青藏高原及東緣新一代大氣綜合探測系統(tǒng)應(yīng)用平臺——中日合作JICA項目

張人禾，徐祥德

(中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實驗室，北京 100081)

1 前言

青藏高原地勢高聳，范圍廣大，平均高度可達(dá)對流層中層，有“世界屋脊”和“第三極”之稱。它位于亞洲中部的副熱帶地區(qū)(25°～40°N，74°～104°E)，平均海拔高度4 000～5 000 m，總面積約為250萬km2。青藏高原占大約六分之一的亞洲陸地面積、四分之一的中國陸地面積。整個青藏高原除了中國境內(nèi)區(qū)域外，也包括了不丹、尼泊爾、印度、巴基斯坦、阿富汗、塔吉克斯坦、吉爾吉斯斯坦等國家的部分區(qū)域。青藏高原的地理位置如圖1所示，它的東邊界是橫斷山脈，南邊界和西邊界是喜馬拉雅山脈，北邊界是昆侖山脈。青藏高原為全球最高的高原，是長江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地。青藏高原東南部是中國生物多樣性最豐富的地區(qū)，并具有顯著的熱帶雨林特征。高原東南部的生態(tài)結(jié)構(gòu)描述了高原與東亞季風(fēng)系統(tǒng)相互作用的區(qū)域性氣候特殊性。高原隆升及與其伴生的斷裂活動和地殼的水平位移對獨(dú)具特色的西部水系的形成有直接的作用，使高原成為中國和亞洲眾多著名江河的發(fā)源地，成為“中國水塔”和“亞洲水塔”[1]。高原東南部的中國西南地區(qū)(含西藏、廣西)地表水資源十分豐富，占中國地表水資源的47.0%，而西南地表水豐富主要得益于大氣降水[2]。高原諸多湖泊及河流的發(fā)育均與高原隆升直接相關(guān)。青藏高原現(xiàn)有湖泊36 900 km2，占全國湖泊總面積的52%，是地球上海拔最高的湖泊群[3]。高原通過地形和熱力作用深刻地影響著大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)分布，成為全球天氣氣候變化敏感區(qū)。

由于青藏高原面積大、海拔高度高，在地球表面形成了一塊巨大的突出到對流層中層的陸地。高原上空大氣受到地形和熱力作用的影響，風(fēng)場、溫度、濕度、氣壓等氣象要素與周圍自由大氣之間存在明顯差異，使得高原地區(qū)的天氣和氣候具有獨(dú)特的特征[4，5]。夏季高原在對流層中層形成巨大的熱源，而冬季為強(qiáng)大的冷源[4]，高原的熱力和動力作用對中國、亞洲乃至全球大氣環(huán)流以及氣候的形成和變化都有極其重要的影響[6～10]。青藏高原的熱源、熱匯區(qū)域效應(yīng)及其季節(jié)性和區(qū)域性的變化，將進(jìn)一步影響到大氣環(huán)流季節(jié)尺度變化，在冬季高原雪蓋增加會影響次年夏季中國東部洪澇發(fā)生。青藏高原積雪的前期變化已被視為預(yù)測東亞夏季降水和旱澇的重要指標(biāo)之一。已有的研究還強(qiáng)調(diào)指出，青藏高原積雪以及冷、熱源的反饋?zhàn)饔脤π行浅叨拳h(huán)流的影響，青藏高原“感熱氣泵”(SHAP)[11]導(dǎo)致了青藏高原地區(qū)由冬到夏大氣環(huán)流的突變及南亞高壓的突然北跳，并維持著亞洲季風(fēng)期。高原冷熱源的季節(jié)變化對應(yīng)著東亞冬季流型和夏季流型之間的轉(zhuǎn)化。青藏高原的熱狀況年際變化對東亞季風(fēng)環(huán)流和降水具有重要的影響，夏季高原熱源對同期中國降水和東亞季風(fēng)有很大影響。青藏高原地區(qū)大氣加熱的季節(jié)變化與年際變化對于梅雨帶的形成與南北位置十分重要。青藏高原加熱與低緯海洋熱力結(jié)構(gòu)的“遙相關(guān)”效應(yīng)一直是各國學(xué)者研究季風(fēng)問題的焦點(diǎn)。青藏高原夏季加熱對大氣環(huán)流的影響進(jìn)一步加強(qiáng)對歐亞大陸尺度大氣環(huán)流，對中亞的干旱和東亞季風(fēng)起著放大器的作用，同時，夏季熱源會激發(fā)一個沿東亞沿岸經(jīng)白令海峽直到北美的一個熱源和渦度波列，能夠?qū)е聦α鲗又袑拥奈魈窖蟾备呶饕埔约案呖漳蟻喐邏簴|移。感熱驅(qū)動的高原“氣泵”在調(diào)制東亞季風(fēng)及全球氣候中有著重要的作用。

圖1 青藏高原地理位置及其動力影響Fig.1 Geographical location of the Tibetan Plateau and its dynamical effect

