采访专家
■中国气象科学研究院研究员陈昊明、副研究员李普曦、助理研究员杨琳韵
■中国气象局横断山区(低纬高原)灾害性研究中心正高级工程师段玮、正高级工程师杨素雨、副高级工程师李耀孙
■中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室主任肖子牛
■西藏自治区气象局首席预报员多典洛珠
■中国气象局地球系统数值预报中心研究员、模式技术室主任孙健
一问
为何备受关注?
独一无二的“配置”
若一座山峦海拔超过1500米,即有可能“凌绝顶”,那当七座海拔超过5500米的山脉,紧紧相挨、平行而列,该是何等壮观的场景?
若一条奔流不息的大河,足以孕育一方水土,那七条大河同时走出山脉,奔流向四方,会给所经之处,带来多少种可能?
即便是调用最复杂的想象,怕也难以回答。但横断山区的存在,竟让人得以真真切切从现实中获知:当地球决定在青藏高原东南缘,以最大力气推挤出七座山脉,置七条河流穿插山间,让来自印度洋的暖湿气流,被青藏高原拒之门外时,获得一个于山川间进入我国的通道,那一刻,对整个横断山区乃至更大区域的天气、气候,生态、生活形态的塑造便开始了。
是的,如果想深入探讨这里的天气气候,必须从这里的“山”开始谈起。
山
通常来说,对于一座山,人们常以高度作为“度量衡”,山势的走向不用作过多考虑。但是,在我国,山脉和山脉群基本都是东西走向或东北-西南走向,因此,横断山脉成了其中那个最特殊的存在——它是国内唯一南北向的山脉组合。
当印度洋板块东北缘与欧亚板块碰撞挤压,一组褶皱山脉就被推挤了出来。在这片褶皱中,形成了伯舒拉岭-高黎贡山、他念他翁山-怒山、芒康山-云岭、沙鲁里山、大雪山、邛崃山、岷山,即“七脉”。
这也成为了“横断”一词的由来:天然形成的东西向的阻隔。
河
不过,在“断”的另一面,却还有“联”。联通的关键,就是山脉间的峡谷和峡谷中的大江大河。
作为陆地水循环中最重要的一环,水蒸气一旦抓住热量合适的时机,便会奋力向上升高,成云致雨,再一个转身冲向地面。此时,如果它们恰巧跌落到那些或陡或缓的天然斜坡,便获得了汇水成河的重要助力,以“斜坡面流”的状态,汇入低洼,流速加快,冲刷力大增。长期汇入降水,会对谷地产生竖直向下的侵蚀与破坏,也会将沟底越冲越深,形成更深的沟谷。当沟谷的深度发展到地下水所在的深度时,冲击沟除了接受大气降水的供给,也有了地下水为其持续补充水分。
终于,当这些供给、补给能够改变水流时断时续状态时,一种新的地貌便诞生了,这便是河流。
而河流的出现,竟与山脉在后面的岁月里互相塑造、相互成就——水流的切割侵蚀作用,将山的褶皱一刀又一刀地向下深切、削磨;而更深、更陡的河谷,给了以“七江”(怒江、澜沧江、金沙江、雅砻江、大渡河、岷江、独龙江,现在多提六江,此处加上了独龙江)为代表的大江大河更快的流速和更广的空间。
到了今天,这里已经成为全球地形连续“起伏转换”最显著的区域。
以梅里雪山(海拔6740米)为例,与同纬度西侧的怒江峡谷、东侧的澜沧江峡谷做减法,岭谷高差达到了4700米以上。
风
这是开始。接下来,我们将在山、水的特殊性之上,再加一重特性——当来自印度洋的季风,携带从温暖洋流而来的水汽,却被喜马拉雅山脉和冈底斯山脉两条东西向的高大山脉拒之门外时,正是南北走向的横断山脉为它们进入中国敞开了北上通道,使得我国长江以南地区得以获得来自印度洋水汽的润泽。
在此之前,西南季风必得先给横断山区留下丰沛降水。受地形影响,山脉西侧迎风坡获得了几乎要满溢出来的降水分配。而随着湿度由西向东递减,东侧背风坡则只能望水兴叹。
人
正是在这样的山、河、水汽配置下,横断山区一方面有着富集的自然资源,另一方面又环境复杂、生态脆弱。这里降水多且集中,但承载这些降水的,却是落差极大的地形和破碎的地质条件,所以横断山区也是我国地质灾害发生最为频繁的地区。
长久以来,人类都是在与自然灾害顽强抗争中生生不息。面对高山,面对洪水,面对暴雨,面对狂风,人们凝聚了勇气,也展示了科学、技术与力量。今天,新的力量正在向这片曾经以为难以企及的区域汇集。它们殊途,却同归——民生。
比如,为了那条被寄予厚望的川藏铁路,建设者们正试图翻越横断山区千山万壑,连接起世界屋脊和天府之国。
比如,为了更好地满足横断山区居民对美好生活的向往,一群科技工作者正在努力应对当地频发的自然灾害。要知道,在全球大部分地区都有不俗表现的数值天气预报模式,唯独在横断山区这片区域“偏差最大”。
世界上没有第二个横断山区。无经可取,我们必须靠自己。是时候,我们要直面横断山区,试图向这座,不,是这群险峰“攀登”了。
二问
预报到底难在哪儿?
