聂高众 高建国
马宗晋
（国家科委国家计委国家经贸委自然灾害综合研究组，北京100029）
摘要
由于自然灾害的发生不是地球某单一圈层内部的孤立行为，而是地球系统各圈层（地、水、气、生、冰）的相互作用加上某些天文因素触发的结果，所以灾害预测是一项跨学科的综合手段的研究。本文从能量的聚集、传递、释放等角度探讨了灾害发生的动力学机制及各圈层在其中所起的控制作用，并介绍了我们开展灾害综合预测研究的思路和模型框架。
关键词：自然灾害 综合预报 前兆 预报模式
一、自然灾害的中长期综合预报是减灾的重要环节
（一）灾害的严酷性与综合预报的迫切性
自然灾害的发生给人类社会带来了严重的影响和损失，制约了社会的持续、稳定发展，减轻自然灾害已成为当今社会的一个主要任务。因此，对减轻自然灾害首要的前沿性问题－综合预报成为科学界一大学术问题。
我国大陆地跨热带、亚热带、温带和寒带，西踞高原，东濒大洋，天气气候复杂，加之大陆区地势起伏多变以及地下放热放气、生物繁衍、人类活动等的影响，决定了我国是世界上灾害发生最频繁、灾害损失最大的少数国家之一[1]。我国灾害的特点是种类多、频度大、强度高、损失重、影响面广。根据不完全统计，近40多年来所发生的灾害平均每年造成近2万人死亡，直接经济损失高达国家财政收入的1/4－1/6，如此规模巨大的灾害及其由此而造成的社会后果，已经成为阻碍社会前进的巨大障碍。
（二）中长期综合预报的水平
为了减轻自然灾害的损失，我国先后成立了水利、气象、地质、海洋、地震、农业、林业等分类的减灾管理部门，并建立了各自的自然灾害的监测、预报系统，已经为国民经济和人民的生产生活提供了可靠的保障。但是，我国灾害预报总的水平还不够高，特别未来半年和一年以上时段的自然灾害中长期预报方面突破性研究不多。
（三）中长期综合预报的技术
为了增强减灾工作的预见性，切实提高减灾效益，需要加强灾害预测预报技术的研究。由于自然灾害的形成是多因子的，所以灾害预测是一项跨学科的综合手段的研究，必须多部门、多学科的相互合作。在这方面，前人已经有过许多探索，如对旱震关系的研究[2-3]、对雨旱震关系的研究[4]、对大气运动和地震关系的研究[5]、对天文因素和自然灾害关系的研究[6-8]等等，但是过去的研究大都限于对不同灾种之间相互关系及天文因素对地球自然灾害影响的研究方面，较少对自然灾害的共同发生机理及孕育机制进行综合分析。因此在自然灾害的预报方面，主要是用单因子或多因子方法去对某一单类灾害进行预测研究，而对利用单一因子或多因子对多种自然灾害同时进行预测的研究工作开展得较少。目前，在利用单因子预测自然灾害方面有了一些进展，如汤懋苍对地温同自然灾害关系的研究[9]，曾小苹对地磁同自然灾害关系的研究[10]等，但是在致灾机理的研究方面尚有一些欠缺。
（四）能量的聚集与释放是中长期综合预报的关键
鉴于此，本文拟以天－气－地－海的相互作用为出发点，将灾害的发生作为地球总体运动的一个事件链，从能量的聚集、传递、释放等角度探讨灾害发生的动力学机制及各圈层在其中所起的控制作用，在灾害的综合预测研究方面开展的一次有益的探索。这无论是从科学理论上，还是在应用技术上都具有世界先进水平，可以弥补灾害研究领域的一些空白，其意义是深远的，也是符合我国现阶段经济发展的现状的，其减灾效益将会是非常显著的。
二、中长期预报的几个重要问题
（一）国际上中长期综合预报的现状
自然灾害的长期预测是一项世界性的难题，从世界各国的情况来看，目前均处于探索、尝试阶段。发达国家由于经济的起飞较早，因此很早就已认识到灾害对现代经济发展的重大破坏和抑制作用，在灾害的综合研究方面起步较早。
如日本早在1960年就成立了自然灾害综合研究班，1981年又成立自然灾害科学会，开展对自然灾害的监测和预报工作，特别是对地震的预报工作。
美国在南加州地区建立了观测、研究、预报一体化的地震监测预报系统。
但总体来讲，对自然灾害的预测工作仍然是相当困难的，1995年1月17日日本板神地震就是一个明显的例子，在日本这样一个地震研究水平相当高的国家也未能对此次大震作出预报。
