——記第三次青藏高原大氣科學試驗—邊界層與對流層觀測
科學試驗外場示意圖
青藏高原的全球氣候效應示意圖
■胡芳
青藏高原，地球上海拔最高的高原，被稱為“第三極”。相比於南北極，青藏高原是一片人類活動豐富的天地，是中國多個民族世代聚居的地方。從世界最高峰珠穆朗瑪峰到低處的平原峽谷，在近8千米的海拔高低變化中，這裡呈現出了不同的生命景象和地質面貌。
中國工程院院士徐祥德表示，高原實際上對我國天氣預報來說是佔有上遊優勢的強信號區，在高原建設高水平的觀測系統，對於我國氣象業務的發展、國民經濟的服務，對生態安全的保護和推進西藏經濟高質量發展，都是一個非常關鍵的問題。如何準確把握高原天氣、氣候影響機理並在天氣氣候預報中得到應用，就是“第三次青藏高原大氣科學試驗”的使命。
2009年，中國氣象局面對至關重要的青藏高原氣象科學議題，提出了“三上”高原的立項申請。在十多位院士、二百多位國內外專家的多次研討和協調下，在時任中國氣象局局長鄭國光等相關領導的推動下，中國氣象局、中國科學院和國家自然科學基金委員會聯合發起“第三次青藏高原大氣科學試驗”，並於2013年5月正式立項，自2014年1月起正式實施。
2014年夏季，帶著來自多方面的殷殷期盼，試驗首席科學家、中國氣象科學研究院研究員趙平率領著科研團隊一路奔上青藏高原，開展了“第三次青藏高原大氣科學試驗”。在這片巍峨的高地上，科研人員攻堅克難，用創新書寫了大氣夢想，用成果服務於青藏地區發展，用行動詮釋著氣象人的擔當。
在“世界屋脊”留下創新的“腳步”
有著“世界屋脊”之稱的青藏高原，對勇攀高峰的人們一直有著深深的吸引力。尤其對於氣象乃至地球科學領域的科研工作者來說，青藏高原更是一座“科學高地”，這裡豐富的氣象資源和氣象數據令人心馳神往。
早在1979年和1998年，我國的氣象科學家就先後開展了第一次和第二次青藏高原大氣科學試驗。這兩次科學試驗的實施為我國氣象事業的發展提供了許多具有重要價值的科研成果。
然而，進入21世紀後，面向大氣科學前沿和我國氣象預報業務需求，青藏高原的氣象研究仍面臨著諸多問題。例如，高原地基觀測資料缺乏和衛星遙感產品不確定性較大，直接制約著高原氣象學發展；在高原複雜大地形下，數值預報模式的陸面、邊界層和雲降水物理過程參數化處理失真大，直接影響著我國數值預報準確率。因此，圍繞青藏高原開展觀測、分析、模擬研究具有重要的科學意義和業務應用價值。
與前兩次青藏高原大氣科學試驗相比，“第三次青藏高原大氣科學試驗”更為宏大，由過去的重點關注陸面和邊界層物理特徵向上伸展到了對流層和平流層物理過程，觀測設備包括全自動探空設備、多型號地基雷達、人工影響天氣專用飛機和風雲衛星等，參與試驗的單位近50個，參與試驗的骨幹成員280餘名，其中高級職稱130多人。
工欲善其事，必先利其器。在高原陸面—邊界層—對流層多尺度過程觀測中，科研人員首次開展了高原中部雲降水物理特徵的飛機—地基雷達—衛星遙感綜合觀測，實施了高原陸面—邊界層觀測、雲降水物理過程和大氣水循環觀測、臭氧和氣溶膠觀測、高原目標區與下遊災害天氣過程協同觀測等，觀測試驗站網的準業務運行填補了青藏高原中西部缺少土壤溼度和對流層常規氣象要素探空業務觀測資料空白，實現了高原陸面—邊界層—對流層的天—地—空一體化綜合觀測技術的重要突破。
每年初夏，項目組就會來到雪域高原，忍受著高原缺氧、日曬強烈等艱苦條件，克服暴雨、雷擊等對儀器設備運行及探空觀測的幹擾，準時開展觀測。在“以觀測驅動理論創新”的思路引導下，一項項創新成果相繼迸發。
