直擊天氣 與科學家聊「天」:關注「氣候與水」

　　今年世界氣象日主題為「氣候與水」，我們應當如何理解他們之間的關係？氣候變化使水資源發生了怎樣的變化？目前我國對雲水資源的認識和利用是怎樣的？未來的前景如何？記者採訪了中國工程院院士丁一匯、國家氣候中心氣候服務室正高級工程師肖潺、中國氣象科學研究院研究員周毓荃。 

　　記者：今年世界氣象日和世界水日主題都是氣候與水，如何理解他們之間的關係？

　　國家氣候中心氣候服務室正高級工程師肖潺：氣候是指一個地區在某段時間內所經歷過的天氣，是一段時間內天氣的平均或統計狀況，反映了一個地區的冷、暖、幹、溼等基本特徵。表徵冷、暖主要用溫度這個指標，而表徵幹、溼主要用降水這個指標，溫度和降水兩個要素構成了一個地方氣候最基礎的兩個方面。   

　　廣義上，與氣候相關的水不僅僅指降水，還包括以固態和氣態等形式存在於空中的水汽、雲以及以固態和液態存在於陸地和海洋中的水，如：冰凍圈內處於自然凍結狀態的冰川、凍土、積雪，積極參與陸地水循環的徑流性水資源。

　　氣候是我們賴以生存的自然環境，水是人類社會生存發展的重要資源。兩者關係極為密切，相互影響。一個地方水資源的重要來源就是降水，因而氣候在很大程度上決定了一個地方水資源稟賦。水通過不同形態及轉換，比如降雨（降雪）、蒸發、徑流等，在地球氣候系統的物質循環和能量循環中扮演了十分重要的角色，可以說是溝通氣候系統不同圈層之間的重要橋梁和紐帶。

　　氣候和水與我們的生活息息相關，適宜的氣候和適量的水資源是生產生活的必要條件，即常常所說的風調雨順。如果天氣氣候的變化範圍超過了正常波動的上限或者下限，就會出現極端天氣氣候事件（又稱極端事件），極端事件的發生往往伴隨著較大的社會影響。以降水為例，降水過多會帶來暴雨洪澇，危及房屋、土地、農田甚至生命安全，而降水過少則會帶來乾旱，影響作物生長甚至人畜飲水等。

　　全球變暖是當前氣候變化的主要特徵。根據世界氣象組織（WMO）發布的消息，2019年全球平均溫度比1850-1900年的平均值高出1.1℃，是有記錄以來僅次於2016年的第二熱的一年。而近5年（2015-2019年）和近10年（2010-2019年）的平均氣溫都是有記錄以來最高的。而且，自20世紀80年代以來，每10年的氣溫都比上一個10年高，可謂節節攀升。中國氣候同樣呈現出與全球一致的升溫趨勢，1951年以來，中國地表年平均氣溫每10年上升0.24℃。

　　記者：氣候變化會對全球水循環和水資源造成什麼影響，具有哪些特點？

　　中國工程院院士丁一匯：氣候變化正改變著全球和中國的水資源。我們首先看一看全球氣候變化對水資源的影響。圖1說明在氣候變化的影響下，全球氣候帶正在發生著變化，主要特點就是熱帶地區上升運動在加強，副熱帶地區的下沉運動也在加強，也就是說，副熱帶的乾旱區在膨脹，在向北膨脹，同時，中緯度的暴風雨帶，也就是中緯度降水帶同時也在增強，降水增加，所以整體來說，降水的變化，從半球來看，是產生了正—負—正的變化：中高緯度降水增加，副熱帶降水減少，熱帶降水增加。從氣候上講，熱帶地區本來降水就多，它變成正距平，中高緯度降水本來也多，它也是正距平，而副熱帶地區本來降水就少，它是負距平。由於中高緯降水增加，熱帶降水增加，那就是說，本來降水多的地方降水越多，而副熱帶乾旱少雨地區降水減少，即氣候變化之後，降水正在向乾旱化趨勢發展。綜合上述的變化，這就叫做所謂幹者越幹，溼者越溼，這就是氣候變化造成全球水資源改變的一個主要特點。