高原是中國東部災(zāi)害天氣上游關(guān)鍵區(qū)，青藏高原影響了東亞季風(fēng)及其水汽輸送特征，1998年長江流域的特大洪澇、2008年南方50年一遇的冰凍雨雪災(zāi)害、2010年西南100年一遇特大干旱均與上述高原影響密切相關(guān)。由于大氣熱源的作用，影響了與高原相關(guān)聯(lián)的跨半球大尺度緯向和經(jīng)向環(huán)流，改變了高原區(qū)域能量和物質(zhì)、水份循環(huán)分布，通過大尺度緯向和經(jīng)向跨半球環(huán)流以及高原區(qū)域?qū)α鲗?平流層輸送通道，顯著影響全球變化及其氣候變異。

鑒于青藏高原在中國和東亞天氣氣候變異中的重要性，提高“世界屋脊”地區(qū)及周邊大氣的監(jiān)測能力，不僅在研究青藏高原的天氣氣候以及高原的影響方面具有重要科學(xué)價值，也在提高中國乃至東亞地區(qū)災(zāi)害天氣氣候預(yù)報和預(yù)警水平以及提高防災(zāi)能力等方面具有重要的應(yīng)用價值。

災(zāi)害天氣氣候預(yù)報、特別是長江洪澇預(yù)報是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和重大決策所要求的一個十分重要的任務(wù)。如何尋找中國東部洪澇、干旱的水汽輸送上游敏感區(qū)或遠(yuǎn)距離遙相關(guān)的水汽源，是認(rèn)識中國區(qū)域災(zāi)害天氣氣候成因的重要環(huán)節(jié)之一。因此，設(shè)計中國東部洪澇、干旱的上游強(qiáng)信號敏感區(qū)高原及周邊觀測網(wǎng)，將對中國區(qū)域災(zāi)害天氣預(yù)報理論研究與技術(shù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

考慮到在青藏高原開展大氣監(jiān)測的重要性，為了增強(qiáng)高原及其東部大氣三維“立體”探測長期綜合監(jiān)測系統(tǒng)，中日科學(xué)家在2005—2009年期間聯(lián)合開展了中日合作JICA(Japan international cooperation agency)項目，實施了青藏高原大氣綜合監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計和建設(shè)，并聯(lián)合開展觀測、研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用工作。Xu X等[10]對項目執(zhí)行期間高原觀測網(wǎng)的建設(shè)情況作了簡要介紹，Zhang R等[12]對項目的總體情況、特別是科學(xué)進(jìn)展進(jìn)行了全面回顧總結(jié)。文章將主要就項目設(shè)計思想、觀測網(wǎng)的構(gòu)建和實施以及成效作系統(tǒng)的介紹。

2 JICA項目的確立及其意義

在青藏高原上可觀測到全球極值的太陽總輻射、有效輻射和地表凈輻射。夏季輸入高原地區(qū)的水汽在高原形成強(qiáng)對流云，這些對流云影響了高原大氣的輻射傳輸和對流性凝結(jié)加熱，是青藏高原加熱過程重要一環(huán)。研究揭示出青藏高原周邊“大三角”區(qū)域是影響我國長江中下游暴雨的水汽輸送關(guān)鍵區(qū)，青藏高原地區(qū)及其東部具有水汽輸送的“轉(zhuǎn)運(yùn)站”特征，水汽流向東的“轉(zhuǎn)運(yùn)”效應(yīng)對長江梅雨期洪澇形成甚為重要。形成于高原上空向東移動的高原低渦可以影響中國東部強(qiáng)暴雨，例如，1963年華北特大暴雨和1954年長江流域特大洪澇都與從高原東移的低渦有關(guān)[13]。青藏高原的動力和熱力作用是影響長江流域梅雨期水汽輸送的一個關(guān)鍵因素[14]，如圖2所示，青藏高原及東緣為中國區(qū)域最大范圍低云量集中區(qū)與極值區(qū)，夏季高原及東緣低云量對下游總云量有顯著的東—西帶狀相關(guān)系數(shù)高值區(qū)。

圖2 1960—2009年夏季青藏高原低云量(海拔＞3 000 m)與夏季總云量相關(guān)圖Fig.2 Correlation of the low cloud over the Tibetan Plateau(altitude＞3 000 m)with total cloud in summer during 1960—2009

中國在1979年和1998年開展過兩次青藏高原大氣科學(xué)試驗:在1979年的第一次科學(xué)試驗中，主要研究了夏季高原地表輻射和熱平衡特征，揭示了高原對大氣環(huán)流季節(jié)性變化、季風(fēng)以及天氣氣候的重要作用;1998年的第二次科學(xué)試驗主要研究了高原地氣相互作用和大氣邊界層結(jié)構(gòu)，提出了高原水汽輸送大三角影響域以及感熱加熱氣泵的概念模型[15]。研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)成串從青藏高原中部或東部發(fā)生、發(fā)展的對流云團(tuán)簇呈顯著東移的特征，認(rèn)為長江暴雨洪水的初始對流云系統(tǒng)可追溯到青藏高原。日本科學(xué)家參與了第二次青藏高原大氣科學(xué)試驗，并且在青藏高原大氣研究領(lǐng)域與中國科學(xué)家開展了持續(xù)的合作研究。考慮到在青藏高原大氣觀測和研究的重要性以及中日科學(xué)家在此領(lǐng)域的良好合作關(guān)系，高原大氣領(lǐng)域的綜合觀測與研究在1999年12月被中日雙方政府確認(rèn)為政府間重點(diǎn)合作領(lǐng)域。

