田濟(jì)揚(yáng)：“看見”洪水的未來

衛(wèi)婷婷

洪水是地球上最常見的自然災(zāi)害，影響著全球成千上萬人的生活，每年約造成100億美元的損失。隨著科學(xué)技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，現(xiàn)如今科學(xué)家會(huì)通過建立洪水預(yù)報(bào)模型來對洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)，但由于洪水預(yù)報(bào)模型基本都是以“落地雨”作為輸入條件，結(jié)合觀測到的歷史水文資料確定相關(guān)參數(shù)，這樣的預(yù)報(bào)方案在中小流域洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)時(shí)，預(yù)見期相對較短，預(yù)報(bào)精度偏低。那么如何提高洪水預(yù)報(bào)的能力呢？這也是中國水利水電科學(xué)研究院高級工程師田濟(jì)揚(yáng)一直在思考的問題。他以陸氣耦合作為洪水預(yù)報(bào)延長預(yù)見期和提高預(yù)報(bào)精度的突破口，將數(shù)值大氣模式與流域分布式水文模型耦合，有效延長了洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期，給匯流時(shí)間短的中小流域帶來了福音，為防洪減災(zāi)提供了可靠的技術(shù)支撐。

最大的初衷

田濟(jì)揚(yáng)是誤打誤撞學(xué)了水利水電工程專業(yè)。他報(bào)考山東大學(xué)時(shí)，并沒有選擇水利相關(guān)的專業(yè)，但命運(yùn)似乎與他開了個(gè)玩笑，從未想過的專業(yè)卻成為他大學(xué)4年的主角。作為土生土長的山西人，他跨越了五百多公里的距離來到山東濟(jì)南，擺在他面前的是之前一點(diǎn)都不了解的大壩和堤防、水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)、田間灌渠和城市管網(wǎng)，還有許許多多的力學(xué)難題。書本上的知識(shí)晦澀難懂，讓田濟(jì)揚(yáng)一度也有了換專業(yè)的想法。

但很快，一場關(guān)于水利的學(xué)術(shù)報(bào)告改變了田濟(jì)揚(yáng)最初動(dòng)搖的心情。那是在大學(xué)一年級快結(jié)束的夏天，時(shí)任山東大學(xué)土建與水利學(xué)院院長的曹升樂教授作了一場學(xué)術(shù)報(bào)告，他從水資源的特點(diǎn)、重要性入手，詳細(xì)闡述了中國目前的水資源問題及其對經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的影響。聽完報(bào)告的田濟(jì)揚(yáng)心潮澎湃，他第一次感受到，水利并不是單純的力學(xué)和工程，而是一項(xiàng)與人民群眾幸福生活息息相關(guān)、光榮而又艱巨的事業(yè)。

以此為契機(jī)，田濟(jì)揚(yáng)在大學(xué)期間，多次到曹升樂教授那里請教問題，請他解答疑問，逐步加深對水利的認(rèn)識(shí)?！芭d水利、除水害是每個(gè)水利人的應(yīng)盡職責(zé)，那么我能不能堅(jiān)持下去，成為一名合格的水利人呢？”抱著這樣的想法，田濟(jì)揚(yáng)決定考研，繼續(xù)深造。當(dāng)時(shí)恰逢“十二五”水利發(fā)展規(guī)劃編制，領(lǐng)域里討論最多的莫過于農(nóng)田水利建設(shè)。于是在曹升樂教授的引薦下，田濟(jì)揚(yáng)選擇報(bào)考西安理工大學(xué)農(nóng)業(yè)水土工程專業(yè)。

來到西安理工大學(xué)的田濟(jì)揚(yáng)，在這里遇到了讓他受益終生的導(dǎo)師白丹教授?！鞍桌蠋熾m然不是業(yè)界大牛，但他對學(xué)生極其負(fù)責(zé)，我第一篇公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文，他前后幫我修改了5遍，每一遍都有批注和大量修訂的痕跡。”從那時(shí)起，田濟(jì)揚(yáng)認(rèn)識(shí)到要以嚴(yán)謹(jǐn)負(fù)責(zé)的態(tài)度對待科學(xué)研究，并開始有意識(shí)地培養(yǎng)自己對科學(xué)問題的探索與剖析能力，努力提高自己寫好科技論文的水平。在他的心里，白丹教授是一位嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科研引路人。

