深度解析今年极端天气
“ 今年天气真是反常！”这，可能是很多公众的直观感受。
也难怪人们这么想——1月上旬大范围极端强寒潮，2月中旬气温异常偏高，3月至4月大风沙尘频频，5月江苏、武汉等地强对流多发重发且风灾异常显著，6月，黑龙江又发生龙卷天气。“百年不遇年年遇”“今年的风'疯’了”，大家感慨。
实际上，在公众不大熟悉的领域，反常气候也产生了重大影响——“塞上粮仓”河套平原，今年小麦播种上演了一次“生死时速”。由于2月气温异常偏高，储满黄河水的冻土解冻过快，加之降水偏多，河套平原农田水分大幅“超标”，出现严重潮塌灾害。所幸当地依据气象预报提前半个月抢先播种，确保了100万亩左右的种植面积。
那么，今年的天气真的算反常吗？是什么让它如此“不走寻常路”？未来这样的极端天气会更频繁吗？
中国气象报全媒体记者专访中央气象台首席预报员张涛、国家气候中心气候服务首席专家周兵，灾害天气国家重点实验室主任梁旭东，南京信息工程大学教授、气候与应用前沿研究院院长罗京佳，内蒙古自治区巴彦淖尔市农业气象试验站高级工程师孔德胤5位专家，分析有关情况。
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极端天气严重影响生产生活
“武汉发生龙卷风，强对流天气致8人遇难，230人受伤。”“苏州遭遇龙卷风袭击，中心最大风力17级，4人遇难。”“巨型龙卷风袭击黑龙江，已致1死16伤！”
连日来，龙卷风等强对流天气的新闻牵动着人们的神经。倏忽而至、猝不及防，强对流天气带来让人痛心的人员伤亡外，造成的经济损失也是更多受影响个体无法承受之重。
对于浙江省衢州市衢江区淘果园家庭农场负责人宁亚萍来说，5月10日是个艰难的日子。这一天，她的农场遭遇强降雨、雷暴和8～10级大风，5000平方米钢架大棚被摧毁，棚内枇杷树被压断，饲养家禽的大棚同样倒塌，上百只鸡鸭死亡。这样的事件，在那段时间经常发生。
5月14日，苏州、武汉出现龙卷风 。
“4月底到5月上中旬的几次重大强对流天气过程，从极端性和致灾性来看，确实近年来罕见。”张涛介绍，“今年以来的强对流也是反常的，早春时节较常年明显偏少偏弱，4月中旬开始明显偏强偏多。”
反常的天气不仅是强对流，在内蒙古自治区巴彦淖尔市农业气象试验站，孔德胤今年2月发现河套平原天气不对劲——升温太快了。
河套平原被称为大漠深处的粮仓，3月中下旬和4月下旬分别是小麦和玉米播种最佳季节，上一年的秋储水分会成为孕育它们的底墒水。如果2月升温太快，田里冻土迅速消融，土壤水分过于饱和，田地变得泥泞不堪，人和机器都无法进行播种作业。而冻土过早“解封”，也会导致水分过早下渗，致使在玉米播种时墒情偏低。
今年春天便是如此。2月，北方升温迅速，巴彦淖尔平均气温比常年偏高4.8℃～6.3℃。3月 ，几次雨雪过程带来了明显偏多的降水，土壤“水上加水”。等到3月至4月大风沙尘来袭，玉米地“干上加干”。
幸运的是，在农试站和农牧局联合指导下，农户3月初抢先播种，4月又采取多种措施保墒，100多万亩小麦和300多万亩玉米目前长势基本正常。
事实上，反常天气在全国多地出现：湖北4月日照时数79.2小时，为1961年以来最少；贵州贵阳5月1日至18日共出现7次冰雹天气，比常年明显偏多偏强；海南多个市县高温初日比常年晚10天到20天；以农业为主要产业的内蒙古自治区林西县，3月1日至5月19日雨量仅是常年40%……
周兵介绍，“暖”和“干”是今年以来至5月上旬我国气候的明显特征。据统计，截至5月10日，全国平均气温为4.5℃，较常年同期偏高1.4℃，为1961年以来历史同期第二高；全国平均降水量为113.3毫米，较常年同期偏少9.4%。
2021年春季全国平均气温距平分布图（℃）。图/国家气候中心
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全球变暖：是“真凶”，也是“背锅侠”
当我们说到极端天气，“全球变暖”都是被连带提到的高频词。如此反常的“暖”与“干”背后，都是全球变暖在搅弄风云吗？4月中旬开始变强变多的强对流天气是否与之有关？