在前兩次青藏高原大氣科學(xué)試驗中，由于科學(xué)技術(shù)水平和資金的限制，在觀測的區(qū)域范圍、觀測項目、技術(shù)手段、利用的儀器設(shè)備等方面，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足青藏高原及周邊地區(qū)大氣綜合觀測網(wǎng)建設(shè)的要求，觀測所獲取的資料數(shù)量以及資料的全面性、系統(tǒng)性和可靠性等方面也存在著不足;同時，對觀測和研究的成果在氣象業(yè)務(wù)中的實際應(yīng)用注重不夠。2001年，中國氣象科學(xué)研究院向中國科技部提交了關(guān)于青藏高原關(guān)鍵區(qū)水分循環(huán)觀測計劃的中日合作JICA項目申報書，經(jīng)過中國科技部和日方專家組及JICA機(jī)構(gòu)的評審，于2004年9月得到中日雙方正式批準(zhǔn)立項，項目名稱為“中日氣象災(zāi)害合作研究中心”(以下簡稱為中日 JICA項目)。此項目是JICA計劃在氣象領(lǐng)域國際合作重點(diǎn)項目，執(zhí)行期限為2005年8月―2009年6月，合作內(nèi)容包括日方在中方已有觀測設(shè)備的基礎(chǔ)上，為高原及周邊區(qū)域氣象綜合觀測網(wǎng)建設(shè)工程提供新增加的觀測設(shè)備，中方負(fù)責(zé)設(shè)備運(yùn)行以及日常維護(hù)，聯(lián)合開展觀測試驗設(shè)計和數(shù)值模式開發(fā)，合作開展研究，派遣中方大氣觀測領(lǐng)域的研究和業(yè)務(wù)人員赴日進(jìn)修等。中日J(rèn)ICA項目通過中日合作，建立青藏高原及其東部大氣綜合監(jiān)測網(wǎng)，提升青藏高原及其東部周邊地區(qū)氣象綜合監(jiān)測能力，提高青藏高原及其東部周邊地區(qū)氣象觀測數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量。通過開發(fā)有效應(yīng)用這些觀測數(shù)據(jù)的數(shù)值預(yù)報模式，發(fā)展高原及其東部新一代災(zāi)害性天氣氣候預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，加強(qiáng)災(zāi)害天氣氣候的監(jiān)測、預(yù)測與評估業(yè)務(wù)系統(tǒng)。通過開發(fā)有效利用青藏高原及其東部周邊地區(qū)高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)的數(shù)值預(yù)報模式，強(qiáng)化中國區(qū)域的業(yè)務(wù)化氣象預(yù)報系統(tǒng)，減輕包括中國區(qū)域與日本在內(nèi)的東亞地區(qū)的氣象災(zāi)害。

1958—1995年的氣候分析結(jié)果表明，青藏高原作為全球最大與最高的高原，其南側(cè)來自相鄰的印度洋以及南海和低緯西太平洋等地區(qū)的異常顯著的暖濕氣流和水汽輸送到東亞區(qū)域。流向夏季東亞季風(fēng)活躍區(qū)的水汽東起菲律賓，經(jīng)過南中國海流至高原及中國南方地區(qū);西起東非索馬里、阿拉伯海、印度洋，經(jīng)孟加拉灣至青藏高原東部兩支水汽流共同轉(zhuǎn)向中國長江流域和日本列島，該地區(qū)是中國區(qū)域洪澇異常水汽輸送的“大三角型”關(guān)鍵區(qū)(見圖3)。如何認(rèn)識“大三角”季風(fēng)活躍區(qū)水分循環(huán)結(jié)構(gòu)與長江流域災(zāi)害天氣形成的相關(guān)機(jī)理亦是天氣氣候預(yù)測理論的基礎(chǔ)和關(guān)鍵所在。另一方面，將高原南側(cè)海洋—高原—長江流域水汽輸送重要通道的研究與高原北側(cè)繞流影響效應(yīng)相結(jié)合，有助于探討長江流域梅雨匯合及其災(zāi)害發(fā)生的成因[14，16]。

圖3 高原與亞洲季風(fēng)相互影響關(guān)鍵區(qū)“大三角扇型”水汽通量分布特征Fig.3 The cloumn water vapor flux“Large Triangle”distribution over the plateau and Asian monsoon region

