黃勇，張文建

（1 安徽省氣象科學(xué)研究所，大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031；2 壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)，中國(guó)氣象局淮河流域典型農(nóng)田生態(tài)氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地，壽縣 232200；3 世界氣象組織，日內(nèi)瓦 1211）

0 引言

能源是地球上生命的基礎(chǔ)，地球大氣系統(tǒng)通過(guò)大氣、云、陸面和海洋等媒介，吸收太陽(yáng)短波輻射能量和釋放長(zhǎng)波輻射，產(chǎn)生能量循環(huán)。水循環(huán)則通過(guò)降水、蒸發(fā)、地表和地下水徑流等環(huán)節(jié)，平衡水資源[1]。全球水循環(huán)包含了水在地球表面、大氣和地球表面之下不斷移動(dòng)的過(guò)程。云、降水、水蒸氣、表面輻射、氣溶膠和其他現(xiàn)象都在這個(gè)循環(huán)中起作用。

研究能量與水循環(huán)，對(duì)提升全球和區(qū)域氣候模式預(yù)報(bào)以及氣象防災(zāi)減災(zāi)有著重要意義，并能產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[2-5]。國(guó)外學(xué)者們先后開(kāi)展了多次大型能量與水循環(huán)試驗(yàn)，包括全球能量與水循環(huán)試驗(yàn)（GEWEX）、協(xié)調(diào)能水循環(huán)觀測(cè)計(jì)劃（CEOP）、全球變化的地球和前沿研究系統(tǒng)計(jì)劃（FRSGC）、水文循環(huán)中的生物學(xué)作用計(jì)劃（IGBP/BAHC）等[6-13]。

GEWEX是國(guó)際科聯(lián)理事會(huì)與世界氣象組織為了研究氣候異常、解決長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，以防災(zāi)減災(zāi)、保證糧食生產(chǎn)為目的，而設(shè)立的世界研究計(jì)劃，重點(diǎn)關(guān)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(huán)和能量通量[14]。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，GEWEX到目前為止共分為3個(gè)階段。第一階段為1990—2002年，側(cè)重于開(kāi)發(fā)分析工具和模型，使用業(yè)務(wù)和研究型衛(wèi)星、大尺度區(qū)域分析和過(guò)程研究來(lái)支持全球氣候模型的反饋過(guò)程（與云和土地有關(guān)）參數(shù)化研究。第二階段為2003—2012年，開(kāi)始對(duì)新型衛(wèi)星傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)開(kāi)發(fā)。在第一階段和第二階段的成果和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，2013年GEWEX又開(kāi)啟了第三階段（2013—2022年），制定了新的目標(biāo)和戰(zhàn)略規(guī)劃，并根據(jù)世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）提出的挑戰(zhàn)確定了將要解決的4個(gè)科學(xué)問(wèn)題。

1 全球能量與水循環(huán)試驗(yàn)（GEWEX）簡(jiǎn)介

GEWEX是WCRP的4個(gè)核心項(xiàng)目之一，研究大氣的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)以及與地球表面的相互作用。GEWEX共分為4個(gè)研究組，分別為：全球陸地/大氣系統(tǒng)研究小組（GLASS）、全球大氣系統(tǒng)研究小組（GASS）、水文氣候?qū)W小組（GHP）以及數(shù)據(jù)和分析小組（GDAP）。

GLASS是以模型開(kāi)發(fā)和評(píng)價(jià)為核心目標(biāo)，通過(guò)協(xié)調(diào)新一代陸面過(guò)程方案相互比較和評(píng)價(jià)，及其對(duì)廣泛感興趣的科學(xué)問(wèn)題的應(yīng)用，促進(jìn)陸面模式的發(fā)展。主要包括：植被物候、植被動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和碳庫(kù)模型的發(fā)展；濕地、城市、農(nóng)田與地下水之間的相互作用、養(yǎng)分循環(huán)、冰凍圈過(guò)程和土地屬性表征的改進(jìn)；優(yōu)化衛(wèi)星光譜間隔，以方便衛(wèi)星數(shù)據(jù)的數(shù)值同化應(yīng)用。

