岳平:强化气象科技支撑,攻坚干旱前沿难题

  发布时间: 2021年04月06日 22:32:46   作者: 广丰能源网

原创 王涵 科学中国人

岳平:强化气象科技支撑,攻坚干旱前沿难题

岳平
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赖自然降水,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。
成果被深入应用于黄河上游关键水源补给区干旱监测预警、水利部黄河委员会流量预报、第三次全国水资源等重大业务与技术服务中,产生了良好的社会经济效益;申请专利和软件著作权2项,研发黄河上游关键水源补给区干旱监测预警系统1套;发表论文50余篇,SCI收录20篇,其中大多发表在AFM、JH、ERL和JGR等农林气象、水文气象和环境科学国际权威期刊,被STE、AFM和ACP等众多国际顶级期刊引评,显著提升了我国在该领域的国际影响力,并获得2020年甘肃省科技进步奖二等奖。
黄土高原农田草地生态系统
对夏季风响应
夏季风在大气环流中扮演着重要的角色,成为全球大气能量和水汽输送的主要动力机制。我国是全球夏季风最活跃的区域之一,夏季风活动不仅直接影响着全球大气环流模态和天气气候格局,而且对陆面水热交换过程和生态系统碳循环产生重要影响。黄土高原是我国夏季风影响过渡区的重要组成部分,也是农牧交错带的核心地带。黄土高原地形地貌和生态环境独特,总面积达64万平方公里,是夏季风边缘线摆动特征明显、摆动范围较宽的区域。该区域夏季风活动的规律性更强,陆面生态系统对夏季风进退的响应更敏感。
夏季风降水不仅会直接改变陆面水热特征参数,而且通过主导年降水量和季节性干旱,对生态系统碳交换起着至关重要的调制作用。黄土高原陆面过程中水分的作用十分特殊,其土壤水分作为非饱和水资源不仅为自然植被和农作物随时提供水分,而且水分输送过程是向植物传输养分的主要载体。季风降水占黄土高原年降水量的60%~70%,因此生态系统水分主要依赖于季风降水。受季风降水年际波动大和蒸散潜力高等因素影响,该区域自然植被及作物生长季节土壤水分经常性未达到最适宜状态,导致植被蒸腾和土壤蒸发过程受土壤水分胁迫影响严重。
数十年来,国际上开展了大量关于气候变化对陆面过程影响及陆面过程反馈作用的研究,我国也相继开展了“青藏高原气象科学实验计划”(QXPMEX)、“黑河地区地气相互作用观测试验研究”(HEIFE)等一系列以研究陆面过程为主要目标的综合观测试验,一方面揭示了青藏高原大气边界层动力、热力特征及其天气学意义,对典型干旱区陆面过程参数化及绿洲系统水分和能量交换特征取得了新的科学认识,另一方面也在黄土高原对流边界层发展机制、陆面能量不平衡问题及陆面过程参数化等方面取得了创新性成果,大大丰富了对陆面过程基本特征的认识。
此外,干旱所通过“黄土高原陆面过程观测试验研究”(LOPEX)的实施以及后续开展的“半干旱地区非均匀下垫面湍流输送效应及总体输送系数研究”“土壤热通量观测方法改进及其对能量平衡影响研究”等自然科学基金项目的支持,已在甘肃定西、平凉和庆阳等多个观测试验点开展了10年的地表能量和水分收支连续观测,兰州大学也在榆中建成了SACOL站,开展了12年的陆面过程综合观测。以上述观测试验为基础,已经对黄土高原地表能量平衡问题和动力学粗糙度、总体输送系数及反照率等关键物理量参数化有了较深入的认识。
然而,由于以往关于黄土高原陆面过程的研究仍缺乏不同生态系统陆面水热交换特征对比研究,尤其是不同生态系统陆面水热交换过程对气候系统的响应研究;同时,陆面模式中关于生理生态过程的描述存在较大的局限性,并未将陆面水热交换过程与植被生理生态过程紧密联系起来。因此,岳平提出,深入认识夏季风影响黄土高原不同生态系统环境要素和生理生态因子的机理,研究对黄土高原不同生态系统环境要素和生理生态因子影响陆面水热交换的环节,建立夏季风驱动下生态系统环境要素和生理生态因子与净碳交换各分量之间的定量关系,仍是黄土高原陆面过程研究中亟待解决的问题。
近年来,岳平带领团队紧扣“陆面生态系统水-热-碳循环”前沿研究领域,以黄土高原不同生态系统水热交换及碳循环这一关键问题为切入点,充分考虑夏季风对陆面过程的特殊驱动作用,致力于在黄土高原生态系统水热交换和碳循环及其与夏季风的关系研究方面取得突破性进展。他们选择黄土高原草地和典型农田(马铃薯、小麦和玉米)生态系统为研究对象,系统开展了野外综合观测试验,揭示黄土高原不同生态系统环境要素和生理生态因子影响陆面水热交换的机理,建立受夏季风驱动的环境要素和生理生态因子与不同生态系统净碳交换分量的关系,试图阐明夏季风对黄土高原碳通量年收支的特殊驱动作用。岳平认为,上述研究将对黄土高原陆面水热交换及碳循环与夏季风关系建立新的深入认识,为区域数值模式改进和干旱监测技术发展提供重要的理论支撑。目前,其团队围绕上述内容已在AFM、JH、JGR和《中国科学:地球科学》等国内外高影响学术期刊发表学术论文十余篇。
专家简介
岳平,生于1974年,南京信息工程大学大气物理学与大气环境专业博士。现任中国气象局兰州干旱气象研究所三级研究员,第八届甘肃省科协委员、甘肃省气象学会理事、中国气象学会干旱气象学委员会委员、中国气象学会兰州干旱气象研究所学术委员会委员。主要从事陆-气相互作用与干旱致灾机理研究。主持和参加完成国家级项目15项,在国内外学术刊物发表论文70多篇,其中SCI收录30多篇,参与编写专著2部。曾获中国气象学会大气科学基础理论研究成果奖一等奖1项、甘肃省科技进步奖二等奖2项、宁夏回族自治区科技进步奖三等奖1项,获得全国气象工作先进个人,第七届、第八届“全国优秀气象科技工作者”等称号,入选甘肃省“陇原人才服务卡”高层次人才和中国气象局“西部优秀人才”,是甘肃省基础研究创新群体牵头人、甘肃省气象局领军人才、中国气象局兰州干旱气象研究所干旱致灾机理及其风险预警创新团队学术带头人。
原标题:《岳平:强化气象科技支撑,攻坚干旱前沿难题》
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