实际上，人们所经历的阴晴冷暖，都是大气环流带来的结果，而这其中既有微观天气尺度原因，也有宏观气候背景影响。就像在一条1000公里的高速公路上，一起交通事故直接造成一段1公里的堵车，但再往前追溯，事故和堵车可能都与附近路段车流量较大有关。
从天气尺度上分析，5月10日夜里，来自北方、处在上层的冷空气，与来自南方、处在底层暖湿气流在浙江衢州相遇，一场“交战”便带来了让宁亚萍损失惨重的强对流天气。当然，有时候冷暖双方实力不同，4月30日的江苏大风由北方冷空气主导，5月上中旬的强对流则由南方暖湿气流主导。
若从气候背景看，4月中旬至5月底，西太平洋副热带高压明显增强西伸，使得在低空蕴含着大量热量和水汽的暖湿气流源源不断从南方而来；春夏之交日益增强的太阳辐射也让空气迅速升温。在高空，5月以来中高纬度大气环流形势十分有利于冷涡活动和冷空气南下。上层冷、下层暖的不稳定状态让冷暖气流有机会交锋，带来频繁的强对流天气。
因此，今年强对流天气增多增强很难直接算在全球变暖头上，但后者也非全然“清白无辜”——它是3月频发沙尘天气的幕后推手。因为温度偏高，加上今年西伯利亚高压阶段性增强，亚洲中纬度经向环流加大（南北方向环流加大），导致偏北风力增强，把北方沙源地的沙尘频频往南输送。它还与海洋共同作用，给1月份的我国带来了强寒潮，彼时，海洋处于拉尼娜状态，北极海冰异常偏少，共同影响了寒潮的动向。
3月15日，北京市沙尘天气。图片来源：央视焦点访谈
罗京佳介绍，高温热浪、极端降雨和干旱等极端天气多发与气候变暖有关。“平均温度升高，高温热浪发生频次确实会逐渐增多。温度升高会使空气含水量增加，一旦满足降水条件，容易出现强降雨。高温还意味着更强的蒸腾作用，干旱发生概率也会增大。但不能说某次天气过程完全由气候变暖造成，每次事件还需具体分析。”
以今年存在感极强的风为例，“冬季大风以寒潮冷空气为主，沙尘以蒙古气旋为动力，强对流天气则是局地中小天气尺度大风，各自形成原因非简单理论所能解释。”周兵说。
也正因天气的复杂性，让灾害性天气机理研究挑战重重又至关重要。梁旭东介绍，极端天气往往是小概率、小尺度事件，摸清机理需要很长时间，甚至辛苦数年一无所获，但科学家并未因此停下脚步。
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天气新常态：极端天气多发重发
根据国家气候中心监测，近年来，在全球范围内，暴雨洪涝频发，高温、干旱、低温冷害、雪灾偏重，热带气旋极端性增强，强对流天气多发重发，包括2019年7月中下旬南亚持续强降水引发的严重洪灾，2020年4月下旬至5月的东非强降水，2021年2月美国寒潮……全世界的天气都不平静。全球变暖背景下，极端天气多发已成为共识。
周兵介绍，这种不平静体现在两个方面——变得太快、停得太久。“这里有一个辩证的稳定和不稳定关系，一方面部分地区大气变得不稳定，极端天气多发；另一方面，在某些地区和时间段，大气又异常稳定，'该走的时候不走’。长时间对流不稳定，表现为暴雨多发；长时间被高压控制，便出现干旱少雨。”
对我国来说，今年气候年景预测结论不容乐观：5月27日的最新预测已将汛期气候年景从“一般到偏差”调整为“偏差”，区域性、阶段性旱涝灾害明显，极端天气气候事件偏多，部分地区可能出现阶段性高温热浪。从季节更替看，夏季强对流也往往比冬季春季多。而6月1日，我国正式进入了主汛期。
科学研究和预测，都在告诉我们一个不得不接受的事实：反常天气可能已经成为一种新的天气常态，极端天气可能会更频繁“造访”，需要我们做好最充足的防御准备。
面对不断刷新的极值，呈扩张态势的灾害影响区域边界，在我国极端天气气候事件总体呈增加趋势的背景下，如何更好守住安全防线？
一套成熟的、以预警为先导的“政府主导、部门联动、社会响应”机制能为灾害防御、应急处置赢得更多时间。那么，现在我们能做到哪一步？瓶颈何在？如何突破？多位专家接受了中国气象报全媒体记者的专访。
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“大网”捉“小鱼”，是全球“天花板
极端天气气候中，强对流往往是最致命的。