1979年第一次全球大气试验（FGGE）结果表明：要求准确率在80％以上时的可预报天数仅为4.1天，60％时为6.8天，40％时大于10天[11]，随着各种技术手段的进步，目前这些天数已大大增加，但也无法达到年度预报的水平。
就自然灾害预测的手段而言，目前世界各国主要是依靠现场的实时监测、卫星遥测、统计分析、灰色预测等手段来进行分析进而发布预报的，其中主要是依靠现场的实时监测（包括地震台站监测、卫星云图分析等）。但无论是上述那种方法，对于年度的灾害预报都存在着缺陷，由于自然灾害特别是重大灾害是一个非线性的变化过程[12]，往往是在一种确定性一般规律的基础上由于受到外部因素的影响而变为一种随机规律。
（二）从统计预报到机理性预报
因此，仅靠对过去资料的统计分析还是不够的，它只能了解自然灾害发生的一般规律，必须通过对各种外因的实时综合分析，才能对即将发生的灾害作出较为可信的预测，这就要求我们应对各种天文、地质、大气、海洋变异和自然灾害之间的关系有深入的了解。目前，国内外对地热、太阳黑子、月亮、地球自转、地球轨道等因子和自然灾害的发生之间的关系已有了相当的研究[13－16]。
我国灾害研究现有的总体水平虽落后于发达国家，但在过去的40年中，我国有关灾害的单类专业预报工作还是取得了长足的进步。特别是对短期及临近天气预报、台风、风暴潮等灾害性环境条件预报已经达到了较高的水平，一些中长期预报也有某些进展。但是，对一些重大灾害的预报能力目前还很不够，主要表现在对重大灾害的成因与成灾过程的预测能力不足，如：“75.8”河南大暴雨的成因、对浙江8807号台风的强度与登陆路径等等大灾的预报明显表现出不足之处。
（三）“瞎猫碰上了死耗子”－预报地震未到却来了暴雨
目前，对各类灾害预报仅能作出临近预报，尚不能作出季度和年度预报。同时，对同一灾害事件的前兆现象，不同部门却能作出完全不同的预报，比如：“75.8”河南大暴雨之前，地震部门曾作出过地震预报，而大暴雨发生后，地震征兆也消失了。这一方面说明我们对重大灾害的认识尚有不足之处，另一方面也说明不同的灾种可能有相同的灾前征兆。
这个问题的原因，是在于多年来，各减灾部门主要局限于对各自负责的单项灾害的研究与预测工作，尚缺少横向协作，对灾害的综合研究涉及较少，特别是更少开展不同灾种灾害的综合成因机理研究。越来越多的事实说明：自然灾害即具有同样灾种的群发性，也具有不同灾种的群发性的特点；灾害发生前，随着下垫面情况的不同，征兆的情况也会不同。
（四）中长期综合预报的思考
以下我们以一些典型灾害事件为例，分析一下综合灾害预报的必要性：
（1）河南1975年8月大暴雨：该次暴雨是由于7503号台风在福建登陆后深入内陆到达河南境内，停滞少动，形成连续5天的暴雨，造成历史上罕见的特大洪水，造成32 000人死亡，经济损失100亿元[17]。这次暴雨事先未能作出准确的中长期预报。地震部门在事先根据前兆认为可能会发生地震，但地震并未发生，却发生了特大暴雨。这给我们提出了一些问题：
1、为什么暴雨的前期征兆会和地震的前期征兆有相似之处？
2、为什么这次暴雨中心会停滞在河南境内，保持数天不动？
3、这次登陆的台风是经过了相当曲折的移动路径达到河南省的，这种路径的变化受什么控制呢？
4、如何根据事先的征兆帮助我们作出中长期预报呢？
（2）1988年11月6日澜沧－耿马地震：1988年11月6日，云南澜沧－耿马一带发生7.6级地震，死亡736人，直接损失20.5亿元。地震部门未能作出准确的临震预报[18]。在该次地震前，震区持续干旱达2年之久，干旱的中心正好是后来的强震震中，震前10月份震区的大气气压聚减，从历史上看，云南地区的强烈地震都和持续干旱或降雨偏多这俩种极端的气候条件密切相关[19]。早在1985年，耿庆国就曾提出旱震的关系问题[2]，这次地震前，也有人根据旱震关系提出过预报意见[3]。那么，这给我们提出了新的疑问：
1、旱、涝、震之间的相互关系是同一灾变进程在不同时间、不同条件下的必然反映，还是偶然的相互伴生？
2、为什么持续的干旱会成为地震的前兆，它们之间有何内在的必然机制？
