喜馬拉雅山區大氣與環境綜合觀測研究支撐青藏高原地球系統科學發展

馬偉強 馬耀明* 謝志鵬* 陳學龍 王賓賓 韓存博 李茂善 仲雷 孫方林王忠彥 席振華 劉蓮 馬彬 胡偉

1 中國科學院青藏高原研究所青藏高原地球系統與資源環境重點實驗室 北京 100101

2 中國科學院珠穆朗瑪大氣與環境綜合觀測研究站 日喀則 858200

3 成都信息工程大學大氣科學學院 成都 610225

4 中國科學技術大學地球和空間科學學院 合肥 230026

5 中國科學院西北生態環境資源研究院 蘭州 730000

喜馬拉雅山區分布著以珠穆朗瑪峰（以下簡稱“珠峰”）為代表的世界極高山群，是全球冰川積雪最密集的地區之一。該地區受復雜的地形、強烈的海-陸-氣多圈層相互作用、交錯分布的冰川、河流及積雪等因素的影響，形成了獨特的大氣環流系統及氣候和環境特征，是青藏高原特殊大氣過程集中表現的典型區域，為高原山地復雜地形條件下的氣象學和生態環境科學觀測研究提供了天然實驗室[1]。

近年來，全球變暖導致珠峰地區的氣候和環境發生了顯著變化[2]，氣溫快速升高正在深刻影響珠峰地區的自然地理環境，具體表現為珠峰地區冰川整體萎縮，冰湖面積急劇擴張且湖泊數量增加，積雪覆蓋面積降低且雪線高度攀升，植被持續變綠，生態系統總體向好等一系列環境要素的變化。這些變化通過地-氣間的能量和水分循環過程，影響區域和全球的氣候變化，以及局地大氣和水文循環過程，造成極端天氣氣候事件頻發，引發山體滑坡、泥石流、冰湖潰決等自然災害，對當地群眾的生命和財產安全，以及青藏高原水資源與生態環境均構成威脅。為了科學地認識該地區氣候與環境的變化，我國科學家自20世紀中期開始，克服重重困難對珠峰地區開展了多次科學考察。然而，科學考察的方式觀測持續時間短，不能全面了解該地區不同季節和長期的大氣及環境變化過程，研究目標也存在片面性。因此，中國科學院珠穆朗瑪大氣與環境綜合觀測研究站（以下簡稱“珠峰站”）應運而生。在以珠峰北坡為代表的喜馬拉雅山區建立長期的大氣和環境綜合觀測研究站，對于全面地認識該地區及青藏高原在全球變化中的作用和對響應都有非常重要的科學意義。

珠峰站于第四次珠峰地區綜合科學考察期間（2005 年3—5 月）開始建設，同年8 月底竣工，并于2021年10月獲批成為科學技術部國家野外科學觀測研究站，國家站名為“西藏珠穆朗瑪特殊大氣過程與環境變化國家野外科學觀測研究站”。珠峰站本部海拔4 276 m，距珠峰登山大本營約30 km，是珠峰北坡唯一的長期綜合觀測研究站，也是“中國高寒區地表過程與環境觀測研究網絡”及“第三極環境”（TPE）國際研究計劃的重要野外臺站。珠峰站以珠峰北坡地區高寒山地復雜地形下的大氣過程和環境變化為核心問題，圍繞地表多圈層地-氣相互作用過程研究，建立并運行大氣物理、大氣環境、冰川、河流水文、植被生態要素等長期監測平臺，聚焦于非均勻下墊面和復雜地形對青藏高原地-氣相互作用過程和大氣邊界層過程的影響研究，立足于保護與建設高原生態安全屏障國家重大需求。目前，珠峰站已開展了針對珠峰北坡大氣、水文、冰川、生態及地球物理等多圈層近20年的綜合連續觀測，建立了涵蓋該地區典型下墊面特征的多時空、多手段、高精度、多要素一體化的綜合觀測體系，為深入認識青藏高原地-氣耦合系統變化及對全球能量、水分循環的影響和機制提供了第一手科學數據和理論依據，服務于青藏高原地球系統科學模擬研究和區域可持續發展，推動了青藏高原生態文明建設和國家治藏方略的實施。

