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        強(qiáng)化氣象科技支撐 攻堅(jiān)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

        2021-04-26 13:44:36
        科學(xué)中國人 2021年4期
        關(guān)鍵詞:生態(tài)研究

        王 涵

        干旱是自然界的一種異?,F(xiàn)象,具有發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長、影響面積廣等特點(diǎn)。其形成機(jī)制復(fù)雜而又深?yuàn)W,是全球氣候變化背景下對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響最深遠(yuǎn)的自然災(zāi)害。每年因干旱災(zāi)害導(dǎo)致我國糧食減產(chǎn)數(shù)百至數(shù)千萬噸,嚴(yán)重制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。因此,干旱一直是地球科學(xué)和生態(tài)學(xué)界高度關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。對干旱的精確監(jiān)測、及時(shí)預(yù)警和高效防范,是從事干旱氣象研究的科學(xué)家畢生努力的方向。

        學(xué)成于有著“中國氣象人才搖籃”之稱的“南京氣象學(xué)院”,在甘肅省氣象局不斷歷練成長,現(xiàn)任中國氣象局蘭州干旱氣象研究所研究員、甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體牽頭人、第八屆甘肅省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)委員、中國氣象學(xué)會(huì)干旱氣象學(xué)委員會(huì)委員岳平,帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了基于現(xiàn)代觀測體系的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱監(jiān)測預(yù)警技術(shù),深入開展了干旱對黃河上游關(guān)鍵水源涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)制及監(jiān)測預(yù)警研究,其成果為甘肅省重大干旱防災(zāi)減災(zāi)和生態(tài)環(huán)境治理提供了重要技術(shù)支撐。

        岳平

        作為主要從事陸-氣相互作用與干旱致災(zāi)機(jī)理研究的省創(chuàng)新群體牽頭人,在多年研究中,岳平帶領(lǐng)課題組建成了沿夏季風(fēng)伸展和進(jìn)退方向的“十”字形陸-氣相互作用觀測體系,構(gòu)建了一套適合我國干旱區(qū)的陸面過程參數(shù)化方案;通過觀測試驗(yàn)研究,揭示了半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水-熱-碳耦合機(jī)制,發(fā)現(xiàn)了水分利用效率隨干旱強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了荒漠化地帶與沙漠腹地起沙物理特性的差異,創(chuàng)新研究成果多次獲得省部級基礎(chǔ)研究和科技進(jìn)步獎(jiǎng)勵(lì)。

        雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱監(jiān)測

        作為承擔(dān)著干旱氣象專業(yè)優(yōu)勢領(lǐng)域核心攻關(guān)任務(wù)和區(qū)域共性關(guān)鍵技術(shù)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(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)發(fā)展需求和專業(yè)定位,以加強(qiáng)氣象科技創(chuàng)新、突破氣象核心技術(shù)和區(qū)域共性關(guān)鍵技術(shù)、提升科技支撐能力及發(fā)揮科技引領(lǐng)和輻射作用為目標(biāo),聚焦區(qū)域氣象業(yè)務(wù)發(fā)展和現(xiàn)代氣象服務(wù)中的關(guān)鍵科技問題,深入開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā),重點(diǎn)解決我國干旱氣象業(yè)務(wù)發(fā)展中急需的科技前沿和重大關(guān)鍵科技問題。

        在岳平看來,關(guān)于重大干旱,目前主要從大氣環(huán)流的角度揭示其形成和發(fā)展的物理機(jī)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(dǎo)致對重大干旱發(fā)生、發(fā)展及演變規(guī)律和形成機(jī)理的研究不夠深入。此外,干旱監(jiān)測預(yù)警中多源資料和新技術(shù)的集成與應(yīng)用研究不充分是制約干旱氣象業(yè)務(wù)發(fā)展的重要瓶頸所在。尤其我國西北地區(qū)旱作農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)完全依賴自然降水,干旱對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響非常突出,開展雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱觀測與監(jiān)測研究是迫切面對的重要科學(xué)問題。

