強化氣象科技支撐 攻堅干旱前沿難題
——記中國氣象局蘭州干旱氣象研究所研究員岳平

王 涵

干旱是自然界的一種異?，F象，具有發生頻率高、持續時間長、影響面積廣等特點。其形成機制復雜而又深奧，是全球氣候變化背景下對農業生產、生態環境和社會經濟發展影響最深遠的自然災害。每年因干旱災害導致我國糧食減產數百至數千萬噸，嚴重制約著社會經濟可持續發展和生態文明建設。因此，干旱一直是地球科學和生態學界高度關注的熱點問題之一。對干旱的精確監測、及時預警和高效防范，是從事干旱氣象研究的科學家畢生努力的方向。

學成于有著“中國氣象人才搖籃”之稱的“南京氣象學院”，在甘肅省氣象局不斷歷練成長，現任中國氣象局蘭州干旱氣象研究所研究員、甘肅省基礎研究創新群體牽頭人、第八屆甘肅省科學技術協會委員、中國氣象學會干旱氣象學委員會委員岳平，帶領團隊研發了基于現代觀測體系的雨養農業生態系統干旱監測預警技術，深入開展了干旱對黃河上游關鍵水源涵養區生態環境的影響機制及監測預警研究，其成果為甘肅省重大干旱防災減災和生態環境治理提供了重要技術支撐。

岳平

作為主要從事陸-氣相互作用與干旱致災機理研究的省創新群體牽頭人，在多年研究中，岳平帶領課題組建成了沿夏季風伸展和進退方向的“十”字形陸-氣相互作用觀測體系，構建了一套適合我國干旱區的陸面過程參數化方案；通過觀測試驗研究，揭示了半干旱區生態系統水-熱-碳耦合機制，發現了水分利用效率隨干旱強度的轉換規律，發現了荒漠化地帶與沙漠腹地起沙物理特性的差異，創新研究成果多次獲得省部級基礎研究和科技進步獎勵。

雨養農業生態系統干旱監測

作為承擔著干旱氣象專業優勢領域核心攻關任務和區域共性關鍵技術研究的國家級科研院所，中國氣象局蘭州干旱氣象研究所（以下簡稱“干旱所”）緊緊圍繞現代氣象業務發展需求和專業定位，以加強氣象科技創新、突破氣象核心技術和區域共性關鍵技術、提升科技支撐能力及發揮科技引領和輻射作用為目標，聚焦區域氣象業務發展和現代氣象服務中的關鍵科技問題，深入開展應用基礎研究和技術研發，重點解決我國干旱氣象業務發展中急需的科技前沿和重大關鍵科技問題。

在岳平看來，關于重大干旱，目前主要從大氣環流的角度揭示其形成和發展的物理機制，很少考慮陸-氣相互作用的反饋過程對干旱的影響，從而導致對重大干旱發生、發展及演變規律和形成機理的研究不夠深入。此外，干旱監測預警中多源資料和新技術的集成與應用研究不充分是制約干旱氣象業務發展的重要瓶頸所在。尤其我國西北地區旱作農業生態區完全依賴自然降水，干旱對農業生態系統的影響非常突出，開展雨養農業生態系統干旱觀測與監測研究是迫切面對的重要科學問題。

自2007年以來，岳平和團隊通過綜合分析我國西北地區干旱發生的自然規律、地表植被和海溫變化對干旱的影響機制，研究了作物生長層水熱轉化過程對農業生態系統干旱的影響機理，揭示出半干旱生態系統水熱和碳水耦合機制受干旱脅迫的轉換特征。通過科學實驗，他們還發現了半干旱地區凝結水的形成機制及其對水分平衡的影響規律，建立了作物生育層水熱轉化關系，揭示了半干旱地區植被重建對土壤水分儲量及其水分利用規律，發現陸面水熱交換年際變化主要受有效降水頻次影響，揭示了半干旱草地生態系統水、熱、生之間的耦合機制，發現了水分利用效率隨干旱強度的轉換規律。一系列的研究不僅為干旱監測預警提供了重要技術支撐，而且為應對氣候變換背景下生態治理與環境修復提供了理論基礎。其團隊利用陸面模式，在結合強迫資料生成和應用百分位數判斷干旱等級的干旱監測技術研究的基礎上，研發了陸面過程模式的干旱監測業務系統，使干旱監測時效提前了3天，干旱監測準確率提高了10%。該成果已經在我國北方多個省區推廣應用。成果發表在Agric For Meteorol、J Hydrology、Bound-Layer Meteorol、Sci China-Earth Sci和《科學通報》等國內外高影響學術期刊上。干旱監測技術和服務產品等一系列創新成果，大大提高了我國干旱災害和干旱致災過程的研究水平，改進了我國干旱災害監測與觀測技術手段及業務能力，為地方政府提供了重要決策依據，并獲得了甘肅省科技進步獎二等獎。

