气候异常了_1

我国十二省区严重干旱分析快报

2008年10月下旬以来降水量持续偏少的影响 ，我国京、津 、冀
、晋、鲁 、豫
、皖、苏 、鄂、陕
、宁、陇十二省区出现三十年一遇的罕见干旱
，部分地区重旱程度达五十年一遇 。一点五七亿亩小麦受旱，中国首次拉响Ⅰ级抗旱警报
。本快报就这次干旱过程以及气象成因初步分析 ，并对未来两周天气给出展望。

一 、雨情

去年10月下旬以来
，北京
、天津、河北 、山西
、山东、河南 、安徽北部
、江苏北部、湖北东北部 、陕西北部
、宁夏、甘肃东部等北方冬麦区降水量较常年同期偏少五至八成，山西中部 、河北中南部、河南东北部和中部
、山东西部、安徽西北部等地降水量偏少八成以上 。华北大部 、黄淮西部
、江汉等地平均无降水日数达到1951年以来历史同期第二位 ，其中，河南的无降水日数为历史同期最多（图1
，图2）
。

二、旱情

中国气象局二月五日气象干旱监测显示，北京 、河北中南部
、山西大部、山东北部和西部 、河南大部
、安徽北部、陕西大部 、甘肃东部
、湖北北部等地气象干旱达到中到重度 ，其中
，河南中东部、安徽西北部地区达到特旱。图3（a）为2009年1月31日中国干旱监测图，图3（b）是2月6日亚洲干旱监测图 。从此图上也可以看到 ，除了我国的干旱外
，在北非 、印度、中南半岛地区也发生了严重的干旱。

据农业部农情调度，截至二月五日 ，河南
、安徽、山东 、河北
、山西、陕西 、甘肃
、江苏等主产区小麦受旱一点五七亿亩
，其中严重受旱六千四百八十二万亩
。八省旱区受旱麦田中已灌溉面积七千八百七十七万亩，占受旱面积的百分之五十。

国家防汛抗旱总指挥部二月四日启动Ⅱ级抗旱应急响应的基础上 ，五日宣布启动Ⅰ级抗旱应急响应 。这也是中国历史上首次启动Ⅰ级抗旱应急响应
。

根据气象与水文学上的定义
，某一次异常气候或水文事件的重现期为30～50年一遇，我们称之为极端气候或水文事件。这次的干旱是一次极端气候事件 。

三、气象成因

这次我国大范围严重干旱是较长时期降水稀少所造成的
。从气象成因监测和分析看 ，应该从2008年11月大气环流异常开始分析。

北半球中高纬度存在准静止的环流系统，这种稳定的环流形势是造成这次干旱灾害的主要成因 。图4a给出2008年11月1日～2009年2月3日北半球500 hPa平均高度及其距平场
。图4b是在这段时间里
，每天高度距平大于10 gpm以及高度负距平小于10 gpm的天数占总天数的百分率，表示500 hPa平均高度场各个系统的稳定程度。欧亚中高纬度主要环流系统是西欧北部的阻塞高压 ，这个阻塞系统在12月达到鼎盛
，一直持续到2月初，其距平中心的稳定性达到70％以上（即有67天以上持续为正距平所盘踞） 。而其西南侧欧洲西海岸为稳定的低压槽（负距平区） ，其持续性也达到70％以上
，反映在欧洲西部上空高空槽活动频繁
。沿着30～50°N北半球存在长定波列，表现在东亚大槽维持在日本东北部（千岛） ，高原上空为稳定的高压脊
，中国大陆长时期处于东亚大槽槽后西北气流控制下，冷空气活动频繁。东亚大槽和高原上空的高压其持续性也在70％以上 。在北半球10～20°N 附近的纬度带, 基本上为副热带高压控制 ，副热带高压明显偏强
，而受中纬度120°E地区低压槽影响，西太平洋副热带高压西伸北抬不明显（图4b）。2008年11月～2009年1月逐月平均的500 hPa平均高度场与图4类似（图略） ，正是这种异常环流及其稳定，造成干旱形成并加剧
。从2009年1月1日～2月3日平均的300 hPa的等风速线分布上看（图5a）
，有一支急流从大西洋中部 、非洲及亚洲大陆沿20～35°N地区（北非
、中东、印度北部和中国西南地区）向东伸向日本南部。在这支急流中，300 hPa经向风扰动动能的大值区集中在70°E以西地区 ，表明从亚洲西部过来的扰动系统不容易东移到东亚上空
，从而使水汽不能输送到70°E以东地区，造成了亚洲大范围的干旱 。

我们给出2009年1月200 hPa水平风距平场 ，代表干旱最严重时期对流层上部的环流（图6a）
。沿着30°N北半球有几个反气旋性的距平中心分别位于大西洋中部 、地中海以及青藏高原上空
，在中国沿海岸有一个气旋性环流区。这些距平中心与对流层中层500 hPa的正
、负距平区相对应 。2009年1月对流层下部的700 hPa水平风距平场上可以看出（图6b），北非、印度次大陆 、中南半岛和中国大部偏北距平风盛行 ，这表明这些地区冬季风异常盛行
，来自海洋上的水汽不容易达到上述地区
。

