陳軼翔/編譯

NCAR大氣研究面臨挑戰(zhàn)

陳軼翔/編譯

位于科羅拉多州博爾德市的NCAR臺地實驗室，倚靠著被稱為“熨斗峰”的巨大砂巖板

● 由美國國家科學(xué)基金會資助的美國國家大氣研究中心即將成立60周年，而今其面臨的挑戰(zhàn)來自兩大方面——科技與財政。

在科羅拉多州博爾德市邊緣的熨斗峰的山腳下，坐落著已有57年歷史的美國國家大氣研究中心（NCAR），該機構(gòu)的工作人員目前正致力于消除氣候和氣候預(yù)測之間的傳統(tǒng)分歧。他們將大氣研究應(yīng)用于航空、地面交通、水預(yù)測、消防以及其他領(lǐng)域。與此同時，NCAR的太陽物理學(xué)家們則致力于尋求太陽活動在過去30年里呈下降趨勢的原因，并試圖預(yù)測可能會擾亂衛(wèi)星通信或破壞國家電網(wǎng)的太陽風(fēng)暴。

作為美國國家科學(xué)基金會（NSF）的聯(lián)邦資助時間最長、規(guī)模最大的一個研發(fā)中心，NCAR的運營預(yù)算約為1.57億美元，其中2/3是由基金會提供的。其余的1/3來自其他聯(lián)邦機構(gòu)，以及一些大學(xué)和國外的資金。NCAR的員工約有750人，由美國大學(xué)大氣研究聯(lián)盟來管理，這是一個由100多家北美學(xué)術(shù)機構(gòu)組成的非營利組織。

一系列任務(wù)

NCAR的工作包括對大氣化學(xué)進(jìn)行地面和空中測量，運行高性能計算和可視化系統(tǒng)以及為大氣和地球科學(xué)研究界開發(fā)支持模型和數(shù)據(jù)集。NCAR運營著兩架為大氣測量裝備的飛機，產(chǎn)權(quán)歸NSF所有；在懷俄明州的夏延市擁有一個超級計算中心并管理著夏威夷的茂納羅亞太陽天文臺。在過去兩年半的財政年度里，自從NCAR在NSF審核人員的要求下開始追蹤統(tǒng)計數(shù)據(jù)以來，已經(jīng)安裝了59個獨立的測量系統(tǒng)，而工作人員在該領(lǐng)域花費了大約9 500天的時間。NCAR的科學(xué)家最近結(jié)束了在葡萄牙為期6個月的由歐盟贊助的實地調(diào)研，測量了在非常復(fù)雜的地形上的大氣流動。NCAR負(fù)責(zé)人詹姆斯·赫里爾（James Hurrell）說，這項調(diào)研的結(jié)果將會為建模工作提供信息，可以直接應(yīng)用于風(fēng)能生產(chǎn)。

“NCAR開源社區(qū)地球系統(tǒng)模型”是NCAR與一些大學(xué)和其他研究實驗室合作開發(fā)的，幫助全世界的研究人員模擬過去、現(xiàn)在和未來的氣候。由大約350名科學(xué)家參加的年度研討會對該模型進(jìn)行定期更新。同時，NCAR還是多機構(gòu)天氣研究和預(yù)測模型（WRF）的關(guān)鍵合作者，該模型指導(dǎo)了全國及全球的天氣預(yù)報?；贜CAR的一份WRF的研究版本使得科學(xué)家能夠探索提高天氣預(yù)報準(zhǔn)確性的方法。另外，為模擬大氣化學(xué)、水文學(xué)、火災(zāi)、作物條件和其他用途已經(jīng)研發(fā)出了WRF的很多特定版本。

赫里爾頗為驕傲地表示，由于NCAR的合作方式，其研究論文的平均引用量比世界上其他任何一家地球科學(xué)機構(gòu)的都多。令赫里尓感到自豪的還有，在過去兩年中有近1 500名科學(xué)家訪問了NCAR，其中65%的科學(xué)家在NCAR待了兩周或更長時間。

特朗普總統(tǒng)提議要將NSF的預(yù)算削減11%，盡管國會近期的行為表明，預(yù)算削減的百分比將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這一數(shù)據(jù)，但赫里爾說自己有一個計劃，如果需要的話，將會設(shè)法應(yīng)對預(yù)算削減11%的局面。他沒有公開這一計劃，但他表示，過去幾年中曾經(jīng)為應(yīng)對預(yù)算削減而出現(xiàn)的全面緊縮開支狀況將不會重演。他說：“我們已經(jīng)確定了自己的首要任務(wù)是什么，我們必須持續(xù)投資使那些首要領(lǐng)域保持強勁。如果總統(tǒng)的提議在國會得到通過，NCAR將不得不縮小工作范圍?！?/p>

