復(fù)雜山地氣象觀測試驗研究綜述

徐安倫 張萬誠, 李建, 謝屹然 董保舉 蘇錦蘭

（1 大理國家氣候觀象臺，大理 671003；2 中國氣象局大理山地氣象野外科學(xué)試驗基地，大理 671003；3 云南省氣象科學(xué)研究所，昆明 650034；4 中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081；5 云南省氣象臺，昆明 650034）

0 引言

全球山地面積接近0.4億km2（圖1），大約占陸地表面的27%[1]，居住著全球26%的人口，產(chǎn)生全球32%的地表徑流[2]。它們是由多種地貌形態(tài)要素有機(jī)組合及其斜坡環(huán)境效應(yīng)與相應(yīng)多種生態(tài)系統(tǒng)類型相耦合的一種特殊地域類型[3-4]，其最基本的特征是擁有較大的相對高度和較陡的坡度并有嶺谷的組合。陸地上各種山地地形，如大尺度的青藏高原和落基山脈、中尺度的太行山脈、小尺度的南方山丘，以其不同的高度、尺度、坡度和幾何形態(tài)對大氣運動產(chǎn)生各種動力、熱力效應(yīng)[5]，直接或間接影響著局地、區(qū)域乃至全球的大氣環(huán)流、天氣氣候、人類活動和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等。

圖1 全球山地分布示意圖（圖中山地類型是根據(jù)海拔和坡度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，類型1為海拔＞4500 m，2為海拔3500～4500 m，3為海拔2500～3500 m，4為海拔1500～2500 m和坡度≥2°，5為海拔1000～1500 m和坡度≥5°，6為海拔300～1000 m和局地7 km半徑范圍的海拔＞300 m，7為內(nèi)部獨立的盆地/平原面積＜25 km2）Fig. 1 Distribution of the global mountain areas (Mountain classes in the figure is based on elevation and slope. The class 1 is under elevation ＞ 4500 m. Class 2 is under elevation 3500-4500 m. Class 3 is under elevation 2500-3500 m.Class 4 is under elevation 1500-2500 m and slope≥2°. Class 5 is under elevation 1000-1500 m slope≥5°. Class 6 is under elevation 300-1000 m and local elevation range with 7 km radius ＞ 300 m. Class 7 is under isolated inner basins and plateaus ＜ 25 km2)

山區(qū)海拔高度差異較大、下墊面植被分布不均、氣象站代表區(qū)域有限、常規(guī)觀測設(shè)備不易在極端天氣條件下運行、安裝和維護(hù)設(shè)備較平原地區(qū)困難、不易在山區(qū)開展標(biāo)準(zhǔn)化天氣觀測以及地形效應(yīng)的錯綜復(fù)雜性等多方面原因，山區(qū)特別是高海拔地區(qū)的氣象站點稀少、觀測資料缺乏，人們對山地天氣和氣候的認(rèn)識仍非常有限[6-7]。然而，在全球氣候變暖的背景下，高原山地地區(qū)的天氣氣候變化顯示出了異常敏感性[8-10]，被國際學(xué)術(shù)界視為全球變化的前哨[11]。同時，從短期天氣預(yù)報上看，山區(qū)極易發(fā)生災(zāi)害性氣象事件，比如暴風(fēng)雪、強(qiáng)對流、山洪泥石流、大風(fēng)、森林野火，冷池造成的空氣污染等。其中突出的災(zāi)害是山地短時強(qiáng)降水，因為短時強(qiáng)降水可以在短時間內(nèi)迅速形成暴洪，引發(fā)滑坡、泥石流、山洪、城市內(nèi)澇等災(zāi)害，從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

