三亞國家氣候觀象臺氣象觀測現(xiàn)狀及展望

■ 符史旺 馬鳳娓

三亞國家氣候觀象臺的立項建設(shè)對南海和太平洋熱帶氣旋、南海秋季暴雨、海島雷電等災(zāi)害性天氣有很好的監(jiān)測預(yù)警作用，對改進我國南海地區(qū)天氣、氣候模式和邊界層、云物理過程參數(shù)化方案等起著重要性作用。

三亞國家氣候觀象臺（下稱三亞觀象臺）位于三亞市東南方的六道嶺，距市區(qū)直線距離約10 km，由5個觀測區(qū)組成，最高觀測區(qū)（即地面觀測場）海拔高度為419.4 m。六道嶺為二級林業(yè)保護區(qū)，由灌木林和人工種植的桉樹覆蓋，周邊地形從海洋到山地過渡，是觀測大氣基本氣候變量以及高影響天氣變量的理想?yún)^(qū)域。

1 現(xiàn)有基礎(chǔ)觀測業(yè)務(wù)

三亞氣象觀測可追溯到20世紀(jì)50年代初，三亞觀測站原名為廣東省崖縣氣象站，站址位于三亞鎮(zhèn)港門村，當(dāng)時承擔(dān)國家一般氣候觀測站任務(wù)，隸屬崖縣農(nóng)業(yè)部。2008年1月1日建成六道嶺觀測站，新舊觀測站地面觀測業(yè)務(wù)在實施一年時間的對比觀測后，氣象觀測業(yè)務(wù)遷移至現(xiàn)址，觀測場海拔高度419.4 m。在歷年變遷中具體開展的觀測項目見表1，包括地面、高空、酸雨、雷電、紫外線、大氣成分、GNSS/MET水汽、新一代天氣雷達、風(fēng)廓線雷達、衛(wèi)星接收等10余類。

2 拓展觀測系統(tǒng)

南海地區(qū)海氣相互作用，直接影響我國的旱澇分布；影響西太平洋的臺風(fēng)活動，甚至能夠調(diào)控全球氣候變化。南海區(qū)域熱帶氣旋（臺風(fēng)）、強對流、海上大風(fēng)和海霧等災(zāi)害性天氣頻發(fā)重發(fā)多發(fā)，開展南海熱帶海洋氣候觀測與研究、增強南海氣象服務(wù)能力，對于保障國家領(lǐng)土安全、維護海洋權(quán)益、提高防災(zāi)減災(zāi)能力、保障人民福祉安康、促進海南全面深化改革開放具有極其重要的戰(zhàn)略意義。三亞觀象臺三面環(huán)山，南面臨海，向南7.5 km為海南島最南端——錦母角。山地和近海的特殊地理位置對研究海南島復(fù)雜下墊面的動力和熱力學(xué)特性具有獨特的意義。海南省氣象局在三亞觀象臺建設(shè)方面作了分階段建設(shè)的部署。第一階段主要開展熱帶海洋氣象觀測能力建設(shè)，計劃在現(xiàn)有觀測項目布局的基礎(chǔ)上新建100 m海氣通量觀測塔、飛沫觀測儀、超聲觀測陣列、多通道地基微波輻射計、溫濕廓線激光雷達、激光測風(fēng)雷達、毫米波測云儀等觀測項目。第二階段將開展生態(tài)氣象觀測能力建設(shè)，包括近海生態(tài)氣象觀測、山地生態(tài)觀測和生態(tài)梯度觀測。

2.1 第一階段

1）100 m海氣通量觀測塔

在六道嶺臨海岸邊，建設(shè)3座100 m海洋大氣邊界層通量觀測塔。海氣通量觀測塔可由湍流測量單元和梯度測量單元組成，設(shè)計測量1～3層湍流動量、熱量和物質(zhì)通量測量單元，7～10層的溫濕風(fēng)平均量梯度測量單元，輔以1～2層輻射等變量。

2）飛沫觀測儀

分三層布設(shè)，提供不同層次高度上海洋飛沫的向上通量。每一層有兩個量程段的飛沫通量儀以及一臺飛沫滴譜儀構(gòu)成。

3）超聲觀測陣列

建設(shè)多臺超聲風(fēng)速儀和開路式紅外H2O/CO2分析儀組成的超聲陣列，對邊界層中湍流的精細(xì)結(jié)構(gòu)、湍流被動標(biāo)量和超大尺度渦結(jié)構(gòu)進行高精度的觀測比對，獲得大氣湍流中能量級串、間歇性、相干結(jié)構(gòu)、通量輸送的深入理解，并監(jiān)測臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的演變。