        自2007年以來,岳平和團(tuán)隊(duì)通過綜合分析我國西北地區(qū)干旱發(fā)生的自然規(guī)律、地表植被和海溫變化對干旱的影響機(jī)制,研究了作物生長層水熱轉(zhuǎn)化過程對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱的影響機(jī)理,揭示出半干旱生態(tài)系統(tǒng)水熱和碳水耦合機(jī)制受干旱脅迫的轉(zhuǎn)換特征。通過科學(xué)實(shí)驗(yàn),他們還發(fā)現(xiàn)了半干旱地區(qū)凝結(jié)水的形成機(jī)制及其對水分平衡的影響規(guī)律,建立了作物生育層水熱轉(zhuǎn)化關(guān)系,揭示了半干旱地區(qū)植被重建對土壤水分儲(chǔ)量及其水分利用規(guī)律,發(fā)現(xiàn)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(tài)系統(tǒng)水、熱、生之間的耦合機(jī)制,發(fā)現(xiàn)了水分利用效率隨干旱強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換規(guī)律。一系列的研究不僅為干旱監(jiān)測預(yù)警提供了重要技術(shù)支撐,而且為應(yīng)對氣候變換背景下生態(tài)治理與環(huán)境修復(fù)提供了理論基礎(chǔ)。其團(tuán)隊(duì)利用陸面模式,在結(jié)合強(qiáng)迫資料生成和應(yīng)用百分位數(shù)判斷干旱等級的干旱監(jiān)測技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,研發(fā)了陸面過程模式的干旱監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng),使干旱監(jiān)測時(shí)效提前了3天,干旱監(jiān)測準(zhǔn)確率提高了10%。該成果已經(jīng)在我國北方多個(gè)省區(qū)推廣應(yīng)用。成果發(fā)表在Agric For Meteorol、J Hydrology、Bound-Layer Meteorol、Sci China-Earth Sci和《科學(xué)通報(bào)》等國內(nèi)外高影響學(xué)術(shù)期刊上。干旱監(jiān)測技術(shù)和服務(wù)產(chǎn)品等一系列創(chuàng)新成果,大大提高了我國干旱災(zāi)害和干旱致災(zāi)過程的研究水平,改進(jìn)了我國干旱災(zāi)害監(jiān)測與觀測技術(shù)手段及業(yè)務(wù)能力,為地方政府提供了重要決策依據(jù),并獲得了甘肅省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

        干旱對黃河上游關(guān)鍵水源涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境影響

        黃河流域生態(tài)治理和高質(zhì)量發(fā)展是重大國家戰(zhàn)略,黃河上游(瑪曲段、洮河流域、大通河流域)是關(guān)鍵水源補(bǔ)給區(qū),也是國家生態(tài)安全屏障。黃河上游關(guān)鍵補(bǔ)給區(qū)位于寒旱區(qū),因特殊的地理環(huán)境和氣候環(huán)境,該區(qū)域生態(tài)環(huán)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(guān)鍵補(bǔ)給區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響及其監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究對生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源合理開發(fā)和防災(zāi)減災(zāi)能力提升具有重要意義。然而受自然條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展約束,區(qū)域內(nèi)氣象觀測站點(diǎn)稀疏,更缺乏陸面生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測,限制了對黃河上游關(guān)鍵水源補(bǔ)給區(qū)干旱與陸面生態(tài)系統(tǒng)水熱交換和碳循環(huán)機(jī)制的認(rèn)識(shí),嚴(yán)重制約了對區(qū)域氣候的數(shù)值模擬能力和干旱監(jiān)測預(yù)警技術(shù)水平的提升。

        因此,針對影響黃河上游關(guān)鍵水源補(bǔ)給區(qū)干旱對生態(tài)系統(tǒng)影響及其監(jiān)測預(yù)警技術(shù)難題,岳平和團(tuán)隊(duì)利用黃河上游關(guān)鍵水源補(bǔ)給生態(tài)定位綜合觀測資料、氣象臺(tái)站觀測資料、陸面格點(diǎn)同化數(shù)據(jù)、MODIS遙感資料以及陸面過程和區(qū)域氣候模式,通過定位觀測、理論分析和數(shù)值模擬等手段,在黃河上游關(guān)鍵水源補(bǔ)給區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)過程、干旱的多尺度特征和干旱監(jiān)測預(yù)警技術(shù)等方面取得了一系列理論和技術(shù)創(chuàng)新。譬如研發(fā)了基于綜合觀測陸面參數(shù)化方案和土壤濕度遙感產(chǎn)品評估新方法,有效解決了高原地區(qū)觀測匱乏問題;定量評價(jià)了黃河上游水源補(bǔ)給區(qū)陸地主要生態(tài)系統(tǒng)碳收支,揭示了干旱影響碳交換和水分利用效率的機(jī)制;揭示了植被狀況對區(qū)域氣候變化的響應(yīng)及其影響午后對流降水的機(jī)理,增強(qiáng)了對寒旱區(qū)土壤-植被-大氣相互作用對區(qū)域氣候影響的科學(xué)認(rèn)識(shí);研究了黃河上游關(guān)鍵補(bǔ)給區(qū)氣候多尺度特征及極端氣候事件變化規(guī)律,黃河上游關(guān)鍵水源補(bǔ)給區(qū)未來情景預(yù)估。