山地短時強(qiáng)降水其突發(fā)性強(qiáng)、時空尺度較小，一直是天氣預(yù)報業(yè)務(wù)的難點，山地區(qū)域的預(yù)報水平亟需提高[12]。由于地形復(fù)雜、觀測資料相對匱乏及模式技術(shù)的局限，數(shù)值模式對山地區(qū)域的預(yù)報能力普遍低于我國其他地區(qū)[13-14]。因此，開展山地精細(xì)化各類要素的外場觀測試驗是山地天氣氣候特征的掌握，山區(qū)強(qiáng)降水預(yù)報水平的提高，數(shù)值模式物理過程參數(shù)化方案的改進(jìn)和衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品的驗證基礎(chǔ)，觀測資料的獲取是開展以上研究的前提條件。本文概括了科學(xué)家們在一些大型山脈地區(qū)開展的氣象觀測試驗和相關(guān)研究進(jìn)展，總結(jié)了在低緯高原地區(qū)開展的山地氣象觀測和研究成果，以及概括了開展外場觀測存在的問題和未來發(fā)展趨勢，以期為復(fù)雜地形條件下開展觀測試驗研究提供參考。

1 研究進(jìn)展

外場觀測試驗是研究山地氣象最為重要的手段之一。國際上從20世紀(jì)50年代起就在一些著名的山脈地區(qū)開展了許多重要的外場試驗和研究計劃（表1[15-52]），并針對山地?zé)崃拷粨Q、輻射平衡、水分循環(huán)、大氣結(jié)構(gòu)、地形云、地形降水、地形湍流、地形波拖曳、焚風(fēng)效應(yīng)、上（下）坡流、進(jìn)（出）谷流、山地－平原（盆地）流、峽谷急流、障礙急流、尾流、冷池、山脈波動、大氣轉(zhuǎn)子、重力波、空氣污染擴(kuò)散等方面作了大量的觀測分析、理論研究和數(shù)值模擬工作。例如，1951—1952年、1955年在美國內(nèi)華達(dá)山脈地區(qū)開展了地形波項目[31]，重點觀測和研究山脈波動和背風(fēng)波現(xiàn)象。2004年、2006年又在該地區(qū)開展了地形波轉(zhuǎn)子試驗（SRP2004、T-REX，如圖2的機(jī)載平臺觀測）[32]，深入研究了決定大氣轉(zhuǎn)子耦合系統(tǒng)動力和結(jié)構(gòu)的上游氣流特征、地形波與轉(zhuǎn)子的動力相互作用、內(nèi)部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子與邊界層的相互作用、低層重力波破碎和湍流，提高對地形波、大氣轉(zhuǎn)子和邊界層耦合系統(tǒng)的理解和預(yù)測能力。1981年9月—1982年10月，就阿爾卑斯山脈及其周邊氣流問題（如背風(fēng)波氣旋生成、山脈波動和下坡風(fēng)、大氣湍流輸送等）開展了阿爾卑斯山試驗（ALPEX）[23]。1999年9—10月在阿爾卑斯山脈地區(qū)開展了中尺度觀測項目（MAP）[24]，實施了地形降水機(jī)制、對流層上部位勢渦度的異常特性、水文測量和洪水預(yù)測、峽谷流動力學(xué)特征、大型山谷焚風(fēng)的非穩(wěn)定性、重力波破碎、高山尾流的三維結(jié)構(gòu)和陡峭地形的行星邊界層結(jié)構(gòu)8個科學(xué)項目。