬勃發展，由于淮河流域獨特的氣候特征和代表性，大批科技成果轉化試驗和設備中試項目落地應用。

通過這些試驗的開展推動了淮河流域綜合觀測系統發展，積累了大量的試驗觀測資料和數據集，促進了區域天氣氣候事件機理研究，為提升預報預測能力提供了科學支撐。

2 流域氣象科技發展

在圍繞科學問題籌劃推進大型科學試驗的同時，氣象部門緊扣流域防災減災和經濟社會發展需求，統籌謀劃、重點突破，聚焦觀測、預報、服務等領域關鍵技術開展研究，形成了一系列研究成果，不斷提升業務服務的科技內涵和實效。

2.1 氣象觀測能力發展

圖4 2008年6月21日江淮地區850 hPa的南方暴雨野外科學試驗（SCHeREX）風場、雷達回波（陰影，單位：dBz）和TBB（單位：℃）（a和b，09時SCHeREX分析場和TBB；c和d，12時SCHeREX分析場和TBB）[14]Fig. 4 SCHeREX wind field at 850 hPa, radar reflectivity (shaded, unit: dBz), and TBB (unit: ℃) for the Jianghuai region on 21 June 2008: (a) the SCHeREX analysis field at 09:00 UTC; (b) TBB at 09:00 UTC; (c) the SCHeREX analysis field at 12:00 UTC, and (d) TBB at 12:00 UTC [14]

圖5 AMF WACR和CloudSat云反射率在壽縣站的比較（a）和（c）2008年10月31日；（b）和（d）2008年11月16日 [21]Fig. 5 Comparison of CloudSat and AMF WACR cloud reflectivity profiles at the Shouxian site (a) and (c) 31 October 2008; (b) and (d) 16 November 2008[21]

發展的雙重推動下，淮河流域綜合觀測能力快速提升。已基本建成較為完備的多尺度嵌套的綜合觀測網（圖6）[23]，包括4700多個自動氣象站、4個高空氣象觀測站、29部新一代天氣雷達，以及近年來新增的風云四號和風云三號衛星直收站、風廓線雷達、激光雷達等新型監測設施，同時形成了服務于交通、旅游、農業和生態的應用氣象站網體系。在壽縣建立國家氣候觀象臺，承擔“氣候系統觀測和大氣科學試驗”兩大功能，是中國氣象局首批國家氣候觀象臺、氣象野外科學試驗基地和綜合氣象觀測基地，有360畝①1畝＝666.6m2。基本農田作為觀測區，擁有地面基準氣候、近地層通量、大氣成分、地基遙感廓線、農田生態系統等5個觀測系統，提供6大類近百種觀測數據，已形成通量、大氣成分、梯度等標準化數據集，并共享發布[23]。同時壽縣觀象臺也已成為氣象科技創新成果應用試驗和新儀器應用中試平臺，并作為“大氣環境立體探測實驗研究設施”的組成部分，融入合肥綜合性國家科學中心建設。

表1 近年來在淮河流域開展的大氣科學試驗Table 1 Atmospheric science experiments conducted in the Huaihe River Basin in the past decade

圖6 淮河流域綜合氣象觀測網（b是a中的γ中尺度觀測區）[23]Fig. 6 Comprehensive meteorological observation network in Huaihe River Basin (b the meso-γ scale observational region in figure a) [23]

2.2 預報預警技術發展

在災害性天氣監測預警方面，歷時近20年，突破了組網雷達數據快速共享關鍵技術，研發了災害性天氣的自動識別方法，發展了融合雷達資料的災害性天氣短時臨近預報技術，率先建立了基于新一代天氣雷達的短臨預報業務，推動預警準確率和提前量實現穩步提升（圖7）[24-26]。在智能網格預報方面，建立了無縫隙、高分辨率數值預報技術支撐體系（圖8），形成了從零時刻到10 d的智能網格預報產品庫[27]，實現定點定時定量精細化預報，促進了預報準確率的顯著提升，以安徽省為例，2019年，24 h各項預報比中國局指導產品均有正技巧，≥50 mm降水預報訂正技巧全國排名第一。精細化的氣象預報為流域防洪抗旱提供了有力的決策支撐。

2.3 流域氣象服務關鍵技術發展

遵循新時期“兩個堅持、三個轉變”防災減災救災新理念，構建了基于致災過程的氣象災害風險評估技術，形成具有全國示范作用的風險業務體系，從天氣預報向災害風險預估延伸，提供更加精細的氣象服務，實現防災減災的關口前移。基于觀測、預報和服務等領域的研發成果，圍繞流域氣象服務，實現了面向流域的水文氣象服務關鍵技術的集成，形成了融合實時雨水情監測、面雨量預報、氣象水文耦合、暴雨洪水預警和災害風險評估的技術體系[28-30]（圖9），率先建立比較完整的流域水文氣象服務業務體系，流域水文氣象服務不斷發展。