1 構建了珠峰地區多圈層地-氣相互作用過程立體綜合觀測網絡

復雜下墊面地-氣相互作用及其天氣氣候效應研究是當前國際熱點科學問題之一。為了深入認識高原復雜地形和地表特征下的地-氣間能量水分交換特征和大氣邊界層結構特征，針對珠峰地區不同下墊面地表水熱狀況差異，沿絨布河谷建立了不同海拔梯度帶涵蓋冰川、高寒礫石、高寒灌叢、高寒濕地、高寒荒漠草原等主要地理生態單元的氣象梯度觀測體系（圖1）[3]，實現了該地區多要素-多尺度-精細化的大氣過程和環境變化梯度監測。建立關鍵帶觀測研究區，從站點-樣帶、流域、區域等尺度，開展了包括大氣物理、大氣環境、植被生態、水文過程、地球物理等在內的各類觀測項目。其中針對大氣物理的觀測主要包括邊界層梯度觀測系統、渦動協方差大氣湍流觀測系統、風廓線觀測系統、無線電探空觀測系統、土壤水熱觀測系統和地基多通道微波輻射計等。綜合觀測系統能夠以從10 Hz到30 min不等的觀測頻率對大氣湍流過程、近地面（0—40 m）和低層大氣（80—5 000 m）的邊界層結構變化（風速、風向、氣溫、相對濕度等）、地表輻射收支過程、土壤水熱傳輸過程等各項氣象要素進行實時連續的定位監測。這些多要素觀測用于研究該區域邊界層湍流特征、邊界層水汽、二氧化碳、感熱、潛熱通量的湍流輸送、邊界層垂直結構特征及隨時間的變化規律、地表輻射和能量平衡特征、土壤水熱特性等，進而認識珠峰及周邊地區的水汽輸送和水循環，以及降水的時空分布與中尺度天氣系統的影響。

圖1 珠峰地區多圈層地-氣相互作用綜合觀測網絡野外站點空間分布[3]Figure 1 Spatial distribution of field stations in multi-layer comprehensive observation network for land-atmosphere interactions in Qomolangma region [3]

在擴大并完善珠峰地區地-氣相互作用綜合觀測網絡的同時，珠峰站還進一步強化和規范了觀測方法和數據質量控制流程，加強與國家科技資源共享服務平臺等國家科技創新基地的銜接，制定野外臺站觀測數據開放共享工作規范，有序開放觀測數據并提供共享服務。開放共享了珠峰站自建站以來的地-氣相互作用過程綜合觀測數據[4]，有效推動了科學設施、科學數據等科技資源的開放共享。

2 分析珠峰地區湍流關鍵特征參數，揭示了該地區地-氣間能量交換特征

空氣動力學和熱力學粗糙度等是影響地表與大氣之間動量和能量交換的關鍵參數，對于地表過程和氣候變化研究至關重要。基于站點地-氣相互作用長期綜合觀測資料，開展地-氣相互作用過程關鍵特征參數分析，有助于改進數值模式中陸面過程和大氣邊界層過程的參數化方案描述，深化對復雜下墊面地-氣相互作用關鍵科學問題的理解和認識。

珠峰站長期綜合觀測數據分析結果顯示，絨布河谷地區近地層無因次風速分量方差和靜力學穩定度的關系滿足“1/3”次方規律，確認了Monin-Obukhov相似理論在這一地區的適用性[5]。基于渦動觀測和氣象資料，分析了珠峰地區動量總體系數（CD）、熱量總體輸送系數（CH）、空氣動力學粗糙度（z0m）、熱力學粗糙度（z0h）以及熱輸送附加阻尼系數（kB-1）等地-氣間物質和能量交換關鍵參數[6]，揭示了動力和熱力學粗糙度、熱輸送附加阻尼等高原復雜地表湍流交換關鍵參數時空變化的“不定常”規律（圖2），并指出目前數值模式中采用“定常”的特征參數會導致嚴重的“失真”效應。同時基于風溫廓線資料、湍流觀測資料以及地面氣象觀測資料確定了珠峰站所在區域的有效空氣動力學粗糙度，指出山地地區的有效空氣動力學粗糙度要比局地尺度的空氣動力學粗糙度大1—2個量級[7]。高原復雜下墊面地表與大氣之間物質和能量交換觀測參數的研究，為提高天氣氣候模式在青藏高原地區的模擬精度奠定了基礎。

圖2 珠峰地區湍流關鍵特征參數[3]Figure 2 Characteristics of land surface turbulent flux parameters in Qomolangma region[3]

