蔡尔诚 （fang_caiercheng@163.com）　2008.10.06 19:00:00

旱涝灾害预测能稍准一些吗？

──在失敗与错误中的思索

蔡 尔 诚

(黑龙江八一农垦大学，大庆市)

提 要；本文从哲学角度思考了旱涝灾害预测向题：①宇宙间，一切事物的运动变化不是由一(几) 个影响因子(分力) 所决定，而是由全部影响因子作用力的总和(合力) 决定。②用分析方法从单个分力入手求合力，很难求得真实的合力，只能求出有限因子(分力) 的偏相关关系。③从总体观察入手，有可能从某类自然现象中发现合力的表征物，即无限多影响因子(分力) 构成的全相关关系的定性表达。④决定中国夏季旱涝分布的合力的表征物很可能是冬季副热带西风急流。

对未来3-5个月内旱涝灾害的预测，是世界科技界一个尚未找到有效方法的科学难题。其难度不亚于对癌症的治疗。虽然在晚期癌症面前，人类只能束手待薨，但早期癌症的诒愈率，多教癌种可达60%以上，而对中国夏季主要多雨带位置的预测，11年(1997-2007) 中只1998年的长江流域较为成功，同时，却把东北区百年一遇的松嫩辽流域多雨带错报为少雨区，因此对全国言，预测处于可信又不可信水平，这绝对不是人类减灾的追求。中科院大气所气候灾害预测研究中心在2008年6-8月旱涝预测的文件中举出一极富代表性的事例：对2008年夏长江流域的降水，欧州ECMWF和日本FRONTIER预测偏少，但英国HADLEY中心却报偏多，用本所研制的5个气候预测模式(2个动力数值模式、2个统计模式、1个季风模式) 预测，结论都不一致，主多雨带位置有5种分析：①在江南西部②在黄淮③从黄准至西南④江南全部⑤在西北区东部。这表明：没有一种模式具有对全局基本趋势稳定可靠的预测功能。不消说3-5个月的长期预报，甚至连10天以内的中期预测也常出错。今年8月11日北京暴雨刚结束，有关部门为北京奥运日程安排制作了旬预报(公开播出) ：15-16日有小雨，19-20日中到大雨。结果，15日未到，13-14日北京又下了大(暴)雨，影响了部份既定的赛程。

笔者从事天气与气候预测已49年，说句实话，近50年是在不断追求又不断碰壁的痛苦折磨中渡过的。在现有的科技条件下，能否使旱涝预测稍准一点？笔者愿将从哲学角度思索的某些结果写出来，与关心减灾事业的朋友交流、讨论。

1． 构建事物的模型(式) 是人类认识宇宙的一把双刃剑

宇宙间，除去人工制成品外，自然界生成的事物中没有百分之百绝对相同的两个（件），甚至孪生兄弟。笔者查阅了《中国近500年旱涝分布图集》，但找不到在降水量、降水区域、最大中心位置、等方面完全一样的两个年份。因此，要从具有无限多差异的事物（件）群中理出头绪来，只能‘求大同去小异’，把真实的个性化的事物抽象为模式化的事物，即构建各类事物的‘模型’。模型中保留的是从所研究的对象（事件群）中提取出的基本属性相似的大概率事件，忽略了的是远偏离大概率事件平均态的小概率事件。所以，当我们用抽象化了的事物模型（式）‘回套’（摸拟、预测）自然界中的一个个具体事物时，必然产生两类误差；①小概率的偏于平均态的极端（灾害）事件，几乎预测不出来。②模型中的大概率事件可以‘套上’，但由于大概率事件的特征是以‘平均态’来表现，因而，用平均态去套每一事件时，不是大脚‘套’小鞋就是大鞋‘套‘小脚，形成局部失误。认识宇亩离不开构造模型，模式化了的概念又约束了对极端小概率事件的认识，这是人类认识宇宙的一把双刃刽’。

