海洋天氣觀測的進展

1、海洋天氣觀測的進展摘要：如今海洋正扮演著越來越重要的角色，海洋的開發(fā)也被國家提上 議事日程。當(dāng)然海洋的開發(fā)不像在陸地上那么容易，還有很多困難，海洋 天氣的觀測就成為海洋開發(fā)中一項必不可少的內(nèi)容。海洋觀測可以為海洋 的開發(fā)帶來諸多便利，本文就對海洋天氣觀測的進展以及展望展開描述。關(guān)鍵詞：海洋天氣預(yù)測重要性進展展望前言：海洋氣象學(xué)是研究海上大氣的物理信息，以及海洋與大氣相互作 用規(guī)律的學(xué)科。海洋氣象學(xué)既涉及大氣又涉及海洋，因此它是大氣科學(xué)和 海洋科學(xué)共同研究的領(lǐng)域。由于地球表面的絕大部分為海洋所覆蓋，而海 水又具有和陸地迥然不同的物理、化學(xué)性質(zhì)，這就決定了海洋在海洋氣象 學(xué)研究中的重要地位。海洋的

2、天氣觀測在海洋開發(fā)中扮演者越來越重要的角色，各國也正在 爭相研究海洋氣象，在某種程度上，海洋氣象決定了一個國家的海洋開發(fā) 的地位與榮譽?，F(xiàn)在我們就國外與國內(nèi)海洋氣象的發(fā)展情況展開討論。一、國外海洋天氣觀測的進展、現(xiàn)狀在20世紀(jì)初，大氣科學(xué)作為物理學(xué)科的分支起始于局地天氣觀測， 用電報收集資料、繪制地面天氣圖并試作天氣預(yù)報。第一次世界大戰(zhàn)初， 美國開始發(fā)布北半球氣壓和溫度地面圖。雖然許多地區(qū)仍無觀測，但這些 地面圖顯示了大尺度高、低壓系統(tǒng)的移動特征。20年代初，以挪威流體 力學(xué)家V. Bjerknes等為首的Bergen學(xué)派根據(jù)地面資料分析提出了氣 旋、鋒面和氣團學(xué)說1，為天氣學(xué)分析和動力預(yù)報樹

3、立了一重要里程碑。不久，由于剛剛萌芽的航空業(yè)的需要，少數(shù)氣象站開始了無線電高空探測。在此之前人們曾使用風(fēng)箏測量近地面大氣的溫、濕度、氣壓和風(fēng)場。第二次世界大戰(zhàn)期間，前線飛機轟炸等戰(zhàn)爭需要加速了歐、美高空觀 測網(wǎng)的建立，使天氣分析從二維擴充到三維空間，展示了高空氣流結(jié)構(gòu)與 地面氣壓系統(tǒng)的關(guān)系。更重要的是，以Rossby為首的芝加哥學(xué)派通過高 空天氣圖分析，發(fā)現(xiàn)了高空急流和大氣長波的運動規(guī)律并建立了長波的數(shù) 學(xué)流體力學(xué)模型，從而開拓了作為天氣分析、預(yù)報理論基礎(chǔ)的大尺度大氣 動力學(xué)。不久在Rossby長波理論的基礎(chǔ)上，Charney (1947)和Eady (1949) 提出了能解釋溫帶氣旋發(fā)展的斜

4、壓不穩(wěn)定理論2。50年前，最盛行的天氣預(yù)報技術(shù)是沿襲Bergen學(xué)派使用過的運動 學(xué)方法或外推法。自從首次數(shù)值天氣業(yè)務(wù)預(yù)報模式問世以來，數(shù)值動力(和 概率)預(yù)報逐步在各國氣象中心普遍采用，以指導(dǎo)612小時以后的天 氣形勢(要素)預(yù)報。數(shù)值模式發(fā)展和預(yù)報水平幾乎每十年上一新臺階。 如50年代中期Phillips (1956)發(fā)展的二層模式到后期出現(xiàn)的多層準(zhǔn)地 轉(zhuǎn)、靜力平衡、斜壓模式。這些簡單模式雖然不能預(yù)報實際“天氣”，但 使人們看到了中緯度氣旋系統(tǒng)和大氣長波運動的特征。80年代，大氣對內(nèi)、外部強迫的響應(yīng)普遍受到重視。與潛熱釋放、 積云對流、邊界層物理、大氣輻射有關(guān)的物理過程通過參數(shù)化引入模式，

