最新觀測平臺探求高原地氣作用過程“最優(yōu)解”

日前，在“青藏高原地氣間水熱交換立體綜合觀測研究平臺”的啟動儀式上，中國科學院青藏高原研究所馬耀明研究員講述了數(shù)十年艱難科研探索之路，也為我們描繪了一幅地球最高處地氣作用過程的“最優(yōu)解”圖景。

“第三極”，改變?nèi)蛱鞖鈿夂?/p>

被稱為“世界屋脊”“第三極”的青藏高原，平均高度可達對流層中層的高度，獨特而復雜的地形特征使得青藏高原上空的大氣所產(chǎn)生的強大的動力和熱力作用影響著東亞氣候格局、亞洲季風進程和北半球大氣環(huán)流，是影響我國天氣和氣候事件的關(guān)鍵區(qū)，也是全球氣候變化最為敏感的地帶之一。

為什么研究高原地氣間相互作用過程？“大氣在經(jīng)過青藏高原隆起的巨大地形時，會產(chǎn)生動力和熱力作用，地表與大氣間的水熱交換將水加熱蒸發(fā)，使大氣對流形勢發(fā)生變化，就會形成云，發(fā)生降水?！瘪R耀明解釋道，而高原對周邊氣候的影響是從冷高原的表面到近地面層，再到大氣邊界層，逐步到自由大氣層，所以研究高原表面與近地面層、大氣邊界層的水熱交換過程和交換規(guī)律是非常重要的。

如何正確認識青藏高原復雜地表區(qū)域上的水熱交換規(guī)律？馬耀明解釋道，研究需要綜合借助四種方法。一是在各種不同下墊面上建立地氣相互作用綜合觀測臺站，通過觀測試驗取得資料進行分析，得到不同下墊面上、不同地形條件下的水熱交換規(guī)律，然后再通過類似瓷磚拼貼的方法，就可以得到整個高原區(qū)域上的水熱交換規(guī)律;二是結(jié)合試驗資料與衛(wèi)星遙感資料，通過參數(shù)化方案或模型得到整個高原區(qū)域水熱交換規(guī)律;三是結(jié)合試驗資料與數(shù)值模式系統(tǒng)，模擬得到整個高原區(qū)域水熱交換規(guī)律;四是將以上所取得的資料通過陸面資料同化系統(tǒng)進行分析，得到整個高原區(qū)域水熱交換規(guī)律。

建臺站，布網(wǎng)探測世界高地

“科學觀測試驗是關(guān)鍵?！瘪R耀明反復強調(diào)。

針對青藏高原綜合觀測研究站點缺乏這一短板，從1989年起，中國科學院青藏高原研究所地氣作用與氣候效應(yīng)團隊建立了覆蓋高寒草甸、高寒荒漠戈壁、高寒荒漠草原等高原典型下墊面天氣氣候關(guān)鍵敏感區(qū)的觀測站，并對青藏高原不同下墊面大氣邊界層、土壤水熱變化以及地-氣間能量水分交換規(guī)律等進行長期觀測研究。

在此基礎(chǔ)上，馬耀明等研究人員發(fā)布了全球首套由長期氣象梯度觀測、四分量輻射觀測、土壤水熱特征觀測以及大氣湍流特征觀測構(gòu)成的高時間分辨率青藏高原地-氣相互作用綜合觀測數(shù)據(jù)集。

經(jīng)過三十余年的艱苦努力，團隊在青藏高原上建立和完善了青藏高原水熱交換綜合立體觀測研究網(wǎng)絡(luò)體系，基本建成了第三極地區(qū)多圈層地氣相互作用過程數(shù)據(jù)庫?！霸诘诙吻嗖乜瓶柬椖康拇罅χС窒?，在青藏高原主體共新建了11座大氣邊界層廓線塔站觀測系統(tǒng)、9套微波輻射計組網(wǎng)觀測系統(tǒng)和10套風吹雪組網(wǎng)觀測系統(tǒng)。”馬耀明說，加之高原上已有的大氣邊界層廓線塔站組網(wǎng)觀測系統(tǒng)、渦動協(xié)方差通量組網(wǎng)觀測系統(tǒng)以及土壤溫、濕度組網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，成功組建了青藏高原地氣間水熱交換立體綜合觀測研究平臺。

立體化，實現(xiàn)綜合集成觀測

通過地平面上的測風雷達、微波輻射儀等設(shè)備，地上500米處的低空無人機、地上1000米處的系留艇、地上到高空1萬米處的無線電探空儀等設(shè)備，地上1萬米處的遙感飛機，以及地上300千米處的專業(yè)衛(wèi)星……據(jù)介紹，最新組建的青藏高原地氣間水熱交換立體綜合觀測平臺涵蓋了青藏高原的各種地形地貌，可實現(xiàn)青藏高原近地層和對流層多要素、全天候的綜合集成觀測，為區(qū)域及其周邊地區(qū)天氣監(jiān)測與預報、災害性天氣預警及氣候環(huán)境預測等提供綜合觀測數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。

日前，第二次青藏科考“地氣相互作用及其氣候效應(yīng)”專題分隊從蘭州集合出發(fā)，青藏高原地氣間水熱交換立體綜合觀測平臺也正式啟動。以青藏高原各種地形和地貌狀況下的水熱交換規(guī)律為考察核心，專題分隊目前已在國內(nèi)外8個臺站上完成了3次地氣相互作用及其氣候效應(yīng)立體綜合加強觀測試驗。

“此次科考將是首次利用地氣間水熱交換立體綜合觀測平臺、無人機多光譜影像、機載渦動湍流通量觀測平臺、衛(wèi)星遙感相結(jié)合方式的綜合、立體觀測?！瘪R耀明說，生成的實景三維模型，可幫助研究人員準確掌握各種復雜地貌特征下的綜合信息資料。