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第三次青藏高原大气科学试验-边界层与对流层观测项目:在地球最高处勾画大气图景

中国气象报记者 赵晓妮 通讯员 杨蕾 张岳

  青藏高原的夏夜,千万颗星星闪耀夜空。

  在过去几年数个星河壮美的夜里,有一群气象工作者埋头于数据分析。在他们心里,获取珍贵的高原大气数据亦如“摘取星辰”——那光芒现在或许微小,未来却可能照亮大气科学领域远方。

  6月10日,在第三次青藏高原大气科学试验-边界层与对流层观测项目验收会上,项目负责人、中国气象科学研究院研究员赵平讲述数年“摘星之路”,也为我们勾画了一幅比过去更清晰的青藏高原大气图景。

第三次青藏高原大气科学试验外场综合观测示意图(图片来源:中国气象科学研究院) 

  第三次向“高地”出发

  在气象乃至地球科学领域,青藏高原不仅意味着海拔数据之高,更如同待攀登的科学“高地”,极其重要却也迷雾重重。

  一方面,青藏高原复杂地形和加热作用对中国乃至全球天气气候产生重要影响。这个占中国陆地面积约四分之一的巍峨之地,就像一个巨大的“引擎”,总辐射量惊人,并由此形成了一个“嵌入”对流层中部大气的巨大热源,对全球与区域大气环流系统变化的动力“驱动”产生了难以估计的影响。

  另一方面,囿于高原上常规观测站网稀疏、卫星产品不确定性较大等因素,相关高原气象学研究的诸多关键科学技术问题仍有待解决。

  气象工作者对青藏高原的探索已持续多年。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,并取得了许多具有重要价值的研究成果。

  到21世纪,面对这个依然至关重要的“科学议题”,气象部门酝酿“三上”高原。中国气象局党组专门向科学技术部等部门建议,国家自然科学基金委员会专程到中国气象局调研。从2009年开始,中国气象局提出立项申请。十多位院士、两百多位国内外专家多次研讨,跨部门协调会及全国研讨会就召开4次以上。

  到2013年5月,中国气象局、国家自然科学基金委员会、中国科学院共同推动了第三次青藏高原大气科学试验立项,开展从陆面到平流层的三维外场综合观测以及科学理论和技术研究。

  作为此次科学试验第一期行业专项重大项目,“边界层与对流层观测”的主要任务即开展青藏高原陆面水热平衡观测、边界层过程观测、云降水物理过程观测、青藏高原大气水循环综合观测、青藏高原与下游灾害天气发生区综合观测、青藏高原卫星遥感产品校验的综合观测。

  与前两次青藏高原大气科学试验相比,此次试验更为宏大。赵平介绍说,在第一阶段,边界层与对流层观测项目历时数年,除了气科院牵头承担以外,参与试验的单位近50家,实际参加人员280余人;同时,观测也由过去的陆面和边界层延伸到了对流层。

  此次科学试验专家指导组组长、中国科学院院士周秀骥说:“最终的想法是,通过科学试验真正提出现代化的青藏高原观测系统究竟是怎么样的,其次是将资料和成果应用到数值模式预报中,提高预报水平。”

  正是背负着这样沉沉的殷切希望,科学试验领导小组和专家指导组、中国气象局相关职能部门、试验参与单位协力,科研人员一路“奔上”青藏高原。

外场试验现场(图片来源:中国气象科学研究院)

  在高原上布网“捕获”珍贵数据

  2014年7月3日,一架“空中国王”飞机从格尔木机场飞往西藏那曲,对积云对流泡、积云、层云、层积云宏微观物理特征等多项内容进行探测。与此同时,那曲的雷达观测组所有雷达设备24小时不停机运转,那曲地区气象局同步加密探空观测。

  这是我国首次开展青藏高原中部云降水物理特征飞机和地基雷达综合观测。

  实际上,项目组对外场综合观测的创新设计就是立体的。从地面延伸到高空,项目组创新开展高原陆面-边界层-对流层多尺度过程观测,开发云微物理特征综合观测技术,一些观测站网的准业务运行填补了青藏高原中西部缺少土壤湿度和对流层常规气象要素探空业务观测资料空白,实现了青藏高原陆面-边界层-对流层的天-地-空一体化综合观测技术的重要突破。