對于中國區(qū)域氣候異常旱澇年水汽輸送距平場的分布特征，發(fā)現(xiàn)青藏高原作為源自中低緯的海洋暖濕水汽流遠(yuǎn)距離輸送的“轉(zhuǎn)運(yùn)站”，對高原周邊異常降水及其梅雨帶氣候特征具有重要貢獻(xiàn)。長江流域梅雨帶匯合的“水汽流”分別可追溯到中高緯與低緯海洋“水汽源”。分析NCEP(National Centers for Environmental Prediction)第一次出現(xiàn)資料與數(shù)值模擬結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)長江流域澇年此類遙相關(guān)源匯結(jié)構(gòu)描述出海洋—高原—長江流域遠(yuǎn)距離水汽輸送遙相關(guān)模型，對于長江流域旱年則相反。有關(guān)數(shù)值模擬亦證實夏季低緯海洋水汽源狀況對長江流域降水影響顯著[17]。

通過分析青藏高原周邊多雨中心的水汽輸送結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，高原周邊異常多雨中心與高原南側(cè)強(qiáng)非均勻水汽“濕鋒”及高原東南邊緣地形動力強(qiáng)迫作用密切相關(guān);高原東南部水汽輸送的多尺度輻合特征是高原東部周邊“多雨中心”形成的重要因素;水汽通量相關(guān)合成矢量場描述出高原東南部多雨中心，其中川滇貴區(qū)域發(fā)生的特大暴雨等異常降水，其水汽流來自南海、孟加拉灣等水汽源多通道及其軌跡特征，亦反映了高原“轉(zhuǎn)運(yùn)站”效應(yīng)及其周邊區(qū)域與“大三角”季風(fēng)活躍區(qū)水分循環(huán)過程特征(見圖4、圖5)。

另外，計算結(jié)果同樣表明，不但對于夏季中國東部長江流域等區(qū)域大范圍暴雨、洪澇災(zāi)害，而且對于`冬季南方雪災(zāi)過程，高原及東緣“直角型”框區(qū)(見圖3)均為中國東部災(zāi)害天氣的上游“強(qiáng)信號”關(guān)鍵區(qū)。災(zāi)害天氣上游高原關(guān)鍵區(qū)水汽結(jié)構(gòu)與南方持續(xù)暴雪過程有密切聯(lián)系，2008年中國南方雨雪冰凍災(zāi)害期間，南方暖濕氣流和北方冷空氣的交匯是此次特大雪災(zāi)形成的主要原因之一。其中，西南水汽輸送與中國東南部降水有密切關(guān)系。2008年雪災(zāi)過程整層水汽輸送通量分別來自中南半島、印度的南支水汽流，在高原及其東部區(qū)域匯合于中國南方雪災(zāi)區(qū)域，形成了強(qiáng)西南水汽通道[18]。此研究結(jié)論亦為高原觀測工程站網(wǎng)布局途徑提供了重要理論與技術(shù)依據(jù)。

圖4 2007年7月四川特大暴雨過程Fig.4 The accumulated precipitation for the extreme rainfall

圖5 導(dǎo)致2007年7月四川特大暴雨過程水汽9天后向輸送軌跡Fig.5 The 9-day backward trajectories of water vapor transport which significantly contributed to the extreme rainfall happened in Sichuan Province in July，2007

中日J(rèn)ICA項目所針對的關(guān)鍵科學(xué)問題為:青藏高原獨(dú)特的地形和邊界層結(jié)構(gòu)在形成與水循環(huán)相聯(lián)系的獨(dú)特大氣熱源中的作用、這些能量和水循環(huán)特征控制東亞和中國災(zāi)害天氣氣候變化的程度、高原上的對流系統(tǒng)對東亞地區(qū)洪澇災(zāi)害的影響以及影響的物理過程。針對這些科學(xué)問題，項目涉及到在青藏高原及周邊地區(qū)建立新一代大氣觀測網(wǎng)、高原大氣科學(xué)試驗研究成果業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化、災(zāi)害天氣氣候形成的理論與數(shù)值預(yù)報技術(shù)研究等問題。世界氣象組織提出的世界天氣研究計劃THORPEX(the observing system research and predictability experiment)[19]，確定以最大限度改進(jìn)天氣預(yù)報技術(shù)為目標(biāo)，發(fā)展敏感區(qū)觀測方法及其觀測系統(tǒng)。考慮到青藏高原對于造成中國東部尤其是長江流域洪澇災(zāi)害的天氣和氣候，具有上游“強(qiáng)信號”關(guān)鍵區(qū)的特點(diǎn)，青藏高原區(qū)域可作為中國災(zāi)害天氣氣候預(yù)報、特別是引起長江洪澇災(zāi)害的天氣氣候預(yù)報的一個“敏感區(qū)”。在高原及周邊建設(shè)大氣綜合觀測系統(tǒng)，是中國災(zāi)害天氣氣候可預(yù)報性研究的一個重要基礎(chǔ)。災(zāi)害天氣氣候預(yù)報是國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、保障人民生命財產(chǎn)安全十分迫切的氣象服務(wù)任務(wù)。建立高原及周邊地區(qū)大氣觀測的業(yè)務(wù)化系統(tǒng)，也是針對中國氣候觀測系統(tǒng)中所存在的問題[20]，構(gòu)成了正在建設(shè)之中的中國氣候觀測系統(tǒng)[21]工程的一個重要組成部分。將觀測試驗的研究成果應(yīng)用到災(zāi)害天氣氣候的監(jiān)測和數(shù)值模式技術(shù)改進(jìn)中，提高中國數(shù)值預(yù)報水平，將十分有助于提高中國災(zāi)害天氣氣候的監(jiān)測、預(yù)警和預(yù)報能力。通過中日J(rèn)ICA項目的實施，為開展青藏高原對氣候變化、對下游東部地區(qū)高影響天氣乃至全球的影響等方面的研究提供重要支持。