国家气象局研究我国复季多雨带分布特征时，从历史资科中抽象出三类大概率事件：①两条主多雨带，黄准以北一条，华南一条。②一条主多雨带，在长江黄河之间。③一条大面积多雨带，在长江以南大范围地区。这个模型把极端旱（全国无明显多雨带，如1972年）和极涝（全国无明显旱区，如1954年）等小概率事件排除在外。笔者粗略算了下，用此雨带模型‘回套’中国近500年年的夏季旱涝分布，能粗略套上的仅占61.4%左右。因此，气象部门很难报出大旱大涝年，是可以从构造模型向题上予以理解的。

2． 模型所含預测因子与預測對象的不對稱是只能預測平均

態附近大摡率事件的基本原因

天气气候事件的预测模型由两部汾组成：①预测因子（依据）②预测对象（结果）。在自然环境中，这两个部份都是无限多的。首先，每天变化着的天气、每年变化着的旱涝分布，如果把组成它们的全部参教都加以考虑，绝对找不到完全一样的‘日’与‘年，因而天气气候的差异是无限多的’。同时，造成天气气候变化的原因，由于宇宙事物处于普遍联系和相互影响中，原因的背后还有第二位、第三位、…第N位原因，从哲学角度看也是无限多的。

但在预测实践中，预测因子只能是有限几个（限于认识水准、技术手段、---），而自然变化着的天气气候仍然以无限多种面貌出现，两者的不对称，用有限依据预测（摸拟）无限多种夭气气候，很多错误与失败就无法避免了。

20世纪后期以来，国际大气科学界普遍对数值动力摸型寄予很大期望，这是有道理的。与其它各种预测模型比，动力模式抓住了天气气候变化的核心是大气环流运动，而动力方程正是描述地球大气层在重力、气压梯度力、摩擦力和科里奥利力共同作用下的大气运动规律，直接计算大气运动方程，不就解决了用一个因子（大气动力方程）测各种各类天气气候的难题了吗？

事实并非如此，数值动力模型仍然是‘不对称’模型。

大气运动方程组定量地描述了力与大气运动的关系，但它好像一部加工粮食的机器，不输入原粮，机器空转，什么也没有，输入玉米，绝对加工不出白面，原料是对粮食加工机的最终效果的制约条件。同理，对大气运动方程给予不同的制约条件（起始条件、边界条件），算出的结果是完全不同的天气气候。全部制约条件集中到一点，是大气动能能量的供应问题。

在当前科技水平下，科学家们认为海洋是大气的主要热源，因而用东太平洋赤道附近形成的厄尔尼诺（高温）和垃厄娜（低温）作为气候预测的主要依据，我国科学界认为还有青葳高原的积雪、西太平洋暖池等加热过程对中国气候变化都有影响。

对大气层加热的途径只有上述几个吗？不是。可以说，宇宙间一切物质（天、地、生物、人类活动---等层面）都在直接间接与大气层交换着能量，其热源是无限多的，近年不同学科的专家们又提出日蚀、地震（赵得秀），地断裂带输送核能（伍岳明），星球共旋梯度力（伍岳明），行星磁场对带电云的吸引（栾巨庆），月球轨道四大主周期对地球大气的反作用（陈国生），旱震关系与（王），三星一线效空（任振球），---等宇宙因子对地球大气的加热（供能）效应。如果把每一类或强或弱的效应视作影响大气运动的一个‘分力’，只有把人类已知和未知的全部分力考虑进大气运动方程中去，才可能用一个因子（推动大气运动的合力）算出各种天气气候变化。然而，在当前只选用有限几个分力而未求得‘自然合力’的科技水平下：动力数值气候模式仍是一个以有限因子预测无限气候类型的‘不对称’模型。

3．從東方文化思維中吸取營養改进模型内的不对称

怎样求得宇宙各因子（分力）——已知的和未知的，现代技术可测量的和无法测量的，在十分复杂的相互作用下形成的对大气运动的总推动力——合力？

笔者认为，古老的东方文化思维可能提供有益的线索和启示，因为东方思维方式本质上是从总体出发、从合力入手而忽略局部（单元）和分力的认识方法。而发展现代科学的西方文化思维则立足于对构成事物单元(分力)的研究，由单元而整体，由分力而合力。这在中医与西医、中世纪西洋画与中国画上表现最明显。

