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大气科学在野外

2019-10-28 马丽华 《青藏光芒》

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  1998年兰州采访,正值“九五”攀登进行中,正拟纳入“973”国家重大基础科学研究计划,重视程度和扶持力度加大,兰州大气所仍为青藏项目中大气科学研究主力,正在走向该所鼎盛期:前辈学者健在,尚未离岗;野外观测有五道梁站,由老将季国良负责;计算机模拟有高原气候研究中心,由35岁的刘晓东博士掌管。该所与日本合作的亚洲季风实验课题得以扩大规模,4个实验区部署在泰国、蒙古、中国青藏高原和淮河流域。进行长年观测,其中贯穿夏季风始末的5个月期间,属强化观测。刘博士介绍说,日本学者关注青藏高原,是因日本与中国同属夏季风影响的东亚地区,他们尤其注意高原积雪状况及其变化,以此作为季风降水预报的参考依据。我们重视积雪,事关高原冷热源效应:积雪盖度大小、融化程度如何,通过影响反射率,进而影响到季风强弱和东部降水程度。美国学者对此也感兴趣,用来研究厄尔尼诺现象(因关乎飓风和美国境内旱涝),以至于高原积雪状况成为众目所向。

  不过当时条件不比现在,卫星遥感图片尚需美国方面提供,并非实时,而是按季度寄送。即使后来我们自己有了高分辨率的卫星图像可资遥感了,二维的平面仍不足以提示积雪厚度、地表温度,仍需结合地面观察。幸有五道梁站提供忠实记录,使得积雪研究得以逐步深化,层层推进——定点的、长期的野外观测功不可没。

  穿越昆仑山,有个五道梁,局地小气候很不好,不仅草木不生,相比同一海拔高度其他地方,高山反应也是加了码的。青藏线上过路人调侃说:到了五道梁,喊爹又叫娘。五道梁只有6月是好过的天气,7月份变化无常,进入8月即感寒意,典型体现了藏北高原气候特征。中科院兰州大气所设在五道梁海拔4700米处的地面能量收支观测站,自1993年8月20日起,不间断提供连续观测资料,有关大气物理中太阳辐射、地表反射与长波辐射、土壤热通量等等一系列相关数据,国际同行共享,五道梁也因此闻名全球大气物理学界。

  五道梁站首任站长季国良,早在1979年上高原,直奔阿里狮泉河,一住半年,进行热源连续观测,取得了精度较高的地面辐射观测资料,夏季高原地面辐射和热量平衡的一些新事实及高原的加热作用等,都是本次实验中发现的。这是一项大行动,由国家气象局和中科院联合领导,配合世界气象组织进行南亚夏季风试验(MONEX)的“青藏高原气候科学实验”项目;1982—1983年,旨在对上次仅限于夏季热源强度观察的补充,又在高原面上进行了一整年的观测考察,包括冬季热源状况和季节变化。初步证实藏北那曲以南全年为热源而以北,只在地表积雪面积既大又厚时才为冷源。这一点在五道梁站多年监测中得以印证:如果地表积雪过多经久不化,地表反射率增大,同时抑制土壤热量向大气释放,势必导致地表加热场弱化,甚至出现冷源。因此冬季地面积雪时间长短,是高原地面出现冷热源的关键因素。

  土壤热通量观测则表明,五道梁一带春夏6个月里,热量从地表进入土壤,而秋冬6个月里,土壤非但未能吸热,相反却要向大气释放热量。随着气候暖化进程,已见土壤中热量存储逐年增大趋势。较高的土壤热通量对冻土退化起到促进和加速作用,是全球变暖作用于青藏高原的表征。统计规律同时表明,高原地面热源异常,甚至积雪面积变化,都将影响到来年中国东部、日本列岛、东南亚乃至北半球的气候和降水,这一关联好比“铜山西崩,洛水东应”。例如对于长江中下游地区而言,如果青藏高原冬季积雪面积增加,夏季风就将推迟,梅雨过程就将加长,水汽北上就将受阻,北部就将干旱。案例之一:1994年冬季出现较强冷源,附近青海地区15个气象站点所记录气温普遍下降0.5℃;而次年夏季,华北、西北地区大面积干旱,长江中下游地区也在梅雨之后出现伏旱。案例之二:1997年秋冬之际,藏北高原遭逢特大雪灾,次年即1998年,长江一线大洪水暴发。

  吴国雄院士的团队通过数值模拟,初步予以证实:青藏高原早春积雪多(少),可以导致华南早汛期降水偏多(少),并导致随后的亚洲季风推迟(提前)爆发。加上同时发现的夏季青藏高原东部存在一个上升运动中心和高湿中心等,有专家据此评论说:“这对深入认识高原在冬、夏季及转换季节中对东亚及全球大气环流的影响做出了重要贡献。”

  然而随着研究进展,积雪研究得出的上述论点却又变得不确定,或者说,中国东部降水趋势与高原感热通量的强弱相关度更高,与积雪面积变化的关联则不够稳定。提出这一新见解的,是吴国雄团队段安民课题组、青藏所阳坤课题组。两个团队取得共识:积雪面积只是其中一个因素,影响到感热通量减弱的原因,有温度、湿度增高导致的水汽量增大,太阳辐射减弱和风速减小等等一系列复杂物理过程。

