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(shí)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(jié)束百年，這一時(shí)刻讓很多學(xué)者反思那場戰(zhàn)爭因?qū)庀笮畔⒌男枨髱淼膶?duì)整個(gè)學(xué)科的推動(dòng)，尤其是回顧自一戰(zhàn)期間英國學(xué)者理查孫嘗試手工數(shù)值天氣預(yù)報(bào)之后100年來氣象科學(xué)的進(jìn)步，更是百感交集和對(duì)未來有了更多期待。本文從AMS百年文集試圖對(duì)同樣時(shí)段的梳理開始，以偏概全凝煉出2018年氣象發(fā)展的脈絡(luò)，與讀者一起在回顧中更準(zhǔn)確地前瞻和憧憬學(xué)科的發(fā)展。

本刊

讀圖

脈絡(luò)1 AMS百年文集：秀出世紀(jì)成就 劍指來日風(fēng)流

AMS百年文集版眼

歷史并不算悠久的美國氣象學(xué)會(huì)（AMS），即將迎來成立100年。如果說，二戰(zhàn)前后當(dāng)戰(zhàn)爭促進(jìn)氣象大發(fā)展時(shí)，美國還是參與者，那么羅斯貝等眾多歐洲裔學(xué)者戰(zhàn)后移民美利堅(jiān)，芝加哥學(xué)派替代更加經(jīng)典的挪威學(xué)派成為大氣科學(xué)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(jì)下半葉開始已經(jīng)走在了世界的前列。借美國氣象學(xué)會(huì)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(jìn)行。文集計(jì)劃用27章梳理氣象科學(xué)的百年進(jìn)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(duì)學(xué)科經(jīng)典領(lǐng)域的再劃分（例如，應(yīng)用氣象學(xué)科按照基本應(yīng)用、應(yīng)對(duì)人口增長和其他應(yīng)用被劃分成3個(gè)分學(xué)科；大氣化學(xué)則按照氣態(tài)和非氣態(tài)進(jìn)行劃分），又有對(duì)可能成為新的分支學(xué)科領(lǐng)域的探索（例如，將強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的科學(xué)和業(yè)務(wù)捆綁在一起的主題評(píng)述）。這些創(chuàng)新性的思想，無疑是對(duì)過去發(fā)展的凝練，并會(huì)對(duì)未來氣象和大氣科學(xué)的發(fā)展具有重要的啟發(fā)性意義。

脈絡(luò)2 你方唱罷我登場，氣象衛(wèi)星“專門星座”時(shí)代開啟

隨著世界氣象衛(wèi)星強(qiáng)國在2017年及之前，大多完成了新一代氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星的發(fā)射和業(yè)務(wù)化，氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星換代告一段落。2018年，是全球針對(duì)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(jìn)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(shí)代。

ESA“探索地球”專門衛(wèi)星系列引領(lǐng)潮流。8月22日，歐空局（ESA）研發(fā)20年的Aeolus（風(fēng)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(dá)（ALADIN），實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測、繪制全球風(fēng)速風(fēng)向等風(fēng)況。風(fēng)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(fēng)況的狀況，可以說是填補(bǔ)了一項(xiàng)空白。更加難得的是，風(fēng)神衛(wèi)星是ESA“探索地球”系列中的第5項(xiàng)，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(gòu)成對(duì)地球重要變量的星座探測。

風(fēng)神衛(wèi)星

歐美日多機(jī)構(gòu)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(hào)”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(jìn)入瞄準(zhǔn)太陽的軌道，目標(biāo)是解開“日冕為何溫度如此之高”和“太陽風(fēng)的動(dòng)力來自何處”這兩個(gè)長期困擾學(xué)者的謎團(tuán)。

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(wù)，將64顆小衛(wèi)星送入地球軌道。而美國“火箭實(shí)驗(yàn)室”公司為了戰(zhàn)略性應(yīng)對(duì)小衛(wèi)星發(fā)射市場，研制了小型運(yùn)載火箭“電子”號(hào)，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(shí)間周期長等風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，2018年，重量在10～100 kg的微小衛(wèi)星在遙感、通信兩大領(lǐng)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(duì)這一趨勢的呼應(yīng)，美國氣象部門2018年停止了著名的合作項(xiàng)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(luò)3 新一代導(dǎo)航衛(wèi)星和“偽衛(wèi)星”平臺(tái)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(qiáng)大的信號(hào)系統(tǒng)，其提供的一種新的民用信號(hào)，可以與其他導(dǎo)航衛(wèi)星兼容，這意味著數(shù)據(jù)精度的提升。因此，借助導(dǎo)航衛(wèi)星的無線電掩星大氣探測技術(shù)和依據(jù)GPS準(zhǔn)確定位的探空儀等，未來性能的進(jìn)一步提升成為可能。

