在地球之巔 探求高原地氣作用過程“最優解”

日前，在“青藏高原地氣間水熱交換立體綜合觀測研究平台”啓動儀式上，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“最優解”圖景。

“第三極”，改變全球天氣氣候

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，獨特而複雜的地形特徵使得其上強大的動力和熱力作用影響着東亞氣候格局、亞洲季風進程和北半球大氣環流，是影響我國天氣和氣候事件的關鍵區，也是全球氣候變化最為敏感的地帶之一。

為什麼研究高原地氣間相互作用過程？“大氣在經過青藏高原隆起的巨大地形時，會產生動力和熱力作用，地表與大氣間的水熱交換將水加熱蒸發，使大氣對流形勢發生變化，就會形成雲，發生降水。”馬耀明解釋道，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律是非常重要的。

如何正確認識青藏高原複雜地表區域上的水熱交換規律？馬耀明解釋道，研究需要綜合藉助四種方法。一是在各種不同下墊面上建立地氣相互作用綜合觀測台站，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律，然後再通過類似瓷磚拼貼的方法，就可以得到整個高原區域上的水熱交換規律；二是結合試驗資料與衞星遙感資料，通過參數化方案或模型得到整個高原區域水熱交換規律；三是結合試驗資料與數值模式系統，模擬得到整個高原區域水熱交換規律；四是將以上所取得的資料通過陸面資料同化系統進行分析，得到整個高原區域水熱交換規律。

建台站，佈網探測世界高地

“科學觀測試驗是關鍵。”馬耀明反覆強調。

針對青藏高原綜合觀測研究站點缺乏這一短板，1989年起，中國科學院青藏高原研究所地氣作用與氣候效應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鍵敏感區的觀測站，並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律等進行長期觀測研究。

在此基礎上，馬耀明等研究人員發佈了全球首套由長期氣象梯度觀測、四分量輻射觀測、土壤水熱特徵觀測以及大氣湍流特徵觀測構成的高時間分辨率青藏高原地—氣相互作用綜合觀測數據集。

經過三十餘年的艱苦努力，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絡體系，基本建成了第三極地區多圈層地氣相互作用過程數據庫。“在第二次青藏科考項目的大力支持下，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、9套微波輻射計組網觀測系統和10套風吹雪組網觀測系統。”馬耀明説，加之高原上已有的大氣邊界層廓線塔站組網觀測系統、渦動協方差通量組網觀測系統以及土壤温、濕度組網監測系統，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台。

立體化，實現綜合集成觀測

通過地平面上的測風雷達、微波輻射儀等設備，地上500米處的低空無人機、地上1000米處的繫留艇、地上到高空10000米處的無線電探空儀等設備，地上10000米處的遙感飛機，以及地上300千米處的專業衞星……據介紹，最新組建的青藏高原地氣間水熱交換立體綜合觀測平台涵蓋了青藏高原的各種地形地貌，可實現青藏高原近地層和對流層多要素、全天候的綜合集成觀測，為區域及其周邊地區天氣監測與預報、災害性天氣預警及氣候環境預測等提供綜合觀測數據和決策依據。

7月15日，第二次青藏科考“地氣相互作用及其氣候效應”專題分隊從蘭州集合出發，青藏高原地氣間水熱交換立體綜合觀測平台也正式啓動。以青藏高原各種地形和地貌狀況下的水熱交換規律為考察核心，專題分隊目前已在國內外8個台站上完成了3次地氣相互作用及其氣候效應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台、無人機多光譜影像、機載渦動湍流通量觀測平台、衞星遙感相結合方式的綜合、立體觀測。”馬耀明説，生成的實景三維模型，可幫助研究人員準確掌握各種複雜地貌特徵下的綜合信息資料。