田濟(jì)揚：“看見”洪水的未來

衛(wèi)婷婷

田濟(jì)揚前往意大利參加HIC會議

洪水是地球上最常見的自然災(zāi)害，影響著全球成千上萬人的生活，每年約造成100億美元的損失。隨著科學(xué)技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，現(xiàn)如今科學(xué)家會通過建立洪水預(yù)報模型來對洪水進(jìn)行預(yù)報，但由于洪水預(yù)報模型基本都是以“落地雨”作為輸入條件，結(jié)合觀測到的歷史水文資料確定相關(guān)參數(shù)，這樣的預(yù)報方案在中小流域洪水實時預(yù)報時，預(yù)見期相對較短，預(yù)報精度偏低。那么如何提高洪水預(yù)報的能力呢？這也是中國水利水電科學(xué)研究院高級工程師田濟(jì)揚一直在思考的問題。他以陸氣耦合作為洪水預(yù)報延長預(yù)見期和提高預(yù)報精度的突破口，將數(shù)值大氣模式與流域分布式水文模型耦合，有效延長了洪水預(yù)報的預(yù)見期，給匯流時間短的中小流域帶來了福音，為防洪減災(zāi)提供了可靠的技術(shù)支撐。

最大的初衷

田濟(jì)揚是誤打誤撞學(xué)了水利水電工程專業(yè)。他報考山東大學(xué)時，并沒有選擇水利相關(guān)的專業(yè)，但命運似乎與他開了個玩笑，從未想過的專業(yè)卻成為他大學(xué)4年的主角。作為土生土長的山西人，他跨越了五百多公里的距離來到山東濟(jì)南，擺在他面前的是之前一點都不了解的大壩和堤防、水輪機和發(fā)電機、田間灌渠和城市管網(wǎng)，還有許許多多的力學(xué)難題。書本上的知識晦澀難懂，讓田濟(jì)揚一度也有了換專業(yè)的想法。

但很快，一場關(guān)于水利的學(xué)術(shù)報告改變了田濟(jì)揚最初動搖的心情。那是在大學(xué)一年級快結(jié)束的夏天，時任山東大學(xué)土建與水利學(xué)院院長的曹升樂教授作了一場學(xué)術(shù)報告，他從水資源的特點、重要性入手，詳細(xì)闡述了中國目前的水資源問題及其對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的影響。聽完報告的田濟(jì)揚心潮澎湃，他第一次感受到，水利并不是單純的力學(xué)和工程，而是一項與人民群眾幸福生活息息相關(guān)、光榮而又艱巨的事業(yè)。

以此為契機，田濟(jì)揚在大學(xué)期間，多次到曹升樂教授那里請教問題，請他解答疑問，逐步加深對水利的認(rèn)識。“興水利、除水害是每個水利人的應(yīng)盡職責(zé)，那么我能不能堅持下去，成為一名合格的水利人呢？”抱著這樣的想法，田濟(jì)揚決定考研，繼續(xù)深造。當(dāng)時恰逢“十二五”水利發(fā)展規(guī)劃編制，領(lǐng)域里討論最多的莫過于農(nóng)田水利建設(shè)。于是在曹升樂教授的引薦下，田濟(jì)揚選擇報考西安理工大學(xué)農(nóng)業(yè)水土工程專業(yè)。

來到西安理工大學(xué)的田濟(jì)揚，在這里遇到了讓他受益終生的導(dǎo)師白丹教授。“白老師雖然不是業(yè)界大牛，但他對學(xué)生極其負(fù)責(zé)，我第一篇公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文，他前后幫我修改了5遍，每一遍都有批注和大量修訂的痕跡。”從那時起，田濟(jì)揚認(rèn)識到要以嚴(yán)謹(jǐn)負(fù)責(zé)的態(tài)度對待科學(xué)研究，并開始有意識地培養(yǎng)自己對科學(xué)問題的探索與剖析能力，努力提高自己寫好科技論文的水平。在他的心里，白丹教授是一位嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科研引路人。