另外，主要由企業(yè)創(chuàng)新主導(dǎo)的天基觀測“偽衛(wèi)星”技術(shù)，例如，空中客車公司于2018年8月5日試飛的“西風(fēng)神”HAPS（太陽能高空偽衛(wèi)星）太陽能無人機(jī)，創(chuàng)下在空中停留超過25天的記錄。這次飛行的高度達(dá)到7萬英尺，超越了其他飛機(jī)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(yàn)通過高海拔熱氣球形成“同溫層衛(wèi)星”平臺(tái)。這類熱氣球可以到達(dá)16～30 km的高度，占據(jù)了飛機(jī)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(shí)間為5天，未來將延長到數(shù)周。無疑，當(dāng)這些技術(shù)成熟時(shí)，作為一個(gè)“動(dòng)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常可期。

GPS III衛(wèi)星

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

脈絡(luò)4：氣候變化怎樣改變天氣預(yù)報(bào)？

左：未來全球強(qiáng)暴雨增加趨勢分布；右：東亞夏季風(fēng)降水機(jī)制調(diào)整

氣候變化改變?nèi)蛱鞖?，?018年成為更被關(guān)注的主題，最新的模擬研究表明，在升溫背景下，全球風(fēng)暴將更濕和更不穩(wěn)定。2015年發(fā)表的一篇預(yù)測強(qiáng)暴雨趨勢增加的成果，也在最近被驗(yàn)證。影響中國天氣的主要系統(tǒng)，例如，東亞夏季風(fēng)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(luò)5 地震火山預(yù)警與預(yù)報(bào)合一，或許提供激烈天氣預(yù)報(bào)新思路

地震早期預(yù)警系統(tǒng)

2018年10月，美國第一個(gè)地震早期預(yù)警系統(tǒng)ShakeAlert投入運(yùn)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(shí)間差，用P分析S的危害和地點(diǎn)，并通過電子預(yù)警以與時(shí)間賽跑的方式預(yù)警。這樣的“無預(yù)報(bào)”手段的預(yù)警之所以成立，完全因?yàn)楫?dāng)今網(wǎng)絡(luò)化的社會(huì)信息體系才可行。

無獨(dú)有偶，意大利佛羅倫薩大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家，2018年研發(fā)了世界上第一個(gè)自動(dòng)化的火山預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并提前1小時(shí)預(yù)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(yù)警。而在今年AGU會(huì)議上，美國、英國等學(xué)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(dòng)捕捉到了火山爆發(fā)前的地面運(yùn)動(dòng)，從而建立了預(yù)測火山噴發(fā)系統(tǒng)的雛形。如果進(jìn)一步試驗(yàn)成功，這一借助AI和衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的預(yù)測技術(shù)，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(zāi)害的預(yù)警，有了新的預(yù)報(bào)預(yù)警途徑，即完全由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)報(bào)方法和借助社會(huì)信息網(wǎng)絡(luò)預(yù)警，也提示氣象學(xué)者：龍卷、颮線等中小尺度強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)，是天氣災(zāi)害中導(dǎo)致人員傷亡的重要事件，但其生命期顯然要長于地震，而預(yù)測難度在某種意義上不會(huì)超過火山噴發(fā)。地球科學(xué)中與預(yù)測相關(guān)的研究，不僅具有學(xué)科意義，更有深厚的應(yīng)用需求，相互借鑒或許能啟發(fā)學(xué)者開辟新思路。

脈絡(luò)6：揭示細(xì)節(jié)：雙偏振雷達(dá)和遙感更強(qiáng)能力的展示

雙偏振雷達(dá)圖像中可以區(qū)分出天氣系統(tǒng)中更多的區(qū)域

NCAR學(xué)者展示了S-波段雙偏振多普勒雷達(dá)（S-Pol）最先進(jìn)的風(fēng)暴探測能力。與一般業(yè)務(wù)雷達(dá)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(zhì)量更好的數(shù)據(jù)：對(duì)流系統(tǒng)的S-Pol雷達(dá)圖中，可以區(qū)分出8個(gè)不同區(qū)域并給出識(shí)別標(biāo)志。