4）多通道地基微波輻射計

建設(shè)1套多通道地基微波輻射計，開展對流層水汽監(jiān)測，對臺風(fēng)和強對流天氣的水汽分布和演變特征有更連續(xù)和精細(xì)的揭示。微波輻射計同時也可與三亞L波段高空站的常規(guī)高空探測形成對比觀測。

表1 三亞觀象臺現(xiàn)有綜合氣象觀測項目

5）溫濕廓線激光雷達

建設(shè)1套溫濕廓線激光雷達，可以得到云底高度、消光系數(shù)、能見度、溫度和水汽廓線、光學(xué)厚度和后向散射等大氣特征，尤其能對水汽的來源進行解析；這些數(shù)據(jù)不僅可以為臺風(fēng)的云-大氣-地表過程的特征及機理研究提供很好的基礎(chǔ)，還可以細(xì)致的刻畫大氣溫濕垂直廓線特征，并可與探空及微波輻射計等儀器開展協(xié)同比對觀測，補充常規(guī)高空探測業(yè)務(wù)的不足。

6）激光測風(fēng)雷達

建設(shè)1套激光測風(fēng)雷達。激光測風(fēng)雷達可獲得6 km以下多層風(fēng)向風(fēng)速，并可與海南已建成的邊界層風(fēng)廓線雷達觀測網(wǎng)相結(jié)合，用于對臺風(fēng)進行邊界層風(fēng)精細(xì)結(jié)構(gòu)立體觀測，同時可開展結(jié)合探空等手段矯正風(fēng)雨條件下激光遙感觀測準(zhǔn)確性等研究。

7）毫米波測云儀

建設(shè)1套毫米波測云儀。臺風(fēng)的云微物理過程與臺風(fēng)精細(xì)結(jié)構(gòu)演變有著緊密聯(lián)系，已經(jīng)成為國際熱帶氣旋研究最為關(guān)注的新領(lǐng)域之一。毫米波測云儀可以測得垂直消光系數(shù)，云底高度等要素，可為臺風(fēng)云物理過程的研究提供基礎(chǔ)觀測資料。

2.2 第二階段

1）近海生態(tài)氣象觀測

近海生態(tài)承受人類活動和海洋氣候變化等諸多因素影響，是海洋中最敏感、最受關(guān)注的區(qū)域。近年來近海生態(tài)出現(xiàn)顯著變化，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能退化，危及近海生態(tài)安全，尤其是陸源污染、氣候變化、過度捕撈、無序養(yǎng)殖等多種威脅因素仍在不斷增加。海南省政府非常重視生態(tài)保護工作，在三亞觀象臺建設(shè)近海生態(tài)氣象觀測系統(tǒng)可以直接為南海海洋生態(tài)文明建設(shè)和海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。近海生態(tài)氣象觀測的項目可包括大氣成分觀測、水體觀測等生態(tài)要素的立體綜合監(jiān)測。大氣成分觀測可按照中國氣象局大氣成分站的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，開展部分溫室氣體、氣溶膠、反應(yīng)性氣體的觀測項目，結(jié)合三亞自1992年連續(xù)開展的輻射一級站觀測數(shù)據(jù)，為研究低緯度大氣成分變化對天氣、氣候以及人體健康的影響提供基礎(chǔ)性資料。水體觀測針對海南輸入性污染源的研究，可探索對地表水、地下水、水源水，尤其南海近海海水的觀測。

2）山地生態(tài)氣象觀測

海南島為典型的中間高四周低的島嶼地形，由海平面至五指山1868 m高度的特有地形。在三亞觀象臺可以建立山地生態(tài)系統(tǒng)觀測，研究山地生態(tài)與山地科學(xué)、人文環(huán)境的密切關(guān)系，研究山地特有的氣象條件對山地生態(tài)環(huán)境和人類社會的影響。山地氣象觀測系統(tǒng)包括32 m梯度觀測系統(tǒng)、渦動觀測系統(tǒng)、土壤參數(shù)觀測系統(tǒng)等。

32 m梯度觀測系統(tǒng)。梯度觀測，旨在準(zhǔn)確認(rèn)識大氣溫度特征，加強對物質(zhì)或水分循環(huán)的認(rèn)識。三亞觀象臺計劃建設(shè)3座100 m海洋大氣邊界層通量觀測塔，32 m梯度觀測系統(tǒng)的投資小、成效快，可搭載五層觀測設(shè)備，較快啟動對能量平衡及物質(zhì)能量傳輸方面的研究。

