近年來災害天氣機理和預測研究的進展

趙思雄 孫建華

中國科學院大氣物理研究所，北京100029

1 引言

我國是世界上氣象災害影響嚴重的國家之一，其中災害天氣的影響占很大的比重，諸如：暴雨、臺風、寒潮、暴雪、凍雨、沙塵暴及高溫酷暑等。進入21世紀以來，氣象災害頻發，造成嚴重的生命和財產損失。陶詩言等（2003）已對“天氣學和天氣預報的研究進展”作過綜述。本文繼此之后，將對近年來災害天氣研究的進展作一回顧，主要匯報我們的工作進展，同時，也要涉及其他部門的一些結果。限于水平，可能掛一漏萬。災害天氣的研究涉及諸多方面，本文擬從災害嚴重的暴雨入手，同時對其他的災害天氣亦作一討論。

2 致洪暴雨及其災害

我國歷史上關于洪水災害的記載史不絕書。《孟子·滕文公下》說過：“昔者禹抑洪水而平天下”。又據統計，自公元前 206年西漢立國起至晚清1840年的2046年中，較大洪水災害共計984次，平均每 2年左右就發生一次（駱承政和樂嘉祥，1996）。新中國成立以來，在1954年長江大洪水，1963年海河洪水及1975年河南特大暴雨之后，又經歷了1991、1998年等江淮流域大洪水，進入21世紀以來又經歷了2003、2007和2010年的暴雨和洪水（陶詩言，1980；丁一匯，1993；趙思雄等，2004；談哲敏和趙思雄，2010）。暴雨的研究既是一個古老的問題，又是一個嶄新的問題。為此，新中國成立以來，尤其是從“七五”到“十一五”期間，國家科技部都列出重大項目，開展專門研究（周秀驥等，2003；倪允琪等，2006）。但由于暴雨的形成機理及其預報是一難題，需要繼續突破，要求一代又一代的氣象工作者持續不斷的拼搏和努力，不敢稍有放松。盡管困難，陶詩言等（2003）的文章仍對暴雨預報未來的新進展寄予厚望。

近年來，對我國東部三條主要雨帶的研究又取得了新的進展。江淮流域2003、2007、2010、2011年出現了降水明顯偏多的情況（趙思雄等, 2004,2007；孫建華等, 2004, 2006b；矯梅燕等, 2004；張慶云等, 2004；周玉淑等, 2005；徐廣闊等, 2007；李博和趙思雄, 2009；Sun et al., 2010）。且在21世紀00年代雨帶由長江跳至淮河流域，而在21世紀10年代初，又有由淮河退回到長江的趨勢，存在著明顯的年際和年代際變化。隨著冷暖空氣的明顯交綏，中尺度渦旋變得比較活躍。中尺度渦旋的發生發展一直是中日兩國學者研究的熱點和關鍵問題，因為它和強降水密切相關（張鳳和趙思雄,2003；孫建華等, 2004；Zhang and Zhao, 2004；董佩明和趙思雄，2004a，2004b；董佩明等，2006；Sun et al., 2010；Tochimoto and Kawano, 2012）。除了關注到上游的西南低渦（趙思雄和傅慎明, 2007；Fu et al., 2010）外，還注意到在長江中下游，尤其是大別山區也有渦旋頻發（于翡, 2012；Fu et al., 2012），最近的研究表明，夏季梅雨鋒上的渦旋多數向東移至東海和黃海等航海和國防高度關注區域，或者偏東北移動出海。日本方面的學者更認為，在日本發展的梅雨鋒低壓中，有半數以上來源于中國大陸，中國大陸上渦源非常清楚，而且不同季節有較大的差異（Adachi and Kimura, 2007；Geng, 2008）。我國學者已對梅雨期兩類中尺度渦旋作了對比研究（傅慎明等, 2012a）。孫建華等（2004）還對梅雨鋒中尺度系統的發生發展作了分析。又揭示出即使在不典型的梅雨鋒情況下（包括少梅年），只要在一定時段，一定地區條件具備，仍可能有渦旋的發生（在鞍型場背景下），并引發暴雨，2009年 6月下旬武漢城區的洪澇即是如此（于翡和趙思雄,2013）。張立生等（2007）還對非典型梅雨期的暖性切變線引發的暴雨做了研究。針對梅雨期暴雨中心和渦旋易出現在特定的地理位置和對流降水夜間增強的觀測事實，研究了地形對降水日變化和落區的影響及機理。Sun and Zhang（2012）的研究表明, 由于二級地形與東部平原之間的不均勻加熱形成山地—平原熱力環流（MPS），夜間熱力環流的上升支和增強的低空急流加強了梅雨鋒從午夜到早晨的降雨；白天熱力環流的下沉支減弱了梅雨鋒降雨，夜間降雨的加強會生成中尺度渦旋，中尺度渦旋的東移給梅雨鋒東段帶來強降雨。孫晶等（2007，2011）對梅雨期暴雨作了更精細的模擬，并對其中小尺度系統的結構特征作了分析研究，探討了不同微物理方案對梅雨暴雨過程的影響。隨著近年來雷達、衛星以及地面觀測網的加密，提供了一些高時空分辨率的資料，對造成暴雨的中尺度系統也開展了一些研究工作。Sun et al.（2005）根據加密觀測資料研究給出了一類β中尺度對流線的模型，表明在梅雨鋒云系中也有中尺度的線狀對流，邊界層的輻合線是其組織起來的原因之一。梅雨期在高原東部的對流對下游的梅雨鋒降水也有影響。Bao et al.（2011）對高原東側暖季降水的日變化作了探討，并且揭示了高原對流系統東移影響下游降水的特征。趙玉春等（2012）還對川西高原東坡地形暴雨做了研究。傅慎明等（2010a）和Fu et al.（2010）的研究認為青藏高原東移對流系統影響下游地區降水存在不同的方式。其中，高原東移對流系統在四川盆地觸發西南低渦，西南低渦沿梅雨鋒東移沿途引發一系列暴雨，是持續時間最長，波及范圍最廣的影響方式。通常的情況下，梅雨期的環流型多為單阻型或雙阻型，貝加爾湖為槽區，冷空氣沿偏西北路徑到達江淮。而近年來，尤其是21世紀 10年代初以來，貝加爾湖常出現脊區，冷空氣沿脊的東、西兩側而下，常在我國長江中下游及西部地區引發較多的降水。同時由于中尺度渦旋頻發，有時甚至涉及一些支流及小江河等。因此，預報這類降水的難度更大（趙思雄，2011）。

