引言 受夏季风影响，每年6月到8月都有大量的水汽从孟加拉湾及南海地区涌入中国大陆。这股暖湿空气与北方来的冷空气相遇就会造成我国的强降雨。加之夏季季风槽北移，从季风槽移出的热带低压常会发展成台风向北及偏西方向移动影响我国，特别是东南沿海一带受登陆台风影响也常造成特大暴雨。暴雨、特大暴雨给人民的生命财产以及国民经济造成十分严重的损失。如河南“758”特大暴雨，3天的降水量达到1631毫米，洪水灾害使得2.6万人丧生，受灾面积1780.3万亩，受灾人数超过千万。北京“127”特大暴雨，全市平均降水量190.3毫米，最大降水量达460毫米。北京有79人因此次暴雨灾害丧身，160.2万人受灾，经济损失116.4亿元。2021年7月17日-22日河南发生的特大暴雨，201.9毫米的小时雨强在世界上都是相当极端的。该省中北部降雨量达400毫米，局地超过900毫米。北京暴雨还有特殊性，北京西部、北部环山的特殊地形对暴雨也有影响。

暴雨是多尺度天气系统和宏观、微观物理过程相互作用的结果，暴雨预报在大气科学领域是热点，更是也是难点，至今仍存在着若干预报瓶颈问题，也有很多科学问题没有从根本上解决。目前，预报员主要利用数值预报产品和经验做暴雨预报，尤其是降水量预报难度更大，预报的雨量和雨强常常偏低，致使暴雨预报准确率只有20%左右，很难提高到30%。特大暴雨的预报准确率就更低，不足20%，直接影响到暴雨灾害的防治。

一、特大暴雨预报难点及分析

暴雨通常是由大尺度天气系统中的、或孤立存在的中小尺度系统造成的。一般来说，形成暴雨需要三个条件，即充足的水汽供应，一般暴雨系统都存在明显的水汽输送通道；有不稳定的大气层结，低层存在较强的动力场辐合，低层大气具有较好的垂直上升条件。局地暴雨，尤其是特大暴雨一般降水强度特大，降水时间相对较短。也有暴雨降水强度不是特大，但降水时间长，甚至连续几天降水，累积降水量大。暴雨系统的降水量分布是很不均匀的，往往有多个降水中心，它们常常与中小尺度对流系统相对应。

就我国目前的暴雨预报情况来看，对于暴雨过程及其影响的范围和时间的把握相对较好，但是对强降水中心的落区、降水量以及影响的准确时段的预报不是很好。暴雨预报，尤其是特大暴雨预报是世界大难题，原因如下：

（一）产生暴雨中心的中小尺度系统是气象观测的“漏网之鱼”。中小尺度天气系统常常是由十到几十公里的对流单体或对流系统组成，而我国目前探空站之间的距离较大，至少也在200公里以上，观测不到这种较小尺度天气系统的信息，就像捕鱼，网眼太大，中小尺度的天气系统就成为漏网之鱼，这给预报员的天气分析带来诸多困难。因此暴雨的落点和强度的预报就不太理想，尤其是常常报不出特大暴雨。例如，河南“217”特大暴雨，尽管这次极端暴雨出现时环流形势整体稳定、清晰，由于产生暴雨的中小尺度对流系统尺度只有几十到一两百公里、生命周期只有一两个小时。目前用于预报的天气图和数值预报模式很难将其准确清晰地表达出来。要预报1小时超过200毫米这种极端的暴雨，难上加难。

（二）局地性、突发性和不均匀强降水增大了预报难度。大范围的暴雨系统降水分布是很不不均匀的，有的部位降水强度大，有的部位小，上千公里的降水区里存在若干个降水中心。这样降水的强降水落区位置、暴雨发生时间就难以预报。因此预报天气尺度的降水系统比预报强降水落区相对容易，而对于暴雨中心的落区和出现时间预报就更加困难。，

（三）暴雨数值模式预报还存在瓶颈问题。数值预报是依据大气运动方程组使用数学、物理学方法，利用高性能计算机客观定量计算未来天气演变的科技手段，已成为现代天气预报的基础和核心，但至少存在以下的瓶颈问题：

