區(qū)域能量與水循環(huán)
——淮河流域綜合氣候觀象臺觀測網(wǎng)設(shè)計思考

李柏 趙倩 黃勇 盧燕宇

（1 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；2 壽縣國家氣候觀象臺 中國氣象局淮河流域典型農(nóng)田生態(tài)氣象野外科學(xué)試驗基地，壽縣 232200；3 安徽省氣象科學(xué)研究所 安徽省大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感重點實驗室，合肥 230031）

0 引言

淮河流域地處我國南北氣候過渡帶，受東亞季風(fēng)影響，近年來旱澇災(zāi)害頻發(fā)，直接威脅人民的生命財產(chǎn)安全，制約社會和經(jīng)濟的發(fā)展。在極端災(zāi)害天氣中，水與能量的循環(huán)扮演著重要的角色，其不僅維持著地球上各水體之間的動態(tài)平衡，使淡水資源不斷更新，而且促進(jìn)自然界物質(zhì)的運動和能量交換，對生態(tài)、氣候等產(chǎn)生深刻的影響。因此，開展水與能量循環(huán)綜合觀測，對研究水與能量循環(huán)規(guī)律，揭示旱澇的形成機制，提高極端天氣的預(yù)測水平具有重要作用。

淮河流域?qū)儆诘厍蛩c能量循環(huán)的一個組成部分。地球上的水與能量循環(huán)，使得水分子不斷地從一個地方移動到另一個地方，并對天氣和氣候產(chǎn)生很重要的影響。水循環(huán)主要由太陽能量驅(qū)動，這種太陽能量可以通過蒸發(fā)海洋、湖泊、河流甚至土壤中的水分來驅(qū)動循環(huán)。其他水分通過蒸騰作用從植物進(jìn)入大氣。當(dāng)液態(tài)水蒸發(fā)或蒸騰時，它形成水蒸氣和云，水滴最終獲得足夠的質(zhì)量以降水的形式落回地球。然后降水變成徑流或地下水，并通過不同的時間尺度回到地表水庫。對于整個地球而言，水循環(huán)本質(zhì)上是一個封閉的系統(tǒng)，這意味著現(xiàn)在水圈中水的體積和地球系統(tǒng)中一直存在的水的體積是相同的。但是，對于區(qū)域性的水與能量循環(huán)，卻存在年際的變化與不平衡。而淮河流域的水與能量循環(huán)的變化與不平衡尤為突出。

水與能量循環(huán)作為科學(xué)問題，它貫穿于氣象綜合觀測各個領(lǐng)域，水循環(huán)與能量循環(huán)是相伴而行，在水循環(huán)的各個環(huán)節(jié)中，都伴有能量的循環(huán)與轉(zhuǎn)換；例如：在蒸發(fā)過程中，大量的熱能被吸收，使得水溫上升，水分子變得更加活躍，脫離水體，形成水蒸氣；再有當(dāng)水汽輸送到某地被抬升，凝結(jié)形成云，水蒸氣中的熱能被大量釋放，使得局地大氣被加熱，并導(dǎo)致大氣密度變化；因此，在水循環(huán)的各個環(huán)節(jié)，水通過自身相態(tài)的改變，促成了能量的轉(zhuǎn)換與循環(huán)。這一相互促進(jìn)與相互影響的過程，衍生出了大氣千姿百態(tài)，氣象萬千的景象，同時，也催生出了各種天氣系統(tǒng)發(fā)展與演變。因此，現(xiàn)代化的氣象綜合觀測系統(tǒng)必須把水與能量循環(huán)精細(xì)化過程充分揭示出來，才能構(gòu)建出更加符合實際的數(shù)值模式，從而做出準(zhǔn)確的氣象預(yù)測與預(yù)報。