在21世紀00年代前后，我國華南前汛期仍為多雨期，2005、2006、2008年皆如此。近年來由于外場試驗的開展獲得了一批寶貴的資料，從而有可能對華南前汛期的暴雨進行更深入的研究（Zhao et al., 2007），主要涉及鋒前暖區暴雨，一些低層的擾動在華南地區自西向東移動，系統并不深厚，甚至引發大暴雨的系統均如此（慕建利等，2008；傅慎明等，2010b），但是低層偏南氣流上的擾動很明顯，不僅有風向的輻合，而且有很明顯的風速輻合（夏茹娣等, 2006；夏茹娣和趙思雄，2009）。2008年開展的外場觀測實驗收獲頗豐，已揭示出暖鋒前暖區暴雨不僅涉及西風帶的系統，而且涉及渦旋的發生發展，這在華南是不多見的。更有甚者，有西南渦向東南移出，再生加強（傅慎明等, 2010b；Fu et al.,2011a；王東海等, 2011），亦有由季風槽中新生而移來者（Li et al., 2011），這表明環流的經向發展，及較低緯度渦旋的頻繁發生對華南降雨的影響。臧增亮等（2008）討論了地表動量通量對華南前汛期降水的影響。陳紅和趙思雄（2004）已對海峽兩岸及鄰近地區暴雨試驗（HUAMEX）期間暴雨過程及環流特征作了分析研究。Wu et al.（2010）專門對華南前汛期暴雨過程的天氣尺度特征作了探討。海峽兩岸同受華南前汛期暴雨的影響，臺灣地區的氣象工作者常把此段降水稱為“梅雨”或“春雨”。貝耐芳和趙思雄（2005）對一次引發臺灣地區強降水的鋒面及中尺度系統做了研究，揭示了中央山脈的增幅作用、季風涌及西南氣流有重要貢獻。除了春夏的暴雨外，秋季華南也會出現持續性暴雨過程，Fu et al.（2011b）對海南島由低渦引發的持續性暴雨做了研究。

對于北方暴雨，已注意到近年來有增多的趨勢。為了弄清這一現象，孫建華等（2005）和孟慶濤等（2009）已做過專門的統計，他們使用1990～2005年全國730個站日降水的資料，對華北和東北地區大暴雨過程進行了分類研究，探討了 21世紀前后夏季華北、東北暴雨的主要特征，表明種類繁多，情況仍較復雜，指出近年來該區降水較為活躍，有所增多。北半球存在三大切斷低壓（Cut-off Low,簡稱COL）的區域：東北亞、南歐和北美。對于后兩者，國際上已有較多研究，而對東北亞的情況了解甚少。應歐洲刊物 MAP邀請，Zhao and Sun（2007）撰文對此作了探討。他們注意到在環流穩定的條件下，這些切斷低壓有可能較長時間維持，甚至達 2～3周，引發北方持續性夏季降雨。且在東北亞的COL最先多見于500 hPa層，而不像南歐、北美那樣多見于200 hPa層，它除引發降水外，可能還與對流層與平流層，甚至更高層的相互作用有關，這是需要進一步深入探討的問題。喬楓雪等（2007）對 2005年引發持續暴雨的東北低渦的結構、渦度與水汽特征的研究發現，在加強階段渦度在中高層增加得最快，并向低層傳播，有可能誘生氣旋的發展。水平渦度平流項和水平輻散項對低渦發展、加強有重要作用，但在各不同階段，其相對重要性有差異。謝作威和布和朝魯（2012）分析了東北冷渦低頻活動特征及其環流背景。Fu and Sun（2012）和 Xia et al.（2012）還分別對東北冷渦的渦度和能量收支進行了診斷。袁美英等（2010）對東北地區一次短時大暴雨β中尺度對流系統進行了分析。趙宇等（2011）對引發華北特大暴雨過程的中尺度對流系統的結構特征作了探討。針對華北暴雨，一些學者從復雜地形、下墊面以及城市熱島效應等諸多方面開展了研究。孫繼松（2005）及孫繼松和楊波（2008）指出平原與山區之間溫度梯度方向、強度的變化，是北京地區夏季邊界層急流形成或消失的直接原因，局地暴雨與邊界層急流之間存在明顯的正反饋現象，由城市熱島形成的水平溫度梯度有可能在靠近城區的山前迎風坡強迫產生相對獨立的中尺度風垂直切變，由此產生的低空風垂直切變是維系中尺度對流降水發生發展的重要條件。2012年7月21～22日北京市出現歷史罕見強降雨過程，其強度超過百年一遇，損失慘重。包括暴雨、洪澇在內的城市氣象災害研究已成為當前和今后國家的迫切需求。