2020年6月12日14时许，一场龙卷风袭击江苏省高邮市城南新区3个村庄，造成部分房屋、车辆受损，4名村民轻伤。而约46分钟前发布的暴雨黄色预警和公共服务产品，为当地灾害防御争取了宝贵时间。
提前46分钟，很难吗？
答案是，真的难。
“因为强对流天气属于中小尺度天气系统。”灾害天气国家重点实验室主任梁旭东说，“尺度越小，可预报性也就越低。”
尺度可以理解为定位天气系统的坐标轴，x轴代表存活时间，y轴代表空间覆盖范围。在这个坐标轴里，强对流天气恰好处于中等偏下位置——可覆盖几公里至几百公里不等，生命史可能仅有几分钟至一小时，也可能长达十几小时以上。
10公里在人们的印象里可能并不算近，但在全国天气预报模式的背景下，就仅仅是网格中的一个芝麻小点。“观测站网，织得再密还是有'网眼’。”梁旭东感慨，“相对龙卷等'小鱼’而言，“网眼”还是大了些。”曾参与几次龙卷灾后调查的他，对“局地性”三个字深有感触，“眼前一片狼藉，但两条街外又是另一幅光景。”
而“小鱼”一旦集结成巨型“鱼群”，不仅“活”得更长，侵袭范围更大，破坏力也成倍叠加。比如在今年5月10日至12日的这一轮强对流天气中，湖北省武汉市局部遭遇10级及以上大风；浙江省建德市多地受雷雨天气影响，出现树木倒塌、蔬菜大棚受损情况；在江西省上饶市铅山县河口镇上空，闪电划过夜空犹如白昼；贵州省贵阳市城区遭暴雨冰雹袭击，导致低洼路段被淹、内涝严重……
有人可能要问，个头大的“鱼群”不是更好“抓”吗？恰恰相反。“鱼群”只是整体感觉，“小鱼”仍是“小鱼”。上例中大风、雷电、短时强降雨、冰雹等多种灾难同一时间段出现，产生“大军压阵”的效果，但细究其中极端性灾害发生地，仍然是“局部地区”。
那能不能让这张“捕鱼”的网再密一些？令“小鱼”无所逃遁？中央气象台首席预报员张涛坦言，当“小鱼”游走各地，提前定位、布网仍然是全球气象界共同的“天花板”。目前强对流预警时间提前量约为38分钟，也就是说，对于某个具体的强对流天气事件而言，气象部门可以提前数小时到数天划出大概范围，但很难具体发布预警至某县（区），精确到分钟级或小时级。
这背后更深层的原因，指向对极端天气气候事件的认知短板。
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“认识“朱鹮”，比认识“麻雀”要难多了
极端天气气候事件和一般致灾性天气，就好比朱鹮和麻雀，前者极端稀少，后者遍地都是。
为什么这么说？学界对极端天气气候事件的普遍认识，是指一定地区在一定时间内出现的历史上罕见的气象事件，其发生概率通常小于5%或10%。
同样是从零基础开始，要观察麻雀的习性，可能在街头支个凳子就能实现，但要认识朱鹮，可能要深入崎岖险峻之地、花费几十年甚至更长的时间去寻觅、跟踪、记录、总结。这个过程中，如果没有不断迭代、日益精准且轻量化的高科技观测、定位设备，仅靠人力几乎寸步难行。
这也正是气象科技工作者研究极端天气气候时所面临的的困境。
要想观测、记录小概率事件本就要花费大量人力物力，而对于其中以局地性、突发性为典型特征的强对流天气，就更是难上加难。现阶段，捕捉强对流天气较有效的手段是雷达监测。但地球是圆的，雷达发射的电磁波多为直线传播，就好比对地球做一条切线，切线下方全是盲区，再加上地形干扰、雷达分辨率不足等限制，雷达对龙卷影响最大的接地部分很可能识别不出。此外，雷达数据解析需要时间，但几分钟很可能就是一场龙卷的“生死时速”。
“观测数据不足，可以研究的样本数少，在一定程度上影响我们总结其发生、发展规律。”梁旭东说。没有精确认识，何谈精准预判呢？目前他及其团队通过积极参加灾后调查，开展气候模拟试验，不断积累对强对流天气尤其是龙卷的认识，中国气象局积极推进的气象灾害风险普查也是数据积累的手段之一，但这些都需要一个过程。
更糟的是，“朱鹮”的“习性”还在不断发生变化，甚至超过科学家的认知速度。
近百年来，全球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化。气候变暖带来了一系列影响，包括海平面上升、冰川消融、沙漠化加剧等，这些让地球系统各圈层之间的相互作用和反馈机制变得更加复杂，其中也包括影响大气环流的机制。
全国冬季平均气温距平历年变化（1961年-2021年）