赫里爾承認(rèn)，自從NSF的預(yù)算數(shù)據(jù)和其他聯(lián)邦機構(gòu)的氣候和地球科學(xué)項目的預(yù)算削減提議3月份公布以來，大家的士氣已經(jīng)受到了影響。不過，他表示，目前還沒有出現(xiàn)員工離職的現(xiàn)象。他說：“以往，NCAR的自愿離職率一直都很低。大家都以我們共同的使命為己任。博爾德市環(huán)境很好，而NCAR則是一個偉大的組織機構(gòu)。”

NCAR的研究項目每5年要接受一個由科學(xué)家組成的外部專家小組的評審。NSF拒絕提供評審小組的全部調(diào)查結(jié)果，但赫里爾引用2016年的報告稱，NCAR的總體科學(xué)成就是“杰出的”?！癗CAR員工的卓越科研能力及其開放性合作為科研界提供了重要的價值，提高了學(xué)術(shù)、政府和私營部門合作者的能力，可以開展高質(zhì)量的研究工作并開發(fā)有影響力的技術(shù)?！?/p>

評審小組還進(jìn)一步贊揚了NCAR對促進(jìn)觀測技術(shù)和科學(xué)進(jìn)步方面的智力貢獻(xiàn)，并表示該中心的超級計算服務(wù)“在科研界發(fā)揮著不可替代的作用”。與此同時，評審小組還鼓勵NCAR提升員工隊伍的多樣性，并加強與外部研究人員的合作。

縮小差距

赫里爾表示，該中心的一項主要研究是將兩個模型結(jié)合起來，一個是天氣預(yù)報模型，忠實地計算了未來10天的大氣行為；另一個模型則顯示了氣候在未來幾十年到幾百年的時間里將發(fā)生怎樣的變化。赫里爾說：“兩個模型在理解可預(yù)測性的來源方面存在巨大的差距?！崩?，眾所周知，同溫層可以在一年中的特定時間內(nèi)推動中等時間尺度上發(fā)生的一些變化。但是，這種可預(yù)測性的其他來源尚未被發(fā)現(xiàn)，無法用來在月度、季度和年度的時間尺度上做出可靠的預(yù)測。

赫里爾表示，為了縮小這一差距，數(shù)值天氣預(yù)報和地球系統(tǒng)建模需要更好地合作。他還補充說：“從發(fā)展史上看，它們是兩個獨立的領(lǐng)域。在開發(fā)建?；A(chǔ)設(shè)施方面還有很多事情可做，這樣兩個領(lǐng)域的研究者就可以使用同種類型的工具?！?/p>

在同溫層中形成的一種不尋常流動幾天內(nèi)就會消失，就像對流層（最接近地球的那層）中形成的一樣。能捕捉同溫層與低層大氣相結(jié)合的模型將提高氣候及季節(jié)性天氣預(yù)測的準(zhǔn)確性。

研究應(yīng)用

NSF對NCAR的期望之一是它能夠運用科技發(fā)展來滿足社會需求。NCAR的第一個主要技術(shù)應(yīng)用是為機場探測危險下降氣流和懸氣流（被稱為風(fēng)切變）的系統(tǒng)。這項工作主要由美國聯(lián)邦航空局（FAA）和美國宇航局（NASA）資助，包括第一個風(fēng)傳感器和基于多普勒雷達(dá)的懸氣流探測系統(tǒng)的開發(fā)。從20世紀(jì)90年代初開始至今，在美國110個機場和國際上其他一些地區(qū)，風(fēng)切變探測系統(tǒng)已經(jīng)就位。NCAR研究應(yīng)用實驗室的臨時負(fù)責(zé)人威廉·馬奧尼（William Mahoney）表示，F(xiàn)AA已經(jīng)對這項能夠拯救生命和財產(chǎn)的技術(shù)估價10億美元。

FAA已經(jīng)支持了多項NCAR應(yīng)用。在寒冷的天氣條件下，當(dāng)應(yīng)用于飛機機翼的除冰裝置的作用被持續(xù)的降水減弱到一定程度時，就需要第2個應(yīng)用程序，這時自動化系統(tǒng)就會通知飛行員。對于飛行積冰、地形誘導(dǎo)、晴空及對流湍流、雷暴、視程還有垂直能見度，該中心都已經(jīng)研發(fā)出了診斷和預(yù)測系統(tǒng)。這些技術(shù)產(chǎn)品在位于堪薩斯城的國家氣象局（NWS）航空氣象中心也得到了應(yīng)用，并被航空公司的調(diào)度中心和飛行員所使用，以幫助其在惡劣天氣下進(jìn)行商業(yè)航班飛行。

多年來，NCAR已拓展業(yè)務(wù)，為其他客戶提供服務(wù)。去年，NCAR研究應(yīng)用實驗室向科羅拉多州提交了一份用以預(yù)測火災(zāi)趨勢的模型的初步版本。該模型是用來對抗火災(zāi)的一種決策工具，它模擬了大型火災(zāi)爆發(fā)時，熱量、濕度與大氣進(jìn)行交換所引發(fā)的天氣條件?；馂?zāi)區(qū)域的地方性風(fēng)力可能比周圍的風(fēng)力強10倍，在極少數(shù)情況下，火災(zāi)甚至?xí)a(chǎn)生龍卷風(fēng)。