另一個(gè)例子中，學(xué)者利用全球水文地貌河流數(shù)據(jù)庫，計(jì)算得到全球在年平均流量時(shí)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(duì)河流水體的解析，較之前的估計(jì)增加了44±15%。這種通過積累得到的細(xì)節(jié)分析，以及對(duì)總體更好的概括，是遙感相關(guān)學(xué)科未來收獲的一個(gè)代表，而這樣的細(xì)節(jié)揭示，其意義無疑跨越學(xué)科，推進(jìn)科學(xué)的整體進(jìn)步。

脈絡(luò)7：想象力和細(xì)節(jié)：更多介入創(chuàng)新與決策

2018年在氣象天基觀測領(lǐng)域，想象力刺激著學(xué)界。全球氣象界都非常關(guān)注的歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的學(xué)術(shù)會(huì)議，2018年用戶年會(huì)的主題為“ECMWF模式輸出應(yīng)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(yīng)用氣象涉及的領(lǐng)域，預(yù)報(bào)手段的更新以及模擬技術(shù)的發(fā)展，實(shí)際上在AI和大數(shù)據(jù)時(shí)代里，孕育了更多以前無法想象的拓展。這一點(diǎn)，在前述的地震和火山預(yù)警內(nèi)容中已經(jīng)有了揭示，而在氣象科學(xué)的主要領(lǐng)域，這樣的痕跡也是到處可見的。

在這次會(huì)議上，針對(duì)氣象服務(wù)的經(jīng)典領(lǐng)域，ECMWF提出要把預(yù)報(bào)模式的輸出想象成現(xiàn)實(shí)生活天氣條件的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)），從這個(gè)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(shí)際上能夠?qū)︻A(yù)報(bào)員給出強(qiáng)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(shí)現(xiàn)。基于此，本次會(huì)議聚焦于“處理模式輸出”和“影響預(yù)報(bào)”兩個(gè)主題，前者圍繞支持預(yù)報(bào)員決定什么時(shí)候發(fā)布天氣預(yù)警，確定模式輸出可視化的策略；后者則針對(duì)水資源、能源、農(nóng)業(yè)、防火和健康等主要應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)更多和更深入、好用的影響預(yù)報(bào)產(chǎn)品。會(huì)議的內(nèi)容顯示，這些活動(dòng)中，深入學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)再利用等信息手段不可或缺，而ECMWF對(duì)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(yù)報(bào)結(jié)果以大數(shù)據(jù)方式將物理量的計(jì)算值轉(zhuǎn)化為天氣VR

想象力需要細(xì)節(jié)分析的支撐，同時(shí)其應(yīng)用的領(lǐng)域也包括了氣象相關(guān)的決策過程。美國NOAA在未來天基氣象觀測平臺(tái)發(fā)展中，針對(duì)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(duì)每個(gè)衛(wèi)星性能的細(xì)致分析，制作了兩條技術(shù)路線的成本-性能改進(jìn)圖。在這張圖上，適當(dāng)?shù)臎Q策點(diǎn)將帶來的是：同樣的投入，星座性能的提升被“3D風(fēng)”“實(shí)時(shí)圖像”“近太空大氣觀測”等要素所覆蓋。這種在細(xì)節(jié)分析的基礎(chǔ)上，利用想象力給出支持決策的路線圖，是未來氣象基礎(chǔ)設(shè)施改進(jìn)戰(zhàn)略中更好的決策視角和手段。

數(shù)字

2.7 %

全球碳項(xiàng)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(dá)到歷史最高，這標(biāo)志著在排放相對(duì)平穩(wěn)期過后，連續(xù)第二個(gè)大幅度增加年。

1.4 ℃

法國氣象局的統(tǒng)計(jì)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(dāng)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(jī)構(gòu)為洛克希德—馬丁公司。

第1

西班牙媒體在預(yù)測2019年將進(jìn)一步發(fā)展的十大人道主義危機(jī)時(shí)，將氣候變化列為第1位，指出如果導(dǎo)致氣候變化的因素不發(fā)生改變，或?qū)е律蟽|人流離失所。

1.2 萬億千瓦時(shí)

初步統(tǒng)計(jì)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(jī)容量約3.5億千瓦，年發(fā)電量約1.2萬億千瓦時(shí)，雙雙繼續(xù)穩(wěn)居世界第一。

3.4 %

一家獨(dú)立研究機(jī)構(gòu)最新數(shù)據(jù)顯示，美國能源相關(guān)碳排放于2007年達(dá)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(xué)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(duì)防風(fēng)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(jì)最新公布了中國自然指數(shù)，在地球和環(huán)境科學(xué)前50家機(jī)構(gòu)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(hù)部（第35位）和國家海洋局（第40位）等榜上有名。

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