摘要：气候变化背景下西部生态环境的变化不仅反映在水环境与植被环境方面，而且影响生态系统的关键生态过程，对亚洲甚至北半球的人类生存环境和可持续发展起着重要的生态屏障作用，直接关系西部地区经济社会的可持续发展，甚至我国的国际影响与地位。尽管针对西部气候环境变化已经设置了
本期导读
气候变化背景下西部生态环境的变化不仅反映在水环境与植被环境方面，而且影响生态系统的关键生态过程，对亚洲甚至北半球的人类生存环境和可持续发展起着重要的生态屏障作用，直接关系西部地区经济社会的可持续发展，甚至我国的国际影响与地位。尽管针对西部气候环境变化已经设置了一些观测系统，但将西部气候环境变化作为一个整体进行系统监测的体系尚未建立。因此，通过对中国西部地区气候系统进行全面大范围的系统监测，进而开展气候变化的相关科学研究，对深入理解西部气候变化机制和减小对气候环境变化认识的不确定性具有重要战略意义与科学价值。
西部地区气候系统观测现状
自 20 世纪 60 年代以来，中外科学家开展了多次青藏高原大气科学试验。1979 年 5～8 月中国科学院与中央气象局开展的第一次青藏高原大气科学试验（ QXPMEX-1979），包括地面热量与辐射平衡观测、地面和高空常规气象要素加密观测，推动了 20 世纪 80 年代高原气象研究工作。1993 年 3 月～1999 年 3 月，在“中日亚洲季风机制合作研究计划”的支持下，中国气象局联合中外科学家开展了高原外场观测试验，分别于林芝、日喀则、拉萨和那曲布设了自动气象观测仪器，分析了高原上热量平衡、水分平衡、近地边界层的结构和性质以及与冰雪、冻土有关的水文特性，为亚洲季风形成机制的研究作基础性的工作。1998 年5～8 月，中国气象局与中国科学院联合实施了第二次青藏高原大气科学试验（ TIPEX-Ⅱ），相比于第一次大气科学试验，这次增加了大气边界的加密观测，分别在青藏高原中部的当雄、西部的改则和东部的昌都开展了大气边界层科学试验，与常规的高空探空、地面以及辐射加密观测一起，取得了边界层与大气结构三维立体的时空观测样本。1998～2000年，中日科学家在青藏高原中部开展了“全球能量水循环之亚洲季风青藏高原试验”［Global Energy and Water Cycle Experiment (GEWEX) Asian Monsoon Experiment on the Tibetan Plateau, GAME/Tibet］，在藏北那曲地区和青藏公路沿线设置了 2 个大气和土壤的多学科综合观测站、 6 个自动气象站、 2 个湍流观测站、 9 个土壤温湿度观测点、 1 个三位多普勒雷达站和 7 个加密雨量站，为青藏高原地表和大气之间能量交换提供了数据支撑（马耀明等，2006a， 2009 ；姚檀栋等， 2022）。进入 21 世纪，在全球协调加强观测计划亚澳季风之青藏高原试验研究［CoordinatedEnhanced Observing Period (CEOP) Asia-Australia Monsoon Project on the Tibetan Plateau, CAMP/Tibet］和中国青藏高原综合观测研究平台（ Tibetan Observation and Research Platform， TORP）的支持下，中国科学院于 2002～2004 年开展了高原中部的加强期观测试验研究（马耀明等，2006b ；Ma et al.， 2008)，除了继续 GAME/Tibet 观测项目外又增加了4个自动气象站、 1 部机载微波雷达、 2 个微波辐射计、 1 个风温廓线仪、2 个湍流观测塔、 1 部激光雷达和 2 个深层土壤温度测量系统等仪器，进一步加深了对高原地区地气相互作用的定量理解，并为区域尺度，即大气环流模式网格点提供了有代表性的陆面过程参数化方案。