編輯：賈朋群

剛剛過去的2018年，全球氣象界在看似波瀾不驚形勢下，實際上在醞釀一些根本的改變。2018年正值第一次世界大戰(zhàn)結束百年，這一時刻讓很多學者反思那場戰(zhàn)爭因對氣象信息的需求帶來的對整個學科的推動，尤其是回顧自一戰(zhàn)期間英國學者理查孫嘗試手工數(shù)值天氣預報之后100年來氣象科學的進步，更是百感交集和對未來有了更多期待。本文從AMS百年文集試圖對同樣時段的梳理開始，以偏概全凝煉出2018年氣象發(fā)展的脈絡，與讀者一起在回顧中更準確地前瞻和憧憬學科的發(fā)展。

本刊

讀圖

脈絡1 AMS百年文集：秀出世紀成就 劍指來日風流

AMS百年文集版眼

歷史并不算悠久的美國氣象學會（AMS），即將迎來成立100年。如果說，二戰(zhàn)前后當戰(zhàn)爭促進氣象大發(fā)展時，美國還是參與者，那么羅斯貝等眾多歐洲裔學者戰(zhàn)后移民美利堅，芝加哥學派替代更加經(jīng)典的挪威學派成為大氣科學發(fā)展的新引擎，并在1950年成就NWP最先在美國獲得成功，美國氣象界無疑從20世紀下半葉開始已經(jīng)走在了世界的前列。借美國氣象學會走過百年，這本文集的推出，從2018年下半年開始、并在2019年持續(xù)進行。文集計劃用27章梳理氣象科學的百年進步，從已經(jīng)在網(wǎng)上發(fā)表的10章左右內(nèi)容和近20章信息的題目看，這本文集既有對學科經(jīng)典領域的再劃分（例如，應用氣象學科按照基本應用、應對人口增長和其他應用被劃分成3個分學科；大氣化學則按照氣態(tài)和非氣態(tài)進行劃分），又有對可能成為新的分支學科領域的探索（例如，將強對流風暴的科學和業(yè)務捆綁在一起的主題評述）。這些創(chuàng)新性的思想，無疑是對過去發(fā)展的凝練，并會對未來氣象和大氣科學的發(fā)展具有重要的啟發(fā)性意義。

脈絡2 你方唱罷我登場，氣象衛(wèi)星“專門星座”時代開啟

隨著世界氣象衛(wèi)星強國在2017年及之前，大多完成了新一代氣象業(yè)務衛(wèi)星的發(fā)射和業(yè)務化，氣象業(yè)務衛(wèi)星換代告一段落。2018年，是全球針對重要地球系統(tǒng)變量專門衛(wèi)星或星座發(fā)射競爭開始進入白熱化的一年，這或許開啟了氣象衛(wèi)星的“專門星座”的新時代。

ESA“探索地球”專門衛(wèi)星系列引領潮流。8月22日，歐空局（ESA）研發(fā)20年的Aeolus（風神）衛(wèi)星終于順利升空。星上被稱為“阿拉丁”的多普勒紫外激光雷達（ALADIN），實現(xiàn)了監(jiān)測、繪制全球風速風向等風況。風神衛(wèi)星改變了之前衛(wèi)星只能通過追蹤云層、氣溶膠（煙、塵、霧、霾），或者通過測量海洋表面變化，間接獲得風況的狀況，可以說是填補了一項空白。更加難得的是，風神衛(wèi)星是ESA“探索地球”系列中的第5項，它與之前的地球引力和地磁（Swarm衛(wèi)星，3顆）、土壤濕度與海水鹽分（SMOS，2顆）和冰凍圈等4種衛(wèi)星或星座，共同構成對地球重要變量的星座探測。