渦動觀測系統(tǒng)，采用渦動協(xié)方差原理，是一種微氣象學(xué)的測量方法，利用快速響應(yīng)的傳感器來測量大氣-下墊面間的物質(zhì)交換和能量交換。三亞年平均降水量僅1392.2 mm，年平均蒸發(fā)量2360.7 mm，城市供水、作物用水大部分來自水庫蓄水，并由政府對水庫水資源的科學(xué)調(diào)度才能應(yīng)對。所以，引入渦動觀測系統(tǒng)對于研究三亞及周邊市縣的旱災(zāi)及對水資源高效利用的需求、作物需水量規(guī)律的重要性、作物生育期各個階段的需水量及需水強度等問題具有實際的應(yīng)用價值。

三亞“南繁”承擔(dān)全國29個省、30多個農(nóng)作物品種科研育種工作，三亞農(nóng)業(yè)種植和南繁育種基地對土壤觀測資料的需求高，可以在海南農(nóng)業(yè)氣象南濱試驗站已設(shè)立一個土壤水分觀測點的基礎(chǔ)上，新增一個土壤參數(shù)觀測系統(tǒng)，觀測數(shù)據(jù)用于農(nóng)業(yè)研究、灌溉管理、土壤能量、水分涵養(yǎng)等。

3 參加科學(xué)觀測試驗

3.1 華南季風(fēng)強降水外場試驗

由中國氣象局組織，中國氣象科學(xué)研究院牽頭實施的世界氣象組織世界天氣研究計劃研究發(fā)展項目“華南季風(fēng)降水試驗”，于2014—2016年每年5—6月在華南區(qū)域進行華南季風(fēng)強降水外場試驗加密觀測。在三亞觀象臺每日增加02時和14時的加密觀測，加密探空觀測資料包含了從近地面到約10 hPa的氣象要素（氣壓、溫度、露點溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、距地高度）垂直分布，實時上傳到中國氣象局業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，用于華南季風(fēng)強降水外場試驗。

3.2 高分三號海南外場氣象試驗

根據(jù)國家氣象衛(wèi)星中心高分三號衛(wèi)星外場氣象試驗的工作安排，于2016年11月11—30日在三亞觀象臺開展高分三號衛(wèi)星星地同步聯(lián)合降水試驗。

3.3 第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗

作為外場試驗之一，2016年三亞觀象臺承擔(dān)了中國氣象局組織的第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗，通過加密探空觀測，獲取大量原始數(shù)據(jù)，推進了相關(guān)研究。

3.4 新型探空儀試驗

2017—2018年中國科學(xué)院安光所大氣光學(xué)中心在三亞觀象臺實施新型探空儀試驗。通過裝備性能、環(huán)境適應(yīng)性、材料腐蝕狀況等外場測試，為裝備定型提供測試、評估數(shù)據(jù)。

3.5 水汽和降水穩(wěn)定同位素影響試驗

南京大學(xué)分別選擇南京大學(xué)地球系統(tǒng)區(qū)域過程綜合觀測試驗基地（SORPES）、云南瑞麗、海南三亞六道嶺、福建羅源等四個觀測點，在2018年5月—2020年9月開展了24 h持續(xù)采集大氣水汽及降水同位素樣品，后交由南京大學(xué)海岸與海島開發(fā)教育部重點實驗室進行水穩(wěn)定同位素測試分析。其中瑞麗、三亞及羅源分別代表東亞季風(fēng)區(qū)夏季上游三條水汽輸送通道（西南通道、南海通道和東南通道），而下游南京地區(qū)大氣水汽及降水同位素則受此三條水汽通道輸送過程的共同影響。通過試驗采集原始數(shù)據(jù)，研究水汽來源及其輸送過程對季風(fēng)區(qū)大氣水汽及降水穩(wěn)定同位素的影響。

深入閱讀

陳貴川, 卞林根, 李平, 等, 2008. 國家氣候觀象臺建設(shè)觀測環(huán)境問題. 氣象科技, 36(2): 244-248.

蘇濤, 苗峻峰, 蔡親波, 2016．海南島海風(fēng)雷暴結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬．地球物理學(xué)報, 59(1): 59-78.

吳先華, 徐中兵, 袁迎蕾, 等, 2014. 臺風(fēng)災(zāi)害的關(guān)聯(lián)經(jīng)濟損失評估—以江蘇省為例. 災(zāi)害學(xué), 29(2): 77-83.

謝韶, 呂衛(wèi)華, 謝開川, 2008. 氣候環(huán)境變化對電白日照時數(shù)的影響. 廣東氣象, 30(6): 40-42.

朱梅, 何君濤, 方勉, 等, 2018. GPM衛(wèi)星資料在分析“杜蘇芮”臺風(fēng)降水結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用. 干旱氣象, 36(6): 997-1002.