我國過去對暴雨的研究，主要集中于東部地區，這是完全符合實際的。因為隨著季風的推進，雨帶由南向北分別出現于華南、江淮流域和華北等地區。隨著西部大開發的進行，同樣需要對西部的暴雨給予足夠的關注。我國西南的云貴地區屬低緯高原，受季風影響，地形復雜，其降雨天氣系統與東部地區差異較大，對其機理不甚明了。董海萍等（2005a，2005b，2007a，2007b）對我國這一低緯高原初夏強降水天氣進行了診斷與數值模擬研究，在較為真實模擬的基礎上，對云南地形影響作了試驗，表明云南紅河的喇叭口地形對降水落區和強度有明顯的影響。Dong et al.（2007）指出印緬槽的位置及冷空氣的路徑與暴雨有重要關系，通過計算表明水汽主要來自孟加拉灣。近年來，我國西北地區降水也趨活躍，這里與東部地區有很大不同，少受甚至不受季風影響，有“春風不度玉門關”之說。盡管相對東部地區而言，該區雨量較小，但是較強降水仍有發生。孔期等（2011）對一次烏魯木齊暴雨的分析表明，該降水屬于一次大尺度斜壓過程，西風帶的中亞低渦是該暴雨過程的主要影響系統，其中有明顯的γ中尺度對流云團發生。

除了突發性暴雨以外，對持續性暴雨亦開展了探討。最近國家又啟動了新的973項目，對持續性暴雨開展研究。近年來江淮流域暴雨呈現出較為復雜的局面。Tang et al.（2006）對1951～2004年的中國持續性暴雨事件的氣候特征做了研究，得到了其頻率、強度和雨帶的空間和時間分布，為今后的機理研究和預報的改進提供了幫助。對暴雨的年代際變化亦進行了研究，鮑名和黃榮輝（2006）揭示出我國夏季降水發生的頻率具有明顯的年代際特色，20世紀70年代末開始的華北暴雨減少可能與赤道中、東太平洋海表面溫度的年代際變化有關，而20世紀90年代長江以南暴雨增多則可能與熱帶西太平洋偏東方向熱對流的年代際變化有關。Li et al.（2012）研究了中國東部與年代際變化有關的水汽輸送的特征。大體而言，在20世紀70年代北方降水偏多，80年代江淮流域增加，而華南減少，至90年代后華南降水增加。在過去的30年間，降水增加有從北到南的年代際變化。對于進入新世紀后00年代的變化又有集中于淮河流域的趨勢，21世紀 10年代初雨帶又有向長江流域移動的特征（趙思雄, 2011）。

暴雨的預報一直是業務工作的難題。針對暴雨的預報問題，已開發出多種動力預報因子（Gao and Cao, 2007; Gao and Ran, 2009），并在此基礎上發展了集成的暴雨預報系統。張小玲等（2010）還發展了基于“配料”的暴雨預報方法。總之，暴雨的研究和預報需要進行更多的觀測和研究（Qi and Sun,2006；徐廣闊等, 2007；Zhong et al., 2007；李博等,2008）。現在暴雨預報已進展到關注多種尺度的影響，有時某段時間的氣候異常，也許是來源于一、兩次極端天氣事件所致，對不同的事件應當進行具體研究。此外，每年夏天大氣所的同仁還開展汛期降水預測會商，密切參與并關注災害天氣，提煉科學問題，總結經驗教訓（孫建華等，2011；陳紅等，2007；衛捷等，2007）。