風神衛(wèi)星

歐美日多機構跟上。2018年9月和10月，美國和日本分別發(fā)射了監(jiān)測地球冰變化的ICESat-2衛(wèi)星和“呼吸2號”溫室氣體觀測衛(wèi)星。美國NASA的Parker太陽探測器和歐洲空間局的太陽衛(wèi)星，都將進入瞄準太陽的軌道，目標是解開“日冕為何溫度如此之高”和“太陽風的動力來自何處”這兩個長期困擾學者的謎團。

小衛(wèi)星推波助瀾。2018年，美國著名的SpaceX公司完成了“SSO-A：小衛(wèi)星快車”發(fā)射任務，將64顆小衛(wèi)星送入地球軌道。而美國“火箭實驗室”公司為了戰(zhàn)略性應對小衛(wèi)星發(fā)射市場，研制了小型運載火箭“電子”號，2018年12月成功將13顆立方體衛(wèi)星送入軌道。在大型衛(wèi)星面臨制造和發(fā)射成本過高、研發(fā)時間周期長等風險時，2018年，重量在10～100 kg的微小衛(wèi)星在遙感、通信兩大領域快速發(fā)展，并有未來部分或全部替代大型衛(wèi)星的趨勢。作為對這一趨勢的呼應，美國氣象部門2018年停止了著名的合作項目COSMIC二期，選擇繼續(xù)從3家公司購買主要通過小衛(wèi)星獲得的無線電掩星大氣探測數(shù)據(jù)。

脈絡3 新一代導航衛(wèi)星和“偽衛(wèi)星”平臺帶來天基觀測新變數(shù)

2018年12月23日，美國空軍成功將首顆新一代全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星GPS III發(fā)射升空。較上一代衛(wèi)星，GPS III具有更強大的信號系統(tǒng)，其提供的一種新的民用信號，可以與其他導航衛(wèi)星兼容，這意味著數(shù)據(jù)精度的提升。因此，借助導航衛(wèi)星的無線電掩星大氣探測技術和依據(jù)GPS準確定位的探空儀等，未來性能的進一步提升成為可能。

另外，主要由企業(yè)創(chuàng)新主導的天基觀測“偽衛(wèi)星”技術，例如，空中客車公司于2018年8月5日試飛的“西風神”HAPS（太陽能高空偽衛(wèi)星）太陽能無人機，創(chuàng)下在空中停留超過25天的記錄。這次飛行的高度達到7萬英尺，超越了其他飛機和大部分云層。另一家企業(yè)——美國世界觀察公司，則在2018年試驗通過高海拔熱氣球形成“同溫層衛(wèi)星”平臺。這類熱氣球可以到達16～30 km的高度，占據(jù)了飛機和衛(wèi)星之間的最佳地球探測位置。目前，熱氣球飛行的最長時間為5天，未來將延長到數(shù)周。無疑，當這些技術成熟時，作為一個“動態(tài)”的“偽”衛(wèi)星或下一代亞軌道星體，在地球觀測中更多的作為非?？善?。

GPS III衛(wèi)星

左：空客公司Zephyr HAPS 無人機；右：搭載在熱氣球上的“同溫層衛(wèi)星”平臺

脈絡4：氣候變化怎樣改變天氣預報？

左：未來全球強暴雨增加趨勢分布；右：東亞夏季風降水機制調整

氣候變化改變?nèi)蛱鞖?，?018年成為更被關注的主題，最新的模擬研究表明，在升溫背景下，全球風暴將更濕和更不穩(wěn)定。2015年發(fā)表的一篇預測強暴雨趨勢增加的成果，也在最近被驗證。影響中國天氣的主要系統(tǒng)，例如，東亞夏季風降水，在高緯度地球溫度更高的背景下，帶來夏季降水的急流北抬偏早，或許將給東北地區(qū)帶來更多降水并縮短中部地區(qū)的雨季。

脈絡5 地震火山預警與預報合一，或許提供激烈天氣預報新思路

地震早期預警系統(tǒng)