　　圖1 全球氣候帶示意圖（NWS， 2016）

　　我們進一步考察氣候平均狀態下的水循環及其變化。整個水循環實際上就是從海洋向大氣輸送水汽，從大氣再輸送到陸地地區，然後形成降水降落，以後水再變成地上和地下的徑流，最後又流回到海洋上去（圖2）。

　　圖2 全球水文循環平均狀況（姜彤根據Trenberth, et al., 2007改繪）

　　那麼我們看看這樣一個環流圈，在氣候變化影響下發生著什麼變化，大家可以看到圖3，這就是數值氣候模式預測的全球水循環狀況，這是從上個世紀末預測到本世紀2030年的全球水循環結果，未來的水循環強度的變化。可以看到，從海洋到陸地，從陸地再到地下水、徑流流回去，這樣一個循環都是正的。這就代表著水循環運轉的速度未來在加強。因而全球水循環不但分布在改變，運轉的速度也在改變。圖3上每一個結點都有一個數字，這個數字都是正的，都是在加強，海洋的蒸發在加強，輸送到我們陸地上的大氣中的水汽也在加強，降水也在增強，地下水也在增強，整個都在增強、加快。這是我講的第二個特點。所以，我們看到，這是一個全球性水循環的加強，運轉速度現在和將來都在加強。這是全球水循環變化的第二個特點。

　　圖3 模式模擬和預測的1860年-2030年全球水循環的變化。（藍色數字是模擬1860年的結果，紅色數字是模式預測的到2030年的變化值。（Bengtson,1998）

　　全球水循環變化的第三個特點是全球降水，特別是中緯度降水在快速的增加（圖4）。

　　圖4 全球陸地與中緯度地區年降水距平變化（IPCC，2013）

　　全球水循環變化的另一個特徵是全球大氣正在變溼。大氣溼度的一個指標就是比溼（圖5a）。其中上圖是一個全球的分布，帶有綠顏色的地方都說明大氣的溼度在增加，可以看到，從副熱帶以北可以看到，都是藍顏色的小點子，那說明，除了副熱帶地區溼度普遍都在增加。下方曲線（圖5b）就反映出全球大氣溼度變化的曲線，也是不斷攀升的，這就是我們講的第四個特點，大氣溼度在增加，大氣更為潮溼。

　　圖5 （a）1973-2012年地面比溼趨勢變化分布圖，（b）地表比溼全球年平均距平曲線（IPCC，2013）

　　分析了四個變化特點之後，這就回到了我們最初的結論：整體來講，由於氣候變化，當然也包括自然因素在裡面，使得全球的水循環變得幹者越幹，溼者越溼，這個基本特點是非常清楚的。

　　記者：氣候變化的背景下，我國水資源發生了怎樣的變化？

　　中國工程院院士丁一匯：作為對全球變暖的區域性響應，下面我來看看中國的情況，即看看中國的水循環是怎麼變的。

　　第一個特點和全球一樣，從圖6中可以看到，中國的降水從1961年開始也在不斷的增加。可以看到，在20世紀80年代以前，它是在零線以下，現在我們基本上都在零線以上，並且最近一二十年，增加的非常快，這是第一個特點。這符合全球氣候變化影響水循環的結果。

　　圖6 1961-2019年中國平均年降水量距平變化（國家氣候中心，2020）

　　中國第二個區域的特點是什麼？中國是季風氣候，季風的強弱分布和推進會影響雨帶。在季風區的地方是南澇北旱，南面是降水偏多，北面是降水偏少，這樣就影響我們北方的水資源，即北方水資源短缺。我們國家採取的應對措施是南水北調，這就是國家為適應氣候變化所做的努力。

