1 引　言

中国淮河流域位于东亚湿润和干旱气候的过渡带，天气、气候复杂多样，同时河网交错，土地肥沃，具有丰富的光热水资源，是中国的重要农业区；同时，这里也是洪涝灾害的频发区，尤其是6—7月的江淮梅雨季。梅雨锋系统不仅影响中国长江和淮河流域，也明显影响朝鲜半岛和日本，因而防灾、减灾也是中国与这些国家共同面临和关注的重大问题。

能量和水是人类生存和发展的基础。地球系统通过大气、云、陆面和海洋等媒介，吸收太阳辐射能量和释放长波辐射，产生能量循环。而水的循环过程则是通过降水、蒸发、地表和地下水径流等环节，平衡着全球和区域的水资源。能量和水循环研究对区域气候水文模式的建立，对提高延伸期天气、气候预报时效以及降水预报精度有重要意义（Zhao，et al，1998；赵柏林等，1999；周小刚等，2004；林朝晖等，2001；Hu，et al，2002；丁一汇等，2003；Yao，et al，2003；胡雯等，2006；Fujiyoshi，et al，2006；Shusse，et al，2006；Chen，et al，2015）。基于协调能量水循环观测计划（CEOP），学者们验证陆面能量平衡系统模式在不同气候区域、陆表类型下的准确性，并提出陆面模式改进方案，发现改进后的模式对雪盖的模拟效果有显著提升（Hirai，et al，2007；Su，et al，2007）。青藏高原辐射加热效应显著，白天为强热源，夜间为强冷源。基于卫星遥感结合地面观测反演区域陆面过程参数，获得青藏高原地区地表温度、地表反射率、植被指数等参数，为青藏高原地区中尺度陆面过程参数化提供了参考（马耀明等，2000；Ma，et al，2002；Wen，et al，2003）。淮河流域能量与水循环试验（HUBEX）就是在上述背景和目标下实施的。这个计划是全球能量和水循环计划（GEWEX）下亚洲季风试验（GAME）的一部分。GAME计划还包括同时进行的南海季风试验（SCSMEX）、青藏高原试验（GAME-Tibet）和亚洲热带试验（GAME-Tropics）。通过这4个分计划，可以对所获得的资料进行整合并进行综合研究，该计划的研究成果和主要论文被选编在相关论文集中（Yasunari，2001）。

HUBEX 试验外场观测历时2年，试验总体上完成了总体目标和主要任务，获得了大量气象与水文高分辨率的加密资料。通过中日合作研究，也取得了新的成果。对于中方，重点是天气尺度和水文方面；对于日方，重点在中尺度和降水物理方面。由于时间的限制，当时这二者未能有机地整合在一起，有待新的试验计划予以解决。

2 GAME/HUBEX试验回顾

基于淮河流域天气、气候背景的特殊性和重要性，在中国国家自然科学基金支持下，与世界气候研究计划（WCRP）下的全球能量与水循环试验计划/亚洲季风试验计划合作，在1998和1999年夏进行了HUBEX。这是一次大规模国际合作的气象与水文联合观测试验，来自中国和日本的8部多普勒雷达和常规天气雷达以及许多先进的水文气象观测仪器设备，几十个高空探空站、几百个水文气象站，数百名中日气象与水文科学家和工程师参加了这次试验。美日联合发射的热带测雨卫星也为这次试验提供了连续观测。

从2000到2005年，中日科学家进行了长达5年的资料整理分析和科学研究工作，取得了全面与丰硕的成果，并于2006年共同出版了第一次淮河试验的最终报告，全面总结了两国科学家在9个方面取得的主要成果，分别是：（1）HUBEX试验期间东亚大尺度环流特征和天气系统分析，（2）HUBEX试验期间暴雨中尺度系统与洪水灾害，（3）梅雨的水汽源和输送，（4）陆面过程，（5）暴雨机理，（6）区域/流域尺度的水分/能量收支，（7）淮河流域径流观测和预测，（8）GAME/HUBEX的四维资料同化分析（4DDA），（9）暴雨与洪水预报的前景。文中将对上述成果的一部分进行概括介绍，成果的详细内容可参看中日科学家共同出版的最终报告（Fujiyoshi，et al，2006）。