GASS目的是發(fā)展和提高天氣和氣候模型中對(duì)大氣系統(tǒng)的描述能力。GASS支持全球合作開(kāi)展觀測(cè)和數(shù)據(jù)使用，以及過(guò)程研究和數(shù)值模式試驗(yàn)，通過(guò)協(xié)調(diào)科學(xué)項(xiàng)目來(lái)匯集全球?qū)＜遥瑸榇髿鈹?shù)值模式的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

GHP的目標(biāo)是理解和預(yù)測(cè)大陸尺度到局地尺度的水文氣候及其應(yīng)用。GHP致力于從綜合的角度提高我們對(duì)區(qū)域尺度能量和水循環(huán)的理解。在區(qū)域尺度上處理水循環(huán)可以讓我們從物理到經(jīng)濟(jì)再到社會(huì)方面，更好地理解該系統(tǒng)的許多組成部分。GHP中主要有3類(lèi)項(xiàng)目：理解和預(yù)測(cè)水文氣候的區(qū)域水文氣候項(xiàng)目；在全球范圍內(nèi)傳播和綜合成果的跨領(lǐng)域項(xiàng)目；收集和分發(fā)重要數(shù)據(jù)的全球數(shù)據(jù)中心。

GDAP主要通過(guò)匯集與云過(guò)程有關(guān)的輻射相互作用和氣候反饋的理論和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，回答 “地球氣候?qū)椛浜推渌麖?qiáng)迫力的變化有多敏感?”這一核心問(wèn)題。這將使我們能夠更好地預(yù)測(cè)暫時(shí)性的自然氣候變化（如厄爾尼諾），以及理解自然和人為導(dǎo)致的氣候變化的后果。

GEWEX自1980年代建立以來(lái)，共經(jīng)歷了3個(gè)階段。第一階段（1990—2002年）被設(shè)計(jì)為建設(shè)階段，第二階段（2003—2012年）強(qiáng)調(diào)充分利用第一階段的理解和工具，依賴升級(jí)后的模式和同化系統(tǒng)以及新的環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)，以期對(duì)氣候科學(xué)作出更大的貢獻(xiàn)。第三階段（2013—2022年）根據(jù)新的挑戰(zhàn)制定了新的目標(biāo)和戰(zhàn)略規(guī)劃。

2 GEWEX第一和第二階段試驗(yàn)

GEWEX第一階段（1990—2002年）在新型衛(wèi)星正式投入使用之前，最大限度地研究當(dāng)前運(yùn)行的衛(wèi)星及其數(shù)據(jù)，側(cè)重于開(kāi)發(fā)分析工具和模型，使用業(yè)務(wù)和研究型衛(wèi)星、大尺度區(qū)域分析和過(guò)程研究來(lái)支持全球氣候模式的反饋過(guò)程（與云和土地有關(guān)）參數(shù)化研究。第一階段由3個(gè)重點(diǎn)研究領(lǐng)域組成：輻射項(xiàng)目（GRP）、水文氣象項(xiàng)目（GHP）、模式與預(yù)測(cè)項(xiàng)目（GMPP）。GEWEX亞洲季風(fēng)試驗(yàn)（GAME）隸屬于GHP。第一階段形成了解決水和能量循環(huán)中關(guān)鍵要素的項(xiàng)目，項(xiàng)目重點(diǎn)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(dòng)包括全球數(shù)據(jù)集開(kāi)發(fā)，過(guò)程研究以及模式開(kāi)發(fā)。

經(jīng)過(guò)多年研究，GEWEX第一階段產(chǎn)生了大量研究成果，如：揭示了區(qū)域水循環(huán)和能量平衡接近閉合的事實(shí)，及其循環(huán)和日變化對(duì)區(qū)域氣候預(yù)測(cè)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(shù)據(jù)集；改進(jìn)了大多數(shù)區(qū)域和全球的地表和云參數(shù)化方案，提高了降水預(yù)測(cè)能力。此外，GEWEX第一階段的研究成果也產(chǎn)生了重大影響，包括：分發(fā)了15000個(gè)數(shù)據(jù)光盤(pán)，被20多個(gè)學(xué)術(shù)期刊關(guān)注，成果引用超過(guò)5000條；發(fā)展了水文學(xué)和大氣科學(xué)之間新的跨學(xué)科關(guān)系（著重于陸地與地面之間的相互作用），創(chuàng)立學(xué)術(shù)期刊——《水文氣象學(xué)雜志》（Journal of Hydrometeorology）。