近年來，利用先進(jìn)的探測設(shè)備和技術(shù)手段，國內(nèi)外開展了不少水與能量循環(huán)試驗研究。20世紀(jì)90年代，中日科學(xué)家聯(lián)合在淮河流域開展了被譽為20世紀(jì)末我國大氣科學(xué)領(lǐng)域四個科學(xué)試驗之一的“淮河流域能量與水循環(huán)試驗”（Huaihe River Basin Experiment-HUBEX，1998—2000年）。這是一次大規(guī)模的氣象與水文聯(lián)合觀測試驗，數(shù)百名中日氣象與水文科學(xué)家和工程師，利用水文-氣象站、天氣雷達(dá)、氣象衛(wèi)星以及許多先進(jìn)的水文氣象觀測儀器設(shè)備，開展了連續(xù)的觀測試驗，進(jìn)一步了解東亞季風(fēng)區(qū)（主要是梅雨區(qū)）中尺度降水系統(tǒng)的能量與水循環(huán)過程及其與陸面過程的相互作用，并建立了區(qū)域氣候水文模式，提高了延伸天氣、氣候預(yù)報時效以及降水的預(yù)報精度，產(chǎn)生了顯著的社會效益與經(jīng)濟效益[1-11]。2015年11月—2016年2月，GPM（Global Precipitation Measurement）試驗和奧林匹克山試驗（OLYMPEX，Olympic Mountain Experiment）相繼開展，取得了一系列研究成果[12-13]。其中GPM試驗是美國國家航空航天局和日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)聯(lián)合展開的一項基于全球水與能量循環(huán)的外場觀測試驗，試驗中利用GPM主動式和被動式遙感技術(shù)，測量受降水影響的微波輻射和瞬時降水率，量化區(qū)域和全球水循環(huán)過程，實現(xiàn)從太空進(jìn)行降水的測量，提高對降水系統(tǒng)、水循環(huán)變化和淡水可用性的認(rèn)識，同時改進(jìn)天氣預(yù)報、氣候模型、水文模型，提高洪水、干旱、山體滑坡和颶風(fēng)等高影響自然災(zāi)害事件的預(yù)測能力。“奧林匹克山試驗（OLYMPEX）”是全球水與能量循環(huán)背景下的試驗，由美國國家航空航天局牽頭在華盛頓州的奧林匹克半島開展，該項試驗的核心任務(wù)是評估全球降水測量任務(wù)核心觀測站（GPM）的衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)，并對上述數(shù)據(jù)加以驗證。為了確保衛(wèi)星對降雨和降雪的測量在太空中是準(zhǔn)確的，OLYMPEX試驗構(gòu)建了空天地一體化協(xié)同觀測和垂直結(jié)構(gòu)觀測網(wǎng)絡(luò)，其中高時空密度觀測網(wǎng)、協(xié)同觀測、高精度垂直結(jié)構(gòu)觀測是十分必要的。OLYMPEX試驗中建立了地面儀器，包括雨量計、天氣雷達(dá)和氣球發(fā)射場，用以監(jiān)測即將到來的風(fēng)暴，同時試驗中從三架穿越雨云的飛機、GPM核心觀測站和其他降雨觀測衛(wèi)星上收集數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家們在風(fēng)暴過境時從地面站進(jìn)行測量，而在頭頂上飛行的飛機則攜帶著模擬衛(wèi)星傳感器的儀器，這使人們能夠準(zhǔn)確地將地面上對真實情況的最佳估計與從衛(wèi)星上面觀測到的降水進(jìn)行比較。科學(xué)家們通過詳細(xì)的地面觀測與飛機上模擬衛(wèi)星觀測，提高了對大氣中導(dǎo)致降水的過程的理解。

著眼全球，如何以更高的站位開展更深入的淮河流域能量與水循環(huán)科學(xué)試驗，成為一個亟待思考的問題。OLYMPEX試驗為未來瞄準(zhǔn)淮河流域能量與水循環(huán)的科學(xué)問題來設(shè)計綜合觀測體系提供了很好的思路和借鑒，本文將從地球系統(tǒng)水與能量循環(huán)概況、流域或區(qū)域水循環(huán)各階段的觀測設(shè)計思考、淮河流域氣候綜合觀象臺觀測網(wǎng)設(shè)計、總結(jié)和展望四個方面展開闡述。

1 水與能量循環(huán)概況

地球系統(tǒng)由大氣圈、水圈、冰凍圈、生物圈、巖石圈等圈層組成，這五大圈層均和能量與水循環(huán)息息相關(guān)，同時大氣的能量和水分的運動與地球表面的各種過程密切相關(guān)，地表與大氣間作用的過程實質(zhì)上是能量、動量和質(zhì)量的互相交換過程[14-15]。輻射為地氣系統(tǒng)能量交換和物質(zhì)交換提供能源，輻射平衡直接影響地氣系統(tǒng)能量交換和物質(zhì)交換，而地表特征和下墊面物理性質(zhì)在時空分布上的差異，對地氣系統(tǒng)能量、動量和質(zhì)量的分布有極大的影響[16-17]。

水循環(huán)是全球能量與水的平衡和交換過程，能量與水循環(huán)的重點是水的相態(tài)變化和循環(huán)過程。地球的總儲水量約13.8 億km3，平均每年只有57.7 萬km3的水參與水文循環(huán)，按此速度，地球上全部的水量都參與循環(huán)一次或者說全部水量更新一次，大約需要2400年（表1）。全球超過97%的水資源儲存在海洋之中（表2），在全球水循環(huán)過程中，海洋發(fā)揮著重要的作用，不考慮海洋及其對天氣的影響，就無法深入了解所經(jīng)歷的天氣過程，以及天氣對它的影響。此外，海洋吸收、儲存和釋放熱量到大氣中的能力是巨大的，事實上，僅僅海洋表面的3 m就包含了比我們整個大氣層還多的熱量，影響全球的厄爾尼諾等重大氣候事件就是由海洋溫度異常變化引起的。

表1 地球上各種水體中水的更新時間[18]Table 1 The turnover time in various bodies of water on earth

表2 地球水資源分布概況[19]Table 2 Overview of the distribution of water resources on earth

了解水與能量循環(huán)需要從以下幾個方面進(jìn)行，即水循環(huán)的基本狀況、能量轉(zhuǎn)換與循環(huán)的基本狀況、水循環(huán)對地球能量收支平衡及其他圈層的影響。

1.1 水循環(huán)的基本狀況

水循環(huán)是指地球上的水在太陽輻射和地心引力等作用下，以蒸發(fā)、降水和徑流等方式進(jìn)行周而復(fù)始的運動過程，太陽輻射是水循環(huán)的原動力，也是整個地球—大氣系統(tǒng)的外部能源，能量守恒定律是水循環(huán)過程所遵循的一個基本規(guī)律。水循環(huán)的基本過程包括蒸發(fā)、植物蒸騰、升華、凝結(jié)、傳輸、降水、地表徑流、滲透、地下水流動、植物吸收等10個環(huán)節(jié)（圖1）。