讀碩士的3年時間里，田濟(jì)揚主要從事滴灌灌水器的研發(fā)和田間灌渠的設(shè)計工作，這是一個非常實用而具體的研究領(lǐng)域，與他從曹升樂教授口中認(rèn)識到的宏觀水利是如此的不一樣，這讓他有了一絲的迷茫。“我一直在思考如何才能對國內(nèi)水利行業(yè)現(xiàn)狀有更深入的了解，并以此找到更適合自己的研究方向，思來想去，決定再換專業(yè)攻讀博士。”彼時，田濟(jì)揚研發(fā)的灌水器即將在新疆部分地區(qū)投入使用，應(yīng)用前景廣闊，白丹教授著實為他選擇換專業(yè)感到惋惜。

田濟(jì)揚并沒有猶豫，但換什么專業(yè)，去哪讀博士呢？他犯難了。這時，他的一位本科同學(xué)建議他報考中國水利水電科學(xué)研究院。“他和我說，水科院是我國水利科技創(chuàng)新的排頭兵、國家隊，應(yīng)該報考爭取一下。”抱著試一試的想法，田濟(jì)揚幸運地考上了中國水利水電科學(xué)研究院的博士。

讀博期間，田濟(jì)揚開始參與到國家級、省部級重大水利科技項目的研究中，他的視野逐漸變得開闊。“我現(xiàn)在的方向是博士二年級定下的，那時防洪減災(zāi)是水利行業(yè)關(guān)心的重點領(lǐng)域，中小流域的防洪又是薄弱環(huán)節(jié)，更是研究的熱點和難點。”5年前，面對“十二五”水利發(fā)展規(guī)劃，田濟(jì)揚選擇了農(nóng)田水利；5年后，面對防洪減災(zāi)的國家號召，他選擇了洪水預(yù)報。“洪水預(yù)報研究是我至今仍然堅持的主要研究方向之一，我想以后也不會改變。”

田濟(jì)揚回首自己踏入水利科學(xué)領(lǐng)域的旅程，盡管選擇的方向一直在變，但都沒有離開水利太遠(yuǎn)。他說：“滿足國家水利事業(yè)需要就是我最大的初衷。”

洪水的背后

每年汛期，我國南方暴雨洪災(zāi)集中，局部地區(qū)洪災(zāi)嚴(yán)重。對于一場在途的洪水，盡早預(yù)測其過境的時間和高峰，對及早部署制定防御方案，無疑具有重要意義。“為了提前做出判斷，我們需要提前把降雨預(yù)報出來，盡可能延長預(yù)見期，以便我們的防汛人員能夠及早部署，如果等到洪水來臨，再去做工作那就已經(jīng)晚了。”田濟(jì)揚說，特別是對于匯流時間短的中小流域來說，延長洪水的預(yù)見期非常必要。

在洪水預(yù)報的發(fā)展歷程中，傳統(tǒng)的洪水預(yù)報模型是以實測降水為輸入條件，其預(yù)見期非常有限。要想延長預(yù)見期，最有效的方法是在降水未發(fā)生以前獲得降水預(yù)報信息，并盡可能提高降水預(yù)報的精準(zhǔn)度。

于是田濟(jì)揚選擇了陸氣耦合洪水預(yù)報這一研究方向。理論上，陸氣耦合洪水預(yù)報旨在通過描述水與能量兩大循環(huán)，更為準(zhǔn)確地反映降雨、蒸發(fā)、產(chǎn)流、匯流等水文過程，提高洪水預(yù)報精度，延長預(yù)見期。