3 GAME/HUBEX试验主要成果 3.1 梅雨期东亚大尺度环流特征和天气尺度系统

1998年是过去100年最强厄尔尼诺爆发后的次年。从1997年春到1998年初夏，赤道东太平洋出现连续的高海表温度，Nino3区1997年冬季的海平面温度距平甚至超过3℃。相反，热带西太平洋海温偏低，在这种大范围海洋与气候十分异常的背景下，赤道辐合带偏弱，台风不活跃，而西太平洋副热带高压（副高）偏强，位置异常偏西偏南，东亚夏季的主要季节雨带长时期位于长江流域及其以南地区。东亚中高纬度天气系统表现为下游持续性鄂霍次克海阻塞高压和蒙古与中国东北地区极地冷涡的存在。由高空冷涡中频繁南下的冷空气与来自副高西侧的暖湿季风气流在江淮流域和长江以南地区辐合形成强而持续的天气尺度低空辐合线和梅雨锋，结果在1998年造成长江流域大范围特大暴雨和洪水事件，其严重性和持续性为历史罕见，造成的洪水灾害也是空前的（中国气象局国家气候中心，1998；Ding，et al，2001，2011）。淮河流域，虽然总降水量比长江流域小很多，但比常年仍偏大60%—80%。集中的降水期在6月28日到7月3日，正处于HUBEX加强观测期，因而1998年主要的梅雨过程很好地被HUBEX观测网所覆盖并被加强观测。

1999年是拉尼娜年。热带西太平洋的赤道辐合带异常弱，位置偏南，副高位置明显东移和南落，位于日本东南洋面。高纬度的极地涡旋频繁发展，并向东南移动，结果导致东西伯利亚冷空气沿偏东路径到达蒙古、中国东北和日本海，使低槽持续维持在华东到日本海一带，这使梅雨带和强降水在6、7月主要发生在长江中、下游地区，尤其是下游地区。在6月下旬和7月初这里出现极强的降水，打破了1949年以来的历史记录。上海和芜湖的降水甚至打破了100年的历史记录。安徽地区也出现明显的强降水，安徽南部地区的降水量大多为长期平均值的2—4倍。由上面的气候条件和梅雨期降水平均状况分析可见，HUBEX的2年加强观测期分别为长江全流域和中下游异常的多雨期，区域或局地的梅雨降水量不少都破了历史记录。淮河流域，梅雨盛期也发生了强暴雨过程。但由于受厄尔尼诺和拉尼娜的不同影响，东亚大气环流和强降水区明显不同，梅雨的降水区分布和强度明显有差异。这表明梅雨作为气候时间尺度的雨带，其分布和总雨量的预报必须考虑主要气候影响因子，如ENSO事件的影响，即厄尔尼诺次年夏季长江流域为多雨年，梅雨强；而拉尼娜年次年为弱梅雨年，只出现区域性强梅雨。这已成为短期气候预测的主要年际信号。

在上述气候背景条件下，进一步分析天气尺度系统的特征（Ding，et al，2001；Kato，et al，1999）。图1是1999年6月22日到7月2日日平均雨量的分布，它在环流场上对应一条东西向切变线。可以看到梅雨雨带沿长江流域稳定地呈东西向分布，其上不断有大量的强降雨中心从西向东传播，从这10 d的总雨量（图1k）可以看到，最大降雨中心位于长江中下游地区，相应于这些大降雨中心，有源自上游的中间尺度或中尺度低涡（即西南涡）相伴（图2）。因而西南涡是造成梅雨锋强降雨或暴雨的主要系统，它们在西南地区生成后，不断沿切变线东移，所产生强暴雨中心也随切变线或梅雨锋向下游传播。图3是两个产生于青藏高原下风方的向东传播的低涡，它们在下游得到发展，产生了强暴雨。低空急流是造成梅雨暴雨的另一种重要天气系统。由图4可以看到，沿梅雨锋区或切变线南侧850 hPa具有很强的风速（12—13 m/s），它们起源于热带的季风区，尤其是中国南海和西太平洋地区，这里也是梅雨区的主要水汽源区。在低空急流中心北侧是正切变涡度区，同时它与西风高空急流的出口区右侧的上升运动区上下重合，这种高空急流入口区右侧的垂直环流耦合作用，可产生强的上升运动，从而触发和维持梅雨暴雨的发生、发展（图5）。

由上述分析可见，东亚的梅雨是多尺度天气与气候变率和系统的产物。气候背景（ENSO事件：厄尔尼诺与拉尼娜事件）决定了梅雨的年际差异与季节异常，即丰梅年或枯梅年（少梅年）；季节内尺度的东亚夏季风气流中的低空急流强弱决定了梅雨区天气尺度强降水的水汽输送和降水总量；高空急流中心与低空急流中心的高、低层相互作用产生的强上升运动决定了梅雨的强度和暴雨区位置。沿梅雨切变线或梅雨锋传播的天气尺度与次天气尺度系统如切变线、西南低涡是形成梅雨降雨过程的主要系统，而其中的中小尺度对流系统是暴雨过程或极端强降水事件的主要制造者。HUBEX加强期试验和后续研究为阐明这些大尺度环流和天气系统做出了积极的贡献，大大深化了人们对梅雨发生、发展的大尺度和天气尺度条件的认识。