　　我們再進一步從近幾十年的觀測資料來看（圖8），西部地區都是藍的，這就代表乾旱程度在減弱，那就是變溼，當然氣候也在變暖，因而，實際上是西部大部分地區都是變暖變溼的，也就是暖溼化了。當然並不是說它就改變了氣候型，至少它的降水和溼度在增加。再看我國東部的季風區，黃顏色的地方就是乾旱的地區。在北方，一直到東北大部分地區都是黃顏色，也就是乾旱的。另一個乾旱區也值得我們注意，在西南地區，也是乾旱的。這幾年我們都知道，西南地區也經歷了十幾年的乾旱，這些都是受季風減弱的影響。當然，在長江流域與東南沿海，基本上是多雨。圖8中藍顏色的地方。這就是所謂我們看到西部的暖溼化和季風區南澇北旱這麼一個主要的特點，這是第二個特點。

　　圖8 中國年乾旱日數線性變化趨勢（1961-2015年）（國家氣候中心，2018）

　　圖9 上圖：1950-2017年中國主雨帶的年際變化；下圖：1950-2017年PDO的變化（國家氣候中心，2018）

　　氣候變化也有自然因素在影響，實際上主要是海洋的影響。圖9下圖反映的就是太平洋海洋溫度的變化。可以看到，海表溫度暖冷在五六十年之間經歷了40年為一個周期的變化，先是冷海溫（在零線以下），然後暖海溫，再冷海溫。相應中國東部的雨帶，在冷海溫的時候，雨帶是向北的，可以到達華北，在暖海溫的時候，雨帶偏南，雨帶到達長江領域。現在我們正在等著下一個雨帶的南北變化。這就是第三個特點：自然的因素對中國季風雨帶的年代際影響。

　　從上面這三個特點來看，對於我們中國總體來說，降水不斷增加，但從區域來看，在東部季風區是南澇北旱，西部是暖溼化，除了受全球氣候變化影響外，還受到自然因素的影響，如海洋PDO 40年一個周期性變化。

　　全球和區域既有相同的地方，又有不同的地方，相同的地方就是降水都在增加，但是中國又受到季風氣候的影響，這是區域的影響。西北乾旱區現在也在變溼變暖，局部呈現暖溼化趨勢，當然它本身還是一個乾旱和半乾旱的氣候帶，但是它降水量在增加。而在東部季風區，是南澇北旱，因為季風有強有弱，弱的時候它又到不了北方，那北方就是容易乾旱。這種變化又受到海洋等自然原因的調節。

　　由上我們可以看到，全球氣候變化不但引起了全球溼者越溼、幹者越幹。對於區域的氣候，特別是我們中國，不僅受全球氣候變化的影響，而且也有自然因素造成的明顯的變化，比如說南澇北旱等等。

　　記者：如何理解雲水資源？我國的雲水資源有什麼特點？

　　中國氣象科學研究院研究員周毓荃：首先要明白什麼是雲水資源，還需要先了解一下大氣水循環過程。前面丁院士很生動全面地講述了全球水循環過程，特別是水汽和降水的全球分布和氣候變化，讓我們更清晰地了解了降水的不均勻性。在這個大氣水循環過程中，有一種水物質叫做大氣水凝物，也就是通常說的雲水，它的含量相較於水汽是很少的，但它的時空變化又很劇烈，認識它一直是大氣科學的重要課題。

