NCAR大氣研究面臨挑戰

陳軼翔/編譯

NCAR大氣研究面臨挑戰

陳軼翔/編譯

位于科羅拉多州博爾德市的NCAR臺地實驗室，倚靠著被稱為“熨斗峰”的巨大砂巖板

● 由美國國家科學基金會資助的美國國家大氣研究中心即將成立60周年，而今其面臨的挑戰來自兩大方面——科技與財政。

在科羅拉多州博爾德市邊緣的熨斗峰的山腳下，坐落著已有57年歷史的美國國家大氣研究中心（NCAR），該機構的工作人員目前正致力于消除氣候和氣候預測之間的傳統分歧。他們將大氣研究應用于航空、地面交通、水預測、消防以及其他領域。與此同時，NCAR的太陽物理學家們則致力于尋求太陽活動在過去30年里呈下降趨勢的原因，并試圖預測可能會擾亂衛星通信或破壞國家電網的太陽風暴。

作為美國國家科學基金會（NSF）的聯邦資助時間最長、規模最大的一個研發中心，NCAR的運營預算約為1.57億美元，其中2/3是由基金會提供的。其余的1/3來自其他聯邦機構，以及一些大學和國外的資金。NCAR的員工約有750人，由美國大學大氣研究聯盟來管理，這是一個由100多家北美學術機構組成的非營利組織。

一系列任務

NCAR的工作包括對大氣化學進行地面和空中測量，運行高性能計算和可視化系統以及為大氣和地球科學研究界開發支持模型和數據集。NCAR運營著兩架為大氣測量裝備的飛機，產權歸NSF所有；在懷俄明州的夏延市擁有一個超級計算中心并管理著夏威夷的茂納羅亞太陽天文臺。在過去兩年半的財政年度里，自從NCAR在NSF審核人員的要求下開始追蹤統計數據以來，已經安裝了59個獨立的測量系統，而工作人員在該領域花費了大約9 500天的時間。NCAR的科學家最近結束了在葡萄牙為期6個月的由歐盟贊助的實地調研，測量了在非常復雜的地形上的大氣流動。NCAR負責人詹姆斯·赫里爾（James Hurrell）說，這項調研的結果將會為建模工作提供信息，可以直接應用于風能生產。

“NCAR開源社區地球系統模型”是NCAR與一些大學和其他研究實驗室合作開發的，幫助全世界的研究人員模擬過去、現在和未來的氣候。由大約350名科學家參加的年度研討會對該模型進行定期更新。同時，NCAR還是多機構天氣研究和預測模型（WRF）的關鍵合作者，該模型指導了全國及全球的天氣預報。基于NCAR的一份WRF的研究版本使得科學家能夠探索提高天氣預報準確性的方法。另外，為模擬大氣化學、水文學、火災、作物條件和其他用途已經研發出了WRF的很多特定版本。

赫里爾頗為驕傲地表示，由于NCAR的合作方式，其研究論文的平均引用量比世界上其他任何一家地球科學機構的都多。令赫里尓感到自豪的還有，在過去兩年中有近1 500名科學家訪問了NCAR，其中65%的科學家在NCAR待了兩周或更長時間。

特朗普總統提議要將NSF的預算削減11%，盡管國會近期的行為表明，預算削減的百分比將遠遠低于這一數據，但赫里爾說自己有一個計劃，如果需要的話，將會設法應對預算削減11%的局面。他沒有公開這一計劃，但他表示，過去幾年中曾經為應對預算削減而出現的全面緊縮開支狀況將不會重演。他說：“我們已經確定了自己的首要任務是什么，我們必須持續投資使那些首要領域保持強勁。如果總統的提議在國會得到通過，NCAR將不得不縮小工作范圍。”

赫里爾承認，自從NSF的預算數據和其他聯邦機構的氣候和地球科學項目的預算削減提議3月份公布以來，大家的士氣已經受到了影響。不過，他表示，目前還沒有出現員工離職的現象。他說：“以往，NCAR的自愿離職率一直都很低。大家都以我們共同的使命為己任。博爾德市環境很好，而NCAR則是一個偉大的組織機構。”

NCAR的研究項目每5年要接受一個由科學家組成的外部專家小組的評審。NSF拒絕提供評審小組的全部調查結果，但赫里爾引用2016年的報告稱，NCAR的總體科學成就是“杰出的”。“NCAR員工的卓越科研能力及其開放性合作為科研界提供了重要的價值，提高了學術、政府和私營部門合作者的能力，可以開展高質量的研究工作并開發有影響力的技術。”

評審小組還進一步贊揚了NCAR對促進觀測技術和科學進步方面的智力貢獻，并表示該中心的超級計算服務“在科研界發揮著不可替代的作用”。與此同時，評審小組還鼓勵NCAR提升員工隊伍的多樣性，并加強與外部研究人員的合作。

縮小差距

赫里爾表示，該中心的一項主要研究是將兩個模型結合起來，一個是天氣預報模型，忠實地計算了未來10天的大氣行為；另一個模型則顯示了氣候在未來幾十年到幾百年的時間里將發生怎樣的變化。赫里爾說：“兩個模型在理解可預測性的來源方面存在巨大的差距。”例如，眾所周知，同溫層可以在一年中的特定時間內推動中等時間尺度上發生的一些變化。但是，這種可預測性的其他來源尚未被發現，無法用來在月度、季度和年度的時間尺度上做出可靠的預測。

赫里爾表示，為了縮小這一差距，數值天氣預報和地球系統建模需要更好地合作。他還補充說：“從發展史上看，它們是兩個獨立的領域。在開發建模基礎設施方面還有很多事情可做，這樣兩個領域的研究者就可以使用同種類型的工具。”

