微氣象學高原應用現狀及發展前景研究

葛琛琦

(南京信息工程大學大氣科學學院,江蘇南京 210044)

微氣象學高原應用現狀及發展前景研究

葛琛琦

(南京信息工程大學大氣科學學院,江蘇南京 210044)

由于微氣象學工作資料的缺乏和在大范圍區域之內學科發展的限制,微氣象研究方法應用存在一定局限性。本文對局地環境及特殊環境條件下的微氣象學應用實際資料進行分析,著眼于青藏高原,珠峰地區,內蒙古高原等微氣象學應用廣泛區域的情況,評估高原微氣象學,探求發展方向。

微氣象學 高原地區 發展方向

1 緒論

微氣象學是指由于下墊面的某些構造特征所引起的近地面大氣層中和上層土壤中的小范圍氣候特點,這種小范圍的氣候特點一般表現在個別氣象數值上,有時表現在個別天氣現象(如風、霧、霜等)上。但這種要素的改變不使大尺度過程(平流、鋒面)所決定的天氣氣候特征發生較大變化。微氣的特點:范圍小,差別大,穩定性好。旨在分析局地下墊面條件的氣象效應以及對這些效應的定量描述,研究局地微氣象形成的物理過程和變化規律,確定局地氣象要素的數量指標;以便合理利用微氣象的有利條件,解決氣象學科中存在的問題。

本文對微氣象學科在高原地區發展現狀及未來發展的境況做出評價認識,以改善研究存在問題,提高研究的科學嚴謹性。

2 高原地區微氣象學研究現況

高原指海拔高度一般在1000米以上,面積廣,地形闊,以明顯陡坡為界,比較完整的大面積隆起地區。高原最本質的特征是地勢相對高差低而海拔相當高,我國高原面積廣大,研究高原微氣象的重要性已被越來越關注。

2.1 青藏高原地區微氣象學研究現況

青藏高原通過動力、熱力、地氣相互作用等間接影響我國東部和南部、亞洲地區乃至全球的氣候變化和災害性天氣的形成。青藏高原通過高原近地層與邊界層熱力及動力作用逐漸影響到自由大氣的變化。近地層物質和能量交換特征受地形、下墊面性質等微氣象因素直接影響,差異較大。為此近幾十年來在高原上進行了一系列大型的氣象觀測試驗對大氣環流的動力和熱力影響的研究。《青藏高原北麓河地區近地層能量輸送與微氣象特征》[1]一文中計算分析青藏高原北麓河凍土綜合試驗站自動氣象站2002年5月30日～6月24日的地表能量平衡、地表加熱場、感熱、潛熱、地表反照率、動量和熱量總體輸送系數等特征量場的變化特征,首次得到高原北麓河地區近地層能量輸送和微氣象特征,為微氣象學在高原研究中的短期內熱量和動量研究提供指導。

《青藏高原不同地區夏季近地層能量輸送與微氣象特征比較分析》[2]利用青藏高原理塘、林芝、海北、拉薩的氣象觀測資料,對比分析地區近地層氣象要素、輻射收支及湍流通量日變化特征。并且得出結論,高原東部、中部及北部,無論是高原臺地、高山峽谷區,7月份近地層各氣象要素、湍流通量、輻射收支均有明顯的日變化。

《納木錯湖地區近地層微氣象特征及地表通量交換分析》[5]利用中國科學院青藏高原研究所納木錯圈層相互作用綜合觀測研究站所提供的2006年全年觀測資料,研究了青藏高原納木錯地區的草甸下墊面氣溫、濕度、風速、風向和地表溫度的日變化及季節變化規律,和地表感熱、潛熱通量和輻射通量的日變化和季節變化規律,初步揭示了納木錯草甸下墊面微氣象特征和地氣能量交換的年際變化規律。

在青藏高原上所利用的觀測資料多為綜合觀測自動臺站的資料,資料分布可靠性隨著近年來科學技術產品的不斷提高有了明顯提升,但由于自動臺站存在觀測無人值守等方面的問題,且在高原地區觀測臺站建立困難,研究有相當大的受阻。

2.2 珠峰地區微氣象研究現況

珠穆朗瑪峰位于西藏的南緣、喜馬拉雅山脈中段。自20世紀60年代以來國內外氣象學家就開始不斷地致力于珠峰地區氣象和環境等研究,其中包括中國科學院前三次珠峰地區科學考察試驗和地面熱源觀測的開展,這些研究都大大地促進了珠峰地區地氣相互作用研究的發展。由于珠穆朗瑪峰地區自然環境惡劣,以往的研究時間都比較短,而且大部分都在夏季,這遠遠不能說明珠峰地區的地氣相互作用的整體特征。局限于參考數據資料的獲取僅對珠峰地區觀測資料進行了初步分析,要想深入理解珠峰地區水和能量循環及其對區域氣候的影響還有很多工作去做。

