《宇宙与自然篇》暴雨 -倪允琪

　　主讲人简介

　　倪允琪，曾任中国气象科学研究院院长，国家973“暴雨研究”项目首席科学家，中国气象科学研究院研究员。

　　内容简介

　　我今天有这个机会给大家介绍一下暴雨，我感觉到非常荣幸。我今天比较系统的介绍一下关于暴雨的形成、暴雨引起的灾害以及暴雨怎么去监测、怎么去预测，主要介绍一下这些内容。暴雨是我们国家一个很重要的灾害，尤其是在长江流域，或者讲整个的淮河以南地区，当然黄河也曾经发生过很大的洪涝。所以总体上来讲。暴雨是我们国家主要的一个气象灾害。了解暴雨、研究暴雨是刻不容缓的一个任务。现在我们主要是用雷达和卫星来观测和预报暴雨的发生发展的过程，但到以后，大体上到2025年的时候，我们的数值模式的分辨就一公里。一公里什么概念呢？我们北京这个区域，我们一个点到一个点距离只有一公里。我刚才讲了，我们现在一个测站到一个测站的距离是多少呢？是二百到三百公里，我们到了2025年，我讲的等于我们一个点和一个点的观测的距离只有一公里。也就是说，这个街道到那个街道它之间有什么差别？我都可以在计算机里面算出来。我们今后可以做三十天的预报，一公里什么概念？就相当于我们从这个卫星上面去看地面，这个地面上的地形就清晰到这个程度，这就叫一公里。如果是看北京，可以把北京的街道的分布基本上都能看出来。

　　所以再过二十年，整个的气象事业的发展、气象科学技术的水平的发展，随着计算机、电子学科的发展以及我们气象科学本身的发展，将会有一个非常大的变化。到那个时候我们的预报水平，三天里边的预报大概正确率绝对不会低于90%。所以从这个角度上来讲，我想我们的气象科学和现在比，就像我们现在和二三十年以前比一样，有一个面貌全新的一个概念。我想我的讲座就讲完了，谢谢大家！

　　《暴 雨》 （全文）

　　我今天有机会给大家介绍一下暴雨，我感觉到非常荣幸。我今天比较系统的介绍一下关于暴雨的形成、暴雨它引起的灾害、以及暴雨怎么去监测、怎么去预测，主要介绍一下这些内容。暴雨是我们国家一个很重要的灾害，尤其是在长江流域。或者讲整个的我们国家淮河以南地区，当然黄河也曾经发生过很大的洪涝。所以总体上来讲暴雨是我们国家主要的一个气象灾害，那么大家都很关注2003年汛期，在淮河流域再一次发生了洪涝，那么这张图就是由我们国家自己研制的“风云2号”气象卫星所发布的卫星云图，我们可以看出来在淮河流域的上空，长时间的一直维持了一条云带。

　　那么譬如说，我们在1998年，由于洪涝在长江流域，整个造成我们国家三千多亿人民币的损失。有一千多个人，在这次洪涝里边丧失了生命。因此洪涝灾害和旱灾不一样，洪涝灾害就像我们一个人急性病一样，它会引起人民生命财产的突然之间的损失。而旱灾一般来讲就像我们的慢性病，它影响的时间很长。同样会造成很大的损失，但主要的就是在经济上、尤其是农业生产。所以从这一个表上面我们可以看出来，我们最近几年，我们国家整个的因为气象灾害所受到的损失越来越大。随着我们国民经济的发展，由于气象灾害所造成的损失，也随着国民经济的发展而增大。所以这一点上面来讲是很显然的。