1、对于连续介质的描述达不到精度。大气是一个流动的连续介质，而数值预报模式是一个离散的模型，模式分辨率再高也达不到描述连续介质的精确程度。在模式的格点上有数值，而格点之外的地方模式就没法刻画，次网格处气象要素的变化对网格上气象要素有影响，这种影响如何精确刻画至今没有解决。带有主观效应的参数化方案是代表不了次网格上气象要素作用的，所以次网格上气象要素对网格点气象要素影响的参数方案存在着难以攻克的瓶颈。

2、模式动力框架设置存在根本性问题。目前国内外所有模式的动力框架都以牛顿第二定律为基础，建立在质量守恒前提下。实际上在暴雨，特别是特大暴雨发生时，研究或预报的区域中，空中的质量不再守恒，大量的雨水从空中掉到了地上，引起空间质量场的明显变化。所以数值模式的设计对暴雨而言，运用动量方程而不是牛顿第二定律。在牛顿第二定律中，忽略了质量变化对运动的影响，对大气来说就是忽略了质量变化对风的影响。而特大暴雨过程中，由于空气质量不守恒会造成风的明显变化，进而又影响到暴雨的落区及下落的强度，这是目前所有数值模式对暴雨预报遇到的又一瓶颈。

3、地形在数值模式中如何刻画与描述是个难题。地形高低起伏大，如果用格点模式来刻画地形难度会很大，因为格点是离散的，而地形是连续的，所以格点不能完全描述地形。如果用谱模式，由于截断谱的存在，绕地球一周，用多少个波来描述大气也是一个无法解决的问题。即使现在欧洲中心用到的谱模式，用一千多个甚至两千个波去描述大气，仍有更小波动被丢掉，而这些小波动中就有地形波。所以地形波及地形涡旋不可能准确描述。这样它们对暴雨的影响也就没法预报。这是遇到的第三个瓶颈。即使使用地形追随坐标，地形问题也没法得到解决，在地形追随坐标系中地形的波动效应就很难展现出来。

4、客观描述模式中微物理过程参数化过程极为困难。降水是大气动力过程和云中微物理过程共同作用产生的。动力过程起到输送、集中水汽的作用，而这些水汽如何形成降水就是通过微物理过程实现的，如何描述粒子形成、增长和转化等微物理过程直接与降水量有关。目前微物理参数化方案存在三个问题：

（1）方案没有普适性，目前方案有二十多种，各个方案适用某些天气过程，选择哪个方案就成了问题。

（2）方案中有不少参数值的设定人为性太大，例如云中粒子类型、不同类型粒子间的转化、粒子碰并和聚合增长系数等的确定，都没有科学依据支撑。尤其是粒子类型与下降末速度对降水强度影响很大。例如云中冰晶增长后是形成霰还是雪？霰的下降末速度是雪的若干倍，对降水强度的影响是大不相同的。

（3）微物理方案没有考虑模式分辨率问题。格距3公里的方案与1公里的相同。这些都是降水量预报不准的重要原因之一。

5、资料问题。大量的例子表明，数值预报不好的重要原因之一是资料问题。我国西部高原资料很差，要提高预报的水平，首先是优化资料，提高资料质量和分辨率。

（四）特大暴雨预报难点。对于特大暴雨预报，除了存在上述共性难点而外，还有其地区特性，尤其是下垫面和地形的影响。例如北京特大暴雨落区主要有两种，一种是单点特大暴雨，例如2011年“6.23”暴雨，飑线系统下山后局地增强，石景山的模式口小时雨量达到128.9毫米。另一种是大范围的暴雨中的部分地区或者局地出现的特大暴雨，例如2012年“7.21”、2016年“7.20”、2018年“7.16”、2021年“7.12”暴雨。这类过程都是在有利的大尺度环流形势下，在西太平洋副热带高压、低涡、低槽、急流或者台风等系统与地形相互作用下产生的。地形在暴雨形成中起到相当作用，例如北京“7.21”特大暴雨完全沿着北京地形的走向，山前暴雨最大，地形影响非常的显著。