GEWEX第二階段（2003—2012年），著重在第一階段基礎(chǔ)上，研發(fā)新型衛(wèi)星傳感器的數(shù)據(jù)應(yīng)用，并依賴升級(jí)后的模式和同化系統(tǒng)以及新的環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)，來(lái)對(duì)氣候科學(xué)作出更大的貢獻(xiàn)。第二階段開(kāi)發(fā)和應(yīng)用了從全球氣候模式到區(qū)域和中尺度模式的多個(gè)不同尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式，并發(fā)展了降尺度方法，以開(kāi)發(fā)適用于與水文相關(guān)的，可以在當(dāng)?shù)厮Y源管理中使用的較小時(shí)空尺度的模式。第二階段的成果還包括：1）形成了連續(xù)的數(shù)據(jù)集，附有地球能量平衡和水循環(huán)數(shù)據(jù)的誤差因子和它們?cè)谀觌H到幾十年時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì)，用于氣候系統(tǒng)分析以及模式開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證；2）加深了對(duì)能量和水循環(huán)過(guò)程如何發(fā)揮作用的理解，并量化了它們對(duì)氣候反饋的貢獻(xiàn)；3）確定了陸地區(qū)域主要能量和水循環(huán)變量可預(yù)測(cè)性的空間和季節(jié)變化特征，并通過(guò)與WCRP合作確定了全球能量和水循環(huán)的可預(yù)測(cè)性；4）改進(jìn)了水文氣象過(guò)程和大氣環(huán)流模式反饋機(jī)制的參數(shù)設(shè)置，以更好地預(yù)測(cè)能量和水循環(huán)；5）與水文氣象服務(wù)業(yè)務(wù)部門(mén)和水文研究計(jì)劃開(kāi)展了聯(lián)合活動(dòng)，證明了第二階段GEWEX的預(yù)測(cè)能力，以及數(shù)據(jù)集和模式等工具對(duì)評(píng)估全球變化的價(jià)值。

3 GEWEX第三階段試驗(yàn)

在第一階段和第二階段的成果和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，GEWEX第三階段（2013—2022年）制定了新的目標(biāo)和戰(zhàn)略規(guī)劃，根據(jù)WCRP提出的挑戰(zhàn)確定了將要解決的4個(gè)科學(xué)問(wèn)題和7個(gè)研究領(lǐng)域。GEWEX第三階段仍分為GRP、GHP、GMPP這3個(gè)小組。將全球能量和水循環(huán)作為核心重點(diǎn)，同時(shí)還要強(qiáng)調(diào)區(qū)域性。突出水文和陸面過(guò)程，模式，以及與大氣的相互作用，還保留了與水和能量循環(huán)有關(guān)的大氣成分，將涉及到輻射，云，邊界層，對(duì)流，降水，地表通量，徑流和人為活動(dòng)影響的科學(xué)問(wèn)題相關(guān)聯(lián)，而這些問(wèn)題也包括在觀測(cè)，過(guò)程理解和建模方面。

GEWEX第三階段關(guān)注的4個(gè)科學(xué)問(wèn)題分別是：1）降水觀測(cè)和預(yù)報(bào)：如何能夠更好地理解和預(yù)測(cè)降水變化？2）全球水資源系統(tǒng)：地表和水文的變化如何影響過(guò)去和未來(lái)水資源供應(yīng)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(guò)程如何造成影響？4）能量與水循環(huán)及其過(guò)程：如何能夠更好地改進(jìn)和表述對(duì)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(gè)研究領(lǐng)域提供了G E W E X 2013—2022年的戰(zhàn)略觀點(diǎn)，構(gòu)成了GEWEX科學(xué)問(wèn)題（GSQ）的重點(diǎn)框架。這7個(gè)研究領(lǐng)域分別是：1）數(shù)據(jù)集：促進(jìn)發(fā)展與大氣、水、土地、能量相關(guān)的氣候數(shù)據(jù)集，包括元數(shù)據(jù)和不確定性評(píng)估；2）分析：描述和分析與水和能量有關(guān)數(shù)據(jù)中觀察到的變化，趨勢(shì)和極端天氣（例如熱浪，洪水和干旱）；3）流程：發(fā)展方法以提高對(duì)能量和水循環(huán)的理解，支持改進(jìn)地表和大氣模型；4）建模：通過(guò)加快開(kāi)發(fā)地表和大氣模型，改進(jìn)對(duì)全球和區(qū)域降水、云、地表水文和整個(gè)氣候系統(tǒng)的模擬和預(yù)測(cè)；5）應(yīng)用：總結(jié)變化、趨勢(shì)和極端天氣的原因，并與WCRP合作確定全球和區(qū)域能量和水循環(huán)的可預(yù)測(cè)性；6）技術(shù)轉(zhuǎn)化：與氣候和水文氣象服務(wù)部門(mén)合作，開(kāi)發(fā)新的觀測(cè)，模型，診斷工具和方法，數(shù)據(jù)管理及其他研究產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)多種用途，并過(guò)渡到運(yùn)營(yíng)應(yīng)用。7）能力建設(shè)：通過(guò)對(duì)科學(xué)家的培養(yǎng)和用戶推廣促進(jìn)能力建設(shè)。

