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    聚焦科技创新:大型试验探索关键科技问题

    点击量:   2017-03-16 11:09:15    【打印】   【关闭

    编者按:近年来,中国气象局大力推进机理研究及大型野外科学试验,组织实施第三次青藏高原大气科学试验及干旱气象、华南季风强降水等科学试验,针对区域共性关键科技问题开展研究。这些试验有助于我们更加深入地认识大气环流,增进对各类气象灾害的了解,提高天气气候模式对中国区域的预报预测能力。

    青藏高原大气科学试验:在离天空最近的地方破译大气密码

    中国气象报记者 赵晓妮

      头顶蓝天,高耸入云,青藏高原的身躯覆盖250多万平方公里,约占我国陆地面积的四分之一。这个世界上最高大、地形最复杂的高原,在全球大气环流、能量循环和水分循环中具有非常重要而特殊的作用,对我国大部地区乃至区域和全球的天气气候都产生重要影响。

      在中国气象局领导和有关职能司的大力支持下,中国气象科学研究院(以下简称气科院)按照第三次青藏高原大气科学试验领导小组的要求和专家指导组的指导建议,加强与试验参与单位的密切合作,推进天--空和新型设备相结合的立体观测与资料共享应用,加强青藏高原地-气物理过程及其对我国天气气候影响的原创性研究,目前在学科建设、人才培养、数据共享平台和网站建设等方面取得成果。

      向高原开启第三次征程

      青藏高原平均海拔高度在4500以上,在如此高大身躯的阻挡作用下,大气环流运动在此分支、绕流;复杂地形和下垫面使得气流在高原面上产生波动、上升、下沉、涡旋。研究高原对大气的热力和动力作用、对大气环流的影响以及独有的天气系统(高原涡等),对提高高原及其影响地区的天气预报水平有很大的帮助,具有重大科学意义和社会价值。

      在过去几十年里,科学家对青藏高原进行过多次综合或单项科学考察。我国于1979年、1998年先后开展了第一、二次青藏高原气象科学试验,获得大量的气象资料,为研究高原气象做出了重大贡献。但是,面对辽阔而复杂的青藏高原,这些资料是远远不够的。

      2014年,第三次青藏高原大气科学试验启动。与前两次科学试验相比,此次试验在外场试验观测和研究内容上都加以改进:在青藏高原区域实现为期10年的天基空基地基三维立体综合观测,建立新一代卫星遥感、探空、雷达、地面长期综合观测系统,并充分利用中国气象局在青藏高原地区正在新建的业务观测网资料;前两次试验主要揭示青藏高原地面水、热平衡特征和边界层大气结构,而此次试验将从青藏高原边界层对流层平流层垂直大气结构的视角,深入认识青藏高原陆面过程、边界层过程、云降水物理过程、对流层-平流层交换过程的特征,并基于观测试验研究,发展适用于高原复杂地形的青藏高原陆面-大气耦合模式系统。

      外场加密观测试验贡献关键数据

      狮泉河、那曲、林芝、理塘、大理、温江……——高原上分布着此次试验边界层观测站网的13个边界层站,从20147月开始获取资料。20159月,高原地区46个土壤湿度和温度观测站网建成,开始获取数据;国家卫星气象中心于20158月完成了那曲及附近区域33个站建设,获取了分层的土壤温度和湿度连续观测数据。由此,青藏高原不同尺度结合的边界层组网观测顺利实施。

      同时,飞机、多种地基垂直指向雷达、微波辐射计、地面雨滴谱等多种空基和地基观测手段被用于研究高原典型云-降水物理过程。而在高原西部,对流层探空加密观测也开展起来。其中,气象探测中心和西藏自治区气象局在狮泉河、改则和申扎完成了三个自动探空站建设,并于201411月起按照业务规定开始运行,使高原西部地区缺少探空资料的情况得到了明显改善。此外,研究人员还结合国际前沿趋势开展了平流层、对流层大气成分观测。

      在努力获得观测资料的同时,为了更好发挥观测资料的效益,推动数据的广泛应用,本次试验加强了观测、质控、共享、应用研究的同步滚动开展。研究人员对多源数据进行质量控制和产品加工,提高了资料的可用性。例如国家卫星气象中心利用试验获取的土壤湿度资料评估和订正了我国风云卫星产品。

      目前,国家气象信息中心正在建设青藏高原观测试验数据的综合加工处理系统、数据库和数据共享平台,为后续科学技术研究提供综合观测基础数据。

      试验已取得部分原创性研究成果

      按照规划,第三次青藏高原大气科学试验第一阶段至2017年,距今只有一年时间。而全世界都在关注该试验取得的成果。截至目前,试验已经取得部分原创性研究成果,并得到应用。

