張人禾，徐祥德

(中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

1 前言

青藏高原地勢(shì)高聳，范圍廣大，平均高度可達(dá)對(duì)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(wàn)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(guó)陸地面積。整個(gè)青藏高原除了中國(guó)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(guó)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(zhǎng)江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地。青藏高原東南部是中國(guó)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(dòng)和地殼的水平位移對(duì)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(guó)和亞洲眾多著名江河的發(fā)源地，成為“中國(guó)水塔”和“亞洲水塔”[1]。高原東南部的中國(guó)西南地區(qū)(含西藏、廣西)地表水資源十分豐富，占中國(guó)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(guó)湖泊總面積的52%，是地球上海拔最高的湖泊群[3]。高原通過(guò)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(duì)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(chǎng)、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(duì)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(dòng)力作用對(duì)中國(guó)、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(huì)影響次年夏季中國(guó)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(cè)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?duì)行星尺度環(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(duì)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(duì)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(duì)同期中國(guó)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(duì)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(guó)學(xué)者研究季風(fēng)問(wèn)題的焦點(diǎn)。青藏高原夏季加熱對(duì)大氣環(huán)流的影響進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)歐亞大陸尺度大氣環(huán)流，對(duì)中亞的干旱和東亞季風(fēng)起著放大器的作用，同時(shí)，夏季熱源會(huì)激發(fā)一個(gè)沿東亞沿岸經(jīng)白令海峽直到北美的一個(gè)熱源和渦度波列，能夠?qū)е聦?duì)流層中層的西太平洋副高西移以及高空南亞高壓東移。感熱驅(qū)動(dòng)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(dòng)力影響Fig.1 Geographical location of the Tibetan Plateau and its dynamical effect

高原是中國(guó)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(zhǎng)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(guò)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(guó)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(cè)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(jià)值，也在提高中國(guó)乃至東亞地區(qū)災(zāi)害天氣氣候預(yù)報(bào)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(jià)值。

災(zāi)害天氣氣候預(yù)報(bào)、特別是長(zhǎng)江洪澇預(yù)報(bào)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和重大決策所要求的一個(gè)十分重要的任務(wù)。如何尋找中國(guó)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(shí)中國(guó)區(qū)域?yàn)?zāi)害天氣氣候成因的重要環(huán)節(jié)之一。因此，設(shè)計(jì)中國(guó)東部洪澇、干旱的上游強(qiáng)信號(hào)敏感區(qū)高原及周邊觀測(cè)網(wǎng)，將對(duì)中國(guó)區(qū)域?yàn)?zāi)害天氣預(yù)報(bào)理論研究與技術(shù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

考慮到在青藏高原開(kāi)展大氣監(jiān)測(cè)的重要性，為了增強(qiáng)高原及其東部大氣三維“立體”探測(cè)長(zhǎng)期綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，中日科學(xué)家在2005—2009年期間聯(lián)合開(kāi)展了中日合作JICA(Japan international cooperation agency)項(xiàng)目，實(shí)施了青藏高原大氣綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)，并聯(lián)合開(kāi)展觀測(cè)、研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用工作。Xu X等[10]對(duì)項(xiàng)目執(zhí)行期間高原觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)情況作了簡(jiǎn)要介紹，Zhang R等[12]對(duì)項(xiàng)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(xiàng)目設(shè)計(jì)思想、觀測(cè)網(wǎng)的構(gòu)建和實(shí)施以及成效作系統(tǒng)的介紹。

