说到天空,怎么能少得了云。
神秘的雪域高原,蓝色天幕笼盖四野,远山含雪、云海聚散,动静相宜,引人遐想……
01 高原云天 与众不同
《黄帝内经》在《素问·阴阳应象大论》中是这样解释云雨天气现象形成原因的,“地气上为云,天气下为雨;雨出地气,云出天气”。翻成白话文意思是说地球表面的江河湖泊、地表面及植物中水分在太阳加热的作用下蒸发,造成气体上升至天空,形成美丽的云朵,云朵在高空变冷凝结成水,在重力作用下,又成为雨水掉落在大地;雨是源自于上升的地表水汽,云是因为空气抬升降温而形成。
云作为天气系统的一种表现形式,可帮助驱动水循环和整个气候系统,能在调节地球能量平衡、气候和天气方面起着关键作用。不同的大气物理过程会生成不同的云,天空上飘着的每一朵云都有不同的名字,而且每种云的背后都可能伴随着一种天气现象,比如表征晴好天气的卷积云、表征风雨来临的积雨云,所以云就像是天气的“指示牌”:出现了什么样的云,就将出现什么样的天气。
高原的云朵,离天空更近,空气更稀薄,气温随高度迅速下降,昼夜温差大,大气层保温作用更弱,再加之高原地形变化剧烈,多种因素促进了高原夏季对流旺盛,云朵也更加随意和洒脱,比低海拔地区的云形态要丰富得多。
首先上场自然是壮观的旗云:
在青藏高原,只有少数山头会形成这种旗云。旗子般的云彩,是高海拔山峰伫立的标志,也是登山者赖以判断气象条件的指标。
对于珠峰的攀登者来说,若“旗”指向西北,则说明风向为东南,意味着天气要转为雨雪;若旗云指向东方,说明天气晴好,适合冲击登顶。
**荚状云:**由于长相与豆荚有些相似,气象学上称之为荚状云。由于独特的高山地形作用当气流快速爬升经过山脉,就如同波浪一样起伏。如果荚状云正好形成在山顶上空,就形成冠状云,而不像荚状云可形成在山麓的山腰上,在高大山脉被风坡一侧形成的云。
图2 荚状云在尼泊尔Annapurna山区高山不同高度的形状(a)柳叶眉状 (b)山帽状(c)UFO状,图源:第二次青藏科考队
**爆米花云:**由于高原的强辐射和地形抬升,造成当地对流活动频繁,极易触发对流泡形成积雨云,生成高原独有的“爆米花”状云系。对流云像柱状体,水平尺度比较小、垂直厚度高,可以突破逆温层的“暖盖”,形成“爆米花”状的云。由于它是阳光的终结者,可能不是最受欢迎,但却是最多变的云彩之一。
图3 爆米花云,图源:VCG
**淡积云:**底部较平,顶部呈圆弧形凸起,像小土包,孤立分散的小云块,云体的垂直厚度小于水平宽度。
图4 淡积云,图源:VCG
**堡状云:**云层底部水平,云层上部不平整,这是因为大气不稳定性增加,云层向上发展成锯齿状凸起小云塔,形成一种像碉堡或城墙垛似的云。若出现这种云,可以预测会有不稳定天气出现。
图5 堡状云,图源:VCG
**乳状云:**正如其名那样,云朵形状是乳状或者呈袋状,所以又被称为“乳状积云”。
一般要有强大的空气浮力和旺盛的对流条件才能形成。因此,它的出现往往预示接下来很可能会有雷暴大风等极端恶劣天气出现。
图6 乳状云,图源:VCG
**幡状积云:**一朵积云发展成了它。丝丝缕缕飘在空中的是雨幡,即空中降水。这是由于雨滴在下落过程中未及落地,在空中其完全蒸发之前会形成丝状条纹悬垂物挂在云端下面,从远处看就像是一个旗幡。
图7 幡状积云,图源:VCG
02 高原更暖湿 监测正当时
古人“观天象,知天意”,斗转星移,现如今,我们可以借助科学仪器从云中读取的温度、湿度、风场和气压等信息,经过超级计算机的数值计算和模拟,辅以人工订正,就可以对天气做出更为准确的判断。而对于高原气象人来说,高原上的云朵形态丰富多彩,当仁不让地成为天然“实验室”,吸引科考队员在这里破解高原大气密码,通过“观天”来“识天”。
除了变化多端的云朵,青藏高原的异常气候变化也在吸引科考队员去破解密码。原本“高处不胜寒”,干旱、寒冷,是青藏高原给人们的“传统固有”印象。
然而,不同以往,科学研究表明,如今青藏高原已成为受气候变暖影响最典型的地区之一。这是因为高纬度、高海拔地区更易受全球气候变暖因素的影响,青藏高原作为全球中纬度地区海拔最高的地域,受全球气候变暖影响明显。近50年来,青藏高原暖湿化显著,1961—2020年,青藏高原每10年平均气温就上升0.35℃,这一数字是全球同期变暖速率的两倍,变暖趋势在羌塘高原和柴达木盆地尤为明显,升温速率达到每10年0.4℃。而如果把时间线进一步缩短到1981—2020年,高原升温速率甚至可达每10年0.5℃!2019年6月25日至29日,拉萨连续5日平均气温超过22℃,达到了我国气候季节划分的夏季标准,标志着拉萨自1955年有气象观测记录以来首次入夏。