3、大气运动和地下的构造活动是否会受同一因素的控制？如果是，那么这一因素会是什么？
从以上2个实例中，我们可以看到暴雨、干旱、地震、台风的发生与运动都是相互有着某种关联的，因此开展灾害的综合研究是十分必要的。
（五）自然灾害发生不是孤立的行为
我们认为，自然灾害的发生不是地球某单一圈层内部的孤立??）的相互作用加上某些天文因素触发的结果[4、12、15]，各单项灾害之间也并不是孤立的，而是相互引发、相互影响的[2、13、16]。因此对灾害成因的研究必须进行地球物理、气象，海洋、天文等多学科的综合研究方能奏效。根据目前的研究来看，自然灾害发生前都有一些“特殊现象”或“异象”产生，这些异象有些只在临灾前才出现，如：地震前发生的地光现象，而有些可以在很长时间以前就出现：大震前电磁异常、小地震频发等现象可能维持很长的时间。在前人的灾害预报工作中，已经通过各种手段对许多的异象进行了研究，取得了一定的成功。但是，过去的研究多数是从异象的出现和灾害的发生之间的关系这个角度来进行的，较少考虑这些异象之间的相互关系，更少将这些异象的出现同地球系统的整体变化相联系。
我们认为，灾前发生的各种异象都是地球系统总体变化的一个组成部分，这些异象可能在不同地点、以不同形式同时出现或此起彼伏，但它们可能都是某一次灾变进程的反映，而这种灾变进程在不同的地点、不同的边界条件下可能会以不同的灾害形式表现出来。本文正是希望通过对一些重要“异象”的研究，把握它们之间的相互关系，从地球系统总体变动的角度来分析灾变进程的起因、过程和结果。
（六）从多角度分析灾害发生的动力因子
因此，我们将从天体因素、下垫面运动等多角度去发现可能和灾变进程有关的动力因子，进而分析它们对大气运动、海洋活动、地壳变动等所产生的异常影响，并判别过去前人所发现的“异象”是否是这些影响的具体表现，从而研究这些影响可能引发的灾害，从能量和能量传输、释放等方面去探讨灾害现象的本质，并将灾害现象的发生看作是地球整体变动的一个组成部分，只有这样才能比较深刻体会和掌握灾害的发生规律。
我们知道任何自然变异的发生都必须有新的能量的供给，各种自然灾害的发生从本质上讲就是能量的集中和释放过程，能量在其集中过程中会有许多的异象发生，如：地温升高、电磁异常、地应力异常等，而能量的释放时间很多情况下会受到地质构造、地形及天文因素的制约，如：天体在其运行至天文奇点时，容易发生地震[19]，事实上，本世纪以来我国所发生的7级以上的地震无一不和天文奇点有关[8]。地球上能量的最主要形式是热能、磁能、重力能。在地球系统的五大圈中，地圈热容量占总热容量的99．9％，水圈仅约占1／l000，大气与冰雪圈仅占百万分之一，生物圈比大气圈又约小二个量级[20]。因此，在各圈层相互作用中，地圈起着主导性的作用，它的微小变化足以使得其它圈层产生巨大反响。地下的运动可以产生地震是我们早已知道的事实，但地圈的热能量变化可以制约气象灾害的发生却是近来才被人们所认识[9、15、21]。汤懋苍通过对地下“暖涡”的确认和跟踪成功地预报了近几年来的洪水灾害和干旱灾害的发生及其发生位置，这说明地下能量对大气运动确实具有巨大的影响。
虽然，已有越来越多的人认识到各种灾害的发生具有相当复杂的综合成因，但对其成因机理却缺少深刻的认识，因此通过对灾害综合成因机理的研究来寻求灾害的综合预报途径是当前灾害学研究的一个重大课题。
根据过去前人的研究成果，灾害的发生同许多因素有关。本文将从灾害产生的动力机制为出发点，同时考虑到同各部门单项研究之间的协调，将重点以两部分研究为主：1、下垫面热异常同旱、雨、震、风灾害之间的关系及天文奇点的引发作用；2、下垫面电磁异常同旱、雨、震、风之间的关系及天文奇点的引发作用。
关于地热、地磁异常同气象灾害之间的关系，本课题的许多参加者都曾进行过相应的研究[10、15、22], 国外在这方面也有许多的进展[23-25]。汤懋苍通过对地下地热异常的监测发现了在我国每年都有相当区域的地热异常区，他将其称为“地热涡”，每个地热涡的平均持续时间约为1.5年，地热涡在其鼎盛期时约有400－600公里大小。而且每年夏季的降水大都集中在这些涡区，通过对12月－2月地热涡状态的分析就可以预报5－9月的降水情况，同时较为强烈的地震也大都发生在地热涡所在的区域内。通过研究，发现这些地热涡的中心位置有逐年东移的现象（每年约400公里），将其移动轨迹连起来可以发现，这些轨迹可以分为南、中、北三个带，这些带的位置恰好同中国的三大纬向构造带相一致，这些充分说明气象灾害同下垫面构造之间有着某种联系。
