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强化气象科技支撑 攻坚干旱前沿难题

2021-04-30王涵

科学中国人·下旬刊 2021年2期
关键词:水源气象观测

王涵

干旱是自然界的一种异常现象,具有发生频率高、持续时间长、影响面积广等特点。其形成机制复杂而又深奥,是全球气候变化背景下对农业生产、生态环境和社会经济发展影响最深远的自然灾害。每年因干旱灾害导致我国粮食减产数百至数千万吨,严重制约着社会经济可持续发展和生态文明建设。因此,干旱一直是地球科学和生态学界高度关注的热点问题之一。对干旱的精确监测、及时预警和高效防范,是从事干旱气象研究的科学家毕生努力的方向。

学成于有着“中国气象人才摇篮”之称的“南京气象学院”,在甘肃省气象局不断历练成长,现任中国气象局兰州干旱气象研究所研究员、甘肃省基础研究创新群体牵头人、第八届甘肃省科学技术协会委员、中国气象学会干旱气象学委员会委员岳平,带领团队研发了基于现代观测体系的雨养农业生态系统干旱监测预警技术,深入开展了干旱对黄河上游关键水源涵养区生态环境的影响机制及监测预警研究,其成果为甘肃省重大干旱防灾减灾和生态环境治理提供了重要技术支撑。

作为主要从事陆-气相互作用与干旱致灾机理研究的省创新群体牵头人,在多年研究中,岳平带领课题组建成了沿夏季风伸展和进退方向的“十”字形陆-气相互作用观测体系,构建了一套适合我国干旱区的陆面过程参数化方案;通过观测试验研究,揭示了半干旱区生态系统水-热-碳耦合机制,发现了水分利用效率随干旱强度的转换规律,发现了荒漠化地带与沙漠腹地起沙物理特性的差异,创新研究成果多次获得省部级基础研究和科技进步奖励。

雨养农业生态系统干旱监测

作为承担着干旱气象专业优势领域核心攻关任务和区域共性关键技术研究的国家级科研院所,中国气象局兰州干旱气象研究所(以下简称“干旱所”)紧紧围绕现代气象业务发展需求和专业定位,以加强气象科技创新、突破气象核心技术和区域共性关键技术、提升科技支撑能力及发挥科技引领和辐射作用为目标,聚焦区域气象业务发展和现代气象服务中的关键科技问题,深入开展应用基础研究和技术研发,重点解决我国干旱气象业务发展中急需的科技前沿和重大关键科技问题。

在岳平看来,关于重大干旱,目前主要从大气环流的角度揭示其形成和发展的物理机制,很少考虑陆-气相互作用的反馈过程对干旱的影响,从而导致对重大干旱发生、发展及演变规律和形成机理的研究不够深入。此外,干旱监测预警中多源资料和新技术的集成与应用研究不充分是制约干旱气象业务发展的重要瓶颈所在。尤其我国西北地区旱作农业生态区完全依賴自然降水,干旱对农业生态系统的影响非常突出,开展雨养农业生态系统干旱观测与监测研究是迫切面对的重要科学问题。

自2007年以来,岳平和团队通过综合分析我国西北地区干旱发生的自然规律、地表植被和海温变化对干旱的影响机制,研究了作物生长层水热转化过程对农业生态系统干旱的影响机理,揭示出半干旱生态系统水热和碳水耦合机制受干旱胁迫的转换特征。通过科学实验,他们还发现了半干旱地区凝结水的形成机制及其对水分平衡的影响规律,建立了作物生育层水热转化关系,揭示了半干旱地区植被重建对土壤水分储量及其水分利用规律,发现陆面水热交换年际变化主要受有效降水频次影响,揭示了半干旱草地生态系统水、热、生之间的耦合机制,发现了水分利用效率随干旱强度的转换规律。一系列的研究不仅为干旱监测预警提供了重要技术支撑,而且为应对气候变换背景下生态治理与环境修复提供了理论基础。其团队利用陆面模式,在结合强迫资料生成和应用百分位数判断干旱等级的干旱监测技术研究的基础上,研发了陆面过程模式的干旱监测业务系统,使干旱监测时效提前了3天,干旱监测准确率提高了10%。该成果已经在我国北方多个省区推广应用。成果发表在Agric For Meteorol、J Hydrology、Bound-Layer Meteorol、Sci China-Earth Sci和《科学通报》等国内外高影响学术期刊上。干旱监测技术和服务产品等一系列创新成果,大大提高了我国干旱灾害和干旱致灾过程的研究水平,改进了我国干旱灾害监测与观测技术手段及业务能力,为地方政府提供了重要决策依据,并获得了甘肃省科技进步奖二等奖。

干旱对黄河上游关键水源涵养区生态环境影响

黄河流域生态治理和高质量发展是重大国家战略,黄河上游(玛曲段、洮河流域、大通河流域)是关键水源补给区,也是国家生态安全屏障。黄河上游关键补给区位于寒旱区,因特殊的地理环境和气候环境,该区域生态环境和水资源对干旱气候变化非常敏感。开展干旱对黄河上游关键补给区生态环境的影响及其监测预警技术研究对生态环境保护、水资源合理开发和防灾减灾能力提升具有重要意义。然而受自然条件和经济发展约束,区域内气象观测站点稀疏,更缺乏陆面生态系统长期定位观测,限制了对黄河上游关键水源补给区干旱与陆面生态系统水热交换和碳循环机制的认识,严重制约了对区域气候的数值模拟能力和干旱监测预警技术水平的提升。

因此,针对影响黄河上游关键水源补给区干旱对生态系统影响及其监测预警技术难题,岳平和团队利用黄河上游关键水源补给生态定位综合观测资料、气象台站观测资料、陆面格点同化数据、MODIS遥感资料以及陆面过程和区域气候模式,通过定位观测、理论分析和数值模拟等手段,在黄河上游关键水源补给区生态系统碳水循环过程、干旱的多尺度特征和干旱监测预警技术等方面取得了一系列理论和技术创新。譬如研发了基于综合观测陆面参数化方案和土壤湿度遥感产品评估新方法,有效解决了高原地区观测匮乏问题;定量评价了黄河上游水源补给区陆地主要生态系统碳收支,揭示了干旱影响碳交换和水分利用效率的机制;揭示了植被状况对区域气候变化的响应及其影响午后对流降水的机理,增强了对寒旱区土壤-植被-大气相互作用对区域气候影响的科学认识;研究了黄河上游关键补给区气候多尺度特征及极端气候事件变化规律,黄河上游关键水源补给区未来情景预估。

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