今年世界氣象日主題為“氣候與水”，我們應(yīng)當(dāng)如何理解他們之間的關(guān)系?氣候變化使水資源發(fā)生了怎樣的變化?目前我國對云水資源的認(rèn)識和利用是怎樣的?未來的前景如何?記者采訪了中國工程院院士丁一匯、國家氣候中心氣候服務(wù)室正高級工程師肖潺、中國氣象科學(xué)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(guān)系?

　　國家氣候中心氣候服務(wù)室正高級工程師肖潺：氣候是指一個地區(qū)在某段時間內(nèi)所經(jīng)歷過的天氣，是一段時間內(nèi)天氣的平均或統(tǒng)計狀況，反映了一個地區(qū)的冷、暖、干、濕等基本特征。表征冷、暖主要用溫度這個指標(biāo)，而表征干、濕主要用降水這個指標(biāo)，溫度和降水兩個要素構(gòu)成了一個地方氣候最基礎(chǔ)的兩個方面。

　　廣義上，與氣候相關(guān)的水不僅僅指降水，還包括以固態(tài)和氣態(tài)等形式存在于空中的水汽、云以及以固態(tài)和液態(tài)存在于陸地和海洋中的水，如：冰凍圈內(nèi)處于自然凍結(jié)狀態(tài)的冰川、凍土、積雪，積極參與陸地水循環(huán)的徑流性水資源。

　　氣候是我們賴以生存的自然環(huán)境，水是人類社會生存發(fā)展的重要資源。兩者關(guān)系極為密切，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(tài)及轉(zhuǎn)換，比如降雨(降雪)、蒸發(fā)、徑流等，在地球氣候系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán)中扮演了十分重要的角色，可以說是溝通氣候系統(tǒng)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(guān)，適宜的氣候和適量的水資源是生產(chǎn)生活的必要條件，即常常所說的風(fēng)調(diào)雨順。如果天氣氣候的變化范圍超過了正常波動的上限或者下限，就會出現(xiàn)極端天氣氣候事件(又稱極端事件)，極端事件的發(fā)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(nóng)田甚至生命安全，而降水過少則會帶來干旱，影響作物生長甚至人畜飲水等。

　　全球變暖是當(dāng)前氣候變化的主要特征。根據(jù)世界氣象組織(WMO)發(fā)布的消息，2019年全球平均溫度比1850-1900年的平均值高出1.1℃，是有記錄以來僅次于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(jì)80年代以來，每10年的氣溫都比上一個10年高，可謂節(jié)節(jié)攀升。中國氣候同樣呈現(xiàn)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(huán)和水資源造成什么影響，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(fā)生著變化，主要特點就是熱帶地區(qū)上升運動在加強，副熱帶地區(qū)的下沉運動也在加強，也就是說，副熱帶的干旱區(qū)在膨脹，在向北膨脹，同時，中緯度的暴風(fēng)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(chǎn)生了正—負(fù)—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(qū)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(qū)本來降水就少，它是負(fù)距平。由于中高緯降水增加，熱帶降水增加，那就是說，本來降水多的地方降水越多，而副熱帶干旱少雨地區(qū)降水減少，即氣候變化之后，降水正在向干旱化趨勢發(fā)展。綜合上述的變化，這就叫做所謂干者越干，濕者越濕，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(tài)下的水循環(huán)及其變化。整個水循環(huán)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(qū)，然后形成降水降落，以后水再變成地上和地下的徑流，最后又流回到海洋上去(圖2)。

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

　　那么我們看看這樣一個環(huán)流圈，在氣候變化影響下發(fā)生著什么變化，大家可以看到圖3，這就是數(shù)值氣候模式預(yù)測的全球水循環(huán)狀況，這是從上個世紀(jì)末預(yù)測到本世紀(jì)2030年的全球水循環(huán)結(jié)果，未來的水循環(huán)強度的變化?？梢钥吹剑瑥暮Ｑ蟮疥懙?，從陸地再到地下水、徑流流回去，這樣一個循環(huán)都是正的。這就代表著水循環(huán)運轉(zhuǎn)的速度未來在加強。因而全球水循環(huán)不但分布在改變，運轉(zhuǎn)的速度也在改變。圖3上每一個結(jié)點都有一個數(shù)字，這個數(shù)字都是正的，都是在加強，海洋的蒸發(fā)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(huán)的加強，運轉(zhuǎn)速度現(xiàn)在和將來都在加強。這是全球水循環(huán)變化的第二個特點。

　　圖3 模式模擬和預(yù)測的1860年-2030年全球水循環(huán)的變化。(藍色數(shù)字是模擬1860年的結(jié)果，紅色數(shù)字是模式預(yù)測的到2030年的變化值。(Bengtson,1998)

