科学家的【抗旱】之战

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没进入干旱研究领域前，一些科学家坦言，没想到干旱问题如此复杂，而即便研究了很多年，一些人仍会有“没有摸进门”的感觉。这也是为何面对干旱，人们常常束手无策的原因。
      对于这种损失巨大的灾害，我国还有很长的路要走。三大气象科学研究计划之一的“中国干旱气象科学研究计划”，统筹了以往“小而散”的干旱研究局面，其一期项目“我国北方干旱致灾过程及机理”参与单位多达23家，迈开了在干旱研究征程上的重要一步。

无“止战期”——干旱研究迫在眉睫，作为气象基础科学研究，从来没有止战
“气象灾害造成的经济损失占所有自然灾害的71%，其中干旱灾害造成的损失达53%。”如果不是这组数据，可能很多人意识不到干旱危害之大。毕竟，它不像暴雨来得那样猛烈。
      但当干旱出现时，几乎所有人都束手无策。眼睁睁地看着它使我国每年减产数百万吨至3000万吨粮食。更可怕的是，很多时候，人们无法精确预报干旱出现的时间和程度，就连监测都难以做到。
那些长期工作在农村的气象工作者发现，每一块地、每一种作物对干旱的响应都极为不同，现有的技术水平只能预报出降水多少，但对干旱的客观描述太难了。
      如果放到宏观尺度上看，在全球气候变暖的背景下，我国干旱灾害发生频率增高、持续时间加长、影响范围扩大、因灾损失加重，在北方干旱形势依然严峻的情况下，南方湿润地区干旱也频繁发生。
摆在眼前的这道难题，吸引了很多气象科学家的“回归”。中国气象局科技领军人才、中国气象局兰州气象干旱研究所所长李耀辉说，科学家决定揭示我国重大干旱灾害发生发展的新特征和动力学机制，深入揭示大气干旱与农业、水文、生态之间的关系。
带着这一信念，“中国干旱气象科学研究计划”就此拉开序幕。去年5月，由兰州气象干旱研究所牵头的一期项目“干旱气象科学研究——我国北方干旱致灾过程及机理”正式启动。李耀辉正是项目首席科学家，他介绍，为期四年的一期项目有23家单位参与，为的就是“解剖”北方干旱，给解题找思路。
      由中国工程院院士丁一汇为组长、15名相关专业专家组成的指导组最终确立了七大课题，研究内容既包括干旱预测技术、致灾过程和机理，又涵盖了数值模式和数据融合技术，以及农业干旱风险、干旱信息集成共享平台等，从基础理论一直延伸到实际应用。
      由此，来自全国科研、高校、气象业务部门的科研力量，开展跨学科、综合性、系统性的干旱气象科学试验研究。“以后预报干旱不仅要预报降水情况，还要提供干旱灾害风险产品。面对干旱，要从应急管理状态向风险管理转变。”这是项目成员的愿景。

战壕就位——备战同样艰难。为了环环相扣的课题，科学家扎进农田开展数据收集。
      今年4月至9月，农作物生长的关键期，从事七大课题之一的“关键区域干旱致灾过程特征和机理”的团队索性住在大田里。他们观测收集作物叶绿素、呼吸量等参数，通过控水控温等试验，找到发生干旱的各指标阈值。这是找寻干旱影响机理的关键一步。
而此时，从事另一项课题“干旱指数区域适应性和多源数据融合的干旱监测技术”的团队将这些阈值和卫星监测相结合。卫星可以获取面上的干旱情况，但一片云就会使画面“不真切”，只有通过和地面数据的比对、分析、融合，卫星在监测干旱上才会更加准确。而这是将科学研究运用于业务的重要环节。
      “七大课题环环相扣，由点到面，从不同下垫面干旱情况和典型干旱事件的研究，到刻画北方干旱的整体情况。”李耀辉描绘着项目的框架。
      如此广泛的研究内容，自然少不了试验的支撑。试验需要基础观测数据，而我国此前干旱观测分布是基于气象站的，对干旱关键参数和农作物影响情况的数据只能用“小而散”来概括。
      为此，研究者配套设计了五项外场试验，包括干旱陆面过程及大气边界层特征综合观测试验、干旱灾害致灾过程及机理综合观测试验、降水过程特征对干旱持续和解除影响综合观测试验、干旱指标区域适应性综合观测试验、干旱形成与区域水分循环过程综合观测试验。
      打开干旱科学研究计划外场综合试验布局图，可以看到规划的试验点连成一个V字型，覆盖了西至新疆、东到辽宁的我国北方广袤大地。
      经过一年多的建设，当时的布局已经在很大程度上变为现实。在定西、庆阳、平凉、武威、张掖……一座座为试验特别设计的观测塔高高竖立起来。观测塔地上部分分为5个独立的层级，每层均可以观测风向、风速、温湿度和二氧化碳/水通量等要素，以此了解从地面到空中大气的变化情况。塔的地下部分则可以获取土壤含水量、温度、热通量等与干旱直接相关的信息。许多试验站点还种有农作物，以直接观测它们在特定时间和环境下对干旱的响应。
      美国从上世纪80年代开始进行长时间序列的干旱观测，而我国形成干旱综合观测体系，当从此项目算起。

