微氣象學高原應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景研究

葛琛琦

(南京信息工程大學大氣科學學院,江蘇南京 210044)

微氣象學高原應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景研究

葛琛琦

(南京信息工程大學大氣科學學院,江蘇南京 210044)

由于微氣象學工作資料的缺乏和在大范圍區(qū)域之內(nèi)學科發(fā)展的限制,微氣象研究方法應(yīng)用存在一定局限性。本文對局地環(huán)境及特殊環(huán)境條件下的微氣象學應(yīng)用實際資料進行分析,著眼于青藏高原,珠峰地區(qū),內(nèi)蒙古高原等微氣象學應(yīng)用廣泛區(qū)域的情況,評估高原微氣象學,探求發(fā)展方向。

微氣象學 高原地區(qū) 發(fā)展方向

1 緒論

微氣象學是指由于下墊面的某些構(gòu)造特征所引起的近地面大氣層中和上層土壤中的小范圍氣候特點,這種小范圍的氣候特點一般表現(xiàn)在個別氣象數(shù)值上,有時表現(xiàn)在個別天氣現(xiàn)象(如風、霧、霜等)上。但這種要素的改變不使大尺度過程(平流、鋒面)所決定的天氣氣候特征發(fā)生較大變化。微氣的特點:范圍小,差別大,穩(wěn)定性好。旨在分析局地下墊面條件的氣象效應(yīng)以及對這些效應(yīng)的定量描述,研究局地微氣象形成的物理過程和變化規(guī)律,確定局地氣象要素的數(shù)量指標;以便合理利用微氣象的有利條件,解決氣象學科中存在的問題。

本文對微氣象學科在高原地區(qū)發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展的境況做出評價認識,以改善研究存在問題,提高研究的科學嚴謹性。

2 高原地區(qū)微氣象學研究現(xiàn)況

高原指海拔高度一般在1000米以上,面積廣,地形闊,以明顯陡坡為界,比較完整的大面積隆起地區(qū)。高原最本質(zhì)的特征是地勢相對高差低而海拔相當高,我國高原面積廣大,研究高原微氣象的重要性已被越來越關(guān)注。

2.1 青藏高原地區(qū)微氣象學研究現(xiàn)況

青藏高原通過動力、熱力、地氣相互作用等間接影響我國東部和南部、亞洲地區(qū)乃至全球的氣候變化和災(zāi)害性天氣的形成。青藏高原通過高原近地層與邊界層熱力及動力作用逐漸影響到自由大氣的變化。近地層物質(zhì)和能量交換特征受地形、下墊面性質(zhì)等微氣象因素直接影響,差異較大。為此近幾十年來在高原上進行了一系列大型的氣象觀測試驗對大氣環(huán)流的動力和熱力影響的研究?！肚嗖馗咴甭春拥貐^(qū)近地層能量輸送與微氣象特征》[1]一文中計算分析青藏高原北麓河凍土綜合試驗站自動氣象站2002年5月30日～6月24日的地表能量平衡、地表加熱場、感熱、潛熱、地表反照率、動量和熱量總體輸送系數(shù)等特征量場的變化特征,首次得到高原北麓河地區(qū)近地層能量輸送和微氣象特征,為微氣象學在高原研究中的短期內(nèi)熱量和動量研究提供指導(dǎo)。

《青藏高原不同地區(qū)夏季近地層能量輸送與微氣象特征比較分析》[2]利用青藏高原理塘、林芝、海北、拉薩的氣象觀測資料,對比分析地區(qū)近地層氣象要素、輻射收支及湍流通量日變化特征。并且得出結(jié)論,高原東部、中部及北部,無論是高原臺地、高山峽谷區(qū),7月份近地層各氣象要素、湍流通量、輻射收支均有明顯的日變化。