3 登陸臺風及其引發的強降水

臺風的研究涉及諸多復雜的課題，包括發生發展，移動路徑，登陸及致災等。本文因限于災害天氣機理等，對前兩方面不作探討，只討論登陸臺風引發的強降水。已有研究指出，臺風的遠距離輸送或臺風北上與西風帶系統相互作用是華北及東北地區產生大暴雨或持續性大暴雨的重要條件（孫建華等，2005；孟慶濤等，2009），最早者如1975年8月河南省由登陸臺風所引發的特大暴雨（陶詩言,1980）。最近以來，經過了一段時間的“停息”之后，登陸或北上的臺風又有增多的趨勢。龔曉雪和趙思雄（2007）已對向北移動影響我國的“麥莎”（Matsa）臺風的結構、演變和能量進行了研究。麥莎登陸北移過程中，高層的無輻散風穿越等高線將位能轉化為動能這一過程較麥莎整體加強為早，而輻散風是低層動能的主要來源。麥莎高層把臺風環流的動能向環境輸送，而北美的Agnes颶風則是環境區有大量的動能向臺風環流區輸送，這可能是Agnes比Matsa更為強烈的原因，因而后者并未像Agnes那樣強烈變性加強為溫帶氣旋。此外，還應強調北方大陸小高壓的作用，它位于麥莎臺風的西北方，對臺風的移動方向有一定的影響。應該注意到，這類小高壓對于“7203”和“7503”等北上產生重大災害的臺風均有明顯的影響，給預報帶來不少的困難。但其具體如何影響臺風的結構、路徑及強度方面的機制研究并不多，今后對此應給予更多的注意。孫建華等（2006a）的研究證實，“9608”臺風屬于比較少見的登陸臺風北上受高壓阻擋停滯類型，臺風倒槽內發生發展的兩個中尺度對流云團是造成該次超強暴雨的直接影響系統。齊琳琳等（2006）對熱帶氣旋“蒲公英”兩次登陸過程做了研究，表明它在登陸臺灣期間，東亞環流形勢呈典型的鞍型場分布，有利于它的維持和北上轉向。更為讓人關注的是“碧利斯”臺風登陸我國后，未很快減弱，而是向偏西方向移動，登陸4天后，在湖南南部引發了大暴雨，造成慘重的人員傷亡，此種情況為數十年所罕見。Gao et al.（2009）已對其強降雨過程進行了觀測分析，葉成志和李昀英（2011）還用數值模式探討了熱帶氣旋“碧利斯”與季風的相互作用過程，季風涌對該臺風登陸后經久不衰有重要影響。周海光（2008）采用多普勒雷達資料對強熱帶風暴“碧利斯”引發特大暴雨的中尺度結構作了分析。李英等（2007）研究臺風激發的大氣波動、大氣三維結構及其與臺風雨帶的關系，Matsa 北向傳播的大型雨帶分布特征與大氣慣性波與大氣重力內波的混合波特征有關。只有在適當的大氣層結與合適的重力波垂直波數條件下, 臺風擾動才能激發此類遠距離傳播的波動, 并形成大范圍的波狀雨帶。Hao et al.（2009）對于熱帶氣旋的風場演變從動力學上進行了解釋。近年來進入南海并登陸中南半島的臺風有所增加，Wangwongchai et al.（2010）對臺風“Chanthu”影響泰國的過程進行了研究，又據稱泰國2011年夏秋季的嚴重洪水，前期受臺風影響，而后期則受季風涌的影響。黃立文等（2005）專門研究了中尺度海—氣相互作用對臺風暴雨過程的影響，認為這是一種通過臺風大風區附近海平面溫度（SST）下降以調節降水和臺風強度的負反饋機制。張慶紅等（2010）對登陸中國大部臺風的影響力作了深入的剖析。近年來，臺風及熱帶低壓對大城市的影響也很突出。齊琳琳和趙思雄（2003, 2004）及Qi and Zhao（2003）對一次熱帶低壓引發上海特大暴雨過程的中尺度系統作了診斷分析，并利用非常規資料對該次過程進行了模擬研究，表明有4個中尺度雨團發生發展，屬于典型的β中尺度系統。丁德平和李英（2009）還專門針對北京地區臺風降水的特點進行了研究。對孟加拉灣的熱帶低壓引發的暴雨的結構及其水汽供應，以及低緯度系統之間的相互作用亦做了研究，并與中國的梅雨鋒低壓作了對比（Rasul et al.,2005；孔期等, 2005）。黃榮輝和王磊（2010）揭示登陸我國的臺風和熱帶氣旋的地點有年際變化，與夏季北半球大氣環流異常的東亞/太平洋型（EPA型）存在遙相關的關系。