圖1 全球水循環(huán)示意圖① www.srh.noaa.gov/jetstream。Fig. 1 Schematic of the global water cycle

水循環(huán)的產(chǎn)生有內(nèi)因和外因兩種。內(nèi)因包括水的“三態(tài)”變化，即在常溫條件下，水的氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)可以相互轉(zhuǎn)化，這使得水分循環(huán)過程的轉(zhuǎn)移、交換成為可能。外因包括太陽輻射和地心引力。太陽輻射的熱力作用為水的“三態(tài)”轉(zhuǎn)化提供了條件，太陽輻射分布的不均勻性和海陸的熱力性質(zhì)的差異，造成空氣的流動，為水汽的移動創(chuàng)造了條件。地心引力（重力）促成降水，并使水從高處向低處流動，從陸地到海洋，從而實現(xiàn)了水分循環(huán)。各種天氣現(xiàn)象如云、雨、雪、霜及臺風(fēng)暴雨等，本身就是水循環(huán)的產(chǎn)物，沒有水循環(huán)就不存在這類天氣現(xiàn)象。

水循環(huán)涉及整個水圈，并深入到大氣圈、冰凍圈、巖石圈及生物圈，全球水循環(huán)是一個閉合系統(tǒng)，但局部水循環(huán)是開放的系統(tǒng)，地球上的水分在交替循環(huán)過程中，溶解且攜帶某些物質(zhì)運動。此外，水循環(huán)是物質(zhì)與能量的傳輸、儲存和轉(zhuǎn)換過程，存在于每個環(huán)節(jié)，且遵守質(zhì)能守恒定律，即熱能轉(zhuǎn)化為勢能，勢能轉(zhuǎn)化為動能。

水循環(huán)有不同的分類方法，以海陸為標(biāo)準(zhǔn)可以分為海陸大循環(huán)、海洋小循環(huán)和陸地小循環(huán)。海陸大循環(huán)是指海洋表面蒸發(fā)的水汽，被氣流帶到大陸上空，在適當(dāng)?shù)臈l件下，以降水的形式降落到地面后，其中一部分蒸發(fā)到空中，另一部分經(jīng)過地表和地下徑流又流到海洋，這種海陸間的水循環(huán)又稱大循環(huán)；海陸大循環(huán)使得陸地上的水不斷得到補充、更新，使水資源得以再生，維護(hù)了全球水量的平衡。海洋小循環(huán)就是海面上的水分蒸發(fā)成水汽，進(jìn)入大氣后在海洋上空凝結(jié)，形成降水，又降落到海面的過程；海洋小循環(huán)是攜帶水量最大的水循環(huán)，是海陸間大循環(huán)的近10倍。陸地小循環(huán)包括外流區(qū)小循環(huán)和內(nèi)流區(qū)小循環(huán)，是指陸面水分的一部分或者全部通過陸面、水面蒸發(fā)和植物蒸騰形成水汽，在高空冷凝形成降水，仍落到陸地上，從而完成的水循環(huán)過程，陸地小循環(huán)存在局地或區(qū)域的不平衡性，影響著全球的氣候和生態(tài)并塑造了地表形態(tài)。

水循環(huán)從大到小的尺度可以分為全球水文循環(huán)、流域或區(qū)域水文循環(huán)、水—土—植系統(tǒng)水循環(huán)，其中淮河流域水循環(huán)屬于流域或區(qū)域水循環(huán)。

1.2 能量轉(zhuǎn)換與循環(huán)的基本狀況

地球大氣水循環(huán)的各個環(huán)節(jié)中，均伴有能量的轉(zhuǎn)換與循環(huán)，而輻射平衡直接影響地氣系統(tǒng)能量交換和物質(zhì)交換。太陽輻射是地氣系統(tǒng)中一切物理過程和現(xiàn)象形成的基本能量來源，當(dāng)太陽輻射穿過大氣到達(dá)地球表面時將產(chǎn)生一系列的能量再分配，且能量收支遵循能量守恒定律。如若將到達(dá)大氣上界的太陽輻射視為100個單位，大氣、云和地表對其均存在反射和吸收，在太陽輻射到達(dá)地面的過程中，首先被大氣反射6個單位，吸收16個單位；在遇到云層時，被云層反射20個單位，吸收3個單位；最后太陽輻射到達(dá)地面，除去地表反射7個單位外，51個單位被地表吸收；在100個單位的太陽輻射中，70個單位被吸收，30個單位被反射回太空。在地表吸收的能量中，一部分通過水汽通過潛熱傳遞給大氣和云、一部分被對流和上升氣流攜帶、一部分反射回大氣被吸收，地表、大氣和云層吸收的太陽輻射的能量又通過大氣和云層反射回太空或通過地面直接反射回太空，使得大氣的能量收支達(dá)到平衡。

圖2 地球能量收支示意圖① www.srh.noaa.gov/jetstream。Fig. 2 Diagram of the earth’s energy budget