图8 近50年高原暖湿化趋势空间分布图,图源:第二次青藏科考队
在气温不断上升的同时,降水也呈现增多趋势,这使得青藏高原成为我国变“湿”最为显著的区域之一。数据显示,1961—2020年,青藏高原年降水量每10年就增加7.9毫米,这一趋势在三江源地区表现得更为明显,这里每10年的降水增加量达到了5~20毫米。2016年以来,高原降水出现持续性异常偏多,2016—2020年平均年降水量达到539.6毫米,较1961—1990年降水年平均值(478.6毫米)高出13%。
图9 高原变“绿”动态变化,图源:第二次青藏科考队
此前青藏高原干旱、寒冷的形象已悄然发生改变,气温的上升以及降水的增多让青藏高原正在焕发出新的生机:高原更绿,空气更湿润,牧草产量增加,野生动物生存空间得到扩展,高原看起来“更加美丽”。但实际上,风险潜藏在更暖更湿更“美”背后,显著的暖湿化加剧了极端天气气候事件发生。
2018年10月,西藏米林县冰崩导致雅鲁藏布江堰塞湖事件,对下游居民生产生活和基础设施造成了重大的威胁和影响。2021年2月,印度北部Uttarakhand邦由于高海拔山区的冰川退缩与冻土退化,造成冰缘应力条件改变,从而导致冰-岩崩,造成200多人的伤亡;2022年6—9月,巴基斯坦多省遭遇多轮暴雨侵袭,引发了该国30年一遇的洪涝灾害,导致1/3国土被淹,1061人遇难、3300万人受灾,其主要原因是当年发生在4—5月极端高温热浪,加速了该国北部山区冰川消融,使得印度河上游支流水量大涨,一股股危险的水流汇聚后最终酿成了几乎贯穿整个国家的洪灾。
图10 2021年印度Uttarakhand冰崩造成的洪水下泄,图源:Google新闻
图11 卫星显示2022年巴基斯坦洪水对流域的影响的(a)洪水前(b)洪峰时 (c) 洪水后,水体为蓝色和陆地为绿色,图源:第二次青藏科考队
这些年来,我国科学家一直在密切关注青藏高原暖湿化问题,利用青藏高原多圈层的综合观测能力,坚持到现场去监测高原暖湿化,视微知著,提升灾害风险预估的科技水平。
03 建站织网 行走云端把脉风云
在当今气象卫星相当发达的时代,为什么还要去实地进行监测?这是因为虽然太空的气象卫星有站得高、看得远的优点,但青藏高原地形复杂,卫星扫描不可能那么细致,需要地面观测站点实测数据对遥感数据产品进行校正,用以检验和优化反演算法。
图12 登山季珠峰大本营脚下登山者们帐篷,图源:第二次青藏科考队
图13 徒步前往珠峰大本营气息观测图中,图源:第二次青藏科考队
高原大气科学研究的根本出发点在于进行地面观测。没有实地观测,科研和气象预报从何谈起!西藏现代气象观测业务起步于1950年,起初是当年为支援保障中国人民解放军第18军进藏,党中央决定打破“空中禁区”,开辟高原航线空投物资补给,于是西南军区派出气象人员在甘孜、邓江达、洛隆等空投场地建立观测站点,为空军飞行提供气象保障。自治区成立后,地面气象观测业务稳步发展,但由于恶劣的高原高寒高海拔观测条件,导致地面气象台站相对稀少,地面观测资料匮乏:在2012年以前,西藏全境74个县(区)只有40个设立了气象站,相当于每一万平方公里的范围内只有0.3个气象站!观测资料的极度缺失限制了高原大气科学家对高原地区局地气候特征、地气相互作用过程以及天气系统演变规律的认识和理解,会造成数值模式对高原及周边地区的降水模拟和预报存在着系统性偏差,这些短板严重制约着高原气象防灾减灾能力的提升。
为了填补高原大气综合观测空白,自上世纪中业开始,科学家们陆续在青藏高原开展过短期观测,如第一次(1979年)、第二次(1995年)、第三次青藏高原大气科学试验(2014年)、“全球能量水循环之亚洲季风青藏高原试验(GAME/Tibet)(1996年)”、“全球协调加强观测计划亚澳季风之青藏高原试验(CAMP/Tibet)(2001年)”、中日气象灾害合作研究中心项目(JICA)(2006-2009年)、多次喜马拉雅山珠峰地区及藏东南林芝地区大气科学试验、“青藏高原观测研究平台(TORP)”,通过以上大型野外试验和研究项目的实施,积累了宝贵的第一手野外观测资料,促进了对高原地气相互作用的定量理解。但这些时空“零星”的观测对于真正刻画和了解青藏高原复杂多变的大气变化是远远不够的。