2011年8月在阿爾卑斯山脈地區(qū)的因河山谷建立了復(fù)雜地形湍流交換過程的長期觀測網(wǎng)[25]。1993—1995年在新西蘭的南阿爾卑斯山開展了大型外場試驗SALPEX[49]。Mcgowan等[53]根據(jù)實測資料，分析了南阿爾卑斯山東部湖風(fēng)的熱力特征和時間變化，發(fā)現(xiàn)周圍的山脈為湖盆阻擋了大多數(shù)的天氣風(fēng)，從而使局地和區(qū)域產(chǎn)生的熱力環(huán)流發(fā)展到山脊高度（大約1300 m）。2011年6月—2016年5月在美國陸軍達(dá)格韋試驗場持續(xù)開展了山地地形大氣模擬和觀測項目（MATERHORN）[47]，項目圍繞高分辨率觀測、近地面層物理過程（圖3）、地表和淺層土壤屬性、邊界層參數(shù)化、數(shù)據(jù)同化、中尺度模式的高分辨率模擬等方面進(jìn)行，取得了大量的研究成果。2014年5—7月在新西蘭開展了深傳輸重力波試驗（DEEPWAVE）[51]，對重力波的生成、傳輸、動量通量、不穩(wěn)定性等進(jìn)行詳細(xì)觀測和模擬分析。2015年11月—2016年2月在美國奧林匹克山脈地區(qū)開展了奧林匹克山試驗（OLYMPEX）[54]，主要驗證和評估了全球降水觀測（GPM）衛(wèi)星反演產(chǎn)品，改進(jìn)算法，提高GPM衛(wèi)星對雨和雪的觀測能力，研究降水物理學(xué)和動力學(xué)如何影響衛(wèi)星雷達(dá)測量，研究地形對降水過程的影響，同時拓展衛(wèi)星產(chǎn)品的應(yīng)用范疇。2016年10月—2017年5月在法國和西班牙邊界的比利牛斯山脈地區(qū)開展了塞爾達(dá)尼亞2017外場試驗[27]，其目標(biāo)是研究穩(wěn)定條件下冷池的形成、局地風(fēng)環(huán)流以及地形波、大氣轉(zhuǎn)子、低空湍流、地形對降水過程的影響。Uccellini[55]、Sharman[56]研究表明慣性重力波在中尺度系統(tǒng)中有著非常重要的作用，能引起大風(fēng)、冰雹、暴雨等災(zāi)害性天氣。Tuleya[57]使用地球物理流體動力學(xué)實驗室（GFDL）熱帶氣旋模式開展了風(fēng)暴發(fā)展過程中的地形敏感性試驗，結(jié)果表明地表粗糙度和相對濕度的降低的確能加速風(fēng)暴的減弱。Ward等[58]對復(fù)雜地形下的雨量筒實測值和再分析資料、衛(wèi)星遙感的降水產(chǎn)品進(jìn)行了評估。這些觀測試驗和研究計劃不僅積累了大量寶貴的第一手資料，為天氣尺度和中小尺度山地氣象學(xué)研究、模式參數(shù)化方案開發(fā)與改進(jìn)、衛(wèi)星遙感反演的驗證與評估等提供數(shù)據(jù)支撐，而且揭示了山地對大氣產(chǎn)生的影響及其有關(guān)的大氣物理過程，豐富了人們對山地氣象的認(rèn)識和了解，促進(jìn)了山地氣象學(xué)的快速發(fā)展。