云是全球和區(qū)域能量收支最重要的調(diào)節(jié)者，一方面云對來自地球表面的熱輻射有很好的吸收作用，同時云也放出熱輻射構(gòu)成溫室氣體；另一方面云又能有效的反射太陽短波輻射，這兩種相反的作用使云在地球的輻射平衡中成為既有效又復(fù)雜的調(diào)節(jié)因子。但不同地區(qū)比如平原和流域，由于云的狀況不同，能量收支亦存在差異。王可麗[20]研究表明青藏高原地區(qū)的地-氣相互作用非常明顯，且云狀況與平原地區(qū)存在明顯差異，地-氣系統(tǒng)獲得的凈輻射及由輻射引起的不同加熱分布都強烈地受云的影響；吳寶俊[21]指出從能量的觀點看，伴有暴雨的中尺度云團(tuán)的發(fā)展過程，是一次能量的釋放過程，當(dāng)能量釋放后必定通過垂直輸送和潛熱釋放對減少了的能量進(jìn)行補充，從而使云團(tuán)維持較長時間。因此云通過傳輸熱量和水汽，反射和吸收太陽輻射，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換與循環(huán)存在局地與區(qū)域的不平衡。

下墊面是大氣主要的熱源和水汽源，是影響氣候的主要因素之一。由于低層大氣幾乎不能吸收太陽輻射，而能強烈吸收地面輻射，地面輻射是其主要能量來源，因此下墊面會以潛熱輸送、湍流輸送等方式影響局地或區(qū)域能量收支。

凝結(jié)潛熱釋放是降水天氣系統(tǒng)與環(huán)境大氣間進(jìn)行熱量、動量交換的主要渠道。云和降水粒子的形成、增長、演變伴隨產(chǎn)生的相變潛熱，作為一種熱源或熱匯，會對云和降水的發(fā)展、演變產(chǎn)生影響。陶玥等[22]研究表明對流云團(tuán)中5000 m以上微物理過程起加熱作用，以下起冷卻作用，不同物理過程潛熱加熱的云層高度不同，高層起加熱作用的主要是水汽凝結(jié)、云冰初生和雪凝華增長、霰撞凍云水過程，中層起加熱/冷卻作用的主要是水汽凝結(jié)、霰/雹融化過程，低層雨水的蒸發(fā)過程起冷卻作用。潛熱的變化與降水強度的演變相一致，在降水的不同階段，潛熱的峰值高度隨降雨的增強有上傳的趨勢。增加云系暖區(qū)潛熱，可促進(jìn)低層氣旋性環(huán)流的形成，增強低層動力場的輻合，動力場的加強又直接影響水汽的輸送，間接促進(jìn)對流云系的發(fā)展。

1.3 水循環(huán)對地球能量收支平衡及其他圈層的影響

水圈中的水，通過周流不息的循環(huán)運動，積極參與了圈層之間界面活動，并且深入四大圈層內(nèi)部，將它們耦合在一起。

水循環(huán)，它上達(dá)15 km的高空，成為大氣圈的有機組成部分，擔(dān)當(dāng)了大氣循環(huán)過程的主角，深入地表以下1～3 km，積極參與巖石圈中化學(xué)元素的遷移過程，成為地質(zhì)大循環(huán)的主要動力因素。同時水作為生命活動的源泉，生物有機體的組成部分，它全面參與了生物大循環(huán)，成為溝通無機界和有機界聯(lián)系的紐帶。同時，水是構(gòu)成冰凍圈的主要成分，通過水的相態(tài)變化形成水循環(huán)。

眾所周知，不同緯度的太陽輻射收支存在著不平衡，中低緯度地區(qū)太陽輻射的凈收入大于凈支出，高緯度則相反。而水循環(huán)使得地表輻射能重新分配，不同緯度熱量收支不平衡矛盾得到緩解。如果沒有洋流來調(diào)節(jié)高低緯度之間的這種熱量分配的不均狀態(tài)，那么赤道附近地區(qū)的溫度要比現(xiàn)今增加10 ℃以上，兩極地區(qū)則要降低20 ℃。

總體來說，全球水量處在平衡狀態(tài)。所謂水量平衡是指在任意時段內(nèi)研究區(qū)的輸入和輸出水量之差等于該區(qū)域內(nèi)的儲水量的變化值，即水在循環(huán)過程中，從總體上說收支平衡，服從質(zhì)量守恒定律。水量平衡研究的對象可以是全球、某區(qū)域（流域）或某單元的水體（如河段、湖泊、沼澤、海洋等）。研究的時段可以是分鐘、小時、日、月、年，或更長的尺度。

通過對水量平衡的研究，可以定量揭示水循環(huán)過程與全球地理環(huán)境、自然生態(tài)系統(tǒng)以及人類活動之間的相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系，探究水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)在結(jié)構(gòu)和運行機制，同時水量平衡研究是水資源現(xiàn)狀評價與供需預(yù)測研究工作的核心，可以為流域規(guī)劃提供基本設(shè)計參數(shù)。

式中：I為收入項，Q為支出項，可視具體情況進(jìn)一步細(xì)分，其簡繁程度與所研究的對象以及時段長短有關(guān)。對于多年平均來說，接近于零，可忽略不計；但對于短時段水量平衡方程而言，蓄水變化量不可忽略。