图14 中日合作JICA项目青藏高原大气综合监测网自动气象站点分布(红色标注为依托JICA项目所建,黑色为当时现有站点),图源:第二次青藏科考队
那么我们应该如何进行系统性观测,以期在高原大气研究理论和方法上实现突破?伴随着2017年8月启动的第二次青藏高原综合科学考察研究的持续深入,推动青藏高原大气科学综合观测网的创立和促进高原大气新发现的需求也愈发强烈。
04 向风而行 破译高原西风-季风“协同”密码 青藏高原的天气气候复杂多变,主要受到西风和印度季风的协同影响。
西风,是指一支由西向东的强劲气流,主要流动于南北半球中纬度的高层大气之中,它能携带大量水汽穿越欧亚大陆,当这股夹带水分的气流抵达青藏高原时,它们会因地形阻挡而分为南北两支西风急流,分别扫过高原的南北坡,引发降水和温度的显著变化。同时,西风气流在抵达高原这堵“天然高墙”时被迫爬升,导致迎风坡上空形成降水,为青藏高原及其周边地区提供了宝贵的水资源,从而支撑着该地区的水循环的持续运行。
图15 青藏高原受西风带和印度季风影响示意图,图源:第二次青藏科考队
季风的特征在于其在一定季节内呈现出较为稳定的风向和风速。夏季高原受印度季风的显著影响,携带来自印度洋和孟加拉湾丰沛的暖湿气流,为青藏高原东南部及周边地区带来了大量降水,显著增加了该地区的降水量;而到冬季,高原则主要受西风控制,给青藏高原带来了低温和干燥,形成了与夏季截然不同的气候特征。只有破译了西风-季风协同作用“密码”,才有可能能在青藏高原大气科学领域取得突破。
图16 夏季印度洋带来的水汽通过雅江大拐弯处,图源:VCG
图17 冬季干冷的阿里地区纳木那尼峰,图源:VCG
青藏高原就这样被西风和季风在不同季节交替主导,相互影响,形成一种协同效应,共同影响着青藏高原的气候。这种协同效应使得青藏高原气候多变,夏季雨水充沛,冬季干燥寒冷,对周边地区的气候和生态环境带来重要影响。
图18 青藏高原对全球气候影响示意图,图源:第二次青藏科考队
图19 青藏高原陆地生态系统植被持续好转:高原遥感指数分布图,图源:第二次青藏科考队
图20 退缩的来古冰川,扩张的冰前湖,图源:VCG
图21 斑头雁飞翔在雅鲁藏布江面,图源:第二次青藏科考队
青藏高原作为西风与季风环流系统交汇与强烈相互作用关键区和巨型调节器,西风-季风协同作用对青藏高原的气候、环境以及生态系统产生了深远的影响。在西风与季风的协同作用下,夏半年高原,受隆升的地形和强大的表面辐射加热共同影响,形成局地上升对流和能高耸到对流层中部的中空“热源柱”,进而热源驱动形成高、低层互为反环流,形成高层辐散、低层辐合的耦合机制,使来自低纬度的印度洋和南海的暖湿气流向高原输送汇聚,实现“亚洲水塔”远距离多尺度水汽输送强汇合。于是,可作水汽“存储池”的高原上冰川、积雪与湖泊,与“输水管”的高原上的河流,通过高原上空大气水汽输送通道,与中低纬海洋水汽源与青藏高原冰川、湖泊、河流系统之间相互影响,构成了西风与季风背景下青藏高原为核心区的陆地-海洋-大气相互作用的“亚洲水塔”大气水分循环物理图像。
图22 青藏高原陆地-海洋-大气过程,图源:第二次青藏科考队
05 坚守云端 打造多时空、多手段、多要素立体综合监测网
高处看云,需要的是一种心情;高原探云,则需要的是一种情怀。这种情怀既包含科学家们的使命与担当,更承载着几代高原气象人的信念。历经数十年的风吹雨打、云起云落,几代高原气象人传承跨越,耕耘探天,用拳拳赤子之心一步步织密。
对于科学家而言,研究西风-季风对青藏高原的协同作用是理解和预测全球气候变化和季风气候系统运行规律的关键途径。青藏高原离天很近,造成陆地与大气相互过程产生的影响肯定比低海拔地区要强烈,反过来也会对季风和西风的变化产生重要影响,从而进一步影响到局地及周边区域能量、水分循环变化及天气气候。
如何正确认识青藏高原复杂地表区域上陆地大气相互作用并识别青藏高原对局部、区域乃至全球气候变化的影响呢?
