全球能量與水循環試驗以及淮河流域能量與水循環試驗概述

黃勇，張文建

（1 安徽省氣象科學研究所，大氣科學與衛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田生態氣象野外科學試驗基地，壽縣 232200；3 世界氣象組織，日內瓦 1211）

0 引言

能源是地球上生命的基礎，地球大氣系統通過大氣、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，產生能量循環。水循環則通過降水、蒸發、地表和地下水徑流等環節，平衡水資源[1]。全球水循環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、氣溶膠和其他現象都在這個循環中起作用。

研究能量與水循環，對提升全球和區域氣候模式預報以及氣象防災減災有著重要意義，并能產生顯著的經濟效益和社會效益[2-5]。國外學者們先后開展了多次大型能量與水循環試驗，包括全球能量與水循環試驗（GEWEX）、協調能水循環觀測計劃（CEOP）、全球變化的地球和前沿研究系統計劃（FRSGC）、水文循環中的生物學作用計劃（IGBP/BAHC）等[6-13]。

GEWEX是國際科聯理事會與世界氣象組織為了研究氣候異常、解決長期預報，以防災減災、保證糧食生產為目的，而設立的世界研究計劃，重點關注大氣、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和能量通量[14]。從20世紀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，側重于開發分析工具和模型，使用業務和研究型衛星、大尺度區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）參數化研究。第二階段為2003—2012年，開始對新型衛星傳感器的數據進行科學開發。在第一階段和第二階段的成果和經驗的基礎上，2013年GEWEX又開啟了第三階段（2013—2022年），制定了新的目標和戰略規劃，并根據世界氣候研究計劃（WCRP）提出的挑戰確定了將要解決的4個科學問題。

1 全球能量與水循環試驗（GEWEX）簡介

GEWEX是WCRP的4個核心項目之一，研究大氣的動力學和熱力學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/大氣系統研究小組（GLASS）、全球大氣系統研究小組（GASS）、水文氣候學小組（GHP）以及數據和分析小組（GDAP）。

GLASS是以模型開發和評價為核心目標，通過協調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問題的應用，促進陸面模式的發展。主要包括：植被物候、植被動態結構和碳庫模型的發展；濕地、城市、農田與地下水之間的相互作用、養分循環、冰凍圈過程和土地屬性表征的改進；優化衛星光譜間隔，以方便衛星數據的數值同化應用。

GASS目的是發展和提高天氣和氣候模型中對大氣系統的描述能力。GASS支持全球合作開展觀測和數據使用，以及過程研究和數值模式試驗，通過協調科學項目來匯集全球專家，為大氣數值模式的發展做出貢獻。

GHP的目標是理解和預測大陸尺度到局地尺度的水文氣候及其應用。GHP致力于從綜合的角度提高我們對區域尺度能量和水循環的理解。在區域尺度上處理水循環可以讓我們從物理到經濟再到社會方面，更好地理解該系統的許多組成部分。GHP中主要有3類項目：理解和預測水文氣候的區域水文氣候項目；在全球范圍內傳播和綜合成果的跨領域項目；收集和分發重要數據的全球數據中心。

GDAP主要通過匯集與云過程有關的輻射相互作用和氣候反饋的理論和試驗發現，回答 “地球氣候對輻射和其他強迫力的變化有多敏感?”這一核心問題。這將使我們能夠更好地預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致的氣候變化的后果。

GEWEX自1980年代建立以來，共經歷了3個階段。第一階段（1990—2002年）被設計為建設階段，第二階段（2003—2012年）強調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以及新的環境衛星系統，以期對氣候科學作出更大的貢獻。第三階段（2013—2022年）根據新的挑戰制定了新的目標和戰略規劃。

