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青藏高原像引擎 “驅動”大氣云團運行

時間:2018-11-05 09:41:04  來源:新華網 放大 縮小 默認

科考隊在帕里高原收集雨量站數據 王鐵錚攝

  在無涯的荒野里,沒有早一步,也沒有晚一步,剛巧趕上霧、雨、風,輕輕地問候一聲:噢,你一直在這里。

  將張愛玲名篇《愛》里的這段話,稍作修改,很能恰切地描述此刻仍孑立或深埋于青藏高原上的科考設備。

  東起西藏自治區那曲市那曲鎮,西至西藏阿里地區的獅泉河,北起海拔5000多米的雙湖縣,經過羌塘無人區,南至海拔2900米的中印邊境亞東縣,在這塊面積相當于近12個浙江省、平均海拔高于4600米的高原區域,清華大學、中國科學院青藏高原研究所聯合課題組部署了多個觀測點,以采集第一手數據。

  “有的數據實時傳回北京,有的記錄在儀器里,只能現場采,還有的需要進行后期復雜處理。”

  近日,清華大學、中科院青藏所、中科院遙感所、四川大學聯合科考隊在喜馬拉雅山區、羌塘高原和川西高原等地完成半個月的科考工作。項目負責人、清華大學地球系統科學系教授陽坤表示,青藏高原是中國觀測數據最為稀缺的區域,團隊此次獲取了不可多得的連續、多地形寶貴數據,將用于開展基礎研究,揭示高原特殊氣候形成的機制,發現現有氣象模型和衛星遙感的不足,提升未來青藏高原的天氣/氣候模擬和衛星監測能力,最終服務于災害預警。

  位置險要 影響天氣的能量堪比“發動機”

  陽坤經常被問到,偏居西南的青藏高原究竟和現在人們的生活有什么關系。

  這個在外人看似遙不可及、難以理解的關聯,陽坤卻能給出最易懂的例證。“從氣象云圖看,中國東部的云團,很多時候是從青藏高原飄出來的。”陽坤說,例如根據中國氣象科學研究院徐祥德院士等的研究,1998年發生在長江流域的特大洪水,從一個時間段內的云團分析后發現,青藏高原產生的影響加強了降水。

  事實上,不只中國,東亞各國都受到青藏高原的氣候影響。幾十年前,日本便發現想準確預測日本本土的天氣,需要將青藏高原的天氣情況納入到預報體系。“就如同內蒙古降溫可以預測北京的寒潮一樣,沒有大陸的數據,島國上冬天的寒潮、夏天的梅雨都沒有辦法預報。只是青藏高原對東亞天氣的影響更加復雜一些。”陽坤說。

  要了解青藏高原如何影響東亞的氣候,需要先了解它的體量。相關資料顯示,青藏高原面積250多萬平方公里,東西長3000公里,跨越15個緯度,南北寬1500公里,約占我國陸地面積的1/4,雄踞亞洲中部,它的海拔高度使得它幾乎占對流層厚度的1/3以上。

  如此龐然大物,橫亙在東半球的險要位置,就算是“靜靜地”不動,也勢必會散發出巨大的影響威力,也難怪青藏高原被稱為與南極地區、北極地區并列的“第三極地區”。

  “上世紀50年代,著名氣象學家、中國科學院院士葉篤正先生就首先提出青藏高原能夠驅動東亞的季風系統。”陽坤說,他證明青藏高原像個引擎,可以改變大氣的運行。

  當時葉篤正先生和同事首先發現圍繞青藏高原的南支急流、北支急流及它們匯合而成的北半球最強大急流,嚴重地影響著東亞天氣和氣候。他還指出,青藏高原在夏季是大氣的一個巨大熱源,冬季是冷源。

  “有了他的研究工作,國際上才接受了大地形熱力作用的概念。”陽坤解釋,之前研究氣象會忽略地氣之間的相互作用,而其實大地接受太陽的輻射后,產生的巨大熱量能影響氣象的變化。

  幾大“怪”象 現有氣象科學無法完全解釋或模擬

  在青藏高原上,人們很可能會發現,前一個山坡陽光明媚,轉個山梁就大雨瓢潑,又或者在明媚的陽光下接住雪花,根本不知道哪片云是雪的源頭。

  但這些都不是最“怪”的,小范圍地建個局地模型,這些反常天氣甚至可能預報。更“怪”的是一些經典的氣候模型怎么調整也無法貼近現實。

  第一“怪”,青藏高原地面的太陽輻射比大氣層頂的還強。“人類在青藏高原頻繁地觀測到超太陽常數的現象。”陽坤說。有科學家1979年對青藏高原觀測發現,在高原地區特別是海拔相對較高的地區,會出現太陽總輻射大于太陽常數的反常現象。