4 寒潮冷涌、凍雨及暴雪

近年來冷季災害不斷發生，且其表現形式各異。強者如寒潮冷涌，中等強者如凍雨，水汽充足者甚至出現暴雪，為何會有如此明顯的不同，應作深入探討。研究表明，在全球氣候變化的背景下，21世紀仍然有強寒潮爆發。趙思雄和曾慶存（2005）對 2004～2005年冬一次強寒潮和冷涌進行了分析研究，該次強寒潮的冷鋒很快移過中國大陸，在西太平洋上引發了溫帶氣旋爆發性的發展，后移過日本南側，直至阿留申地區。另，南下的冷空氣快速移動，該冷涌后來越過赤道到達澳大利亞引發了澳洲的強降水，這證實了李憲之 1930年代在資料稀少情況下，所作的分析非常精辟。Kong and Zhao（2010）針對此次澳洲強降水的演變及中低緯系統相互作用進行了細致的探討，提出了一類南半球中低緯度相互作用的物理模型。傅慎明等（2012b）還對該次寒潮的能量轉換進行了診斷，表明存在很強的斜壓性，在東亞大陸有大量的有效位能向動能的轉換，因而以大風降溫為主，未出現明顯的降雪。丁一匯和馬曉青（2007）對 2004～2005年冬季的一次強寒潮事件進行了等熵位渦分析，指出該次寒潮過程冷空氣來源于平流層下部和對流層上部。Wangwongchai et al.（2005）對2000年11月的一次強冷涌入侵低緯引發泰國南部和馬來西亞的強降水做了研究，揭示了冷涌誘生的近赤道小渦旋的存在（據稱，在國際“冬季風試驗”期間未曾捕捉到該類系統），對流強烈發展，哈德來環流將大量熱量輸送向中緯度。南非和馬來西亞學者認為上述結果在科學上很有意義，而過去極少這方面的研究（Juneng et al., 2007）。

對于我國南方的雨雪冰凍天氣也開展了較多的研究，并在《氣候與環境研究》上出版了“2008年1月中國南方低溫，雨雪，冰凍過程的研究專輯”。陶詩言和衛捷（2008）指出，2008年大范圍冰雪天氣過程的成因是由于歐洲大陸出現異常的大氣環流，1月中下旬亞洲中高緯度60°E～100°E地區阻塞形勢穩定維持 20余天，里海以東地區長期維持一個切斷低壓系統，該系統中有三次擾動沿青藏高原向東移入我國上空，同時有大量暖濕空氣被輸送到我國南方，致使出現嚴重的持續性的凍雨天氣。趙思雄和孫建華（2008）探討了環流異常和影響系統等特征，并對其多尺度的結構作了分析。孫建華和趙思雄（2008a, 2008b），Sun and Zhao（2010）指出，在大氣環流異常的條件下，一條準靜止鋒穩定維持于長江流域，是雨雪冰凍的重要影響系統，這在冬季并不多見，成為了“冬行夏令”的狀態。他們強調了低層熱力結構的特征（即逆溫層及“暖鼻”的存在）以及云微物理和微氣象諸多問題的共同影響，提出了一個持續性雨雪冰凍天氣的多尺度系統物理模型及雨雪冰凍的鋒面結構與大氣層結特征的物理模型（Sun and Zhao, 2010）。研究還指出：近地面溫度的影響非常敏感，還涉及陸氣之間的相互作用等。同時強調，降水定量預報難度大，而降水類型（雨、凍雨、雨夾雪、雪等）的預報是又一個難題。王東海等（2008）對 2008年 1月南方雨雪冰凍天氣特征及其天氣動力學成因作了探討。陶祖鈺等（2008）分析了該次冰凍災害及其準靜止鋒的特征。張慶云等（2008）討論了亞洲中高緯度環流異常與我國南方持續性雨雪冰凍的關系。楊貴名等（2008）對該次雨雪冰凍災害天氣持續的原因作了分析，指出貝加爾湖以西阻塞高壓強而穩定，中亞、西亞低槽（渦）位置少動，發展活躍，南支槽也較活躍等。李崇銀和顧薇（2010）揭示，烏拉爾阻塞高壓的持續活動對2008年1月中國南方雨雪冰凍災害的發生有重要作用，而北大西洋海溫正異常的存在是該阻塞高壓持續維持的重要外強迫因素。

近十年間，我國大陸上時有持續性強降雪發生，但我們對于降雪，尤其是持續性降雪的研究相對薄弱。這些暴雪有其特色，主要不是由溫帶氣旋所引發，也不似日本的暴雪多與出海低壓的發展有關。黃翠銀等（2008）對山東半島冬季由海岸鋒引發的暴雪做了研究，確認與海岸鋒環流相伴隨的上升運動對于降雪的局地增強有重要作用。孫建華和黃翠銀（2011）采用數值模擬的方法，對海岸鋒的三維結構和機理作了討論，海岸鋒鋒區出現在 900 hPa以下，強降雪落區位于海岸鋒及其冷區一側。海洋熱通量是海岸鋒形成的關鍵因子，其中感熱通量使海陸溫差加大是形成海岸鋒鋒生的重要條件。

在對引發北京的“小雪大災”的回流天氣作了討論（趙思雄等, 2002；孫建華和趙思雄, 2003）之后，最近又對引發暴雪的回流天氣的特征做了研究（Li et al., 2010）通過風廓線資料發現，回流層主要在3公里以下。冷高壓南側的回流（偏東氣流）再加上低層的倒槽（切變線）可能使暴雪加強。雷達徑向風速顯示，一條中尺度輻合線維持 10余小時，且在其中有活躍對流發展，引致華北破紀錄暴雪的發生。對冬季災害中的中尺度系統發生發展應給予足夠注意，也許同是回流天氣而出現強降雪和一般降雪的差別就在這里。葉晨等（2011）和張元春等（2012）還對近年來華北和北京暴雪的機理作了分析。

