全球能量與水循環(huán)試驗以及淮河流域能量與水循環(huán)試驗概述

黃勇，張文建

（1 安徽省氣象科學(xué)研究所，大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感安徽省重點實驗室，合肥 230031；2 壽縣國家氣候觀象臺，中國氣象局淮河流域典型農(nóng)田生態(tài)氣象野外科學(xué)試驗基地，壽縣 232200；3 世界氣象組織，日內(nèi)瓦 1211）

0 引言

能源是地球上生命的基礎(chǔ)，地球大氣系統(tǒng)通過大氣、云、陸面和海洋等媒介，吸收太陽短波輻射能量和釋放長波輻射，產(chǎn)生能量循環(huán)。水循環(huán)則通過降水、蒸發(fā)、地表和地下水徑流等環(huán)節(jié)，平衡水資源[1]。全球水循環(huán)包含了水在地球表面、大氣和地球表面之下不斷移動的過程。云、降水、水蒸氣、表面輻射、氣溶膠和其他現(xiàn)象都在這個循環(huán)中起作用。

研究能量與水循環(huán)，對提升全球和區(qū)域氣候模式預(yù)報以及氣象防災(zāi)減災(zāi)有著重要意義，并能產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益[2-5]。國外學(xué)者們先后開展了多次大型能量與水循環(huán)試驗，包括全球能量與水循環(huán)試驗（GEWEX）、協(xié)調(diào)能水循環(huán)觀測計劃（CEOP）、全球變化的地球和前沿研究系統(tǒng)計劃（FRSGC）、水文循環(huán)中的生物學(xué)作用計劃（IGBP/BAHC）等[6-13]。

GEWEX是國際科聯(lián)理事會與世界氣象組織為了研究氣候異常、解決長期預(yù)報，以防災(zāi)減災(zāi)、保證糧食生產(chǎn)為目的，而設(shè)立的世界研究計劃，重點關(guān)注大氣、陸地、輻射、水文、耦合相互作用，致力于了解地球表面和地下以及大氣中的水循環(huán)和能量通量[14]。從20世紀(jì)80年代開始，GEWEX到目前為止共分為3個階段。第一階段為1990—2002年，側(cè)重于開發(fā)分析工具和模型，使用業(yè)務(wù)和研究型衛(wèi)星、大尺度區(qū)域分析和過程研究來支持全球氣候模型的反饋過程（與云和土地有關(guān)）參數(shù)化研究。第二階段為2003—2012年，開始對新型衛(wèi)星傳感器的數(shù)據(jù)進行科學(xué)開發(fā)。在第一階段和第二階段的成果和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，2013年GEWEX又開啟了第三階段（2013—2022年），制定了新的目標(biāo)和戰(zhàn)略規(guī)劃，并根據(jù)世界氣候研究計劃（WCRP）提出的挑戰(zhàn)確定了將要解決的4個科學(xué)問題。

1 全球能量與水循環(huán)試驗（GEWEX）簡介

GEWEX是WCRP的4個核心項目之一，研究大氣的動力學(xué)和熱力學(xué)以及與地球表面的相互作用。GEWEX共分為4個研究組，分別為：全球陸地/大氣系統(tǒng)研究小組（GLASS）、全球大氣系統(tǒng)研究小組（GASS）、水文氣候?qū)W小組（GHP）以及數(shù)據(jù)和分析小組（GDAP）。

GLASS是以模型開發(fā)和評價為核心目標(biāo)，通過協(xié)調(diào)新一代陸面過程方案相互比較和評價，及其對廣泛感興趣的科學(xué)問題的應(yīng)用，促進陸面模式的發(fā)展。主要包括：植被物候、植被動態(tài)結(jié)構(gòu)和碳庫模型的發(fā)展；濕地、城市、農(nóng)田與地下水之間的相互作用、養(yǎng)分循環(huán)、冰凍圈過程和土地屬性表征的改進；優(yōu)化衛(wèi)星光譜間隔，以方便衛(wèi)星數(shù)據(jù)的數(shù)值同化應(yīng)用。