　　全球水循環(huán)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(qū)年降水距平變化(IPCC，2013)

　　全球水循環(huán)變化的另一個特征是全球大氣正在變濕。大氣濕度的一個指標(biāo)就是比濕(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濕度在增加，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(qū)濕度普遍都在增加。下方曲線(圖5b)就反映出全球大氣濕度變化的曲線，也是不斷攀升的，這就是我們講的第四個特點，大氣濕度在增加，大氣更為潮濕。

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

　　分析了四個變化特點之后，這就回到了我們最初的結(jié)論：整體來講，由于氣候變化，當(dāng)然也包括自然因素在里面，使得全球的水循環(huán)變得干者越干，濕者越濕，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(fā)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(qū)域性響應(yīng)，下面我來看看中國的情況，即看看中國的水循環(huán)是怎么變的。

　　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?？梢钥吹?，在20世紀(jì)80年代以前，它是在零線以下，現(xiàn)在我們基本上都在零線以上，并且最近一二十年，增加的非?？?，這是第一個特點。這符合全球氣候變化影響水循環(huán)的結(jié)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(qū)域的特點是什么?中國是季風(fēng)氣候，季風(fēng)的強弱分布和推進會影響雨帶。我們可以看到，在季風(fēng)區(qū)，就是東部地區(qū)，圖7中紅點子和藍點子截然分開的，長江和淮河以南都是藍點子，以北都是紅點子，這是我們季風(fēng)區(qū)，那說明什么呢?說明在季風(fēng)區(qū)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。我們國家采取的應(yīng)對措施是南水北調(diào)，這就是國家為適應(yīng)氣候變化所做的努力。

　　在我國西部地區(qū)，大家看到圖7，它是藍點子，藍點子是變濕的，西部是干旱區(qū)，它變濕了，就是說干旱區(qū)局部呈現(xiàn)了一定的暖濕化趨勢。

　　圖7 1961-2010年夏季降水趨勢變化分布(Ding and Si Dong,2013)

　　我們再進一步從近幾十年的觀測資料來看(圖8)，西部地區(qū)都是藍的，這就代表干旱程度在減弱，那就是變濕，當(dāng)然氣候也在變暖，因而，實際上是西部大部分地區(qū)都是變暖變濕的，也就是暖濕化了。當(dāng)然并不是說它就改變了氣候型，至少它的降水和濕度在增加。再看我國東部的季風(fēng)區(qū)，黃顏色的地方就是干旱的地區(qū)。在北方，一直到東北大部分地區(qū)都是黃顏色，也就是干旱的。另一個干旱區(qū)也值得我們注意，在西南地區(qū)，也是干旱的。這幾年我們都知道，西南地區(qū)也經(jīng)歷了十幾年的干旱，這些都是受季風(fēng)減弱的影響。當(dāng)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濕化和季風(fēng)區(qū)南澇北旱這么一個主要的特點，這是第二個特點。

　　圖8 中國年干旱日數(shù)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P(guān)DO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?？梢钥吹?，海表溫度暖冷在五六十年之間經(jīng)歷了40年為一個周期的變化，先是冷海溫(在零線以下)，然后暖海溫，再冷海溫。相應(yīng)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(lǐng)域。現(xiàn)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(fēng)雨帶的年代際影響。

　　從上面這三個特點來看，對于我們中國總體來說，降水不斷增加，但從區(qū)域來看，在東部季風(fēng)區(qū)是南澇北旱，西部是暖濕化，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(qū)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(fēng)氣候的影響，這是區(qū)域的影響。西北干旱區(qū)現(xiàn)在也在變濕變暖，局部呈現(xiàn)暖濕化趨勢，當(dāng)然它本身還是一個干旱和半干旱的氣候帶，但是它降水量在增加。而在東部季風(fēng)區(qū)，是南澇北旱，因為季風(fēng)有強有弱，弱的時候它又到不了北方，那北方就是容易干旱。這種變化又受到海洋等自然原因的調(diào)節(jié)。

　　由上我們可以看到，全球氣候變化不但引起了全球濕者越濕、干者越干。對于區(qū)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：如何理解云水資源?我國的云水資源有什么特點?

