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                直击天气 与科学家聊“天”:关注“气候与水”

                来源:中国气象报社   发布时间:2020年03月21日09:05
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                  今年世界气象日主题为“气候与水”,我们应当如何理解他们之间的关系?气候变化使水资源发生了怎样的变化?目前我国对云水资源的认识和利用是怎样的?未来的前景如何?记者采访了中国工程院院士丁一汇、国家气候中心气候服务室正高级工程师肖潺、中国气象科学研究院研究员周毓荃。 

                  记者:今年世界气象日和世界水日主题都是气候与水,如何理解他们之间的关系?

                  国家气候中心气候服务室正高级工程师肖潺:气候是指一个地区在某段时间内所经历过的天气,是一段时间内天气的平均或统计状况,反映了一个地区的冷、暖、干、湿等基本特征。表征冷、暖主要用温度这个指标,而表征干、湿主要用降水这个指标,温度和降水两个要素构成了一个地方气候最基础的两个方面。   

                  广义上,与气候相关的水不仅仅指降水,还包括以固态和气态等形式存在于空中的水汽、云以及以固态和液态存在于陆地和海洋中的水,如:冰冻圈内处于自然冻结状态的冰川、冻土、积雪,积极参与陆地水循环的径流性水资源。

                  气候是我们赖以生存的自然环境,水是人类社会生存发展的重要资源。两者关系极为密切,相互影响。一个地方水资源的重要来源就是降水,因而气候在很大程度上决定了一个地方水资源禀赋。水通过不同形态及转换,比如降雨(降雪)、蒸发、径流等,在地球气候系统的物质循环和能量循环中扮演了十分重要的角色,可以说是沟通气候系统不同圈层之间的重要桥梁和纽带。

                  气候和水与我们的生活息息相关,适宜的气候和适量的水资源是生产生活的必要条件,即常常所说的风调雨顺。如果天气气候的变化范围超过了正常波动的上限或者下限,就会出现极端天气气候事件(又称极端事件),极端事件的发生往往伴随着较大的社会影响。以降水为例,降水过多会带来暴雨洪涝,危及房屋、土地、农田甚至生命安全,而降水过少则会带来干旱,影响作物生长甚至人畜饮水等。

                  全球变暖是当前气候变化的主要特征。根据世界气象组织(WMO)发布的消息,2019年全球平均温度比1850-1900年的平均值高出1.1℃,是有记录以来仅次于2016年的第二热的一年。而近5年(2015-2019年)和近10年(2010-2019年)的平均气温都是有记录以来最高的。而且,自20世纪80年代以来,每10年的气温都比上一个10年高,可谓节节攀升。中国气候同样呈现出与全球一致的升温趋势,1951年以来,中国地表年平均气温每10年上升0.24℃。

                  记者:气候变化会对全球水循环和水资源造成什么影响,具有哪些特点?

                  中国工程院院士丁一汇:气候变化正改变着全球和中国的水资源。我们首先看一看全球气候变化对水资源的影响。图1说明在气候变化的影响下,全球气候带正在发生着变化,主要特点就是热带地区上升运动在加强,副热带地区的下沉运动也在加强,也就是说,副热带的干旱区在膨胀,在向北膨胀,同时,中纬度的暴风雨带,也就是中纬度降水带同时也在增强,降水增加,所以整体来说,降水的变化,从半球来看,是产生了正—负—正的变化:中高纬度降水增加,副热带降水减少,热带降水增加。从气候上讲,热带地区本来降水就多,它变成正距平,中高纬度降水本来也多,它也是正距平,而副热带地区本来降水就少,它是负距平。由于中高纬降水增加,热带降水增加,那就是说,本来降水多的地方降水越多,而副热带干旱少雨地区降水减少,即气候变化之后,降水正在向干旱化趋势发展。综合上述的变化,这就叫做所谓干者越干,湿者越湿,这就是气候变化造成全球水资源改变的一个主要特点。

                  图1 全球气候带示意图(NWS, 2016)

                  我们进一步考察气候平均状态下的水循环及其变化。整个水循环实际上就是从海洋向大气输送水汽,从大气再输送到陆地地区,然后形成降水降落,以后水再变成地上和地下的径流,最后又流回到海洋上去(图2)。

                  图2 全球水文循环平均状况(姜彤根据Trenberth, et al., 2007改绘)