3.2 梅雨区的中小尺度系统

在HUBEX试验加强观测期间，建立了由3个X波段多普勒雷达站（寿县、淮南、凤台）组成的观测阵，据此可以获得中小尺度扰动的三维动力结构和生命史演变。在1998年的加强观测时期（IOP），6月28—30日（时段Ⅰ）与7月1—3日（时段Ⅱ）梅雨锋缓慢从南向北移动，并在6月底到7月初移过淮河。观测表明，时段Ⅱ的云系降水效率为70%，比时段Ⅰ的50%大得多。在时段Ⅰ，梅雨锋中有一个α中尺度对流系统形成并发展，引起了大范围的强暴雨（≥110 mm）。在时段Ⅱ，主要观测到梅雨锋中产生了许多云团，并未形成任何明显的α中尺度涡旋。

在两年加强观测时期共发现了两种不同尺度的涡旋。其中β中尺度涡旋形成于锋面附近，而γ中尺度涡旋形成于梅雨雨带融化层正下方。强涡度在风速的拐点处发展，中层的中尺度涡度形成于水平切变区，即在稳定干层与湿不稳定层的边界风速增加层中。在这两层中不但有强风速切变且上升气流速度随高度增加，有降水性云发展。水平切变不稳定与锋面两侧的密度差是β中尺度扰动形成的条件，此处可引起干而稳定的空气层厚度突然增加。α中尺度扰动可能是在融化层正下方组织起来，因为这种扰动在湿不稳定气层中发展，故有强上升气流与发展的对流云。当较低的涡度与上层涡度合并后，可形成更强更大的涡旋，同时可吸引更多的来自北方的干冷空气到南面，以此加速锋面向南运动。因而HUBEX多普勒雷达阵的中尺度观测对于梅雨锋中α、β和γ中尺度扰动形成过程与机理的深入认识起着十分重要的作用（Fujiyoshi，et al，2006）。

3.3 梅雨锋降水系统和暴雨机制与概念模型

根据HUBEX加强观测时期的观测和分析，梅雨锋降水主要由多尺度系统组成（Maesaka，et al，2006）。包括天气尺度（如梅雨锋），次天气尺度（西南低涡）与中小尺度（α、β、γ尺度系统）。根据1998和1999年加强观测时期的结果和后期研究，对于天气尺度的梅雨锋可以划分为2类：副热带气团内梅雨锋（ISA型）与融合型冷锋梅雨锋（MCF型）。从锋面运动看，前者在副热带气团中向北移动，而后者随极锋向南运动。融合型冷锋梅雨锋的温度梯度为−4.0℃/15°纬距，大于副热带气团内梅雨锋的温度梯度（−1.5℃/15°纬距）。这种弱温度梯度的副热带气团内梅雨锋实际上是一种到达副热带地区变性的极锋，因而温度梯度小于一般的中高纬度冷锋温度梯度。在梅雨季，极锋到达南方陆面地区后温度梯度减弱，甚至反向，因而副热带气团内梅雨锋温度梯度比融合型冷锋梅雨锋小。但是二者温度梯度都比其他纬度区高。对于风场，融合型冷锋梅雨锋比热带气团内梅雨锋大3倍，垂直切变大1.6倍。由上述条件比较，可以得到融合型冷锋梅雨锋比热带气团内梅雨锋更活跃。因其温度梯度和水平辐合都比热带气团内梅雨锋大，但区域平均的日降水量则热带气团内梅雨锋较大。应该注意的是，在流域尺度，以上两种类型的降水区分布是不同的，对于热带气团内梅雨锋存在两种类型的降水：沿低层辐合线的对流性降水及其以北的层状云降水，而对于融合型冷锋梅雨锋锋面，在梅雨锋主要是低层辐合线上强层状云。对于这两种梅雨锋面，在低层辐合线附近，都有对流性和层状降水，但融合型冷锋梅雨锋在对流线以南并无降水。