對于陸地而言，平衡方程有以下幾種：

式中：P陸為陸地降水為流入的地表徑流，為流入的地下徑流，R地表為流出的地表徑流，R地下為流出的地下徑流，E為蒸發(fā)，T為植物蒸騰。

對于海洋而言，平衡方程有以下幾種：

式中：P海為海洋降水，R為地表徑流，E海為海洋蒸發(fā)。

2 流域或區(qū)域水循環(huán)各階段的觀測設(shè)計思考

如果要深入了解水循環(huán)過程和機制，實現(xiàn)對水循環(huán)過程及其各分量的定量描述，則需要了解水循環(huán)各個階段的關(guān)鍵影響因子和觀測方法。水循環(huán)是地球-大氣系統(tǒng)中水的連續(xù)循環(huán)，其核心是水從地面到大氣再回到地面的運動。在區(qū)域大氣中的水文循環(huán)所涉及的許多過程中，最重要的是蒸發(fā)、蒸騰、輸送、凝結(jié)、降水、徑流（包括流入和流出）等環(huán)節(jié)，通過尋找6個環(huán)節(jié)影響因子并加以觀測，并建立局地立體大氣柱的綜合觀測網(wǎng)，可實現(xiàn)對水循環(huán)過程的定量監(jiān)測和評估。

區(qū)域或流域水循環(huán)過程，與地球整體循環(huán)過程是基本一致的，但是在區(qū)域水循環(huán)過程中與地球系統(tǒng)水循環(huán)最大差異就是區(qū)域水循環(huán)的不平衡，不守恒問題。主要表現(xiàn)在區(qū)域水循環(huán)的各個環(huán)節(jié)上。如：區(qū)域蒸發(fā)的年際差異和季節(jié)差異，區(qū)域云量的年際差異和季節(jié)差異，區(qū)域降水的年際變化與季節(jié)變化等。

伴隨水循環(huán)各個環(huán)節(jié)的同時，能量轉(zhuǎn)換與循環(huán)也會發(fā)生相應(yīng)的變化，多云的季節(jié)和年份，太陽輻射對下墊面的輻射能量、地表溫度影響不同；夏季降水系統(tǒng)與冬季降水系統(tǒng)中潛熱釋放差異對系統(tǒng)對流發(fā)展的影響等（圖3）。因此，通過綜合氣候觀象臺的觀測網(wǎng)設(shè)計，揭示出這些循環(huán)過程在區(qū)域的變化及變化規(guī)律，并逐步量化各個循環(huán)過程，是綜合氣候觀象臺觀測網(wǎng)設(shè)計目標(biāo)。

圖3 相態(tài)變化與潛熱釋放示意圖Fig. 3 Schematic diagram of phase change and latent heat release

2.1 蒸發(fā)、蒸騰及其觀測設(shè)計

蒸發(fā)是一種物質(zhì)從液體變?yōu)闅怏w的狀態(tài)變化。蒸發(fā)發(fā)生需要的能量可以來自任何來源，比如太陽、大氣、地球或地球上的物體（人類）。在水循環(huán)的蒸發(fā)環(huán)節(jié)，太陽加熱海洋、湖泊、河流和潮濕土壤中的液態(tài)水，通過蒸發(fā)過程把它變成氣體，上升到大氣中。

蒸騰是植物通過氣孔蒸發(fā)水分的過程。氣孔是在葉片下方發(fā)現(xiàn)的小開口，與維管植物組織相連。在大多數(shù)植物中，蒸騰是一個被動的過程，主要受大氣濕度和土壤含水量的控制，通過植物排出的水分只有1%用于植物的生長過程，剩下的99%被排放到大氣中。

地面或植被中的水分受太陽輻射的影響會變?yōu)樗魵獾竭_(dá)大氣中，在不同的下墊面和地貌情況下，比如草地和城市，受比熱容等因素的影響，蒸發(fā)速率具有較大差異，水汽脫離水體或植物在運動過程中受到重力加速度的影響，在一般的計算中，我們將重力加速度設(shè)定為某一固定值，而實際上不同地區(qū)的重力加速度存在差異，需要更精細(xì)的測量。從前面的分析中可以看出影響蒸發(fā)與蒸騰環(huán)節(jié)的物理因素有太陽輻射（總輻射、短波輻射、長波輻射、凈輻射）、下墊面特征參數(shù)、地形地貌特征、重力場分布特征等。目前，前三項觀測已經(jīng)較為完備成熟，開展重力場的觀測是未來一個重要方向。

2.2 輸送及其觀測設(shè)計

輸送是水汽和能量的水平輸送與垂直輸送；影響水汽和熱量輸送因素有風(fēng)場的水平輻散輻合、區(qū)域的水汽通量（水平通量與垂直通量）、動量和熱等能量通量等。開展通量觀測可以幫助了解水循環(huán)的輸送。

2.3 凝結(jié)及其觀測設(shè)計

凝結(jié)是大氣中的水蒸氣凝華轉(zhuǎn)為液態(tài)的過程，以云或露的形式出現(xiàn)。凝結(jié)不是一個特定溫度的問題，而是兩個溫度之間的差異，即空氣溫度和露點溫度，當(dāng)空氣溫度和露點溫度相等時，常出現(xiàn)霧天。凝結(jié)是蒸發(fā)的反面。由于水蒸氣的能量比液態(tài)水高，所以當(dāng)凝結(jié)發(fā)生時，多余的能量以熱能的形式釋放出來，這種熱量的釋放有助于颶風(fēng)的形成。當(dāng)水以氣體的形式在大氣中上升時，它開始冷卻并再次變成液體，這個過程叫做冷凝，當(dāng)大量的水蒸氣凝結(jié)時，就會形成云。

水汽凝結(jié)成水滴，凍結(jié)成冰晶，過程中存在大量潛熱釋放?？偟膩碚f，云粒子是在吸濕性粒子上的凝結(jié)，該吸濕性粒子指的是一種特殊的水溶性氣溶膠。云滴因凝結(jié)而增長，云滴的大小一般在5～25 μm，同時云滴的末速度很小。