　　我们同样也是洪涝的灾害，譬如说在2001年8月5号到10号在上海有一次热带气旋的影响，造成大的暴雨，整个上海就灌了水。那么像这样的灾害，如果在二十年以前大家知道，就是几条被子湿掉了。但是到了今天，我们每个家里面都是各种各样家电都有，要被水里一泡，那损失可大了。那么工厂里边同样的，现在工厂的设备和几十年以前工厂设备那是完全不能比。所以随着我们国民经济的发展，由于暴雨的灾害，我们整个经济的损失也越来越严重。那么这个图就是由于淮河流域的洪涝造成的水灾，我们可以看到农村里边淹水的情况。

　　那么现在非常重要的一点就是暴雨预报，因为洪涝我们要采取措施去预防，1998年的洪涝对三峡水库来讲是一个很大的威胁，因此我们能不能把暴雨预报做好，对确保三峡水库建设的安全是重要的。在这个过程里边，我们中国气象局在确保三峡水库安全度过洪涝的这个时期起了很大的作用。我们基本上确保了整个的三峡水库在洪涝期间气象的预报，气象的保障。譬如说到了洪涝的后期，那个时候三峡水库已经由于土坝，就是泥土做的坝，长期的泡在水里边，已经受到了很大的影响。如果再有一次超过五十毫米的大雨的话，那么三峡水库里边所有的机械设备全部要撤离。人员要撤离，要确保机械设备和人员的安全。那么这个时候长江三峡的总公司就要求中国气象局要给出正确的预报，在后期有没有可能再发生一次超过五十毫米的暴雨？如果要发生一次超过五十毫米的暴雨，这些人员设备全部要撤离三峡的工地。那么国家气象中心正确地预报降水不会超过五十毫米，因此整个的工程没有能够停下来。如果把这个整个的装备人员撤离三峡水库，大概估计工程的进度要延缓一年。所以气象保障，尤其是暴雨预报、灾害的预报，对确保我们国家重大的工程是起了很大的作用。但是暴雨预报可不是一个简单的事，暴雨预报主要是有两个最困难的地方，第一个暴雨它突发性强，大家知道，夏天我们看到了西面有一点很大的这种乌黑黑的云上来。不要很长的时间就可以下很大的雨，这种就是我们讲暴雨它的突发性。而且尤其在梅雨期间那是经常发生，因此暴雨它的突发多发给我们预报带来了很大的影响，而且暴雨的面积通常来讲是比较小的。

　　譬如说我举个例子1998年，1998年的7月21号武汉三天的暴雨，有一小时的降雨量达到88.4毫米。三天的降雨量降在武汉的城市里边的雨水相当于什么呢？我不知道在座的听众有没有去过武汉？武汉市区里边有个叫东湖，三天里边降的水就相当于1.5倍东湖的涌水量，就倒在武汉的城市的上空。那么这样子一定会造成武汉城市里边的积水造成灾害，所以从这一点上来讲，如何去预报这个暴雨它是一个非常难的地方。尤其是它的转折，关键的时刻，特别难。什么时候发生？它发生在什么地方？它的强度有多大？这一点在我们气象上来讲，在气象预报上来讲是一个非常难的事情。

　　第二个暴雨预报它一定是在某种大的大气环流，也就是我们大气里边运动的总的状态的背景下面发生的。尤其是大家一定经常会听到，如果关心气象预报的话，一定会经常听到所谓的负热带高压。负热带高压也就是夏天控制我们东南沿海的一个高压带，这个高压对我们整个的它的东面的气流有很大的影响。在这个负热带高压的西面，一定是偏南气流。而这个偏南气流就把海上的大量暖湿的空气从南面就带到了北面，因此这个负热带高压的变动，可以使得我们的水气就直接的从南面华南一直送到长江流域。这个就造成了北面的冷空气过来，南面的暖湿空气北上。冷暖空气一碰撞，它就产生了很强的对流。那么暖的空气过来，冷的就向下走，暖的就向上走。这样暖空气拼命就向上走，一向上走它又暖又湿。因此向上走的过程里面呢，它就冷却变成为降水，然后掉下来。所以这个过程整个来讲它是一个非常复杂的一个动力学、物理学、和热力学方面的一个问题。所以这个暴雨预报，它是一个难度很大的地方。那么要想做好暴雨预报，首先要做好监测。因此假如我们能够提高暴雨预报的能力，实际上对我们整个国家防灾减灾总体能力上来讲是提高了一步。那么到底我们怎么去做好暴雨的监测？这是我们非常关注的一个问题。

