青藏高原東緣對流云和水汽觀測試驗簡介

施曉暉

（中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081）

青藏高原東緣對流云和水汽觀測試驗簡介

施曉暉

（中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081）

近年來,青藏高原及周邊省區(西藏、青海、四川、云南等)的氣象業務觀測系統建設取得很大成效,并通過JICA項目國際合作計劃的實施,在高原及其東緣區域初步組成了具有國際先進水平的綜合氣象監測系統。基于以往研究成果和青藏高原及其周邊地區觀測條件的改善,加上中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室觀測能力的提高,青藏高原東緣對流云和水汽觀測試驗得以實施,此次試驗將重點關注這一區域對流云結構和水汽輸送的變化及其對災害性天氣的可能影響,并將爭取改進數值模式中高原及周邊區域的云物理過程參數化方案,提升數值模式的預報能力。

青藏高原東緣,對流云,水汽,外場觀測

1 引言

青藏高原通過大地形的動力、熱力作用，對全球天氣氣候[1-6]、東亞季風的進程[7-9]和水汽輸送[10-15]等都產生著重要的影響，進而影響到其東部下游地區的暴雨、暴雪等災害性天氣過程。開展以青藏高原主體和東緣區域的外場試驗觀測，可以進一步認識青藏高原天氣過程及其對我國下游災害天氣的影響，具有十分重要的科學意義和業務應用潛力。2006—2009年，中日科學家聯合實施了JICA（Japan International Cooperation Agency）渠道項目的青藏高原及周邊新一代綜合氣象觀測計劃，觀測重點目標就選定青藏高原及東緣關鍵區，其不僅對東亞季風變化機理研究非常重要，而且將對青藏高原、東印度洋及西太平洋陸一海—氣相互作用，及其水分循環結構變化信息的獲取起著關鍵的推進作用。JICA項目構建了青藏高原東緣周邊新一代綜合氣象觀測系統，該系統為東亞區域洪澇災害預報提供了重要的觀測資料支持[16]。

世界氣象組織（WMO）世界天氣研究計劃（World Weather Research Programme）近期確定以最大限度改進天氣預報技術為目標，發展敏感區觀測方法及其觀測系統。作為與國家經濟發展與重大決策關系十分密切的氣象服務任務，災害天氣氣候業務預報，特別是長江洪澇預報，是關鍵科學問題之一。近年來的一些研究指出[9-10,17]，中國東部梅雨及暴雨系統持續水汽輸送與高原水汽“轉運站”及海洋水汽源密切相關，是中國洪澇、干旱災害預報的關鍵環節，如

何尋找中國東部洪澇、干旱水汽輸送上游敏感區或遠距離遙相關的水汽源是探討中國區域災害天氣氣候成因的重要問題。因此，在其上游強信號敏感區“高原及其東緣”設計水分循環與對流結構觀測網，將對中國區域災害天氣預報理論與技術發展具有重要意義。

由于高原地區站點稀少，且高原東緣水汽輸送通道對流結構觀測布局的“空白”，對高原及中國東部區域災害天氣預測的前兆性信號的捕捉存在較大的困難，給高原及東部暴雨、雪災等嚴重災害的預測、預警帶來極大的不確定性，使高原及下游地區災害天氣的預測水平難以提高。考慮到上述需求，開展青藏高原東緣對流云和水汽的綜合觀測試驗研究十分必要，其將推動第三次青藏高原大氣科學試驗的進程，提升我國災害性天氣的監測設計與應用能力，研究成果應用于數值模式改進與天氣、氣候預報技術中，將提高我國氣象防災減災綜合業務能力。因此，中國氣象科學研究院于2011年批準了基本科研業務費專項資金重點項目“青藏高原東緣對流云和水汽觀測試驗及資料分析研究”的立項。目前，觀測試驗已經基本完成，獲取了大量的觀測資料，同時項目組也已開展了初步的資料分析工作。本文將對觀測試驗的目的、方案設計及后續的研究工作計劃等進行介紹，并就存在問題和解決方法進行了討論。

2 觀測試驗的目的

基于JICA項目建設的青藏高原及周邊地基GPS水汽觀測網、邊界層通量觀測系統及其多源信息數據平臺，利用災害天氣國家重點實驗室的移動遙感（主動和被動）探測設備，在中國降水的西南水汽輸送通道（孟加拉灣—中南半島北部—中國西南地區—長江中下游地區）上選取關鍵站點，開展青藏高原東緣對流云和水汽觀測試驗，其目的主要是為了滿足以下需求。