踏入气象领域的“迷宫”
在向横断山区气象预报“高峰”攀登前,我们必须对一个重要问题有清楚的认知:准确把握这片区域的天气气候特征,究竟要面对多少难题?
横断山区,同时具有低纬高原、纵向岭谷、青藏高原东南缘破碎地形等独特地理位置和地形地貌,地处南亚季风和东亚季风的交汇带。这些特征可让每一位身处其中的气象专家如入迷宫。
“幕后”系统
地形的高低起伏与不同寻常的南北走向,给横断山区的天气气候带来了独特的影响。
从更大一些的尺度来说,横断山区受西风带影响,其主导天气气候系统包括西南季风、东亚季风、南亚高压和西伯利亚高压。
那些纵向岭谷对途经该区域的西风、东亚季风和南亚季风,同时起着东西向阻挡抬升作用和南北向通道作用。
有时,是阻碍——当西风带向东推进时,受高原大地形作用形成阻塞形势,如果西风带波动较强,会使低层大陆高压破裂,导致冷空气大举南下,沿高原绕流,进入四川盆地。有时,是通道——这里成为西南季风的水汽输送南北向通道,同时也是冷暖空气最活跃的区域之一。
从大的尺度看,影响横断山区的主要天气系统不仅有切变线、两高辐合区、南支槽、西行台风、孟加拉湾风暴等,更有那些耳熟能详的以本地地域冠名的昆明准静止锋、西南涡。
冬季,当冷空气经过重重山脉的阻挡,放慢脚步,由冷锋转变为准静止锋,徘徊在昆明和贵阳之间,便形成了昆明准静止锋。它可导致当地出现降温、降水及强对流天气,如果有充足的暖湿气流配合,常常会造成大范围的强降水及降雪天气。
处于青藏高原东南缘,受强烈的辐射强迫和山区复杂地形影响,这里也有利于西南涡生成活跃。西南涡在气象领域受关注多年,能够引起局地降雨,与其他天气气候系统耦合更容易引发大暴雨,其东移会影响我国东部地区的降水。
而破碎的地形也给更小尺度天气系统“活跃”的空间。比如云南苍山,主体位于横断山脉南端,是典型的小尺度山地。苍山复杂地形孕育了“眼花缭乱”的热力环流,其西侧存在明显的山谷风环流,而东侧山地邻近洱海,在山谷风、湖陆风和峡谷风的共同驱动下形成局地环流。
小尺度山地剖面气象观测网络建成后,研究人员发现,山顶站的降水频次约是西侧水平距离14公里外漾濞站(东侧水平距离9公里外大理站)降水频次的3.6倍(4倍),山顶站的降水量约为漾濞站(大理站)的2.7倍(2.6倍)。
不过,这样的地形条件,可作为西南地区典型南北向山地和狭长谷地最好的研究样本。
“多样”与“不均”
特殊的地理环境与多尺度的天气气候系统,使得横断山区的天气气候影响因子众多,各类气象要素的区域差异显著,多种天气气候类型交织分布,不同地区的天气气候演变特征显著不同。
每年,横断山脉西侧是全国雨季开始最早的地区之一,春季强降水频发,为横断山区全年降水发生频次最高的区域。
在横断山脉的东边,准静止锋则在该区域产生强有力的影响。静止锋锋前天气晴朗,锋后阴雨绵绵,其两侧气温呈现独特的逆海拔分布特征。一旦有中高层系统引导静止锋向西南移动,就会“唤起”暴雨、冰雹、大风等灾害性天气。
