水文气象专业设置

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摘 要:应对洪涝、干旱、台风、山洪、泥石流等种种极端水文气象事件,单靠水文学科或气象学科已无法培养出适用的人才.因此,必须加强水文、气象学科之间的交叉和整合.气候变化带来的极端气候事件增加给水文气象学发展带来了机遇和挑战,开展水文气象应用研究具有重要意义.本文从开设水文气象专业的必要性、社会需求分析、研究方向以及南京信息工程大学所具备的独特资源优势四个方面进行初步的探讨.

关 键 词:水文气象专业;极端水文气象事件;社会需求分析

中国分类号:G624.0?摇文献标志码:A文章编号:1674-9324(2013)37-0134-03

为解决洪涝、干旱、台风、山洪、泥石流等种种极端水文气象事件,必须加强水文、气象学科之间的交叉和整合,水文气象专业因此应运而生.目前国际上只有俄罗斯、瑞典、英国、乌克兰四个国家拥有水文气象研究机构.南京信息工程大学积极开拓,勇于进取,敢于争先,于2011年9月率先成立大气科学(水文气象)本科专业并开始招生,成为中国首家培养大气科学(水文气象)专业本科生的高校.现大气科学(水文气象)专业在校本科生80人、硕士研究生10人,博士研究生2人.水文气象专业是大气科学(水文气象)专业进化的必然趋势,本文初步分析了开设水文气象专业的必要性、社会需求分析、研究方向、南京信息工程大学独特的资源优势四个方面的内容,有不当之处,请予指正.

一、水文气象专业设置的必要性

我国地处东亚季风区,特殊的地理气候条件导致水旱灾害非常严重,已成为国家经济发展的重要制约因素.洪涝、干旱、台风、山洪、泥石流等灾害多发,1949年以来已发生较大洪水50多次,发生较大范围的严重干旱17次[1].灾害分布范围广,三分之二的国土面积可能发生各种类型、不同程度的洪水,大部分地区面临不同程度的干旱威胁,且洪涝、干旱造成的损失惨重.中国正处于经济快速发展阶段,经济的发展、财富的积累和人口的增加都需要更高的防洪抗旱安全保障,然而全球气候变化和人类活动影响的加剧将导致水旱灾害频率和程度增加,防洪抗旱和减灾形势更趋严峻.为有效地减轻洪涝旱灾损失,就必须在加强防洪工程建设的同时,不断完善非工程措施,对天气和气候极端事件做到早预测、早警报、早反应,进一步提高预测警报的时效性和准确率,以便有关部门及早制订相应的对策和措施,有效地规避或减轻水旱灾害.全球气候变化导致气温增高、海平面上升、极端天气和气候事件频发,不仅影响自然生态系统和人类生存环境,而且也制约经济发展和社会进步.中国实现经济社会可持续发展,需要应对气候变化及其对水资源的影响,其形势严峻,任务艰巨.研究制定适应和减缓气候变化对水资源影响的战略措施,特别要研究针对极端气象事件的有效适应措施,提高应对复杂条件下自然灾害的能力,在应对气候变化中实现水资源的可持续利用[2,3].

为解决上述种种水文气象事件,必须加强水文、气象学科之间的交叉和整合.气候变化带来的极端气候事件增加给水文气象发展带来了机遇和挑战,开展水文气象及其应用研究具有重要意义,因此水文气象专业的设置是当务之急.

二、水文气象专业社会需求情况分析

2008年7月17—19日的KALMAEGI(台湾地区译为“卡玫基”,大陆译为“海鸥”)台风,在台湾东部宜兰登录,18日在屏东、嘉义、南投、台南及高雄地区的实际降雨量皆超过1000mm.2009年8月8—10日莫拉克(Morakot)台风袭击我国台湾岛和大陆,2天雨量达到2327mm(台湾,屏东尾寮山),3天的雨量达到2777mm(台湾,嘉义阿里山),创造了中国暴雨的新记录[4].这彻底改变了现有的对PMP估算的认识,这样罕见的特大暴雨是很难用常规的天气模式来模拟和解释的.诸如此类的极端强降雨事件给中国的水文气象研究人员带来极大的挑战:这样罕见的接近世界记录的大暴雨有没有可能再现?它出现的天气形势和气候背景是什么?如果莫拉克台风移动的速度再快一点,它有没有可能在福建的北部或是浙江的南部降下如此异常的暴雨?PMP估算时怎样来考虑有横向水汽入流时的情形?又如何来定量地考虑“源源不断”的水汽供应?当类似莫拉克台风袭击我国东南沿海大陆时,是否可能造成类似2005年8月底美国卡特里拉飓风(HurricaneKatrina)登陆美国新奥尔良时形成的特大洪涝灾害,对沿海城市造成巨大的破坏?我国沿海地区的防洪规划如何来应对这种新的挑战?这些问题都是水文气象工作者需要研究的问题,是水文气象研究的机遇也是挑战.结合中国地理水文气象的特殊性,研究PMP估算新方法,特别是资料稀少或短缺地区,是当前急需的事情.单靠水文学科或气象学科已无法培养出适用的人才,必须加强水文、气象学科之间的交叉和整合,因此对水文气象的人才需求尤为强劲迫切.

