海洋天氣觀(guān)測(cè)的進(jìn)展

1、海洋天氣觀(guān)測(cè)的進(jìn)展摘要：如今海洋正扮演著越來(lái)越重要的角色，海洋的開(kāi)發(fā)也被國(guó)家提上 議事日程。當(dāng)然海洋的開(kāi)發(fā)不像在陸地上那么容易，還有很多困難，海洋 天氣的觀(guān)測(cè)就成為海洋開(kāi)發(fā)中一項(xiàng)必不可少的內(nèi)容。海洋觀(guān)測(cè)可以為海洋 的開(kāi)發(fā)帶來(lái)諸多便利，本文就對(duì)海洋天氣觀(guān)測(cè)的進(jìn)展以及展望展開(kāi)描述。關(guān)鍵詞：海洋天氣預(yù)測(cè)重要性進(jìn)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(guān)測(cè)在海洋開(kāi)發(fā)中扮演者越來(lái)越重要的角色，各國(guó)也正在 爭(zhēng)相研究海洋氣象，在某種程度上，海洋氣象決定了一個(gè)國(guó)家的海洋開(kāi)發(fā) 的地位與榮譽(yù)?，F(xiàn)在我們就國(guó)外與國(guó)內(nèi)海洋氣象的發(fā)展情況展開(kāi)討論。一、國(guó)外海洋天氣觀(guān)測(cè)的進(jìn)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(guān)測(cè)， 用電報(bào)收集資料、繪制地面天氣圖并試作天氣預(yù)報(bào)。第一次世界大戰(zhàn)初， 美國(guó)開(kāi)始發(fā)布北半球氣壓和溫度地面圖。雖然許多地區(qū)仍無(wú)觀(guān)測(cè)，但這些 地面圖顯示了大尺度高、低壓系統(tǒng)的移動(dòng)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(tuán)學(xué)說(shuō)1，為天氣學(xué)分析和動(dòng)力預(yù)報(bào)樹(shù)

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(kāi)始了無(wú)線(xiàn)電高空探測(cè)。在此之前人們?cè)褂蔑L(fēng)箏測(cè)量近地面大氣的溫、濕度、氣壓和風(fēng)場(chǎng)。第二次世界大戰(zhàn)期間，前線(xiàn)飛機(jī)轟炸等戰(zhàn)爭(zhēng)需要加速了歐、美高空觀(guān) 測(cè)網(wǎng)的建立，使天氣分析從二維擴(kuò)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(guò)高 空天氣圖分析，發(fā)現(xiàn)了高空急流和大氣長(zhǎng)波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并建立了長(zhǎng)波的數(shù) 學(xué)流體力學(xué)模型，從而開(kāi)拓了作為天氣分析、預(yù)報(bào)理論基礎(chǔ)的大尺度大氣 動(dòng)力學(xué)。不久在Rossby長(zhǎng)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(bào)技術(shù)是沿襲Bergen學(xué)派使用過(guò)的運(yùn)動(dòng) 學(xué)方法或外推法。自從首次數(shù)值天氣業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式問(wèn)世以來(lái)，數(shù)值動(dòng)力(和 概率)預(yù)報(bào)逐步在各國(guó)氣象中心普遍采用，以指導(dǎo)612小時(shí)以后的天 氣形勢(shì)(要素)預(yù)報(bào)。數(shù)值模式發(fā)展和預(yù)報(bào)水平幾乎每十年上一新臺(tái)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(jiǎn)單模式雖然不能預(yù)報(bào)實(shí)際“天氣”，但 使人們看到了中緯度氣旋系統(tǒng)和大氣長(zhǎng)波運(yùn)動(dòng)的特征。80年代，大氣對(duì)內(nèi)、外部強(qiáng)迫的響應(yīng)普遍受到重視。與潛熱釋放、 積云對(duì)流、邊界層物理、大氣輻射有關(guān)的物理過(guò)程通過(guò)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(guān)測(cè)資料驗(yàn)證。雖仍有不少不確定性， 但“模式大氣”越來(lái)越接近實(shí)際大氣，使短期數(shù)值預(yù)報(bào)逐漸成為天氣預(yù)報(bào)技 術(shù)的主流，并超過(guò)概率統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。尤其是對(duì)爆發(fā)性氣旋和那些有 一定斜壓性的天氣系統(tǒng)。中、長(zhǎng)期預(yù)報(bào)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(zhǎng)期業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)能力。 Emanuel （1986）提出了颶（臺(tái)）風(fēng)強(qiáng)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(lái)用以解釋熱帶氣旋發(fā)生的第二類(lèi)條 件不穩(wěn)定理論，使颶（臺(tái)）風(fēng)預(yù)報(bào)和研究走上一新的臺(tái)階。90