在横断山脉主体区域,因受下沉气流控制且山脉阻挡了低层东(东北)路冷空气,春冬季节的降水较东西两侧显著偏少,随着南亚和东亚夏季风爆发和推进,该地区才进入雨季。
在横断山脉及周边地区,还可产生大量由局部孤立的中尺度系统造成的局地性强降水,这就使得该地区的降水过程成为一个非常复杂的科学问题。
降水在该区域呈现的“不均匀性”可以通过数据展现:横断山区年平均降水量大值台站的降水量超过1500毫米,主要位于横断山脉西侧和南侧;但另一方面,部分台站年降水量还不到600毫米,量级几乎“砍半”。
横断山脉地区降水日变化的区域差异同样明显,夜间、上午和下午峰值并存,其中位于横断山脉西段的降水量大值区,降水日变化峰值时间出现在上午,在其他区域少见。
甚至在一场雨中,降水的“不均匀”依然明显。在气象领域,有个专业术语可以描述这种情况,即降水不对称性,这是指一个降水事件的降水量达到峰值前后持续的降水小时数之比。横断山脉地区是全国降水不对称性最为突出的区域之一。
此外,横断山区高山深谷相间排列,高山上温度低,深谷温度高,迎风坡降水多,背风坡降水少,加之气温的垂直梯度分布和山谷风的局地环流,降水和气温在垂直方向和水平方向上区域差异极其明显。
“深水区”
尽管“迷宫”错综复杂,但对横断山区气象预报难题攻关的必要性也显而易见——
横断山区是气象灾害和气象衍生灾害(山洪、滑坡、泥石流等)最严重的地区之一。提高该区域的气象预报准确率不仅为当地干旱、暴雨、冰雹等气象灾害的及时预警提供基础,关系百姓安危,还与下游地区预报质量的提高密切相关。
从更大范围来看,攻关横断山区预报,对于西南地区乃至全国其他复杂地形区域的天气预报也有重要价值。某种意义上说,中国天气和气候特有的复杂性主要来源于复杂地形的强迫影响。从这个角度看,研究多尺度、多形态地形交叠的横断山区天气气候预报问题,具有很大的科学意义。可以说,能做好横断山区的预报研究,就解决了一半以上的预报难题。
当然,对东亚天气气候来说,做好横断山区预报也有利于加深对东亚、南亚季风的相互作用的理解。横断山区西风带与局地环流在不同尺度上的耦合效应能够极大促进复杂地形区小尺度天气系统的发展,同时该区域的大江大河是亚洲人民的重要生活生产用水来源,做好横断山区预报就是保障亚洲地区人民生产生活用水最基础的一环。
正因此,必须锁定难题,然后去攻克它们。
比如在密集的山脉、峡谷、江河间,需要更完善的监测网络,捕捉中小尺度过程和系统。但苛刻的环境和高昂的维护成本都是难题。
比如对于数值预报来说,虽然已经发展百年,复杂地形区的天气气候模拟却一直都是难点。横断山区独特多样的地形地貌,使得天气和气候模式中该区域降水特征均存在明显模拟偏差,该如何解决?
现在,行动已经开始。破题关键找到了吗,该如何去实现那些目标?
三问
何以破解难题?