2018年10月，美國第一個地震早期預警系統(tǒng)ShakeAlert投入運行。系統(tǒng)利用地震中傳播更快的壓力波（P）與造成損害更大、但傳播速度更慢的橫波（S）的時間差，用P分析S的危害和地點，并通過電子預警以與時間賽跑的方式預警。這樣的“無預報”手段的預警之所以成立，完全因為當今網(wǎng)絡化的社會信息體系才可行。

無獨有偶，意大利佛羅倫薩大學的地質學家，2018年研發(fā)了世界上第一個自動化的火山預報系統(tǒng)，并提前1小時預測了埃特納火山將要噴發(fā)。系統(tǒng)通過追蹤次聲波判斷噴發(fā)是否將要發(fā)生，并成功向意大利政府發(fā)出預警。而在今年AGU會議上，美國、英國等學者利用人工智能手段，成果地快速處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)。正是這種處理的新算法，“意外”地自動捕捉到了火山爆發(fā)前的地面運動，從而建立了預測火山噴發(fā)系統(tǒng)的雛形。如果進一步試驗成功，這一借助AI和衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的預測技術，將使世界上大約8億居民受益，他們居住在全球海面以上大約1400座可能爆發(fā)的火山周邊。

以往地震、火山等難以駕馭的災害的預警，有了新的預報預警途徑，即完全由數(shù)據(jù)驅動的預報方法和借助社會信息網(wǎng)絡預警，也提示氣象學者：龍卷、颮線等中小尺度強對流系統(tǒng)，是天氣災害中導致人員傷亡的重要事件，但其生命期顯然要長于地震，而預測難度在某種意義上不會超過火山噴發(fā)。地球科學中與預測相關的研究，不僅具有學科意義，更有深厚的應用需求，相互借鑒或許能啟發(fā)學者開辟新思路。

脈絡6：揭示細節(jié)：雙偏振雷達和遙感更強能力的展示

雙偏振雷達圖像中可以區(qū)分出天氣系統(tǒng)中更多的區(qū)域

NCAR學者展示了S-波段雙偏振多普勒雷達（S-Pol）最先進的風暴探測能力。與一般業(yè)務雷達需要快速掃描有所不同，主要用于研究的S-Pol掃描速度更慢，但能獲得很多研究所需的更高分辨率和質量更好的數(shù)據(jù)：對流系統(tǒng)的S-Pol雷達圖中，可以區(qū)分出8個不同區(qū)域并給出識別標志。

另一個例子中，學者利用全球水文地貌河流數(shù)據(jù)庫，計算得到全球在年平均流量時的河流和水體表面積為（773000 ± 79000 km2），占地球非冰川陸地面積的0.58%±0.06%，這一更詳盡的數(shù)據(jù)以及對河流水體的解析，較之前的估計增加了44±15%。這種通過積累得到的細節(jié)分析，以及對總體更好的概括，是遙感相關學科未來收獲的一個代表，而這樣的細節(jié)揭示，其意義無疑跨越學科，推進科學的整體進步。

脈絡7：想象力和細節(jié)：更多介入創(chuàng)新與決策

2018年在氣象天基觀測領域，想象力刺激著學界。全球氣象界都非常關注的歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的學術會議，2018年用戶年會的主題為“ECMWF模式輸出應用：唯一的限制是你的想象力”。這樣的主題也在提示全球氣象界和應用氣象涉及的領域，預報手段的更新以及模擬技術的發(fā)展，實際上在AI和大數(shù)據(jù)時代里，孕育了更多以前無法想象的拓展。這一點，在前述的地震和火山預警內(nèi)容中已經(jīng)有了揭示，而在氣象科學的主要領域，這樣的痕跡也是到處可見的。