此外，北京还会出现暖区暴雨。“7.21”暴雨有一个特殊的现象，存在两个降水过程，暖区和冷锋过程的降水。北京西南部和东北部出现了特大暴雨，房山河北镇过程雨量460毫米，最大100.3毫米小时雨量出现在平谷挂甲峪。暴雨过程持续20小时，分为暖区降雨和锋面降雨两个阶段，由于前期的暖区暴雨强度和出现时间难以预判，导致预报量级偏小，预报时间偏晚了6个小时。对于这次暖区降水，不同时间温度曲线基本重合，但是不同时段湿度的垂直配制非常不同，这一类暖区降水湿度差动平衡起到了很重要的作用，这与冷锋暴雨有很大的不同。2018年“7.16”暴雨也是暖区大暴雨，同样是预报量级偏小、时间偏晚。

总体而言，特大暴雨预报的难点在于：

1、暖区暴雨开始的时间、强度和雨带位置难于预报。对于暖区暴雨，华南、华中、华北分析得比较多，北京研究较少，预报能力偏低。

2、局地的极端强降水突发性强，防不胜防，数值模式和预报员的预报能力都很弱，一直是预报服务中的难点。

3、暴雨的城市效应很不清楚，地形对暴雨的增幅作用也不确定。下垫面和地形对暴雨形成的影响难以把握。例如北京的范围小，而且下垫面复杂，暴雨受到山谷风、海陆风、城市热岛等多种因素影响，数值模式的边界层过程和中小尺度系统预报都容易出现偏差。每次特大暴雨都会受到地形的影响，暴雨大致的落区可以判断，但是地形对降水的增幅到底有多大、具体的点位落区，难以准确把握。判断对流系统下山与否、下山是减弱还是增强，是几十年来科学的难点和预报的难点。

二、特大暴雨预报需要解决的一些关键科学问题

（一）特大暴雨的形成机制，其中包括动力机制、热力机制和微物理机制

虽然我们知道暴雨形成的天气尺度背景场的特征，也知道特大暴雨形成必须具备充足的水汽、强烈的上升运动等条件，但无法从理论上解释特大暴雨的超常规的降水强度，例如河南“217”特大暴雨，201.9毫米的小时雨量是怎么形成的？经验预报报不出，数值预报同样报不出这样大的降水强度，事后都很难去做数值模拟。这可能与下面几个科学问题有关：

1、水汽输送和垂直运动与形成暴雨的定量关系；

2、暴雨系统的宏观、微观结构及其与暴雨的关系；

3、暴雨形成过程，尤其是天气系统中的中小尺度对流系统发生发展和演变过程，暴雨形成的微物理过程，其中包括促使云中高浓度大雨滴快速形成（增长）的因素。

4、大、中、小尺度系统之间及其与微物理过程之间相互影响。

5、局地突发强对流和极端暴雨机制以及可预报性。

（二）温度场变化在特大暴雨形成中的作用

温度的变化引起湿度的变化、湿度的变化引起气压的变化，进而影响风速的变化，无一不是温度分布不均匀造成的，关注温度场是很重要的。此外，温度变化会引起大气的各种不稳定，会促进垂直运动的发展，同时温度场变化会引起云中水汽的过饱和，而且过饱和是瞬间完成的，比垂直上升运动造成的空气变化作用大得多也快得多。这样会促使水成物快速形成和增长。研究温度场变化在暴雨形成中的作用也是一个关键科学问题。

（三）质量不守恒效应对动力场和降水的影响。暴雨过程中大量雨滴降落会使空中质量亏空，这种质量不守恒效应对风场及降水有什么样的影响是另一未解决的关键科学问题。

（四）下垫面对暴雨形成的影响，尤其是北京暴雨。北京地形和暴雨的关系是复杂的。统计表明，京津冀地区暴雨梯度区和地形梯度区是一致的。地形暴雨更多的发生在地形到平原地区的过渡丘陵地带。要研究地形的强迫抬升、地形绕流、涡旋和辐合、地形重力波对暴雨形成的影响；其次是地形与不同尺度天气系统的相互作用，包括地形环流对天气系统的相互作用，地形上的对流“冷池”与环境气流的相互作用，以及定量评估地形动力学强迫作用对暴雨过程降水量的“贡献率”。