研究的愿景總是很美好，但是在研究的過程中總會遇到意想不到的困難。目前擺在田濟(jì)揚面前的困難有三個。一是，同時研究氣象和水文的人很少。“你想既然是耦合，應(yīng)該是兩方面都懂，才能把這項工作做好。但是關(guān)于兩者相結(jié)合的研究文獻(xiàn)，沒有我們想象的那么多，所以工作做得還不是特別深入。”對此，田濟(jì)揚頗感苦惱。忙里偷閑，他經(jīng)常到南京信息工程大學(xué)，與那里的老師們進(jìn)行交流。南京信息工程大學(xué)有“中國氣象人才搖籃”的美譽，在交流和溝通過程中，田濟(jì)揚總能碰撞出新的想法，收獲不少。

二是，目前的陸氣耦合往往是一種單向的耦合，大氣模型只提供輸出數(shù)據(jù)給陸面水文模型。而在田濟(jì)揚的理想構(gòu)思中，陸氣耦合應(yīng)該是一種雙向的耦合，大氣模式不但提供輸出數(shù)據(jù)給陸面水文模型，而且接受陸面水文模型的反饋。“但是因為雙向耦合模型結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，它幾乎包括水循環(huán)和能量循環(huán)的每個過程，里面的每一個環(huán)節(jié)都需要考慮到，現(xiàn)有的數(shù)值大氣模式、陸面模型、水文模型之間還存在各種不兼容的問題，做到雙向耦合還有很長的路要走。”

第三個面臨的困難，則是一個世界性的難題。“高精度局地短歷時強降雨的預(yù)報能力難以滿足中小流域洪水預(yù)報的需求。”田濟(jì)揚提到了氣象學(xué)上很有名的一個概念“蝴蝶效應(yīng)”，一只南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動幾下翅膀，可能在兩周以后引起美國得克薩斯州的一場龍卷風(fēng)。而短歷時強降雨難以預(yù)報的問題，就是目前科學(xué)家對氣象演化過程認(rèn)識不足的體現(xiàn)。

講到這里時，田濟(jì)揚笑著說，其實從氣象的角度來說，目前降雨預(yù)報的水平已經(jīng)比較高了。但正因為是陸氣耦合，需要站在水文的角度向氣象提需求，到底能不能滿足中小流域洪水預(yù)報所需要的精度。“只要突破了這些難題，陸氣耦合洪水預(yù)報就能向前邁一大步。”田濟(jì)揚堅定地說。

為了提升陸氣耦合洪水預(yù)報的精度，他也做了不少努力。“怎么提高降雨預(yù)報精度，數(shù)據(jù)同化是非常實用，而且非常有效的一個技術(shù)手段。”依托2020年申請到的國家自然科學(xué)基金青年基金項目“基于雷達(dá)數(shù)據(jù)混合同化的中小流域尺度數(shù)值降雨預(yù)報試驗與機理研究”，田濟(jì)揚采用預(yù)報降雨代替“落地雨”實現(xiàn)了陸氣耦合洪水預(yù)報，成功構(gòu)建了雷達(dá)時空二維結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)據(jù)同化模式，提出了以雷達(dá)為主的多源數(shù)據(jù)同化方法，并引入洪水預(yù)報實時校正技術(shù)，分別對降雨和洪水預(yù)報過程進(jìn)行雙校正，使洪水預(yù)見期延長3小時以上，預(yù)報精度達(dá)到70%～80%。這些成果似乎都在昭示他離自己理想的目標(biāo)更近了一步。

前往奧地利參加EGU會議

光明的未來

2020年，中國水利水電科學(xué)研究院承擔(dān)了國家重點研發(fā)計劃“國家山洪災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警服務(wù)平臺關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”。國家山洪災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警服務(wù)平臺建立的主要目的是實現(xiàn)386萬平方公里山洪災(zāi)害防治區(qū)、24萬個小流域和流域面積≥10平方公里所有山洪威脅對象全覆蓋，模擬精度和預(yù)警命中率大幅提高，在國家（水利部）及部分省份實現(xiàn)業(yè)務(wù)化運行，為多個行業(yè)提供山洪災(zāi)害預(yù)警信息服務(wù)。

