蘭州乾旱氣象研究所:乾旱研究是一個漫長的徵程

　　中國氣象報記者孫楠　　

　　中國氣象局蘭州乾旱氣象研究所（以下簡稱乾旱所）在這徵程中無疑是一頭領頭羊，攻堅的都是「急難險重」的乾旱問題。

　　近年來，乾旱所確立了「乾旱形成機理與乾旱監測預測技術」「乾旱陸-氣相互作用及區域數值模式發展」和「乾旱氣候變化影響與適應」三個學科方向，圍繞「中國乾旱氣象科學研究計劃」和「西北區域數值預報模式發展」兩大科技攻關任務，取得了一批創新成果並推廣應用。

　　乾旱所作為第一完成單位的科研成果「中國西北乾旱氣象災害監測預警及減災技術」榮獲2013年國家科學技術進步二等獎，這是首次由氣象部門專業研究所主持的項目榮獲國家級獎項。

　　中國氣象局專業氣象研究所2016年度評估報告評價，乾旱所在乾旱氣象和防災減災技術科學研究方面取得了重要研究成果，尤其是作為一個專業研究所，能獲得國家科學技術進步二等獎，實屬不易。

　　走進乾旱所，探尋乾旱研究的前沿陣地。

　　強化支撐篇——不僅是研究，更要解決實際問題

　　乾旱雖不如暴雨般猛烈，但它導致我國每年糧食減產數百萬噸至3000萬噸。而且，當乾旱出現時，幾乎所有人都束手無策。當氣象工作者想去了解它，卻不斷發現它的神秘和深奧——每一塊地、每一種作物對乾旱的響應都極為不同，監測、預報、防範，每一環節都「太難了」。

　　「乾旱所所做的，就是通過將科學成果應用推廣，最終解決乾旱監測預報預警的實際問題。」 中國氣象局科技領軍人才、中國氣象局蘭州乾旱氣象研究所所長李耀輝說。

　　例如，乾旱所依託行業專項「多時間尺度乾旱監測與預警、評估技術研究」、中國氣象局氣象關鍵技術集成與應用項目「低頻振蕩在北方乾旱月尺度預報中的推廣應用」、乾旱氣象科學研究開放基金等相關項目的研究成果，開展了乾旱指數區域適應性研究，提出了不同區域不同季節適應的乾旱指數。

　　再比如，開發完成了「乾旱-沙塵暴過程低頻方法預報系統」，實現對未來10天至40天乾旱過程的預報。基於該系統輸出的產品，從2013年至2015年，對每年6月至10月黃河上遊龍羊峽入庫月度徑流進行了預報，其預報徑流距平正確率達到100%，為黃河上中遊水量調度辦公室在黃河上遊梯級水庫的運行調度決策及水電預測計劃提供了很好的參考依據，取得了較大經濟效益。

　　當然，乾旱監測預報的重要一環就是對降雨的判斷，這就少不了數值模式這個基礎。於是，乾旱所加快區域數值模式預報系統研發，在甘肅省氣象局的指導要求下組建西北區域數值預報中心。

　　西北乾旱地區地形複雜。以甘肅為例，甘肅海拔幾百米至5000米不等，地表缺少植被，陸氣交換微物理過程也與東部不同，很多模式對該地區的天氣氣候預測有很大的局限性。

　　2015年5月，西北區域數值預報業務試驗系統0版本正式業務運行。在一年多的改進完善後，0.1版本正式上線，西北區域數值預報業務試驗系統使用衛星遙感產品反演的最新土地利用數據替換現有模式中的數據；進行了垂直層加密；融合處理了GFS和EC兩種資料，改進模式驅動資料的精確性，能夠提供逐小時精細到3公裡的氣象要素預報。目前，預報產品已推廣至西北地區。

　　西北區域數值模式已經發揮了成效。去年8月24日，甘肅河東地區出現強降雨，其過程累積雨量和最大雨強均超過2010年8月8日的強降雨，正是由於數值預報水平的提升，使得預報預警及時準確，人員傷亡率降至最低。

　　中國氣象局專業氣象研究所2016年度評估報告評價，「區域數值模式業務系統在災害天氣預報中發揮了重要作用，尤其乾旱所，實現了區域數值模式從無到有的突破。」

　　除此之外，乾旱所還將科技成果轉化聚焦在國家戰略決策上。

　　甘肅省委副書記、省長林鐸對一份名為《謹防氣候變化成為西部地區因災致貧新「窮根」》的材料作出重要批示。隨後，甘肅省氣象局向省人民政府上報了《甘肅省氣象局關於落實林鐸省長重要批示精神的報告》。報告中乾旱所的科研成果「氣候變暖背景下馬鈴薯最佳播種方案」作為氣象精準扶貧脫貧舉措內容被重點提出。