6、年代，人們開(kāi)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(wú)足夠長(zhǎng)時(shí)間、可靠的海 洋觀(guān)測(cè)資料來(lái)研究海洋在此時(shí)間尺度上的作用。同時(shí)，此時(shí)間尺度與工業(yè) 化以來(lái)造成溫室氣體上升的時(shí)段和其引起氣候強(qiáng)迫的時(shí)間尺度相近。如何 將大自然的變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響分開(kāi)是一重要但又復(fù)雜的科學(xué)難題。事 實(shí)上，自發(fā)現(xiàn)南極臭氧洞4和平流層中臭氧被破壞以來(lái)，這些科學(xué)難 題的研究大大促進(jìn)了大氣化學(xué)和環(huán)境科學(xué)在近20年來(lái)的發(fā)展5。隨著氣候模式可信度的提高，動(dòng)力氣候預(yù)測(cè)在15年前已經(jīng)開(kāi)始起步。 雖然區(qū)域性氣象要素的預(yù)報(bào)還不如統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法，但它對(duì)季節(jié)氣候異常趨 勢(shì)仍有一定預(yù)報(bào)能力。特別是

7、氣候模式現(xiàn)已能提前半年合理預(yù)報(bào)出熱帶風(fēng) 暴的發(fā)生頻率以及提前一年成功預(yù)報(bào)出那些海、氣相互作用較強(qiáng)的ENSO 事件。要獲得合理的長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)力氣候預(yù)測(cè)（模擬），需要運(yùn)轉(zhuǎn)高分辨率、 各子系統(tǒng)過(guò)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(jì) 算機(jī)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(guò)去15年來(lái)，科學(xué)家們利用各自的氣候模式對(duì) 未來(lái)CO2濃度可能加倍造成的氣候變化作了評(píng)估。IPCC的2001年報(bào)告 6綜合了各種模式的結(jié)果，表明如果CO2濃度未來(lái)加倍將會(huì)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(jìn)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(lái)觀(guān)測(cè)事實(shí)的驗(yàn)證將 日益受到各國(guó)政府和人們的注意。事實(shí)上，最近的研究7表明在過(guò)去 35年來(lái)全球洋面溫度緩慢變暖，使得每年強(qiáng)颶風(fēng)發(fā)生的頻率和給沿海地 區(qū)造成的財(cái)產(chǎn)和環(huán)境破壞都在增加8。二、我國(guó)海洋天氣觀(guān)測(cè)的進(jìn)展華南海岸帶地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(tái)風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對(duì)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(duì)該地區(qū)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成 極大的危害。華南海岸帶地區(qū)同時(shí)也是影響我國(guó)天氣氣候異常的主要水汽 通道，來(lái)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(guó)的大范 圍持續(xù)性旱澇密切相關(guān)。因此，海洋天氣觀(guān)測(cè)對(duì)我國(guó)的海洋觀(guān)測(cè)非常重要。我國(guó)于2001年經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)加入國(guó)際Arg。計(jì)劃時(shí)，曾承諾將在西太 平洋和東印度洋海域布放并維持由100150個(gè)浮標(biāo)組成的中國(guó)Argo大洋 觀(guān)測(cè)網(wǎng)，以此作為全球海洋觀(guān)測(cè)網(wǎng)的重要組成部分，并共享該觀(guān)測(cè)網(wǎng)的長(zhǎng) 期觀(guān)測(cè)資料。國(guó)內(nèi)正在開(kāi)展的幾個(gè)重大研究項(xiàng)目，如：“亞印太交匯區(qū)海 氣相互作用及其對(duì)我國(guó)短期氣候的影響”、“北太平洋副熱帶環(huán)流變異及 其對(duì)我國(guó)近海動(dòng)力環(huán)境的影響”、“基于全球?qū)崟r(shí)海洋觀(guān)測(cè)計(jì)劃的上層海 洋結(jié)構(gòu)、變異及預(yù)測(cè)研究”等，可收集太平洋、印度洋赤道海域，乃至整 個(gè)太平洋和全球海洋中的第一手資料9。我