曾小苹等[10]发现1990年11月－1991年1月，中国江淮地区出现了大尺度短暂地磁异常现象，同该地区1991年春、夏发生的几十年或百年不遇的特大洪水对应相当好。1992年、1993年，地磁异常现象与灾害性天气的对应关系，在中国许多地区又得到了进一步的印证。例如，1992年长江中下游及其以南的严重洪涝灾害，川西的特大洪水、川冬的特大干旱、东北部分地区的冻害；1993年河西走廊及其邻区的沙尘暴，鲁南，苏北、长江口、湘北、黔东、广东、浙江的特大干旱和福建的高温、长江中下游的凉夏等等，这些气象灾害之前，相应地区的地球磁场都出现了明显的地磁大面积短暂异常现象。这种地磁异常由正常的空间线性分布转变为非线性分布的形式，又以非线性异常分布突然消失的形式结束。异常的空间尺度为几百至一二千公里，异常持续时间为１－４个月，异常结束后３－８个月发生灾害性天气。上述现象的表现形式较复杂，特别同其他地质、地球物理、大气异常之间的关系，虽有过一些研究[21]，但尚未能从地球整体运动的角度进行过探讨。
（七）天文因素在自然灾害中长期综合预报的作用
有关天文因素同自然灾害发生的关系，在过去的研究已经非常广泛[6-7、13、19、26-29]，但天文因素在何种下垫面条件下才能引发灾害？天文因素同其他的下垫面异常、大气异常、海洋异常之间是否具有因果关系，还是互不相干？对这些问题的论证还很不够充分。比如：1991年江南大水的直接原因比较公认的是由于大气环流异常而造成的[30]，但是大气环流为何异常，除了El－Nino现象的影响外[31]，天文因素[29]、火山活动等的影响如何，在众多的因素中，哪种因素是初始的启动因子？在大气环流异常的情况下，为何降雨集中在长江流域？除了与副高的位置、南下冷气团有关外，同下垫面的放热现象有何关系？副高的位置又受什么因素的控制？这些问题至今尚未有系统的解释，还没有把众多的影响因素放在地球总体系统的框架下来考虑。
在过去各部委所开展的灾害预报研究中，主要局限与本部门所负责的灾种，还没有从地球各圈层之间的耦合关系的角度来综合探讨各种灾害的共同发生机理。例如：对地震灾害的研究，主要通过对地质构造活动性的研究和监测来进行，对它的预测工作也主要通过对活动断裂的持续监测，对地下放气现象的卫星监测，对地下水的观测等等手段来进行；对气象灾害的研究也是如此，过去气象部门一般都通过对大气本身的运动规律的研究来预报洪水和干旱灾害，而关于下垫面的热、磁状态对大气运动的制约作用问题则较少涉及。
（八）中长期综合预报的两两关系研究和新的问题
在各圈层相互作用方面，对天－地、天－气、地－气两两之间的关系研究较为深入[2、5、7、9、16、19、21、23、32-33]，而从天－气－地三者相互耦合的角度对灾害的涉及不多[13]，实际上，地球上灾害事件的发生是地球系统本身运动的一种必然，任何一个灾害的发生都是在一定的天文－大气－下垫面条件控制下，地球能量集聚与释放的结果，所以要研究灾害事件的发生机理，就必须从全球各圈层相互作用的角度来进行综合研究。
通过过去的工作，虽然我们已经知道旱、涝、震灾害的出现都伴随着下垫面的某些热、磁异常，并大都发生在特定的天文条件之下。但我们认为在尚存在以下几方面需要解决的问题：
1、地下热、地球磁异常同旱、涝、震、风灾害之间的内在关系是什么？热、磁异常的产生是灾变进程的反映？还是独立于灾变进程之外，对灾变体实施某种作用的？
2、地热的聚集与释放、地磁的异常同天文条件有某种关系？还是互不相关？
3、地下暖涡是地内放热的一种表现？还是太阳能的一种聚集？
4、暖涡为什么有东移的现象？
5、暖涡的三个东西向分布条带为什么同我国的三大纬向地质构造带有相似之处？其内在原因是什么？
