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“多点”寻求高原地气交换过程“最优解”
——青藏高原东缘地气交换过程观测关键技术及其应用项目

发布时间:2021年06月17日 来源:中国气象报社

  青藏高原及其以东的复杂高原山地地区,是高原与周边大气水热交换的关键区域,在水热平衡中占有重要地位。然而,非均匀下垫面的地气交换过程具有很强的复杂性,给正确认识青藏高原大气过程、准确预报预测天气气候带来极大挑战。

  针对这些问题,“青藏高原东缘地气交换过程观测关键技术及其应用”项目突破传统思路,首次在藏东南地区复杂下垫面开展了地气交换过程的多点组网同步观测试验,揭示了复杂下垫面上地气交换特征高度非均匀性的观测事实;开展复杂下垫面地气交换过程的数值模拟与评估研究,为参数化方案改进提供了依据,为增强数值模式在复杂下垫面的适应性奠定了理论基础;开展地气交换过程从“点”到“面”的升尺度转化研究,为解决地面和卫星观测中尺度不匹配问题提供技术支撑。

  该项目由中国气象局成都高原气象研究所、中国科学院大气物理研究所、中国气象局气象干部培训学院和国家卫星气象中心等单位共同完成。

  挑战科学难题

  下垫面是与大气下层直接接触的地球表面。决定下垫面特征的主要因素有地形(平原、高原、盆地、丘陵和山地等)和土地覆盖状况(森林、草原、耕作植被、冰雪、水体、建筑物等)。一个区域内拥有的地形和土地覆盖种类越多,则这一区域下垫面越不均匀,越复杂。

  研究表明,不同下垫面具有不同的地气交换特征和交换参数。比如,在藏东南地区,草地站平均感热通量为33.5瓦/平方米,农田站为18.1瓦/平方米,阔叶林站为55.8瓦/平方米,这说明不同下垫面地气交换参数具有明显差异性。

  受观测手段和资料的限制,往往难以准确描述某一区域内各种下垫面的地气交换参数,取而代之的是以一个或几个点的值来代替整个区域的地气交换参数。也就是说,以单点参数近似代表面上参数,或者以单一下垫面参数代替复杂下垫面参数。这种“近似”导致复杂下垫面上地气交换特征的描述存在误差,影响数值模拟和预测的准确率。

  突破传统思路

  为了更加准确地描述复杂下垫面的地气交换特征,多点观测研究尤为重要。所谓多点观测,就是在某一研究区域不同下垫面分别布点组网开展同步观测。

  “研究分析表明,‘多点’虽然也不可能100%精准反映区域的地气交换特征,但相对于单点来说更加接近实际情况。”成都高原气象研究所研究员、项目总负责人王顺久说。

  王顺久带领科研团队选择藏东南地区作为研究区域,突破以单点代表区域地气交换过程研究的传统思路,开展复杂下垫面地气交换过程的多点组网同步观测试验,成功获取地气交换过程观测试验数据。

  有了这些数据,就能够在计算机中进行数值模拟。在目前的区域数值模式技术中,地气交换过程的准确描述是薄弱环节,也是影响区域数值模式模拟和预测效率的关键因素之一,特别是在复杂下垫面上尤为突出。

  因此,团队又开展了复杂下垫面地气交换过程的数值模拟与评估研究,为地气交换过程参数化方案改进提供了观测依据,为提高数值模式在复杂下垫面的适应性奠定了理论基础;开展地气交换过程从“点”到“面”的升尺度转化研究,为解决地面观测、卫星遥感观测中存在的不匹配问题提供了技术支撑。

  目前,项目成果成功应用在大型野外观测试验、数值预报模式改进和卫星遥感业务与研究工作等领域。

  (作者:李萍 王玫珏 卢健 责任编辑:张林)

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