當然，在我國尤其是東北地區由氣旋發展引發的降雪也有發生。劉寧微等（2009）對近年遼寧歷史罕見暴雪過程的分析表明，500 hPa南北支槽合并帶來的強冷暖空氣交匯，誘生低壓并發展成為氣旋北上，這與北美等地的暴雪過程有一定的相似之處。這表明了我國暴雪影響系統的多樣性。董嘯等（2010）對近 50年東北地區暴雪的特征作了統計，暴雪主要集中在長白山、遼東半島等地，近50年來，東北地區全年暴雪量呈現出一定的增加趨勢。因而，對于年代際的變化，亦應給予足夠的注意。

5 沙塵暴天氣及其數值預報

東亞與澳洲、北非、北美一起，為世界四大沙塵天氣多發區。進入 21世紀以來，北方沙塵暴天氣又趨活躍，引起高度關注。葉篤正等（2000）強調了該類災害天氣的嚴重性，建議盡快開展多方面的研究。我國相繼在沙塵觀測網建立，沙塵暴氣候特征，沙塵暴的成因機理、數值模式與模擬方面有一批工作并取得了重要進展。周自江等（2002）對近 47年的沙塵暴氣候特征作了統計，發現“我國北方大部分地區的沙塵暴在減少”，但“2000年華北和西北東部部分地區的沙塵暴多于20世紀90年代的平均值”，“沙塵暴與大風的年際振蕩及多年變化趨勢有一致性”。因而，沙塵暴的發生頻次時有反復，且強沙塵暴仍有出現。石廣玉和趙思雄（2003）對于“沙塵暴研究中的若干科學問題”作了較詳細的闡述。對于沙塵暴的影響天氣系統，趙琳娜和趙思雄（2004a, 2004b）和 Zhao and Zhao（2006）已對一類快速發展的溫帶天氣系統作了診斷和數值模擬研究，指出，該類氣旋發展迅速，引發強風。高空鋒生區疊加在低層鋒區之上，使斜壓性增強，有利于有效位能的釋放，動能的制造及氣旋的發展加深，而水汽和凝結潛熱釋放的作用不明顯，這不但與挪威學派的模型及Patterssen的A、B類氣旋發展模型不同，更與夏季我國江淮氣旋和西南渦等低壓系統有很大差異。他們提出的蒙古氣旋是東北亞沙塵暴一類重要的影響系統的這一觀點，已被日本和蒙古學者肯定和引用（Dulam and Shinoda, 2011）。曾慶存等（2006）在多年研究的基礎上，完成了《千里黃云——東亞沙塵暴研究》專著，對東亞沙塵暴的天氣氣候特征、觀測分析，風沙動力學和沙塵數值預報，沙塵中期預報和短期氣候預測，災害影響評估和防治作了系統論述。

孫建華等與國家氣象中心合作（孫建華等,2003, 2007），采用Shao（2000, 2001）的具有清晰物理學概念的起沙模式，耦合于中尺度數值模式中，并結合輸送模式、高精度GIS數據等，建立了一個較完整的沙塵暴起沙和輸送過程的預測系統，并提交業務應用，取得了較好的效果（Sun and Zhao,2006; 孫建華等, 2007; Sun and Zhao, 2008）。趙琳娜等（2002, 2004, 2007）還對沙塵暴的起沙、輸送等作了一系列的模擬研究。矯梅燕等（2007）為解決沙塵觀測采用能見度，而模式所得結果是沙塵濃度，二者之間如何建立聯系的問題，進行了沙塵天氣定量分級方法研究，并用于實際工作中。曾慶存等（2007）揭示風蝕和起沙揚塵的物理動力機理，率先提出陣風起沙的動力學理論，并用于數值預報模式。程雪玲等（2007）對觀測資料進行分析后指出，我國北方春季冷鋒過境后，常驟發強風，甚至起沙揚塵，持續數小時至一兩天，通過對邊界層超聲風溫儀的資料分析，發現大風常疊加有周期為3～6 min的陣風，較有規律，且有明顯的相干結構，“陣風在動量傳送上起到相當大的作用”。

張高英等（2004）對近年來強沙塵暴天氣氣候特征作了分析研究，指出影響我國的強沙塵暴的路徑至少可分為三種類型，即偏西路徑、西北路徑和南疆盆地型。以西北路徑偏多，主要為冷空氣入侵沿途大風所致。但影響最大的主要與蒙古氣旋及相伴的大風有關，它有明顯的斜壓結構且發展猛烈，可席卷東北亞、太平洋及南下中國東南。而新疆特殊的地形條件（高山環繞和塔里木盆地下沉氣流）使沙塵不易上升而輸送出來（Sun et al., 2008），這也提醒人們，國際上一些人所說沙塵重要源地在塔克拉瑪干沙漠，這一看法需要再作推敲與論證。我國北方春季的連續干旱、氣溫偏高及冷空氣活躍是強沙塵暴天氣形成的重要氣候背景。陳紅等（2004）、郎咸梅等（2003）考察了中國科學院大氣物理研究所（IAP）不同類型模式對我國春季氣候異常的預測效果，并在此基礎上進行了春季沙塵天氣異常的動力學預測試驗。結果表明，IAP的系統對我國春季氣候及沙塵天氣趨勢具有一定的預測能力。

