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研究追踪
破解沙漠绿洲下垫面强对流天气密码：DECODE试验带来新认知
中小尺度天气系统引发的灾害性天气，如短时强降水、雷雨大风、冰雹、龙卷等，一直是气象预报的难题。近日，一项由国家自然科学基金重点项目“不均匀植被分布下垫面强对流触发和组织演变机理”支持的“沙漠绿洲辐合线与深对流观测试验（DECODE）”被国际TOP期刊《BAMS》接收（https://journals.ametsoc.org/view/journals/bams/aop/BAMS-D-23-0222.1/BAMS-D-23-0222.1.xml）。该研究将为我们揭开沙漠绿洲交界强对流天气形成的神秘面纱。
DECODE试验团队合影
2022年6月22日至8月9日，历经48天，“沙漠绿洲辐合线与深对流观测试验（DECODE）”在我国内蒙古自治区黄河河套地区顺利完成。该试验由北京大学、内蒙古自治区气象局、南京信息工程大学、厦门海峡气象开放重点实验室、厦门大学、南京大学、国家卫星气象中心、佛山市气象局、江西逐雷影视文化传媒有限公司协同开展。
DECODE的科学目标：一是理解导致边界层辐合线（BLCL）形成、对流触发和组织相关的陆气相互作用、边界层过程和天气背景，获得边界层辐合线及其相关对流发生发展的热动力和微物理观测数据，以及沙漠绿洲两侧土壤和近地面大气的温、湿、能量通量、边界层的温、湿、风结构及其日变化特征观测数据；二是评估对流可分辨数值模式在预报边界层辐合线和相关对流触发方面的技巧，通过同化DECODE收集的观测数据提高强对流天气的预报准确度。
01
为什么选择河套地区？
河套地区独特的地理环境——黄河灌溉的绿洲与周围的沙漠形成鲜明对比——为研究边界层辐合线提供了天然的“实验室”。
河套地区地处我国西北半干旱到干旱地区，其中由黄河灌溉而成的河套灌区是亚洲最大的灌区之一。河套灌区作为绿洲，其周围环绕着库布齐沙漠、乌兰布和沙漠、桌子山和狼山，使得整个河套地区下垫面极其复杂。科研人员发现，这种特殊的地理环境导致了边界层辐合线这一对流触发关键因子的频繁发生，在合适的天气条件下，这些边界层辐合线会触发强对流，部分强对流会往下游发展加强，甚至有可能影响到山西、河南、安徽等地，这使河套地区成为了华北地区一个重要的强对流天气触发源地。然而，由于沙漠地区观测稀少，缺乏相关边界层辐合线及其对流触发的机理认知，这给当地和下游地区的强对流预报预警带来了巨大挑战。
河套地区陆面植被分布特征（作者供图）
02
DECODE试验的观测成果
DECODE外场试验通过沙漠绿洲两侧的土壤温湿、边界层探空、微波辐射计、多普勒激光雷达、C波段双偏振雷达、风云四号卫星的超快速扫描、以及飞机观测，捕捉到了29条边界层辐合线（其中16条触发了对流）、66条阵风锋、12条水平对流卷和一个龙卷风。通过对大量观测数据的初步分析，试验团队获得了沙漠绿洲交界完整的边界层垂直热力环流，这是相对于以往垂直环流仅有局部观测的重要进展。试验获取了沙漠绿洲两侧土壤和边界层温、湿、湍流通量、边界层高度等的特征差异、以及沙漠绿洲交界强对流天气独特的云微物理特征，展示了沙漠绿洲交界对流触发与边界层辐合线、水平对流卷、阵风锋之间复杂的相互作用，为我国黄河河套沙漠绿洲交界边界层辐合线和对流发生发展过程以及物理机制研究取得了大量珍贵的观测数据。
DECODE试验的测站分布以及各站点的观测设备（作者供图）
DECODE试验捕捉到的辐合线分布以及阵风锋、水平对流卷和龙卷风示例（作者供图）
DECODE试验在2022年7月31日15:59通过加密边界层探空获得的完整热力环流（作者供图）
03
DECODE外场观测试验的意义