        成果被深入應(yīng)用于黃河上游關(guān)鍵水源補(bǔ)給區(qū)干旱監(jiān)測預(yù)警、水利部黃河委員會(huì)流量預(yù)報(bào)、第三次全國水資源等重大業(yè)務(wù)與技術(shù)服務(wù)中,產(chǎn)生了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益;申請專利和軟件著作權(quán)2項(xiàng),研發(fā)黃河上游關(guān)鍵水源補(bǔ)給區(qū)干旱監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)1套;發(fā)表論文50余篇,SCI收錄20篇,其中大多發(fā)表在AFM、JH、ERL和JGR等農(nóng)林氣象、水文氣象和環(huán)境科學(xué)國際權(quán)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(lǐng)域的國際影響力,并獲得2020年甘肅省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

        黃土高原農(nóng)田草地生態(tài)系統(tǒng)對夏季風(fēng)響應(yīng)

        夏季風(fēng)在大氣環(huán)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?jiǎng)恿C(jī)制。我國是全球夏季風(fēng)最活躍的區(qū)域之一,夏季風(fēng)活動(dòng)不僅直接影響著全球大氣環(huán)流模態(tài)和天氣氣候格局,而且對陸面水熱交換過程和生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)產(chǎn)生重要影響。黃土高原是我國夏季風(fēng)影響過渡區(qū)的重要組成部分,也是農(nóng)牧交錯(cuò)帶的核心地帶。黃土高原地形地貌和生態(tài)環(huán)境獨(dú)特,總面積達(dá)64萬平方公里,是夏季風(fēng)邊緣線擺動(dòng)特征明顯、擺動(dòng)范圍較寬的區(qū)域。該區(qū)域夏季風(fēng)活動(dòng)的規(guī)律性更強(qiáng),陸面生態(tài)系統(tǒng)對夏季風(fēng)進(jìn)退的響應(yīng)更敏感。

        夏季風(fēng)降水不僅會(huì)直接改變陸面水熱特征參數(shù),而且通過主導(dǎo)年降水量和季節(jié)性干旱,對生態(tài)系統(tǒng)碳交換起著至關(guān)重要的調(diào)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(nóng)作物隨時(shí)提供水分,而且水分輸送過程是向植物傳輸養(yǎng)分的主要載體。季風(fēng)降水占黃土高原年降水量的60%~70%,因此生態(tài)系統(tǒng)水分主要依賴于季風(fēng)降水。受季風(fēng)降水年際波動(dòng)大和蒸散潛力高等因素影響,該區(qū)域自然植被及作物生長季節(jié)土壤水分經(jīng)常性未達(dá)到最適宜狀態(tài),導(dǎo)致植被蒸騰和土壤蒸發(fā)過程受土壤水分脅迫影響嚴(yán)重。

        數(shù)十年來,國際上開展了大量關(guān)于氣候變化對陸面過程影響及陸面過程反饋?zhàn)饔玫难芯?,我國也相繼開展了“青藏高原氣象科學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”(QXPMEX)、“黑河地區(qū)地氣相互作用觀測試驗(yàn)研究”(HEIFE)等一系列以研究陸面過程為主要目標(biāo)的綜合觀測試驗(yàn),一方面揭示了青藏高原大氣邊界層動(dòng)力、熱力特征及其天氣學(xué)意義,對典型干旱區(qū)陸面過程參數(shù)化及綠洲系統(tǒng)水分和能量交換特征取得了新的科學(xué)認(rèn)識(shí),另一方面也在黃土高原對流邊界層發(fā)展機(jī)制、陸面能量不平衡問題及陸面過程參數(shù)化等方面取得了創(chuàng)新性成果,大大豐富了對陸面過程基本特征的認(rèn)識(shí)。此外,干旱所通過“黃土高原陸面過程觀測試驗(yàn)研究”(LOPEX)的實(shí)施以及后續(xù)開展的“半干旱地區(qū)非均勻下墊面湍流輸送效應(yīng)及總體輸送系數(shù)研究”“土壤熱通量觀測方法改進(jìn)及其對能量平衡影響研究”等自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持,已在甘肅定西、平?jīng)龊蛻c陽等多個(gè)觀測試驗(yàn)點(diǎn)開展了10年的地表能量和水分收支連續(xù)觀測,蘭州大學(xué)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(yàn)為基礎(chǔ),已經(jīng)對黃土高原地表能量平衡問題和動(dòng)力學(xué)粗糙度、總體輸送系數(shù)及反照率等關(guān)鍵物理量參數(shù)化有了較深入的認(rèn)識(shí)。