讀碩士的3年時(shí)間里，田濟(jì)揚(yáng)主要從事滴灌灌水器的研發(fā)和田間灌渠的設(shè)計(jì)工作，這是一個(gè)非常實(shí)用而具體的研究領(lǐng)域，與他從曹升樂教授口中認(rèn)識(shí)到的宏觀水利是如此的不一樣，這讓他有了一絲的迷茫?！拔乙恢痹谒伎既绾尾拍軐鴥?nèi)水利行業(yè)現(xiàn)狀有更深入的了解，并以此找到更適合自己的研究方向，思來想去，決定再換專業(yè)攻讀博士。”彼時(shí)，田濟(jì)揚(yáng)研發(fā)的灌水器即將在新疆部分地區(qū)投入使用，應(yīng)用前景廣闊，白丹教授著實(shí)為他選擇換專業(yè)感到惋惜。

田濟(jì)揚(yáng)并沒有猶豫，但換什么專業(yè)，去哪讀博士呢？他犯難了。這時(shí)，他的一位本科同學(xué)建議他報(bào)考中國水利水電科學(xué)研究院?！八臀艺f，水科院是我國水利科技創(chuàng)新的排頭兵、國家隊(duì)，應(yīng)該報(bào)考爭取一下?！北е囈辉嚨南敕ǎ餄?jì)揚(yáng)幸運(yùn)地考上了中國水利水電科學(xué)研究院的博士。

讀博期間，田濟(jì)揚(yáng)開始參與到國家級、省部級重大水利科技項(xiàng)目的研究中，他的視野逐漸變得開闊?！拔椰F(xiàn)在的方向是博士二年級定下的，那時(shí)防洪減災(zāi)是水利行業(yè)關(guān)心的重點(diǎn)領(lǐng)域，中小流域的防洪又是薄弱環(huán)節(jié)，更是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)?！?年前，面對“十二五”水利發(fā)展規(guī)劃，田濟(jì)揚(yáng)選擇了農(nóng)田水利;5年后，面對防洪減災(zāi)的國家號召，他選擇了洪水預(yù)報(bào)?！昂樗A(yù)報(bào)研究是我至今仍然堅(jiān)持的主要研究方向之一，我想以后也不會(huì)改變?！?/p>

田濟(jì)揚(yáng)回首自己踏入水利科學(xué)領(lǐng)域的旅程，盡管選擇的方向一直在變，但都沒有離開水利太遠(yuǎn)。他說：“滿足國家水利事業(yè)需要就是我最大的初衷?！?/p>

洪水的背后

每年汛期，我國南方暴雨洪災(zāi)集中，局部地區(qū)洪災(zāi)嚴(yán)重。對于一場在途的洪水，盡早預(yù)測其過境的時(shí)間和高峰，對及早部署制定防御方案，無疑具有重要意義?！盀榱颂崆白龀雠袛?，我們需要提前把降雨預(yù)報(bào)出來，盡可能延長預(yù)見期，以便我們的防汛人員能夠及早部署，如果等到洪水來臨，再去做工作那就已經(jīng)晚了?！碧餄?jì)揚(yáng)說，特別是對于匯流時(shí)間短的中小流域來說，延長洪水的預(yù)見期非常必要。

在洪水預(yù)報(bào)的發(fā)展歷程中，傳統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)模型是以實(shí)測降水為輸入條件，其預(yù)見期非常有限。要想延長預(yù)見期，最有效的方法是在降水未發(fā)生以前獲得降水預(yù)報(bào)信息，并盡可能提高降水預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度。

于是田濟(jì)揚(yáng)選擇了陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)這一研究方向。理論上，陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)旨在通過描述水與能量兩大循環(huán)，更為準(zhǔn)確地反映降雨、蒸發(fā)、產(chǎn)流、匯流等水文過程，提高洪水預(yù)報(bào)精度，延長預(yù)見期。