5、 這些物理參數(shù)化又被各種野外加密觀測資料驗證。雖仍有不少不確定性， 但“模式大氣”越來越接近實際大氣，使短期數(shù)值預(yù)報逐漸成為天氣預(yù)報技 術(shù)的主流，并超過概率統(tǒng)計預(yù)報的準(zhǔn)確率。尤其是對爆發(fā)性氣旋和那些有 一定斜壓性的天氣系統(tǒng)。中、長期預(yù)報模式中還考慮土壤、植被的影響以 及大氣與海洋、陸面的相互作用。這些模式的發(fā)展及其MOS產(chǎn)品的結(jié)合， 提高了高空大尺度天氣系統(tǒng)和地面氣象要素的中、長期業(yè)務(wù)預(yù)報能力。 Emanuel （1986）提出了颶（臺）風(fēng)強度由于海洋向大氣輸送水汽和感熱而 與表層海溫直接有關(guān)3，改變了原來用以解釋熱帶氣旋發(fā)生的第二類條 件不穩(wěn)定理論，使颶（臺）風(fēng)預(yù)報和研究走上一新的臺階。90

6、年代，人們開始關(guān)注全球氣候在近10100年際的變化。這方面 研究目前還存在很多不確定性，主要原因是由于無足夠長時間、可靠的海 洋觀測資料來研究海洋在此時間尺度上的作用。同時，此時間尺度與工業(yè) 化以來造成溫室氣體上升的時段和其引起氣候強迫的時間尺度相近。如何 將大自然的變化和人類活動的影響分開是一重要但又復(fù)雜的科學(xué)難題。事 實上，自發(fā)現(xiàn)南極臭氧洞4和平流層中臭氧被破壞以來，這些科學(xué)難 題的研究大大促進了大氣化學(xué)和環(huán)境科學(xué)在近20年來的發(fā)展5。隨著氣候模式可信度的提高，動力氣候預(yù)測在15年前已經(jīng)開始起步。 雖然區(qū)域性氣象要素的預(yù)報還不如統(tǒng)計預(yù)報方法，但它對季節(jié)氣候異常趨 勢仍有一定預(yù)報能力。特別是

7、氣候模式現(xiàn)已能提前半年合理預(yù)報出熱帶風(fēng) 暴的發(fā)生頻率以及提前一年成功預(yù)報出那些海、氣相互作用較強的ENSO 事件。要獲得合理的長時間動力氣候預(yù)測（模擬），需要運轉(zhuǎn)高分辨率、 各子系統(tǒng)過程高度藕合的綜合性氣候模式，這使得地球模擬器一毛型計 算機于上世紀(jì)末在日本誕生，從而大大加快了氣候（和天氣）模式發(fā)展和 氣候研究的步伐。此外，過去15年來，科學(xué)家們利用各自的氣候模式對 未來CO2濃度可能加倍造成的氣候變化作了評估。IPCC的2001年報告 6綜合了各種模式的結(jié)果，表明如果CO2濃度未來加倍將會使全球地 表溫度上升1.54.5C。這將導(dǎo)致冰川繼續(xù)大規(guī)模退縮，海平面上升9 88 cm,全球平均水汽含

8、量和降水的進一步增加，從而加重各地區(qū)的氣候 異常，使極端天氣事件增多。這些研究結(jié)果隨著被未來觀測事實的驗證將 日益受到各國政府和人們的注意。事實上，最近的研究7表明在過去 35年來全球洋面溫度緩慢變暖，使得每年強颶風(fēng)發(fā)生的頻率和給沿海地 區(qū)造成的財產(chǎn)和環(huán)境破壞都在增加8。二、我國海洋天氣觀測的進展華南海岸帶地區(qū)是我國經(jīng)濟發(fā)展程度最高的地區(qū)之一，也是受海洋氣 象災(zāi)害影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一，臺風(fēng)、暴雨、強對流、海上大風(fēng)和海霧等 災(zāi)害性天氣，以及災(zāi)害性海浪和風(fēng)暴潮等對該地區(qū)社會和經(jīng)濟的發(fā)展造成 極大的危害。華南海岸帶地區(qū)同時也是影響我國天氣氣候異常的主要水汽 通道，來自西太平洋、印度洋和南海局地的水汽

9、輸送,與發(fā)生在我國的大范 圍持續(xù)性旱澇密切相關(guān)。因此，海洋天氣觀測對我國的海洋觀測非常重要。我國于2001年經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)加入國際Arg。計劃時，曾承諾將在西太 平洋和東印度洋海域布放并維持由100150個浮標(biāo)組成的中國Argo大洋 觀測網(wǎng)，以此作為全球海洋觀測網(wǎng)的重要組成部分，并共享該觀測網(wǎng)的長 期觀測資料。國內(nèi)正在開展的幾個重大研究項目，如：“亞印太交匯區(qū)海 氣相互作用及其對我國短期氣候的影響”、“北太平洋副熱帶環(huán)流變異及 其對我國近海動力環(huán)境的影響”、“基于全球?qū)崟r海洋觀測計劃的上層海 洋結(jié)構(gòu)、變異及預(yù)測研究”等，可收集太平洋、印度洋赤道海域，乃至整 個太平洋和全球海洋中的第一手資料9。我