干旱對黃河上游關鍵水源涵養區生態環境影響

黃河流域生態治理和高質量發展是重大國家戰略，黃河上游（瑪曲段、洮河流域、大通河流域）是關鍵水源補給區，也是國家生態安全屏障。黃河上游關鍵補給區位于寒旱區，因特殊的地理環境和氣候環境，該區域生態環境和水資源對干旱氣候變化非常敏感。開展干旱對黃河上游關鍵補給區生態環境的影響及其監測預警技術研究對生態環境保護、水資源合理開發和防災減災能力提升具有重要意義。然而受自然條件和經濟發展約束，區域內氣象觀測站點稀疏，更缺乏陸面生態系統長期定位觀測，限制了對黃河上游關鍵水源補給區干旱與陸面生態系統水熱交換和碳循環機制的認識，嚴重制約了對區域氣候的數值模擬能力和干旱監測預警技術水平的提升。

因此，針對影響黃河上游關鍵水源補給區干旱對生態系統影響及其監測預警技術難題，岳平和團隊利用黃河上游關鍵水源補給生態定位綜合觀測資料、氣象臺站觀測資料、陸面格點同化數據、MODIS遙感資料以及陸面過程和區域氣候模式，通過定位觀測、理論分析和數值模擬等手段，在黃河上游關鍵水源補給區生態系統碳水循環過程、干旱的多尺度特征和干旱監測預警技術等方面取得了一系列理論和技術創新。譬如研發了基于綜合觀測陸面參數化方案和土壤濕度遙感產品評估新方法，有效解決了高原地區觀測匱乏問題；定量評價了黃河上游水源補給區陸地主要生態系統碳收支，揭示了干旱影響碳交換和水分利用效率的機制；揭示了植被狀況對區域氣候變化的響應及其影響午后對流降水的機理，增強了對寒旱區土壤-植被-大氣相互作用對區域氣候影響的科學認識；研究了黃河上游關鍵補給區氣候多尺度特征及極端氣候事件變化規律，黃河上游關鍵水源補給區未來情景預估。

成果被深入應用于黃河上游關鍵水源補給區干旱監測預警、水利部黃河委員會流量預報、第三次全國水資源等重大業務與技術服務中，產生了良好的社會經濟效益；申請專利和軟件著作權2項，研發黃河上游關鍵水源補給區干旱監測預警系統1套；發表論文50余篇，SCI收錄20篇，其中大多發表在AFM、JH、ERL和JGR等農林氣象、水文氣象和環境科學國際權威期刊，被STE、AFM和ACP等眾多國際頂級期刊引評，顯著提升了我國在該領域的國際影響力，并獲得2020年甘肅省科技進步獎二等獎。

黃土高原農田草地生態系統對夏季風響應

夏季風在大氣環流中扮演著重要的角色，成為全球大氣能量和水汽輸送的主要動力機制。我國是全球夏季風最活躍的區域之一，夏季風活動不僅直接影響著全球大氣環流模態和天氣氣候格局，而且對陸面水熱交換過程和生態系統碳循環產生重要影響。黃土高原是我國夏季風影響過渡區的重要組成部分，也是農牧交錯帶的核心地帶。黃土高原地形地貌和生態環境獨特，總面積達64萬平方公里，是夏季風邊緣線擺動特征明顯、擺動范圍較寬的區域。該區域夏季風活動的規律性更強，陸面生態系統對夏季風進退的響應更敏感。

夏季風降水不僅會直接改變陸面水熱特征參數，而且通過主導年降水量和季節性干旱，對生態系統碳交換起著至關重要的調制作用。黃土高原陸面過程中水分的作用十分特殊，其土壤水分作為非飽和水資源不僅為自然植被和農作物隨時提供水分，而且水分輸送過程是向植物傳輸養分的主要載體。季風降水占黃土高原年降水量的60%～70%，因此生態系統水分主要依賴于季風降水。受季風降水年際波動大和蒸散潛力高等因素影響，該區域自然植被及作物生長季節土壤水分經常性未達到最適宜狀態，導致植被蒸騰和土壤蒸發過程受土壤水分脅迫影響嚴重。