      青藏高原独特的地气之间热量、水分交换过程困扰青藏高原气象学研究者多年。在本次试验中,研究者利用试验期间的边界层观测数据,计算了青藏高原11个边界层站在中性层结条件下的陆气动量和热量输送系数,发现高原西部狮泉河地区地面感热输送系数明显低于过去的常规认识,青藏高原的感热加热可能被高估。基于有限的边界层试验站观测资料和卫星产品,研发了从点到面的地表感热和潜热通量估算方法,建立了高原地区2001年至2012年地面感热和潜热通量数据集,并分析其变化趋势。这些结论都将有助于更深刻地认识高原陆气感热和潜热交换特征。

      此次试验中,卫星TBB数据显示,2014年夏季那曲是高原地区对流活动的中心。利用2014年得到的多种雷达观测数据,研究者进一步了解了青藏高原地区云的时空变化特征;利用高原试验加密观测资料及其他多源资料,分析了引发下游地区中尺度暴雨的高原系统演变特征及三维结构特征;探讨了高原天气系统与下游地区天气系统的相互作用及其对下游地区中尺度暴雨的触发机制;通过大量典型个例的综合分析,建立了高原天气系统影响下游地区降水的天气学模型。此外,还发展了利用高原强信号预测中国旱涝的方法。

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    塔中80梯度铁塔探测系统。

    中国干旱气象科学研究计划:让粮食与生态安全远离干旱威胁

    中国气象报记者 刘钊 孙楠 倪永强

      虽然没有暴雨那般猛烈,也不能像狂风一样瞬间爆发出惊人的破坏力,但在各种气象灾害中,干旱却是发生频率最高、持续时间最长、影响面最广的,对全球农业生产、生态环境和社会经济发展影响深远。我国是全球干旱灾害发生最频繁的国家之一,遇到大旱之年,粮食减产大约有一半以上归因于旱灾。干旱灾害严重地威胁着我国粮食安全和生态安全,成为制约经济社会可持续发展的重要因素。

      面对这样一种沉默而影响深远的灾害,气象科技工作者站了出来,中国干旱气象科学研究计划由此启动。

      2015519,来自全国各地的干旱研究专家聚集在甘肃兰州,研讨项目启动前的准备工作。这一项目就是中国干旱气象科学研究的第一阶段:我国北方干旱致灾过程及机理研究。在以中国工程院院士丁一汇为组长的专家指导组指导下,项目确立了七大课题,研究内容既包括干旱预测技术、致灾过程和机理,又涵盖了数值模式和数据融合技术,以及农业干旱风险、干旱信息集成共享平台等,从基础理论一直延伸到实际应用。

      由此,来自全国科研、高校、气象业务部门的科研力量,开展跨学科、综合性、系统性的干旱气象科学试验研究,揭示我国北方干旱灾害发生发展的新特征和动力学机制,认识大气、水、生物等圈层间干旱形成和影响的互馈机制,揭示大气干旱导致农业、水文干旱的致灾机理和过程特征,发展以数值模式(区域气候模式、陆面模式等)为核心的干旱灾害监测、预测、预警技术,提出在全球气候变化背景下我国北方农业干旱灾害风险预估与对策,建立我国北方干旱监测预警评估服务系统和共享信息平台。

      如此广泛的研究内容,自然少不了试验的支撑。研究者配套设计了五项外场试验,为研究提供数据保障。包括干旱陆面过程及大气边界层特征综合观测试验、干旱灾害致灾过程及机理综合观测试验、降水过程特征对干旱持续和解除影响综合观测试验、干旱指标区域适应性综合观测试验、干旱形成与区域水分循环过程综合观测试验。

      七大课题、五项试验陆续启动,研究人员投入到紧张的工作中。

      打开干旱科学研究计划外场综合试验布局图,可以看到划定的试验点连成一个V字型,覆盖了西至新疆、东到辽宁的我国北方广袤大地。而经过一年多的建设,当时的布局已经很大程度上变为了现实。在定西、庆阳、平凉、武威、张掖……一座座为试验特别定制的观测塔已经高高竖立起来。观测塔上部分分为5个独立的层级,每层均可以观测风向、风速、温湿度和二氧化碳/水通量等要素,以此了解从地面到空中大气的变化情况。塔的地下部分则可以获取土壤含水量、温度、热通量等与干旱直接相关的信息。许多试验站点还种有农作物,以直接观测它们在特定时间和特定环境下对干旱的反应。

      在观测数据的支持下,各项课题均取得进展。研究人员分析了北半球中高纬度干湿变化及地表强化增温特征,发现全球陆地大部分地区呈变干趋势,且不同空间尺度干湿变化的趋势也不相同。在半球尺度上,东半球明显变干,而西半球反之,变干现象始于高纬度区域,逐渐向低纬扩张。具体到我国,研究人员发现土壤干旱能够引起土壤-植被-大气系统的物质和能量循环异常,对我国北方的生态环境和天气气候具有重要的影响。1951年至2008年,我国北方地区土壤干旱呈现东部变干、西部变湿的鲜明的空间特征。而且持续时间超过12个月的干旱主要分布在我国西北的干旱区。

      研究人员还发现,虽然降水不多,但干旱区降水再循环率高于其他地区,平均再循环率在中蒙、中亚和北非干旱区分别为11%22%26%。这说明在干旱地区,降水落下后迅速蒸发还原为气体,并再次转化为降水。