受季風所帶來的降水影響，珠峰地區地表感熱通量和潛熱通量隨季節呈交替變化趨勢[3,8]，表現為冬季感熱和潛熱通量強度相當，春季地表能量傳輸以感熱為主而夏季則以潛熱為主，并且季風強盛時期，潛熱可達感熱的2倍（圖3c）。感熱通量的變化主要受太陽輻射控制，而潛熱通量的變化則受太陽輻射和降水共同影響。由于不同站點間下墊面地表狀況和土壤物理性質（如土壤質地和土壤孔隙度）的差異，各站點地表能量平衡各分量雖然在季節上表現出一致的變化趨勢，但感熱通量、潛熱通量及反射的短波輻射和發射的長波輻射在不同站點間差異明顯[3]，這一結果凸顯了針對復雜山區不同下墊面狀況開展水熱通量觀測的必要性。此外，多年晴空日間輻射觀測資料顯示，短波向下輻射有不同程度的減小趨勢，而長波向上輻射則有不同程度的逐年增加趨勢[9]。

圖3 珠峰地區2006—2021年期間多年平均地表輻射和湍流能量的季節變化特征[3]Figure 3 Seasonal characteristics of multi-year average surface radiation and turbulent energy in the Qomolangma region from 2006 to 2021[3]

3 揭示了青藏高原復雜山地地形與西風環流相互作用及影響大氣邊界層發展的機制

大氣邊界層是地表和大氣之間能量及物質交換的主要發生地，揭示珠峰地區大氣邊界層結構及其發展機制，可為深入理解該地區熱量和水分收支狀況、高原及其周邊地區的天氣和氣候變化提供重要參考。

珠峰站目前配備有由大氣邊界層塔、無線電探空、微波輻射計、風廓線雷達組成的完備大氣邊界層綜合觀測系統，具備獲取、處理和分析地面至中低空大氣壓力、溫度、濕度、風速風向垂直結構的能力。大氣邊界層結構及大氣環流特征分析結果顯示，珠峰地區大氣邊界層高度存在明顯的季節差異，一般來說季風爆發期和非季風期邊界層發展深厚[10]，干季邊界層高度要遠大于濕季，并且受冰川風的影響，大氣邊界層高度日變化顯著。珠峰地區下午風速強勁，一般而言非季風期盛行西南風而季風期則東南風占主導。非季風期珠峰地區下午近地層出現的西南強風是因為高空西風急流向下的動量傳輸引起；在季風期，由于西風帶北移，珠峰地區不再受到西風急流控制，地形和南亞季風的作用使得珠峰站在下午出現東南強風[11]。中尺度天氣預報模式（WRF）模式模擬結果也顯示，在非季風期，珠峰站周圍近地層出現的強烈西南風是受高空西風的影響，而季風期的東南風來自于珠峰東部穿越喜馬拉雅山脈南北的河谷[12]。

珠峰地區獨特的局地環流特征受大尺度環流系統的影響[8,10-12]。例如，Lai 等[10]的研究表明，當絨布河谷山脊高度以上的大尺度西風風向與山谷軸線方向平行時，西風動量更容易向下傳輸到山谷中，使得地表風速增大，感熱通量增強，同時在山谷中會形成一個異常的局地熱力驅動風（圖4）。此外，珠峰地區周圍復雜山地地形引發的山谷風和冰川風對該地區獨特的局地環流特征的形成同樣起著重要影響[3,8,10-13]。例如，冰川風的影響在15:00 以后占主導地位，冰川風最大風速可達10 m/s，此時谷風消失，還造成局地的降溫增濕[13]。與此同時，山地地形與西風大尺度環流系統的相互作用對喜馬拉雅山中段北側大氣邊界層的增長也起著關鍵作用，通過利用探空數據和地面站點觀測數據、ERA5 再分析資料及邊界層模擬結果，闡明了喜馬拉雅山中段深厚大氣邊界層的形成和發展機制[10]。

圖4 2014年11月23日（a，b，e，g）和28日（c，d，f，h）風速風向的垂直廓線變化及近地層風速風向的變化[3]Figure 4 Vertical profiles of wind speed and wind direction at QOMS_Main from radiosonde observations on two sunny days with distinct synoptic conditions (Nov. 23 and 28, 2014)[3]

4 發展了復雜山區地表水熱通量遙感反演算法和數值模式參數化方案，建立了衛星遙感反演地表水熱通量的“點-面結合”理論

離散式“點”的觀測資料僅能代表觀測點或者某種特定地表特征下的地表能量過程，難以反應區域“面”的地-氣間能量交換的實質，需要衛星遙感或者數值模式的結合才能將站點的觀測結果擴展到區域。此外，復雜山區地表水熱通量遙感反演和數值模式模擬結果的精度和不確定性，又需要地面實測的結果來加以評估和驗證。因此，基于高寒山區完善的地面觀測資料，檢驗遙感反演和數值模式模擬的水熱通量結果的可靠性和適用性[14,15]，建立有效的估算地表水熱通量的“點-面結合”方法[16-18]，是揭示復雜山區區域尺度地表水熱通量交換特征的重要手段。

