近日,中国科学院外籍院士、中科院青藏高原研究所特聘教授、瑞典哥德堡大学地球科学系教授陈德亮课题组以“亚洲降水-高分辨率观测数据集成对比评估的水资源降水产品”(APHRODITE)为准,对高分辨率的卫星(PERSIANN-CDR、TRMM)和再分析降水数据集(CFSR、ERA-Interim和MERRA2)在湄公河流域的可靠性进行了评估。APHRODITE被选作比较参考的理由在于它是亚洲唯一长时间的天尺度的降水产品,且集合了最大数量的地面观测数据,采用了改进的质量控制方法和降水地形校正。它不仅被多个相关研究当作“地面观测数据”,还被证实作为降水产品输入有助于对湄公河干流径流的模拟。

事实上,不只中国,东亚各国都受到青藏高原的气候影响。几十年前,日本便发现想准确预测日本本土的天气,需要将青藏高原的天气情况纳入到预报体系。“就如同内蒙古降温可以预测北京的寒潮一样,没有大陆的数据,岛国上冬天的寒潮、夏天的梅雨都没有办法预报。只是青藏高原对东亚天气的影响更加复杂一些。”阳坤说。

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精确的降水资料是水文气候学研究的基础。湄公河流域人口众多、拥有大规模内陆渔业产业,其水资源的动态变化具有重要意义。事实上,湄公河流域贫乏的地面观测数据,阻碍了对该区域降水动态变化的精确分析。随着科学技术的进步,卫星和再分析方法都能提供精确时空分辨率的降水数据,这弥补了观测资料的不足,特别是对于缺乏观测的偏远地区而言。目前,已有很多研究在不同空间尺度上对卫星和再分析降水数据集进行了评估。但对于湄公河流域来说,尚未有对最新的多源高分辨率格网降水数据集(卫星和再分析降水数据)的时空变化模拟可靠性进行的研究。

第一“怪”,青藏高原地面的太阳辐射比大气层顶的还强。“人类在青藏高原频繁地观测到超太阳常数的现象。”阳坤说。有科学家1979年对青藏高原观测发现,在高原地区特别是海拔相对较高的地区,会出现太阳总辐射大于太阳常数的反常现象。

图2. 原始的和降尺度后的降雨场(1998年11月和2013年6月)

湄公河流域的地形图及其1998-2007年平均降水量

近日,清华大学、中科院青藏所、中科院遥感所、四川大学联合科考队在喜马拉雅山区、羌塘高原和川西高原等地完成半个月的科考工作。项目负责人、清华大学地球系统科学系教授阳坤表示,青藏高原是中国观测数据最为稀缺的区域,团队此次获取了不可多得的连续、多地形宝贵数据,将用于开展基础研究,揭示高原特殊气候形成的机制,发现现有气象模型和卫星遥感的不足,提升未来青藏高原的天气/气候模拟和卫星监测能力,最终服务于灾害预警。

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由于降水的时空异质性及其在人类活动中起到的关键作用,掌握湄公河流域降水的时空变化具有重要意义。对于湄公河流域贫乏的地面观测现状,卫星和再分析降水数据提供了具有良好时空分辨率的降水数据的替代解决方案。该研究首次综合评估了卫星和再分析高时空分辨率网格降水数据集的可靠性,有助于改善该地区今后的降水评估。

“我们担负了TPE(即由中国科学院发起和主导的‘第三极环境’国际计划)中的工作,首先计划在青藏高原获得一套合理的降水量资料。”阳坤介绍,目前课题组设立了超过71个土壤温湿度站、55个雨量站、5个GPS水汽观测站和4个气象站,此次科考行程中下载了全部数据,并协助同事在海拔4600—5100米的高原腹地建立了3个GPS站和3个气象站。“未来我们会不断地扩展数据获取站点。”

中国科学院亚热带农业生态研究所研究员徐宪立带领课题组首先评估了两种TRMM产品在西南地区的精度和有效性,表明该两种降雨产品的精度主要取决于时间尺度,在月尺度上V6和V7均具有较高的精度。然而,遥感降雨产品精度与地形、季节和气候类型均有一定的关联。在此基础上,研究团队耦合了回归和多重分形两种方法,有效挖掘不同来源的信息,并将其用于TRMM产品降尺度研究。该方法应用于1998-2013年间中国南方地区的TRMM
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V7月降水资料,将分辨率从0.25°降为0.01°,与地面雨量计监测数据相比,取得了较为满意的效果。这项研究为地面监测缺乏地区的水文研究和水资源管理提供了技术支持。