3 觀測區(qū)域和實施階段

中日J(rèn)ICA項目建立的大氣綜合觀測網(wǎng)，主要覆蓋了青藏高原東南區(qū)域和長江流域上游地區(qū)，以西藏自治區(qū)、云南和四川省為主體，也包括了青海省、廣西壯族自治區(qū)、貴州省和重慶市的部分區(qū)域，項目實施區(qū)域總共涉及到中國西南青藏高原地區(qū)的兩個自治區(qū)、四個省和一個直轄市。項目的實施分成3個階段，第1階段為2005年12月到2007年9月，在此期間建立觀測系統(tǒng)、開發(fā)數(shù)值預(yù)報模式;第2階段為2007年10月到2008年8月，進(jìn)行了觀測系統(tǒng)的實際運(yùn)用和數(shù)值預(yù)報模式的改進(jìn);第3階段為2008年9月到2009年6月，此期間為觀測系統(tǒng)和數(shù)值預(yù)報模式的性能評估。

為了深入認(rèn)識青藏高原對東亞夏季風(fēng)的建立、演變以及與之相聯(lián)系的中國暴雨過程的影響，2008年設(shè)立了強(qiáng)化觀測期，進(jìn)行加密探空觀測。強(qiáng)化觀測期分3個時段開展，第1個強(qiáng)化觀測期為2008年2月24日至3月23日，此強(qiáng)化觀測期主要針對東亞夏季風(fēng)建立前期，對高原及周邊大氣特征進(jìn)行加密觀測，以便了解東亞夏季風(fēng)建立前期高原及周邊大氣的狀況及其對隨后夏季風(fēng)建立的影響;第2個強(qiáng)化觀測期為2008年4月20日至5月19日，東亞夏季風(fēng)的爆發(fā)處于此期間內(nèi)，因此該時段主要針對東亞夏季風(fēng)的爆發(fā)過程，即爆發(fā)前期、爆發(fā)期間和爆發(fā)后期高原及周邊大氣的特征，了解高原及周邊大氣狀況在東亞夏季風(fēng)爆發(fā)中的作用;第3個強(qiáng)化觀測期為2008年6月20日至7月19日，這時中國的雨帶主要位于長江中下游和淮河流域，是中國汛期降水的主要時段，在此期間對高原及周邊大氣特征的強(qiáng)化觀測，目的在于了解高原及周邊大氣狀況與中國汛期降水的聯(lián)系。

4 觀測網(wǎng)的設(shè)計

青藏高原大氣綜合觀測網(wǎng)除了利用由JICA項目提供的觀測儀器設(shè)備設(shè)立觀測站點(diǎn)外，也充分利用了在高原上已有的觀測站點(diǎn)，包括中國氣象局所屬的青藏高原氣象業(yè)務(wù)觀測網(wǎng)、中國科學(xué)院青藏高原研究所的高原試驗觀測站點(diǎn)、國家測繪局的GPS站點(diǎn)，它們共同構(gòu)成了高空和地面大氣觀測網(wǎng)。

高空大氣觀測網(wǎng)由探測大氣整層水汽的GPS水汽觀測站網(wǎng)和探空觀測站網(wǎng)組成。對于青藏高原來說，其上空的水汽不僅與高原降水有密切的聯(lián)系[22，23]，與印度季風(fēng)相聯(lián)系的水汽輸送也通過高原東部向東輸送，對中國東部的夏季降水產(chǎn)生影響[16，17，24]。因此，在青藏高原大氣綜合觀測網(wǎng)的建設(shè)中特別注重了水汽的觀測。水汽觀測站網(wǎng)由26部GPS水汽觀測站組成，其中新建的24部由JICA項目提供，原有的2部屬于國家測繪局。圖6a給出了GPS水汽觀測站點(diǎn)的地理分布，它們分別設(shè)立在西藏自治區(qū)(9部)、云南省(7部)、四川省(7部)、廣西壯族自治區(qū)(1部)、貴州省(1部)和重慶市(1部)。