圖2 地形波轉(zhuǎn)子試驗（T-REX）機(jī)載平臺觀測綜合圖[32]Fig. 2 Composite image of the Terrain-Induced Rotor Experiment (T-REX) airborne platforms[32]

圖3 美國陸軍達(dá)格韋試驗場復(fù)雜地形下的物理過程[47]Fig. 3 Physical processes in complex terrain of the U.S.Army Dugway Proving Ground[47]

表1 山地氣象外場觀測試驗/項目[15-52]Table 1 Field observation experiments/projects for the mountain meteorology[15-52]

國內(nèi)在山地氣象觀測方面，主要圍繞青藏高原及其周邊地區(qū)開展了許多在國際上比較有影響力的大氣科學(xué)試驗。為研究青藏高原天氣氣候、地表輻射和熱量收支以及高原熱動力效應(yīng)對東亞大氣環(huán)流影響，1979年5—8月中國科學(xué)院和中央氣象局開展了第一次青藏高原氣象科學(xué)試驗（QXPMEX）[15]。為揭示青藏高原陸－氣物理過程和大氣邊界層結(jié)構(gòu)等，1998年5—8月中國氣象局和中國科學(xué)院開展了第二次青藏高原大氣科學(xué)試驗（TIPEX）[16]，1998年5—9月中日科學(xué)家開展了全球水分能量循環(huán)亞洲季風(fēng)試驗－青藏高原陸面物理過程研究[59]，2002—2004年中國科學(xué)院開展了高原中部的加強(qiáng)期觀測試驗[60]。為認(rèn)識青藏高原陸－氣相互作用過程及其對東亞以東地區(qū)極端天氣氣候的影響等，2006—2009年中日科學(xué)家聯(lián)合開展了中日氣象災(zāi)害合作研究JICA項目，在青藏高原及周邊地區(qū)建立了新一代綜合氣象觀測系統(tǒng)，特別是對水汽的觀測[17-18]。為深入研究青藏高原陸－氣相互作用特征以及發(fā)展陸面－大氣耦合模式系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，中國氣象局、國家自然科學(xué)基金委員會和中國科學(xué)院于2014年正式啟動了第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗（TIPEX-Ⅲ）[19-20]，實現(xiàn)了對青藏高原陸面、邊界層、對流層和平流層相互作用過程的地基、空基和天基觀測（圖4）[61]。這些大氣科學(xué)試驗的實施，取得了大量寶貴的第一手資料和許多重要的科研成果[62-66]，并推動了高原氣象學(xué)的高質(zhì)量發(fā)展。

圖4 第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗外場觀測示意圖[61]Fig. 4 Schematic diagram of the field observations of the Third Tibetan Plateau Atmospheric Science Experiment [61]

國內(nèi)在山地氣象研究方面，主要集中在山地天氣和氣候特征、山地對大氣和大氣環(huán)流的熱力和動力作用、山地對天氣和氣候變化的影響等[67]。例如，高登義[67]利用我國高山地區(qū)的科學(xué)考察資料，系統(tǒng)研究了喜馬拉雅山脈、天山山脈和橫斷山脈地區(qū)的地氣熱量交換和大氣冷熱源特征，揭示了大氣環(huán)流變化對山地與大氣之間相互作用的影響等。王宇[68]分析研究了云南境內(nèi)的白馬雪山、高黎貢山和哀牢山的垂直氣候特征。周明煜等[69]利用第二次青藏高原大氣科學(xué)試驗觀測數(shù)據(jù)，分析研究了青藏高原大氣邊界層熱力和動力特征以及地-氣過程綜合物理圖像等。徐祥德等[70]從青藏高原對東亞、全球天氣氣候影響的視角，提出了青藏高原大氣水分循環(huán)機(jī)制，剖析了青藏高原作為聳立在地球大氣對流層中部的“中空熱島”的動力、熱力結(jié)構(gòu)特征等。

位于我國西南部的低緯高原地區(qū)，具有獨特的山地環(huán)境和氣候條件，是開展山地氣象外場觀測試驗研究的天然理想場所。2004年、2006年先后在該地區(qū)的香格里拉和大理建立復(fù)雜山地綜合觀測。香格里拉大氣本底觀測站主要圍繞大氣本底觀測作為氣候系統(tǒng)監(jiān)測的重要分支，不僅為氣候變化研究、氣候系統(tǒng)監(jiān)測和影響評估以及衛(wèi)星遙感探測體系的驗證提供第一手觀測資料，而且可以為生態(tài)環(huán)境保護(hù)恢復(fù)工程、大氣污染防治、環(huán)境氣象預(yù)報和服務(wù)的相關(guān)業(yè)務(wù)和科研提供寶貴的第一手觀測資料。在氣候變化模式研究、未來的先進(jìn)天氣氣候預(yù)報預(yù)測技術(shù)乃至化學(xué)天氣預(yù)報業(yè)務(wù)的發(fā)展中，大氣本底觀測將提供不可或缺的溫室氣體、氣溶膠、反應(yīng)性氣體等大氣化學(xué)組成及其相關(guān)物理特性長期變化客觀資料，為相關(guān)大氣化學(xué)過程模式的研發(fā)、驗證和業(yè)務(wù)運行服務(wù)提供必要的基礎(chǔ)支撐。目前已開展溫室氣體、氣溶膠、反應(yīng)性氣體、臭氧等監(jiān)測及分析。田永麗等[71]基于衛(wèi)星遙感產(chǎn)品和太陽光度計觀測資料，分析表明我國西南地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）全年呈現(xiàn)西高東低的分布特征，成都地區(qū)AOD日變化呈準(zhǔn)雙峰型，而香格里拉AOD日變化呈逐漸增大趨勢。李鄒等[72]、Ma等[73]基于地面O3和CO觀測資料，O3和CO均在春季出現(xiàn)最大值，而最小值分別出現(xiàn)在夏季和冬季。O3向下輸送的季節(jié)變化與平流層向?qū)α鲗虞斔鸵约案睙釒Ъ绷鞯募竟?jié)變化相一致。