5、按照有关地－气关系的研究[21] 1) ，暖涡的南、中、北带分布决定了我国的华南、长江中下游、华北的三个降雨带。而从气象的观点来解释，这三个降雨带的形成是由于西太平洋副热带高压的位置所决定的，那么从地球系统整体运动的角度如何解释两者的联系？
6、台风往往产生于高海温的海域，并沿着高海温带移动。那么，在进入陆地后，台风是否会仍旧沿着高地温带移动呢？
7、磁异常的出现往往比灾害的出现提前几个月的时间[10]，那么为什么几个月前的地磁异常区域会和几个月后的灾害区域如此吻合呢？这种磁异常现象是否是成灾过程中的某一中间环节能量集聚或释放的表现呢？
8、地热异常、磁异常同地震的关系目前尚不明确，但5级以上的地震大都发生在地热异常区1)，同时，暴雨也主要发生在地热异常区。那么什么样下垫面条件会有地震/span>
9、目前，我国的降雨水汽均是通过东南季风和西南季风的搬运由海洋进入陆地的，那么云团在进入内陆后，其运动路径是否会受到地下热、磁异常的控制？
10、地下暖涡及地磁异常现象仅能预报可能有灾害事件发生，而不能确定一定会发生，更不能预知灾害的大小，如何可以通过磁、热异常来预报特大灾害呢？
11、在一般情况下，暖涡及磁异常或许能确定未来灾害的发生区域，但无法较为准确地预知灾害发生的时间。前人通过对天文因素特别是太阳、月亮的活动同灾害行为的关系，认为多数灾害的发生同天文奇点有关，那么这种天文奇点是否是灾害的引发因素呢？这种引发因素和下垫面热、磁异常如何配合才能使灾害事件暴发呢？
（九）自然灾害的动力机制
以上这些问题的研究将会有助于对灾害机制的理解，从地球整体运动的观点来看，自然灾害的动力机制应当具有下列特征：
1、灾害发生的过程实质是能量的集聚、迁移、释放过程。
2、同一灾变进程作用于不同性质、不同结构的下垫面体，可能会产生不同的自然变异类型。从这一意义上讲，暴雨、台风、地震的发生在其内在启动机制上有着有机联系的。
3、灾害能量的聚集－迁移－释放过程是地球整体变动的一部分，它受到天、地、气、海等能量源的影响和控制。
4、灾变的一个重要进程是以下垫面(地内、海洋)的能量聚集为起点，进而影响或改变：(a)大气的运动;(b)地壳运动，在外界因素(如：太阳和月亮的引力等等)的作用下，最终以洪涝或台风或地震等灾变形式表现出来。能量的聚集过程可能长达数月－数年，而能量的释放过程一般只有数分钟(地震)－数天(台风、火山喷发)-数月(洪涝、干旱)。
5、下垫面能量的正异常不仅是孕育灾变的动力源，而且很可能是控制大气运动路径的因素之一。
在灾害综合预报中，关键的技术问题是对灾害过程物理模型的研制。在我们的工作中，对模型的设计主要考虑如下几点：a、研究下垫面能量聚集的外在表现形式，及其对大气运动、海洋变化与地壳活动的影响；b、研究能量迁移与释放的内在和外部条件；c、能量聚集区的下垫面类型，及其对能量释放方式的制约作用。
对以上致灾机制的研究可以增强我们对灾害事件的预测能力，并使我们在灾害的理论研究方面有所突破。在过去的五年中，我们已经收集了大量的研究数据，这些数据包含地震、洪水、干旱、台风、地质、农业、森林灾害等各方面近45年来的详细资料和部分灾害近2000年以来的资料，为中长期综合研究打下了坚实的基础。这项研究同各有关部门已有的灾害研究不仅没有任何冲突，而且可以弥补各单项减灾部门在灾害研究中的不足，为灾害的综合研究开辟一条新的研究途径。
要想解决灾害的综合预报问题，特别是解决天－气－地耦合关系同灾害的关系问题，必须由地质、气象、地震、天文等不同部门的学者共同组织来开展这方面的工作，对过去天气系统的变化、构造活动、海平面变化、海洋洋流活动、火山活动、地球的气热状态、地球的电磁状态、重大灾害等等进行综合资料判断，然后找出它们之间的时空对应关系，确定它们之间的时间相位关系，进而才可能开展耦合联系的研究，也才能对灾害发生的机理作出准确的判断。
深入研究天、气、地三者之间的偶合联系是解决自然灾害发生的动力学机制问题的关键，我国是一个灾害频繁的国家，过去对灾害的研究也较为深入，有着很好的工作基础，因此是研究这一问题的合适场所，也是我们的优势所在。