大氣探空觀測是獲取高空氣象資料的主要手段，探空站網(wǎng)由20個探空站組成，其中利用了中國氣象局原有的業(yè)務(wù)探空站15個，JICA項目新建了5個GPS探空站。探空站的地理分布見圖6b，它們分別分布在西藏自治區(qū)(6個)、云南省(6個)和四川省(8個)。在2008年2月24日至3月23日的強(qiáng)化觀測期間，進(jìn)行了探空加密觀測，探空次數(shù)由常規(guī)的每天2次增加到每天4次。

地面大氣觀測網(wǎng)主要由地面自動氣象站、大氣風(fēng)廓線儀、大氣邊界層觀測系統(tǒng)和水面氣象觀測系統(tǒng)組成。由于自動氣象站具有連續(xù)自動觀測的特點(diǎn)，是獲取惡劣自然環(huán)境的高原表面氣象資料的重要手段。自動氣象站觀測網(wǎng)由72個自動氣象站組成，其中利用了已有的中國氣象局所屬的業(yè)務(wù)自動氣象站58個和中國科學(xué)院青藏高原研究所的7個研究自動氣象站，JICA項目新建了7個無人值守自動氣象站，設(shè)立在高原非城鎮(zhèn)地區(qū)人煙稀少地區(qū)。自動氣象站的地理分布見圖6c，它們分別分布在西藏自治區(qū)(27個)、云南省(10個)、四川省(11個)、青海省(13個)、廣西壯族自治區(qū)(7個)、貴州省(3個)和重慶市(1個)。

地面大氣觀測網(wǎng)中共有3部大氣風(fēng)廓線儀，它們可以連續(xù)探測大氣表層風(fēng)場，其中新建的2部由JICA項目提供，原有的1部由中國科學(xué)院青藏高原研究所提供，分別設(shè)立在西藏自治區(qū)(2部)和云南省(1部)。考慮到青藏高原的陸面過程對高原以及中國東部的天氣和氣候有重要影響[25～28]，在地面大氣觀測網(wǎng)中布設(shè)6套大氣邊界層觀測系統(tǒng)，主要利用大氣邊界層觀測塔對于近地面氣象要素以及陸氣相互作用進(jìn)行觀測。6套大氣邊界層觀測系統(tǒng)中JICA項目提供4套，中國氣象局和中國科學(xué)院青藏高原研究所原有各1套，分別設(shè)在西藏自治區(qū)(3套)、云南省(1套)和四川省(2套)。另外，JICA項目還提供了1套水面氣象觀測系統(tǒng)，安裝在云南的洱海，用于水面氣象要素以及水氣之間的能量交換觀測。大氣風(fēng)廓線儀、大氣邊界層觀測系統(tǒng)和水面氣象觀測系統(tǒng)的地理分布見圖6d。在圖7中給出了觀測中所使用的大氣邊界層觀測塔、GPS大氣水汽觀測儀和無線電探空儀。

圖6 中日合作JICA項目青藏高原大氣綜合監(jiān)測網(wǎng)觀測儀器和站點(diǎn)分布Fig.6 Meteorological observing system for water surface(black dot)utilized in the JICA/Tibet Project

5 綜合監(jiān)測網(wǎng)的業(yè)務(wù)化

中日J(rèn)ICA項目實施計劃的總體內(nèi)容如下:建立青藏高原及其東部周邊地區(qū)新一代氣象觀測網(wǎng)，獲取GPS水汽觀測，AWS(automatic weather stations)、邊界層及風(fēng)廓線儀等先進(jìn)探測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)再分析水平，以獲取長江上游高原及周邊天氣氣候強(qiáng)信號信息;通過有效應(yīng)用青藏高原及其東部周邊地區(qū)觀測數(shù)據(jù)，開發(fā)多尺度數(shù)值預(yù)報模式、提升中國區(qū)域與日本在內(nèi)的東亞地區(qū)氣象預(yù)警、預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)總體能力。圖8為衛(wèi)星遙感產(chǎn)品與探空、邊界層、GPS水汽等綜合觀測系統(tǒng)及其探測功能示意圖。

圖7 觀測中所使用的大氣邊界層塔、GPS大氣水汽觀測儀和探空儀Fig.7 The planetary boundary layer(PBL)tower，GPS water vapor observer and radio sounding used in the JICA Project

圖8 衛(wèi)星遙感產(chǎn)品與探空、邊界層、GPS水汽觀測綜合對比分析示意圖Fig.8 A schematic diagram of the comprehensive analysis and comparison using the data products from the satellite remote sensing products，radiosounding，boundary layer(PBL)observations and GPS data

在云南省、四川省、廣西壯族自治區(qū)和西藏自治區(qū)分別建立了資料中心，用于接收實時觀測資料，并傳輸?shù)皆O(shè)立在中國氣象科學(xué)研究院的北京中心。在北京中心建立了綜合氣象觀測系統(tǒng)所獲取數(shù)據(jù)的資料檔案庫，對資料質(zhì)量進(jìn)行檢驗并依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。除了項目獲取的地基觀測資料外，通過與實地觀測資料進(jìn)行比對，發(fā)展了衛(wèi)星遙感反演技術(shù)，制作了青藏高原區(qū)域土壤水分、積雪、植被、云量、降水量等相關(guān)衛(wèi)星遙感產(chǎn)品，形成了衛(wèi)星遙感產(chǎn)品和實際觀測資料一體化的數(shù)據(jù)集。