　　我想下面呢，就我们目前科学技术的发展到什么程度，我给大家做一个介绍。我首先讲一下暴雨是怎么形成的？暴雨我们通常来讲有三种，一种我刚才讲的梅雨锋暴雨。第二个就是台风，或者比台风强度低一些的，我们就叫做热带气旋。第三种，我们夏天经常会遇到的对流引起的暴雨。所以我们大体上我们把暴雨分成这样三种类型。那么暴雨怎么会形成？它最主要的有三个条件。第一个条件，你要形成暴雨一定要有足够的水气。第二个你有了足够的水气，这个水气怎么从下面送到上面去？所以一定要有上升运动。也就是这个水气一定要向上面爬。大家知道，我们大气低层温度比较高，越到高层温度越低。那么大家知道，从来没有说是开了玻璃窗来乘飞机的。为什么？因为飞机飞到高空的时候，玻璃窗外面是零下几十度。所以飞机在高空里面飞的话，一定是密封的。它一定要确保飞机里边，达到我们人体舒适的温度和湿度。所以当我们暖湿的空气爬升上去的时候，它一遇到冷马上就凝结成水滴。如果这个水滴大于我们的上升运动，造成的这样的一个托的力量，那么这个水滴它就会掉下来，所以这样子就形成了暴雨。所以我们讲第二个条件，一定要有很强的上升运动。第三个条件，就是稳定。什么叫稳定？我刚才讲了，如果我们暖的空气在下面，冷的空气在上面。大家都知道，冷的空气它的比重就大，而暖的空气比重就小。因此暖的空气它一定会升上来，而冷的空气就下来。这样子就在大气里边就引起翻腾，冷的要下来，暖的要上去。这引起一翻腾以后它就造成了很强的上升运动，因为暖空气要爬上去，冷空气要下来暖空气上去。这个暖空气一上去以后它就造成了我刚才讲的，遇到冷以后它就会凝结。凝结以后就变成水滴，它就掉下来变成雨。

　　所以暴雨形成一定是有这三个条件：第一个有丰富的水气。既然是暴雨，那就是雨量很大。那么我刚才讲了，1998年7月21号在武汉引起这么大的暴雨，有1.5倍东湖的水量从空中掉下来。那你可想而知它的水气有多大、多丰富。第二个它一定要很强的上升运动。那么我们想想看，它在三天时间里边把1.5倍的这个东湖的水要托到空中，那你想像看它要多大的力量。第三个你要造成第二个条件，大气里边一定是非常地不稳定。也就是冷的空气拼命向下走，而暖的空气拼命向上走。就造成很大的翻腾，这样就像我们水里一样，我们大家知道烧开水要开的时候，下面的水泡泡一定啪啪啪啪翻上来。你到水烧滚的时候，也就是到了摄氏一百度的时候，那整个水泡泡啪啪啪啪都翻上来。这个和大气运动是类似的，如果你底下很热，你就必然的是热的空气拼命朝上跑。而上面的空气冷，下面的空气热。热的空气拼命朝上跑，冷的空气拼命向下掉。所以这就像水里面烧开水一样，烧开水你仔细看，这个水里边就拼命地在那里翻腾。大气其实也是一样的，所以从这个角度上来讲，它这三个条件是必备的。