　　「研究乾旱問題，就要考慮解決戰略性問題。」李耀輝認為，不僅要解決當前農業生產面臨的難題，還要從長遠考慮。

　　以旱作農業的代表馬鈴薯為例，它被西北群眾稱為脫貧的「金蛋蛋」。但隨著氣候變暖，馬鈴薯適宜播種的條件發生了變化，按傳統播期種植的馬鈴薯在結薯和塊莖膨大期正好遇上高溫時段，導致產量低而不穩，品質下降明顯。

　　為此，乾旱所在定西建立試驗基地研究溫室氣體對植物生長的影響。通過試驗對比發現，氣候變暖後除7月10日播種的馬鈴薯產量較傳統播期偏低外，其餘推遲播期的產量明顯增加，播期較傳統播期推遲20天到1個月左右。

　　粗略統計，定西市馬鈴薯平均每畝增產93公斤，年增收1.55億元。該成果向青海、寧夏的部分地區進行了推廣。

　　諸如此類服務於國家戰略的研究還有很多，如依託 「氣候變暖背景下我國南方旱澇風險評估與對策研究」項目，與國家氣候中心和中國氣象局武漢暴雨研究所開展合作，編寫《未來5年至10年我國南方將更旱更澇 應高度重視旱澇對經濟社會安全的威脅》決策諮詢報告；如依託 「農田水分利用效率對氣候變化的響應與適應技術」「全球變化對乾旱半乾旱區的影響與適應對策」等項目，完成了《適應氣候變化、提高農田作物水分利用效率的適應技術和對策》與《氣候變化對我國乾旱半乾旱區農業的影響與適應對策》評估報告。

聚焦重點篇——紮根乾旱研究，打鐵還要自身硬

　　弈棋落子，首重布局，抓住核心，事半功倍。李耀輝認為，乾旱所之所以在國內乾旱研究上保持領頭羊的位置，正是因為抓住了研究領域的「牛鼻子」，制定了優化學科布局方案，主動適應氣象科技體制改革的新要求，面向核心業務發展需求，將研究方向調整和凝聚到重大核心技術攻關上。

　　在這份成績單上，是累累碩果——

　　在西北乾旱氣象災害監測預警及減災技術集成研究領域，乾旱所對西北乾旱形成機理及重大乾旱事件發生、發展的規律有了新認識，尤其是發現了形成西北乾旱環流模態的四種主要物理途徑；研製了西北乾旱預測新指標、乾旱監測新指數及監測農田蒸散新設備，明顯提高幹旱監測準確性；提出了山地雲物理氣象學新理論，開發了水源涵養型國家重點生態功能區-祁連山的空中雲水資源開發利用技術；發現乾旱半乾旱區陸面水分輸送和循環的新規律；揭示了乾旱氣候變化對農業生態系統影響新特徵；開發了旱區覆膜保墒、集雨補灌、壟溝栽培、適宜播期等應對氣候變化的減災技術。這些成果使西北重大氣象乾旱事件預測準確率提高10%左右；並且，根據此開發的人工增雨抗旱決策指揮系統，每年科學指揮人工增雨作業面積達24萬平方公裡，根據模型計算每年增加降水15億立方米，直接經濟效益15億元，有效保障了該地區糧食連年穩定增產。

　　在農田水分利用效率對氣候變化的響應與適應技術研究領域，科學家揭示了氣候變化對作物產量和葉片水平水分利用效率（WUE）的影響規律和機理；發現了氣候變化背景下施肥、灌溉技術對作物水分利用效率的影響特徵；預估了氣候變化對農田土壤水分、作物需水量及水分利用效率的影響；提出了適應氣候變化、提高旱作和灌溉農田作物水分利用效率的適應技術和對策；確定了適應氣候變化的灌溉量指標和最佳灌溉方案；開發完成「作物灌溉時間灌溉量預報系統」，可對灌區作物的灌溉時間和灌溉量進行預測。

在乾旱貧瘠的西北地區，乾旱氣象研究十分重要

　　在多時空尺度乾旱監測與預警、評估技術研究領域，科學家以我國黃淮海、西南地區為重點研究區域，進行了多時間尺度乾旱監測指數以及乾旱遙感監測指標在重點區域適用性比較，建立了針對不同區域最適用的乾旱監測指標。科學家針對典型區域乾旱以及重大乾旱事件進行了大量成因分析，建立了針對不同典型區域乾旱的影響機理概念模型。科學家開展大氣-土壤-植被水分和能量的循環過程和相互作用的觀測與試驗，建立了半乾旱區作物含水量監測模型。科學家開發了以CABLE陸面模式為基礎的乾旱監測技術，進行了基於GIS的潛在蒸散量/降水空間分布的精細化模擬，開展以增加動態植被和地下水為目標的NoahMP方案的WRF模式對區域乾旱事件預測的研究，建立了SSA-MEM和OSR集成的乾旱預測新方法。根據這些研究，科學家建成了多時間尺度乾旱監測預警評估系統，具備實況及預警監測、歷史乾旱查詢、資料管理和系統管理功能，現已試運行。