　　實際上，這部分大氣水凝物對於補充陸地水資源是非常重要的，其發生的物理過程是大氣水循環中十分重要的環節，是我們人工影響天氣工作者特別關注的重點。

　　為了弄清雲水資源是什麼、有多少，我們還需要進一步來看一下大氣水循環中發生的物理過程（圖10）。實際上，大氣水循環過程不僅是物質循環過程，同時也是相態和能量循環的過程。來自海洋和陸地的水（固態和液態）蒸發成為水汽進入大氣（第一次相變）；水汽受大氣不均勻的動力熱力影響移動和上升，部分水汽在天空冷卻凝結成雲（第二次相變），形成的雲具有複雜的宏微觀結構，它由各種大小不同、相態不一的高濃度細微雲滴或冰晶（直徑約10μm）組成，在一定條件下，雲粒子通過複雜的雲物理過程增長形成雨、雪、霰等低濃度的大顆粒水凝物（直徑約10²～10³μm），最終落出雲體，降落到地面成為降水，這才完成相態閉合的大氣水循環。可見，在大氣水循環中，水汽無法直接變為降水，只有那些已經經歷了第二次相變成為雲水，才有可能轉化形成降水，成為人類可用的陸地水資源的主要來源。在大氣水循環過程中，有一部分雲水還留在空中，不能靠自然過程轉化成為降水為人們所用，我們把循環過程中這些仍留在空中的雲水叫雲水資源。這些雲水通過人工催化的手段有可能被開發成為降水，也就是通常說的人工增雨開發雲水資源。

　　通過前面大氣水循環和雲水資源的介紹，我們不難想到，精確評估雲水資源也是非常困難的，但作為人工影響天氣的基礎性工作，近年來，中國氣象局人工影響天氣中心一直致力於這方面攻關，不斷提出和完善概念和方法。近期，基於國家重點研發專項《雲水資源評估和利用示範》項目最新研究表明，近20年，中國大陸全年參與大氣水循環的水汽年平均總量約36萬億噸，水汽更新期約8-10天；大氣水凝物（雲水）年平均總量約8-10萬億噸，但其更新期平均僅5-8小時；留在空中沒有形成降水的大氣水凝物即雲水資源年平均總量仍約有2-3萬億噸。如此豐富的雲水資源和快速的更新，十分有利於我國大氣水循環和雲水資源的再生及開發利用。

　　圖10 大氣水循環和雲水資源概念圖（圖片來源：中國氣象科學研究院）

　　由於雲的分布在各地、各季節差異明顯，雲水資源也有其明顯時空分布特徵。總體上，中國雲水資源的空間分布十分不均勻（圖11），從雲水資源總量分布看，中國東南區域的雲水總量平均值最大，中部區域次之，西北和華北區域的雲水總量平均值較小。豐沛區主要位於我國的東南地區和東北地區東部。雖然華北至西部地區的雲水資源量值相對較少，但這些地區的地面降水也少，自然降水效率低，還是存有明顯的開發潛力。結合氣候變化大背景下的降水演變，在雲水資源豐沛的東南地區，地面降水也很多，近年來乾旱日數也在減少；而華北和西南地區，近十年來乾旱日數明顯增多，急需通過開發空中雲水資源緩解當地水資源短缺和乾旱的情況。

　　圖11 2000-2017年中國雲水資源年總量多年平均分布（圖片來源：中國氣象科學研究院）

　　記者：雲水資源的開發利用是怎麼回事？目前的開發現狀怎麼樣？

　　中國氣象科學研究院研究員周毓荃：弄清雲水資源的開發原理，這還要從雲降水物理過程說起。我們知道雲一旦形成就有複雜的宏微觀結構，按照雲的物理特性可分冷雲和暖雲，這些雲有的降水有的不降水。對於不降水的雲，有些是因為缺少冰晶，有的是因為雲滴太小等，針對不同情況，通過人工幹預影響其微物理過程，促使冰-水轉化、小雲滴碰並長大等物理過程發生，實現增雨目的。也就是在適當的雲條件下，採用具有針對性的人工催化技術方法，改變雲降水物理過程，促使更多的雲水轉化為降水，即人工增雨開發雲水資源。從開發原理也可以看到，目前雖然雲水資源很豐富，但就目前的認識和技術，並不是所有的資源都能夠被開發，實現雲水資源的開發是一個非常複雜的系統工程。