  第二“怪”,青藏高原的積雪量會被大大高估。“模型預測積雪厚度高達100毫米,但實際可能只有20毫米。”陽坤說,實際上在青藏高原經常看到下雪,但是大多只是在地表形成薄薄一層。目前國際領先的歐洲天氣模型對于青藏高原地區降雪量和積雪厚度的預測,始終無法反映現實情況,有多個參數化方案曾試圖矯正積雪模擬,但仍未獲成功。

  第三“怪”,色林措等高原中部的內陸湖面積逐年增加,而羊卓雍措等高原南部的內陸湖面積卻出現減少現象,是什么造成不同的水量變化呢?降水量、地下水量還是冰川融化的水量?

  這些現有氣象科學無法完全解釋或模擬的“怪”,恰恰說明人們對青藏高原的了解太少了。

  了解少的第一個原因是獲取資料少。陽坤介紹,這里的氣象觀測站密度非常稀疏,不及平原國家級觀測站平均數的1/4,更別提其他地區還會有省、市、縣級觀測站的加密。

  “羌塘高原數據稀缺最為突出。”陽坤說,羌塘高原南接岡底斯山脈,北靠昆侖山脈,東臨唐古拉山,是青藏高原的主體部分,大部分地區海拔均在4600米以上,堪稱“高原中的高原”,是中國氣候環境最為惡劣的地方。數據缺乏嚴重限制了對高原生態環境的衛星監測和災害預警的能力建設。

  “例如,很早以前,只知道羌塘無人區是‘干極’,但并不知道具體數據,直到上世紀70年代開始的第一次青藏高原科考才知道降水少到什么程度。”中科院青藏所副研究員陳瑩瑩說,當時科考隊員分析了1976年4個月的羌塘高原科考觀測的降水數據,發現6—8月的累積降水量超過100毫米,進而推斷羌塘高原的年降水量為150毫米左右。

  “由于當時技術手段、支持力度等的限制,第一次科考從現在的角度看做得還不夠透徹,解決的是填補空白、從無到有的問題。”陳瑩瑩說,因此此次開始的第二次青藏高原綜合科學考察研究將依托現有更加先進的技術手段,繼續探索未知。

  擴展站點 獲取靠得住的第一手資料

  “我們擔負了TPE(即由中國科學院發起和主導的‘第三極環境’國際計劃)中的工作,首先計劃在青藏高原獲得一套合理的降水量資料。”陽坤介紹,目前課題組設立了超過71個土壤溫濕度站、55個雨量站、5個GPS水汽觀測站和4個氣象站,此次科考行程中下載了全部數據,并協助同事在海拔4600—5100米的高原腹地建立了3個GPS站和3個氣象站。“未來我們會不斷地擴展數據獲取站點。”

  無論是數據采集的周期還是站點部署都頗有講究。“為了保證獲得完整季風季的數據,我們一年進行兩次數據采集,一次是季風前的5月底,一次是在季風后的9月底到10月初。”陳瑩瑩說,在站點部署上,雨量筒要考慮高原地區地形復雜,山前山后、不同海拔、不同風貌都需要兼顧到。例如選點要包含山坡、河谷,還有涵蓋不同類型的地表狀況,如樹林、草地、荒漠等。

  “土壤溫濕度站則要埋在地下,選點匹配了衛星像元尺度和模型網格尺度,為的是驗證和改進已有衛星遙感產品和模型模擬的精度,使其能夠更大范圍適用。”陳瑩瑩說,團隊在那曲部署的土壤溫濕度觀測網覆蓋了10000平方公里的面積,覆蓋了多個衛星像元。

  “明年將在翻越岡底斯山脈進入羌塘高原的地區加強觀測,服務于第三極高時空分辨率氣候再分析資料的建立。”陽坤說,這次的考察中,他發現這塊區域雖然海拔高達5000米,但地勢平坦,很適合建立降水驗證網。

  雖然有很多模型在日常預報中非常準確,但是在青藏高原這塊獨一無二的地區經常失靈。“要做到真的解析,必須走進實地,用腳丈量,才能提出令學界信服的修正意見。”陽坤說,此次研究有不少發現,如在岡底斯山脈的一個埡口處,測得6—9月降水量高達440毫米,本次補充的降水觀測顯示當前的降水分布圖并不可靠。當前先進的衛星降水產品估計的夏季降水量與羌塘高原的地面觀測值之間相關性甚低,也就是說很難利用這些觀測站數據校正衛星降水產品,這意味著無人區水文氣象研究面臨著更大的挑戰。

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