图23 通过地气相互作用认识青藏高原对气候变化的影响技术路线示意图,图源:第二次青藏科考队
在西风和季风影响的纵横断面选取代表性综合台站,开展“空天地”立体同步一体化综合组网连续观测;结合卫星遥感、数值模式、统计分析以及诊断分析,构建高时空分辨率的地气相互作用资料,在此基础上分析与西风-季风协同作用区地气相互作用及其气候效应相关的一些关键因子和影响机理,对于揭示现代西风-季风区地气相互作用过程及其气候效应的变化规律具有重要的科学意义。
图24 科考队员们在珠峰大本营合力完成气象探空气球释放,同时配以激光测风雷达监测三维风场变化(图右端白色物体),图源:第二次青藏科考队
图25 在尼泊尔加德满都40m高大气边界层廓线塔上布设气象传感器,图源:第二次青藏科考队
图26 青藏高原及其邻近区域的多圈层观测站分布及重要观测设备,图源:第二次青藏科考队
图27 在青藏高原各种典型下垫面设置的代表性观测仪器,图源:第二次青藏科考队
图28 雅鲁藏布大峡谷水汽通道综合观测网络**,图源:第二次青藏科考队******
科考队员历经卅余年艰辛努力,已作答这个科学问题的第一步:在多年青藏高原大气科学研究和野外观测试验的基础上提出了复杂地表综合科学观测和理论研究集成的创新理念,通过建立野外观测台站,搭建观测网络,由点及线、由线到面地给高原大气做“透视”,在青藏高原大地形山区、冰川、高寒草甸、荒漠草原、高山森林、高山灌丛及高原湖泊等高海拔典型地表和气候敏感区系统构建了多圈层地气相互作用立体综合观测研究网络(包含27座大气边界层塔、37套湍流通量观测系统、14个多层自动气象站、10套微波辐射计、10套风吹雪仪、9部风温廓线雷达、6套无线电探空系统和3个土壤温湿度观测网等,仪器设备总投入近1亿元),获取了宝贵的大气和环境等要素的综合观测资料,为分析该地区气候变化特征、深入认识高原复杂山区地气相互作用过程、改善陆面模式和气候模式模拟和遥感反演精度等提供了数据支撑,最大程度解决了青藏高原观测数据时空代表性不足的科学问题。该网络还被纳入国家重大工程“西藏生态安全屏障保护与建设规划”监测网络体系,成为第三极环境(TPE)国际研究计划和第二次青藏高原综合科学考察研究的重要支撑,从而创建了历经卅余年青藏高原多圈层地气相互作用高时空分辨率数据集,并促使数据集在“国家青藏高原科学数据中心”和中国科学院“科学数据银行”开启跨行业、国际化共享,为高原大气科学理论研究和业务发展打下了坚实的基础。
科考队员还建立了前沿科学问题和浮空艇高新技术融合的三维观测体系。利用自主研发的新型浮空艇技术,在青藏高原沿西风-季风传输断面建立三维水汽观测网络,在珠峰、拉萨、墨脱、纳木错、慕士塔格、加德满都、鲁朗和阿里8个固定站点利用综合气象观测塔或自动气象站及激光水汽稳定同位素分析仪开展连续气象观测和长期连续水汽稳定同位素观测。在鲁朗、珠峰等科学考察基地,利用浮空艇平台搭载各种观测仪器,开展不同季节地表至9km高空的水汽稳定同位素和气象参数等多指标垂直剖面和连续驻空观测。并利用高空气球搭载不同载荷,开展青藏高原对流层上部和平流层的东-西剖面和南-北剖面水汽传输过程观测。结合模型,可以阐明青藏高原西风和季风传输水汽的水平和垂直空间分布特征和季节变化,量化不同传输水汽量和传输过程。
在2019年5月的纳木错科考中,“极目一号”I型浮空艇实现了地表至对流层中部水汽稳定同位素、黑碳浓度和甲烷浓度及气象要素的垂直变化连续观测,填补了该区域大气水汽稳定同位素研究空白,成功创造了升空到海拔7003米高空的原位科学观测世界纪录;在2022年5月的“巅峰使命”珠峰综合科考中,5月15日凌晨,“极目一号”Ⅲ型浮空艇在中科院珠峰站附近发放场地升空,实现了水汽稳定同位素分析仪、黑碳、粉尘、甲烷、二氧化碳和风温湿压自地表至海拔9032米的大气科学观测世界纪录。6天之后,于5月21日凌晨5时09分,科考队再次完成了海拔9050米多种大气组分观测新纪录。