大理主要采用“一臺多點”的布局，以蒼山洱海為中小尺度復(fù)雜地形的典型代表，除基準(zhǔn)氣候、農(nóng)業(yè)氣象觀測外，在洱海東岸、蒼山山頂及其東西兩側(cè)不同海拔高度建成典型山地剖面觀測系統(tǒng)，在洱海北部、中部和南部近岸水域建成生態(tài)氣象觀測系統(tǒng)，環(huán)洱海周邊布設(shè)自動氣象站和多普勒天氣雷達(dá)，在大理國家氣候觀象臺觀測試驗場（代表洱海湖濱農(nóng)田下墊面）建成邊界層風(fēng)（溫）廓線雷達(dá)、20米邊界層鐵塔通量觀測系統(tǒng)、地基GPS水汽監(jiān)測系統(tǒng)、地面基準(zhǔn)輻射站、雙波長（紅外波和微波）閃爍儀、閃電定位儀、大氣電場儀、單點和區(qū)域尺度土壤水分自動觀測系統(tǒng)、Ka波段云雷達(dá)、微波輻射計等先進(jìn)探測設(shè)備，組成了一個復(fù)雜地形環(huán)境下的山地氣象綜合觀測體系（圖5），覆蓋了從地面、水面到高空大氣物理參數(shù)的立體、三維監(jiān)測[74-75]。目前，基于已有觀測基礎(chǔ)，針對云南低緯高原的地形地貌特點（以大理的復(fù)雜地形、水體為代表），圍繞復(fù)雜山地對大氣影響的關(guān)鍵科學(xué)問題，開展復(fù)雜地形區(qū)氣象要素高時空分辨率監(jiān)測及精細(xì)化特征研究，初步揭示了復(fù)雜山地天氣氣候變化規(guī)律及其形成機(jī)理[76-88]；圍繞青藏高原大氣熱源敏感區(qū)的核心科學(xué)問題，開展非絕熱加熱監(jiān)測及其對周邊天氣氣候的影響研究，初步揭示了陸－氣和湖－氣交換過程的關(guān)鍵參數(shù)變化規(guī)律[89-95]；針對云南低緯高原地理位置特點，圍繞季風(fēng)水汽輸送關(guān)鍵區(qū)的核心科學(xué)問題，開展西南季風(fēng)水汽輸送關(guān)鍵區(qū)水汽監(jiān)測及其變化特征研究，揭示水汽變化和水分循環(huán)對區(qū)域及下游地區(qū)的影響[96-98]；針對大理及周邊的陸地生態(tài)系統(tǒng)，圍繞生態(tài)文明建設(shè)氣象保障服務(wù)需求，按照“山水林田湖草是一個生命共同體”理念，將山地－湖體－湖濱融為一體，開展區(qū)域生態(tài)氣象監(jiān)測及服務(wù)，研究氣象條件對洱海水生態(tài)環(huán)境的影響等，為生態(tài)文明建設(shè)氣象保障服務(wù)提供理論和技術(shù)支持。