研究的愿景總是很美好，但是在研究的過程中總會(huì)遇到意想不到的困難。目前擺在田濟(jì)揚(yáng)面前的困難有三個(gè)。一是，同時(shí)研究氣象和水文的人很少?！澳阆爰热皇邱詈希瑧?yīng)該是兩方面都懂，才能把這項(xiàng)工作做好。但是關(guān)于兩者相結(jié)合的研究文獻(xiàn)，沒有我們想象的那么多，所以工作做得還不是特別深入?！睂Υ耍餄?jì)揚(yáng)頗感苦惱。忙里偷閑，他經(jīng)常到南京信息工程大學(xué)，與那里的老師們進(jìn)行交流。南京信息工程大學(xué)有“中國氣象人才搖籃”的美譽(yù)，在交流和溝通過程中，田濟(jì)揚(yáng)總能碰撞出新的想法，收獲不少。

二是，目前的陸氣耦合往往是一種單向的耦合，大氣模型只提供輸出數(shù)據(jù)給陸面水文模型。而在田濟(jì)揚(yáng)的理想構(gòu)思中，陸氣耦合應(yīng)該是一種雙向的耦合，大氣模式不但提供輸出數(shù)據(jù)給陸面水文模型，而且接受陸面水文模型的反饋。“但是因?yàn)殡p向耦合模型結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，它幾乎包括水循環(huán)和能量循環(huán)的每個(gè)過程，里面的每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要考慮到，現(xiàn)有的數(shù)值大氣模式、陸面模型、水文模型之間還存在各種不兼容的問題，做到雙向耦合還有很長的路要走?！?/p>

第三個(gè)面臨的困難，則是一個(gè)世界性的難題?！案呔染值囟虤v時(shí)強(qiáng)降雨的預(yù)報(bào)能力難以滿足中小流域洪水預(yù)報(bào)的需求?！碧餄?jì)揚(yáng)提到了氣象學(xué)上很有名的一個(gè)概念“蝴蝶效應(yīng)”，一只南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動(dòng)幾下翅膀，可能在兩周以后引起美國得克薩斯州的一場龍卷風(fēng)。而短歷時(shí)強(qiáng)降雨難以預(yù)報(bào)的問題，就是目前科學(xué)家對氣象演化過程認(rèn)識(shí)不足的體現(xiàn)。

講到這里時(shí)，田濟(jì)揚(yáng)笑著說，其實(shí)從氣象的角度來說，目前降雨預(yù)報(bào)的水平已經(jīng)比較高了。但正因?yàn)槭顷憵怦詈?，需要站在水文的角度向氣象提需求，到底能不能滿足中小流域洪水預(yù)報(bào)所需要的精度?！爸灰黄屏诉@些難題，陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)就能向前邁一大步?！碧餄?jì)揚(yáng)堅(jiān)定地說。

為了提升陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)的精度，他也做了不少努力。“怎么提高降雨預(yù)報(bào)精度，數(shù)據(jù)同化是非常實(shí)用，而且非常有效的一個(gè)技術(shù)手段?！币劳?020年申請到的國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目“基于雷達(dá)數(shù)據(jù)混合同化的中小流域尺度數(shù)值降雨預(yù)報(bào)試驗(yàn)與機(jī)理研究”，田濟(jì)揚(yáng)采用預(yù)報(bào)降雨代替“落地雨”實(shí)現(xiàn)了陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)，成功構(gòu)建了雷達(dá)時(shí)空二維結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)據(jù)同化模式，提出了以雷達(dá)為主的多源數(shù)據(jù)同化方法，并引入洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正技術(shù)，分別對降雨和洪水預(yù)報(bào)過程進(jìn)行雙校正，使洪水預(yù)見期延長3小時(shí)以上，預(yù)報(bào)精度達(dá)到70%?80%。這些成果似乎都在昭示他離自己理想的目標(biāo)更近了一步。

光明的未來

2020年，中國水利水電科學(xué)研究院承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“國家山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警服務(wù)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”。國家山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警服務(wù)平臺(tái)建立的主要目的是實(shí)現(xiàn)386萬平方公里山洪災(zāi)害防治區(qū)、24萬個(gè)小流域和流域面積≥10平方公里所有山洪威脅對象全覆蓋，模擬精度和預(yù)警命中率大幅提高，在國家（水利部）及部分省份實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行，為多個(gè)行業(yè)提供山洪災(zāi)害預(yù)警信息服務(wù)。