这次出现干旱严重的部分地区，在2008年1月曾经是多雪区 ，雪灾严重。值得对这两个过程进行对比分析 。图7为安徽阜阳附近(116°E , 33°N) 1月平均的垂直速度（图7a）和相对湿度（图7b）廓线(实线为2009 年, 点划线为2008 年)
。2008年1月暴雪期间
，阜阳地区在对流层中下层（600 hPa以下）为上升运动，相对湿度在55％以上；而在2009年1月 ，除了近地面的边界层整层皆为下沉运动，对流层中层（400～600 hPa）下沉速度接近20Pa×s-1
，在这里对流层中、上部空气下沉运动甚强，相对湿度基本上在40％以下 ，抑制了云和降水的发展。这两个时期扰动动能（风暴路径）的分布也不一样（图6b）
，2008年1月有3次低气压扰动沿青藏高原向东移入我国上空（图略） 。图8 给出2008年1月11日～2月2日500 hPa平均高度及其距平场，可以看出是最有利于出现冬季强降水的“东高西低 ”的环流 ，与2008～2009年秋冬季干旱的大气环流形成明显差异
。图4a与图8上这种环流近似反相的特征和异常环流的持续性在Hovm?ller图（沿35～45oN平均的300 hPa经向风时间–经度剖面
，图9）上很清楚。中国东部地区除了2008年12月初和2008年12月底～2009年1月初这两次强寒潮过程，稳定在高原高压脊前的西北气流控制下 。此外 ，从2008年底～2009年1月
，大气季节内30～60天振荡（MJO）在 60～150oE很不活跃，与2008年初暴雪期间MJO在此地区的强盛差异明显（图略）。

一般在气候预测中 ，人们重视赤道东太平洋SST异常对全球气候异常的影响
。我们注意到2008和2009年冬季赤道东太平洋SST同属冷水位相（Lanina位相）
，而我国气候完全相反，看来这次干旱与Lanina事件关系十分复杂 ，值得深入研究。

四
、结论

造成我国大部地区入冬以来降水偏少的主要原因为：尽管去年冬天北方有几次强冷空气过程，但是冷空气没有带来降水
，仅仅是大风和降温天气 。降水偏少的主要原因是亚洲西部过来的扰动系统不容易东移到东亚上空，从热带洋面上过来的潮湿的暖湿气流不强盛 ，暖湿气流较弱
，仅仅到达了长江中下游地区，无法输送到黄淮、华北 、河南
、山东、山西 、河北等偏北的地方（图10）
。

根据IPCC第五次评估报告 ，在全球变暖的气候背景下
，全球的水份和能量循环加快，极端气候事件有增多趋势 ，中国也是如此。这次我国十二省区出现严重干旱
，属于极端气候事件 。2006年夏季川渝地区百年一遇的特大干旱，2008年初南方严重的低温
、雨雪、冰冻灾害也是如此
。气象业务和科研部门 ，应重视极端气候事件的监测 、诊断和预测研究。

对未来天气形势的估计：

2月中旬我国南方地区的降水会比较频繁
，北方部分旱区还有望迎来降水，11－13日在江淮
、河套、华北地区有一次较强的降雨过程 ，13－14日前后在东北地区, 本次过程长江中下游 、四川盆地东部
、贵州、华北地区 、东北大部、黄淮
、及将出现一次阴雨（雪）天气过程，降水量一般有1～5毫米
，部分地区可达10 毫米以上 。15日后又有一次冷空气南下，但降雨主要发生在黄淮及其以南地区
。此外,从美国气候预测中心（CPC）CFS中期预报场分析（图 10） ，到2月20日
，高原附近的高压坝依然维持，“西高东低
”的大气环流条件短期内不会有根本改变 ，北方地区可能依然维持相对少雨的形势。未来一段时间
，我们应密切关注高原附近的高压坝的调整 。

大数据怎样帮助我们了解气候变化

气候变化确实威胁着我们的星球，全球都应感受到它的毁灭性后果
。美国航空航天局（NASA）气候模拟中心（NCCS）高性能计算负责人Daniel Duffy博士 ，介绍了大数据对气候变化研究工作的至关重要性。

NCCS为大规模的NASA科学项目提供高性能计算、存储和网络资源 。其中许多项目涉及全地球性天气和气候模拟。这些模拟生成的海量数据是科学家永远读取不完的
。因此
，益发有必要提供分析和观察这些模拟产生的大数据集的方法，更深入了解气候变化等重大科学问题。

大数据和气候变化：它们是怎样运作的？

大数据和气候研究息息相关；没有海量数据就无法进行气候研究 。

NCCS拥有名曰“探索号超级计算机”的计算机集群 ，主要目标是提供必要的高性能计算和存储环境
，以满足NASA科学项目的需求
。探索号计算机正在开展一系列不同的科学项目，其中的大部分计算和存储资源被用于天气与气候研究。