2.3 內蒙古高原地區微氣象現況

橫貫中國內蒙古自治區的內蒙古高原東部為草原,是中國的重要畜牧業基地;西部氣候干燥,為乾草原、荒漠草原與荒漠。向西沙漠面積增加,戈壁廣布。

《內蒙古半干旱草原能量物質交換的微氣象方法估算》[3]根據1998年5～8月和1999年8月在中國科學院內蒙古草原生態系統定位試驗站進行微氣象觀測的資料,作者分析了該地區能量平衡及其各分量的基本特征。得出結論內蒙古草原凈輻射能用于感熱和潛熱交換的方式有明顯的季節性變化特征。其誤差來源主要受觀測場地、儀器精度和方法的局限性影響。

受到觀測資料比較少的影響,很難分析其季節性的變化。作為中國氣象重要研究地區,內蒙古高原的研究資料量需要極大的提高,以滿足當地牧民的生活上氣象需求。

3 研究中存在的問題

從分析中可看出,高原上多荒野大漠,人煙稀少,測站稀疏,觀測條件較平原地區艱苦得多,已有的許多研究基本圍繞高原北部和中部進行,西部和東部雖有一些研究,但高原東坡的研究目前基本上是空白。共同體現出來的是研究資料的不足和研究觀測的難度之大,作為科研工作的重要組成部分,十分有必要加大資金設備投入,增加研究資料獲取。

4 微氣象研究的發展前景和方向

環境問題日益受到人們的關注,地一氣之間的能量、水分和物質(氣體)交換及其隨時空變化的特征,在研究生態環境問題方面扮演著一個重要角色。由于每個地區下墊面狀況不同,探求如何更準確地測定和估算下墊面各種熱通量的大小成為微氣象學的一個重要研究領域,并且已經形成許多研究理論方法。

根據當前的研究境況,現今我國研制的微氣象觀測數據采集系統能在比較惡劣的氣候條件下,對近地面層的有關物理參數進行長期、連續、自動的數據采集并且具有多點同步觀測,實時無線傳輸和數據集中處理等功能,從而能以聯網的形式對一地區進行全面、綜合的觀測實驗研究。將野外觀測的數據收集后集中分析處理,這種先進的觀測手段有力地推動理論研究工作。該觀測系統不但是微氣象自動觀測網的一個子系統,又能夠以子站為單位,獨立地執行數據采集、無線傳輸及資料整理輸出等功能,為自動化提供便利,從根本上擺脫了傳統的人工觀測方法帶來的人為誤差及種種由于惡劣條件所帶來束縛,為近地面物理的研究提供了先進的觀測手段,十分適合應用于高原地區。

同時要求重點監測的是地面的動量、感熱和潛熱通量、水汽和碳通量、地表輻射收支、大氣邊界層結構和過程,以及土壤熱力和水分狀況。主要包括溫、濕、風梯度觀測,氣壓,雨量、多層地溫、多層土壤濕度,直射輻射、反射輻射、凈輻射、散射輻射、總輻射,土壤熱通量,以及渦動相關動量、感熱、水汽和二氧化碳通量觀測系統等,補充觀測層次,增加地球輻射、紫外輻射觀測,光合有效輻射觀測,土壤水分觀測,增大觀測設備的防護外殼,完善觀測站礎設施建設,確保觀測站能夠長期、穩定運作。

5 總結與展望

5.1 全文總結

由于微氣象學在學科應用中的工作資料的缺乏和學科發展在大范圍區域之內的限制,對于微氣象研究的方法和應用都存在一定的局限性。著眼于青藏高原,珠峰地區,內蒙古高原等微氣象學應用廣泛區域,本文總結觀點認為應加強氣候惡劣觀測環境中微氣象觀測系統的開發投入,更進一步地進行地面微氣象特性的觀測,保障觀測站的基礎設施建設,能夠在高原地區進行有效長期穩定的觀測研究。

5.2 展望

本文僅單獨研究了高原地區,還缺少與平原地區和城市地區的比較學習,希望能夠在未來的研究中進一步提高。

[1]錢澤雨,胡澤勇,杜萍,張艷武.青藏高原北麓河地區近地層能量[J].中國科學技術大學學報,2005.2,24(1).

[2]趙興炳,彭斌,秦寧生,王偉.青藏高原不同地區夏季近地層能量輸送與微氣象特征比較分析[J].高原山地氣象研究,2011.3,31(1).

[3]朱治林,孫曉敏,張仁話,唐新齋,蘇紅波,唐登銀.內蒙古半干旱草原能量物質交換的微氣象方法估算[J].氣候與環境研究,2002.9,7(3).

[4]衛國安,牛玉清,周秀云,肖正華,陳澤宇.微氣象觀測數據采集系統①[J].高原氣象,1990.6,9(2).

[5]李茂善,馬耀明,孫方林,趙逸舟,王永杰,呂雅瓊.納木錯湖地區近地層微氣象特征及[J].高原氣象,2008.8,27(4).

[6]吳愛明,倪允琪.青藏高原對亞洲季風平均環流影響的數值試驗[J].高原氣象,1997,16(2):153—164.

[7]季國良,鐘強,沈志寶.青藏高原地面熱源觀測研究的進展[J].高原氣象,1989,8(2):127—132.

[8]劉宇,鄒捍,胡非.青藏高原珠峰絨布河谷地區大氣近地層觀測研究[J].高原氣象,2004,23(4):512—518.