2006～2009年，在日本国际协力机构（Japan International Cooperation Agency， JICA）项目支持下，中日科学家实施了“青藏高原及周边新一代综合气象观测计划”，建立了包括 GPS 水汽观测、探空观测、自动气象站等组成的青藏高原及其东部大气的综合监测网。该大气的综合监测网不仅在提高对高原及其东部灾害天气气候的认识方面具有重要的科学意义，也在提高高原及其东部灾害天气气候的监测、预报、预警和评估的业务能力，减轻气象灾害造成的损失，提高气象部门防灾减灾决策能力等方面具有重要的实际应用价值。2014 年，第三次青藏高原大气科学试验（TIPEX-Ⅲ）正式启动，在青藏高原西部森格藏布（狮泉河）、改则和申扎新建全自动探空系统，填补了青藏高原西部缺少常规探空站的空白；在青藏高原中、西部建成土壤温度、湿度观测网；实施了青藏高原尺度和那曲区域尺度的边界层观测、那曲多型雷达和机载设备的云降水物理特征综合观测、高原多站的对流层 – 平流层大气成分观测（赵平等， 2018）。前两次科学试验（ QXPMEX-1979 和 TIPEX-Ⅱ）开展的陆面 – 边界层观测扩展到陆面 – 边界层 – 对流层 – 平流层综合观测，构建了青藏高原尺度和区域尺度的加密观测网，并利用多型地基雷达和飞机观测在青藏高原云降水多发区开展云降水物理过程的综合加密观测，为深入研究高原陆 – 气相互作用特征以及发展陆面 – 大气耦合模式系统提供了基础数据。
除了大气的观测，于 2017 年 8 月启动的第二次青藏高原综合科学考察研究（简称第二次青藏科考），还在青藏高原进行了水资源、生态环境地质灾害等观测，围绕青藏高原地球系统变化及其影响这一关键科学问题，重点考察研究过去 50 年来变化的过程与机制及其对人类社会的影响。第二次青藏科考将充分体现新时代“智能科考”的特点，建立空 –天 – 地观测研究网络体系，充分采用卫星、高海拔自动科考机器人、互联网、大数据处理与超级计算等新技术、新手段和新方法，从流动式观测到长期固定观测，从静态观测到动态监测，从人工观测到智能辅助观测，不断提高科考效率，助力川藏铁路、青藏铁路、川藏公路等重大工程建设、经济社会发展和国家重大战略任务实施（引自 http://www.step.ac.cn/）。
中外科学家不仅在我国第一级阶梯青藏高原上开展科学考察，还在第二级阶梯黄土高原、内蒙古高原等地区进行了多次关于大气、水文、生态学等的野外综合观测实验。1990～1992 年，在我国著名气象学家叶笃正先生和日本著名气象学家山元龙三郎教授的创议下开展了黑河地区地气相互作用野外观测实验研究（ Atmosphere-Land Surface Processes Experiment at Heihe River Basin， HEIFE），简称“黑河试验”，取得了欧亚大陆腹地典型干旱地区黑河流域沙漠、戈壁、绿洲等不同下垫面上的太阳辐射、大气边界层气象资料和绿洲生物气象资料，并收集了该地区常规气象和水文资料，为干旱地区陆面过程的理论研究奠定了观测试验基础。2007～2009 年，“黑河综合遥感联合试验”（ Heihe Watershed Allied Telemetry Experimental Research， HiWATER）在黑河流域开展，主要进行了大型航空、卫星遥感和地面同步观测试验，并发展了多尺度、多分辨率、高质量及最终完全共享的综合数据集。随后 2012～2015年，在 HiWATER 成果的基础上，研究人员在黑河流域又开展了黑河流域生态 – 水文过程综合遥感观测联合试验，通过卫星和航空遥感及地面观测互相配合的多尺度综合观测试验，实现对黑河流域生态 – 水文的集成研究。
1997～2001 年，“内蒙古半干旱草原土壤 – 植被 – 大气相互作用”（Inner Mongolia Semi-arid Grassland Soil-Vegetation-Atmosphere Interaction，IMGRASS）项目在内蒙古锡林郭勒草原执行，在草甸草原、稀疏沙地草原等试验区开展了土壤、植被、大气的相关要素和潜热、感热通量等微量气体交换量、辐射与降水分布等中尺度观测试验，以及微量气体收支、遥感和沙尘天气相关的专项观测，结合草原站已进行的长期监测资料，分析了气候生态长期相互作用，特别是人类活动干预的影响。
