在地球之巅 探求高原地气作用过程“最优解”

日前,在“青藏高原地气间水热交换立体综合观测研究平台”启动仪式上,中国科学院青藏高原研究所马耀明研究员讲述了数十年艰难科研探索之路,也为我们描绘了一幅地球最高处地气作用过程的“最优解”图景。

“第三极”,改变全球天气气候

被称为“世界屋脊”“第三极”的青藏高原,平均高度可达对流层中层的高度,独特而复杂的地形特征使得其上强大的动力和热力作用影响着东亚气候格局、亚洲季风进程和北半球大气环流,是影响我国天气和气候事件的关键区,也是全球气候变化最为敏感的地带之一。

为什么研究高原地气间相互作用过程?“大气在经过青藏高原隆起的巨大地形时,会产生动力和热力作用,地表与大气间的水热交换将水加热蒸发,使大气对流形势发生变化,就会形成云,发生降水。”马耀明解释道,而高原对周边气候的影响是从冷高原的表面到近地面层,再到大气边界层,逐步到自由大气层,所以研究高原表面与近地面层、大气边界层的水热交换过程和交换规律是非常重要的。

如何正确认识青藏高原复杂地表区域上的水热交换规律?马耀明解释道,研究需要综合借助四种方法。一是在各种不同下垫面上建立地气相互作用综合观测台站,通过观测试验取得资料进行分析,得到不同下垫面上、不同地形条件下的水热交换规律,然后再通过类似瓷砖拼贴的方法,就可以得到整个高原区域上的水热交换规律;二是结合试验资料与卫星遥感资料,通过参数化方案或模型得到整个高原区域水热交换规律;三是结合试验资料与数值模式系统,模拟得到整个高原区域水热交换规律;四是将以上所取得的资料通过陆面资料同化系统进行分析,得到整个高原区域水热交换规律。

建台站,布网探测世界高地

“科学观测试验是关键。”马耀明反复强调。

针对青藏高原综合观测研究站点缺乏这一短板,1989年起,中国科学院青藏高原研究所地气作用与气候效应团队建立了覆盖高寒草甸、高寒荒漠戈壁、高寒荒漠草原等高原典型下垫面天气气候关键敏感区的观测站,并对青藏高原不同下垫面大气边界层、土壤水热变化以及地—气间能量水分交换规律等进行长期观测研究。

在此基础上,马耀明等研究人员发布了全球首套由长期气象梯度观测、四分量辐射观测、土壤水热特征观测以及大气湍流特征观测构成的高时间分辨率青藏高原地—气相互作用综合观测数据集。

经过三十余年的艰苦努力,团队在青藏高原上建立和完善了青藏高原水热交换综合立体观测研究网络体系,基本建成了第三极地区多圈层地气相互作用过程数据库。“在第二次青藏科考项目的大力支持下,在青藏高原主体共新建了11座大气边界层廓线塔站观测系统、9套微波辐射计组网观测系统和10套风吹雪组网观测系统。”马耀明说,加之高原上已有的大气边界层廓线塔站组网观测系统、涡动协方差通量组网观测系统以及土壤温、湿度组网监测系统,成功组建了青藏高原地气间水热交换立体综合观测研究平台。

立体化,实现综合集成观测

通过地平面上的测风雷达、微波辐射仪等设备,地上500米处的低空无人机、地上1000米处的系留艇、地上到高空10000米处的无线电探空仪等设备,地上10000米处的遥感飞机,以及地上300千米处的专业卫星……据介绍,最新组建的青藏高原地气间水热交换立体综合观测平台涵盖了青藏高原的各种地形地貌,可实现青藏高原近地层和对流层多要素、全天候的综合集成观测,为区域及其周边地区天气监测与预报、灾害性天气预警及气候环境预测等提供综合观测数据和决策依据。

7月15日,第二次青藏科考“地气相互作用及其气候效应”专题分队从兰州集合出发,青藏高原地气间水热交换立体综合观测平台也正式启动。以青藏高原各种地形和地貌状况下的水热交换规律为考察核心,专题分队目前已在国内外8个台站上完成了3次地气相互作用及其气候效应立体综合加强观测试验。

“此次科考将是首次利用地气间水热交换立体综合观测平台、无人机多光谱影像、机载涡动湍流通量观测平台、卫星遥感相结合方式的综合、立体观测。”马耀明说,生成的实景三维模型,可帮助研究人员准确掌握各种复杂地貌特征下的综合信息资料。

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