在這次會議上，針對氣象服務的經(jīng)典領域，ECMWF提出要把預報模式的輸出想象成現(xiàn)實生活天氣條件的VR（虛擬現(xiàn)實），從這個視角出發(fā)，支持更多的決策就有了靈感。各種更加豐富的信息圖表，實際上能夠對預報員給出強力的信息支撐，一些以前難度很大的瞬間決策，或許能夠更多和更好地實現(xiàn)?；诖?，本次會議聚焦于“處理模式輸出”和“影響預報”兩個主題，前者圍繞支持預報員決定什么時候發(fā)布天氣預警，確定模式輸出可視化的策略；后者則針對水資源、能源、農(nóng)業(yè)、防火和健康等主要應用領域，開發(fā)更多和更深入、好用的影響預報產(chǎn)品。會議的內(nèi)容顯示，這些活動中，深入學習和大數(shù)據(jù)再利用等信息手段不可或缺，而ECMWF對其產(chǎn)品從“可用”到“好用”再到“更酷地利用”，想象的翅膀和幫助用戶建立信心是最好的手段。

數(shù)值天氣模式預報結果以大數(shù)據(jù)方式將物理量的計算值轉化為天氣VR

想象力需要細節(jié)分析的支撐，同時其應用的領域也包括了氣象相關的決策過程。美國NOAA在未來天基氣象觀測平臺發(fā)展中，針對其星座到底是由65顆傳統(tǒng)衛(wèi)星組成，還是采用混合了包含86顆衛(wèi)星的星座，NOAA通過對每個衛(wèi)星性能的細致分析，制作了兩條技術路線的成本-性能改進圖。在這張圖上，適當?shù)臎Q策點將帶來的是：同樣的投入，星座性能的提升被“3D風”“實時圖像”“近太空大氣觀測”等要素所覆蓋。這種在細節(jié)分析的基礎上，利用想象力給出支持決策的路線圖，是未來氣象基礎設施改進戰(zhàn)略中更好的決策視角和手段。

數(shù)字

2.7 %

全球碳項目最新研究顯示，2018年全球工業(yè)碳排放二氧化碳可能增加2.7%，達到歷史最高，這標志著在排放相對平穩(wěn)期過后，連續(xù)第二個大幅度增加年。

1.4 ℃

法國氣象局的統(tǒng)計表明，2018年該國平均溫度較1981—2010年平均溫度高出1.4℃，超過2012年的1.2 ℃和2011年的1.1℃，是法國有記錄以來最熱年。

3/8 倍

2018年末成功升空的美國新一代GPS首顆衛(wèi)星，其定位精度是當前系統(tǒng)的3倍，而抗干擾能力更是目前系統(tǒng)的8倍，衛(wèi)星的研發(fā)機構為洛克希德—馬丁公司。

第1

西班牙媒體在預測2019年將進一步發(fā)展的十大人道主義危機時，將氣候變化列為第1位，指出如果導致氣候變化的因素不發(fā)生改變，或導致上億人流離失所。

1.2 萬億千瓦時

初步統(tǒng)計表明，至2018年底，我國大陸已建5萬千瓦及以上水電站約640座，全國水電總裝機容量約3.5億千瓦，年發(fā)電量約1.2萬億千瓦時，雙雙繼續(xù)穩(wěn)居世界第一。

3.4 %

一家獨立研究機構最新數(shù)據(jù)顯示，美國能源相關碳排放于2007年達到峰值，之后到2015年以年均1.6%的幅度下降。但自2016年以來下降放緩，2018年不降反升，增加了3.4%。

16%

澳大利亞學者利用大約70萬張衛(wèi)星圖像，繪制了1984—2016年間全球潮灘范圍及變化，發(fā)現(xiàn)這一對防風暴、穩(wěn)定海岸線和糧食生產(chǎn)具有重要意義的生態(tài)系統(tǒng)，在33年里減少了約16%。

第12位

Nature基于2015—2017年統(tǒng)計最新公布了中國自然指數(shù)，在地球和環(huán)境科學前50家機構中，中國氣象局位列第12位，中科院大氣所（第10位）、中國地震局（第16位）、環(huán)境保護部（第35位）和國家海洋局（第40位）等榜上有名。

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