除此之外，目前在西部具有代表性的青藏高原已经建立了近 20 个气候系统多圈层地气相互作用综合观测站点。在第二次青藏科考中，科研人员在高原不同区域典型下垫面上建立了综合观测系统，积累了大量的一手观测数据。近几年，进一步在青藏高原西部和一些特殊地形区（如复杂山脉的不同海拔、不同坡面）进行综合观测，完善空 – 天 – 地一体化的多时空、多手段、全方位、高精度、多要素综合观测系统，建立对整个青藏高原气候变化及其对应要素进行长期、动态、自动化的综合立体观测和监测系统，并设立技术支撑平台，建立严格的质量控制标准和数据质量评估方案、规范的仪器维护和标定方法及完善的数据汇交和共享体系，实现数据远程传输、实时监控以及有效的共享与应用，建成一流的气候变化及其应对综合立体观测和监测体系。例如，中国科学院牵头组织院内所属的 17 个野外站（点），并通过与其他系统的野外站联合组建了“中国高寒区地表过程与环境观测研究网络”（简称高寒网），实现对高寒区地表过程与环境变化的长期连续监测，为地球系统集成研究、关键区域对全球变化的影响与响应、定量化辨识人类活动在全球变化中的作用等研究提供了平台支撑；为揭示大江大河源头区气候变化规律和水资源形成转化规律、合理开发利用水资源，探明生态系统结构与服务功能变化、构建生态屏障，掌握冰雪冻融等自然灾害发生机理、科学防灾减灾，以及促进区域经济社会可持续发展等提供了数据支持。中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所建立了以沙漠腹地塔中站为核心，肖塘站、民丰站、红其拉甫站和红柳河站为协同站，以及穿插在它们之间的 18 个可观测风速、风向、气温、空气湿度、气压和降水的自动气象站为整个观测体系的塔克拉玛干沙漠环境与气候观测网，为沙漠和高原间的相互作用研究、塔克拉玛干沙漠沙尘暴发展的影响研究，以及沙尘暴影响下的沙尘气溶胶远距离输送研究等提供关键的数据支撑。
综上所述，西部地区地形复杂，自然环境和气候条件恶劣，造成该地区气候系统观测不完善。一方面，虽然已经建立了一定数量的气候系统不同要素观测站点，但是专门用于观测气候系统全要素的综合观测站点稀疏；另一方面，对西部地区特有的冰雪、冻土、湖泊、沙漠等生态系统的综合观测仅处于小范围布点阶段。此外，西部地区大部分观测站点的自动化监测水平仍很低，观测精度尚未全部达到气候系统监测的要求，且很多资料不具备时间、空间上的可比性，这在很大程度上制约了我国气候变化预测的准确率。同时现有观测站网的管理、运作、维护成本高，设备保障难度大，缺乏持续支持。
设计建立西部地区应对气候变化的综合观测体系
针对西部地区气候系统观测要素不完善、观测站点稀疏、技术水平有限等问题，需要统筹优化西部地区大气 – 水文 – 生态 – 环境等综合观测站网布局，建立西部地区应对气候变化的综合观测体系，重点提升多圈层、多要素的综合协同联网观测能力。一方面，综合观测体系要充分考虑大气、陆地、生态、冰川、冻土、水体等之间的动力、热力以及生物地球理化等相互作用过程和物质交换过程的观测，加大西部地区大气要素以下方面的观测：常规探空，云微物理特征，对流层 – 平流层交换过程，生态系统碳交换，冰川、冻土和积雪变化等。同时，观测体系应当具有较为广泛的社会价值，为企业、政府部门和其他用户提供包括温度、风、降水、大气湿度、土壤湿度等气候状态变量观测以及极端天气、滑坡、泥石流、冰崩等灾害性监测，为天气预报、人类健康、能量、环境监测等相关领域提供关键且要素全面的观测资料，以减少与气候风险有关的损失。观测系统还应考虑温室气体、沙尘、气溶胶输送等的观测，为西部地区经济战略发展规划提供决策服务等。此外，气候模式也是西部地区气候预测的重要工具，模式初始场对气候预测准确性有极大影响，初始场的准确性依赖于各生态系统，如大气、水体、冰川、冻土、沙漠等的综合观测结果。多源信息综合观测资料的不足乃至空白是西部地区气候预测研究的重要瓶颈，由此造成气候模式模拟能力的欠缺也极大地制约了气候变化对各圈层影响机制的认知。因此，应满足模式预测所需要的各种初始观测资料。此外，应充分考虑气候系统模式中不同圈层相互作用过程的描述对观测资料的需求，为模式中参数化方案的建立和发展以及模式本身的发展和评估提供观测依据。