利用衛星遙感資料并結合珠峰站地面觀測資料，估算了珠峰地區的地表特征參數（地表反照率、地表溫度、NDVI等），再結合基于地面觀測確定的地面和大氣參數（如空氣動力學粗糙度z0m、熱輸送附加阻尼kB-1等），推算出區域尺度的地表水熱通量[16-19]，并在此基礎上，建立了青藏高原衛星遙感與地面觀測“點-面結合”的升尺度理論，提出了準確估算高原區域地表熱通量的“馬賽克近似”和“混合高度假設”新方法（圖5），顯著提高了地表水熱通量的估算精度，并定量揭示了高原復雜地表水熱狀態及其變暖變濕的高分辨率時空分布特征[20]。基于站點觀測資料，驗證了包括MODIS、FY-2C等在內的遙感數據產品在該區域的準確性[14,15]，改進了地表能量平衡模型（SEBS）中的粗糙度方案[21]，進一步提高了數值模式高原地表水熱通量的模擬精度。這些研究對于認識高海拔復雜地形區的能量和水分循環規律及其天氣氣候影響機理具有重要作用。

5 為國家重大活動開展、科學前沿探索及國家重大科技任務順利實施提供了重要保障

珠峰站自建站以來始終堅持“觀測、研究、支撐、服務”的主要功能和定位，作為珠峰地區重要的科考基地，珠峰站為該區域國家重大活動開展（如保障2008 年北京奧運火炬成功登頂珠峰）、科學前沿探索、國家重大科技任務實施提供科研儀器、觀測數據和支撐保障。隨著基礎設施條件的不斷完善，珠峰站已成為支撐重大科技任務的科研基地，依托珠峰站平臺支撐獲批并實施了多項科研項目，如國家自然科學基金委重大研究計劃、重點項目、國際（地區）合作與交流項目，第二次青藏高原綜合科學考察項目，中國科學院戰略性先導科技專項（A類），以及科學技術部國家重點研發計劃重點專項等，很好地支撐了本區域科研活動的開展并推動了科學前沿的探索，有效提升了我國青藏高原研究的國際影響力。自2018 年以來，隨著中國科學院戰略性先導科技專項（A類）“泛第三極環境變化與綠色絲綢之路建設”和第二次青藏高原綜合科學考察研究的啟動和實施，珠峰站成為更加重要的科學考察和研究基地。“巔峰使命2022”珠峰聯合科考期間，珠峰站通過無線電探空、地基微波輻射計和激光測風雷達等手段開展大氣垂直探測，實時獲取了珠峰地區的三維大氣結構特征[22]；在沖頂和浮空艇布放作業期間，開展加密探空觀測試驗，最大程度掌握珠峰實時天氣條件變化，匯集各類氣象觀測數據，配合做好極端天氣過程的觀測和預報，參與珠峰科考氣象保障團隊天氣會商，為科考隊員安全、順利登頂提供氣象保障。總而言之，珠峰站通過持續觀測和科技支撐，在不斷推動區域科技發展和服務重大國家戰略中展現更大擔當、貢獻更多力量。

6 結語

近20年來，珠峰站圍繞珠峰這一重要特殊環境和高寒高海拔區域大氣和環境變化，通過布局該區域基于大氣環境變化的多學科交叉的國家野外科學觀測研究站，構建了珠峰地區多時空、多手段、高精度、多要素一體化的地-氣相互作用過程綜合觀測體系，從觀測試驗、衛星遙感、數值模擬3 個角度，有效推動了復雜地表能量和水分循環規律及其天氣氣候影響機理的研究。

未來，珠峰站將借助國家站建設契機，圍繞國家和西藏地方可持續發展需求，結合自身科學研究與學科發展特色，堅定“立足極地創新，成為創新高地”的思想，繼續堅持將大氣和環境過程長期監測、科學試驗、衛星遙感和數值模擬等多手段結合的方式，開展從“點”到“面”、從“單位”到“系統”的技術集成與示范研究，加強硬件和軟件建設，提升臺站綜合觀測能力、基礎研究水平及支撐科考活動的能力，使之成為支撐國家重大科研任務的高水平科技創新基地、支撐重大科考任務的野外科考基地、服務區域生態文明建設的示范基地、科學知識普及與傳播的科普教育基地，實現“觀測、研究、支撐、服務”的主要目標，打造成為有國際影響的青藏高原綜合野外科學觀測研究站。