沙塵暴的影響系統具有多樣性，在我國東北、華北及西北地區東部可能多受蒙古氣旋的影響，而在西北地區大部，尤其是偏西路徑時，可能會出現另外的情況（如93.5黑風暴）。趙慶云等（2012）對河西走廊“2010–04–24”特強沙塵暴特征的分析表明，西伯利亞—新疆北部的偏北大風攜帶著極地強冷空氣入侵，造成了甘肅河西走廊的特強沙塵暴，高空有動量急驟下傳，地面氣溫劇降，并伴有低壓發展。從觀測到沙塵至天空完全被沙塵遮蔽，僅僅只有2.5 min。錢莉等（2011）強調了地面冷鋒所伴隨的強風是產生黑風暴的主要原因。因此，不可都去套用蒙古氣旋一種模式，對不同的影響系統應作具體的分析。王麗娟等（2011）對 2009年 4月的一次強沙塵暴的模擬研究較好復制出該次沙塵天氣的時間和空間演變特征以及強沙塵暴的范圍，起沙后沙塵粒子主要靠對流層低層的大風長距離輸送，對起沙量貢獻最大的是粒徑 d在2 μm＜d＜11 μm的粒子。此外，李曉嵐和張宏升（2012）利用325米氣象塔的資料對2010年春北京沙塵暴的微氣象學特征做了研究。孫永剛等（2011）對內蒙古一次強沙塵暴過程的觀測資料作了綜合分析。

王自發等（2008）已發展了沙塵和氣溶膠的數值模式，取得了很好的效果，不僅用于沙塵天氣預測，對環境科學和氣候變化等研究均有貢獻，由于本文主要涉及災害天氣問題，因而不在這里作更詳細的介紹。

6 高溫與酷暑

我國定義日最高溫度超過35℃為高溫天氣，日最低氣溫超過25℃為悶熱天氣。高溫悶熱天氣是一種災害天氣，可造成電力負荷持續升高，供水緊張，對工農業生產有重大影響，對人體健康帶來很大危害，引發疾病甚至導致死亡。在氣候變化的背景下，隨著城市化的快速發展，我國夏季高溫悶熱天氣頻繁出現。除原有的長江流域的“火爐”外，在華北和華東又出現了新的南、北“火爐”。對此，一些學者已作了討論，揭示出不同的影響系統，其機理和環流等有很大不同。

中國科學院大氣物理研究所和北京市氣象局合作，對華北和北京的酷暑天氣進行了研究。謝莊等（1999）的結果指出，近 60年中，北京出現酷暑天氣的年頻率為81%，并不少見，尤以20世紀40年代和90年代明顯偏多。華北和北京酷暑天氣的出現與大氣環流形勢密切相關，大陸副熱帶高壓維持于華北上空是其主要原因，空氣下沉增溫是酷暑的重要機制，而大城市的熱島效應則可使城區百葉箱氣溫再增高 2℃左右。孫建華等（1999）的數值模擬較好地復制出大陸高壓的移動過程、強度和維持等，確認了高壓中的下沉增溫等是造成高溫酷暑天氣的主要原因。錢婷婷等（2005）對造成北京連續高溫的河套高壓的結構作了分析。謝莊和崔繼良等（2006）又對北京城市熱島效應的晝夜變化特征作了進一步分析，制作了連續3年平均的逐月逐時熱島強度變化的三維立體圖。衛捷和孫建華（2007）對華北地區夏季高溫悶熱天氣特征作了分析。20世紀60年代，夏季亞洲中高緯500 hPa上，在烏拉爾山、貝加爾湖及鄂霍次克海地區分別出現長波槽、脊及槽的環流占優勢，華北易受大陸高壓控制，出現了高溫但不悶熱天氣的一個高峰。20世紀90年代，亞洲中高緯地區再次出現類似60年代的環流，受大陸高壓及西太平洋副高伸展的共同影響，引致高溫悶熱天氣。史軍等（2009）指出在1960～2005年的45年間華東高溫日數發生有“多—少—多”的年代際變化，高溫日平均最高氣溫以華東中西部的浙江、安徽和江西大部分地區較高。同時，高溫日數與副高強度和面積指數在華東東南部有顯著正相關，城市化及熱島效應也是高溫日數增加的原因之一。楊輝和李崇銀（2005）對 2003年夏季江南高溫作了分析，該年江南出現大范圍異常高溫天氣，無論其絕對高溫值，還是持續時間之長都創下了歷史紀錄。通過對其成因和機理進行分析，發現西太平洋副熱帶高壓的極度持續偏強和西伸是直接原因，而西太平洋副熱帶高壓形勢的持續異常是多系統綜合作用的結果。Ding et al.（2009）的研究顯示我國大部分地區，尤其是北方地區的極端高溫事件（EHE）的日數呈現出顯著的增加趨勢。孫建奇等（2011）對1961～2000年EHE異常的年際和年代際變化的大氣環流因子作了探討，北方主要是對流層中上層位勢高度異常所致；中部和南部除中高層高度異常外，低層冷暖平流的作用也很重要。鑒于上述問題的復雜性，尚需進一步繼續研究。近年來，我國西部地區常有的干旱問題，與東部持續時間相對較短的高溫酷暑有很大不同，由干旱持續的時間更長，多屬于氣候的范疇，因此不在這里作更多討論，有興趣者可參閱相關文獻（彭京備等，2007；楊輝等，2012）。但冬季出現的干旱，似與副高關系不大，而與西風帶環流異常，冬季冷空氣偏弱，及南支槽偏弱有關。這些特點可幫助我們對比思考，以更清楚理解夏季高溫酷暑的成因。