GASS目的是發(fā)展和提高天氣和氣候模型中對大氣系統(tǒng)的描述能力。GASS支持全球合作開展觀測和數(shù)據(jù)使用，以及過程研究和數(shù)值模式試驗，通過協(xié)調(diào)科學(xué)項目來匯集全球?qū)＜?，為大氣?shù)值模式的發(fā)展做出貢獻。

GHP的目標(biāo)是理解和預(yù)測大陸尺度到局地尺度的水文氣候及其應(yīng)用。GHP致力于從綜合的角度提高我們對區(qū)域尺度能量和水循環(huán)的理解。在區(qū)域尺度上處理水循環(huán)可以讓我們從物理到經(jīng)濟再到社會方面，更好地理解該系統(tǒng)的許多組成部分。GHP中主要有3類項目：理解和預(yù)測水文氣候的區(qū)域水文氣候項目；在全球范圍內(nèi)傳播和綜合成果的跨領(lǐng)域項目；收集和分發(fā)重要數(shù)據(jù)的全球數(shù)據(jù)中心。

GDAP主要通過匯集與云過程有關(guān)的輻射相互作用和氣候反饋的理論和試驗發(fā)現(xiàn)，回答 “地球氣候?qū)椛浜推渌麖娖攘Φ淖兓卸嗝舾?”這一核心問題。這將使我們能夠更好地預(yù)測暫時性的自然氣候變化（如厄爾尼諾），以及理解自然和人為導(dǎo)致的氣候變化的后果。

GEWEX自1980年代建立以來，共經(jīng)歷了3個階段。第一階段（1990—2002年）被設(shè)計為建設(shè)階段，第二階段（2003—2012年）強調(diào)充分利用第一階段的理解和工具，依賴升級后的模式和同化系統(tǒng)以及新的環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)，以期對氣候科學(xué)作出更大的貢獻。第三階段（2013—2022年）根據(jù)新的挑戰(zhàn)制定了新的目標(biāo)和戰(zhàn)略規(guī)劃。

2 GEWEX第一和第二階段試驗

GEWEX第一階段（1990—2002年）在新型衛(wèi)星正式投入使用之前，最大限度地研究當(dāng)前運行的衛(wèi)星及其數(shù)據(jù)，側(cè)重于開發(fā)分析工具和模型，使用業(yè)務(wù)和研究型衛(wèi)星、大尺度區(qū)域分析和過程研究來支持全球氣候模式的反饋過程（與云和土地有關(guān)）參數(shù)化研究。第一階段由3個重點研究領(lǐng)域組成：輻射項目（GRP）、水文氣象項目（GHP）、模式與預(yù)測項目（GMPP）。GEWEX亞洲季風(fēng)試驗（GAME）隸屬于GHP。第一階段形成了解決水和能量循環(huán)中關(guān)鍵要素的項目，項目重點是云、水汽、氣溶膠、地表輻射、降水以及地表和近地層氣象要素的全球分布和變化，主要活動包括全球數(shù)據(jù)集開發(fā)，過程研究以及模式開發(fā)。

經(jīng)過多年研究，GEWEX第一階段產(chǎn)生了大量研究成果，如：揭示了區(qū)域水循環(huán)和能量平衡接近閉合的事實，及其循環(huán)和日變化對區(qū)域氣候預(yù)測有著重要作用；得到了10～25年的云、降水、水蒸氣、地表輻射、氣溶膠全球數(shù)據(jù)集；改進了大多數(shù)區(qū)域和全球的地表和云參數(shù)化方案，提高了降水預(yù)測能力。此外，GEWEX第一階段的研究成果也產(chǎn)生了重大影響，包括：分發(fā)了15000個數(shù)據(jù)光盤，被20多個學(xué)術(shù)期刊關(guān)注，成果引用超過5000條；發(fā)展了水文學(xué)和大氣科學(xué)之間新的跨學(xué)科關(guān)系（著重于陸地與地面之間的相互作用），創(chuàng)立學(xué)術(shù)期刊——《水文氣象學(xué)雜志》（Journal of Hydrometeorology）。