建立了新一代高原及周邊區(qū)域綜合氣象觀測系統(tǒng)的監(jiān)測—傳輸—綜合處理分析平臺，成功進(jìn)行了GPS水汽觀測信息反演與業(yè)務(wù)化應(yīng)用的軟件開發(fā)，建立了實時業(yè)務(wù)化流程。完成了高原及周邊GPS水汽觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)信息實時查詢顯示系統(tǒng)以及高原及周邊GPS水汽觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳實時監(jiān)控顯示系統(tǒng)，開發(fā)了青藏高原及周邊地區(qū)邊界層通量觀測綜合分析軟件。JICA綜合觀測系統(tǒng)中自動氣象站和GPS水汽觀測站已正式納入中國氣象局業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行，邊界層通量綜合氣象觀測和大氣廓線儀的建設(shè)工程已列入中國氣象局業(yè)務(wù)示范站。中日J(rèn)ICA項目觀測工程還被列入中國科學(xué)院高原野外觀測網(wǎng)絡(luò)與國家“南水北調(diào)”西線水源區(qū)工程觀測系統(tǒng)。設(shè)立在云南大理和西藏那曲的大氣風(fēng)廓線儀系統(tǒng)見圖9和圖10，圖11給出了云南大理大氣風(fēng)廓線儀所觀測到的風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)及其演變。

JICA項目發(fā)展了災(zāi)害天氣早期預(yù)警和預(yù)報平臺技術(shù)。項目研究表明，采用青藏高原及周邊新建的綜合觀測網(wǎng)中的自動氣象站觀測數(shù)據(jù)、GPS水汽新觀測網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)，以及大氣廓線儀觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模式同化并進(jìn)行數(shù)值預(yù)報敏感性試驗，結(jié)果表明顯著提高了預(yù)報和客觀分析能力。經(jīng)數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)評分檢驗分析，顯示出采用高原及周邊新建觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)，對改進(jìn)高原下游東部長江流域暴雨和中國南方暴雪具有顯著效應(yīng)。有關(guān)高原東緣觀測系統(tǒng)模式同化技術(shù)及其數(shù)值預(yù)報自動化業(yè)務(wù)系統(tǒng)已在四川等省推廣應(yīng)用。項目研究發(fā)現(xiàn)高原東緣南北GPS水汽垂直剖面結(jié)構(gòu)，對冬、夏季高原下游東部區(qū)域降水過程以及暴雨和暴雪預(yù)警具有“強(qiáng)信號”特征[18，29]，該成果已在業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用。高原東緣南北GPS水汽垂直剖面實時數(shù)據(jù)已經(jīng)應(yīng)用于相關(guān)省的業(yè)務(wù)平臺，并在數(shù)據(jù)資料庫、監(jiān)測—傳輸—綜合處理分析平臺以及災(zāi)害天氣早期預(yù)警和預(yù)報平臺建設(shè)以及業(yè)務(wù)應(yīng)用等方面取得了顯著成效。如圖12所示，中日合作JICA計劃實施總體目標(biāo)為建立中日J(rèn)ICA項目青藏高原及周邊氣象綜合觀測網(wǎng)，加強(qiáng)了對高原及周邊大氣的探測能力，提高了青藏高原及周邊區(qū)域大氣信息的采集能力，并改進(jìn)了高原以及中國東部災(zāi)害天氣氣候的監(jiān)測、預(yù)報和預(yù)警能力。

圖9 JICA計劃高原東緣云南大理綜合觀測站大氣廓線儀Fig.9 A wind profiler at the integrated observing station Dali in the eastern Qinghai-Tibetan Plateau under JICA Project

圖10 JICA計劃青藏高原那曲綜合觀測站大氣廓線儀Fig.10 A wind profiler at the integrated observing station Naqu of the Qinghai-Tibetan Plateau under JICA Project

圖11 云南大理綜合觀測站大氣廓線儀垂直風(fēng)廓線連續(xù)變化圖Fig.11 Continuous variations of vertical wind profiles derived from a wind profiler of integrated observing station Dali，Yunnan

圖12 中日合作JICA項目研究目標(biāo)總體框架Fig.12 The overall framework of research ＆development objectives of the China-Japan cooperation under the JICA Project