未来战争——一场战役胜利容易，而战争需要的是相当长的耐心和坚毅。干旱研究便是这样。
      2016年进入尾声，一期项目时间近半。项目办公室梳理着近两年来的成就。
      团队完成了资料收集整理，初步建立了多时间尺度干旱序列；对干旱半干旱区域气候业务模式进行优选和历史气候模拟，建立了高分辨率历史气候模拟数据库；通过外场试验，干旱半干旱陆气相互作用综合观测系统运行良好；搭建了干旱信息集成和共享系统；改进了干旱陆面过程模式和干旱半干旱区域气候模式，开展了模式在干旱监测、预测中的应用研究，开展了干旱灾害风险评估技术研究，完成干旱指数区域适应性分析……
      成绩斐然，整个项目从观测开始，分析数据，研究干旱机理问题，最终将研究结果反馈到业务运用中。如果一切顺利，今后的干旱会发现得更早，它对农作物的具体影响可以提前预判，并且找到应对之策。
      “从这个角度看，如果能有25年以上的数据积累就好了。”一些团队成员道出心声。科学家觉得，一期项目只是第一步，要想彻底摸进干旱监测预报防治的“门”，需要几代人长期不懈的努力。
      项目科学顾问组成员、中国科学院院士丑纪范举例，美国曾经开启了一项关于癌症的十年研究项目，项目结束后成果却不大。但癌症是关于人类生命健康的重大问题，这个项目又继续开展了下去。干旱也一样，它是气象灾害基础问题之一，关系粮食安全，四年即便不能解决问题，也必须坚持做下去。“只是每一步研究都要想清楚解决哪些问题，要有新的认识和突破。”
      对于干旱研究的未来，科学家纷纷献策，科学顾问组成员、中国工程院院士许健民认为，对干旱机理研究应该跳出北方地区，且要加强观测试验和模式应用的联系。专家指导组成员、中国科学院青藏高原研究所研究员马耀明建议，要在研究干旱的过程中考虑高原的作用。专家指导组成员、中国气象局研究员沈学顺和北京师范大学教授段青云建议，充分利用已有的短期气候模式。专家指导组成员、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员吕世华提出，在研究干旱风险过程中应较多考虑人类的作用。
      干旱研究注定就是一场“吾将上下而求索”的征程。

科学家发现了哪些关于干旱的秘密？
■我国骤发干旱增加了109%
      伴随高温热浪的干旱事件，通常会造成局地蒸散发增加，由于这种干旱发生发展迅速、强度大、破坏性强，通常也称为骤发干旱。科学家利用中国2474个气象站逐日地面气温和降水量数据，研究了骤发干旱长期变化趋势。骤发干旱主要发生在湿润半湿润地区，如中国南方和东北地区。1979年至2010年，骤发干旱增加了109%，主要由长期变暖引起。在1997/1998年强厄尔尼诺事件后，中国区域温度升高趋势减缓，而骤发干旱仍有显著上升趋势。
■北方干旱呈现东部变干西部变湿趋势
      土壤干旱能够引起土壤-植被-大气系统的物质和能量循环异常，对中国北方的生态与自然环境和天气气候有重要作用和影响，土壤干旱监测有助于理解陆气相互作用，评估区域尺度陆面过程对干旱影响的机理。用观测气候资料驱动陆面模式的相关研究显示，我国北方地区土壤干旱呈现东部变干、西部变湿的显著空间分布特征。
■黄土高原作物干旱有明显周期性黄土高原近地层作物生长季干旱从东南向西北依次增加。

作物生长季近地层干湿状况的异常空间分布可分为3个关键区：高原东北部区、高原南部区和高原西部区，除高原东北部区外，近地层年平均干旱指数均呈显著增加趋势，分别在1978年和1979年发生了由湿变干的显著突变。在作物生长季近地层干湿状况的3个空间分区中，近地层年干旱指数存在显著的3到4年的周期振荡；高原南部和西部区域还存在显著的5到6年和7到8年的周期振荡。黄土高原干旱化趋势腹地最大，边缘次之。
■全球陆地大部分地区正在变干
      当前，全球陆地大部分地区存在变干趋势。在半球尺度上，东半球明显变干，而西半球反之；在大陆尺度上，北美大陆整体呈现出先变湿后变干的趋势，北美大陆50oN以北区域在上世纪70年代以前先变湿，之后逐渐变干，且从上世纪90年代开始，地表变干明显；而北美大陆50oN以南区域整体变化趋势滞后于50oN以北区域，地表先变湿后变干的转折点发生在上世纪90年代中后期。欧亚大陆地表整体变干的趋势更为显著。
■非洲越来越多蒸发到大气的水分没转化为降水
      研究发现，北半球干旱区降水再循环率高于其他地区，平均再循环率在中蒙、中亚和北非干旱区分别为11%、22%和26%。中蒙、中亚干旱区降水再循环率增加的同时蒸散发增加，降水减少，说明该地区更多的水分蒸发进入大气转化为降水。而在非洲干旱区降水再循环率为下降趋势，同时蒸散和降水增加，说明该地区虽然蒸发进入大气的水分增加，但是并未转化为降水。