                  那么我们看看这样一个环流圈,在气候变化影响下发生着什么变化,大家可以看到图3,这就是数值气候模式预测的全球水循环状况,这是从上个世纪末预测到本世纪2030年的全球水循环结果,未来的水循环强度的变化。可以看到,从海洋到陆地,从陆地再到地下水、径流流回去,这样一个循环都是正的。这就代表着水循环运转的速度未来在加强。因而全球水循环不但分布在改变,运转的速度也在改变。图3上每一个结点都有一个数字,这个数字都是正的,都是在加强,海洋的蒸发在加强,输送到我们陆地上的大气中的水汽也在加强,降水也在增强,地下水也在增强,整个都在增强、加快。这是我讲的第二个特点。所以,我们看到,这是一个全球性水循环的加强,运转速度现在和将来都在加强。这是全球水循环变化的第二个特点。

                  图3 模式模拟和预测的1860年-2030年全球水循环的变化。(蓝色数字是模拟1860年的结果,红色数字是模式预测的到2030年的变化值。(Bengtson,1998)

                  全球水循环变化的第三个特点是全球降水,特别是中纬度降水在快速的增加(图4)。

                  图4 全球陆地与中纬度地区年降水距平变化(IPCC,2013)

                  全球水循环变化的另一个特征是全球大气正在变湿。大气湿度的一个指标就是比湿(图5a)。其中上图是一个全球的分布,带有绿颜色的地方都说明大气的湿度在增加,可以看到,从副热带以北可以看到,都是蓝颜色的小点子,那说明,除了副热带地区湿度普遍都在增加。下方曲线(图5b)就反映出全球大气湿度变化的曲线,也是不断攀升的,这就是我们讲的第四个特点,大气湿度在增加,大气更为潮湿。

                  图5 (a)1973-2012年地面比湿趋势变化分布图,(b)地表比湿全球年平均距平曲线(IPCC,2013)

                  分析了四个变化特点之后,这就回到了我们最初的结论:整体来讲,由于气候变化,当然也包括自然因素在里面,使得全球的水循环变得干者越干,湿者越湿,这个基本特点是非常清楚的。

                  记者:气候变化的背景下,我国水资源发生了怎样的变化?

                  中国工程院院士丁一汇:作为对全球变暖的区域性响应,下面我来看看中国的情况,即看看中国的水循环是怎么变的。

                  第一个特点和全球一样,从图6中可以看到,中国的降水从1961年开始也在不断的增加。可以看到,在20世纪80年代以前,它是在零线以下,现在我们基本上都在零线以上,并且最近一二十年,增加的非常快,这是第一个特点。这符合全球气候变化影响水循环的结果。

                  图6 1961-2019年中国平均年降水量距平变化(国家气候中心,2020)

                  中国第二个区域的特点是什么?中国是季风气候,季风的强弱分布和推进会影响雨带。在季风区的地方是南涝北旱,南面是降水偏多,北面是降水偏少,这样就影响我们北方的水资源,即北方水资源短缺。我们国家采取的应对措施是南水北调,这就是国家为适应气候变化所做的努力。

                  我们再进一步从近几十年的观测资料来看(图8),西部地区都是蓝的,这就代表干旱程度在减弱,那就是变湿,当然气候也在变暖,因而,实际上是西部大部分地区都是变暖变湿的,也就是暖湿化了。当然并不是说它就改变了气候型,至少它的降水和湿度在增加。再看我国东部的季风区,黄颜色的地方就是干旱的地区。在北方,一直到东北大部分地区都是黄颜色,也就是干旱的。另一个干旱区也值得我们注意,在西南地区,也是干旱的。这几年我们都知道,西南地区也经历了十几年的干旱,这些都是受季风减弱的影响。当然,在长江流域与东南沿海,基本上是多雨。图8中蓝颜色的地方。这就是所谓我们看到西部的暖湿化和季风区南涝北旱这么一个主要的特点,这是第二个特点。

                  图8 中国年干旱日数线性变化趋势(1961-2015年)(国家气候中心,2018)

                  图9 上图:1950-2017年中国主雨带的年际变化;下图:1950-2017年PDO的变化(国家气候中心,2018)

                  气候变化也有自然因素在影响,实际上主要是海洋的影响。图9下图反映的就是太平洋海洋温度的变化。可以看到,海表温度暖冷在五六十年之间经历了40年为一个周期的变化,先是冷海温(在零线以下),然后暖海温,再冷海温。相应中国东部的雨带,在冷海温的时候,雨带是向北的,可以到达华北,在暖海温的时候,雨带偏南,雨带到达长江领域。现在我们正在等着下一个雨带的南北变化。这就是第三个特点:自然的因素对中国季风雨带的年代际影响。

                  从上面这三个特点来看,对于我们中国总体来说,降水不断增加,但从区域来看,在东部季风区是南涝北旱,西部是暖湿化,除了受全球气候变化影响外,还受到自然因素的影响,如海洋PDO 40年一个周期性变化。

