特大暴雨和台风突变的天地耦合成因及其模式的研制设想

提要：从整体研究出发，发现特大暴雨、大地震临震等突发性特大自然灾害的发生，均与“三星一线”时的引潮力共振有密切关系；在内部条件基本具备情况下，几乎各种突发性特大自然灾害均由此种非经典引潮力的共振的异常叠加而触发；并已在预测实践中收到良好效果。在此基础上提出了研制一个内外因耦合的特大暴雨预报模式的设想以及引力异常的系列观测实验方案。

关键词：特大暴雨，台风突变，内外因耦合，引潮力共振

一、突发性特大自然灾害触发因子的发现

中尺度暴雨试验和研究实践表明，特大暴雨的物理量突变和雨强突变往往是同时出现的；台风的风速突变、路径突变、移动速度突变及其登陆后的暴雨突变，以及大地震的发生等，同样都是突然发生的。因而，我们长期以来运用中华文化的整体思维，全力寻找此类突发性特大自然灾害的触发因子。在考虑所有可能影响的各种大气内部因子、各种地球物理因子和各种天文因子的基础上，通过筛选、典型剖析和普查、反查，发现只有以月亮为主的“三星一线”时的非经典引潮力的共振效应，方可触发一系列的突发性特大自然灾害的突然发生。

由图1可见，西北太平洋热带气旋遇朔望的强度变化，严格取决于朔望发生时刻的引潮

图1.朔望发生时刻的引潮力垂直分量与热带气旋强度变化

横坐标为朔望引潮力指数

力垂直分量。在朔望发生时刻的垂直引潮力的提升区，绝大多数热带气旋都得到加强(18/20，仅2例已登陆但强度未减)；否则，热带气旋大都不发展甚至减弱(32/47)。通过信度为0.01的统计检验^〔1〕。黄道面上的7颗大行星或8颗一等亮星或3颗最强宇宙射电源，当它们任意一颗与月亮(或太阳)对地球成直线时(星、月的视赤经相等或相差180^o)，同样都有类似效应。如我们任选一颗较远的一等亮星---角宿一(距离地球270光年)，当它与月、地成直线时，与北半球高、低压中心强度变化的关系，也通过信度为0.04的统计检验。由于黄道面上这些天体对地球的引力比月亮对地球的引力要小10^-4～10^-13，加之月亮的引潮力随其西行而在不断变化，与“三星一线”的发生时刻并无关系。因而这一统计结果，与现有的万有引力理论和广义相对论发生了矛盾。然而，此种“三星一线” 效应，却与中国古籍的记载和古代大军事家的用观察月亮是否走到黄道面亮星来预测天气变化指挥打仗的经验以及现今全国各地的测天经验，不谋而合。如“月之从星，则以风雨”(《尚书》)，“月丽于毕，俾滂沱矣”(《诗经》)；“太阴缠于毕，月内必有大雨”(《三国演义》)以及现今华北等地的测天经验 “月傍星，不是刮风就是下雨”等，均相一致。由此我们早已提出了三天体成直线时引力可能存在瞬时局部的放大假设^〔2,3〕。

目前，此种三星一线的放大假设，已经得到日全食观测的初步证实。1954年6月30日法国巴黎日全食用傅科摆观测(图2)、1961年2月15日前苏联用倾斜仪观测等，都己记录

文本框: 图2. 1954年6月30日法国巴黎日全食傅科摆观测结果
当天朔的黄经相合时刻(12:26)和木星合月时刻(12:38)以及井宿三合月时刻
(12:06)三者几乎重合。且与图中异常段的3个尖峰的出现时间相对应。

到日全食时 (最典型的三星一线)的外来引力增强。但当时观测精度最高的重力仪，却未测到类似效应。后经调查研究，发现重力仪都有滤波器。在本人的建议下，中国地震局地质研究所陈益惠研究员在1980年云南日全食时，将重力仪改为每秒钟取值后，结果观测到日全食时出现高频抖动。尤其是，中科院地球物理所在1997年3月9日黑龙江漠河日全食时，将最精密的重力仪也加密到每秒钟取值后，观测到日全食时出现两个重力谷值^〔4〕(图3)，同

样显示了外来引力增强(不可能由地球质量突然减小而引起)。此结果在国际权威刊物美国《物理评论》上发表后，引起了国内外科学家的重视。同时，美国发射的4颗航天器在向太阳系行星方向飞行时，也都观测到“来自背后太阳方向一个附加的力”；由于这个力的存在，使得70年代发射的先驱者10号，少走了40 万公里。认为这种力如果确实存在，基本物理定理就要修改。此外，阿波罗登月飞船在飞到月亮背后时，地球上的测站本应无线电中断，却有52秒钟，在月中天时观测到了来自月亮背后登月飞船的信号，“为有史以来同类型最强的信号”。这就是说，当飞船飞至月亮背后与月亮、地球观测站成直线时，地球观测站不仅