  气候变化,本就是天地间多种因素及其变量的产物。感热通量减弱,涉及好几个科学问题。段安民整理分析了青藏高原73个气象台站资料,发现在全球变暖背景下,尽管高原地—气温差在增加,然而从1980年到2008年,大部地区的感热之所以呈现减弱趋势,主要是由于印度洋和北部的寒冷地区升温快于中纬度大陆,导致西风减弱所致。另一方面,热力作用减弱使得高原的气泵效应受到抑制,导致高原东南缘降水减少,而印度东北部和孟加拉湾降水增多。这一成果于2011年发表。

  针对以往用经验方法难以反映青藏高原感热加热的变化趋势问题,阳坤课题组提出新的计算方案,用基于微气象基本理论和野外观测资料发展起来的物理方法,估算出高原年均感热通量以每10年2%的速率在减弱;同时针对学界关于太阳辐射变化的讨论,提出了独家之论。太阳辐射是气候变化的标志性指标之一,国内外一般认为全球太阳辐射自1960年代以来持续减弱,但在1990年代初期开始了“由暗变亮”的改变。阳坤课题组通过帕隆藏布4号冰川湍流站、阿里湍流站、慕士塔格湍流站,以及由56个台站构成的那曲多尺度土壤温湿度观测网,进行综合观测研究,提出了不同看法:太阳辐射变化在青藏高原地区的变化与全国平均截然不同,1960年代逐步增强,1970年代末开始持续减弱至今,且辐射减弱趋势远大于全国平均,更不存在所谓“由暗变亮”的转变。

  像段安民、阳坤这样的“70后”,如今成为活跃在青藏研究大气科学领域野外一线的学科带头人。马耀明研究员比他们资质略深一些,本科毕业于兰州大学气象学专业,在兰州大气所读硕期间,参与五道梁站建设,当是最好的实践课。后在日本和荷兰分获大气物理、环境学双博士学位。当年从五道梁站走出的年轻人,现任中科院青藏高原研究所副所长,珠峰野外观测站就是他于2005年亲自选址、主持创建的,并且担任了首任站长。

  珠峰站全称为“中国科学院珠穆朗玛大气与环境综合观测研究站”,站址就在定日县扎西宗乡,海拔4300米,距离珠峰登山大本营尚有40多公里路程。南望珠峰,近处有小山遮挡了主体,唯见地球制高点的头肩部在湛蓝天幕下闪现银白一角。山丛河谷地带,戈壁砾石滩上,现代化观测场平地而起,在自然物象的环抱中正可谓“异质同构”。场地上高高低低的仪器看起来静默冰冷,其实工作热情高极了,连续自动记录不舍昼夜,存储起海量的信息和数据。

  我是在2012年7月间到访该站的。站长马耀明一一指点,40米高的金属架塔名叫大气边界层塔,用于近地面大气层结构和能量物质交换的观测,包括地下土壤层的温湿度。何为大气边界层?大气与地面接界的气层,因空气运动受地面摩擦作用明显,又称“近地面层”或“摩擦层”。边界层之上,就是自由大气了。按教科书定义,大气边界层海拔高度千米上下,然而高原本身即高地面,马耀明说,高原上的大气边界层位于海拔五六千米以上,最高可达9000米。所以说,每当涉及高原,很多定义失效,需要“另当别论”。

  再看这一组设备,名叫风温廓线仪,可以精确测量地面以上5000米低层大气中的风向、风速和气温,属于大气物理范畴。大气环境方面,有监测降水化学、气溶胶的——大气气溶胶微粒包括尘埃、盐粒、孢子、花粉和冰质粒之类。兼及地球物理,观测区内相应配备地震监测、GPS定位等设施。观测场之外,沿冰川融水绒布河,布点水文观测,山野中专设物候观测区。沿珠穆朗玛山体直到6500米一线,则是固定的或移动的冰川变化观测点——不消说,近几十年来随着气温升高,消融大于补给,珠峰冰川总体处于持续退缩中。

  马耀明特别提到,南来季风在输送水汽的同时,将工业污染物一并舶来。美国能源情报署(EIA)曾提供过一组数据:以印度为主的南亚地区能源消耗,于1993—2003年间增长52%,造成严重空气污染,以致形成“亚洲棕色云”;仅2000年南亚排放的黑碳和有机碳,即占全球当年排放总量12%和16%之多。其黑碳气溶胶不仅引起区域大气增温、冰川消融加速,借助夏季风越过喜马拉雅,还可径达青藏腹地。珠峰东绒布冰川垭口的浅冰芯记录表明,上世纪90年代以来黑碳浓度明显增加,与南坡“金字塔观测站”的同期观测高值基本相当。沉积物中源自南亚的污染物有农药,有硫酸盐和汞等等,殃及迄无工业污染的西藏洁净之地。