                  全球和区域既有相同的地方,又有不同的地方,相同的地方就是降水都在增加,但是中国又受到季风气候的影响,这是区域的影响。西北干旱区现在也在变湿变暖,局部呈现暖湿化趋势,当然它本身还是一个干旱和半干旱的气候带,但是它降水量在增加。而在东部季风区,是南涝北旱,因为季风有强有弱,弱的时候它又到不了北方,那北方就是容易干旱。这种变化又受到海洋等自然原因的调节。

                  由上我们可以看到,全球气候变化不但引起了全球湿者越湿、干者越干。对于区域的气候,特别是我们中国,不仅受全球气候变化的影响,而且也有自然因素造成的明显的变化,比如说南涝北旱等等。

                  记者:如何理解云水资源?我国的云水资源有什么特点?

                  中国气象科学研究院研究员周毓荃:首先要明白什么是云水资源,还需要先了解一下大气水循环过程。前面丁院士很生动全面地讲述了全球水循环过程,特别是水汽和降水的全球分布和气候变化,让我们更清晰地了解了降水的不均匀性。在这个大气水循环过程中,有一种水物质叫做大气水凝物,也就是通常说的云水,它的含量相较于水汽是很少的,但它的时空变化又很剧烈,认识它一直是大气科学的重要课题。

                  实际上,这部分大气水凝物对于补充陆地水资源是非常重要的,其发生的物理过程是大气水循环中十分重要的环节,是我们人工影响天气工作者特别关注的重点。

                  为了弄清云水资源是什么、有多少,我们还需要进一步来看一下大气水循环中发生的物理过程(图10)。实际上,大气水循环过程不仅是物质循环过程,同时也是相态和能量循环的过程。来自海洋和陆地的水(固态和液态)蒸发成为水汽进入大气(第一次相变);水汽受大气不均匀的动力热力影响移动和上升,部分水汽在天空冷却凝结成云(第二次相变),形成的云具有复杂的宏微观结构,它由各种大小不同、相态不一的高浓度细微云滴或冰晶(直径约10μm)组成,在一定条件下,云粒子通过复杂的云物理过程增长形成雨、雪、霰等低浓度的大颗粒水凝物(直径约102~103μm),最终落出云体,降落到地面成为降水,这才完成相态闭合的大气水循环。可见,在大气水循环中,水汽无法直接变为降水,只有那些已经经历了第二次相变成为云水,才有可能转化形成降水,成为人类可用的陆地水资源的主要来源。在大气水循环过程中,有一部分云水还留在空中,不能靠自然过程转化成为降水为人们所用,我们把循环过程中这些仍留在空中的云水叫云水资源。这些云水通过人工催化的手段有可能被开发成为降水,也就是通常说的人工增雨开发云水资源。

                  通过前面大气水循环和云水资源的介绍,我们不难想到,精确评估云水资源也是非常困难的,但作为人工影响天气的基础性工作,近年来,132彩票官网人工影响天气中心一直致力于这方面攻关,不断提出和完善概念和方法。近期,基于国家重点研发专项《云水资源评估和利用示范》项目最新研究表明,近20年,中国大陆全年参与大气水循环的水汽年平均总量约36万亿吨,水汽更新期约8-10天;大气水凝物(云水)年平均总量约8-10万亿吨,但其更新期平均仅5-8小时;留在空中没有形成降水的大气水凝物即云水资源年平均总量仍约有2-3万亿吨。如此丰富的云水资源和快速的更新,十分有利于我国大气水循环和云水资源的再生及开发利用。

                  图10 大气水循环和云水资源概念图(图片来源:中国气象科学研究院)

                  由于云的分布在各地、各季节差异明显,云水资源也有其明显时空分布特征。总体上,中国云水资源的空间分布十分不均匀(图11),从云水资源总量分布看,中国东南区域的云水总量平均值最大,中部区域次之,西北和华北区域的云水总量平均值较小。丰沛区主要位于我国的东南地区和东北地区东部。虽然华北至西部地区的云水资源量值相对较少,但这些地区的地面降水也少,自然降水效率低,还是存有明显的开发潜力。结合气候变化大背景下的降水演变,在云水资源丰沛的东南地区,地面降水也很多,近年来干旱日数也在减少;而华北和西南地区,近十年来干旱日数明显增多,急需通过开发空中云水资源缓解当地水资源短缺和干旱的情况。

                  图11 2000-2017年中国云水资源年总量多年平均分布(图片来源:中国气象科学研究院)

                  记者:云水资源的开发利用是怎么回事?目前的开发现状怎么样?