在绘画上，西方文化思维重视写真，而东方思维则侧重于写意。写真的基础在于对每一构成单元的严格描述。所以西洋画中的人和物几乎与真人（物）一模一样，宛如一幅照片。写意则忽略了各局部的真实性，只求人物山水的整体表达出画家的心态、感情，即某种‘意境’。因此中国画细看局部有似是而非之感，统观总体则可品味和舒情。

在科学技术上，以医学为例，西方思维从人体每一单元(器官)入手，器官愈分愈细，目前己进入分子生物学层次。但，如何把握和认识各器官在相生相克中构成的人的生命状态？则十分困难。因为器官自身、器官之间、器官与环境(气候、食物、运动、---)的相互影响作用(分力)可以有无限多(从哲学角度看，由于事物的普遍联系，原因背后又有原因，以致无穷) ，因而现代医学只能在有限因子(分力) 之 间求偏相关，今天我们获得的医学知识，无一不是与真实客观有一定误差的偏相关结论。所以，西医治病是按器官（构成人体的单元）分科诊治的。中医对人体的构成单元的认识是模糊的，它从‘望、闻、向、切’中捕获人体各器官与体外诸环境及七情六欲变化相互制约而形成的总体建康状态信息，断定病源，因而中医几乎是百科全医。说某人‘肾气’虚弱，这是一个总体概念，它并非单独指西医眼中的‘肾’，而是肾与全身器官相互作用下形成的一类身体不平衡状态，是人体内外诸因子（分力）的总作用（合力）的一类不平衡态（有病了）。

中西医科学思维的差别，可以用‘黑箱模型’给以形象的表达。

一支全封闭的箱子，其肉部构成为未知，怎样认识其变化？西方科学主张剖开箱子，逐一分折其中每一单元的性质，再组合为决定箱子变化的总性质。东方思维则对箱子原封不动，观察箱内诸单元相互作用下，在箱的外部呈现出的表现，作为研究箱的变化的依据。

显然，前者的优点是‘明事理’。当箱内结构十分筒明时，比较容易办到，当十分复杂且需要同时考虑箱内外多种因子的交互影响时，西方科学只能把许多因子略去（视作方程式中的常量）而求少数儿个因子（变量）的偏相关。这样形成的认识是不全面的。后者可以不费吹灰之力，把箱内无限多的单元或层次结构、内外无限多的相互影响因子一个不拉地包含进去，但向题是：同一种表面现象可以是不同成因的结果，箱外呈现的表象真能是无限多因子相互作用下‘合力’的表征吗？难怪，早在秦汉时代先民己总结出岁始‘决八风’，即依据正月初一凌晨风向预测当年旱涝的方法（参见《史记。天官书》），但终于经不起时间的检验，今天已无声息了。

笔者将在下文证明：隆冬（而不是正月初一一天）的风（不是任意风向，而是西风中的急流部汾）确实与中国夏季旱涝密切相关，这是东、西两种文化思维方式互为补足的结果。

4． 一个试验

（1）破解大气环流‘黑箱’的一种思路

地球大气层的环流运动，既是长期天气变化的‘制造者’，又是一个极为复杂的黑箱系统。说复杂，是由于支持大气运动的能量、对长期变化而言，主要来自大气层之外的全部宇宙因子，即天、地、生物、人类活动无时不在对大气进行能量交换中。从西方科学思维出发大气科学无法在短时期内（什么叫‘短’？我想至少是是佰年以上）疏理清每一个因子（分力）的作用，从而完整地解密黑箱。到目前，世界气象组织还只承认一个因子，即赤道东太平洋对大气层的加热过程（厄尔尼诺和拉尼娜）是气候变化的强信号，对中国言，我国科学家又增加了西太平洋暖池、青蒇高原积雪等加热因子。是否还有其它重要的因子？不少民间科学家提出了鲜为人知的新见解与新实践。如：日蚀降温与地震加热与旱涝（赵得秀），星球的共旋梯庭力矩改变大气环流（伍岳明），地球的电能再生机制的作用（伍岳明），月球轨道4个主周期对地球大气的影响（陈国生），行星磁场对带电云团的作用（奕巨庆），旱震关系（耿庆国），三星一线效应（任振球），----等等。在没有逐一弄清每一个加热大气的因子之前，长期天气预测科学只能处于少量儿个因子求偏相关的不完整认识状态中。