我国水能资源丰富,水电开发潜力、发展空间巨大.进入21世纪,面对环境保护和节能减排的新形势、新任务,水电作为清洁能源的发展优势更加突显.目前我国水电装机约2亿千瓦,西南水电开发比例只达到30%多,而发达国家已达70%~80%,北欧有的国家甚至达到90%左右,大型水电工程和核电站建设的防洪设计需要大量的既懂水文又懂气象的、能从事“可能最大降水(PMP)估算”的人才.此外,全国80%的大坝防洪设计标准需要重新计算.在中国和美国,大型水利工程和核电站工程的防洪设计标准、设计规范都规定了必须进行可能最大降水—可能最大洪水估算.同时也需要推求稀遇频率的洪水,这都是防洪设计标准研究的范畴,最新的研究方法都是通过水文气象途径来实现的.可是,实际工作中往往很难找到既懂水文又懂气象的合格人才,这是工程设计和管理部门最感头痛、也最需要的地方.

江河的防汛工作,过去使用水文预报和利用分蓄洪区,基本上可以防御较大洪水.在防洪形势严重时,也可以采取临时扒口和有计划的分洪来避免大提溃决的灾难局面的发生.可是现在由于分蓄洪区的人口越来越密集,工农业生产越来越发展,使用分蓄洪区的难度越来越大,扒口分洪的办法更难实施,因此就要更加重视暴雨洪水的预报工作.暴雨洪水的监测、预报和警报系统,特别是山洪预警预报系统,将是近几年来我们国家水文与气象最有前途的结合点之一,这也需要大量既懂水文又懂气象的人才.近年来,每当夏季暴雨来袭,大城市屡成泽国,内涝问题成为近期困扰中国城市的燃眉之急.防涝成了每年夏季城市应急的“必修课”.如何治水,已经成为中国城市安全的新命题.城市内涝的防治和城乡防洪规划也需要水文气象人才[5].

水文气象专业毕业后能够在全国水利部门各勘测设计(规划)院、核电建设部门、城建部门、环保部门、水利(文)局、各大流域机构、气象、海洋、民航、工程施工单位、中外合资公司、教育部门、部队等部门从事理论与应用研究、科技开发等工作,也可继续攻读该学科或相关专业研究生.据招生反馈信息,2010和2011年,各大水利水电勘测设计院招收的水文新人中懂气象的毕业生都得到优先录用.

三、水文气象专业主要研究方向

1.水循环要素监测.水循环要素监测主要是指在时间和空间上监测降水和蒸发等水循环要素的特征及其变化.降水监测包括降雨量、降雨强度(在降雪地区监测雪的覆盖面积和雪深)的监测.测定降雨量和降雨强度的方法,有直接测定(降雨用雨量器、雪深用量雪尺测量)和间接测定(雷达监测资料、卫星云图估算)两种.蒸发量监测是对某一地区水体表面蒸发量的观测,一般用蒸发器测定.由于蒸发器与实际水体的物理条件不同,蒸发器测的蒸发量均大于自然水面蒸发量,且随着器皿的形式、安装方式和不同季节而异.因此,必须通过实验求出蒸发器的折算系数,以此估算实际蒸发量.

2.精细降水预报.就降水预报而言,尽管水文气象学与气象学从观测本身上看没有什么不同,但要求不同.水文气象要求降雨预报的精细化,即降雨的落区、降雨的时程变化以及面上平均降雨.水文气象学的降雨(或融雪)预报是针对河道防汛、水库防洪、兴利调度以及工程施工的实际需要而进行的专业化预报.降雨(融雪)、洪水、洪灾三者既有内在联系又有本质差别.水文气象预报力图将大气环流等气象条件与水文特征紧密联系起来,把降雨的天气模型与洪水模型结合起来(在积雪地区则要考虑融雪率及其径流问题).一般在进行降雨预报的同时,还根据河流流域地貌、流域水分状况、水利工程质量和标准以及降雨和径流的关系等因素,针对防洪要求做出未来暴雨、洪水可能发生地区的预报;鉴别和判断流域发生非常洪水的可能性;洪水发生后,预测洪水发展趋势以及库区来水预报等.为了提高暴雨落区、落点、落时预报的精度,当前已发展了一种以气象卫星、气象雷达、常规气象观测资料相结合的暴雨监视和短时预报(见天气预报),预报时效为几小时到十几小时,预报精度较高.它有可能将降雨预报和洪水预报完全结合起来,从而延长洪水预报时效并提高洪水预报精度[6].