GEWEX第二階段（2003—2012年），著重在第一階段基礎(chǔ)上，研發(fā)新型衛(wèi)星傳感器的數(shù)據(jù)應(yīng)用，并依賴升級后的模式和同化系統(tǒng)以及新的環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)，來對氣候科學(xué)作出更大的貢獻。第二階段開發(fā)和應(yīng)用了從全球氣候模式到區(qū)域和中尺度模式的多個不同尺度數(shù)值預(yù)報模式，并發(fā)展了降尺度方法，以開發(fā)適用于與水文相關(guān)的，可以在當(dāng)?shù)厮Y源管理中使用的較小時空尺度的模式。第二階段的成果還包括：1）形成了連續(xù)的數(shù)據(jù)集，附有地球能量平衡和水循環(huán)數(shù)據(jù)的誤差因子和它們在年際到幾十年時間尺度上的變化趨勢，用于氣候系統(tǒng)分析以及模式開發(fā)和驗證；2）加深了對能量和水循環(huán)過程如何發(fā)揮作用的理解，并量化了它們對氣候反饋的貢獻；3）確定了陸地區(qū)域主要能量和水循環(huán)變量可預(yù)測性的空間和季節(jié)變化特征，并通過與WCRP合作確定了全球能量和水循環(huán)的可預(yù)測性；4）改進了水文氣象過程和大氣環(huán)流模式反饋機制的參數(shù)設(shè)置，以更好地預(yù)測能量和水循環(huán)；5）與水文氣象服務(wù)業(yè)務(wù)部門和水文研究計劃開展了聯(lián)合活動，證明了第二階段GEWEX的預(yù)測能力，以及數(shù)據(jù)集和模式等工具對評估全球變化的價值。

3 GEWEX第三階段試驗

在第一階段和第二階段的成果和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，GEWEX第三階段（2013—2022年）制定了新的目標(biāo)和戰(zhàn)略規(guī)劃，根據(jù)WCRP提出的挑戰(zhàn)確定了將要解決的4個科學(xué)問題和7個研究領(lǐng)域。GEWEX第三階段仍分為GRP、GHP、GMPP這3個小組。將全球能量和水循環(huán)作為核心重點，同時還要強調(diào)區(qū)域性。突出水文和陸面過程，模式，以及與大氣的相互作用，還保留了與水和能量循環(huán)有關(guān)的大氣成分，將涉及到輻射，云，邊界層，對流，降水，地表通量，徑流和人為活動影響的科學(xué)問題相關(guān)聯(lián)，而這些問題也包括在觀測，過程理解和建模方面。

GEWEX第三階段關(guān)注的4個科學(xué)問題分別是：1）降水觀測和預(yù)報：如何能夠更好地理解和預(yù)測降水變化？2）全球水資源系統(tǒng)：地表和水文的變化如何影響過去和未來水資源供應(yīng)和安全的變化？3）極端變化：全球增暖如何影響極端氣候，尤其是干旱，洪水和熱浪，陸地過程如何造成影響？4）能量與水循環(huán)及其過程：如何能夠更好地改進和表述對不斷變化的氣候中水和能量交換的影響和不確定性的理解？