田濟(jì)揚也積極參與其中。“我負(fù)責(zé)了其中1個專題，專題名稱是海量站點實測降水與預(yù)報降水信息高效處理技術(shù)。”這個專題主要是解決目前地面雨量站監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常識別處理和多源降雨融合問題。田濟(jì)揚解釋道，對于雨量監(jiān)測而言，地面雨量站比雷達(dá)的單點監(jiān)測更準(zhǔn)確，但是雷達(dá)更能準(zhǔn)確反映降雨的空間分布特征，如果把二者融合起來，取長補短，就可以提高降水監(jiān)測的準(zhǔn)確性，也為雷達(dá)降水反演與預(yù)報結(jié)果的訂正提供思路。

如今田濟(jì)揚開展的各項工作正在穩(wěn)步推進(jìn)，這當(dāng)然離不開研究室各位同事和團(tuán)隊成員的共同努力。田濟(jì)揚很喜歡他所在的研究室。團(tuán)結(jié)、勤奮、肯鉆研和執(zhí)行力強，是他心中給研究室打上的鮮明標(biāo)簽。“我們研究室總共20人，每個人都圍繞山洪災(zāi)害防御展開相關(guān)的研究工作。”在項目進(jìn)行的過程中，研究室中的每個人都沒有私心，考慮的都是集體利益，大家都可以跳出自己的專業(yè)，互相交流，互相提意見，一旦有了想法，就會馬上去執(zhí)行，這些都給他留下了深刻的印象。“加班加到最晚的一定是我們研究室的人，去年我們研究室的合同額都接近一個億了，近年來成果豐碩。”田濟(jì)揚語帶自豪地和記者說。

研究室中的每個人都在努力，田濟(jì)揚自然也不能掉隊。“通過這幾年的研究，陸氣耦合洪水預(yù)報的精度逐步提高。”下一步，田濟(jì)揚的重點任務(wù)是建立一個較為完善的陸氣雙向耦合模式，用于中小流域洪水預(yù)報，繼續(xù)提高暴雨洪水的預(yù)報精度和準(zhǔn)確性。

短期的目標(biāo)已經(jīng)非常明確，而長期的目標(biāo)，田濟(jì)揚也有著清晰的規(guī)劃。機制方面，如暴雨形成機制、山洪形成機制等，尚不十分明確，研究應(yīng)繼續(xù)跟進(jìn)；技術(shù)方面，緊跟目前山洪監(jiān)測與預(yù)警的新技術(shù)新方法，緊跟國際、國內(nèi)發(fā)展的潮流與趨勢，把新技術(shù)新方法應(yīng)用于山洪災(zāi)害防御；應(yīng)用與管理方面，當(dāng)理論與技術(shù)都趨于完善時，應(yīng)該展開對流域內(nèi)洪水預(yù)報、風(fēng)險評估、山洪預(yù)警的業(yè)務(wù)化應(yīng)用，取得相應(yīng)的社會效益，實現(xiàn)山洪風(fēng)險管理的完美閉環(huán)。這就是田濟(jì)揚的最終目標(biāo)。

為了實現(xiàn)最終目標(biāo)，田濟(jì)揚絲毫不敢放松。曾經(jīng)的他是一個喜歡唱歌、愛打羽毛球的人，但為了科研，過往的愛好都放棄了，田濟(jì)揚成為了一個在工位—床位間兩點一線的人。他有時會想自己為什么能做科研呢？“小時候，父親的嚴(yán)格要求讓我養(yǎng)成了坐得住、坐得穩(wěn)的習(xí)慣，搞科研還是需要坐冷板凳的。”坐得住、坐得穩(wěn)是坐有所獲的前提條件，靜下來才能理清頭緒，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

因此，不管前面的道路有多坎坷，田濟(jì)揚都這樣告訴自己，要堅信自己可以走下去，要像“混凝土”一樣抗壓，像“水”一樣抗擊打，因為光明的未來就在不遠(yuǎn)處。