強(qiáng)化氣象科技支撐 攻堅(jiān)干旱前沿難題
——記中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所研究員岳平

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(zhǎng)、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(duì)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(guó)糧食減產(chǎn)數(shù)百至數(shù)千萬(wàn)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(wèn)題之一。對(duì)干旱的精確監(jiān)測(cè)、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(guó)氣象人才搖籃”之稱(chēng)的“南京氣象學(xué)院”，在甘肅省氣象局不斷歷練成長(zhǎng)，現(xiàn)任中國(guó)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(guó)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(cè)體系的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，深入開(kāi)展了干旱對(duì)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(cè)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(cè)體系，構(gòu)建了一套適合我國(guó)干旱區(qū)的陸面過(guò)程參數(shù)化方案；通過(guò)觀測(cè)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(jí)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(cè)

作為承擔(dān)著干旱氣象專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)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(guó)家級(jí)科研院所，中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“干旱所”）緊緊圍繞現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)發(fā)展需求和專(zhuān)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(wèn)題，深入開(kāi)展應(yīng)用基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)，重點(diǎn)解決我國(guó)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(wèn)題。

在岳平看來(lái)，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(guò)程對(duì)干旱的影響，從而導(dǎo)致對(duì)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(cè)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(guó)西北地區(qū)旱作農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)完全依賴(lài)自然降水，干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響非常突出，開(kāi)展雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱觀測(cè)與監(jiān)測(cè)研究是迫切面對(duì)的重要科學(xué)問(wèn)題。

自2007年以來(lái)，岳平和團(tuán)隊(duì)通過(guò)綜合分析我國(guó)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(duì)干旱的影響機(jī)制，研究了作物生長(zhǎng)層水熱轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(cè)預(yù)警提供了重要技術(shù)支撐，而且為應(yīng)對(duì)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(jí)的干旱監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)了陸面過(guò)程模式的干旱監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，使干旱監(jiān)測(cè)時(shí)效提前了3天，干旱監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率提高了10%。該成果已經(jīng)在我國(guó)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(guó)內(nèi)外高影響學(xué)術(shù)期刊上。干旱監(jiān)測(cè)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(guó)干旱災(zāi)害和干旱致災(zāi)過(guò)程的研究水平，改進(jìn)了我國(guó)干旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)與觀測(cè)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(duì)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(guó)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(guó)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(duì)干旱氣候變化非常敏感。開(kāi)展干旱對(duì)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(cè)預(yù)警技術(shù)研究對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源合理開(kāi)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(cè)站點(diǎn)稀疏，更缺乏陸面生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位觀測(cè)，限制了對(duì)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(duì)區(qū)域氣候的數(shù)值模擬能力和干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)水平的提升。

因此，針對(duì)影響黃河上游關(guān)鍵水源補(bǔ)給區(qū)干旱對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響及其監(jiān)測(cè)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(cè)資料、氣象臺(tái)站觀測(cè)資料、陸面格點(diǎn)同化數(shù)據(jù)、MODIS遙感資料以及陸面過(guò)程和區(qū)域氣候模式，通過(guò)定位觀測(cè)、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(guò)程、干旱的多尺度特征和干旱監(jiān)測(cè)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(cè)陸面參數(shù)化方案和土壤濕度遙感產(chǎn)品評(píng)估新方法，有效解決了高原地區(qū)觀測(cè)匱乏問(wèn)題；定量評(píng)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(duì)區(qū)域氣候變化的響應(yīng)及其影響午后對(duì)流降水的機(jī)理，增強(qiáng)了對(duì)寒旱區(qū)土壤-植被-大氣相互作用對(duì)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(lái)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(cè)預(yù)警、水利部黃河委員會(huì)流量預(yù)報(bào)、第三次全國(guó)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(qǐng)專(zhuān)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(cè)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(guó)際權(quán)威期刊，被STE、AFM和ACP等眾多國(guó)際頂級(jí)期刊引評(píng)，顯著提升了我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)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(duì)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(guó)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(duì)陸面水熱交換過(guò)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(guó)夏季風(fēng)影響過(guò)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(wàn)平方公里，是夏季風(fēng)邊緣線(xiàn)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(duì)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(guò)主導(dǎo)年降水量和季節(jié)性干旱，對(duì)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(guò)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(guò)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(lài)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(zhǎng)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(guò)程受土壤水分脅迫影響嚴(yán)重。

數(shù)十年來(lái)，國(guó)際上開(kāi)展了大量關(guān)于氣候變化對(duì)陸面過(guò)程影響及陸面過(guò)程反饋?zhàn)饔玫难芯?，我?guó)也相繼開(kāi)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(cè)試驗(yàn)研究”（HEIFE）等一系列以研究陸面過(guò)程為主要目標(biāo)的綜合觀測(cè)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(duì)典型干旱區(qū)陸面過(guò)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(duì)流邊界層發(fā)展機(jī)制、陸面能量不平衡問(wèn)題及陸面過(guò)程參數(shù)化等方面取得了創(chuàng)新性成果，大大豐富了對(duì)陸面過(guò)程基本特征的認(rèn)識(shí)。此外，干旱所通過(guò)“黃土高原陸面過(guò)程觀測(cè)試驗(yàn)研究”（LOPEX）的實(shí)施以及后續(xù)開(kāi)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(cè)方法改進(jìn)及其對(duì)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(yáng)等多個(gè)觀測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)開(kāi)展了10年的地表能量和水分收支連續(xù)觀測(cè)，蘭州大學(xué)也在榆中建成了SACOL站，開(kāi)展了12年的陸面過(guò)程綜合觀測(cè)。以上述觀測(cè)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，已經(jīng)對(duì)黃土高原地表能量平衡問(wèn)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(guò)程的研究仍缺乏不同生態(tài)系統(tǒng)陸面水熱交換特征對(duì)比研究，尤其是不同生態(tài)系統(tǒng)陸面水熱交換過(guò)程對(duì)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(guò)程的描述存在較大的局限性，并未將陸面水熱交換過(guò)程與植被生理生態(tài)過(guò)程緊密聯(lián)系起來(lái)。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(duì)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(guò)程研究中亟待解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，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(wèn)題為切入點(diǎn)，充分考慮夏季風(fēng)對(duì)陸面過(guò)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(duì)象，系統(tǒng)開(kāi)展了野外綜合觀測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)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(guó)科學(xué)：地球科學(xué)》等國(guó)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(zhuān)家簡(jiǎn)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(zhuān)業(yè)博士?，F(xiàn)任中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所三級(jí)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(guó)氣象學(xué)會(huì)干旱氣象學(xué)委員會(huì)委員、中國(guó)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(guó)家級(jí)項(xiàng)目15項(xiàng)，在國(guó)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(xiě)專(zhuān)著2部。曾獲中國(guó)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(guó)氣象工作先進(jìn)個(gè)人，第七屆、第八屆“全國(guó)優(yōu)秀氣象科技工作者”等稱(chēng)號(hào)，入選甘肅省“隴原人才服務(wù)卡”高層次人才和中國(guó)氣象局“西部?jī)?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(guó)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。