3.可能最大降水.PMP是指特定流域范围、一年内一定历时可能的理论最大降水量.这种降水量对于大型水利枢纽的设计运用是十分重要的.一般这些工程要采用可能最大洪水(PMF)作为保坝标准.推求可能最大洪水的方法之一,是先确定可能最大降水.确定可能最大降水的方法很多,概括起来有两种:一种是暴雨(或融雪)频率分析,也就是把年极值降雨当作随机事件来处理,即根据实测的和调查的暴雨(或融雪)资料,推算出极为稀遇频率的降水量,一般称为统计学方法.另一种是成因分析方法,即根据形成暴雨的基本因素──水汽和动力条件,拟订合理的模式,使这些影响因素的指标极大化,取其在气象上所能接受的物理上限值,然后将这些指标组合在一起,构成更严重的、但在气象上和水文上可接受的时序,推估可能出现的最大暴雨量.此外,还有暴雨移置法等[7].

4.防洪设计标准.水文气象分区线性矩法是目前世界上最先进的通过水文气象途径对水文气象极端事件进行分区频率计算的方法.美国NOAA于上世纪90年代中期首先采用这种途径对降雨极值进行频率分析,确定防洪设计标准,并定位国家标准.

5.水文气象集合预报和流量概率预报.这是一种考虑了降雨不确定性的水文—气象耦合的动态数值预报系统,它综合应用了水文学和气象学的理论通过改变不同的初始条件去模拟各种可能的未来天气情势,以概率的形式考虑了预报的不确定性,以提高降雨预报的精度和预见期.另外,考虑了某地某时

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段的历史降雨的统计特性,结合当时的天气形势,推测当地未来一段时间可能的降雨情势,再结合水文学原理,做出河流流量预报及其变化范围,这就是河流流量的概率预报.以上这些都是水文气象学研究的新领域[8].


四、南京信息工程大学独特的资源优势

经过长期的积累与发展,南京信息工程大学(原南京气象学院)形成了以大气科学为核心的学科体系,具有独特的学科优势和资源体系.南京信息工程大学具有“气象人才”摇篮的美誉,在大气科学方向具有雄厚的实力,气象学学科1981年建立硕士授予点,1988年被评为中国气象局重点学科,1993年获博士学位授予权,1998年设博士后科研流动站,2002年被评为国家级重点学科.长期以来,学校为我国乃至世界各国输送了大批的气象技术专业人才,很多毕业生成为各级气象部门的业务和科研骨干.

为充实大气科学的学科体系,适应经济社会发展需要,发挥学科交叉优势,本校于2009年10月17日成立了应用水文气象研究院,特聘原美国NOAA水文气象设计研究中心首席统计水文学家林炳章教授回国主持研究院的工作,依托本校大气科学学科的学术优势,开拓了南京信息工程大学在水文气象研究领域的深度和广度.成立两年来,应用水文气象研究院得到了迅速的发展.目前世界上只有4个水文气象研究中心,分布在俄罗斯、瑞典、英国、乌克兰.南京信息工程大学应用水文气象研究院(AHMRI)是国内第一家以水文气象学为主攻方向的专业研究和教育机构.

面对当今世界一流大学群雄奋起的局势,我校积极开拓,勇于进取,敢于争先,树立了“建一流特色重点大学”的发展目标.在这一发展目标的指引下,我校水文气象方向,依托大气科学专业雄厚的科技资源和学术优势,在现有学科特色和优势的基础上,努力推进水文气象交叉学科的发展,通过构建合理的课程体系,努力培养从事水文气象事业的应用人才.我校大气科学学院师资力量雄厚,现有教职工137人,其中专任教师92名,专职实践教学人员25名,专任教师中具有正高级职称的23人、副高24人,博士生导师18人,硕士生导师28名,有博士学位的64人,40岁以下教师博士化程度达100%.学院另有海内外教授60余人.教师中享受“国务院政府特殊津贴”4人、“国家有突出贡献中青年专家”2人、入选“国家百千万人才工程”5人、江苏省“333跨世纪学术、技术带头人培养工程”6人、江苏省“青蓝工程”11人、“江苏省教学名师”1人.应用水文气象研究院(AHMRI)现有专任教师15人,其中教授2人,副教授2人,博士后2人,博士9人,是一支研究力量雄厚、学科结构合理、年轻有后劲、教学科研能力强的优秀队伍.目前,水文气象专业方向的师资、管理队伍建设已具初步框架.在未来3年内,预计引进优秀博士8~10人,届时研究院专任教师规模增至25人左右.同时,大气科学学院在大气相关学科方面师资雄厚,可以提供相关学科教学必要的支援.这些均为水文气象专业设置奠定了良好的基础办学条件.

另外,大气科学学院设有教学科研型气象台和气象灾害省部共建教育部重点实验室,这为水文气象专业实践教学环节提供了良好的平台.应用水文气象研究院出面组建了一支“水文气象防洪减灾海外学术团队”,承接了两项水利部公益性行业专项项目和香港地区“可能最大降水估算前期可行性论证”研究项目,主导并联合河海大学、南京水利科学研究院、同济大学、长江水利委员会水文局等单位,共同申报了国家“十二五”科技支撑项目.在水文气象领域已有一定的研究基础,取得了良好的科研成果.南京信息工程大学在国内率先成立水文气象(方向)本科专业,成为中国首家培养水文气象专业本科生的高校.

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