我们能适应气候变化所致的干旱吗？
■贝加尔针茅可以适应未来气候变化
      我们迫切需要弄清陆地生态系统能否适应未来的暖干气候。科学家研究了我国北方草地的主要优势种和建群种贝加尔针茅，发现在暖干气候下，由于光合能力限制作用代替了胞间二氧化碳浓度限制作用，导致贝加尔针茅净光合速率减小；在相对长期的水分亏缺处理下，非气孔限制降低了贝加尔针茅的光合效率，温度升高将进一步导致贝加尔针茅的光合能力降低。但是，尽管在暖干气候下，贝加尔针茅的光能利用效率受限，它的光呼吸和暗呼吸并没有受到影响，自我防御机制将使它有能力维持正常生长活动。
■内蒙古宁夏甘肃新疆等地春玉米干旱风险较高
      科学家综合考虑干旱致灾因子危险性指标、承灾体脆弱性指标等，构建了我国北方春玉米干旱气象灾害风险评估模型，确定了综合风险指数。在我国春玉米种植区，内蒙古中西部、宁夏、甘肃河西地区及新疆大部干旱灾害风险较高，黑龙江西南部、吉林西部和辽宁北部风险较低。
■黄淮海冬麦区北部可小幅扩大种植规模
      不同地区的作物生长受干旱影响有很大差异。科学家针对春小麦、玉米、冬小麦等不同作物做了大量田间控制试验。试验表明，水分和温度两个指标的不同对农田生态系统影响不同。例如，在长江中下游湿润区冬小麦拔节-孕穗期，单独增温和单独水分减少对土壤呼吸平均速率没有显著影响；水分减少且增温使土壤呼吸平均速率降低22.4%。再如，黄淮海冬麦区返青-拔节期的降水量和降水适宜度均呈现北部增加、南部明显减少趋势，黄淮海冬麦区北部可以考虑根据实际情况小幅扩大种植规模。

如何解决干旱监测预报的世界难题？
■复杂下垫面地气交换有了更优的研究方法
      科学家采用Hilbert-Huang变换（HHT）技术，分析了奈曼地区谱分布特征，并与传统快速Fourier变换方法对比，HHT变换可以更清晰地表现出湍流的频谱分布，且HHT技术可以识别稳定边界层中存在的强烈间歇特征，原始数据剔除湍流间歇后，重构后的湍流统计特征能更好满足近地面层相似性。
■搭建流域水文季节预报试验平台
      科学家用站点观测和气候预报模型，结合统计降尺度方法和大尺度分布式陆面水文模型及汇流模型，搭建高分辨率、包含空间精细网格参数率定过程和水文后处理过程的流域水文季节预报试验平台，揭示陆面初始记忆、多气候模式集合预测以及人类用水活动对黄河干流流量季节预报的影响。
■数值模式可较好模拟西北干旱气候
      科学家通过对不同模式进行比较，选择RegCM4模式作为西北干旱半干旱区域气候预测的业务模式，并用WRF模式作为研发模式，对业务模式进行不同分辨率、不同参数化过程的优选以及30年历史气候模拟，建立了高分辨率历史气候模拟数据库，并对其进行检验评估；通过遥感反演和陆面观测，更新了模式中土地利用数据及其相应的陆面参数，使模式对西北区域干旱气候的模拟效果得到明显改善；对研发模式开展了土地利用数据更新、地表反照率以及水热传输方案改进等研发工作，明显改善了模式对西北干旱半干旱区域气候模拟的效果。
■科学家能刻画典型干旱的发展过程
      利用NCEP I再分析资料，在进行插值的基础上，应用CRU资料和SRB资料对NCEP I资料进行订正，生成时间步长为6小时/次的强迫资料，并用来驱动CABLE模式。之后，将6小时/次的模拟结果处理为周平均、旬平均和月平均值，并利用百分位数方法来判断不同时间尺度的干旱特征。以河南省2001年至2002年和贵州安顺区域2009年至2011年典型干旱事件进行对比分析，检验模拟结果证明，模式对典型干旱事件具有较好的监测刻画能力。

(来源：中国气象报)