用东方思维着大气层的加热问题十分简单，全部加热因子（已知的，未知的）形成的能量总和已经用实测方法绘制出0-30Km上空全球大气动能分布图（图略，参见文献2）。剩下的关键向题是：能量场上的什么现象是推动大气环流的‘合力’的表征？

由图看出，在全球冬夏两季的动能场上，有三个最大动能带：①冬季在北纬30度左右上空12-15Km处，即副热带西风急流区。②冬季在北纬65度上空30Km以上，即极夜西风急流区③夏季在南纬60度上空27Km以上。这是全球最强的三条强风区，也是带动全球冬夏大气环流的核心力量，笔者认为它们就是制约全球冬夏气候变化的能量‘合力’的表征。

（2）证明之一

证明冬季副热带西风急流确是椎动东亚上空大气运动的合力，其金标准是：能预测出多种（全部）类型的东亚（中国）夏季气候。为此，笔者先证明它与主宰中国夏季气候的副热带高压位置的关系。将中央气象局1973年出版的《中国高空气候图集》中‘1月12000公尺高度平均风场图‘与‘7月200毫巴等压面平均高度图’叠绘于同一底图上，发现：表征全球大气冬季最大动能带之一的副热带西风急流轴与表征全球大气夏季最小动能带的副热带高压脊线在中国长江流域上空近于重合（图略，参见文献2）。它表明：①冬季的最大动能带（急流轴）与夏季最小动能带（副高脊线）在相同区域上空形成能量的时间（6个月）互补关系，这是推动中国地区冬夏气候变化的动力基础②夏季副高脊线位置与中国夏季主雨带位置关糸密切，而脊线位置又相应于6个月前西风急流轴位置，因此，可以在冬季预报出夏季中国主要多雨带。

（3） 证明之二

上面提出的西风急流轴和副高脊的重合，是两条曲线的位置对应关系，而降雨区则为‘面’，无法以‘线’去预测‘面’。为此将冬季副热带西风急流在0-30公里的垂直大气层中利用笔者现有的1961-1990平均16层探空资料，将中国冬季大气划分为16层（由低至高分别为900、850、800、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、20和10毫巴层），计算分析出各层的大值风区，由线转化为面（图略，参见文献3或4）。而后用此16层冬季大风分布模型‘回套’历史上1470-2006逐年夏季（或半年）的旱涝区（大值风区对应洪涝区）分布，结果为：535年旱涝分布大趋势被‘套中’，1778、1902两年锴误，成功率大于99%（537年对应图参见文献4）。‘套中’标准是：中国东经100度以东地区夏季（半年）大部份涝及偏涝区落入冬季大值西风区之内，旱及偏旱区排除于外，少数年份当涝区面积很小时，如1545、1600等年，则可以把降水正常区与旱区区别开来。全部试验结果见参考文献⑶。

这一试验，其最重要的意义是：用冬季西风急流一个因子就可以把中国夏季537年雨型的99%提前4个月找到其前兆‘影子’，而国家气象局依据厄尔尼诺等多个因子，仅能找到3类雨型的前兆，为西风急流的3/16＝0.187。可见，冬季副热带西风急流极有可能是包含厄尔尼诺---等等在内的大气加热场的‘合力’，至少也是接近于自然合力的准‘合力’。

16类雨型尚不能精准地‘套中’537年中每一夏的降水分布，原因如下：

① 冬季副热带西风急流也许尚不能表征完整的‘合力’。一是由于北半球的极夜西风急流的作用没考虑。二是预测对象不同，合力也可能不同。试验表明：用冬季西风大值区预测夏季多雨区是通过预测夏季副高位置这一中介糸统来实现的，副高位置与夏季降水过程频繁区位置相对应，但降水过程频繁区与多雨区却不是一一对应关系，例如：某地一个月不下雨，一次台风可能降下常年两个月的总雨量，从降雨过程看是稀疏区，从雨量看却是多雨区。严格说，冬季西风急流（大值区）反映的是夏季降水过程频繁区。可以直接反映总雨量大小的合力是什么？还不知道！