圖7 暴雨（a）、雷雨大風（b）的預警提前量和準確率的提升Fig. 7 Improvement in warning lead time and accuracy for storms(a), thunderstorms and strong winds(b)

圖8 無縫隙、高分辨率數值預報技術支撐體系Fig. 8 Technical support system for seamless, high-resolution numerical forecast

圖9 淮河流域水文氣象服務技術體系Fig. 9 Hydro-meteorological Service Technical System of Huaihe River Basin

2.4 科技支撐條件

為推進流域氣象科技研發和交流合作，安徽省氣象局設立了“淮河流域氣象開放研究基金”，從2007年起，持續資助來自國家級業務科研單位、高校科研機構、淮河流域各省市氣象部門的科研業務人員，聚焦降水監測與預報預測技術、水資源與水旱災害分析評估、淮河流域氣象水文耦合模型、氣候資源開發利用等領域開展科技攻關[31-33]。通過開放基金的設立，提升了面向流域的預報預測能力，增強了水文氣象服務能力，并且構建了與大學、科研院所的互動合作交流平臺，推動了流域內各省氣象部門的科研聯動，培養和鍛煉了一批青年業務科技骨干。基金的研究成果也為流域氣象水文業務建設和服務提供了強有力的科技支撐。

3 流域氣象業務服務不斷發展

多年來，各級氣象部門始終把守護淮河安瀾作為汛期氣象服務的重中之重，持續推進氣象現代化建設，不斷加強氣象科技支撐，預報預測水平越來越高，產品越來越精細，服務方式越來越先進，為淮河防汛減災的決策參謀作用越來越凸顯。

3.1 1991 年——衛星產品的應用

1991年淮河出現新中國成立以來罕見的洪水，新投入業務應用的衛星云圖在王家壩開閘泄洪決策中發揮重要作用。6月14日晚，王家壩閘水位超過保證水位，針對是否開閘蓄洪，氣象專家依據衛星云圖和天氣圖，給出“雨帶南壓，降雨減弱”的預報意見，國家防總據此作出推遲開閘蓄洪的決定[34]，為群眾轉移贏得寶貴時間。之后，衛星遙感持續開展洪澇災害監測（圖10），為省政府多爭取了1億元救災款，有力的支撐了災后重建工作。

圖10 衛星遙感監測1991年淮河流域洪澇災害Fig. 10 Satellite remote sensing monitoring of floods in the Huaihe River Basin in 1991

3.2 2003 年——衛星、雷達及中尺度數值預報的綜合應用

衛星、雷達及中尺度數值預報的綜合應用技術在2003年淮河流域防汛抗洪中提供了更加精細的服務支撐，滿足了政府決策提出的“降雨幾點開始，幾點停止，能降多少，降在哪里，面雨量是多少”等一系列高要求。此時，我國首部S波段多普勒天氣雷達已布設在合肥，FY-2靜止氣象衛星實現業務運行，MM5中尺度數值預報產品開始應用（圖11）。在精準的氣象預報服務保障下，2003年淮河汛情雖重于1991年[35]，但淮河大堤安然無恙。

3.3 2005 年——淮河流域氣象中心成立

經歷了幾次洪水的反思后，流域氣象服務面臨著如何更加高效實現流域信息匯集和共享應用？如何形成適應需求的流域服務產品？如何建立流域會商研判及聯防聯控機制？等問題。為打破原有的機制藩籬，適應科學治淮的新需求，2003年淮河大水后，安徽省氣象局、蚌埠市委市政府和淮河水利委員會共同提出在蚌埠組建淮河流域氣象中心的設想。在中國氣象局和流域四省的大力支持下，2005年3月淮河流域氣象中心由中國氣象局正式批準成立，行使流域氣象信息匯集和服務兩大職能，同時成立了淮河流域氣象業務服務協調委員會，負責協調流域內的氣象業務服務工作[36]。

淮河流域氣象中心作為第一個由中國氣象局正式批準成立的以大江大河為服務對象的氣象服務機構，以面向淮河水利委員會和淮河流域四省氣象服務為重點，不斷健全流域氣象業務服務機制，完善流域業務服務方案，與水利部淮河水利委員會建立了資料信息交換機制，與河南、江蘇、山東省氣象局也實現了氣象資料的實時匯集和共享。通過積極爭取各類業務能力建設項目帶動流域氣象業務服務能力不斷發展，中心成立15年來，在全國率先建立了較為完善的流域氣象業務服務體系，流域業務服務建設模式在其他流域推廣應用。