6 結(jié)語

針對青藏高原及周邊大氣變化、水汽狀況、陸氣相互作用及其對包括中國和日本在內(nèi)的東亞地區(qū)洪澇災(zāi)害的影響等關(guān)鍵科學(xué)問題，減輕包括中國與日本區(qū)域在內(nèi)的東亞地區(qū)的氣象災(zāi)害，中日科學(xué)家聯(lián)合開展了為期4年(2005—2009年)的中日J(rèn)ICA項目，建立了“世界屋脊”青藏高原及東部大氣三維“立體”探測以及長期獲取該地區(qū)綜合氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測網(wǎng)。通過中日J(rèn)ICA項目合作研究，不僅加深了對高原地區(qū)陸面過程、天氣和氣候以及高原對我國和全球影響等方面的科學(xué)認(rèn)識[12]，也通過開發(fā)青藏高原及其東部周邊地區(qū)氣象綜合觀測平臺，提升了高原及周邊地區(qū)衛(wèi)星遙感—地面綜合觀測同化分析能力。同時，中日J(rèn)ICA項目發(fā)展了高原及東部長江流域區(qū)域新一代災(zāi)害性天氣氣候預(yù)警系統(tǒng)及其數(shù)值預(yù)報模式技術(shù)，加強(qiáng)了災(zāi)害天氣氣候監(jiān)測、預(yù)測與評估業(yè)務(wù)系統(tǒng)。高原綜合觀測系統(tǒng)的實施對中國正在實施與設(shè)計中的西部大開發(fā)、青藏鐵路、南水北調(diào)工程及長江流域防洪決策，對長江水資源的調(diào)控、洪水預(yù)報以及西部地區(qū)重點(diǎn)氣象業(yè)務(wù)建設(shè)、提高氣象部門防災(zāi)減災(zāi)決策系統(tǒng)等新技術(shù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

這次中日J(rèn)ICA高原觀測項目在工程立項、建設(shè)、應(yīng)用開發(fā)等過程中，自始至終一直得到了中國氣象局及其所屬有關(guān)業(yè)務(wù)部門的大力支持與積極參與。在項目執(zhí)行中特別注重氣象防災(zāi)減災(zāi)的國家需求和提高中國氣象業(yè)務(wù)能力，注重與氣象觀測和預(yù)測業(yè)務(wù)工程建設(shè)緊密結(jié)合以及研究成果在氣象業(yè)務(wù)中的實際應(yīng)用，科研與業(yè)務(wù)結(jié)合是中日J(rèn)ICA項目的一個重要體現(xiàn)。正如日方中介機(jī)構(gòu)在2009年的終期評估報告中指出:“JICA項目實施不是僅僅停留于項目框架內(nèi)，項目的成果得到了充分利用，對國際前沿性氣象研究做出了重要貢獻(xiàn)。”

雖然通過中日合作JICA項目的實施，極大地加強(qiáng)了青藏高原地區(qū)的大氣監(jiān)測能力，促進(jìn)了觀測信息在科研和業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，但在觀測網(wǎng)的覆蓋范圍、利用觀測資料發(fā)展數(shù)值預(yù)報模式、利用高原觀測資料的融合同化形成高原地區(qū)的再分析資料等方面仍存在著不足。首先，JICA觀測網(wǎng)主要設(shè)立在高原東部區(qū)域，對高原的中西部地區(qū)覆蓋程度不夠。已有的研究表明，高原中西部的大氣狀況不僅與高原區(qū)域、也與高原下游中國東部區(qū)域的天氣氣候有關(guān)。例如，高原災(zāi)害天氣的一個主要影響系統(tǒng)——高原低渦一般在高原西半部產(chǎn)生[30]，來自孟加拉灣流入高原的南風(fēng)對高原低渦的演變具有重要的作用[23]，高原西部的西風(fēng)不僅通過侵入高原對高原低渦產(chǎn)生影響[23]，也通過影響高原繞流進(jìn)而對中國東部的天氣氣候產(chǎn)生影響[31]。因此，加大高原觀測網(wǎng)的覆蓋范圍、特別是對于高原中西部大氣的監(jiān)測是今后完善高原大氣監(jiān)測網(wǎng)的一項重要工作。在JICA項目實施期間，數(shù)值預(yù)報的改進(jìn)主要是通過模式資料同化系統(tǒng)，將觀測資料應(yīng)用于模式的初始場，而沒有利用觀測資料對模式本身進(jìn)行改進(jìn)。如圖13所示，將觀測與模式發(fā)展相結(jié)合是需要進(jìn)一步加強(qiáng)的工作。

圖13 JICA項目觀測系統(tǒng)設(shè)計思路與數(shù)值模式不同尺度系統(tǒng)與物理過程技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)流程圖Fig.13 The flow chart for the design of the observation system under JICA Project and the application of numerical model at different scales and the technology of the physical process

利用觀測資料建立能描述高原特有物理過程、如輻射、云、陸氣相互作用等的數(shù)學(xué)模型，并引入數(shù)值預(yù)報模式中，改進(jìn)模式中的物理過程，這對于進(jìn)一步提高我國數(shù)值預(yù)報水平具有重要的作用。另外，利用觀測資料以及能較好描述高原大氣狀況的數(shù)值模式，形成能較真實反映高原大氣狀況的、空間和時間連續(xù)的、具有較高時間和空間分辨率的高原區(qū)域大氣再分析資料，是解決高原大氣資料時間和空間均勻性的重要手段，高質(zhì)量再分析資料將會進(jìn)一步促進(jìn)有關(guān)高原大氣的業(yè)務(wù)和研究工作。

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