10、國(guó)已形成了一定規(guī)模的海洋氣象監(jiān)測(cè)網(wǎng)，但基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。未來(lái)幾年 氣象部門(mén)將更加關(guān)注海洋氣象觀(guān)測(cè)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(kāi)發(fā)等國(guó)計(jì)民生的需求為牽引，開(kāi)展有針對(duì)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(guò)數(shù)十年的發(fā)展，中國(guó)氣象局已開(kāi)發(fā)了包括岸基站、天氣雷達(dá)、 浮標(biāo)站、船舶站、海上石油平臺(tái)自動(dòng)觀(guān)測(cè)站10，以及氣象衛(wèi)星遙感等海洋 氣象監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和業(yè)務(wù)工作。目前，廣東茂名博賀港建立了海洋氣象觀(guān)測(cè)平臺(tái)， 青島市氣象局投入使用兩部浮標(biāo)；另外，煙臺(tái)、青島、上海、江蘇?。ㄊ校?氣象局也已分別建立了船舶自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)站。三、未來(lái)展望如上所述，大氣科學(xué)的發(fā)展離不開(kāi)探測(cè)、

11、計(jì)算機(jī)、信息傳播及其它學(xué) 科的進(jìn)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(duì)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(cè)，在此僅能作一些粗略展望11。在未來(lái)1020年，地面氣象觀(guān)測(cè)、遙感觀(guān)測(cè)站將進(jìn)一步加密且實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)化。越來(lái)越多的商業(yè)飛機(jī)、火車(chē)、汽車(chē)、船只等其它運(yùn)載工具都可提 供自動(dòng)測(cè)量的氣象信息。常規(guī)高空觀(guān)測(cè)將由GPS制導(dǎo)。美國(guó)現(xiàn)有的多普 勒雷達(dá)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(dá)5100 km處安裝地面微波接收器，以 得到云內(nèi)三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)12。地面光“雷達(dá)”（LIDAR ）和大氣輻射干 擾儀（AERI ）將被布網(wǎng)以自動(dòng)連續(xù)探測(cè)大氣低層

12、水汽和溫度廓線(xiàn)。未來(lái)十年左右，高速計(jì)算機(jī)的單運(yùn)算器速度可發(fā)展達(dá)每秒1016量級(jí) 次并有數(shù)萬(wàn)并行運(yùn)算器，這可使模式（x, y）二維網(wǎng)格點(diǎn)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(bào)準(zhǔn)確度將取決于初始條件和模 式物理過(guò)程的可靠度。為此在未來(lái)1020年，除了需要進(jìn)行大量陸面過(guò) 程和湍流輸送作用的研究外，還需要使用多偏振雷達(dá)、衛(wèi)星和飛機(jī)在各種 降水系統(tǒng)中的探測(cè)資料對(duì)現(xiàn)有云物理參數(shù)化和各相水的模式處理進(jìn)行嚴(yán) 格驗(yàn)證、改進(jìn)或發(fā)展新的更合理的參數(shù)化，以便能同時(shí)預(yù)報(bào)在同樣中尺度 環(huán)境條件下產(chǎn)生20 mm/小時(shí)和200

13、mm/小時(shí)不同量級(jí)降水的兩個(gè)鄰近 云體。各種觀(guān)測(cè)資料及時(shí)通過(guò)四維同化隨時(shí)間積分滾動(dòng)加入模式，將會(huì)顯 著提高災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度。同時(shí)，需要大量工作來(lái)研究模式與各種 觀(guān)測(cè)儀器間的誤差統(tǒng)計(jì)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(guò)自身生命史時(shí)段以后發(fā)生的概率（由地形決定的系統(tǒng)除 外），將依賴(lài)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(bào)。集合預(yù)報(bào)今后將成為大多數(shù)預(yù)報(bào)中心的主要產(chǎn)品，至少 作為動(dòng)力預(yù)報(bào)可信度使用。參考文獻(xiàn)：Shapiro, M. and S. Gron?s. The Life Cycles of Extratropical Cyclones

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