北京 147 小时的持续降雨、江浙地区台风 “竹节草” 引发的强降水、苏皖一带反复出现的暴雨蓝色预警…… 进入汛期，极端降雨如同 “不速之客”，一次次考验着人类的预报能力。当中央气象台发布暴雨预警时，人们总会疑惑：为什么明明有先进的卫星和雷达，极端降雨还是难以精准预测？北京大学物理学院大气与海洋科学系教授张庆红的研究揭示了这一难题背后的科学困境 —— 从微小的中尺度对流系统到复杂的全球气候变暖，每一个环节都暗藏挑战。
一、“小而快” 的天气系统：捕捉瞬间的难题
极端降雨难以预报的核心原因，藏在其 “小而快” 的特性里。引发北京密云夜间强降雨的中尺度对流系统，空间尺度仅约 50 公里，生命史短则几小时、长则十几个小时，却能在短时间内倾泻大量雨水。这种 “小体型” 导致其难以被传统观测网络捕捉 —— 目前我国气象观测站的平均间距约 50 公里，当一个中尺度系统在观测间隙生成并发展时，很可能 “躲过” 早期监测。
郑州 “7・20” 特大暴雨更凸显了这种挑战。2021 年那场暴雨中，最大小时降雨量达 201.9 毫米，这样的极端短时强降水被张庆红称为 “气象领域的闪电战”。她的研究团队发现，即使再发生一次类似过程，以当前技术仍难以精准预测 “具体哪个小时、哪个地点会降下如此惊人的雨量”。这种 “定时、定点、定量” 的预报困境，源于中尺度系统内部的剧烈对流运动 —— 上升气流与水汽的相互作用瞬息万变，就像一锅沸腾的水，难以预判每个气泡的破裂时机。
对比台风等天气系统，这种差异更为明显。台风空间尺度可达数百公里，生命史长达数天，卫星能提前数天追踪其路径；而中尺度对流系统更像 “游击战”，突然生成、快速移动、猛烈爆发，留给预报员的反应时间极短。美国投入上千万美金的冰雹观测计划也证明了这一点 ——100 多位研究人员配备 4 部移动雷达车，两个月内预报 24 个冰雹日，仍有 5~7 次出现漏报或空报。
二、技术链条的三重限制：观测、模型与动力过程
极端降雨预报的难度，还体现在技术链条的多重限制上。张庆红将其概括为 “观测系统的误差、模型的局限，以及天气系统自身的非线性动力过程”。
观测系统的 “盲区” 是第一道坎。目前的气象观测依赖卫星、雷达、地面站等设备，但卫星观测存在时间间隔（如极轨卫星每 6 小时过境一次），雷达探测范围受地形遮挡（如山区可能形成观测死角），地面站在偏远地区分布稀疏。这些 “空白” 导致初始观测数据存在误差，而气象预报就像多米诺骨牌，初始数据的微小偏差可能被后续计算放大，最终导致预报结果与实际偏差较大。
数值天气预报模型的 “算力瓶颈” 是第二重挑战。模型通过模拟大气运动来预测天气，但极端降雨涉及的云微物理过程（如水滴凝结、碰撞、融化）极为复杂，需要超高分辨率才能准确刻画。例如，要模拟 50 公里尺度的中尺度系统，模型网格需精细到 1 公里甚至几百米，这对超级计算机的算力要求极高。即使是最先进的模型，也难以完全还原大气中的湍流、垂直气流等细微变化，而这些正是决定降雨强度和分布的关键。
最根本的限制来自大气运动的 “非线性”。大气是一个高度复杂的非线性系统，就像一个敏感的弹簧 —— 初始条件的微小差异，经过一段时间演化后可能导致结果的巨大不同，这就是气象学中的 “蝴蝶效应”。极端降雨往往由这种非线性过程触发，即使观测和模型完美无缺，其可预报性也受限于系统本身的混沌特性。张庆红强调：“大气的不稳定性越强，这种非线性就越显著，可预报性也就越低。”
三、气候变暖：让预报难上加难的 “催化剂”
全球气候变暖正在成为极端降雨预报的新变量。张庆红指出，气温升高使大气容纳水汽的能力增强 —— 每升温 1℃，大气可容纳的水汽量约增加 7%。这意味着大气中贮存的 “能量” 更高，一旦触发对流，就可能形成更强的降雨。
更棘手的是，气候变暖正在改变大气环流模式。副热带高压的北移、热带范围的扩张（北界和南界均在扩展），使得传统的降雨规律被打破。例如，美国西雅图冬季降雨减少而温哥华降雨增多，欧洲地中海地区在持续高温后突发超大冰雹，这些异常现象都与环流变化相关。当历史数据不再能反映当前的气候状态，基于过去经验构建的预报模型就会出现偏差。
北京此次极端降雨所属的 T8 型环流就是典型例子。张庆红团队对 1979~2021 年华北平原环流型的统计显示，T8 型在夏季出现频率高，且 40% 的极端降水事件连续发生，在 “喇叭口” 地形（如北京周边山区）的加持下，极易引发洪涝。但在气候变暖背景下，这类环流型的出现规律、影响范围都可能发生变化，给预报员带来新的挑战。
四、突破困境：从 “精准预报” 到 “有效预警” 的转向
既然极端降雨的精准预报难以苛求，如何通过预警链的有效运转降低灾害损失？张庆红提出的 “全民早期预警” 理念给出了答案 —— 这不再是单一的大气科学问题，而是需要政府、科研机构、媒体、公众协同的系统工程。
预警链的 “五道桥梁” 必须打通。从观测数据到天气预报，从灾害预报到影响评估，再到最终的预警发布，每个环节都需要无缝衔接。例如，气象部门发布暴雨预警后，应急管理部门需快速评估内涝风险，交通部门要及时调整运力，社区则需组织居民转移。任何一个环节 “掉链子”，都可能导致预警失效。
城市的 “软件建设” 比硬件改造更迫切。对于已建成的城市，短期内提升排水标准不现实，但可以通过完善转移预案、优化应急响应流程来降低风险。比如，当发布特大暴雨预警时，学校自动停课、企业弹性办公、低洼地区提前转移，这些措施能有效减少人员伤亡。
公众的参与是最后一道防线。张庆红发起的 “冰雹换玛瑙” 活动证明，公众可以成为气象观测的 “补充力量”—— 通过上报冰雹大小、降雨强度等信息，帮助科研人员验证模型、改进预报。同时，公众对预警的信任与响应也至关重要 —— 减少 “狼来了” 式的空报，提高预警的权威性，才能在灾害来临时形成合力。
结语：与不确定性共存的智慧
极端降雨预报的难点，本质上是人类在复杂自然系统面前的认知局限。从 50 公里的中尺度系统到全球气候变暖的大背景，从观测设备的 “盲区” 到模型的 “算力瓶颈”，每一个挑战都在提醒我们：“天有不测风云” 不仅是古老的谚语，更是科学的现实。
但这并不意味着人类只能被动承受。通过技术进步缩小观测盲区，通过跨部门协作完善预警链，通过公众参与织密防护网，我们正在学会与不确定性共存。正如张庆红所说：“预报的精准度或许永远有上限，但预警的有效性可以不断提升。” 在极端天气频发的时代，这种 “承认局限、积极应对” 的智慧，才是我们最可靠的 “保护伞”。