2 JICA項(xiàng)目的確立及其意義

在青藏高原上可觀測(cè)到全球極值的太陽(yáng)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(duì)流云，這些對(duì)流云影響了高原大氣的輻射傳輸和對(duì)流性凝結(jié)加熱，是青藏高原加熱過(guò)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(guó)長(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)江梅雨期洪澇形成甚為重要。形成于高原上空向東移動(dòng)的高原低渦可以影響中國(guó)東部強(qiáng)暴雨，例如，1963年華北特大暴雨和1954年長(zhǎng)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(dòng)力和熱力作用是影響長(zhǎng)江流域梅雨期水汽輸送的一個(gè)關(guān)鍵因素[14]，如圖2所示，青藏高原及東緣為中國(guó)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(duì)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(guó)在1979年和1998年開(kāi)展過(guò)兩次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn):在1979年的第一次科學(xué)試驗(yàn)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(duì)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(yàn)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(duì)流云團(tuán)簇呈顯著東移的特征，認(rèn)為長(zhǎng)江暴雨洪水的初始對(duì)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(yàn)，并且在青藏高原大氣研究領(lǐng)域與中國(guó)科學(xué)家開(kāi)展了持續(xù)的合作研究?？紤]到在青藏高原大氣觀測(cè)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(cè)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(yàn)中，由于科學(xué)技術(shù)水平和資金的限制，在觀測(cè)的區(qū)域范圍、觀測(cè)項(xiàng)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(cè)網(wǎng)建設(shè)的要求，觀測(cè)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(shí)，對(duì)觀測(cè)和研究的成果在氣象業(yè)務(wù)中的實(shí)際應(yīng)用注重不夠。2001年，中國(guó)氣象科學(xué)研究院向中國(guó)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(cè)計(jì)劃的中日合作JICA項(xiàng)目申報(bào)書(shū)，經(jīng)過(guò)中國(guó)科技部和日方專家組及JICA機(jī)構(gòu)的評(píng)審，于2004年9月得到中日雙方正式批準(zhǔn)立項(xiàng)，項(xiàng)目名稱為“中日氣象災(zāi)害合作研究中心”(以下簡(jiǎn)稱為中日 JICA項(xiàng)目)。此項(xiàng)目是JICA計(jì)劃在氣象領(lǐng)域國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)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(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上，為高原及周邊區(qū)域氣象綜合觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)工程提供新增加的觀測(cè)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(kāi)展觀測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)值模式開(kāi)發(fā)，合作開(kāi)展研究，派遣中方大氣觀測(cè)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(xiàng)目通過(guò)中日合作，建立青藏高原及其東部大氣綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)，提升青藏高原及其東部周邊地區(qū)氣象綜合監(jiān)測(cè)能力，提高青藏高原及其東部周邊地區(qū)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量。通過(guò)開(kāi)發(fā)有效應(yīng)用這些觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)值預(yù)報(bào)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(bào)預(yù)警系統(tǒng)，加強(qiáng)災(zāi)害天氣氣候的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)與評(píng)估業(yè)務(wù)系統(tǒng)。通過(guò)開(kāi)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(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)值預(yù)報(bào)模式，強(qiáng)化中國(guó)區(qū)域的業(yè)務(wù)化氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)，減輕包括中國(guó)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(lái)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(guò)南中國(guó)海流至高原及中國(guó)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?jī)芍鞴餐D(zhuǎn)向中國(guó)長(zhǎng)江流域和日本列島，該地區(qū)是中國(guó)區(qū)域洪澇異常水汽輸送的“大三角型”關(guān)鍵區(qū)(見(jiàn)圖3)。如何認(rèn)識(shí)“大三角”季風(fēng)活躍區(qū)水分循環(huán)結(jié)構(gòu)與長(zhǎng)江流域?yàn)?zāi)害天氣形成的相關(guān)機(jī)理亦是天氣氣候預(yù)測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)于中國(guó)區(qū)域氣候異常旱澇年水汽輸送距平場(chǎng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)江流域遠(yuǎn)距離水汽輸送遙相關(guān)模型，對(duì)于長(zhǎng)江流域旱年則相反。有關(guān)數(shù)值模擬亦證實(shí)夏季低緯海洋水汽源狀況對(duì)長(zhǎng)江流域降水影響顯著[17]。

通過(guò)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(dòng)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(chǎng)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(lái)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(guò)程特征(見(jiàn)圖4、圖5)。