DECODE外场观测试验是国际上首次专门针对非均匀植被下垫面边界层辐合线及其相关对流触发的系统性观测试验。该试验的成功开展为推进干旱半干旱地区复杂下垫面陆气相互作用、边界层过程、植被和地形差异对强对流天气的影响机理研究、以及数值模式陆面和边界层物理参数化方案的改进提供了宝贵的观测数据，也为强对流动力学与灌溉、风电场、和沙尘事件的交叉学科研究提供了重要平台。此外，该试验的开展拓宽了当地预报员的视野，加深了对河套地区强对流分布及其预报偏差特征的理解，也为未来关键观测站点的布设提供了重要科学依据。DECODE的成功开展有望深化我们对陆面特征与大气之间相互作用的理解，增强我们在干旱和半干旱气候区非均匀植被和地形下垫面强对流灾害性天气的预报预警和防灾减灾能力。
2014-2023年河套地区的闪电分布，显示库布齐沙漠到绿洲东部的闪电主要由辐合线触发对流造成（作者供图）
04
DECODE观测试验纪录片
DECODE试验团队由来自8个高校和气象业务部门的近百人组成，其中包括20多名学生。观测团队克服了疫情和沙漠无人区观测带来的种种困难，通过指导组、观测组、数据组、模式组、预报组、后勤组和秘书组的分工协作，齐心协力圆满完成了科学目标。整个观测试验从开始之前的站点勘察到外场试验的人员进驻、仪器安装、观测值班、晨会、天气会商、移动小球观测、飞机作业、以及文献交流和科学培训的点点滴滴，都凝聚在了观测试验的30分钟纪录片《追风48天》里。 48天的时间，观测团队经历了许多困难，甚至是遗憾，但更多是面对挑战时群策群力、毫不认输的姿态。
纵使大自然有再多的不确定性，总会有这样一群人，初心不改，始终以满腔的热爱去跨越那一场场山河。
DECODE观测试验纪录片
DECODE影像素材下载链接：
https://opendata.pku.edu.cn/dataverse/DECODE_VIDEO_CATALOG
延伸阅读
孟智勇团队近期发表在AAS的论文
Lanqiang BAI,Dan YAO, Zhiyong MENG, Yu ZHANG, Xianxiang HUANG, Zhaoming LI
2024, 41(9): 1704-1720.doi:10.1007/s00376-023-3096-4
A Tri-mode of Mock-Walker Cells
Han QIN,Ji NIE, Zhiyong MENG
2024, 41(4): 671-679.doi:10.1007/s00376-023-3032-7
Lanqiang BAI,Dan YAO, Zhiyong MENG, Yu ZHANG, Xianxiang HUANG, Zhaoming LI, Xiaoding YU
2024, 41(6): 1115-1131.doi:10.1007/s00376-023-3095-5
本文作者：孟智勇
编辑制作：金 玲
审阅： 周 玲
校对: 石傲兰
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大气科学进展
《大气科学进展(英)》(Advances in Atmospheric Sciences，简称AAS)——中国大气科学领域学术水平最高的英文期刊之一，1984年创刊，1999年被SCI收录。最新影响因子6.5，JCR分区位列Q1区。
AAS主要发表大气和海洋科学领域的创新性研究成果，刊登气候学、大气物理学、大气化学、大气探测、气象学、天气学、数值天气预报、海洋-大气相互作用、人工影响天气和应用气象学等各主要分支学科的国际最新创造性论文和研究进展的综合评述。AAS积极扩展栏目，除学术论文外，还设有数据描述文章、会议报告（特邀）、学科亮点(News&Views)（特邀）、展望（Perspectives）（特邀）及有关大气科学领域研究进展的讨论等。
AAS由国际气象学和大气科学协会（IAMAS）中国委员会、中国科学院大气物理研究所、中国气象学会主办，由Springer和科学出版社共同出版，是国际IAMAS的合作期刊。来自9个国家、36个专业科研机构的60多位优秀责编全程监督审稿过程。
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