                  中国气象科学研究院研究员周毓荃:弄清云水资源的开发原理,这还要从云降水物理过程说起。我们知道云一旦形成就有复杂的宏微观结构,按照云的物理特性可分冷云和暖云,这些云有的降水有的不降水。对于不降水的云,有些是因为缺少冰晶,有的是因为云滴太小等,针对不同情况,通过人工干预影响其微物理过程,促使冰-水转化、小云滴碰并长大等物理过程发生,实现增雨目的。也就是在适当的云条件下,采用具有针对性的人工催化技术方法,改变云降水物理过程,促使更多的云水转化为降水,即人工增雨开发云水资源。从开发原理也可以看到,目前虽然云水资源很丰富,但就目前的认识和技术,并不是所有的资源都能够被开发,实现云水资源的开发是一个非常复杂的系统工程。

                  随着全球气候变化,全球及我国水资源短缺问题更加凸显,开源节流,开辟新的水资源,是长期的任务。

                  我国从1958年开始,在抗旱减灾的强烈需求推动下,进行了大量的人工增雨(雪)作业,取得了明显成绩,在技术上积累了丰富的经验。20世纪90年代以来,人影作业已逐步建成国家、省、市、县以及作业点五级有效衔接的组织体系。目前,全国29个省(自治区、直辖市)和新疆生产建设兵团、273个市(地)、1549个县政府成立人影领导机构;按照人影 “五段”业务的要求,各级人工影响天气业务体系和作业技术不断得以发展建立,装备和能力都得到明显提高,人工影响天气作业规模居世界首位。

                  云水资源的开发受云系条件、各地需求和局地灾害等因素影响,因此不同地区的云水资源开发潜力和开发效果也有明显差别。随着人影科技能力的提升,作业成效也不断提升。仅最近6年(2013年到2018年),全国实施飞机人工增雨作业6194架次、飞行16871小时,高炮、火箭等地面作业29万次,共发射火箭弹74万枚、炮弹526万发,累计增加降水约2860亿立方米,极大地缓解了当地的旱情和水资源短缺的问题。许多地区人工增加的大气降水直接补充了当地的水库库容,增加了江河径流或补给了地下水。

                  党的十八大以来,我国人工影响天气服务进入了一个快速发展阶段。人工影响天气已成为各级政府防灾减灾、趋利避害的一项重要举措。云水资源开发服务,不仅在防灾减灾、农业增产增收、保障粮食安全等方面效益显著,而且在水资源配置、森林草原防扑火等重大灾害应急、生态建设与保护、提升城市功能等诸多方面的作用也日益凸显。

                  记者:云水资源开发的关键难点是什么,前景发展如何?

                  中国气象科学研究院研究员周毓荃:云水资源从形成到开发和利用,具有多尺度性,涉及多领域多学科,发生着动力、云物理和陆面等过程的耦合及反馈,完整认识这些过程,深入了解这个资源特性、分布特征以及演变规律等还有很多研究工作要做,目前的评估和认识也是初步的。另外,人工增雨开发技术目前整体还处于试验研究阶段,需要不断结合需求加强研究。

                  为更好应对日趋严峻的全球水资源短缺,面对更热、更旱、更涝的气候变化趋势,科学认识云水资源及变化规律,并同陆地水资源及生态、环境等各方面需求耦合开发利用,对于缓解我国水资源短缺的严重不足、支撑我国的粮食安全、水安全和生态环境的安全等都具有重要意义。然而,要做到科学评估、精准开发、精确检验和高效利用等,还有许多方面的重点工作需要加强,许多科学难点要突破。

                  首先,要加强云水资源的评估理论和监测技术的研究,突破云水资源的精细定量计算和星-空-地立体监测技术。其次,要完善人工增雨云水资源开发技术,突破催化技术、指挥技术和效果检验等人工增雨关键技术瓶颈。此外,加强针对特定目标需求的云水资源耦合利用技术的研究。

                  随着各类需要的发展,开发云水资源服务水库流域蓄水、林火灭火、生态脆弱区修复等不同目标,这些需求,一个共同的特点是目标区甚至目标时段都预先确定,更增加了作业方案设计和开发的复杂性,需要加强耦合开发和利用全链条技术研究,这是云水资源科学开发合理利用的关键难点。当前我们也正在通过国家重点专项、国家工程以及各类业务支持下,在国内选择典型示范省区进行联合攻关,探索针对增雨蓄水、增雨灭火等不同服务目标的云水资源耦合开发系列配套技术,不断完善“中国方案”,让云水资源开发更好服务我国及“一带一路”沿线等更多干旱和水资源短缺的国家需求。前景美好,道路艰巨。

                  (责任编辑:张林)

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