探索号计算机是一种高性能计算机 ，专门为极大规模紧密耦合的应用而设计，是硬软件紧密结合和相互依存的系统 。虽然该计算机没有被用于从卫星等遥感平台采集数据
，但该计算机运行的许多大气 、陆地和海洋模拟都需要观测数据的输入
。使用探索号计算机的科学家不断收集输入其模型的全球性观测数据。

然而，如果科学无法以有效手段观测和比对数据 ，即使向它们提供海量数据也毫无意义 。NASA全球建模和模拟办公室（GMAO）增强性动画就是这方面的范例
，该办公室利用多方来源的观测信息驱动天气预报
。

GMAO的GEOS-5数据模拟系统（DAS）将观测信息与建模信息融合，以生成任何时间内都最为精确和质地统一的大气图像。每6小时的累计观测超过500万次 ，并对气温
、水、风 、地表压力和臭氧层的变量进行比对 。模拟观测分八大类型
，每类对不同来源的变量进行测量
。

数据处理

气候变化模型需要具有大量存储和数据快速接入且数据不断增加的计算资源。为满足这一要求，探索号计算机由多个不同类型的处理器组成：79200个英特尔Xeon核心
、28800个英特尔Phi核心和103680个NVIDIA图像处理器（GPU）CUDA核心 。

探索号计算机的总计算能力为3.36万亿次 ，或每秒3,694,359,069,327,360次浮点运算。为使大家更好地理解这一规模的计算能力
，该计算机可在一秒钟内完成活在世上的每个人以每秒将两个数字相乘的速度连续运算近140个小时的运算量
。

除了计算能力外，探索号计算机还具有约33拍字节（petabyte）的磁盘存储空间。典型的家庭硬盘容量为一兆兆（terabyte）字节 ，因此
，该计算机的存储能力相当于33000个这类磁盘 。如果用它存储音乐，你可以编排一个长度超过67000年而不重复的演奏清单
。

NCCS每年都对探索号计算机进行升级。随着其服务器和存储的老化 ，在四或五年后替换而不是继续运行部分设备实际上能够提高效率 。例如2014年年底至2015年年初利用升级的计算机群取代了探索号计算机2010年升级的设备
。在地面空间、功率和冷却包络相同的情况下，升级后的NCCS可将计算能力提高约7倍。退役设备通常会转变用途
，用于内部支持和其他业务或大学等外部站点，包括马里兰大学巴尔的摩分校（UMBC）和乔治梅森大学（GMU） 。

数据映射：气候变化与预测

NCCS生成的数据推动了不同重要研究和政策文件的起草工作
。

这一数据使人们能够就我们星球的气候变化影响进行更知情的对话 ，并有助于决策机构针对气候预测制定出适用战略与行动。例如
，该数据已被用于气候变化专门委员会（IPCC）推出的评估报告 。NCCS从事和NASA科学可视化工作室观测的数据模拟，介绍了IPCC第五次评估报告提出的气候模型 ，对气候和降雨预计在整个21世纪的变化方式做了说明
。

于2005年袭击了美国墨西哥湾沿岸的卡特里娜飓风突显了准确预报的重要性。虽然它造成了巨大损失
，但要不是预警预报给人们留出了适当准备时间，损失就会严重得多 。如今 ，NCCS的超级计算机主要负责GMAO全球环流建模
，其分辨率比卡特里娜飓风时提高了10倍，因而能够更准确地观察飓风内部 ，并有助于对其强度和规模做出更精确的估计。这意味着气象学家能够更深入地了解飓风的走向及其内部活动
，这对于就卡特里娜飓风这类极端天气做出成功规划和准备至关重要
。

此外，观测系统模拟试验（OSSE）还利用全球气候模型的输出成果模拟NASA提出的下一代遥感平台 ，从而向科学家和工程师提供了虚拟地球，以便在制作新的感应器或卫星之前研究大气遥测的新优势。

未来的气候变化数据

数据是NASA的主要产品 。卫星 、仪表
、计算机甚至人员都可能频繁进出NASA
，但数据尤其是地球观测数据具有永驻价值
。因此，NASA必须不仅让其他NASA的站点和科学家 ，而且要让全球都用上它生成的数据。

仅时时生成的数据量就构成了一大挑战 。在研究系统的科学家都难以使用数据集的今天
，NASA以外的人们获得可用数据更是难上加难
。因此，我们开始研究创建一项气候分析服务（CAaaS） ，将高性能计算、数据和应用编程接口（API）相结合
，以便为在现场与数据共同运行的分析程序提供接口。换句话说，用户可就他们关心的问题提问 ，并利用NASA系统的运行进行分析
，随后将分析结果返回用户 。由于分析结果的规模小于生成它的原始数据，这一系统将减少经不同网络传送的数据量 ，而更重要的是
，API可以大大减少用户和数据间的摩擦
。

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