测到来自月亮背后飞船发出的信号，而且其电磁波也存在放大现象。据此，本人提出了“三星一线”时引力放大的系列观测实验方案^〔5〕。还需指出，引力和电磁力的此种增强效应存在

文本框: 图3. 1997年3月9日黑龙江漠河日全食观测结果
（用精密重力仪观测）

的超距作用和穿透力极强的现象，有可能与国际上正在探索的挠场理论(或称标量波理论)有密切联系^〔6〕。

进一步研究发现，在此种“三星一线”的发生时刻，还存在4种不同类型的共振区^〔7〕(详见图4)：(1)在“三星一线”发生时刻月下点(或对潮点)的54.7^o 线(月心和地心连线在地心

的夹角)以内4^o区和以外10^o区，分别有利低压和高压迅速发展，为垂直引潮力的共振减压区和共振加压区。它系大气垂直运动初始状态与三星一线时外来引潮力分布同位相叠加所致，类似粒子同步回旋共振加速的原理。(2)在三星一线发生时刻月下点(或对潮点)的80^o线以外10^o区，有利低压和高压同时发展。为引力波共振区。理论假设引力波为一横波，只有在月下点的90^o附近，才有可能由外来的月亮引力波与地球大气铅直运动出现同位相叠加而发生

共振。(3)在三星一线发生时刻或月亮中天时刻的月下点的45^o线以内5^o区，也有利低压和降水迅速发展。为水平引潮力共振减压区。(4)在月亮中天时月下点的±2^o区，低压系统进入此区也迅速发展。对此暂时假设为引力驻波共振区。另外，在月亮对地球作相对运动的转折点(如月近地、远地；月亮处赤道或黄道及其最南、最北；上、下弦等)，在其发生时刻同样存在此种共振效应。研究表明，所有的突发性特大自然灾害，包括特大暴雨^〔7〕、台风的4种突变^〔8〕、大地震临震^〔9〕、火山爆发^〔10〕、异常热浪^〔11〕、突降暴雪、大气环流突变、山体大滑坡突然发生等，都是在内部条件基本具备情况下，由此种引潮力共振的异常叠加而触发。其信度均可通过0.01～0.001的统计检验。运用此种内外因耦合方法，已在一些特大自然灾害的预测实践中，取得了突破性进展：用以预测特大暴雨^〔7〕，成功率为72.7%；用以预测大地震临震^〔8〕，成功率也达40%；宜昌三峡气象服务中心运用此种天文、天气耦合方法预报长江上游致洪暴雨的准确率为70.2%，比该中心同期常规方法的预报准确率34.6%，提高了35个百分点^〔12〕。

二、 特大暴雨与引潮力共振减压

研究表明：在已具备暴雨天气形势的条件下，在遇1个或2个引潮力共振减压的当天，其暴雨中小心将分别达大暴雨和特大暴雨。例如，“58.7”黄河中游大洪水前期，7月15日08时，副高位于日本海到山东一带，河套东部为一冷槽，黄河中游处在暖湿气流和干冷空气会合地带，为该地区典型的暴雨天气形势。当天在山西永济降雨90mm。由图5可见，15

图5. 1975年7月黄河中游持续强暴雨与引潮力共振减压

日遇一个引潮力共振减压(处井宿三合月的垂直引潮力共振减压区)，米坪即降大暴雨(195mm)。16日20时至17日08时，该地区处在两个引潮力共振减压(处北河二合月垂直引潮力共振减压和北河三合日引力波共振)的叠加区，当天降下特大暴雨(山西垣曲366.5mm和河南渑池650mm)。

普查长江中下游历史上的8个特大洪水年(1954、1969、1980、1983、1991、1935、1849年)，都是由≥2次连续性特大暴雨过程、且每次过程均有连续≥2天均为特大暴雨 (日最大降水≥200mm) 所组成。分析它们与引潮力共振的关系，发现在这8个特大洪水年中总共出现16次连续性特大暴雨过程，其中有15次都是在接连两天内遇到4个引潮力共振减压或在3天内遇5个引潮力共振减压；仅1次过程不符合此判据(接连两天内只遇到3个引潮力共振减压)。以此判据反查1968～1991年6～8月其他时段的引潮力共振条件，仅有1次过程(1982,7,18～20)满足判据，仍发生了持续性特大暴雨过程，但由于该年再无其他类似的连续性特大暴雨过程，故该年未出现特大洪水。