10、國已形成了一定規(guī)模的海洋氣象監(jiān)測網(wǎng)，但基礎(chǔ)相對薄弱。未來幾年 氣象部門將更加關(guān)注海洋氣象觀測業(yè)務(wù)能力和服務(wù)能力的建設(shè)，以海洋氣象 減災(zāi)防災(zāi)、海洋資源開發(fā)等國計民生的需求為牽引，開展有針對性、有特色 的海洋氣象服務(wù)，提高海洋氣象綜合服務(wù)能力。據(jù)悉，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，中國氣象局已開發(fā)了包括岸基站、天氣雷達、 浮標(biāo)站、船舶站、海上石油平臺自動觀測站10，以及氣象衛(wèi)星遙感等海洋 氣象監(jiān)測試驗和業(yè)務(wù)工作。目前，廣東茂名博賀港建立了海洋氣象觀測平臺， 青島市氣象局投入使用兩部浮標(biāo)；另外，煙臺、青島、上海、江蘇?。ㄊ校?氣象局也已分別建立了船舶自動氣象觀測站。三、未來展望如上所述，大氣科學(xué)的發(fā)展離不開探測、

11、計算機、信息傳播及其它學(xué) 科的進步。當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，不確定因素較多，很難對21世紀(jì)大 氣科學(xué)發(fā)展和研究范圍作出準(zhǔn)確預(yù)測，在此僅能作一些粗略展望11。在未來1020年，地面氣象觀測、遙感觀測站將進一步加密且實現(xiàn) 自動化。越來越多的商業(yè)飛機、火車、汽車、船只等其它運載工具都可提 供自動測量的氣象信息。常規(guī)高空觀測將由GPS制導(dǎo)。美國現(xiàn)有的多普 勒雷達將添加多變量、多偏振性能以增加云內(nèi)水和冰含量、冰雹大小和降 水量分布信息，還將在距離雷達5100 km處安裝地面微波接收器，以 得到云內(nèi)三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)12。地面光“雷達”（LIDAR ）和大氣輻射干 擾儀（AERI ）將被布網(wǎng)以自動連續(xù)探測大氣低層

12、水汽和溫度廓線。未來十年左右，高速計算機的單運算器速度可發(fā)展達每秒1016量級 次并有數(shù)萬并行運算器，這可使模式（x, y）二維網(wǎng)格點數(shù)增加到104x104。 故區(qū)域模式可用幾百米至1 km的網(wǎng)格距。這樣，模式能夠產(chǎn)生雷暴單體、 龍卷、下?lián)舯┝鞒叨鹊摹疤鞖狻爆F(xiàn)象，其預(yù)報準(zhǔn)確度將取決于初始條件和模 式物理過程的可靠度。為此在未來1020年，除了需要進行大量陸面過 程和湍流輸送作用的研究外，還需要使用多偏振雷達、衛(wèi)星和飛機在各種 降水系統(tǒng)中的探測資料對現(xiàn)有云物理參數(shù)化和各相水的模式處理進行嚴(yán) 格驗證、改進或發(fā)展新的更合理的參數(shù)化，以便能同時預(yù)報在同樣中尺度 環(huán)境條件下產(chǎn)生20 mm/小時和200

13、mm/小時不同量級降水的兩個鄰近 云體。各種觀測資料及時通過四維同化隨時間積分滾動加入模式，將會顯 著提高災(zāi)害性天氣的預(yù)報準(zhǔn)確度。同時，需要大量工作來研究模式與各種 觀測儀器間的誤差統(tǒng)計特征，以減少初始條件中的不確定性。在中小尺度 天氣系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自身生命史時段以后發(fā)生的概率（由地形決定的系統(tǒng)除 外），將依賴于能代表初值條件中和模式本身不確定性的有足夠數(shù)量成員 組成的集合預(yù)報。集合預(yù)報今后將成為大多數(shù)預(yù)報中心的主要產(chǎn)品，至少 作為動力預(yù)報可信度使用。參考文獻：Shapiro, M. and S. Gron?s. The Life Cycles of Extratropical Cyclones

14、. Amer. Meteor. Soc., 1999. 359pp.Holton, J. R. An Introduction to Dynamic Meteorology, 4th Edition, Academic Press. 2004. 535pp.Emanuel, K.A. An air-sea interaction theory for tropical cyclones. Part I: Steady-state maintenance. J. Atmos. Sci. 1986. 585-604.Krueger, A., M. Schoeberl, P. Newman, and

15、 R. Stolarski. The 1991 Antarctic ozone hole: TOMS observations. Geophys. Res. Lett.1992. 1215-1218.王明星.大氣化學(xué).氣象出版社，1999. 467pp。IPCC Third Assessment Report. Climate Change 2001: The Scientific Basis ， Cambridge University Press. 2001. 881pp。Webster P.J. Holland G.J. et al. Changes in tropical cyclone number, duration, and intensity in a warming environment. Science, 2005. 309, 1844-1846。Emanuel K. Increasing destructiveness of tropical cyclones over the past 30 years. Nature, 2005. doi:10.1038/nature03906。曾慶存，數(shù)值天氣預(yù)報的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)，科學(xué)出版社，1979，543pp。陳德輝，薛紀(jì)