2 GEWEX第一和第二階段試驗

GEWEX第一階段（1990—2002年）在新型衛星正式投入使用之前，最大限度地研究當前運行的衛星及其數據，側重于開發分析工具和模型，使用業務和研究型衛星、大尺度區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）參數化研究。第一階段由3個重點研究領域組成：輻射項目（GRP）、水文氣象項目（GHP）、模式與預測項目（GMPP）。GEWEX亞洲季風試驗（GAME）隸屬于GHP。第一階段形成了解決水和能量循環中關鍵要素的項目，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據集開發，過程研究以及模式開發。

經過多年研究，GEWEX第一階段產生了大量研究成果，如：揭示了區域水循環和能量平衡接近閉合的事實，及其循環和日變化對區域氣候預測有著重要作用；得到了10～25年的云、降水、水蒸氣、地表輻射、氣溶膠全球數據集；改進了大多數區域和全球的地表和云參數化方案，提高了降水預測能力。此外，GEWEX第一階段的研究成果也產生了重大影響，包括：分發了15000個數據光盤，被20多個學術期刊關注，成果引用超過5000條；發展了水文學和大氣科學之間新的跨學科關系（著重于陸地與地面之間的相互作用），創立學術期刊——《水文氣象學雜志》（Journal of Hydrometeorology）。

GEWEX第二階段（2003—2012年），著重在第一階段基礎上，研發新型衛星傳感器的數據應用，并依賴升級后的模式和同化系統以及新的環境衛星系統，來對氣候科學作出更大的貢獻。第二階段開發和應用了從全球氣候模式到區域和中尺度模式的多個不同尺度數值預報模式，并發展了降尺度方法，以開發適用于與水文相關的，可以在當地水資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）形成了連續的數據集，附有地球能量平衡和水循環數據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，用于氣候系統分析以及模式開發和驗證；2）加深了對能量和水循環過程如何發揮作用的理解，并量化了它們對氣候反饋的貢獻；3）確定了陸地區域主要能量和水循環變量可預測性的空間和季節變化特征，并通過與WCRP合作確定了全球能量和水循環的可預測性；4）改進了水文氣象過程和大氣環流模式反饋機制的參數設置，以更好地預測能量和水循環；5）與水文氣象服務業務部門和水文研究計劃開展了聯合活動，證明了第二階段GEWEX的預測能力，以及數據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驗的基礎上，GEWEX第三階段（2013—2022年）制定了新的目標和戰略規劃，根據WCRP提出的挑戰確定了將要解決的4個科學問題和7個研究領域。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作為核心重點，同時還要強調區域性。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有關的大氣成分，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問題相關聯，而這些問題也包括在觀測，過程理解和建模方面。

GEWEX第三階段關注的4個科學問題分別是：1）降水觀測和預報：如何能夠更好地理解和預測降水變化？2）全球水資源系統：地表和水文的變化如何影響過去和未來水資源供應和安全的變化？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 個研究領域提供了G E W E X 2013—2022年的戰略觀點，構成了GEWEX科學問題（GSQ）的重點框架。這7個研究領域分別是：1）數據集：促進發展與大氣、水、土地、能量相關的氣候數據集，包括元數據和不確定性評估；2）分析：描述和分析與水和能量有關數據中觀察到的變化，趨勢和極端天氣（例如熱浪，洪水和干旱）；3）流程：發展方法以提高對能量和水循環的理解，支持改進地表和大氣模型；4）建模：通過加快開發地表和大氣模型，改進對全球和區域降水、云、地表水文和整個氣候系統的模擬和預測；5）應用：總結變化、趨勢和極端天氣的原因，并與WCRP合作確定全球和區域能量和水循環的可預測性；6）技術轉化：與氣候和水文氣象服務部門合作，開發新的觀測，模型，診斷工具和方法，數據管理及其他研究產品，以實現多種用途，并過渡到運營應用。7）能力建設：通過對科學家的培養和用戶推廣促進能力建設。