此次科學試驗專家指導組組長、中國科學院院士周秀驥表示，現在的觀測試驗數據進入到我們的數值預報模式當中，很明顯地提高了數值預報能力；我們第一次用飛機、雷達、衛星配合起來，發現雲物理的結構，對整個青藏高原水塔和水分循環有非常重要的作用；青藏高原不但對中國的天氣氣候有很重要的影響，同時對全球的天氣氣候變化都會有很重要的影響。
科學試驗發現：青藏高原主體裸土、草原和草甸下墊面的陸—氣熱量交換系數遠小於過去的經驗值，高原高海拔低溫環境下獨特的雲中粒子分佈特徵、對流降水效率、雲中水凝物轉化機制形成了當地降水多發、短時、量小、滴大的特點，排除了非均相光化學過程在高原對流層上層—平流層低層臭氧低谷形成中的主導作用，夏季高原主體對流活動獨立於南亞季風區的對流活動，高原調節著下遊霧霾發生的氣象條件，高原氣候多尺度變率通過大尺度垂直環流引起太平洋、大西洋海—氣相互作用和北半球陸地氣候異常，以及提出追蹤青藏高原上空氣柱水汽通量“渦度”影響下遊暴雨過程的理論方法等。
成果應用造福一方熱土
氣象研究，莫要於安民。在“第三次青藏高原大氣科學試驗”科研攻關中，項目組遵循“邊研發邊應用”的思路，將科學試驗取得的創新成果實現了落地應用，為氣象現代化事業做出了實質性的貢獻。
項目成果在國家級、省級業務單位實現業務化、準業務運行和應用30餘個，尤其在核心成果使用方面亮點頻出：
項目構建的高原中西部地面土壤觀測站網和西部常規要素自動探空系統已準業務運行，顯著提升了高原中西部的對流層大氣業務監測和預報能力以及土壤墒情監測和對農服務的業務能力；
新研發適合高原常規要素探空資料質量控制技術、天氣雷達資料質量控制技術、風廓線雷達資料質量控制技術、GPS水汽質量控制技術、衛星大氣可降水量和土壤溼度產品校驗訂正技術、三源降水融合技術以及科學試驗數據共享平臺技術已經在國家級業務單位實現業務化，顯著提升了國家級業務產品的質量。天氣雷達業務數據的正確率提升75%左右，近80%的風廓線業務雷達站的數據誤差減少約30%，我國風雲—2F衛星大氣可降水量業務產品在青藏高原區域的誤差降低80%以上，躋身世界先進水平；
新增高原探空資料、GPS水汽產品進入數值預報業務系統，顯著提升了國家級、省級天氣預報業務水平，同化GPS水汽產品後全球數值預報業務系統預報誤差減小；
經過數值預報模式和資料同化的本地化研發，建立了高原區域災害天氣數值預報系統，並在省級氣象臺實現業務化，青海省冰雹客觀預報系統準確率達到12.78%。
2020年6月10日，“第三次青藏高原大氣科學試驗”項目第一期通過了中國氣象局科技司組織的驗收。驗收專家組組長、中國工程院院士宋君強評價道：“該項目在構建青藏高原綜合系統、發展關鍵水循環變量遙感反演算法和模型參數化方案、揭示重要觀測事實和物理過程等方面取得多項重要創新性成果。”
結果顯示，創新成果在應用過程中顯著提升了我國高原氣象監測、預報預警和數據共享業務能力，促進了氣象業務技術進步，為公眾和政府決策提供了更好的氣象服務產品，更有力地支撐了國家減災防災工作，具有明顯的社會和經濟效益。
2020年11月，中國氣象局黨組書記、局長劉雅鳴在中國氣象局召開了“青藏高原氣象科學試驗研究工作彙報會”，聽取青藏高原科研進展彙報。在會議中，劉雅鳴充分肯定了一代代氣象科技工作者在開展青藏高原氣象科學研究工作中取得的成就，尤其是第三次青藏高原大氣科學試驗取得的豐碩科研成果，對氣象業務發展作出了貢獻，為第二次青藏高原綜合科學考察奠定了基礎。
我國氣象事業現代化發展的腳步還在繼續，接下來是更高的“科學高峰”等待著我國科研人員繼續攀登。在青藏高原這座“科學高地”上，氣象強國的夢想正在加速實現。
來源：《中國科學報》
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