　　中國氣象科學(xué)研究院研究員周毓荃：首先要明白什么是云水資源，還需要先了解一下大氣水循環(huán)過程。前面丁院士很生動全面地講述了全球水循環(huán)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(huán)過程中，有一種水物質(zhì)叫做大氣水凝物，也就是通常說的云水，它的含量相較于水汽是很少的，但它的時空變化又很劇烈，認(rèn)識它一直是大氣科學(xué)的重要課題。

　　實際上，這部分大氣水凝物對于補充陸地水資源是非常重要的，其發(fā)生的物理過程是大氣水循環(huán)中十分重要的環(huán)節(jié)，是我們?nèi)斯び绊懱鞖夤ぷ髡咛貏e關(guān)注的重點。

　　為了弄清云水資源是什么、有多少，我們還需要進一步來看一下大氣水循環(huán)中發(fā)生的物理過程(圖10)。實際上，大氣水循環(huán)過程不僅是物質(zhì)循環(huán)過程，同時也是相態(tài)和能量循環(huán)的過程。來自海洋和陸地的水(固態(tài)和液態(tài))蒸發(fā)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(jié)成云(第二次相變)，形成的云具有復(fù)雜的宏微觀結(jié)構(gòu)，它由各種大小不同、相態(tài)不一的高濃度細(xì)微云滴或冰晶(直徑約10μm)組成，在一定條件下，云粒子通過復(fù)雜的云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)，最終落出云體，降落到地面成為降水，這才完成相態(tài)閉合的大氣水循環(huán)?？梢?，在大氣水循環(huán)中，水汽無法直接變?yōu)榻邓?，只有那些已?jīng)經(jīng)歷了第二次相變成為云水，才有可能轉(zhuǎn)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(huán)過程中，有一部分云水還留在空中，不能靠自然過程轉(zhuǎn)化成為降水為人們所用，我們把循環(huán)過程中這些仍留在空中的云水叫云水資源。這些云水通過人工催化的手段有可能被開發(fā)成為降水，也就是通常說的人工增雨開發(fā)云水資源。

　　通過前面大氣水循環(huán)和云水資源的介紹，我們不難想到，精確評估云水資源也是非常困難的，但作為人工影響天氣的基礎(chǔ)性工作，近年來，中國氣象局人工影響天氣中心一直致力于這方面攻關(guān)，不斷提出和完善概念和方法。近期，基于國家重點研發(fā)專項《云水資源評估和利用示范》項目最新研究表明，近20年，中國大陸全年參與大氣水循環(huán)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(云水)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云水資源年平均總量仍約有2-3萬億噸。如此豐富的云水資源和快速的更新，十分有利于我國大氣水循環(huán)和云水資源的再生及開發(fā)利用。

　　圖10 大氣水循環(huán)和云水資源概念圖(圖片來源：中國氣象科學(xué)研究院)

　　由于云的分布在各地、各季節(jié)差異明顯，云水資源也有其明顯時空分布特征。總體上，中國云水資源的空間分布十分不均勻(圖11)，從云水資源總量分布看，中國東南區(qū)域的云水總量平均值最大，中部區(qū)域次之，西北和華北區(qū)域的云水總量平均值較小。豐沛區(qū)主要位于我國的東南地區(qū)和東北地區(qū)東部。雖然華北至西部地區(qū)的云水資源量值相對較少，但這些地區(qū)的地面降水也少，自然降水效率低，還是存有明顯的開發(fā)潛力。結(jié)合氣候變化大背景下的降水演變，在云水資源豐沛的東南地區(qū)，地面降水也很多，近年來干旱日數(shù)也在減少;而華北和西南地區(qū)，近十年來干旱日數(shù)明顯增多，急需通過開發(fā)空中云水資源緩解當(dāng)?shù)厮Y源短缺和干旱的情況。

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

　　記者：云水資源的開發(fā)利用是怎么回事?目前的開發(fā)現(xiàn)狀怎么樣?

　　中國氣象科學(xué)研究院研究員周毓荃：弄清云水資源的開發(fā)原理，這還要從云降水物理過程說起。我們知道云一旦形成就有復(fù)雜的宏微觀結(jié)構(gòu)，按照云的物理特性可分冷云和暖云，這些云有的降水有的不降水。對于不降水的云，有些是因為缺少冰晶，有的是因為云滴太小等，針對不同情況，通過人工干預(yù)影響其微物理過程，促使冰-水轉(zhuǎn)化、小云滴碰并長大等物理過程發(fā)生，實現(xiàn)增雨目的。也就是在適當(dāng)?shù)脑茥l件下，采用具有針對性的人工催化技術(shù)方法，改變云降水物理過程，促使更多的云水轉(zhuǎn)化為降水，即人工增雨開發(fā)云水資源。從開發(fā)原理也可以看到，目前雖然云水資源很豐富，但就目前的認(rèn)識和技術(shù)，并不是所有的資源都能夠被開發(fā)，實現(xiàn)云水資源的開發(fā)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)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(jié)流，開辟新的水資源，是長期的任務(wù)。