第三階段的7 個研究領(lǐng)域提供了G E W E X 2013—2022年的戰(zhàn)略觀點，構(gòu)成了GEWEX科學(xué)問題（GSQ）的重點框架。這7個研究領(lǐng)域分別是：1）數(shù)據(jù)集：促進發(fā)展與大氣、水、土地、能量相關(guān)的氣候數(shù)據(jù)集，包括元數(shù)據(jù)和不確定性評估；2）分析：描述和分析與水和能量有關(guān)數(shù)據(jù)中觀察到的變化，趨勢和極端天氣（例如熱浪，洪水和干旱）；3）流程：發(fā)展方法以提高對能量和水循環(huán)的理解，支持改進地表和大氣模型；4）建模：通過加快開發(fā)地表和大氣模型，改進對全球和區(qū)域降水、云、地表水文和整個氣候系統(tǒng)的模擬和預(yù)測；5）應(yīng)用：總結(jié)變化、趨勢和極端天氣的原因，并與WCRP合作確定全球和區(qū)域能量和水循環(huán)的可預(yù)測性；6）技術(shù)轉(zhuǎn)化：與氣候和水文氣象服務(wù)部門合作，開發(fā)新的觀測，模型，診斷工具和方法，數(shù)據(jù)管理及其他研究產(chǎn)品，以實現(xiàn)多種用途，并過渡到運營應(yīng)用。7）能力建設(shè)：通過對科學(xué)家的培養(yǎng)和用戶推廣促進能力建設(shè)。

4 淮河能量與水循環(huán)試驗簡介

淮河地處我國南北氣候過渡帶，河流縱橫交錯，土壤肥沃，光、熱、水資源豐富，水旱災(zāi)害頻發(fā)，是我國夏季旱澇災(zāi)害最頻發(fā)的地區(qū)，直接威脅著人民的生命財產(chǎn)安全。1998年和1999年夏，在中國和日本國家自然科學(xué)基金委的支持下，與GEWEX/亞洲季風(fēng)試驗（GAME）合作，進行了淮河流域能量與水循環(huán)試驗（HUBEX）[15-20]，該試驗被譽為20世紀(jì)末我國大氣科學(xué)領(lǐng)域4個科學(xué)試驗之一，試驗中涉及了8種來自中國和日本的多普勒和常規(guī)天氣雷達以及大量先進的水文氣象觀測儀器、數(shù)十個高空探測站、數(shù)百個水文氣象站以及來自中國和日本的數(shù)百名工程師和科學(xué)家。

HUBEX取得了圓滿成功，得到了全面而豐碩的成果，并于2005年出版了試驗的最終報告，全面總結(jié)了在9個方面取得的主要成果，分別是：1）HUBEX試驗期東亞大尺度環(huán)流特征和天氣系統(tǒng)分析；2）HUBEX試驗期暴雨中尺度系統(tǒng)與洪水災(zāi)害；3）梅雨的水氣源和輸送；4）陸面過程；5）暴雨機理；6）區(qū)域/流域尺度的水分/能量收支；7）淮河流域徑流觀測和預(yù)測；8）GAME/HUBEX的四維資料同化分析；9）暴雨與洪水預(yù)報的前景。

HUBEX觀測到了江淮梅雨爆發(fā)前、梅雨期間，以及梅雨結(jié)束后不同天氣氣候條件下的重要降水過程，提供了大量寶貴的地面、探空、雷達、水文、衛(wèi)星及輻射、通量等多種加密和特殊的觀測資料；分析了梅雨期東亞大尺度環(huán)流特征和天氣尺度系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)東亞梅雨是多尺度天氣與氣候變率和系統(tǒng)的產(chǎn)物，大大深化了人們對梅雨發(fā)生發(fā)展的大尺度和天氣尺度條件的認識；建立了由3個X-波段多普勒雷達站（壽縣、淮南、鳳臺）組成的觀測陣，并據(jù)此獲得中小尺度擾動的三維動力結(jié)構(gòu)和生命史演變；發(fā)現(xiàn)了梅雨鋒降水系統(tǒng)主要由多尺度系統(tǒng)組成，并將天氣尺度的梅雨鋒劃分為副熱帶氣團內(nèi)梅雨鋒與融合型冷鋒梅雨鋒兩類，總結(jié)出兩類梅雨鋒鋒面的概念模型；發(fā)展了陸面過程與淮河流域區(qū)域水文模式。