凝結(jié)環(huán)節(jié)的觀測就是對云的宏觀和微觀物理量進(jìn)行觀測，目前對云的觀測主要圍繞云的宏觀物理量（包括云底高度、云頂高度、云的0 ℃、-20 ℃、-40 ℃層高度）、云的微觀物理量（包括云滴大小，云滴譜分布特征，云的冰晶結(jié)構(gòu)特征）、云滴和冰晶的速度譜特征、云內(nèi)上升運動特征、云滴和冰晶下落末速度。目前在深對流中，液態(tài)水滴轉(zhuǎn)固態(tài)冰晶的觀測尚為薄弱，需要在將來進(jìn)一步發(fā)展。如果凝結(jié)環(huán)節(jié)的觀測發(fā)展成熟，未來可以實現(xiàn)對局地?zé)釋α鞯牧炕幚怼?/p>

2.4 降水及其觀測設(shè)計

降水是由于云中微小的凝結(jié)顆粒過大，經(jīng)過碰撞和凝聚，使得上升的空氣無法支撐，從而落到地面上，通常以雨、雹、雪或雨夾雪的形式出現(xiàn)。降水是我們在地球上獲取淡水的主要方式，平均而言，全世界每年在海洋和陸地上接收到大約980 mm的降水。降水又分為液態(tài)降水和固態(tài)降水，液態(tài)降水包括暴雨、小雨、毛毛雨，固態(tài)降水包括雪、冰雹、霰。

目前基于降水的觀測較為成熟，主要圍繞降水過程的定量測量，包括雨強和過程總量的測量、區(qū)域和流域的面雨量測量、雨滴大小和雨滴譜分布特征測量、降雪的測量和冰雹的測量。

2.5 徑流及其觀測設(shè)計

當(dāng)雨水在土地上時，一些水被吸收到地下，形成了稱為地下水的水囊，大部分地下水最終會回到海洋，其他降水則直接流入小溪或河流，在河流、小溪和海洋中聚集的水稱為徑流。徑流發(fā)生時，一般伴隨著過多的降水與飽和的地面，河流和湖泊是徑流的結(jié)果。徑流中的水有三種去向，即蒸發(fā)、流出入海、下滲，當(dāng)這些徑流蒸發(fā)到大氣中，便開始了水文循環(huán)，如果徑流水只流入湖泊（沒有出口），那么蒸發(fā)是水返回大氣的唯一途徑，當(dāng)水蒸發(fā)時，會留下雜質(zhì)或鹽，久而久之淡水湖變咸。有些水滲進(jìn)土壤和地下水，形成水囊，被植物吸收以進(jìn)行蒸騰作用，進(jìn)行下一步的循環(huán)。

對區(qū)域和流域水文物理量的測量主要有確定封閉的區(qū)域性流域、各控制節(jié)點的流量、區(qū)域面雨量、流域和區(qū)域的總的流量（包括流入和流出）等。

3 淮河流域氣候綜合觀象臺觀測網(wǎng)設(shè)計

從前面我們了解到水循環(huán)的機理、各個階段的觀測設(shè)計以及國外先進(jìn)的水循環(huán)外場試驗，下面要探討淮河流域重要的科學(xué)問題之一——該區(qū)域水與能量如何循環(huán)以及各環(huán)節(jié)分量如何觀測以及定量描述，從而實現(xiàn)區(qū)域水和能量循環(huán)的實時、定量、全貌的監(jiān)測評估。

3.1 淮河流域特征

秦嶺—淮河一線是中國的南北分界線，這里說的南北之分，不是文化的概念，而是指自然地理上的南北之分，確切地說，是亞熱帶（南方）與暖溫帶（北方）之分。

淮河流域地處北亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)，屬大陸性季風(fēng)氣候，大氣系統(tǒng)復(fù)雜多變，降雨時空分布不均，極易產(chǎn)生水旱災(zāi)害。其特點是冬春干旱少雨，夏秋悶熱多雨，冷暖和早澇轉(zhuǎn)變急劇。年平均氣溫在11～16 ℃，由北向南，由沿海向內(nèi)陸遞增，最高月平均氣溫為25 ℃左右，出現(xiàn)在7月；最低月平均氣溫在0 ℃，出現(xiàn)在1月；極端最高氣溫可達(dá)40 ℃以上，極端最低氣溫可達(dá)-20 ℃。 淮河流域多年平均降雨量為911 mm，總的趨勢是南部大、北部小、山區(qū)大、平原小、沿海大、內(nèi)陸小?；茨洗髣e山區(qū)淠河上游年降雨量最大，可達(dá)1500 mm以上、而西北部與黃河相鄰地區(qū)則不到680 mm。東北部沂蒙山區(qū)雖處于本流域最北處，由于地形及鄰海緣故，年降雨量可達(dá)850～900 mm。流域內(nèi)5月15日—9月30日為汛期，平均降雨量達(dá)578 mm，占全部年降雨量的63%。降雨量年際變化大，1954、1956年分別為1185 mm和1181 mm，1966、1978年僅578 mm和600 mm。