　　我國從1958年開始，在抗旱減災(zāi)的強烈需求推動下，進行了大量的人工增雨(雪)作業(yè)，取得了明顯成績，在技術(shù)上積累了豐富的經(jīng)驗。20世紀(jì)90年代以來，人影作業(yè)已逐步建成國家、省、市、縣以及作業(yè)點五級有效銜接的組織體系。目前，全國29個省(自治區(qū)、直轄市)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團、273個市(地)、1549個縣政府成立人影領(lǐng)導(dǎo)機構(gòu);按照人影 “五段”業(yè)務(wù)的要求，各級人工影響天氣業(yè)務(wù)體系和作業(yè)技術(shù)不斷得以發(fā)展建立，裝備和能力都得到明顯提高，人工影響天氣作業(yè)規(guī)模居世界首位。

　　云水資源的開發(fā)受云系條件、各地需求和局地災(zāi)害等因素影響，因此不同地區(qū)的云水資源開發(fā)潛力和開發(fā)效果也有明顯差別。隨著人影科技能力的提升，作業(yè)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(yè)6194架次、飛行16871小時，高炮、火箭等地面作業(yè)29萬次，共發(fā)射火箭彈74萬枚、炮彈526萬發(fā)，累計增加降水約2860億立方米，極大地緩解了當(dāng)?shù)氐暮登楹退Y源短缺的問題。許多地區(qū)人工增加的大氣降水直接補充了當(dāng)?shù)氐乃畮鞄烊?，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(wù)進入了一個快速發(fā)展階段。人工影響天氣已成為各級政府防災(zāi)減災(zāi)、趨利避害的一項重要舉措。云水資源開發(fā)服務(wù)，不僅在防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)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(zāi)害應(yīng)急、生態(tài)建設(shè)與保護、提升城市功能等諸多方面的作用也日益凸顯。

　　記者：云水資源開發(fā)的關(guān)鍵難點是什么，前景發(fā)展如何?

　　中國氣象科學(xué)研究院研究員周毓荃：云水資源從形成到開發(fā)和利用，具有多尺度性，涉及多領(lǐng)域多學(xué)科，發(fā)生著動力、云物理和陸面等過程的耦合及反饋，完整認(rèn)識這些過程，深入了解這個資源特性、分布特征以及演變規(guī)律等還有很多研究工作要做，目前的評估和認(rèn)識也是初步的。另外，人工增雨開發(fā)技術(shù)目前整體還處于試驗研究階段，需要不斷結(jié)合需求加強研究。

　　為更好應(yīng)對日趨嚴(yán)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(xué)認(rèn)識云水資源及變化規(guī)律，并同陸地水資源及生態(tài)、環(huán)境等各方面需求耦合開發(fā)利用，對于緩解我國水資源短缺的嚴(yán)重不足、支撐我國的糧食安全、水安全和生態(tài)環(huán)境的安全等都具有重要意義。然而，要做到科學(xué)評估、精準(zhǔn)開發(fā)、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(xué)難點要突破。

　　首先，要加強云水資源的評估理論和監(jiān)測技術(shù)的研究，突破云水資源的精細(xì)定量計算和星-空-地立體監(jiān)測技術(shù)。其次，要完善人工增雨云水資源開發(fā)技術(shù)，突破催化技術(shù)、指揮技術(shù)和效果檢驗等人工增雨關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。此外，加強針對特定目標(biāo)需求的云水資源耦合利用技術(shù)的研究。

　　隨著各類需要的發(fā)展，開發(fā)云水資源服務(wù)水庫流域蓄水、林火滅火、生態(tài)脆弱區(qū)修復(fù)等不同目標(biāo)，這些需求，一個共同的特點是目標(biāo)區(qū)甚至目標(biāo)時段都預(yù)先確定，更增加了作業(yè)方案設(shè)計和開發(fā)的復(fù)雜性，需要加強耦合開發(fā)和利用全鏈條技術(shù)研究，這是云水資源科學(xué)開發(fā)合理利用的關(guān)鍵難點。當(dāng)前我們也正在通過國家重點專項、國家工程以及各類業(yè)務(wù)支持下，在國內(nèi)選擇典型示范省區(qū)進行聯(lián)合攻關(guān)，探索針對增雨蓄水、增雨滅火等不同服務(wù)目標(biāo)的云水資源耦合開發(fā)系列配套技術(shù)，不斷完善“中國方案”，讓云水資源開發(fā)更好服務(wù)我國及“一帶一路”沿線等更多干旱和水資源短缺的國家需求。前景美好，道路艱巨。(責(zé)任編輯：張林)