　　在乾旱半乾旱區陸面過程試驗研究領域，科學家揭示了黃土高原冬、夏季陸面輻射和熱量特徵及陸面過程氣候特徵；研究了夏季風盛行期我國北方典型區域陸面水熱過程特徵；首次發現植被下墊面動力學粗糙度長度與近地面層大氣動力狀態之間存在複雜的相互作用過程；還分析了黃土高原地區典型非均勻下墊面湍流源區、半乾旱草地近地層湍流溫溼特徵及總體輸送係數、中國北方不同氣候區晴天陸面過程區域特徵差異等。科學家發現黃土高原地表能量不閉合度與垂直感熱平流的關係並研究了其對地表能量平衡的貢獻；也分析了空氣熱儲存、光合作用、土壤垂直水分運動和遞漸過程對地表能量平衡的影響；發現黃土高原陸面水分存在不平衡現象，分析了陸面水分不平衡的影響因素；分析了非降水性水分來源對陸面水分收支的影響、黃土高原半乾旱區降露水形成的大氣物理特徵……這些研究進一步完善了西北區域數值預報業務試驗系統中相應的參數，使得乾旱預報和天氣模式預報效果都得到提升。　　

科學氛圍篇——十年如一日，在大西北揮灑青春

　　從事乾旱研究需要耐得住寂寞和辛苦。

　　在大西北，乾旱所青年科研骨幹王小平幾乎連續十年，每年5月至8月都泡在大田裡，有的時候會待到10月。她記得好幾個國慶節都在田裡掰玉米。

　　王小平主要研究方向就是農業乾旱監測。

　　要知道，不同的作物、不同的田地，在同樣的天氣條件下，都會有極其不同的乾旱響應，這也是乾旱監測的難題，畢竟科學家不能在每一個田地裡建造觀測站。但按照傳統遙感方式監測乾旱，很難挖掘和捕捉到乾旱的具體響應。如果用高光譜觀測則會大為不同，生物量、葉面積等指標的響應都能被監測到。

　　這個領域很前沿，國際上涉足的也不多。而王小平做的就是通過高光譜儀，反演出不同情景下農作物的變化情況，建立參數指標，以便未來能將高光譜衛星用於乾旱監測上。

　　聽起來容易，做起來難。「開始觀測時還是有點『怵』。」王小平說，最難的是趕天氣，在植物的生長期裡，最關注的就是天。雖然相比颱風、暴雨監測，乾旱監測相對安全，但趕上晴天，就要出門，最優觀測時間偏偏又在10時至14時，王小平和同事們常常戴著草帽或頂著毛巾在烈日下進行觀測，一個作物生長期下來，能曬脫一層皮。

　　「年輕的時候就住在大田邊，成家有了孩子後，就日出而作日落而歸，有的時候也不得不帶著孩子去觀測。」從小姑娘到為人母，王小平的研究思路也越發清晰。「沿著這條路走下去，積累的數據多了，就能夠有更精細化的乾旱監測技術，能夠量化哪些農作物出現了何種程度的乾旱，防禦就更有針對性。」

　　和王小平一樣，另一位青年科研骨幹是王素萍。她主要從事乾旱監測和乾旱氣候變化研究，雖然不像王小平那樣常年在甘肅地區乾旱一線，但她在繁雜的觀測數據中理出頭緒，建立了適用於不同地區乾旱監測的K指數。

　　從建立到不斷完善K指數，她從2009年開始就沒有間斷過。在此之前，全球有五六十種乾旱監測指數，但每種指數物理基礎不同，在同一地區，有的指數適用，有的則不適用。

　　自主研發的K指數克服了全國用一個乾旱閾值的不合理性，同時還細化了乾旱監測的結果，以便於追蹤乾旱的發生、發展和演變過程，為乾旱風險管理和對策提供了理論基礎。

　　目前乾旱所的乾旱監測中試平臺對乾旱過程進行監測，並向各省市進行推廣。「乾旱所自主研發的K乾旱指數對指導各省區開展乾旱監測業務發揮了重要作用。」 中國氣象局專業氣象研究所2016年度評估報告這樣評價。

　　截至2016年，乾旱所固定人員為56人。

　　如果不是他們將青春拋灑在大西北的土地上，怎會有如此豐碩的科研成果——2012年至2016年，以第一單位共發表科研論文527篇，專著4部。其中在SCI、SCIE、EI收錄刊物上發表論文87篇，在核心期刊上發表論文384篇；取得計算機軟體著作權兩項。

　　李耀輝說，通過培養高水平的學術帶頭人，乾旱所形成梯級分明、結構合理、具有可持續發展的人才隊伍，從而實現學科建設、人才培養和科研工作的有機結合和互相促進，形成一種良性循環。

　　正是在這樣的科學氛圍中，他們為乾旱研究默默奉獻著。

　　（責任編輯：趙天宇）