      农业如何应对干旱,是研究涉及的重大实践问题。研究人员发现,从拔节期开始,玉米植株对水分需求迫切,干旱易造成玉米营养器官发育不良、植株矮小、叶片早衰,各项生育期相关指标均显著低于正常灌水处理;抽雄乳熟期,干旱导致玉米果穗发育不良、籽粒不饱满、穗小粒少,并影响植株内部的干物质分配,穗重所占比例明显低于正常灌水处理,导致成熟期产量大幅度下降。综合考虑干旱致灾因子危险性指标、承灾体(土壤有效持水量、有效灌溉面积、干燥度、河流水系)脆弱性指标等,研究人员构建了我国北方春玉米干旱气象灾害风险评估模型,确定了综合风险指数。在我国春玉米种植区,内蒙古中西部、宁夏、甘肃河西地区及新疆大部干旱灾害风险较高,黑龙江西南部、吉林西部和辽宁北部风险较低。

      在这一年里,适用于干旱半干旱区域的气候模式系统(NW-RCM.0)也初步建立起来。针对干旱区陆面过程特点,研究人员改进了陆面过程模式,改进后的模式对干旱半干旱区的降水预报偏多现象有所改善。

    华南季风降水实验:解剖麻雀 细致入微

    中国气象报记者 刘钊 崔国辉

      每年3月,华南地区便会迎来我国降水量最大的雨季——华南前汛期。冷暖空气与南海季风一起,在华南地区兴风作浪,制造猛烈的降雨。而这种突发性强、降水量大的天气过程常常带来灾害,严重影响我国经济社会发展和人民的生命财产安全。其极高的预报难度更是困扰气象专家已久。2013年,世界天气研究计划华南季风降水试验项目启动,试图破解华南季风降水预报难题。

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    由中国年降水量分布图可知,华南地区多地年降水量大于2500毫米

      中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室研究员罗亚丽告诉记者,华南前汛期暴雨具有突发性强、变化快等预报难点。引发降雨的中小尺度对流系统生命史短,长的能维持十几个小时,短的不过30分钟,水平尺度大则二三百公里,小则数公里。降雨往往骤起骤停、突发性强、分布不均、短时雨强大。能报出降雨有无已经不易,精确把握影响区域和具体影响时间难度非常大——如果说台风是来自海上的大鹏,那么从体形上来讲,引发暖区暴雨的中小尺度对流系统就像不易察觉的麻雀。

      此前,许多前辈针对华南前汛期暴雨也做了相关研究,为华南季风降水试验奠定理论基础。但受制于当时气象观测设备条件,想捕获这种狡猾的天气系统十分不易。而近年来观测设备的飞速发展,为研究华南前汛期暴雨创造了客观条件。目前,华南地区的探空站间距约为二三百公里,每6小时观测一次,垂直资料分辨率可达300;天气雷达间距约一二百公里,风廓线雷达在广东及邻近地区间距缩短到几十公里,均可每6分钟上传一次观测数据;为数众多的地面气象站也提供了有益的补充。

      华南季风降水实验将降水细分为两类,即沿海暖区暴雨和内陆暖区暴雨,两者具有相似又相异的特质。

      沿海暖区暴雨降水强度大,局地性强。以201551920至次日20时的降水为例,最大降水量达542毫米,其中4站测得超过400毫米的降水,10站测得超过250毫米的降水。这次暴雨最初由局地对流引发,它在诞生后迅速影响整个降水关键区域,并与西北方的对流合并。暴雨发生在低层暖湿区域,无显著的天气尺度抬升。降雨前一日,白天对流活动形成近地面冷堆。冷堆和局地不均匀的下垫面共同导致中尺度边界形成。这一边界稳定维持一段时间后,边界附近对流连续新生,多条对流带排列起来,持续影响关键区,带来了强烈的降雨。当西北方向的中尺度对流系统移来后,降雨也宣告结束。沿海暖区暴雨发生的机制大体如此,对流触发和维持的关键取决于南海季风爆发前后环境大气状况、下垫面(局地)不均匀特征以及对流系统的较弱反馈。

      内陆暖区暴雨强度一样强大,但持续时间更长。暴雨同样发生在低层暖湿区域,无显著的天气尺度抬升。对流新生时,存在地面中尺度冷堆。在降雨关键区内,对流稳定维持,直到西北方向山地连续有新生对流发展并移入关键区。关键区内绝大部分降水是由在西北侧山区初生、发展,移入关键区并长时间维持的对流产生。因此,内陆暖区暴雨对流触发和维持机制取决于边界层的偏南气流和山脉迎风坡、遗留冷堆。

      这一研究成果在暖区暴雨研讨会华南强降水协同观测试验进展交流会上,被资深专家肯定为取得原创性的研究成果。对华南前汛期降雨机理取得更精细的认识,必将有助于对其进行更准确的预报。(来源:中国气象报)

     

     

     

     


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