淮河流域水循環(huán)屬于流域或區(qū)域水循環(huán)，水循環(huán)過程包括蒸發(fā)—蒸騰—輸送—凝結(jié)—降水—徑流。如前所述，水循環(huán)與能量循環(huán)緊密交織、密切相連，其重要一環(huán)就是潛熱。固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)或液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)所需要的能量，以及氣體變?yōu)橐后w或液體變?yōu)楣腆w時所釋放的能量均為潛熱?？偟貋碚f，能量通過三個過程離開地球表面：蒸發(fā)或凝結(jié)（或潛在加熱和冷卻）、對流和熱紅外輻射的發(fā)射，在這三個過程中，離開地球表面能量的25%是通過蒸發(fā)和凝結(jié)產(chǎn)生的，5%通過對流離開地表。其中對流是由于溫度不同的各個部分流體之間發(fā)生相對運動，互相摻和而傳遞熱能，包括自然對流換熱和受迫對流換熱。對于淮河流域這一氣候地理分界區(qū)，其能量與水循環(huán)特征具有典型的代表性，同時其能量與水循環(huán)過程對上下游和周邊地區(qū)也具有顯著的影響，如何給出該區(qū)域能量和水循環(huán)過程各環(huán)節(jié)的定量描述是開展淮河流域綜合觀測的重要任務(wù)。

3.2 淮河流域綜合觀測網(wǎng)設(shè)計科學(xué)目標(biāo)定位

3.2.1 目標(biāo)定位

淮河流域綜合觀測網(wǎng)的定位是在我國季風(fēng)氣候背景下，在淮河流域梅雨鋒暴雨期，構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)水與能量循環(huán)的綜合觀測體系，給出我國典型降水天氣系統(tǒng)—梅雨鋒暴雨期間，淮河流域地球—大氣系統(tǒng)中的水在蒸發(fā)、蒸騰、輸送、凝結(jié)、降水和徑流等多環(huán)節(jié)過程中連續(xù)循環(huán)的模型。并通過10年以上的連續(xù)觀測，實現(xiàn)對淮河流域水與能量循環(huán)各個環(huán)節(jié)的定量化，逐步建立起淮河流域的地表—大氣水與能量循環(huán)的定量化模型。

總地來說，通過建立淮河流域從地面到平流層下部的立體氣柱的綜合觀測，深入揭示淮河流域水與能量循環(huán)特征，并通過長期觀測逐步建立起淮河流域水與能量循環(huán)各個環(huán)節(jié)（包括蒸發(fā)（蒸騰）、凝結(jié)（云）、降水（面雨量、雨量分布）、降水類型、主要流域及支流的徑流）的定量化特征指標(biāo)。

為實現(xiàn)上述目標(biāo)，需逐步實現(xiàn)：

第一，淮河流域不同下墊面的蒸發(fā)與蒸騰（冠層）特征以及地表與大氣輻射通量（長波輻射、短波輻射、凈輻射）的感熱通量、動量通量等特征；

第二，淮河流域主要降水系統(tǒng)云的結(jié)構(gòu)及云分類；深入揭示造成淮河流域降水和暴雨過程的天氣系統(tǒng)的云的構(gòu)成及類型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步揭示其云粒子譜和降水粒子譜以及其相態(tài)特征及結(jié)構(gòu)分布特征；

第三，淮河流域主要降水系統(tǒng)（重點是南海季風(fēng)爆發(fā)引發(fā)的暴雨過程）的動力與熱力結(jié)構(gòu)特征，重點是揭示其垂直結(jié)構(gòu)的精細(xì)化特征，為暴雨產(chǎn)生的形成機理研究奠定基礎(chǔ)；

第四，建立不同類型降水的面雨量分布特征，結(jié)合氣象、水文地面雨量觀測網(wǎng)與流域水文觀測網(wǎng)，逐步建立淮河流域定量化水文模型。

3.2.2 設(shè)計思路

為實現(xiàn)上述科學(xué)目標(biāo)綜合觀測網(wǎng)應(yīng)該包括以下組成部分：

1）淮河流域水汽通量水平與垂直觀測系統(tǒng)。水平觀測主要通過周邊業(yè)務(wù)探空系統(tǒng)、增設(shè)的遙感探空或全自動衛(wèi)星導(dǎo)航探空系統(tǒng)和衛(wèi)星（風(fēng)云三號、風(fēng)云四號）提供的水汽觀測資料構(gòu)建淮河流域水汽通量的觀測網(wǎng)；此外，在淮河流域內(nèi)逐步建立以高塔和依托區(qū)域內(nèi)的高山地形的邊界層水汽垂直通量觀測網(wǎng)（圖4）；

圖4 淮河流域立體綜合觀測網(wǎng)Fig. 4 Three-dimensional comprehensive observation network of Huaihe River Basin

2）淮河流域云（凝結(jié)）過程觀測網(wǎng)。建立區(qū)域Ka波段云雷達(dá)網(wǎng)，組成云（凝結(jié)）過程的觀測網(wǎng)，形成對淮河流域云在不同階段的連續(xù)演變觀測，揭示不同階段云微物理過程；

3）淮河流域降水過程觀測網(wǎng)。依托安徽、河南、江蘇和山東業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)網(wǎng)，構(gòu)建淮河流域區(qū)域級X波段雙偏振雷達(dá)網(wǎng)，形成對淮河流域的降水過程連續(xù)追蹤觀測；建立淮河流域雷達(dá)與雨量計聯(lián)合定量估測降水觀測體系，形成對淮河流域的降水的定量化高精度準(zhǔn)確觀測能力，同時建立起對淮河流域以及主要支流域的面雨量觀測產(chǎn)品；揭示出淮河流域降水分布及演變特征（包括測雨雷達(dá)形成雷達(dá)降水氣候特征）；