5 未來展望

HUBEX已過去20年，其取得的研究成果在推動相關(guān)科學(xué)研究和業(yè)務(wù)科技發(fā)展上起到了重要作用。然而，在全球氣候變化和人類活動共同影響的背景下，淮河流域的能量與水循環(huán)正在發(fā)生改變，出現(xiàn)了一些未知的新規(guī)律和新特點，并引發(fā)了極端災(zāi)害性天氣?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)和數(shù)值模式，尚不能完全表征這些變化，刻畫影響及其反饋過程，給淮河流域科技和業(yè)務(wù)發(fā)展帶來了一定的阻礙。因此，需要我們對淮河流域能量與水循環(huán)的改變，以及相應(yīng)氣象與水文災(zāi)害風(fēng)險的變化，進行更深入、更全面的研究和探索，掌握和認識新的氣候、環(huán)境與水文變化規(guī)律。

吸收第一次淮河流域試驗的經(jīng)驗，依托以壽縣國家觀象臺為中心淮河流域多尺度觀測網(wǎng)、以及多種國內(nèi)外先進探測設(shè)備，結(jié)合前文總結(jié)的GEWEX最新科學(xué)問題和研究領(lǐng)域規(guī)劃，針對計劃開展的第二次淮河流域能量與水循環(huán)試驗（HUBEX-2）提出建議和思考。并進一步加強和WMO區(qū)域和全球計劃的合作，在新的國際和區(qū)域合作框架下加強對淮河流域能量與水循環(huán)的更高層次的研究業(yè)務(wù)能力發(fā)展。

1）建設(shè)觀測網(wǎng)，開發(fā)數(shù)據(jù)集

建設(shè)天地空一體化、微波-激光探測等相融合的淮河流域綜合觀測平臺，實現(xiàn)立體化觀測，尤其是氣溶膠-云相互作用等微物理過程協(xié)同探測，和全流域陸面過程的地空聯(lián)合觀測。收集整理觀測期間地面、雷達、地基遙感、衛(wèi)星遙感、探空等常規(guī)和特殊觀測資料，利用新質(zhì)控方法和技術(shù)手段開發(fā)高質(zhì)量數(shù)據(jù)集，附元數(shù)據(jù)和不確定性評估。

2）分析數(shù)據(jù)，揭示規(guī)律

分析數(shù)據(jù)獲取信息，揭示淮河流域能量與水循環(huán)的特征規(guī)律，并從溫室氣體排放、土地利用變化造成的輻射強迫和城鎮(zhèn)化、大氣污染、生態(tài)修復(fù)等下墊面人類活動的影響著手，揭示能量與水循環(huán)異常的形成機制，及其對旱澇災(zāi)害影響。

3）開發(fā)模式，加以應(yīng)用

建立適合淮河流域的變尺度數(shù)值預(yù)報模式，優(yōu)化云微物理過程和陸面過程的參數(shù)化方案，提高旱澇災(zāi)害預(yù)報準(zhǔn)確率。建立淮河流域農(nóng)業(yè)旱澇評估模型，突破災(zāi)害防御技術(shù)，提高旱澇災(zāi)害風(fēng)險預(yù)測和應(yīng)對能力。將模式應(yīng)用至一線業(yè)務(wù)中，檢驗?zāi)Ｊ降目捎眯裕⑨槍赡艹霈F(xiàn)的問題加以改進。

4）技術(shù)轉(zhuǎn)換，能力建設(shè)

將開發(fā)的數(shù)據(jù)集，模式及其分析應(yīng)用結(jié)果與科學(xué)家，政府和其他機構(gòu)之間共享，以確保更廣泛的用戶可以使用發(fā)展。鼓勵、歡迎領(lǐng)域內(nèi)科研技術(shù)人員參與工作，進一步培養(yǎng)人才。