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在青藏高原上,人们很可能会发现,前一个山坡阳光明媚,转个山梁就大雨瓢泼,又或者在明媚的阳光下接住雪花,根本不知道哪片云是雪的源头。

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“上世纪50年代,著名气象学家、中国科学院院士叶笃正先生就首先提出青藏高原能够驱动东亚的季风系统。”阳坤说,他证明青藏高原像个引擎,可以改变大气的运行。

图1. TRMM在不同气候带(B, C, D, E, F)和季节的精度表现

研究表明,大多数评估数据集能够捕捉到研究期间(1998-2007年)湄公河流域降水的主要气候学特征。总体来说,卫星数据(TRMM和PERSIANN-CDR)在整个湄公河流域的时空尺度上均显示出比再分析产品更高的可靠性;其中TRMM的表现优于PERSIANN-CDR。再分析产品中MERRA2在时间变率方面相对可靠,但其对降水量有一定的低估;CFSR和ERA-Interim均存在对降水量的过高估计。此外,CFSR在捕捉降水的空间变化上具有一定优势,而ERA-Interim对日降水概率分布的模拟则相对较好。

当时叶笃正先生和同事首先发现围绕青藏高原的南支急流、北支急流及它们汇合而成的北半球最强大急流,严重地影响着东亚天气和气候。他还指出,青藏高原在夏季是大气的一个巨大热源,冬季是冷源。

上述研究成果分别以新京葡娱乐场网址 ,Evaluation of high-resolution satellite rainfall
products using rain gauge data over complex terrain in southwest China

Spatial Downscaling of TRMM Precipitation Product Using a Combined
Multifractal and Regression Approach in South China

为题发表在Theoretical and Applied
Climatology
(2015年第119卷)和Water杂志上。该研究得到了中国科学院百人计划、国家自然科学基金等项目的资助。

相关研究成果发表在International Journal of
Climatology
上,博士研究生陈爱芳为第一作者,陈德亮为通讯作者。该研究得到了中科院战略性先导科技专项、国家留学基金委、国家自然科学基金委、瑞典STINT项目、欧盟地平线2020研究与创新计划等的资助。

这些现有气象科学无法完全解释或模拟的“怪”,恰恰说明人们对青藏高原的了解太少了。

高分辨率降水资料对水文建模和水资源管理至关重要。传统降水主要通过实地安置雨量计的方法来测定,然而,受到经济和技术的制约,难以表征区域尺度降雨分布(雨场,rain
field),特别在偏远地区,雨量计分布更加稀疏。随着近10多年来遥感技术的发展,降雨卫星遥感为区域降水监测提供了技术支撑。迄今为止,已经有10余种卫星遥感降雨产品,其中TRMM被认为是最可靠的产品之一。然而,降雨的遥感监测受到多种因素的限制,在不同地区、地形、季节都具有不同的精度。此外,卫星遥感数据的空间分辨率也不够高(TRMM为0.25°×
0.25°),开展对降雨产品降尺度的研究十分必要。

虽然有很多模型在日常预报中非常准确,但是在青藏高原这块独一无二的地区经常失灵。“要做到真的解析,必须走进实地,用脚丈量,才能提出令学界信服的修正意见。”阳坤说,此次研究有不少发现,如在冈底斯山脉的一个垭口处,测得6—9月降水量高达440毫米,本次补充的降水观测显示当前的降水分布图并不可靠。当前先进的卫星降水产品估计的夏季降水量与羌塘高原的地面观测值之间相关性甚低,也就是说很难利用这些观测站数据校正卫星降水产品,这意味着无人区水文气象研究面临着更大的挑战。

这个在外人看似遥不可及、难以理解的关联,阳坤却能给出最易懂的例证。“从气象云图看,中国东部的云团,很多时候是从青藏高原飘出来的。”阳坤说,例如根据中国气象科学研究院徐祥德院士等的研究,1998年发生在长江流域的特大洪水,从一个时间段内的云团分析后发现,青藏高原产生的影响加强了降水。

科考队在帕里高原收集雨量站数据 王铁铮摄

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