田濟(jì)揚(yáng)也積極參與其中。“我負(fù)責(zé)了其中1個(gè)專題，專題名稱是海量站點(diǎn)實(shí)測降水與預(yù)報(bào)降水信息高效處理技術(shù)。”這個(gè)專題主要是解決目前地面雨量站監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常識(shí)別處理和多源降雨融合問題。田濟(jì)揚(yáng)解釋道，對于雨量監(jiān)測而言，地面雨量站比雷達(dá)的單點(diǎn)監(jiān)測更準(zhǔn)確，但是雷達(dá)更能準(zhǔn)確反映降雨的空間分布特征，如果把二者融合起來，取長補(bǔ)短，就可以提高降水監(jiān)測的準(zhǔn)確性，也為雷達(dá)降水反演與預(yù)報(bào)結(jié)果的訂正提供思路。

如今田濟(jì)揚(yáng)開展的各項(xiàng)工作正在穩(wěn)步推進(jìn)，這當(dāng)然離不開研究室各位同事和團(tuán)隊(duì)成員的共同努力。田濟(jì)揚(yáng)很喜歡他所在的研究室。團(tuán)結(jié)、勤奮、肯鉆研和執(zhí)行力強(qiáng)，是他心中給研究室打上的鮮明標(biāo)簽?！拔覀冄芯渴铱偣?0人，每個(gè)人都圍繞山洪災(zāi)害防御展開相關(guān)的研究工作?！痹陧?xiàng)目進(jìn)行的過程中，研究室中的每個(gè)人都沒有私心，考慮的都是集體利益，大家都可以跳出自己的專業(yè)，互相交流，互相提意見，一旦有了想法，就會(huì)馬上去執(zhí)行，這些都給他留下了深刻的印象?！凹影嗉拥阶钔淼囊欢ㄊ俏覀冄芯渴业娜?，去年我們研究室的合同額都接近一個(gè)億了，近年來成果豐碩。”田濟(jì)揚(yáng)語帶自豪地和記者說。

研究室中的每個(gè)人都在努力，田濟(jì)揚(yáng)自然也不能掉隊(duì)?！巴ㄟ^這幾年的研究，陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)的精度逐步提高。”下一步，田濟(jì)揚(yáng)的重點(diǎn)任務(wù)是建立一個(gè)較為完善的陸氣雙向耦合模式，用于中小流域洪水預(yù)報(bào)，繼續(xù)提高暴雨洪水的預(yù)報(bào)精度和準(zhǔn)確性。

短期的目標(biāo)已經(jīng)非常明確，而長期的目標(biāo)，田濟(jì)揚(yáng)也有著清晰的規(guī)劃。機(jī)制方面，如暴雨形成機(jī)制、山洪形成機(jī)制等，尚不十分明確，研究應(yīng)繼續(xù)跟進(jìn);技術(shù)方面，緊跟目前山洪監(jiān)測與預(yù)警的新技術(shù)新方法，緊跟國際、國內(nèi)發(fā)展的潮流與趨勢，把新技術(shù)新方法應(yīng)用于山洪災(zāi)害防御;應(yīng)用與管理方面，當(dāng)理論與技術(shù)都趨于完善時(shí)，應(yīng)該展開對流域內(nèi)洪水預(yù)報(bào)、風(fēng)險(xiǎn)評估、山洪預(yù)警的業(yè)務(wù)化應(yīng)用，取得相應(yīng)的社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)山洪風(fēng)險(xiǎn)管理的完美閉環(huán)。這就是田濟(jì)揚(yáng)的最終目標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)，田濟(jì)揚(yáng)絲毫不敢放松。曾經(jīng)的他是一個(gè)喜歡唱歌、愛打羽毛球的人，但為了科研，過往的愛好都放棄了，田濟(jì)揚(yáng)成為了一個(gè)在工位—床位間兩點(diǎn)一線的人。他有時(shí)會(huì)想自己為什么能做科研呢？“小時(shí)候，父親的嚴(yán)格要求讓我養(yǎng)成了坐得住、坐得穩(wěn)的習(xí)慣，搞科研還是需要坐冷板凳的。”坐得住、坐得穩(wěn)是坐有所獲的前提條件，靜下來才能理清頭緒，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

因此，不管前面的道路有多坎坷，田濟(jì)揚(yáng)都這樣告訴自己，要堅(jiān)信自己可以走下去，要像“混凝土”一樣抗壓，像“水”一樣抗擊打，因?yàn)楣饷鞯奈磥砭驮诓贿h(yuǎn)處。