　　第二个台风，比台风强度弱一点的我们就叫热带气旋。那么这两个一个是弱一点的小弟弟，一个是大一点的老大哥。仅仅是这个差距，它在结构上基本上非常地类似。我们现在从我们卫星角度上来讲，我们可以非常正确地观测这个台风。这个就是从卫星上看到的台风，我们可以看，这个台风有非常强地螺旋状的云带。也就是说它的气流从外边卷到里边，这就是台风。卷到里边所以中间有个叫台风眼。蓝的可不是云，恰恰是好天。所以中间有一个台风眼，那么台风眼什么样子的呢？其实老一些的同志很有经验，以前我们家里边有个水缸，我们小孩子小时候都喜欢拿个竹竿，在这个水缸里，“啪”一搅。一搅它就转起来，因为中间会空，水会掉下去。两边的水会竖起来的，这就是和台风一样的。你看这个中间没有水，它掉下去。水就在边上，台风就是这样子。所以台风它是空气里面一个强烈的涡旋，就像我们拿个竹竿在水缸里面搅一搅一样。当然这个不是说上面有个上帝在那儿搅，它就是因为某种大气的条件，使得整个的大气在那里旋转。转得越来越快，到最后它就像我们在水缸里面一个棍子在那里搅拌一样。所以这个台风它的结构就是这样的，所以我们稍微有一点点以前生活经验的同志你同他一讲他很能理解什么叫做台风眼。这个其他地方都降水，这里怎么是好天？就是这个道理。

　　那么第三种暴雨我很简单的讲一下，就是我们夏天看到的热对流引起的暴雨。也就是我今天非常热，明天稍微有一点点冷空气来，这个地面上非常热的空气就一下子就抬升上去，抬升上去以后凝结就变成了暴雨。而这种暴雨下的时间短，范围小，和我刚才讲的梅雨风暴雨那是完全不可以比拟。所以通常来讲，我们有这样三种暴雨：一种是梅雨锋。那就是在季节过渡的时候，由春季到夏季南方一定经历过这个时期。第二种就是台风引起的暴雨。台风引起的暴雨就是这个台风一来，暴雨就来了。台风一走，暴雨就走了。第三种那我们北京也经常会下，下个长一点两个小时，短一点一下子闪过，那么这种就是热对流引起的暴雨。

　　那么我下面讲这个暴雨怎么监测？你怎么去看暴雨？我刚才给大家讲了一个现象，讲了一个为什么会造成这样的暴雨。那么这个暴雨的监测，现在的装备和二三十年以前大不一样。在座的年轻的同志，他没有去过。可能年纪大一点，或许去过气象站。那时候一个气象站也就是一个电线杆上面一个风标，然后几个百叶箱，这就是气象站。现在可大不一样，现在我们气象上的装备从卫星、雷达到计算机。我们常规监测就是全国的124个探空，所谓探空就是一个气球，气球下面吊一个探测气压、温度、湿度的一个仪器设备。气球一放，这个仪器设备就上去了。它就把气压、温度、湿度测下来，然后通过无线电传下来。那么下面接收这个叫探空，那么这个设备可以说已经几十年了。第二个我给大家看的是雷达。我们以前一般的雷达它没有用多普勒雷达的原理，这个我就不深讲了，以前的雷达只能看到云的回波。因为雷达的无线电波发射出去，一碰到云里的水滴它就反射。那么你就接收到，这就是回波。那么这里面有水滴，那么回波就强。说明这个云越厚，也就是里面的水滴就越大。那么以前就是用一般的雷达只能测到这个，多普勒雷达和它的差别在哪里呢？由于用了多普勒的原理，我还可以测到云里面的风是怎么样的？云里面上升气流多强？它是吹的南风还是北风？今后我们发展到极化雷达，双极化雷达，我不但能够测到它的风多强？我还能测到云里边究竟是冰还是水？还是其他的物质？所以现在的手段和二三十年以前比，那是完全不能比。现在的雷达、卫星、还有其他的一系列的手段，都给我们气象预报提供了充分的信息。