  每个初夏时节,科研人员穿上冲锋衣,一路向雪域高原进发。在那里,“缺氧不缺斗志,海拔高境界更高”的精神得以传承,科研人员忍受着高原缺氧、日晒强烈等艰苦条件,克服暴雨、雷击等对仪器设备运行及探空观测的干扰,每天准时开展观测。

  高原工作的艰辛和不易未被辜负,一项项扎实成果陆续揭晓:构建了高原陆面-边界层观测、云降水物理过程和大气水循环观测、臭氧和气溶胶观测、高原目标区与下游灾害天气过程协同观测等观测系统;发展了高原观测资料质量控制和数据融合技术;圆满完成高原陆面-边界层物理过程、云降水物理过程与大气水循环过程、对流层-平流层大气成分特征、高原对天气气候影响等研究任务。

  “该项目在构建青藏高原综合系统、发展关键水循环变量遥感反演算法和模型参数化方案、揭示重要观测事实和物理过程等方面取得多项重要创新性成果。”验收专家组组长、中国工程院院士宋君强评价说。

  项目获取的珍贵数据也很快发挥了作用,比如狮泉河、改则和申扎新建全自动探空观测系统的资料已经进入全国综合气象信息共享平台(CIMISS)业务系统和中国气象数据网,进入业务平台和数值预报系统。西南低涡源地加密探空观测资料在成都区域气象中心被应用,提升了区域天气预报业务能力。西藏中西部46个土壤湿度观测点在西藏自治区气象局实现业务试运行。

  此外,项目组建立起青藏高原科学考察基本资料服务专题网站,将试验观测数据慷慨共享,造福更多中国科研工作者。

青藏高原科学考察基本资料服务专题网站(图片来源:中国气象科学研究院)

  气象工作者在地球第三极亮起更多光束

  作为地球第三极,青藏高原地位独特。相关研究也已经成为全球科学竞争的热点。

  更多的试验、更翔实的数据,让项目组在描摹青藏高原大气图景时取得了大量原创性成果。

  过去,科学家对于高原陆面及地-气交换时空变化特征有不同的推测,而该项目发现过去可能过高估计了高原感热强度,高原西部与中部的差异大于中部区域网内不同站之间的差异。据悉,更深入的研究将在高原试验第二阶段继续推进。

  项目组提出了高原云降水微物理形成理论及维持高原水分循环物理模型,揭开了青藏高原独特的云降水物理的神秘面纱,解释了青藏高原对流活动“独立性”特征,建立起追踪高原信号影响下游暴雨过程的理论方法等,刷新人们对青藏高原大气运动机理的认知。

  气象科研人员践行把“科技成果应用在实现现代化的伟大事业中”,积极回应了“科研推动业务发展”的期待。11项试验成果实现业务化、22项业务得以应用和准业务化,尤其在核心成果使用方面亮点频出,建立了高原中西部地面土壤观测网和西部自动探空准业务化系统,新研发高原探空、天气雷达、风廓线雷达资料和GPS水汽产品质量控制技术,实现了风云卫星可降水量和土壤湿度反演以及三源降水融合的国家级业务化,显著提升了风云二号F星和GPS国家级可降水业务产品在青藏高原地区的质量,并达到国际先进水平,数据产品的应用也提升了国家级和省级天气预报业务水平。

  “当前科技管理工作在发生变化,更关注取得成果和发挥作用,而不是发了多少论文。”中国气象局科技与气候变化司司长姚学祥表示,“我们将进一步组织梳理项目取得的突破性进展,探讨成果对未来业务规划布局的启示。”

  掌声过后,是更多期待与责任。专家指导组副组长、中国工程院院士徐祥德建议在下一步探索中增加智能化内容;专家指导组副组长、中国科学院院士吴国雄建议联合更多省份气象部门继续推进青藏高原大气科学研究。

  对研究者来说,了解青藏高原越多,越能感受其辽阔、雄伟景色背后的美丽。每个数据的改进、每个公式的优化,都如同射出的光束,引领着我们去探索那条由星光勾勒出来的路径。

 

  

  (责任编辑:栾菲)  

  

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