三、关于特大暴雨预报的几点思考

鉴于特大暴雨预报中存在的瓶颈问题及暴雨研究中存在的若干科学问题，提出以下解决方法，供研究参考。

（一）对暴雨系统进行有科学设计的综合探测

获取云系动力场、热力场和水成物场以及降水的时空同步的演变资料，加强对温度分布的垂直观测，加强对温度、气压场配置的分布观测。

（二）改进暴雨预报数值模式

1、解决大气连续介质描述的难题。建立一个地球旋转实验室，设计大球套小球（小球代表地球，大球代表地球加空间）实验。在小球与大球之间填满具有层结效应的流体或气体代表大气，这就是连续介质，克服了数值模式中因离散化格点不能描述连续介质的问题；同时在小球的不同区域进行强度不等的加热，使小球上带有与地球上成比例的地形，以代表真实地形。同时小球在大球内旋转代表地球运动，大球不用旋转代表大气空间。这样就解决了模式预报中离散化格点模式不能描述大气连续介质的问题。

2、动力框架的改进。不能采用牛顿第二定律，而应该用动量方程来建立模式，以解决质量不守恒对降水的影响，同时也解决了科学问题中质量不守恒的问题。

3、改进数值预报模式微物理过程参数化方案，有两个途径：（1）观测分析，对暴雨系统进行微观探测，研究分析暴雨系统云中粒子类型、不同粒子的密度和下降末速度以及不同粒子形成过程；（2）实验研究，建立大型云雾实验室，通过调节温度、湿度和气压场，模拟云中环境场，实验研究水汽快速凝结过程和雨滴超常规增长过程及其条件；云中不同粒子，其中包括雨滴碰并过程和确定不同大小雨滴的捕获系数；冰晶的结淞增长过程，霰粒子形成条件及其撞冻增长过程等。为改进数值模式微物理过程参数化方案提供科学依据。

4、进一步改进边界层、辐射参数化方案。

（三）优化资料是暴雨预报的关键

加密地面高空常规观测，为数值预报模式提供高质量的初始场，为诊断分析暴雨系统提供第一手资料。

（四）改进暴雨预报方法

1、在暴雨预报中，对数值预报结果的利用，要重视结合大尺度背景场的分析，更要重视中小尺度系统的发生、发展和演变问题以及中低纬度系统相互作用的诊断分析。

2、对特大暴雨预报要抓温度场，关注水汽垂直运动的突然增强、中高层强冷空气的突然爆发，这是极端异常现象。

3、提高特大暴雨预报水平的根本是提高数值模式的预报能力，预报员可以从使用者的角度评估数值模式的系统，和模式研发人员多互动交流，共同改进边界层过程的预报性能。在现有的模式预报条件下，通过分析风场、水汽、能量异常度判断天气的极端性，加强集合预报的应用，分析极端降水的概率。

4、对于具有最大挑战性的0到3小时的短期预报，尤其是局地短时和区域性暴雨，要结合和利用卫星、雷达的预警和临近预报结果。

5、提高特大暴雨的预报水平，除了上述几点而外，地形复杂地区，如北京，首先应该考虑地形和城市的影响。其次，除了改进数值预报模式，提高模式预报准确率而外，预报员作为预报的主体，要加强机理认识，建立从中期到短期再到短临递进式的预报思路，尤其要加强短时临近时段的预报预警能力，综合应用雷达、卫星云图、加密自动站、风廓线、微波辐射计这些高时空分辨率的探测资料，结合快速更新的中尺度模式预报结果，分析强降水的中小尺度系统变化。北京的范围小，预报员要注重细节分析，“细节决定成败”这句话对北京的预报员而言非常重要。

总体上讲，暴雨、尤其是特大暴雨预报是一大难题。数值预报是重要预报手段，但预报模式存在诸多问题。此外，我们对极端暴雨形成机制还不清楚，一方面给诊断暴雨带来困难，也不利于数值模式改进。要提高特大暴雨预报水平，首先要深入研究暴雨形成的机理、完善和改进暴雨预报模式、增加观测网密度，其次要改进暴雨、特大暴雨的预报方法。

致谢:感谢高守亭、孙继松，陈明轩，王华等专家在讨论“我国特大暴雨预报关键科学问题”时提出的观点和建议。