图29 前沿科学问题和浮空艇高新技术融合的三维观测体系**,图源:第二次青藏科考队******
图30 2019年1月,鲁朗浮空艇观测取得突破性进展****,图源:第二次青藏科考队****
图31 2022年5月,“极目一号”III型浮空艇再创观测记录,图源:第二次青藏科考队********
06 织密网眼 巧捕高原低涡“漏网之鱼”
青藏高原低涡是青藏高原夏季(4-9月)因为高原特殊的热力和动力作用影响形成的天气系统,既是高原最重要的降水天气系统,也是第二次青藏科考“西风-季风协同作用及其影响”任务重要目标之一。上世纪60年代以来,我国气象学家对这个特殊的天气系统就开展长时间研究。据统计,高原低涡贡献了青藏高原40%以上的降水,对高原西部的降水贡献更甚,高达60%以上。“低涡一出,必有暴雨”,在其发展东移出高原后,往往给下游地区的我国中东部常带来灾害性的强降水天气,并引发暴雨洪涝、泥石流滑坡等多种灾害,就其造成的暴雨天气强度、频次和范围而言,仅次于台风。
图32 长江洪峰通过重庆江津段,图源:VCG
高原低涡极度依赖于青藏高原特殊的动、热力环境,很强的区域性特色,个头小,行踪飘忽,且主要影响我国天气,无法吸引国外学者研究兴趣,假如我国科研人员不攻关,将无法从国际同行获取关于高原低涡的相关认识。因此,几十年来准确预测青藏高原低涡移动轨迹一直是我国高原大气科研人员关注的重点,但以青藏高原现有气象观测布局和站网,过低时空分辨率的观测资料难以对高原低涡进行有效的监测、追踪,也难以对高原低涡的形成、维持、发展和影响进行深入系统地精细分析,特别是在其生命周期早期阶段,常常策源于高原西部,用于追踪低涡的观测资料非常有限,导致发现低涡时往往较晚,导致无法发出有效的预警。
图33 高原低涡加密试验期间科考人员与西藏狮泉河自动释放探空气象气球同框,图源:第二次青藏科考队
因此,在青藏高原之上及其邻近地区的开展高原低涡发源地及其影响地,选取14个代表性观测站(高原西部的狮泉河、改则、申扎和日土,高原中北部的那曲、沱沱河和茫崖,高原东部的曲麻莱、林芝、昌都、雅安、峨眉山、温江以及喜马拉雅南麓尼泊尔加德满都)同时观测,利用大气边界层塔、无线电探空、微波辐射计、风廓线雷达,激光测风雷达、大气湍流观测系统等目前先进的大气观测装备,开展了为期20天的高原低涡组网“空天地”综合立体加密协同观测试验,从地面每天释放四次气象探空气球到卫星遥感监测,追踪了高原低涡天气系统的生成、发展、移动及其产生降水的全过程,填补了整个青藏高原探空观测的空白,加深了对高原低涡的认识,为青藏高原天气监测与预报、灾害性天气预警及气候环境预测等提供更精确的观测数据和决策依据。
随着更多基础设施的建设和青藏科考进一步的开展,围绕国家和西藏地方可持续发展需求,将结合自身科学研究与学科发展特色,他们这群“织网者”正在将这张现代立体观测设施观测“天网”不断织密,坚定“立足极地创新,成为创新高地”的思想,通过全天候、高精度多要素一体化的长期、实时、连续的观测,在高原不同海拔典型生态下垫面的陆地和大气的相关物理、化学、生物和地质状态量和过程量进行监测和研究,有效推动复杂地表能量和水分循环规律及其天气气候影响机理的研究,用一次次创新探索凝聚起累累硕果,使之成为人类探索高原大气奥秘、培育原创性科学成果的引领者和开拓者。
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来源: 第三极大本营