将此种天文天气耦合方法用于预测连续性大暴雨到特大暴雨过程^〔7〕，在1989～1999年共11年期间，总共预测33次。其中，预测正确或基本正确有24次，空报9次，成功率为72.7%。在1998年长江特大洪水期间^〔13〕，8月上旬，当时朱熔基总理亲赴长江大堤，向正在抗洪的人民解放军动员说：“现在是最后关头，要死保死守”。本人仔细检查了引潮力共振条件，发现在半个月内，将有两次很大的暴过程，于8月11日给我局局长和中央气象台台长以书面形式、并于13日直接到中央水利部水情中心提出了两项预测：(1)8月11～15日的5天内将在川东至鄂西发生持续4天(除12日外)的大暴雨。实况正确。由图6可见，在11、13～15日的三峡附近，每天均遇1个引潮力共振减压(天文条件和雨量的日界均为当天

图6. 1998年8月11～15日长江三峡持续大暴雨与引潮力共振减压

08时至次日08时)，相应都发生了大暴雨，最后1天在湖南龙山还发生了特大暴雨。(2)预测8月19～20日，四川盆地将发生持续两天的特大暴雨。实况正是在这两天四川安县和绵阳分别达276、291mm。

需要指出，暴雨中尺度系统的新生和突然加强，也与当天引潮力共振减压的时间有关。郭肖容对1974年7月23日山东大暴雨过程做的中尺度分析，发现几乎所有中尺度雨团都在夜间00～01时之间生成。我们计算该暴雨中心开始进入当天月亮垂直引潮力共振减压的时间，正是在0点20分～0点50分，两者时间相当吻合(图7)。特大暴雨日的最大降水时段，

往往是中尺度系统最活跃之时。从我们收集到的21次特大暴雨日的最大1小时或最大3小时的时段来看，除3次强对流性质的降水外，有多达18次全都发生在当天暴雨中心进入引潮力共振减压之时。其中7次为引力波共振，6次为水平引潮力共振减压，5次为垂直引潮力共振减压。暴雨中尺度系统的突然加强与当天遇到的引潮力共振减压时间，两者的关系也是相当清晰的。

图7. 1974年7月23日山东大暴雨的中尺度雨团生命史

与当天暴雨中心进入垂直引潮力共振减压的开始时间

三、 台风突变与引潮力共振

普查表明，当台风登陆大陆时风速达≥32.5m/s，无论在登陆日直至消失日，在遇1个引潮力共振减压个的当天，台风暴雨中心的最大日降水将达500mm；在遇2个引潮力共振减压个的当天，台风暴雨中心的最大日降水则将达1000mm。由表1可见，在我国历史上，

表1. 历史上台风登陆后的罕见特大暴雨与引潮力共振减压

台风编号	发生年月日	罕见特大暴雨		当天所遇的引潮力
台风编号	发生年月日	地点	日雨量(mm)	条件	个数
	1930,8,4	辽宁复兴堡	1100～1300	X-1合月80^o，火冲月80^o	2
6312	1963,9,10	台湾百新	1248	上弦51^o，上弦赤80^o	2
6718	1967,10,17	台湾新密	1672	望80^o，角冲月51^o	2
7503	1975,8,7	河南林庄	1005	朔52^o，月中天45^o	2
9608	1996, 8,1	台湾阿里山	1748	水冲月80^o，轩冲月80^o	2
0116	2001,9,17	台湾台北	＞1000	朔80^o，月黄纬最大80^o，	2

台风登陆后发生日降水＞1000mm的罕见特大暴雨共计6次，它们全都在当天遇到两个引潮力共振减压的叠加。

普查和反查1970～1991年(6～10月)期间中国近海热带气旋强度突变(12小时内增强或减弱10m/s)共计130例，其中突然增强57例，突然减弱73例。逐个分析其间所遇到的引潮力因子，得到一个逐步回归方程。其复相关系数为0.85，F值为17.93，超过信度为0.001的显著性检验。其中突然发展和突然减弱的拟合率分别为91.2%和91.8%。图8是7503号台

风突然快速发展过程所遇到的引潮力共振条件。从中可以看到，7月31日20时此热带气旋仅为20m/s，此后在8月1日5时44分和2日6时50分月亮经其上空时，以及太阳经其上