另外，計(jì)算結(jié)果同樣表明，不但對(duì)于夏季中國(guó)東部長(zhǎng)江流域等區(qū)域大范圍暴雨、洪澇災(zāi)害，而且對(duì)于`冬季南方雪災(zāi)過(guò)程，高原及東緣“直角型”框區(qū)(見(jiàn)圖3)均為中國(guó)東部災(zāi)害天氣的上游“強(qiáng)信號(hào)”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(guò)程有密切聯(lián)系，2008年中國(guó)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(guó)東南部降水有密切關(guān)系。2008年雪災(zāi)過(guò)程整層水汽輸送通量分別來(lái)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(guó)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(cè)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(guò)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(guò)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(xiàng)目所針對(duì)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)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(guó)災(zāi)害天氣氣候變化的程度、高原上的對(duì)流系統(tǒng)對(duì)東亞地區(qū)洪澇災(zāi)害的影響以及影響的物理過(guò)程。針對(duì)這些科學(xué)問(wèn)題，項(xiàng)目涉及到在青藏高原及周邊地區(qū)建立新一代大氣觀測(cè)網(wǎng)、高原大氣科學(xué)試驗(yàn)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(bào)技術(shù)研究等問(wèn)題。世界氣象組織提出的世界天氣研究計(jì)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(bào)技術(shù)為目標(biāo)，發(fā)展敏感區(qū)觀測(cè)方法及其觀測(cè)系統(tǒng)。考慮到青藏高原對(duì)于造成中國(guó)東部尤其是長(zhǎng)江流域洪澇災(zāi)害的天氣和氣候，具有上游“強(qiáng)信號(hào)”關(guān)鍵區(qū)的特點(diǎn)，青藏高原區(qū)域可作為中國(guó)災(zāi)害天氣氣候預(yù)報(bào)、特別是引起長(zhǎng)江洪澇災(zāi)害的天氣氣候預(yù)報(bào)的一個(gè)“敏感區(qū)”。在高原及周邊建設(shè)大氣綜合觀測(cè)系統(tǒng)，是中國(guó)災(zāi)害天氣氣候可預(yù)報(bào)性研究的一個(gè)重要基礎(chǔ)。災(zāi)害天氣氣候預(yù)報(bào)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、保障人民生命財(cái)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(cè)的業(yè)務(wù)化系統(tǒng)，也是針對(duì)中國(guó)氣候觀測(cè)系統(tǒng)中所存在的問(wèn)題[20]，構(gòu)成了正在建設(shè)之中的中國(guó)氣候觀測(cè)系統(tǒng)[21]工程的一個(gè)重要組成部分。將觀測(cè)試驗(yàn)的研究成果應(yīng)用到災(zāi)害天氣氣候的監(jiān)測(cè)和數(shù)值模式技術(shù)改進(jìn)中，提高中國(guó)數(shù)值預(yù)報(bào)水平，將十分有助于提高中國(guó)災(zāi)害天氣氣候的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和預(yù)報(bào)能力。通過(guò)中日J(rèn)ICA項(xiàng)目的實(shí)施，為開(kāi)展青藏高原對(duì)氣候變化、對(duì)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(cè)區(qū)域和實(shí)施階段

中日J(rèn)ICA項(xiàng)目建立的大氣綜合觀測(cè)網(wǎng)，主要覆蓋了青藏高原東南區(qū)域和長(zhǎng)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(xiàng)目實(shí)施區(qū)域總共涉及到中國(guó)西南青藏高原地區(qū)的兩個(gè)自治區(qū)、四個(gè)省和一個(gè)直轄市。項(xiàng)目的實(shí)施分成3個(gè)階段，第1階段為2005年12月到2007年9月，在此期間建立觀測(cè)系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)數(shù)值預(yù)報(bào)模式;第2階段為2007年10月到2008年8月，進(jìn)行了觀測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用和數(shù)值預(yù)報(bào)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(cè)系統(tǒng)和數(shù)值預(yù)報(bào)模式的性能評(píng)估。

為了深入認(rèn)識(shí)青藏高原對(duì)東亞夏季風(fēng)的建立、演變以及與之相聯(lián)系的中國(guó)暴雨過(guò)程的影響，2008年設(shè)立了強(qiáng)化觀測(cè)期，進(jìn)行加密探空觀測(cè)。強(qiáng)化觀測(cè)期分3個(gè)時(shí)段開(kāi)展，第1個(gè)強(qiáng)化觀測(cè)期為2008年2月24日至3月23日，此強(qiáng)化觀測(cè)期主要針對(duì)東亞夏季風(fēng)建立前期，對(duì)高原及周邊大氣特征進(jìn)行加密觀測(cè)，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(duì)隨后夏季風(fēng)建立的影響;第2個(gè)強(qiáng)化觀測(cè)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(shí)段主要針對(duì)東亞夏季風(fēng)的爆發(fā)過(guò)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(gè)強(qiáng)化觀測(cè)期為2008年6月20日至7月19日，這時(shí)中國(guó)的雨帶主要位于長(zhǎng)江中下游和淮河流域，是中國(guó)汛期降水的主要時(shí)段，在此期間對(duì)高原及周邊大氣特征的強(qiáng)化觀測(cè)，目的在于了解高原及周邊大氣狀況與中國(guó)汛期降水的聯(lián)系。