        然而,由于以往關(guān)于黃土高原陸面過程的研究仍缺乏不同生態(tài)系統(tǒng)陸面水熱交換特征對比研究,尤其是不同生態(tài)系統(tǒng)陸面水熱交換過程對氣候系統(tǒng)的響應(yīng)研究;同時(shí),陸面模式中關(guān)于生理生態(tài)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(tài)過程緊密聯(lián)系起來。因此,岳平提出,深入認(rèn)識(shí)夏季風(fēng)影響黃土高原不同生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境要素和生理生態(tài)因子的機(jī)理,研究對黃土高原不同生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境要素和生理生態(tài)因子影響陸面水熱交換的環(huán)節(jié),建立夏季風(fēng)驅(qū)動(dòng)下生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境要素和生理生態(tài)因子與凈碳交換各分量之間的定量關(guān)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(lǐng)團(tuán)隊(duì)緊扣“陸面生態(tài)系統(tǒng)水-熱-碳循環(huán)”前沿研究領(lǐng)域,以黃土高原不同生態(tài)系統(tǒng)水熱交換及碳循環(huán)這一關(guān)鍵問題為切入點(diǎn),充分考慮夏季風(fēng)對陸面過程的特殊驅(qū)動(dòng)作用,致力于在黃土高原生態(tài)系統(tǒng)水熱交換和碳循環(huán)及其與夏季風(fēng)的關(guān)系研究方面取得突破性進(jìn)展。他們選擇黃土高原草地和典型農(nóng)田(馬鈴薯、小麥和玉米)生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,系統(tǒng)開展了野外綜合觀測試驗(yàn),揭示黃土高原不同生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境要素和生理生態(tài)因子影響陸面水熱交換的機(jī)理,建立受夏季風(fēng)驅(qū)動(dòng)的環(huán)境要素和生理生態(tài)因子與不同生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換分量的關(guān)系,試圖闡明夏季風(fēng)對黃土高原碳通量年收支的特殊驅(qū)動(dòng)作用。岳平認(rèn)為,上述研究將對黃土高原陸面水熱交換及碳循環(huán)與夏季風(fēng)關(guān)系建立新的深入認(rèn)識(shí),為區(qū)域數(shù)值模式改進(jìn)和干旱監(jiān)測技術(shù)發(fā)展提供重要的理論支撐。目前,其團(tuán)隊(duì)圍繞上述內(nèi)容已在AFM、JH、JGR和《中國科學(xué):地球科學(xué)》等國內(nèi)外高影響學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇。

        專家簡介

        岳平,生于1974年,南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境專業(yè)博士。現(xiàn)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(xié)委員、甘肅省氣象學(xué)會(huì)理事、中國氣象學(xué)會(huì)干旱氣象學(xué)委員會(huì)委員、中國氣象學(xué)會(huì)蘭州干旱氣象研究所學(xué)術(shù)委員會(huì)委員。主要從事陸-氣相互作用與干旱致災(zāi)機(jī)理研究。主持和參加完成國家級項(xiàng)目15項(xiàng),在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)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(xué)會(huì)大氣科學(xué)基礎(chǔ)理論研究成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、甘肅省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、寧夏回族自治區(qū)科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)1項(xiàng),獲得全國氣象工作先進(jìn)個(gè)人,第七屆、第八屆“全國優(yōu)秀氣象科技工作者”等稱號(hào),入選甘肅省“隴原人才服務(wù)卡”高層次人才和中國氣象局“西部優(yōu)秀人才”,是甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體牽頭人、甘肅省氣象局領(lǐng)軍人才、中國氣象局蘭州干旱氣象研究所干旱致災(zāi)機(jī)理及其風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人。

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