3.4 2007 年——淮河流域氣象中心第一次大考

2007年淮河雨季長達37 d，王家壩站7月10日出現超保證水位，12時28分王家壩閘開閘。汛期，王家壩站經歷了長達26 d超警戒水位運行，啟用10處行蓄洪區[37-38]。流域氣象業務服務能力建設成果在防汛決策中發揮了重要作用，全流域雷達拼圖及降水估測產品、多模式集成面雨量預報產品、高分辨率水情遙感監測產品等投入業務應用（圖12）。時任國務院副總理、國家防總總指揮回良玉在檢查指導淮河防汛抗洪救災工作時對氣象服務給予很高評價。大水之后，淮河流域氣象中心被國家防總、人事部、總政治部聯合授予“2007年防汛抗旱先進集體”稱號，獲得了安徽省委、省政府授予的“2007年抗洪搶險先進集體”和中國氣象局授予的“2007年重大氣象服務先進集體”稱號，交上了成立之后的第一份“答卷”[34]。

圖11 雷達監測降水（a）、衛星云圖（b）和MM5模式預報降水（c）Fig. 11 Radar-monitored precipitation (a), satellite clouds (b) and MM5 model forecast precipitation (c)

圖12 全流域雷達拼圖（a）、降水估測（b）、水文氣象耦合預報（c）和水情遙感監測（d）Fig. 12 Basin-wide radar monitoring (a), precipitation estimation (b), coupled hydro-meteorological forecasting (c) and remote sensing monitoring of floods (d)

3.5 2020 年——時隔13 年的堅守與發展

2020年，持續強降水導致長江、淮河干流安徽段全線持續超警戒水位，巢湖持續超保證水位。防汛形勢異常嚴峻[39]。面對長江、淮河、巢湖防汛三線作戰的巨大壓力，氣象部門從容應對，采取超常規舉措，圓滿完成這場防汛抗洪氣象保障服務攻堅戰，這得益于多年來的科研技術和業務服務積累，流域氣象業務服務能力得到顯著提升。基于新一代天氣雷達網降水監測預報技術和基于智能網格預報的精細化產品，提高了流域降水監測預報精度（降水估測誤差＜33%，2～6 h預報準確率由43%提高至52%），實現了流域逐3 h、5 km分辨率降水預報，預報時效可延長至10 d（圖13），在汛期精細化氣象服務中發揮了重要作用。王家壩氣象監測預警中心的投入使用，現場氣象保障服務在針對性上的不斷加碼，以及信息共享、產品和服務材料制作流程和內容的不斷優化，有力支撐了防汛抗洪氣象保障服務攻堅戰[39]。

圖13 基于智能網格的淮河流域面雨量2～10 d預報Fig. 13 Areal precipitation forecast based on smart grid forecasting for 2-10 d in Huaihe River Basin

在能力建設的基礎上，流域業務服務內涵和外延不斷延伸，實現了面向安徽全省重點中小流域的氣象精細化服務，長江及新安江流域安徽段細分18片，新安江流域細化12片，滁河流域細化11片，開展更加精細化的面雨量監測預報。同時加強新資料的應用，應用高分衛星，實現全天候雨情和水情監測，空間分辨率提高至10 m。近年來，氣象部門從保障淮河流域防洪安全向糧食安全和生態安全拓展，充分發揮氣象的趨利避害作用。在幾次大水過后的重建中，氣象部門發揮專業優勢，為沿淮人民提供“種什么”的科技參考[40]；在干旱之時，氣象部門積極開展人工增雨作業，送來“救命之水”。

4 未來展望

習近平總書記視察安徽時強調：“要堅持以防為主、防抗救相結合，結合‘十四五’規劃，聚焦河流湖泊安全、生態環境安全、城市防洪安全，謀劃建設一批基礎性、樞紐性的重大項目”。未來我們要認真貫徹落實總書記重要指示精神，圍繞需求，著力發展流域氣象，適時啟動第二輪淮河流域科學試驗。面向生命安全、生產發展、生活富裕、生態良好，聚焦監測精密、預報精準、服務精細，總結流域中心發展成果和經驗，著力提升流域防汛抗旱氣象服務能力，強化中小流域精細化監測預報及山洪、地質災害氣象風險預警服務，完善城市和農業農村發展氣象保障服務體系，發展淮河流域生態建設和生態保護氣象服務。