4 觀測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)

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

高空大氣觀測(cè)網(wǎng)由探測(cè)大氣整層水汽的GPS水汽觀測(cè)站網(wǎng)和探空觀測(cè)站網(wǎng)組成。對(duì)于青藏高原來(lái)說(shuō)，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(guò)高原東部向東輸送，對(duì)中國(guó)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(cè)網(wǎng)的建設(shè)中特別注重了水汽的觀測(cè)。水汽觀測(cè)站網(wǎng)由26部GPS水汽觀測(cè)站組成，其中新建的24部由JICA項(xiàng)目提供，原有的2部屬于國(guó)家測(cè)繪局。圖6a給出了GPS水汽觀測(cè)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(cè)是獲取高空氣象資料的主要手段，探空站網(wǎng)由20個(gè)探空站組成，其中利用了中國(guó)氣象局原有的業(yè)務(wù)探空站15個(gè)，JICA項(xiàng)目新建了5個(gè)GPS探空站。探空站的地理分布見(jiàn)圖6b，它們分別分布在西藏自治區(qū)(6個(gè))、云南省(6個(gè))和四川省(8個(gè))。在2008年2月24日至3月23日的強(qiáng)化觀測(cè)期間，進(jìn)行了探空加密觀測(cè)，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(cè)網(wǎng)主要由地面自動(dòng)氣象站、大氣風(fēng)廓線儀、大氣邊界層觀測(cè)系統(tǒng)和水面氣象觀測(cè)系統(tǒng)組成。由于自動(dòng)氣象站具有連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)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(dòng)氣象站觀測(cè)網(wǎng)由72個(gè)自動(dòng)氣象站組成，其中利用了已有的中國(guó)氣象局所屬的業(yè)務(wù)自動(dòng)氣象站58個(gè)和中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所的7個(gè)研究自動(dòng)氣象站，JICA項(xiàng)目新建了7個(gè)無(wú)人值守自動(dòng)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(dòng)氣象站的地理分布見(jiàn)圖6c，它們分別分布在西藏自治區(qū)(27個(gè))、云南省(10個(gè))、四川省(11個(gè))、青海省(13個(gè))、廣西壯族自治區(qū)(7個(gè))、貴州省(3個(gè))和重慶市(1個(gè))。

地面大氣觀測(cè)網(wǎng)中共有3部大氣風(fēng)廓線儀，它們可以連續(xù)探測(cè)大氣表層風(fēng)場(chǎng)，其中新建的2部由JICA項(xiàng)目提供，原有的1部由中國(guó)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)?？紤]到青藏高原的陸面過(guò)程對(duì)高原以及中國(guó)東部的天氣和氣候有重要影響[25～28]，在地面大氣觀測(cè)網(wǎng)中布設(shè)6套大氣邊界層觀測(cè)系統(tǒng)，主要利用大氣邊界層觀測(cè)塔對(duì)于近地面氣象要素以及陸氣相互作用進(jìn)行觀測(cè)。6套大氣邊界層觀測(cè)系統(tǒng)中JICA項(xiàng)目提供4套，中國(guó)氣象局和中國(guó)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(xiàng)目還提供了1套水面氣象觀測(cè)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(cè)。大氣風(fēng)廓線儀、大氣邊界層觀測(cè)系統(tǒng)和水面氣象觀測(cè)系統(tǒng)的地理分布見(jiàn)圖6d。在圖7中給出了觀測(cè)中所使用的大氣邊界層觀測(cè)塔、GPS大氣水汽觀測(cè)儀和無(wú)線電探空儀。

圖6 中日合作JICA項(xiàng)目青藏高原大氣綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)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(cè)網(wǎng)的業(yè)務(wù)化

中日J(rèn)ICA項(xiàng)目實(shí)施計(jì)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(cè)網(wǎng)，獲取GPS水汽觀測(cè)，AWS(automatic weather stations)、邊界層及風(fēng)廓線儀等先進(jìn)探測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)再分析水平，以獲取長(zhǎng)江上游高原及周邊天氣氣候強(qiáng)信號(hào)信息;通過(guò)有效應(yīng)用青藏高原及其東部周邊地區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)多尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式、提升中國(guó)區(qū)域與日本在內(nèi)的東亞地區(qū)氣象預(yù)警、預(yù)報(bào)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(cè)系統(tǒng)及其探測(cè)功能示意圖。