4 淮河能量與水循環(huán)試驗(yàn)簡(jiǎn)介

淮河地處我國(guó)南北氣候過(guò)渡帶，河流縱橫交錯(cuò)，土壤肥沃，光、熱、水資源豐富，水旱災(zāi)害頻發(fā)，是我國(guó)夏季旱澇災(zāi)害最頻發(fā)的地區(qū)，直接威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。1998年和1999年夏，在中國(guó)和日本國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持下，與GEWEX/亞洲季風(fēng)試驗(yàn)（GAME）合作，進(jìn)行了淮河流域能量與水循環(huán)試驗(yàn)（HUBEX）[15-20]，該試驗(yàn)被譽(yù)為20世紀(jì)末我國(guó)大氣科學(xué)領(lǐng)域4個(gè)科學(xué)試驗(yàn)之一，試驗(yàn)中涉及了8種來(lái)自中國(guó)和日本的多普勒和常規(guī)天氣雷達(dá)以及大量先進(jìn)的水文氣象觀測(cè)儀器、數(shù)十個(gè)高空探測(cè)站、數(shù)百個(gè)水文氣象站以及來(lái)自中國(guó)和日本的數(shù)百名工程師和科學(xué)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(yàn)的最終報(bào)告，全面總結(jié)了在9個(gè)方面取得的主要成果，分別是：1）HUBEX試驗(yàn)期東亞大尺度環(huán)流特征和天氣系統(tǒng)分析；2）HUBEX試驗(yàn)期暴雨中尺度系統(tǒng)與洪水災(zāi)害；3）梅雨的水氣源和輸送；4）陸面過(guò)程；5）暴雨機(jī)理；6）區(qū)域/流域尺度的水分/能量收支；7）淮河流域徑流觀測(cè)和預(yù)測(cè)；8）GAME/HUBEX的四維資料同化分析；9）暴雨與洪水預(yù)報(bào)的前景。

HUBEX觀測(cè)到了江淮梅雨爆發(fā)前、梅雨期間，以及梅雨結(jié)束后不同天氣氣候條件下的重要降水過(guò)程，提供了大量寶貴的地面、探空、雷達(dá)、水文、衛(wèi)星及輻射、通量等多種加密和特殊的觀測(cè)資料；分析了梅雨期東亞大尺度環(huán)流特征和天氣尺度系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)東亞梅雨是多尺度天氣與氣候變率和系統(tǒng)的產(chǎn)物，大大深化了人們對(duì)梅雨發(fā)生發(fā)展的大尺度和天氣尺度條件的認(rèn)識(shí)；建立了由3個(gè)X-波段多普勒雷達(dá)站（壽縣、淮南、鳳臺(tái)）組成的觀測(cè)陣，并據(jù)此獲得中小尺度擾動(dòng)的三維動(dòng)力結(jié)構(gòu)和生命史演變；發(fā)現(xiàn)了梅雨鋒降水系統(tǒng)主要由多尺度系統(tǒng)組成，并將天氣尺度的梅雨鋒劃分為副熱帶氣團(tuán)內(nèi)梅雨鋒與融合型冷鋒梅雨鋒兩類(lèi)，總結(jié)出兩類(lèi)梅雨鋒鋒面的概念模型；發(fā)展了陸面過(guò)程與淮河流域區(qū)域水文模式。