4 淮河能量與水循環試驗簡介

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，水旱災害頻發，是我國夏季旱澇災害最頻發的地區，直接威脅著人民的生命財產安全。1998年和1999年夏，在中國和日本國家自然科學基金委的支持下，與GEWEX/亞洲季風試驗（GAME）合作，進行了淮河流域能量與水循環試驗（HUBEX）[15-20]，該試驗被譽為20世紀末我國大氣科學領域4個科學試驗之一，試驗中涉及了8種來自中國和日本的多普勒和常規天氣雷達以及大量先進的水文氣象觀測儀器、數十個高空探測站、數百個水文氣象站以及來自中國和日本的數百名工程師和科學家。

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流特征和天氣系統分析；2）HUBEX試驗期暴雨中尺度系統與洪水災害；3）梅雨的水氣源和輸送；4）陸面過程；5）暴雨機理；6）區域/流域尺度的水分/能量收支；7）淮河流域徑流觀測和預測；8）GAME/HUBEX的四維資料同化分析；9）暴雨與洪水預報的前景。

HUBEX觀測到了江淮梅雨爆發前、梅雨期間，以及梅雨結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流特征和天氣尺度系統，發現東亞梅雨是多尺度天氣與氣候變率和系統的產物，大大深化了人們對梅雨發生發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，并據此獲得中小尺度擾動的三維動力結構和生命史演變；發現了梅雨鋒降水系統主要由多尺度系統組成，并將天氣尺度的梅雨鋒劃分為副熱帶氣團內梅雨鋒與融合型冷鋒梅雨鋒兩類，總結出兩類梅雨鋒鋒面的概念模型；發展了陸面過程與淮河流域區域水文模式。

5 未來展望

HUBEX已過去20年，其取得的研究成果在推動相關科學研究和業務科技發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正在發生改變，出現了一些未知的新規律和新特點，并引發了極端災害性天氣。現有的數據和數值模式，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務發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的改變，以及相應氣象與水文災害風險的變化，進行更深入、更全面的研究和探索，掌握和認識新的氣候、環境與水文變化規律。

吸收第一次淮河流域試驗的經驗，依托以壽縣國家觀象臺為中心淮河流域多尺度觀測網、以及多種國內外先進探測設備，結合前文總結的GEWEX最新科學問題和研究領域規劃，針對計劃開展的第二次淮河流域能量與水循環試驗（HUBEX-2）提出建議和思考。并進一步加強和WMO區域和全球計劃的合作，在新的國際和區域合作框架下加強對淮河流域能量與水循環的更高層次的研究業務能力發展。

1）建設觀測網，開發數據集

建設天地空一體化、微波-激光探測等相融合的淮河流域綜合觀測平臺，實現立體化觀測，尤其是氣溶膠-云相互作用等微物理過程協同探測，和全流域陸面過程的地空聯合觀測。收集整理觀測期間地面、雷達、地基遙感、衛星遙感、探空等常規和特殊觀測資料，利用新質控方法和技術手段開發高質量數據集，附元數據和不確定性評估。

2）分析數據，揭示規律

分析數據獲取信息，揭示淮河流域能量與水循環的特征規律，并從溫室氣體排放、土地利用變化造成的輻射強迫和城鎮化、大氣污染、生態修復等下墊面人類活動的影響著手，揭示能量與水循環異常的形成機制，及其對旱澇災害影響。

3）開發模式，加以應用

建立適合淮河流域的變尺度數值預報模式，優化云微物理過程和陸面過程的參數化方案，提高旱澇災害預報準確率。建立淮河流域農業旱澇評估模型，突破災害防御技術，提高旱澇災害風險預測和應對能力。將模式應用至一線業務中，檢驗模式的可用性，并針對可能出現的問題加以改進。

4）技術轉換，能力建設

將開發的數據集，模式及其分析應用結果與科學家，政府和其他機構之間共享，以確保更廣泛的用戶可以使用發展。鼓勵、歡迎領域內科研技術人員參與工作，進一步培養人才。