在同溫層中形成的一種不尋常流動幾天內就會消失，就像對流層（最接近地球的那層）中形成的一樣。能捕捉同溫層與低層大氣相結合的模型將提高氣候及季節性天氣預測的準確性。

研究應用

NSF對NCAR的期望之一是它能夠運用科技發展來滿足社會需求。NCAR的第一個主要技術應用是為機場探測危險下降氣流和懸氣流（被稱為風切變）的系統。這項工作主要由美國聯邦航空局（FAA）和美國宇航局（NASA）資助，包括第一個風傳感器和基于多普勒雷達的懸氣流探測系統的開發。從20世紀90年代初開始至今，在美國110個機場和國際上其他一些地區，風切變探測系統已經就位。NCAR研究應用實驗室的臨時負責人威廉·馬奧尼（William Mahoney）表示，FAA已經對這項能夠拯救生命和財產的技術估價10億美元。

FAA已經支持了多項NCAR應用。在寒冷的天氣條件下，當應用于飛機機翼的除冰裝置的作用被持續的降水減弱到一定程度時，就需要第2個應用程序，這時自動化系統就會通知飛行員。對于飛行積冰、地形誘導、晴空及對流湍流、雷暴、視程還有垂直能見度，該中心都已經研發出了診斷和預測系統。這些技術產品在位于堪薩斯城的國家氣象局（NWS）航空氣象中心也得到了應用，并被航空公司的調度中心和飛行員所使用，以幫助其在惡劣天氣下進行商業航班飛行。

多年來，NCAR已拓展業務，為其他客戶提供服務。去年，NCAR研究應用實驗室向科羅拉多州提交了一份用以預測火災趨勢的模型的初步版本。該模型是用來對抗火災的一種決策工具，它模擬了大型火災爆發時，熱量、濕度與大氣進行交換所引發的天氣條件。火災區域的地方性風力可能比周圍的風力強10倍，在極少數情況下，火災甚至會產生龍卷風。

NCAR研究應用實驗室研發了一種飛機除冰優化系統，使飛行員能夠知曉他們的除冰液還可以維持多久

一年前，位于阿拉巴馬州塔斯卡盧薩市的美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）國家水中心開始使用由NCAR開發的國家水模型，該模型將數值天氣預報與水文模型相結合，以模擬在整個美國大陸上觀測到的徑流流量并進行預測。該工具對于NWS用以預測流量的3 600河水位標的傳統系統來說，是一個很好的補充。

馬奧尼說：“水文過程的幾乎每一個部分都在模型中得到了有形的展示。”該模型有270萬個預測點，觀察并預測地表條件、土壤濕度、植被類型、融雪水和其他變量。馬奧尼表示，該模型可以在水流達到河水位標之前發現水流峰值，從而提供更及時的洪水預警。

NCAR研究應用實驗室將繼續對該模型進行升級，包括整合從新氣象衛星和地球資源探測衛星獲得的數據。馬奧尼表示，一些基礎設施建設需要更多的研發與協調，例如管理河流系統的水壩和水庫——如密蘇里河流域。

在美國交通部（USDOT）的支持下，NCAR應用實驗室已經開發出一種工具，可幫助國家交通部門確定何時在道路上應用除冰材料和化學物質，用量為多少以及何時需要更多的應用。目前已有15個州在使用這一系統工具。USDOT的一項分析顯示，在使用該系統的第一個冬季，印第安納州節省了1 200萬美元的材料和勞動力成本。

目前NCAR有個針對USDOT的項目是一個警告司機前方有危險路況的系統。這個系統將從數以千萬計汽車的車載電腦中獲取信息——雨刷設置、前燈狀態、環境空氣溫度、速度、位置、高度、車身穩定控制、牽引力控制和防震剎車——告知司機關于黑冰、濃霧、大風和暴雨的情況。

空間天氣

NCAR高空觀測站（HAO）負責人斯科特·麥金托什（Scott McIntosh）表示，NCAR的研究人員正在致力于研究一種季節性的預測，即導致電磁脈沖（EMP）事件的日冕物質拋射究竟可能會發生在何時。在為期11年的太陽周期內，每個半球大約有11個月會發生短期的暴發活動。麥金托什表示，幾十年來，科學家由于對觀測數據的過分修勻而大多忽略了這種短期的暴發活動。但是，如果能夠更好地理解這些較短的太陽活動周期，那么可能會做出更準確的、可預測未來一年左右的空間天氣預報。

麥金托什說：“當談到空間天氣和對太陽EMP的理解時，我們所了解的第一件事情就是，它發生在8分鐘前。而我們正試圖弄明白，太陽EMP事件何時會以超越舊的模式發生。”

來自HAO的科學家將利用8月的日全食來試驗最近解密的、用于遠紅外成像的軍用級硬件。麥金托什表示，磁場可以直接用遠紅外線較長的波長進行測量，而在可見光和部分近紅外光譜中觀察到的現象則需要復雜的計算機模型來解釋。新的紅外成像器可以提供機會來預測在一個太陽能EMP中磁場的方向。如果該磁場指向某一方向，脈沖將與地球的磁層相結合，對通信和電力傳輸產生潛在的不良影響。如果指向相反的方向，磁場就會從磁層上反射回來。

麥金托什認為，為了解其他恒星和系外行星，就需要對太陽有更好的理解；但他惋惜地表示，在太陽物理學上的花費遠遠比不上天體物理學的，而且在美國只有少數幾個研究太陽物理學的機構。他問道：“如果我們不能理解自己觀察到的東西，又怎么能期待去理解距離我們23 000光年之外的東西呢？”

[資料來源：Physics Today][責任編輯：彥 隱]