圖5 大理國家氣候觀象臺綜合氣象觀測網(wǎng)（地圖引自Google Earth）Fig. 5 Integrated meteorological observation network at Dali National Climate Observatory（map from Google Earth）

2 存在的主要問題及未來發(fā)展趨勢

國內(nèi)外在山地氣象觀測試驗設(shè)計和有效組織方面，以往的許多試驗主要集中在加強(qiáng)期（如夏季、冬季等）進(jìn)行特種觀測，沒有進(jìn)行多年長時間的連續(xù)觀測，難以揭示山地氣象各要素的季節(jié)、年際、年代際等時間尺度的變化特征，部分觀測試驗的科學(xué)問題和設(shè)計思路不夠清晰，組織實施也不夠有力。未來的觀測試驗將會強(qiáng)化組織管理，更加關(guān)注試驗設(shè)計和有效實施，多部門聯(lián)合在山地環(huán)境針對不同的科學(xué)問題進(jìn)行加強(qiáng)期觀測、特種觀測和長期連續(xù)觀測。山區(qū)斷面不同海拔高度的降水、氣溫、輻射等要素的垂直梯度變化，非均勻下墊面與大氣間的能量、水分、CO2交換以及大氣垂直結(jié)構(gòu)、地形重力波、云雨微物理過程等仍然是未來山地外場試驗設(shè)計的重點觀測對象。

而山地氣象觀測的空間布局和設(shè)備架設(shè)，也是未來觀測試驗中需要重點關(guān)注的問題之一。選取具有代表性的復(fù)雜地形，架設(shè)高密度的山地氣象剖面觀測、地表輻射、大氣成分、地基遙感垂直廓線（如風(fēng)、溫度、水汽、水凝物、氣溶膠、臭氧等）和不同空間尺度的感熱潛熱通量觀測等設(shè)備，結(jié)合飛機(jī)、無人機(jī)、直升機(jī)、探空氣球、熱氣球、系留汽艇、衛(wèi)星等觀測平臺，形成天－地－空一體化的觀測格局，開展長期穩(wěn)定的立體、綜合觀測，獲取多次層（如陸地表層、近地層、邊界層、對流層、平流層等）、多尺度（如微尺度、小尺度、中尺度、天氣尺度等）、多要素（如湍流通量、氣溶膠、云、降水粒子、閃電和常規(guī)氣象參數(shù)等）以及高分辨率、長序列的山地氣象監(jiān)測資料，對推動山地氣象學(xué)學(xué)科的發(fā)展以及認(rèn)識山地地區(qū)天氣氣候特征、復(fù)雜地形對大氣的影響等具有重大意義。

在山地氣象觀測資料積累和分析應(yīng)用方面，由于山區(qū)環(huán)境條件惡劣，觀測設(shè)備性能要求高，可靠、長期、連續(xù)的實測資料比較缺乏，加之地形效應(yīng)的錯綜復(fù)雜性，近年來山地氣象相關(guān)的科學(xué)研究進(jìn)展緩慢，特別是要提高山區(qū)的氣象預(yù)測預(yù)報準(zhǔn)確率比較困難。除加大對山地氣象觀測研究的資金投入外，還要增加山地監(jiān)測設(shè)備的布點以及觀測站點的加密觀測，使觀測資料不斷補(bǔ)充和完善，加強(qiáng)資料處理和質(zhì)量控制，積累高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化的山地氣象外場觀測資料集。重視山地氣象的觀測事實分析和基礎(chǔ)理論研究，尤其要重點研究地形對降水的觸發(fā)和影響機(jī)制。同時利用常規(guī)和非常規(guī)大氣探測資料以及現(xiàn)代理論和先進(jìn)技術(shù)（如大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、大渦模擬技術(shù)等），借助高分辨率數(shù)值模式進(jìn)行模擬分析，加強(qiáng)山地天氣氣候研究，豐富山地天氣氣候的分析預(yù)報方法，高質(zhì)量推進(jìn)山地氣象業(yè)務(wù)化和服務(wù)工作[11]。