5 未來(lái)展望

HUBEX已過(guò)去20年，其取得的研究成果在推動(dòng)相關(guān)科學(xué)研究和業(yè)務(wù)科技發(fā)展上起到了重要作用。然而，在全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)共同影響的背景下，淮河流域的能量與水循環(huán)正在發(fā)生改變，出現(xiàn)了一些未知的新規(guī)律和新特點(diǎn)，并引發(fā)了極端災(zāi)害性天氣?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)和數(shù)值模式，尚不能完全表征這些變化，刻畫(huà)影響及其反饋過(guò)程，給淮河流域科技和業(yè)務(wù)發(fā)展帶來(lái)了一定的阻礙。因此，需要我們對(duì)淮河流域能量與水循環(huán)的改變，以及相應(yīng)氣象與水文災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的變化，進(jìn)行更深入、更全面的研究和探索，掌握和認(rèn)識(shí)新的氣候、環(huán)境與水文變化規(guī)律。

吸收第一次淮河流域試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，依托以壽縣國(guó)家觀象臺(tái)為中心淮河流域多尺度觀測(cè)網(wǎng)、以及多種國(guó)內(nèi)外先進(jìn)探測(cè)設(shè)備，結(jié)合前文總結(jié)的GEWEX最新科學(xué)問(wèn)題和研究領(lǐng)域規(guī)劃，針對(duì)計(jì)劃開(kāi)展的第二次淮河流域能量與水循環(huán)試驗(yàn)（HUBEX-2）提出建議和思考。并進(jìn)一步加強(qiáng)和WMO區(qū)域和全球計(jì)劃的合作，在新的國(guó)際和區(qū)域合作框架下加強(qiáng)對(duì)淮河流域能量與水循環(huán)的更高層次的研究業(yè)務(wù)能力發(fā)展。

1）建設(shè)觀測(cè)網(wǎng)，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)集

建設(shè)天地空一體化、微波-激光探測(cè)等相融合的淮河流域綜合觀測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)立體化觀測(cè)，尤其是氣溶膠-云相互作用等微物理過(guò)程協(xié)同探測(cè)，和全流域陸面過(guò)程的地空聯(lián)合觀測(cè)。收集整理觀測(cè)期間地面、雷達(dá)、地基遙感、衛(wèi)星遙感、探空等常規(guī)和特殊觀測(cè)資料，利用新質(zhì)控方法和技術(shù)手段開(kāi)發(fā)高質(zhì)量數(shù)據(jù)集，附元數(shù)據(jù)和不確定性評(píng)估。

2）分析數(shù)據(jù)，揭示規(guī)律

分析數(shù)據(jù)獲取信息，揭示淮河流域能量與水循環(huán)的特征規(guī)律，并從溫室氣體排放、土地利用變化造成的輻射強(qiáng)迫和城鎮(zhèn)化、大氣污染、生態(tài)修復(fù)等下墊面人類(lèi)活動(dòng)的影響著手，揭示能量與水循環(huán)異常的形成機(jī)制，及其對(duì)旱澇災(zāi)害影響。

3）開(kāi)發(fā)模式，加以應(yīng)用

建立適合淮河流域的變尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式，優(yōu)化云微物理過(guò)程和陸面過(guò)程的參數(shù)化方案，提高旱澇災(zāi)害預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。建立淮河流域農(nóng)業(yè)旱澇評(píng)估模型，突破災(zāi)害防御技術(shù)，提高旱澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)能力。將模式應(yīng)用至一線業(yè)務(wù)中，檢驗(yàn)?zāi)Ｊ降目捎眯裕⑨槍?duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題加以改進(jìn)。

4）技術(shù)轉(zhuǎn)換，能力建設(shè)

將開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)集，模式及其分析應(yīng)用結(jié)果與科學(xué)家，政府和其他機(jī)構(gòu)之間共享，以確保更廣泛的用戶可以使用發(fā)展。鼓勵(lì)、歡迎領(lǐng)域內(nèi)科研技術(shù)人員參與工作，進(jìn)一步培養(yǎng)人才。