圖7 觀測(cè)中所使用的大氣邊界層塔、GPS大氣水汽觀測(cè)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(cè)綜合對(duì)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(shí)時(shí)觀測(cè)資料，并傳輸?shù)皆O(shè)立在中國(guó)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(cè)系統(tǒng)所獲取數(shù)據(jù)的資料檔案庫(kù)，對(duì)資料質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)并依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。除了項(xiàng)目獲取的地基觀測(cè)資料外，通過(guò)與實(shí)地觀測(cè)資料進(jìn)行比對(duì)，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(shí)際觀測(cè)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(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)—傳輸—綜合處理分析平臺(tái)，成功進(jìn)行了GPS水汽觀測(cè)信息反演與業(yè)務(wù)化應(yīng)用的軟件開(kāi)發(fā)，建立了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)化流程。完成了高原及周邊GPS水汽觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)查詢顯示系統(tǒng)以及高原及周邊GPS水汽觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了青藏高原及周邊地區(qū)邊界層通量觀測(cè)綜合分析軟件。JICA綜合觀測(cè)系統(tǒng)中自動(dòng)氣象站和GPS水汽觀測(cè)站已正式納入中國(guó)氣象局業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行，邊界層通量綜合氣象觀測(cè)和大氣廓線儀的建設(shè)工程已列入中國(guó)氣象局業(yè)務(wù)示范站。中日J(rèn)ICA項(xiàng)目觀測(cè)工程還被列入中國(guó)科學(xué)院高原野外觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)與國(guó)家“南水北調(diào)”西線水源區(qū)工程觀測(cè)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(jiàn)圖9和圖10，圖11給出了云南大理大氣風(fēng)廓線儀所觀測(cè)到的風(fēng)場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)及其演變。

JICA項(xiàng)目發(fā)展了災(zāi)害天氣早期預(yù)警和預(yù)報(bào)平臺(tái)技術(shù)。項(xiàng)目研究表明，采用青藏高原及周邊新建的綜合觀測(cè)網(wǎng)中的自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)、GPS水汽新觀測(cè)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及大氣廓線儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模式同化并進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)敏感性試驗(yàn)，結(jié)果表明顯著提高了預(yù)報(bào)和客觀分析能力。經(jīng)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)評(píng)分檢驗(yàn)分析，顯示出采用高原及周邊新建觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)改進(jìn)高原下游東部長(zhǎng)江流域暴雨和中國(guó)南方暴雪具有顯著效應(yīng)。有關(guān)高原東緣觀測(cè)系統(tǒng)模式同化技術(shù)及其數(shù)值預(yù)報(bào)自動(dòng)化業(yè)務(wù)系統(tǒng)已在四川等省推廣應(yīng)用。項(xiàng)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(duì)冬、夏季高原下游東部區(qū)域降水過(guò)程以及暴雨和暴雪預(yù)警具有“強(qiáng)信號(hào)”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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)已經(jīng)應(yīng)用于相關(guān)省的業(yè)務(wù)平臺(tái)，并在數(shù)據(jù)資料庫(kù)、監(jiān)測(cè)—傳輸—綜合處理分析平臺(tái)以及災(zāi)害天氣早期預(yù)警和預(yù)報(bào)平臺(tái)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(jì)劃實(shí)施總體目標(biāo)為建立中日J(rèn)ICA項(xiàng)目青藏高原及周邊氣象綜合觀測(cè)網(wǎng)，加強(qiáng)了對(duì)高原及周邊大氣的探測(cè)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(guó)東部災(zāi)害天氣氣候的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警能力。

圖9 JICA計(jì)劃高原東緣云南大理綜合觀測(cè)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(jì)劃青藏高原那曲綜合觀測(cè)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(cè)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(xiàng)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(yǔ)