　　我现在重点介绍卫星和多普勒雷达如何去监测我们的暴雨，也就是近代的手段如何去监测暴雨。那么能够监测暴雨一定也能够监测台风、能够监测其他的天气现象。我现在就以这个为例，这就是目前所有的卫星，大体上就是沿着这个轨道走的。气象卫星大体上分两类：一类就是沿了极轨走的，我们叫极轨卫星。另外一类就是同步卫星，它一直在同一个位置上。原因是它转动的速度和我们地球的速度基本上一致，所以它一直在我们这个头顶上不动。而极轨卫星是绕着极地转的，所以气象卫星有这么两种。那么我们国家现在这两种卫星我们国家都有，我们现在有一个叫“风云1号”，有一个叫“风云2号”。那么“风云1号”就是极轨卫星，“风云2号”就是同步卫星。那么我们现在呢，基本上在我们头顶上一直保留了保持着这样两种卫星在那里运转。这就是我讲的，这就是“风云1号”。这就是中国的“风云2号”，所以大体上是这样的。

　　这一个是用两部、三部多普勒雷达同时观测一个系统计算到的一个流场。这是用雷达观测到的，从雷达观测到的来讲，这是强的回波。这个回波就说明这个是个雨带，这个就是我们用多普勒雷达观测到的风场。那么我们可以看到，我们现在用雷达可以观测到这么细微的结构。这个细微的结构我们用常规的看不到，原因是什么？我刚才给大家看的那个常规的天气，探空站也好、雷达站也好、它本身的间距多少呢？有两百到三百公里。而我们一个暴雨多大呢？通常的范围在一百公里左右，我们大家可以想像，我们就像去捉鱼一样，如果我们鱼网网眼很大，而这个鱼很小，大家想想看，我用大网眼的渔网能不能抓到小鱼？就绝对抓不到的。小鱼一定会在网眼里边漏掉了，我们的观测也是这样的。暴雨只有一百公里，而我这个气象站的间距是两百到三百公里，我怎么能看到它呢？我一个气象站在这里，一个气象站这里，这个暴雨系统就比它小，就在这里漏过去了。如果用两部雷达同时观测，我就可以抓到了。所以为什么我们要用这样两部、三部雷达去同时观测呢？就是因为我们常规的观测是看不到的，只有这样子看才能看到。

　　那么暴雨今后会怎么发展？暴雨今后大体上到2025年的时候，我们的数值模式它的水平的分辨就一公里，一公里什么概念呢？我们北京这个区域，我们每一个点，一个点到一个点距离只有一公里。我刚才讲了，我们现在一个测站到一个测站的距离多少呢？是二百到三百公里。我们到了2025年，我们一个点和一个点的观测的距离只有一公里，也就是说，这个街道到那个街道它之间有什么差别？我都可以在计算机里面算出来。在20年以后，我们就可以达到这样的水平。我们到那个时候，我们的地球的静止卫星已经高分辨到什么程度？可以提供五百米时间的分辨只有三十秒钟这样的图像。我们那时候的雷达可以做到双极化的雷达，我不但可以看到风、而且看到云里边是冰还是水、在什么高度都可以看出来。那个时候我们有地球的低轨卫星，通过这个低轨卫星可以给出全球的风场。海上面怎么得到风场？海上你没法去观测，现在我们通过低轨卫星，可以把全球的风场全部给出来。我们可以用空间卫星去观测雷暴，雷暴在什么地方发生？精度可以达到一百米。我们到那个时候，可以通过其他的设备，可以看到整个的大气里边精细的三维风场的结构。我们今后可以做三十天的预报。所以再过二十年，整个的气象事业的发展、气象科学技术的水平的发展，随着计算机、电子学科的发展以及我们气象科学本身的发展，将会有一个非常大的变化。到那个时候我们的预报水平，三天里边的预报大概正确率绝对不会低于90%。所以从这个角度上来讲，我想我们的气象科学和现在比，就像我们现在和二三十年以前比一样，有一个面貌全新的一个概念。我想我的讲座就讲完了，谢谢大家！