2.1 加強高原觀測的需求

青藏高原地區受其復雜地形以及經濟發展相對滯后等因素制約，氣象業務觀測系統相對薄弱，觀測數據主要依賴于地面、探空、衛星等業務觀測手段。近年來，JICA項目在這一地區增加了地面自動站觀測、GPS水汽監測等設備，而且災害天氣國家重點實驗室已發展了多種地基主動式遙感探測系統，為開展青藏高原東緣對流云觀測試驗提供了設備條件。

大型野外觀測試驗特別是青藏高原觀測試驗投資大，如何設計組織觀測試驗、遙感系統如何部署、新型探測系統在高原地區的探測能力等都需要做系統性的評估與確認。因此有必要建立典型示范觀測試驗區和開展觀測預試驗，對設備探測能力、數據處理分析方法、資料應用等方面進行預試驗及方法研究，為青藏高原第三次大氣科學試驗的方案設計和實施提供經驗。

2.2 高原東緣水分循環與下游災害天氣關系研究的需求

青藏高原東側是我國地形、地質結構最復雜的地區，又是夏季暴雨災害頻發的地區，常誘發山洪、泥石流等嚴重地質災害。青藏高原東側暴雨突發性強，時空分布不均勻。如何準確預報高原東側暴雨一直是該地區氣象工作者長期探索的科學難題。

GMS衛星分析表明，夏季青藏高原地區對流層上層的水汽匯集主要通過高原東南的雅魯藏布江河谷以及高原西南越過喜馬拉雅山、帕米爾高原及其以北地區越過塔里木盆地這些通道。該區域亦是中國及東亞重大災害天氣的水汽輸送源區。另外，青藏高原及周邊亦表現出顯著強“降水核”或“多雨中心”氣候特征等，其作為長江、黃河的發源地，也是中國及東亞水資源的重要來源，黃土高原的東緣則為季風過渡帶或梅雨邊緣區。因此，如何認識全球變化背景下中國陸地（包括大地形）與低緯海洋關鍵區之間的海陸差異的變化趨勢及其氣候災害的響應特征，已成為該區域天氣、氣候預測的關鍵問題之一。

2.3 數值模式中云物理過程研究的需求

高原及周邊地區是長江流域洪澇過程的對流云系統最活躍的源區之一，亦是長江流域洪澇過程暴雨系統上游重要的預報敏感區之一。目前數值模式存在不確定性的主要原因為：由于高原站點稀少，目前尚無區域模式同化觀測數據及高原區域細化三維大氣結構的信息，無法客觀描述模式物理過程參數化與輻射、云物理過程影響等關鍵因素，缺乏高原地區真實觀測資料對模式效果進行客觀檢驗。因此，開展青藏高原東緣對流云的綜合觀測，充分開發已有觀測資料與衛星遙感產品的應用潛力，將加強數值模式同化資料源客觀化能力的改善，促進數值模式模擬能力改進，也為檢驗數值模式效果奠定重要基礎。

目前數值模式中高原及東緣復雜大地形背景下的云物理過程觀測及其資料融合處理、分析、應用等方面還存在著較多的薄弱環節，嚴重影響了災害性天氣的預測能力，導致數值模式在高原地區的模擬、預測水平難以提高。觀測試驗將基于各類常規與三維立體強化觀測資料，從中國東部區域災害天氣上游關鍵區水汽輸送及其云結構影響視角，研究高原及東部區域水分循環多尺度時空特征及災害天氣成因理論，改進數值模式中的云物理過程參數化方案，并進行客觀性檢驗，以提升模式預報技術水平。

3 觀測試驗情況

為清楚認識東亞季風爆發前后，西南水汽輸送通道上大氣結構的變化以及對流云發生、發展機制，2012年5—7月在云南大理、騰沖開展了加密觀測試驗。采用多種遙感觀測設備，并進行了探空加密觀測。試驗具體情況如下：

3.1 大理區域加密觀測試驗

3.1.1 多普勒雷達組網觀測

在大理市洱源縣布設了實驗室雙線偏振雷達，與麗江和大理的業務雷達組網觀測（圖1）。觀測資料將進入LAPS模型進行融合分析，獲取有關的云參數，以了解對流云的發生、發展機制。

3.1.2 增加雨滴譜儀、微降水雷達、微波輻射儀等遙測設備

配合蒼山東坡已建成的自動氣象站觀測網，在不同高度上布設三臺雨滴譜儀，在大理國家氣候觀象臺布設微波輻射計和微降水雷達各一臺（圖2），并利用已有的風廓線雷達，獲取的觀測資料可用于細致分析復雜地形條件下強降水天氣發生時的微物理過程。