數十年來，國際上開展了大量關于氣候變化對陸面過程影響及陸面過程反饋作用的研究，我國也相繼開展了“青藏高原氣象科學實驗計劃”（QXPMEX）、“黑河地區地氣相互作用觀測試驗研究”（HEIFE）等一系列以研究陸面過程為主要目標的綜合觀測試驗，一方面揭示了青藏高原大氣邊界層動力、熱力特征及其天氣學意義，對典型干旱區陸面過程參數化及綠洲系統水分和能量交換特征取得了新的科學認識，另一方面也在黃土高原對流邊界層發展機制、陸面能量不平衡問題及陸面過程參數化等方面取得了創新性成果，大大豐富了對陸面過程基本特征的認識。此外，干旱所通過“黃土高原陸面過程觀測試驗研究”（LOPEX）的實施以及后續開展的“半干旱地區非均勻下墊面湍流輸送效應及總體輸送系數研究”“土壤熱通量觀測方法改進及其對能量平衡影響研究”等自然科學基金項目的支持，已在甘肅定西、平涼和慶陽等多個觀測試驗點開展了10年的地表能量和水分收支連續觀測，蘭州大學也在榆中建成了SACOL站，開展了12年的陸面過程綜合觀測。以上述觀測試驗為基礎，已經對黃土高原地表能量平衡問題和動力學粗糙度、總體輸送系數及反照率等關鍵物理量參數化有了較深入的認識。

然而，由于以往關于黃土高原陸面過程的研究仍缺乏不同生態系統陸面水熱交換特征對比研究，尤其是不同生態系統陸面水熱交換過程對氣候系統的響應研究；同時，陸面模式中關于生理生態過程的描述存在較大的局限性，并未將陸面水熱交換過程與植被生理生態過程緊密聯系起來。因此，岳平提出，深入認識夏季風影響黃土高原不同生態系統環境要素和生理生態因子的機理，研究對黃土高原不同生態系統環境要素和生理生態因子影響陸面水熱交換的環節，建立夏季風驅動下生態系統環境要素和生理生態因子與凈碳交換各分量之間的定量關系，仍是黃土高原陸面過程研究中亟待解決的問題。

近年來，岳平帶領團隊緊扣“陸面生態系統水-熱-碳循環”前沿研究領域，以黃土高原不同生態系統水熱交換及碳循環這一關鍵問題為切入點，充分考慮夏季風對陸面過程的特殊驅動作用，致力于在黃土高原生態系統水熱交換和碳循環及其與夏季風的關系研究方面取得突破性進展。他們選擇黃土高原草地和典型農田（馬鈴薯、小麥和玉米）生態系統為研究對象，系統開展了野外綜合觀測試驗，揭示黃土高原不同生態系統環境要素和生理生態因子影響陸面水熱交換的機理，建立受夏季風驅動的環境要素和生理生態因子與不同生態系統凈碳交換分量的關系，試圖闡明夏季風對黃土高原碳通量年收支的特殊驅動作用。岳平認為，上述研究將對黃土高原陸面水熱交換及碳循環與夏季風關系建立新的深入認識，為區域數值模式改進和干旱監測技術發展提供重要的理論支撐。目前，其團隊圍繞上述內容已在AFM、JH、JGR和《中國科學：地球科學》等國內外高影響學術期刊發表學術論文十余篇。

專家簡介

岳平，生于1974年，南京信息工程大學大氣物理學與大氣環境專業博士?，F任中國氣象局蘭州干旱氣象研究所三級研究員，第八屆甘肅省科協委員、甘肅省氣象學會理事、中國氣象學會干旱氣象學委員會委員、中國氣象學會蘭州干旱氣象研究所學術委員會委員。主要從事陸-氣相互作用與干旱致災機理研究。主持和參加完成國家級項目15項，在國內外學術刊物發表論文70多篇，其中SCI收錄30多篇，參與編寫專著2部。曾獲中國氣象學會大氣科學基礎理論研究成果獎一等獎1項、甘肅省科技進步獎二等獎2項、寧夏回族自治區科技進步獎三等獎1項，獲得全國氣象工作先進個人，第七屆、第八屆“全國優秀氣象科技工作者”等稱號，入選甘肅省“隴原人才服務卡”高層次人才和中國氣象局“西部優秀人才”，是甘肅省基礎研究創新群體牽頭人、甘肅省氣象局領軍人才、中國氣象局蘭州干旱氣象研究所干旱致災機理及其風險預警創新團隊學術帶頭人。