7 結語和討論

中華民族的歷史，已經經歷了太多的災害（孟昭華, 1999），然而，今天在全球氣候變化的背景下，極端與災害天氣仍然頻發，需高度關注。本文對我國的幾類主要氣象災害略加歸納和評述，涉及暴雨洪澇、登陸臺風、寒潮、暴雪、強沙塵暴及高溫酷暑等，其實不只是這些，另外一些災害天氣亦很嚴重，如颮線及強風暴（梁建宇和孫建華, 2012；路秀娟等，2010），濃霧（齊琳琳等，2010）和霧霾，還有一些次生災害（曲曉波等，2010；汪君，2012）等。限于篇幅，不能在此一一列舉其進展。對于下一步，有如下的思考，供參考：

（1）中國的災害天氣有其自身特色，需要我國科學家去深入研究。由于我國處于東亞，西為青藏高原，東臨太平洋，而又處在世界最大季風區，災害天氣繁多，與歐美有所不同，如梅雨鋒，冷高壓的回流，干冷的蒙古氣旋及夏季大陸和海洋的副熱帶高壓等，其生成演變機理及引發的災害天氣的成因，有待我們去進一步弄清。

（2）天氣與氣候相輔相成，難以硬性分割。二者有區別，但又有密切聯系。災害天氣常涉及多種尺度系統及其相互作用，范圍較大的致洪暴雨及長時間的持續暴雨的機理和預報，仍是我們面臨的難題。它們可能涉及中低緯度系統的相互作用，甚至南北半球系統的相互作用，以及季風的年際和年代際變化，ENSO、低頻振蕩及羅斯貝波列的影響等，這使我們要關注的問題更加復雜化。不僅要注意中尺度系統，而且應有更廣闊的視野，例如中期、延伸預報的問題（錢維宏，2012）。另一個值得注意的問題是在全球氣候變化的環境下，災害天氣的強度和頻率會有何變化？在地區的分布上會有何變化？僅從目前掌握的資料，尚難于準確回答此問題，還應作更多的研究。

（3）進入 21世紀，隨著經濟的高速發展，人類對災害天氣的預報提出了更高的要求，要發展更精細的數值天氣預報，真正在定時、定點、定量預報上有所突破。由于數值預報模式尚有一些不確定性，除要努力研究改進、發展新的同化系統和適用于東亞的云微物理方案等外，還應在天氣動力學基礎上，結合預報人員有益的經驗作出正確的判斷，這仍是很重要的。還要指出，冬季降水類型（雨、雨夾雪、凍雨、雪）的預報涉及微氣象學、云的微物理學、陸面與低層大氣的相互作用等，是另一個難題。我國面臨七大江河及其支流的洪水預報和預警任務，僅有定量的暴雨預報，仍顯不夠。洪水預警更寄期望于發展水文氣象耦合預報模式，以延長洪水預報的預見期，而氣象與水文模型的雙向耦合模式更是一個重要的發展方向，難度很大，需要努力攻克。沙塵暴的預報更涉及新的起沙機制的研究與發展，而目前傳統的觀測網尚不能全面監測沙塵暴的發生發展，建立包含下墊面生態環境要素，大氣物理化學要素的專門的沙塵網絡系統是深化對沙塵暴特性認識和發展沙塵暴定量預警技術的重要基礎。我國有關部門和氣象工作者已為此做出很大的努力。

（4）城市氣象災害作為一個必須面對的重要課題，正越來越受到關注，內澇、雨雪、沙塵對經濟和人民生活的影響，日益更為突顯，必須開展更多的研究。過去對海洋氣象災害關注不夠，我國有廣大的海洋國土需要我們去開發建設和管理，對東海、南海等地區，甚至馬六甲海峽及印度洋運輸線等處災害天氣的研究急待加強。氣象工作者正面臨新的機遇和挑戰，任重而道遠。

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