关于两类梅雨锋的强度，融合型冷锋梅雨锋的层状云降水更强，但降雨区热带气团内梅雨锋比融合型冷锋梅雨锋要大得多，因而由热带气团内梅雨锋降水在对流层产生的潜热加热比融合型冷锋梅雨锋降水区范围要大得多，上升运动盛行的高度热带气团内梅雨锋要低于融合型冷锋梅雨锋。因而，它们的加热剖面是不同的，融合型冷锋梅雨锋更高。除上述不同类型梅雨锋可造成流域尺度凝结加热高度不同之外，γ尺度对流降水的特征也可引起非绝热加热剖面与降水结构的差别。对于γ尺度涡旋，它只存在于融合型冷锋梅雨锋的强降水中。研究表明，降水系统的差别还能影响梅雨锋中α低压的生成过程。通过两年的加强观测试验个例分析，最后总结出梅雨锋锋面的概念模型。图6a是副热带气团中梅雨锋（热带气团内梅雨锋锋面）的概念模型，可以看到沿湿度不连续线，纬向对流系统可以自身维持，因为辐合区中地面气压比对流区周围低，因而对流层下部的空气向纬向对流系统辐合，结果其南侧近地面偏南气流增强，这使大量水汽输向纬向对流区，抬升后产生凝结形成线性对流降水系统，因而在这种梅雨锋区可形成大范围降水区。降水不仅沿主要辐合线分布，而且扩展到辐合线以南。图6b是融合冷锋型梅雨锋概念模型，由于梅雨锋与冷锋相融合，暖湿（干冷）空气在梅雨锋以南（以北）。北方冷空气在南方气团之下侵入梅雨锋，南方暖湿空气沿锋面上升，之后凝结，因而对流降水系统在地面锋以北40 km。另外，其中常伴有γ尺度涡旋。层状云降水系统产生于对流降水系统以北，如热带气团内梅雨锋梅雨一样，这可加强对流层下部的局地温度梯度。图6c是长江下游地区梅雨锋中尺度对流系统三维结构（Uyeda，2011）。可以看到在梅雨锋以南有潮湿的强西南风流入，来自海上的低纬度东风气流也流向中尺度系统。图中有3个对流系统，对流中心均在2 km高度。随着接近沿岸地区和东移至日本海，对流云带不断发展，其中有低压相应地配合，并且暖湿的低空西南气流之上为干冷的西—西北气流。

3.4 陆面过程与淮河流域区域水文模式的发展

陆面过程是气候模式中的一个重要组成部分（戴永久等，1999）。水文模式中的陆面水文过程属于陆面过程的一个重要分量，它表征了气候系统与水文过程相互作用和反馈的关键问题。目前在全球环流模式和气候模式中，都考虑了陆面水文过程，即在气候模式中耦合水文模式。这不但可使水文模式中水文参数变化的预测更合理，而且时效更长；并且通过反馈作用也使气候模式的预测精度得到改进。应该指出，气候过程和陆面水文过程在时间和空间变化尺度上有一定差别，但通过陆-气耦合方法，目前可以把气候模式与水文模式很好地耦合起来，建立应用于流域尺度的陆-气耦合水文模式。

中国水文部门最早发展和应用的陆气水文模式之一是新安江模型（郝振纯等，1999）。利用HUBEX试验加强观测期得到的水文资料和经过移植改进的新安江模型，不但可以很好地模拟史灌河及各支流的径流和洪水状况，而且能提供洪水预报，为全面认识和掌握流域水文过程的实时演变提供了一种数字化方法。同时，也是计算径流或水资源评估的一个客观平台（Ren，2006），对1998和1999年HUBEX加强观测时期的水文条件观测（李万彪等，1999；高慧琳等，1999）以及分析和预报起到了关键作用（Qian，et al，2006）。图7是用该水文模式进行流量模拟的例子。可以看到，在1998年加强观测期，4次洪水过程模拟得很好，尤其是6月底到7月初的一次大洪水，流量的峰值和出现时间都十分吻合。

日本科学家利用HUBEX加强观测期的水文与气象、农田资料，以及地面能量和水分收支模式计算了1998年5—8月淮河流域的能量和水分收支，模拟结果还包括土壤湿度、稻田的水深和灌溉水变化，在此基础上得到了流域平均的水分平衡分量变化（Tanaka，2006a）。另外，需要指出的是，为了更好地利用HUBEX-IOP得到的观测资料，Tanaka（2006b）等改进了日本气象厅当时使用的中尺度数值模式（谱模式）中的陆面过程，特别发展了一个新的陆面过程模式（SiBUC）用来同时处理土地利用/陆地覆盖条件的复杂状况，该模式已被耦合入日本气象厅的全球谱模式中。新的SiBUC陆面模式也可计算地表水分收支，该模式还进行了四维同化（4DDA），所以能更好地利用HUBEX加强观测期得到的观测资料进行气象和水文预报（Tsuboki，2006）。同时，中国科学家也发展了区域四维资料同化方法（Zhu，et al，2006），并且，为了更好地利用HUBEX加强观测期获得的高质量强迫资料，还发展了一个分布式水文模式（MaScOD）用于模拟淮河流量。结果证明，利用更高分辨率的强迫资料是模拟出流量复杂特征和变化所必需的，且发展一个嵌套的区域模式也十分必要（Liu，et al，2006；Hao，et al，2002）。由图8可以看到，1998年大部分模拟的径流偏低，而1999年则偏高。如果有观测的降水强迫，则模拟的径流偏差减小，而用区域模式中的模拟降水作为强迫，则模拟的径流偏大，所以降水的模拟性能对于径流的计算结果十分关键。