另一方面，综合观测体系应统筹优化西部大气 – 水文 – 生态 – 环境等综合观测站网布局，增强冰冻圈和干旱关键区的观测站网建设。气候系统的演变涉及五大圈层的相互作用，不同特征的下垫面与大气之间具有不同的相互作用。因此，气候观测系统应覆盖山川、河流、高原、森林、农田、草地、湿地、沙漠、冰川、冻土等各种地域特征，并且其观测应是空基、天基和地基相互补充的、立体的，可为地球科学多学科以及相关学科的研究系统地提供关键要素的大范围且长期的观测资料。针对西部地区的生态因素，对个别地区应加强观测密度，使观测要素更加合理与连续。例如，在西部地区选择有代表性的流域、主要矿产资源区和典型生态功能区，在常规气象观测基础上，利用大气边界层塔站和涡度相关系统，开展陆地生态系统的 CO2、水分、热量、动量、能量和物质交换等基础性观测，科学确定碳源或碳汇。目前各圈层的观测网在观测平台方面并不全面，在地域布局方面也缺乏综合考虑，在覆盖各种地域特征方面也存在着不足。对于卫星信息的应用来说，由于反演所需的下垫面观测的不足影响到卫星信息的应用，因此，需要从气候系统的观点出发，统一规划，找出存在重复观测和观测空白的区域，研究如何把现有的各圈层观测系统综合成相互关联、内部协调一致、相连成网，且不重复的针对气候系统的一体化观测系统。
气候观测系统由在各种观测平台上的仪器组成，这些观测平台包括地面站、气球、飞机、卫星和取样器等，而人为观测应代替一些观测仪器不能观测的项目，以保证各个圈层各要素观测的完整性及时间、空间的连续性。目前，我国仍缺少自主研发的支持西部地区气候连续遥感监测的卫星系统，造成西部地区连续的区域观测和定点高频次观测缺乏。因此，应完善现有的空 – 天 – 地相互协同、互相弥补的对地观测系统，提升多要素和多目标的自动化观测以及协同观测的能力，以便减小卫星遥感产品反演的不确定性，准确有效、快速及时地提供多种空间分辨率、时间分辨率的对地观测数据产品，为西部关键生态脆弱区、国家重大工程（青藏铁路、青藏公路等）以及山洪、泥石流、冰崩、山体滑坡、湖泊涨溢等高风险区自然灾害的监测提供重要支撑。
本文摘编自《科技支撑西部气候变化应对》，研究组组长为中国科学院院士王会军，标题和内容有调整。
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西部地区在国家发展全局中具有特殊重要的地位，是气候变化的敏感区、脆弱区，面临较高的气候变化风险，这对西部地区防灾减灾和气候变化应对工作提出了更高要求。
本书是在中国科学院重大咨询项目“科技支撑中国西部生态屏障建设战略研究”的资助下，采用文献评估、研讨会商等多种方式，在总体研判气候变化领域全球科技发展态势的基础上，围绕西部生态屏障区气候变化事实特征与风险进行全方位、系统性评估，在此基础上凝练提出了西部生态屏障区气候变化应对领域未来需要或拟解决的关键科学问题和重点发展方向，同时也提出了具有前瞻性和战略性的对策与建议，提出着重强化国家战略科技力量，在西部地区加强全国重点实验室、国家科学数据中心和国家实验室等的建设。
本书可为科技工作者、政府部门等提供参考，也可作为大众了解气候变化及其应对的重要读物。
研究组组长简介
王会军，1964年1月4日出生于黑龙江省桦川县，大气科学家 ，中国科学院院士，挪威技术科学院院士，中国科学院大气物理研究所研究员（二级）、博士生导师，南京信息工程大学学术委员会主任、中国气候研究委员会主席
来源：科学人文在线