3.1.3 加密探空觀測

采用GPS探空從2012年6月26日—7月26日開展了為期一個月的加密試驗，其中每日放球三次，分別在北京時08時、14時和20時進行，獲取的高分辨率大氣溫濕廓線將有助于分析季風爆發前、后大氣垂直結構的變化，并可用于檢驗微波輻射計和風廓線雷達的觀測資料。

3.1.4 邊界層觀測

利用大理現有的邊界層鐵塔觀測，并布設大口徑閃爍儀，研究邊界層鐵塔觀測的代表性，為今后邊界層觀測的優化設計提供科學依據。

圖1 云南大理觀測區多普勒雷達組網觀測布局

3.2 騰沖區域加密觀測試驗

3.2.1 遙感觀測

在騰沖縣氣象局布設了毫米波測云雷達和風廓線雷達，進行聯合觀測，直接獲取強降水天氣過程中對流云相關參數和大氣風場的觀測資料，增加微波輻射計、微降水雷達和雨滴譜儀各一臺，以獲取大氣溫濕廓線和降水天氣微物理過程的觀測資料。

3.2.2 加密探空觀測

采用業務L波段探空，與大理站的試驗同步，從2012年6月26日—7月26日開展了為期一個月的加密試驗，由于騰沖是業務探空站，每日北京時間08時和20時有業務探空觀測，但為了更加清楚地了解中午前后對流旺盛時期的大氣垂直結構特征，試驗在每日14時增加了一次探空。獲取的資料也可用于風廓線雷達反演大氣濕度廓線的方法研究，以及檢驗微波輻射計的觀測結果。

4 研究計劃

4.1 多種遙感觀測設備的探測能力評估

鑒于高原特殊觀測環境，首先開展多種新型設備（雙線偏振雷達、毫米波雷達、雨滴譜儀和微波輻射計等）的探測能力和資料質量分析、質量控制方法等方面的研究，并根據獲取的資料對設備在高原地區的實際探測能力進行評估分析，為第三次青藏高原大氣科學試驗的全面開展提供經驗。

4.2 多種遙感觀測的反演方法及其資料融合分析研究

圖2 云南大理觀測區多種遙感設備布局

探討綜合利用風廓線雷達、微波輻射計等遙感觀測數據和地基GPS水汽資料，反演水汽垂直廓線的方法，并利用探空觀測對反演結果進行檢驗；研究利用

雙線偏振雷達、毫米波雷達等遙感觀測數據反演云水含量垂直廓線及其滴譜分布的方法，并與雨滴譜儀的觀測結果進行對比檢驗。在驗證了反演方法的合理性和反演結果的可靠性以后，這些反演產品可作為天氣過程診斷分析和數值模式資料同化等方面研究的數據來源。

引進NOAA開發的局地分析預報系統（LAPS）[18-19]，開發數據接口，建立高原東緣衛星遙感—地基綜合觀測資料融合分析平臺。該平臺輸出的常規天氣融合分析資料，如溫度、氣壓、濕度、風場等，可以為數值模擬提供高分辨率的初始場和邊界條件，但我們更關心的是LAPS具有特色的云分析結果，將利用多普勒、毫米波等雷達的觀測資料和反演產品對其進行檢驗，在確定其可用性之后，與數值模式中云物理過程的相關參數進行對比，爭取對數值模式中高原區域的云物理過程有所改進，具體流程如圖3所示。

4.3 高原東緣對流云與水汽的結構及其對長江流域災害天氣的影響

選取觀測試驗期間的強降水天氣過程，利用加密觀測獲取的多種遙感觀測數據、反演產品以及LAPS高分辨率融合分析資料，開展對流云演變過程和水汽輸送結構的細致分析，以深化認識高原東緣水汽輸送與對流云結構的時空變化特征，并探討其對長江流域災害性天氣的影響機制；開展探空資料和雷達數據的數值同化方法研究，以改進數值模式的預報能力。

5 研究進展

5.1 2012年觀測試驗

2012年觀測試驗于2012年5月開始啟動，5月15日前后，實驗室原有的雙線偏振雷達、風廓線雷達和毫米波雷達完成安裝調試，開始觀測。新增儀器（微波輻射計、雨滴譜儀）于6月20日完成安裝，6月21—25日進行了試驗性觀測。確認儀器設備均運行正常之后，6月27日，加密探空和多種遙感設備的聯合觀測正式開始。兩臺微型降水雷達于2012年7月7日進入騰沖外場試驗場地，2012年7月12日開始正常觀測。2012年8月16日，外場試驗結束。目前項目組已經收集整理了觀測試驗期間業務觀測站網和增設的遙感設備及加密探空的資料，并進行了質量控制，開發了數據共享平臺（圖4），實現了項目內部的資料共享，今后將逐步向其他科研單位和個人開放。