② 把0-30公里的大气层分为16层，是限于笔者只有16层历史气象资料，气象系统有稠密的记录，如果分为20、30--层，将增多可预测的雨型、使预测更细化。

③ 30年平均资料算出的16种雨型是平均态，用平均态气候‘套’个性态气候（即每一年的）将有误差，有的年甚至很大误差，这就是本文一开始提出的‘模型是认识事物的一把双刃剑’。

（3）证明之三

下面以2008年夏季预测为例，具体讨论上面的失误原因②和③。

笔者从已有的2007冬季8层（150、200、300、400、500、700、850、925亳巴）探空资料分折中认定，2008年夏将为冬季850层型降水分布。而冬季850层的大值西风区有两类表示法①用1961-1990三十年平均值，笔者称‘模式化数据’②用2007年冬季实测值，笔者称‘个性化数据’。两类数据的夏季（5-8月）降水正距平区预测（粗实线）与实况（阴影区）分别见图1 和图2。其中图1正式刊入天灾预测委员会08年4月刊印的《黄皮书》。

笔者又做了一个试验：用邻近的800毫巴层冬季30年平均值所显示的大值风区预测08年夏降水（笔者无07年冬实测值），其结果见图3。从三图看出，08年夏，中国有三条多雨带：华东华南沿海，淮河至湖北陕南，东北南部至河套。图3基本报出三条雨带，图2报淮二条半（湖北陕南漏报），图1报准二条，漏报淮河，空报黑龙江大部。

不同的成功率证明：①个性化预测优于模式化，即用30年资科平均出的850层模型已平滑掉了各年的个性特征（即图1），不如07年冬季的实测值突出了当年的特珠性（图2）。②增加冬季大气的垂直分层后（图3的800层），也增多了对夏季降水的可预测范围选择，使预测更贴近实况。当然，把16层分型扩大为20、25---层，把平均的模式化数据改为个性化数据之后又会带来分析中的困难，有待进一步研究。

5 结 束 语

决定事物变化方向的，不是一个个作用于它的分力，而是诸分力相生相克后的合力。

预测事物未来的发展，关键是找准其合力。

用西方文化思维寻找合力，是在有限个分力间求偏相关，因而总与自然界中存在的合力有不同程度偏差。用东方思维找合力，是跳过对单个分力的探求，直接从自然现象中寻找合力的表征物，一旦被发现，它将是无限多分力的全相关，将十分贴近自然合力。困难是：同一表象可由多种原因生成，东方文化无力提供鉴别其真伪的科学支撑。

把两种思维结合起来，在现代大气科学知识的基础上寻找全相关的自然形成的合力表征物，是否能以较短时间使旱涝预测较准一些？

笔者正在这条小路上摸索着。诚如《南方周末》9月18日A8版‘走在边缘——中国原创学科生存观察’文中国家最高科学奖获得者吴文俊院士所说：“一切原始的创新往往受人质疑，--我当年创立机器证明初期，国内数学界也大惊小怪，---直列传到国外，为国外重视并据此做出显著成绩后，才出口转内销”。笔者将沿先贤指明的路一直走下去，而不计成败。

把中国哲学思维与西方现代科学成功结合的弟一人是中科院软件所唐秩松院士。他把《易。系辞》中的“一阴一阳之谓道”等论述与计算机软件设计中动态语义和静态语义结合起来，提出XYZ糸统，解决了40多年来软件设计中一大难题，获1989年国家自然科学一等奖。日本软件权威岸田效1995年著文评价称；“虽然这系统所采用的基础数学理论来源于西方，但构造此系统的哲学思想却来自中国，这也许可以说是东方文明对于新的21世纪计算机技术发展的一大贡献吧０。

突破科学瓶颈的第一要务是新思维，向唐院士致敬！

参 考 文 献

1．席泽宗主编，中国科学技术史——科学思想卷，科学出版社，北京，2001年6月一版

2.蔡尔诚，中国夏季降水预测的能量互补模型。气象与环境科孕，2007，30（2），27-29

3蔡尔诚，中国1470-2006旱涝前兆研究(摘要本)，气象与环境科学，2008，31（3）20-23

4蔡尔诚，中国1470-2006旱涝前兆研究（完全本），2007年中国地球物理学会天灾预测专业委员会沦文集，2007年4月，北京

(2008.6.14初稿，10.4五稿)

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