不要小看这些看似微小的变化，1961年，气象学家爱德华·劳伦兹用计算机模式模拟天气时，发现输入变量的微小变化，造成了大相径庭的结果，他由此发出了著名一问：“一只蝴蝶在巴西振翅，是否会掀起德克萨斯的一场飓风？”
要消弭气候预测中的“蝴蝶效应”，就必须把蝴蝶振翅带起的气流从巴西到得克萨斯的路径、演变摸得清清楚楚。
但影响大气环境的要素十分复杂。而随着考虑的要素越来越多，需要计算的数据量也随之水涨船高，这又是现有观测手段和算力难以支撑的。
难道我们就束手无策了吗？
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“磨利剑”与“绷紧弦”缺一不可
当然不。
提高预报预测准确率，守牢防灾减灾第一道防线，这是气象部门的永恒课题。
我国主要发展数值模式预报，需要从气象专业角度摸清机理，确保预报科学合理，其系统设计、程序规范、运行支撑、检验评估等还涉及大量计算，耗费较长时间与较大的计算资源。“气象＋计算”的融合不是一蹴而就的，核心技术的研发，好比一块生铁，要经过淬火、锻造、打磨，才能百炼成钢、终成利剑。
从极端天气气候事件发生发展的角度看，首先要从气候预测的角度，强化对极端天气发生概率、时段、范围的预报预测，做好防范准备。
“做好气候预测要夯实理论，也要'磨利’工具，即发展高精度气候预测动力模式。”南京信息工程大学教授、气候与应用前沿研究院院长罗京佳建议，一方面需要继续从科研管理的角度对核心技术研发的从业者进行支持，鼓励专家潜心攻关；另一方面，需要通过机制建设，加强大气海洋模式方面专家与计算机专家的跨学科融合，研发匹配我国芯片和预报模式运算需求的计算程序。
击准目标，还需从更近的天气尺度来看，做好对强对流天气的预报。
“尽管强对流发生比较随机，但可以从容易出现强对流的环境背景来判断，进而支持决策。”梁旭东认为，可以从技术角度发力，如加强基于雷达的快速分钟级预报等，其核心是把现有资料用好，探索更小尺度的预报。要加强对强对流的机理研究，如天气过程为何会发生，天气系统内部热力和动力过程如何演变等，为预报业务提供科研支撑。
张涛认为，更为精细的分钟级和小时级的预警预报业务，实际上是由各地气象台特别是地市一级落实。因此，中央气象台与地方气象台要加强技术层面沟通，形成上下互联机制，共同防范强对流天气。
机器学习和人工智能的不断发展或许能提供新的解题思路。当前，多地气象部门致力于擦亮这把“新剑”：深圳市气象局建立的基于深度学习的雷达外推模型，可以在5-10分钟内有效预测未来0-6小时的降水；上海市局基于机器学习智能外推技术可根据突发性雷雨大风和短时强降水预报需求, 实现0-6小时短临精细化格点预报产品自动生成。罗京佳表示，这为提高预报预测准确率创造了较好的应用前景，其关键问题也在于跨学科融合，即如何围绕预报预测核心技术短板组织团队、强化政策支持进行长期攻关。
突破天花板，能力提升非一日之功，在全球共同打磨的极端天气精准预报利刃出鞘前，专家认为，政府和公众也需要提高警惕，完善应急体系，根植防御意识，未雨绸缪，做好防御准备。
“到这个季节，遇到风险提示的时候，需要上至政府、相关部门，下至企业、公众都必须绷紧防御之弦。”梁旭东说，“一般突发的强天气过程带有随机性，考验的就是应急应变能力和平时的防御准备，需要在掌握孕灾事件发生概率信息的情况下进行及时决策。”
内蒙古巴彦淖尔市农业气象试验站高级工程师孔德胤则结合自身经历，建议要破除思维定式，遵循科学变化规律从事生产生活。“在抢播小麦的过程中，也有少数农户认为气温偏高没有关系，按照往年在3月底再种就行，结果到了后期他们的地就种不上了。”
国家气候中心气候服务室首席周兵建议，进一步健全预警信息接收和传播工作机制，充分利用权威渠道和公众喜闻乐见的平台，针对极端天气气候事件防御开展科普宣传，提高公众应对极端天气气候事件和防御气象灾害的能力。
作者：李一鹏 叶奕宏 吴彤
信息支持：汝凤军、余亚庆、徐琳琳、林雯、陈克垚、阳揣环、任瑞淇、李钦、符晓虹、孟凡夫、石奎、高迅芝
图片支持：广西壮族自治区贵港市气象局、大兵说气候、网络
编辑：李一鹏
审核：张格苗 段昊书
来源：中国气象局