NCAR研究應(yīng)用實驗室研發(fā)了一種飛機除冰優(yōu)化系統(tǒng)，使飛行員能夠知曉他們的除冰液還可以維持多久

一年前，位于阿拉巴馬州塔斯卡盧薩市的美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）國家水中心開始使用由NCAR開發(fā)的國家水模型，該模型將數(shù)值天氣預(yù)報與水文模型相結(jié)合，以模擬在整個美國大陸上觀測到的徑流流量并進(jìn)行預(yù)測。該工具對于NWS用以預(yù)測流量的3 600河水位標(biāo)的傳統(tǒng)系統(tǒng)來說，是一個很好的補充。

馬奧尼說：“水文過程的幾乎每一個部分都在模型中得到了有形的展示?！痹撃Ｐ陀?70萬個預(yù)測點，觀察并預(yù)測地表條件、土壤濕度、植被類型、融雪水和其他變量。馬奧尼表示，該模型可以在水流達(dá)到河水位標(biāo)之前發(fā)現(xiàn)水流峰值，從而提供更及時的洪水預(yù)警。

NCAR研究應(yīng)用實驗室將繼續(xù)對該模型進(jìn)行升級，包括整合從新氣象衛(wèi)星和地球資源探測衛(wèi)星獲得的數(shù)據(jù)。馬奧尼表示，一些基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要更多的研發(fā)與協(xié)調(diào)，例如管理河流系統(tǒng)的水壩和水庫——如密蘇里河流域。

在美國交通部（USDOT）的支持下，NCAR應(yīng)用實驗室已經(jīng)開發(fā)出一種工具，可幫助國家交通部門確定何時在道路上應(yīng)用除冰材料和化學(xué)物質(zhì)，用量為多少以及何時需要更多的應(yīng)用。目前已有15個州在使用這一系統(tǒng)工具。USDOT的一項分析顯示，在使用該系統(tǒng)的第一個冬季，印第安納州節(jié)省了1 200萬美元的材料和勞動力成本。

目前NCAR有個針對USDOT的項目是一個警告司機前方有危險路況的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)將從數(shù)以千萬計汽車的車載電腦中獲取信息——雨刷設(shè)置、前燈狀態(tài)、環(huán)境空氣溫度、速度、位置、高度、車身穩(wěn)定控制、牽引力控制和防震剎車——告知司機關(guān)于黑冰、濃霧、大風(fēng)和暴雨的情況。

空間天氣

NCAR高空觀測站（HAO）負(fù)責(zé)人斯科特·麥金托什（Scott McIntosh）表示，NCAR的研究人員正在致力于研究一種季節(jié)性的預(yù)測，即導(dǎo)致電磁脈沖（EMP）事件的日冕物質(zhì)拋射究竟可能會發(fā)生在何時。在為期11年的太陽周期內(nèi)，每個半球大約有11個月會發(fā)生短期的暴發(fā)活動。麥金托什表示，幾十年來，科學(xué)家由于對觀測數(shù)據(jù)的過分修勻而大多忽略了這種短期的暴發(fā)活動。但是，如果能夠更好地理解這些較短的太陽活動周期，那么可能會做出更準(zhǔn)確的、可預(yù)測未來一年左右的空間天氣預(yù)報。

麥金托什說：“當(dāng)談到空間天氣和對太陽EMP的理解時，我們所了解的第一件事情就是，它發(fā)生在8分鐘前。而我們正試圖弄明白，太陽EMP事件何時會以超越舊的模式發(fā)生?！?/p>

來自HAO的科學(xué)家將利用8月的日全食來試驗最近解密的、用于遠(yuǎn)紅外成像的軍用級硬件。麥金托什表示，磁場可以直接用遠(yuǎn)紅外線較長的波長進(jìn)行測量，而在可見光和部分近紅外光譜中觀察到的現(xiàn)象則需要復(fù)雜的計算機模型來解釋。新的紅外成像器可以提供機會來預(yù)測在一個太陽能EMP中磁場的方向。如果該磁場指向某一方向，脈沖將與地球的磁層相結(jié)合，對通信和電力傳輸產(chǎn)生潛在的不良影響。如果指向相反的方向，磁場就會從磁層上反射回來。

麥金托什認(rèn)為，為了解其他恒星和系外行星，就需要對太陽有更好的理解；但他惋惜地表示，在太陽物理學(xué)上的花費遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上天體物理學(xué)的，而且在美國只有少數(shù)幾個研究太陽物理學(xué)的機構(gòu)。他問道：“如果我們不能理解自己觀察到的東西，又怎么能期待去理解距離我們23 000光年之外的東西呢？”

[資料來源：Physics Today][責(zé)任編輯：彥 隱]