《納木錯湖地區(qū)近地層微氣象特征及地表通量交換分析》[5]利用中國科學院青藏高原研究所納木錯圈層相互作用綜合觀測研究站所提供的2006年全年觀測資料,研究了青藏高原納木錯地區(qū)的草甸下墊面氣溫、濕度、風速、風向和地表溫度的日變化及季節(jié)變化規(guī)律,和地表感熱、潛熱通量和輻射通量的日變化和季節(jié)變化規(guī)律,初步揭示了納木錯草甸下墊面微氣象特征和地氣能量交換的年際變化規(guī)律。

在青藏高原上所利用的觀測資料多為綜合觀測自動臺站的資料,資料分布可靠性隨著近年來科學技術(shù)產(chǎn)品的不斷提高有了明顯提升,但由于自動臺站存在觀測無人值守等方面的問題,且在高原地區(qū)觀測臺站建立困難,研究有相當大的受阻。

2.2 珠峰地區(qū)微氣象研究現(xiàn)況

珠穆朗瑪峰位于西藏的南緣、喜馬拉雅山脈中段。自20世紀60年代以來國內(nèi)外氣象學家就開始不斷地致力于珠峰地區(qū)氣象和環(huán)境等研究,其中包括中國科學院前三次珠峰地區(qū)科學考察試驗和地面熱源觀測的開展,這些研究都大大地促進了珠峰地區(qū)地氣相互作用研究的發(fā)展。由于珠穆朗瑪峰地區(qū)自然環(huán)境惡劣,以往的研究時間都比較短,而且大部分都在夏季,這遠遠不能說明珠峰地區(qū)的地氣相互作用的整體特征。局限于參考數(shù)據(jù)資料的獲取僅對珠峰地區(qū)觀測資料進行了初步分析,要想深入理解珠峰地區(qū)水和能量循環(huán)及其對區(qū)域氣候的影響還有很多工作去做。

2.3 內(nèi)蒙古高原地區(qū)微氣象現(xiàn)況

橫貫中國內(nèi)蒙古自治區(qū)的內(nèi)蒙古高原東部為草原,是中國的重要畜牧業(yè)基地;西部氣候干燥,為乾草原、荒漠草原與荒漠。向西沙漠面積增加,戈壁廣布。

《內(nèi)蒙古半干旱草原能量物質(zhì)交換的微氣象方法估算》[3]根據(jù)1998年5～8月和1999年8月在中國科學院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位試驗站進行微氣象觀測的資料,作者分析了該地區(qū)能量平衡及其各分量的基本特征。得出結(jié)論內(nèi)蒙古草原凈輻射能用于感熱和潛熱交換的方式有明顯的季節(jié)性變化特征。其誤差來源主要受觀測場地、儀器精度和方法的局限性影響。

受到觀測資料比較少的影響,很難分析其季節(jié)性的變化。作為中國氣象重要研究地區(qū),內(nèi)蒙古高原的研究資料量需要極大的提高,以滿足當?shù)啬撩竦纳钌蠚庀笮枨蟆?/p>

3 研究中存在的問題

從分析中可看出,高原上多荒野大漠,人煙稀少,測站稀疏,觀測條件較平原地區(qū)艱苦得多,已有的許多研究基本圍繞高原北部和中部進行,西部和東部雖有一些研究,但高原東坡的研究目前基本上是空白。共同體現(xiàn)出來的是研究資料的不足和研究觀測的難度之大,作為科研工作的重要組成部分,十分有必要加大資金設(shè)備投入,增加研究資料獲取。

4 微氣象研究的發(fā)展前景和方向

環(huán)境問題日益受到人們的關(guān)注,地一氣之間的能量、水分和物質(zhì)(氣體)交換及其隨時空變化的特征,在研究生態(tài)環(huán)境問題方面扮演著一個重要角色。由于每個地區(qū)下墊面狀況不同,探求如何更準確地測定和估算下墊面各種熱通量的大小成為微氣象學的一個重要研究領(lǐng)域,并且已經(jīng)形成許多研究理論方法。