  喜马拉雅是北半球地表与对流层大气物质交换的重要通道,尽管有现代“黑雪”污染,珠峰地区仍作为良好的大气环境观测的本底区域,被国际地学界看好,视为“监测北半球大气环境的最佳地点”。与珠峰登山大本营相对应,这个观测台站就成为名副其实的科学大本营,吸引国内外多学科专家纷至沓来做课题,本站也在源源不断地提供各类数据,信息共享。马耀明说,珠峰南坡的“金字塔观测站”是意大利科学家于1990年建立的。但南坡北坡环境气候差异相当大,现在遥相互补,高海拔、大地形对于大气环流的作用和影响,就将完整体现。

  在珠峰站,这位小马老师还就他的专业对我进行启蒙式教育,画一简图,用箭头标示来自四面八方的风。科普内容还包括观测数据的重要性,如何为数值模拟提供可靠依据。举例说明之:2006年,在他主持的有关气候变化的国际学术会上,有位美国学者凭借在其他地区积累的经验参数建模,错得有些离谱,极其干旱的西藏阿里地区居然被推导为湿润区,当场有日本学者站出来诘问,报告人好不尴尬。这说明在数值模拟已成科研主流的当下,神奇的计算机模型不仅可以反演过去气候环境时空格局、演化特征,还可以预测近期乃至未来变化趋势的今天,地面观测数据在模式输入及对模式性能的验证方面,有多么重要。

  还讲到老一辈大气物理学家的“道具”几大件:手持的风杯,测风速;手持的温度计、湿度计、气压计……是啊,回想大半个世纪以来的青藏科考多么不易,就说珠峰地区吧,颇具规模的考察共有4次,1959—1960、1966—1968、1975年和2005年,相伴登山活动,并3次测高。难忘前辈科学家的珠峰故事:1958年,南京大学的王富葆教授为次年的登山科考打前站,肩挑两箱银圆来到老定日,请宗本(县长)组织民工,赶修通往绒布寺的山道;“文革”动乱中,野外工作一度中断,从计划制订者施雅风到参与者谢自楚等专家,无不受到冲击,被迫下山再上山,逆境中完成了考察资料的整理;1975年规模最大最壮观,登山+科考,300余人参加,登顶成功的同时,环境科学方面也完成了宝贵的本底调查,主持大气物理和天气预报的高登义,凭观测凭经验察知风云变幻端倪。而30年后的2005年,再一次大规模珠峰登山科考中,出动了20多个专业50多位专家,队伍已然更新换代,少壮派领衔,时年36岁的冰川学家康世昌担纲队长,马耀明任大气物理组组长,则以诸多现代设备和手段监测运算,为登顶天气预报提供参照。到2010年,当他担任首席科学家主持“青藏高原气候系统变化及其对东亚区域的影响与机制研究”国家“973”课题时,则把当今高端水平的一应手段用到极致。

  该课题旨在研究全球变化背景下青藏高原气候系统变化特征、对东亚区域的影响及机理,高原生态与社会经济系统如何应对气候变化。课题组集结起中科院青藏所、大气所、地理所、寒旱所和山地所等6个研究所的少壮派精锐力量,多专业总动员、多手段齐上阵,2011年7—8月间展开了一次规模空前的综合立体大行动:卫星遥感,航空遥感,低空雷达,无线电探空气球,地面观测——仅这一项,就动用了7个多圈层站、19个太阳辐射站、16个热能量站、29个自动气象站——大兵团作战,天上地下同步进行。前述多个新见解,诸如太阳辐射、夏季风、感热通量等强度变化,包括大气边界层高度确认,都是该课题给出的最新成果。

  那一晚在珠峰站二楼客房就寝,一觉醒来,顿觉神清气爽。愉悦感何来?虽有避开内地同一时段暑热煎熬的惬意,更有以“老青藏”情怀抚今追昔之后的欣欣然——自从十几年前采访过许多青藏队老队员,不由得就以前辈科考者“老青藏”自居了。这天上午9时,马耀明回办公楼参加青藏所的视频会议,主会场在北京,所长姚檀栋院士主持。不消说,该所设在林芝的、阿里的、纳木错的各野外站负责人均在岗与会,这一工作形式也是当今青藏研究新气象之一。不意间,本人以访谈和文字记录形式,见证了半个多世纪里青藏研究进展的一系列变化,见证了几代科学家的努力和成长——20年前的藏北五道梁站是最初的课堂,小小研究生如今已成高原大气科学界领军人物:马耀明团队30余位骨干成员,专业背景涉及大气、水文、遥感等多个学科,充分实现了大气与相关学科交叉特点。这个平均年龄40岁的创新群体将长期活跃在青藏高原野外一线。这位领军人先后负责的国家重大科学研究计划项目、国家自然科学基金的重点、国家杰出青年科学基金、面上项目和重大国际合作项目以及中科院等部委委托项目多达15项,同时担任重大国际合作研究计划“全球能量水循环亚洲季风青藏高原试验研究”(GAME-Tibet)和“全球协调加强计划之亚澳季风青藏高原试验研究”(CAMP-Tibet)的两位中方总协调人之一。在青藏高原复杂地表能量与水循环研究领域做出了系统性的突出贡献,得到国内外同行的充分认可。