5.2 開展的研究工作

已經開展的研究工作主要包括：（1）對利用風廓線雷達觀測反演大氣濕度的方法和青藏高原東南緣雨季降水云的垂直結構特征等開展研究；（2）研究利用地基GPS、雙線偏振雷達、風廓線雷達和探空等綜合資料，反演水汽含量垂直廓線以及云和降水滴譜分布的方法；（3）開發LAPS模型衛星遙感—地面、探空、雷達綜合分析平臺的C波段雷達數據接口，為建立高原東緣多源觀測資料—衛星遙感融合分析數據集做好技術準備；（4）高垂直分辨率探空資料和雷達觀測數據的同化技術開發。

目前上述研究工作已經取得了初步結果，但還有待于進一步的深化和細致分析，以得到更有科學價值的研究成果。

6 結論與討論

由于特殊的地形及其天氣、氣候效應，青藏高原在全球大氣能量和水分循環中發揮著重要作用，因此對青藏高原的研究受到世界，尤其是亞洲國家的廣泛關注。中國科學家在過去30多年間先后進行了兩次高原大氣科學試驗，并與日本、美國、韓國等國的科學家共同開展了多次聯合現場觀測試驗，在高原對東亞季風、全球與區域氣候影響作用等方面取得了具有重要國際影響的一系列成果[20]。但由于過去經濟和技術基礎相對薄弱、大氣探測技術與裝備能力有限，觀測

試驗的時間較短、觀測要素單一，且主要集中在高原主體，對高原周邊區域的觀測、研究不夠，使得在高原熱源結構、水分循環多尺度時空特征、云物理過程等前沿性的科學研究方面還存在較大不足。

圖3 利用LAPS云分析結果改進數值模式云物理過程的流程示意

近年來，青藏高原及周邊地區（西藏、青海、四川、云南等）的氣象業務觀測系統在裝備先進性與站點布局上已有了質和量的飛躍，并通過JICA項目國際合作計劃的實施，在高原及其東緣區域構建了無人值守自動氣象站、大氣廓線儀、邊界層通量站與地基GPS水汽觀測站網，初步組成了具有國際先進水平的綜合氣象監測系統。

圖4 觀測數據共享平臺

圖5 青藏高原東緣對流云和水汽觀測試驗的總體研究框架示意

正是基于前人的研究成果和青藏高原及其周邊地區觀測條件的改善，加上災害天氣國家重點實驗室觀測能力的建設與提高，青藏高原東緣對流云和水汽觀測試驗得以實施，圖5出示了試驗的總體研究框架。本次試驗重點關注青藏高原東緣對流云結構和水汽輸送的變化及其對災害性天氣的可能影響，實施科學設計，以充分發揮高原及其周邊地區新一代綜合氣象觀測系統、實驗室遙測設備與常規業務監測網的潛力；探討多種探測資料的綜合分析方法，獲取的資料和分析結果可以為即將啟動的青藏高原第三次大氣科學試驗觀測計劃提供科學支持；研究高原及東部區域水分循環多尺度時空特征及災害天氣成因，改進數值模式中高原及周邊區域的云物理過程參數化方案，以提升數值模式的預報技術水平。

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Introduction to Observation Experiment for Convective Cloud and Water Vapor in East Edge of the Tibetan Plateau

Shi Xiaohui
(State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081)

In recent years, the operational meteorological observing system in the Tibetan Plateau (TP) and its ambient areas has been improved by using advanced equipment and adding new sites. Furthermore, a new integrated observing system in TP and its ambient areas (NIOST) was built by implementing the international cooperation project funded by JICA (Japan International Cooperation Agency). Based on previous research results and improvement of observing condition in TP and its ambient areas, as well as the enhancement of observing ability of State Key Laboratory of Severe Weather (LASW), the observation experiment to convective cloud and water vapor in the east edge of TP (ETP) could be conducted. This experiment chief l y focuses on the variations of convective cloud and water vapor transportation in ETP, and deals with their impossible impacts on disastrous weather. To enhance the forecasting capability of numerical model, we will study the contributing factor of severe weather and multi-scale feature of water cycle in ETP, and then improve the parameterized scheme of cloud physical process in TP and its ambient areas.

east edge of the Tibetan Plateau, convective cloud, water vapor, fi eld observation

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.05.005

2012年8月27日；

2013年5月7日

施曉暉（1972—），Email: sxh@cams.cma.gov.cn

資助信息：國家自然科學基金重點項目（41130960）；國家自然科學基金面上項目（41275050）；中國氣象科學研究院基本科研業務費專項資金重點項目（2011Z001）