4 GAME/HUBEX二期展望

中日合作的淮河流域能量和水循环试验（GAME/HUBEX）过去已经20年。现在通过前述对其取得的主要成果的回顾和评述，可以进一步认识到，延续7年左右的大规模科学试验是成功的，取得了不少新的科学认识和突破。这些成果对以后的相关科学研究和业务预报的发展与推动都起到了重要作用，但是也应该认识到，随着全球气候变化影响的不断增强，过去所得到的成果和认识规律对于今天也许已不太适用，尤其是对于人类活动引起的气候变暖影响，与气候背景多尺度变率和极端事件相应的水文过程与事件等也都需要再认识（Ding，et al，2020）。研究表明，东亚梅雨具有多尺度变率特征，它们与准双周、30—60 d振荡、ENSO事件、准2年振荡（TBO）的年际振荡以及太平洋年代际振荡（PDO）和大西洋年代际振荡（AMO）有关。另外，许多研究也指出，在全球变暖和城市化与气溶胶浓度升高的影响下，梅雨的降水特征也在发生变化，包括连续性、降水减少和空间分布更不均匀、强（弱）降水日增加（减少）等（Li，et al，2016）。尤其值得关注的是，全球变暖正在改变着全球和区域水循环。现在还不清楚，对处于气候脆弱区的淮河流域，无论是梅雨或相关能量与水循环是否也在加剧，相应面临的气象与水文灾害风险是否也发生了变化？是怎样的变化？这涉及到在新形势下淮河流域地区防灾、减灾与经济社会的可持续发展问题。因而，需要从全球视野进行更深入、更全面的研究和探索，掌握和认识新的气候、环境与水文变化规律，规避风险，谋求新的发展与机遇，这是造福于淮河流域广大地区人民的大事。

依托以寿县国家观象台为中心的多尺度观测网以及多种中外先进探测设备，进一步开展第2次淮河流域能量与水循环试验（HUBEX-2），旨在通过试验，对淮河流域能量与水分循环的改变，以及相应气象与水文灾害风险的变化进行更深入、更全面的研究和探索，掌握和认识新的气候、环境与水文变化规律，规避风险，保障淮河流域农业、生态与社会经济的健康发展。针对研究中出现的瓶颈问题，面向旱涝灾害防灾、减灾和可持续发展的现实需求，进一步开展：（1）通过解决多平台、多手段协同观测的难题，并依托寿县国家气候观象台，实现天、地、空一体化观测和多参数的融合反演，对包括水文信息、陆面过程、大气动/热力过程、云降水微物理过程、大气化学过程等在内的若干过程进行同步、立体化的观测。（2）通过对历史观测数据和综合试验数据的分析，揭示淮河流域能量和水循环的规律，了解陆面过程、天气系统动力/热力和微物理过程，以及多尺度系统的演变和相互作用，加强综合分析和研究；研究淮河流域能量和水循环与梅雨锋、副高、江淮气旋等天气系统的相互作用。（3）利用卫星和全球气象观测资料，研究全球气候变化、人为强迫（温室气体排放、土地利用变化造成的辐射强迫）和下垫面人类活动（城镇化、大气污染、生态修复等）对淮河流域能量与水循环，以及旱涝灾害的影响及其机制。（4）借助变尺度预报模式，通过改进云微物理、陆-气相互作用的参数化方案，建立研制适合淮河流域且充分考虑人类活动强迫和下垫面人类活动的预报平台，并与水文模式进行耦合，提高旱涝灾害的模拟与预报能力。（5）评估能量与水循环异常及其引发旱涝灾害对农业生产的影响，将数值预报、致灾过程模拟和作物模型相结合，评估未来农业生产的风险，并研发相应的灾害防御技术，有力保障淮河流域粮食的稳产、高产。