根據(jù)當前的研究境況,現(xiàn)今我國研制的微氣象觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能在比較惡劣的氣候條件下,對近地面層的有關(guān)物理參數(shù)進行長期、連續(xù)、自動的數(shù)據(jù)采集并且具有多點同步觀測,實時無線傳輸和數(shù)據(jù)集中處理等功能,從而能以聯(lián)網(wǎng)的形式對一地區(qū)進行全面、綜合的觀測實驗研究。將野外觀測的數(shù)據(jù)收集后集中分析處理,這種先進的觀測手段有力地推動理論研究工作。該觀測系統(tǒng)不但是微氣象自動觀測網(wǎng)的一個子系統(tǒng),又能夠以子站為單位,獨立地執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、無線傳輸及資料整理輸出等功能,為自動化提供便利,從根本上擺脫了傳統(tǒng)的人工觀測方法帶來的人為誤差及種種由于惡劣條件所帶來束縛,為近地面物理的研究提供了先進的觀測手段,十分適合應(yīng)用于高原地區(qū)。

同時要求重點監(jiān)測的是地面的動量、感熱和潛熱通量、水汽和碳通量、地表輻射收支、大氣邊界層結(jié)構(gòu)和過程,以及土壤熱力和水分狀況。主要包括溫、濕、風梯度觀測,氣壓,雨量、多層地溫、多層土壤濕度,直射輻射、反射輻射、凈輻射、散射輻射、總輻射,土壤熱通量,以及渦動相關(guān)動量、感熱、水汽和二氧化碳通量觀測系統(tǒng)等,補充觀測層次,增加地球輻射、紫外輻射觀測,光合有效輻射觀測,土壤水分觀測,增大觀測設(shè)備的防護外殼,完善觀測站礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),確保觀測站能夠長期、穩(wěn)定運作。

5 總結(jié)與展望

5.1 全文總結(jié)

由于微氣象學在學科應(yīng)用中的工作資料的缺乏和學科發(fā)展在大范圍區(qū)域之內(nèi)的限制,對于微氣象研究的方法和應(yīng)用都存在一定的局限性。著眼于青藏高原,珠峰地區(qū),內(nèi)蒙古高原等微氣象學應(yīng)用廣泛區(qū)域,本文總結(jié)觀點認為應(yīng)加強氣候惡劣觀測環(huán)境中微氣象觀測系統(tǒng)的開發(fā)投入,更進一步地進行地面微氣象特性的觀測,保障觀測站的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),能夠在高原地區(qū)進行有效長期穩(wěn)定的觀測研究。

5.2 展望

本文僅單獨研究了高原地區(qū),還缺少與平原地區(qū)和城市地區(qū)的比較學習,希望能夠在未來的研究中進一步提高。

[1]錢澤雨,胡澤勇,杜萍,張艷武.青藏高原北麓河地區(qū)近地層能量[J].中國科學技術(shù)大學學報,2005.2,24(1).

[2]趙興炳,彭斌,秦寧生,王偉.青藏高原不同地區(qū)夏季近地層能量輸送與微氣象特征比較分析[J].高原山地氣象研究,2011.3,31(1).

[3]朱治林,孫曉敏,張仁話,唐新齋,蘇紅波,唐登銀.內(nèi)蒙古半干旱草原能量物質(zhì)交換的微氣象方法估算[J].氣候與環(huán)境研究,2002.9,7(3).

[4]衛(wèi)國安,牛玉清,周秀云,肖正華,陳澤宇.微氣象觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)①[J].高原氣象,1990.6,9(2).

[5]李茂善,馬耀明,孫方林,趙逸舟,王永杰,呂雅瓊.納木錯湖地區(qū)近地層微氣象特征及[J].高原氣象,2008.8,27(4).

[6]吳愛明,倪允琪.青藏高原對亞洲季風平均環(huán)流影響的數(shù)值試驗[J].高原氣象,1997,16(2):153—164.

[7]季國良,鐘強,沈志寶.青藏高原地面熱源觀測研究的進展[J].高原氣象,1989,8(2):127—132.

[8]劉宇,鄒捍,胡非.青藏高原珠峰絨布河谷地區(qū)大氣近地層觀測研究[J].高原氣象,2004,23(4):512—518.