針對(duì)青藏高原及周邊大氣變化、水汽狀況、陸氣相互作用及其對(duì)包括中國(guó)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(wèn)題，減輕包括中國(guó)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(kāi)展了為期4年(2005—2009年)的中日J(rèn)ICA項(xiàng)目，建立了“世界屋脊”青藏高原及東部大氣三維“立體”探測(cè)以及長(zhǎng)期獲取該地區(qū)綜合氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)。通過(guò)中日J(rèn)ICA項(xiàng)目合作研究，不僅加深了對(duì)高原地區(qū)陸面過(guò)程、天氣和氣候以及高原對(duì)我國(guó)和全球影響等方面的科學(xué)認(rèn)識(shí)[12]，也通過(guò)開(kāi)發(fā)青藏高原及其東部周邊地區(qū)氣象綜合觀測(cè)平臺(tái)，提升了高原及周邊地區(qū)衛(wèi)星遙感—地面綜合觀測(cè)同化分析能力。同時(shí)，中日J(rèn)ICA項(xiàng)目發(fā)展了高原及東部長(zhǎng)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(bào)模式技術(shù)，加強(qiáng)了災(zāi)害天氣氣候監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)與評(píng)估業(yè)務(wù)系統(tǒng)。高原綜合觀測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施對(duì)中國(guó)正在實(shí)施與設(shè)計(jì)中的西部大開(kāi)發(fā)、青藏鐵路、南水北調(diào)工程及長(zhǎng)江流域防洪決策，對(duì)長(zhǎng)江水資源的調(diào)控、洪水預(yù)報(bào)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(mén)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(shí)意義。

這次中日J(rèn)ICA高原觀測(cè)項(xiàng)目在工程立項(xiàng)、建設(shè)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)等過(guò)程中，自始至終一直得到了中國(guó)氣象局及其所屬有關(guān)業(yè)務(wù)部門(mén)的大力支持與積極參與。在項(xiàng)目執(zhí)行中特別注重氣象防災(zāi)減災(zāi)的國(guó)家需求和提高中國(guó)氣象業(yè)務(wù)能力，注重與氣象觀測(cè)和預(yù)測(cè)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(shí)際應(yīng)用，科研與業(yè)務(wù)結(jié)合是中日J(rèn)ICA項(xiàng)目的一個(gè)重要體現(xiàn)。正如日方中介機(jī)構(gòu)在2009年的終期評(píng)估報(bào)告中指出:“JICA項(xiàng)目實(shí)施不是僅僅停留于項(xiàng)目框架內(nèi)，項(xiàng)目的成果得到了充分利用，對(duì)國(guó)際前沿性氣象研究做出了重要貢獻(xiàn)?！?/p>

雖然通過(guò)中日合作JICA項(xiàng)目的實(shí)施，極大地加強(qiáng)了青藏高原地區(qū)的大氣監(jiān)測(cè)能力，促進(jìn)了觀測(cè)信息在科研和業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，但在觀測(cè)網(wǎng)的覆蓋范圍、利用觀測(cè)資料發(fā)展數(shù)值預(yù)報(bào)模式、利用高原觀測(cè)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(cè)網(wǎng)主要設(shè)立在高原東部區(qū)域，對(duì)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(guó)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(gè)主要影響系統(tǒng)——高原低渦一般在高原西半部產(chǎn)生[30]，來(lái)自孟加拉灣流入高原的南風(fēng)對(duì)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(guò)侵入高原對(duì)高原低渦產(chǎn)生影響[23]，也通過(guò)影響高原繞流進(jìn)而對(duì)中國(guó)東部的天氣氣候產(chǎn)生影響[31]。因此，加大高原觀測(cè)網(wǎng)的覆蓋范圍、特別是對(duì)于高原中西部大氣的監(jiān)測(cè)是今后完善高原大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)的一項(xiàng)重要工作。在JICA項(xiàng)目實(shí)施期間，數(shù)值預(yù)報(bào)的改進(jìn)主要是通過(guò)模式資料同化系統(tǒng)，將觀測(cè)資料應(yīng)用于模式的初始場(chǎng)，而沒(méi)有利用觀測(cè)資料對(duì)模式本身進(jìn)行改進(jìn)。如圖13所示，將觀測(cè)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(xiàng)目觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與數(shù)值模式不同尺度系統(tǒng)與物理過(guò)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(cè)資料建立能描述高原特有物理過(guò)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(bào)模式中，改進(jìn)模式中的物理過(guò)程，這對(duì)于進(jìn)一步提高我國(guó)數(shù)值預(yù)報(bào)水平具有重要的作用。另外，利用觀測(cè)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(shí)反映高原大氣狀況的、空間和時(shí)間連續(xù)的、具有較高時(shí)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(shí)間和空間均勻性的重要手段，高質(zhì)量再分析資料將會(huì)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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