4）淮河流域水文氣象觀測網(wǎng)。選取淮河流域2～3個封閉流域區(qū)，建立起從流域支流起點到淮河干流的徑流觀測網(wǎng)；

5）淮河流域特色生態(tài)觀測系統(tǒng)。針對淮河流域特色生態(tài)（農(nóng)、林、下墊面植被等）等開展以生態(tài)、植物、物候、大氣成分和（碳）通量等地觀測。

在進(jìn)行綜合氣候觀象臺觀測網(wǎng)建設(shè)時應(yīng)注重以下設(shè)計理念：

首先，是更加注重“全信息”探測，包括相態(tài)、風(fēng)場、粒子譜、成分等；

其次，更加注重垂直結(jié)構(gòu)及高分辨率探測，當(dāng)分辨率足夠高時，不同粒子、不同相態(tài)的統(tǒng)計特性才能顯現(xiàn)出來；

第三，更加注重圍繞大氣水循環(huán)的全過程開展探測，包括大氣輻射、水汽、云和降水的相互作用、陸面過程、水文過程等；

第四，更加注重協(xié)同綜合觀測，使得各類資料數(shù)據(jù)之間可比較、可驗證、可溯源（圖5）。

圖5 協(xié)同觀測示意圖Fig. 5 Schematic diagram of collaborative observation

為做好淮河流域綜合氣候觀象臺觀測網(wǎng)設(shè)計工作，還需要做好相關(guān)的前期基礎(chǔ)工作。其中包括詳細(xì)的近30年淮河流域氣候特征，高分辨率的淮河流域下墊面特征用于衛(wèi)星遙感和地面驗證，淮河流域精細(xì)化的地形地貌資料（五萬分之一）、淮河流域各支流和干流分布特征、淮河流域主要城鎮(zhèn)分布，以及30年淮河流域主要梅雨鋒暴雨過程分析資料。

4 總結(jié)和展望

無論是天氣還是氣候變化，降水過程發(fā)生具備三個基本要素：水汽、凝結(jié)核和上升運動，其中水汽扮演了一個十分重要的角色。本文從地球系統(tǒng)水與能量循環(huán)概況入手，對流域或區(qū)域水循環(huán)各階段的影響因子及其觀測設(shè)計進(jìn)行了分析，通過借鑒已有的相關(guān)科學(xué)計劃和試驗，提出淮河流域氣候綜合觀象臺觀測網(wǎng)設(shè)計思考。

1）水汽觀測是綜合氣候觀象臺觀測網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分。由于水汽在整個氣候與天氣演變中扮演著重要角色，傳統(tǒng)的反應(yīng)區(qū)域或流域的氣候變量大多是溫度和降水，而水汽與水凝物觀測是各要素中的重點；只有弄清楚一個區(qū)域或流域的水汽、云分布、降水分布等才能有效地把握該地區(qū)或流域的氣候特征及變化。

2）觀測斷面或剖面設(shè)計是氣候觀象臺科學(xué)合理布局的關(guān)鍵。對于一個流域或區(qū)域來說，無論采用什么設(shè)備或觀測技術(shù)等，其規(guī)模都是有限的，作為一個布局科學(xué)合理的綜合觀測網(wǎng)，應(yīng)當(dāng)是用有限規(guī)模實現(xiàn)最大化效益；因此，建立若干個合理的綜合觀測斷面或剖面是實現(xiàn)科學(xué)合理建設(shè)綜合氣候觀象臺觀測網(wǎng)的關(guān)鍵所在。通過這些斷面觀測網(wǎng)，不僅可以實現(xiàn)四維連續(xù)立體區(qū)域觀測，同時能夠?qū)υ搮^(qū)域進(jìn)行多要素的通量的準(zhǔn)確把握，實現(xiàn)區(qū)域或流域的總量、通量、凈收支等變量的定量化。

3）各要素與變量的垂直結(jié)構(gòu)精細(xì)化觀測設(shè)計是區(qū)域氣候綜合觀象臺設(shè)計的主攻方向。以往無論是傳統(tǒng)的天氣觀測網(wǎng)，還是氣候觀測網(wǎng)都是以二維平面觀測為基礎(chǔ)的，隨著遙感技術(shù)和高空氣象觀測平臺技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，三維空間的立體觀測已經(jīng)成為現(xiàn)實，以德國林登伯格為代表的立體氣候觀象臺就是一個著名的代表。

4）星地一體化觀測是未來綜合氣候觀象臺建設(shè)發(fā)展重要方向。隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展，地基、空基和天基一體化觀測已經(jīng)成為全球綜合氣象觀測網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢。地基直接觀測與空基遙感觀測，在整個一體化觀測體系中，將扮演一個極為重要的角色，那就是驗證與校準(zhǔn)。因此，綜合氣候觀象臺觀測網(wǎng)設(shè)計應(yīng)當(dāng)考慮其星地、地空一體化設(shè)計理念，綜合氣候觀象臺應(yīng)當(dāng)成為我國風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星以及未來我國有人機和無人機空基觀測的地面驗證與校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成部分。

5）作為流域氣候綜合觀象臺觀測網(wǎng)設(shè)計，選擇封閉流域開展水循環(huán)觀測，這對弄清楚該流域水循環(huán)年際變化、季節(jié)變化與收支平衡十分重要。