打一场观测预报“相互成就”的持久战
横断山脉之名,不仅体现在对交通的阻绝,也体现在对大气的影响上。这座险峻而破碎的大山,其复杂的地形、多变的天气,对于天气预报而言,同样是一道难以逾越的天堑。当前,中国气象局正针对西南地区业务能力提升持续发力,横断山脉在其中占据着举足轻重的地位。攻破这道险隘,注定是一场持久战。
观测:与其广撒网不如抓重点
观测是预报的基础,也是突破瓶颈的先决条件。应对复杂天气,织密观测网是理所当然的选择。横断山区的气象监测主要依靠地面和卫星资料,因山区地形复杂,存在较大的监测盲区,观测网的布设面临诸多实际困难,对比实际需求,资料往往不够用。
频频因火灾登上新闻的四川凉山,林火监测和扑救气象服务就受困于观测能力的限制。这里地处西南横断山系东北缘,海拔超过4000米的高峰有20多座,迎风坡、背风坡、峡谷都可能引起气流的变化,出现风向突变,以目前的监测技术和设备难以精准捕捉。
西藏的防灾减灾工作,也受到观测能力有限的困扰,2020年,边坝县发生雪崩,雪崩区域没有自动气象站,只能依靠邻镇气象站提供数据。
“站”到用时方恨少,是横断山脉气象观测的现实问题。中国气象局气象探测中心经过调研发现,在横断山区布设观测设备的主要困难在于,电力、通信等基础条件薄弱,有的地方甚至没有铺设道路,制约了设备的运输、安装及后期维护。此外,这里大气廓线的观测站点偏少,边境区域观测站稀疏,对重要天气系统的观测还存在盲区;气候系统观测相对薄弱,地气交换、水汽循环、碳源碳汇等领域观测稀少。
万丈高楼平地起,作为预报的“地基”,构建面向需求、立体精密的气象监测体系,是解决横断山脉预报难题的必由之路。在云南,气象部门正在加强观测站网建设,继续填补地面观测空白,实现对复杂山地强降水、准静止锋和强对流等重要天气系统和雷电、大风、冰雹等气象灾害的较完整监测。
但地面观测的加密,受制于地理条件的限制,有其极限。中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室最新研究认为,开展观测站网布局优化研究,找到布局敏感关键区,结合卫星开展空天一体化观测,才是未来解决问题的途径。
预报:找准关键点闯入“深水区”
长期以来,复杂地形的数值预报一直是难点问题,症结就在于不能真实再现地形效应。横断山脉及其周边地区,独特多样的地形地貌使得天气和气候模式中该区域降水特征均存在明显模拟偏差。作为世界上气象灾害及其衍生灾害最严重的地区之一,横断山脉无疑是检验数值预报能力的“深水区”。
走进“深水”、乃至看透“深水”,需要观测与预报相辅相成,观测为预报提供数据,预报在此基础上不断改进,为观测更好地“抓关键”提供依据。在横断山脉,气象部门希望通过两者间良好互动形成的良性循环,最终打造性能良好的数值预报模式。
复杂地形引发的复杂降水,是横断山脉最值得关注的天气。针对地形降水,气象部门希望用让一部分站点“先富起来”的方式,叩开山地降水分析的大门。例如,以大理国家气候观象台作为横断山脉中部苍山-洱海一带复杂山地代表站、德宏州盈江县昔马站作为横断山脉南端西坡降雨极大值代表站、红河州弥勒站作为云贵高原东坡静止锋影响关键点代表站,联合开展大气综合观测试验,为开展山地降雨的精细化特征分析与发生发展机理研究和数值模式评估奠定观测基础。
易形成连阴雨天气的昆明准静止锋,是横断山脉多发连阴雨天气的“幕后大佬”,自然也是预报攻关的重点。气象部门为此积极推进弥勒昆明准静止锋科学研究试验基地建设,构建“1站2网”(核心观测基地-局地地形影响观测网-东部联合观测组网),建立昆明准静止锋长期稳定的业务观测网。在此基础上,探讨昆明准静止锋的活动规律、日变化特征,研究与其他天气系统的相互作用,提炼昆明准静止锋背景下天气要素的预报指标。
不只昆明准静止锋,大到南亚季风和东亚季风,小到西南低涡、南支槽、西行台风、孟加拉湾风暴等天气系统,都对横断山脉天气有重要影响,带来中小尺度暴雨、强对流天气等预报难题。
破解这些难题,犹如“升级打怪”。优化站网布局,地空天协同观测;抓住典型天气,充分揭示科学机理……气象工作者在这条崎岖的山道上,还有很远的路,必须要一步一步扎实向前。
(张艺博 王美丽 王亮 谷星月对本文有贡献)
(作者:卢健 赵晓妮 刘钊 张歆平 周蓉 王建云 孙晓光 责任编辑:颜昕)