图8. 7503号台风强烈发展与引力驻波共振

空时，月下点和日下点与该热带气旋的纬度差均接连≤2^o(引力驻波共振)，加之3日19时18分又遇月下中天时月下点距热带气旋44^o(水平引潮力共振减压)，相应该热带气旋在48小时内由20m/s突然增强到65m/s。此台风的突然发展，本人当时在广东省气象台事前做过正确预测。海上台风的突然转向，系通过引潮力共振引起台风外围的副高发生突变所致。台风移动速度的突然加速，也与引潮力共振有密切关系。

此外，异常干热过程、冷空气的反常活动、阻塞形势的突然建立与消失等，都与引潮力共振的异常叠加有关。图9是2003年8月初，法国异常热浪副高开始控制法国的过程与引潮力共振加压的关系。由图可见，7月31日08时副高位于伊比利亚半岛，当天法国处在水

图9. 2003年8月初法国异常热浪的副高开始控制过程与引潮力共振加压的异常叠加

星合月、天王星合月和火星冲月3个引潮力共振的加压区，相应副高在8月1日08时开始控制法国西南部地区。8月3日晨欧洲中西部又遇2个引潮力共振加压，副高进一步几乎控制了欧洲的整个中西部地区。此后，8月5～13日法国又连续遇到11个引潮力共振加压的共同叠加，导致法国发生持续高温，死亡人数达2万人之多。显而易见，造成去年8月欧洲异常热浪的副高反常持续控制，系由其间遇到众多的引潮力共振加压的异常叠加而引起。

四、研制特大暴雨预报模式的设想

首先对于复杂系统，我们提出了一个新的物理概念：严格准平衡态⁽¹⁴⁾ ，它仅在复杂系统才有的一种特殊平衡态。其平衡条件，是由两个或多个大量而合成。在此种条件不，推动物质运动的并非组成平衡的大量本身，而是其平衡后的微小偏差，并且可以小好几个数量级。此种现象，在拔河比赛、深海内部、大气垂直方向、地球的辐射平衡，以及地球上的各种运动与自转线速度、公转线速度的对比等等，都普遍存在。它们的运动均由其微小偏差而推动。正如中国成语所说：“四两拨千斤”。对于某一复杂系统，在列出其完全方程后，只要能够证明其中的大量是组成平衡的条件，就可将它消去，利用剩下的小量进行建模。

大气垂直方向是一个典型的严格准平衡态。由于大气垂直方向的重力和垂直气压梯度力是两个大量，其他物理量即便是其中最大的垂直柯氏力也要比重力小4个数量级，因而目前的大气垂直运动方程，一般都作为静力平衡处理。我们依据复杂系统存在严格准平衡态的考虑，进而提出了在大气垂直方向存在着多级平衡^(2～4)：对大气垂直运动的完全方程(1式)，可以改写成式2，其中增加了重力异常的变化量g′和引潮力的垂直分量(ff_L)。在2式中，

(1)

(2)

一级平衡为垂直气压梯度力与重力的平衡，即静力平衡。二级平衡为静力余差与垂直柯氏力(ff_L)的平衡，即垂直地转平衡。此时的垂直地转偏差恰好与水平地转偏差处于同量级，马上就可实现三维地转平衡。我们在已论证全球重力异常与大气活动中小心、气旋多发区和高原涡新生区等有着较好的对应关系⁽¹⁵⁾ 的基础上，考虑到二级平衡后的垂直地转偏差，又与重力异常的变化量(g′)处于同量级，因而又可建立第三级的重力异常平衡，即垂直地转偏差与重力异常的平衡。至此，三级平衡后的偏差，已与实际的大尺度大气运动的垂直加速度处在同量级。而经典引潮力的垂直分量(ff_L)比实际大尺度大气运动的垂直加速度大一个量级或至少是处于同量级。因而在大气垂直方向，除热力作用外，主要由重力异常和引潮力垂直分量这样的小量在起作用。加之，三星一线时的引潮力存在“放大”现象及其共振放大效应，并与内因相耦合，由此触发特大暴雨等突发性特大自然灾害，理应是合理而可行的。据此，在线性阶段，可以利用现有的暴雨模式，在非线性的突变阶段，可以加入非经典引潮力的共振(可以提前精确计算)，在目前尚未开展引力异常系列观测实验的情况下，可以对其和共振效应用实例进行参数化处理。由此可以建立一个既可描写一般暴雨过程又可描写非线性突变的特大暴雨过程的数值预报模式⁽¹⁶⁾。我们用此思路多次申请内外因耦合的特大暴雨预报模式的研究，在现有评价标准和评审管理体制下，可惜都没有申请到所需研究经费。