　　隨著全球氣候變化，全球及我國水資源短缺問題更加凸顯，開源節流，開闢新的水資源，是長期的任務。

　　我國從1958年開始，在抗旱減災的強烈需求推動下，進行了大量的人工增雨（雪）作業，取得了明顯成績，在技術上積累了豐富的經驗。20世紀90年代以來，人影作業已逐步建成國家、省、市、縣以及作業點五級有效銜接的組織體系。目前，全國29個省（自治區、直轄市）和新疆生產建設兵團、273個市（地）、1549個縣政府成立人影領導機構；按照人影 「五段」業務的要求，各級人工影響天氣業務體系和作業技術不斷得以發展建立，裝備和能力都得到明顯提高，人工影響天氣作業規模居世界首位。

　　雲水資源的開發受雲系條件、各地需求和局地災害等因素影響，因此不同地區的雲水資源開發潛力和開發效果也有明顯差別。隨著人影科技能力的提升，作業成效也不斷提升。僅最近6年（2013年到2018年），全國實施飛機人工增雨作業6194架次、飛行16871小時，高炮、火箭等地面作業29萬次，共發射火箭彈74萬枚、炮彈526萬發，累計增加降水約2860億立方米，極大地緩解了當地的旱情和水資源短缺的問題。許多地區人工增加的大氣降水直接補充了當地的水庫庫容，增加了江河徑流或補給了地下水。

　　黨的十八大以來，我國人工影響天氣服務進入了一個快速發展階段。人工影響天氣已成為各級政府防災減災、趨利避害的一項重要舉措。雲水資源開發服務，不僅在防災減災、農業增產增收、保障糧食安全等方面效益顯著，而且在水資源配置、森林草原防撲火等重大災害應急、生態建設與保護、提升城市功能等諸多方面的作用也日益凸顯。

　　記者：雲水資源開發的關鍵難點是什麼，前景發展如何？

　　中國氣象科學研究院研究員周毓荃：雲水資源從形成到開發和利用，具有多尺度性，涉及多領域多學科，發生著動力、雲物理和陸面等過程的耦合及反饋，完整認識這些過程，深入了解這個資源特性、分布特徵以及演變規律等還有很多研究工作要做，目前的評估和認識也是初步的。另外，人工增雨開發技術目前整體還處於試驗研究階段，需要不斷結合需求加強研究。

　　為更好應對日趨嚴峻的全球水資源短缺，面對更熱、更旱、更澇的氣候變化趨勢，科學認識雲水資源及變化規律，並同陸地水資源及生態、環境等各方面需求耦合開發利用，對於緩解我國水資源短缺的嚴重不足、支撐我國的糧食安全、水安全和生態環境的安全等都具有重要意義。然而，要做到科學評估、精準開發、精確檢驗和高效利用等，還有許多方面的重點工作需要加強，許多科學難點要突破。

　　首先，要加強雲水資源的評估理論和監測技術的研究，突破雲水資源的精細定量計算和星-空-地立體監測技術。其次，要完善人工增雨雲水資源開發技術，突破催化技術、指揮技術和效果檢驗等人工增雨關鍵技術瓶頸。此外，加強針對特定目標需求的雲水資源耦合利用技術的研究。

　　隨著各類需要的發展，開發雲水資源服務水庫流域蓄水、林火滅火、生態脆弱區修復等不同目標，這些需求，一個共同的特點是目標區甚至目標時段都預先確定，更增加了作業方案設計和開發的複雜性，需要加強耦合開發和利用全鏈條技術研究，這是雲水資源科學開發合理利用的關鍵難點。當前我們也正在通過國家重點專項、國家工程以及各類業務支持下，在國內選擇典型示範省區進行聯合攻關，探索針對增雨蓄水、增雨滅火等不同服務目標的雲水資源耦合開發系列配套技術，不斷完善「中國方案」，讓雲水資源開發更好服務我國及「一帶一路」沿線等更多乾旱和水資源短缺的國家需求。前景美好，道路艱巨。

　　（責任編輯：張林）