亞洲水塔降水被低估，需要新的觀測體系
2024年5月29日，“生態(tài)安全屏障功能與優(yōu)化體系”任務“生態(tài)安全屏障優(yōu)化體系”專題研究團隊在國際著名學術期刊《美國科學院院刊》（PNAS）上發(fā)表了關于亞洲水塔降水觀測的最新成果。北京師范大學繆馳遠教授為論文第一作者，中國科學院青藏高原研究所李新研究員為論文通訊作者。
青藏高原是包括長江、黃河、雅魯藏布江、印度河、瀾滄江在內(nèi)的亞洲10多條主要河流的發(fā)源地，為近20億人提供可靠水源，是名副其實的“亞洲水塔”。在全球變暖大背景下，青藏高原的水循環(huán)正發(fā)生巨大變化，直接影響我國的水資源利用及眾多“一帶一路”國家的水安全。降水是水循環(huán)的核心環(huán)節(jié)之一，降水的準確估算是科學開展水資源管理、水循環(huán)研究和水災害防控的關鍵。
目前普遍認為，地面儀器監(jiān)測（簡稱“器測”）是獲取降水信息最主要、最可靠的手段。然而，本研究發(fā)現(xiàn)，器測嚴重低估了亞洲水塔的實際降水量（圖1），具體表現(xiàn)為：1）實際蒸散發(fā)量大于器測降水量，2）河川徑流系數(shù)普遍偏高，3）從多個冰芯中重建的雪水當量顯著高于同期器測降水量。
圖1. 亞洲水塔實際降水被嚴重低估的三個關鍵證據(jù)
研究進一步從器測誤差和代表性誤差2個方面系統(tǒng)剖析了亞洲水塔降水被嚴重低估的原因。在青藏高原地區(qū)，降水過程中雪的比例相對較高，且常伴有強風。傳統(tǒng)地面監(jiān)測儀器的開口面積有限且底部封閉，在強風條件下易形成上托氣流，阻礙雨滴或雪花進入，從而造成降水量低估。這種由強風引起的器測誤差是影響高寒地區(qū)降水測量精度的最主要原因，在極端天氣條件下誤差甚至可超過100%。
青藏高原地形復雜，即便在一個網(wǎng)格單元內(nèi)也存在顯著的地形變化，垂直降水梯度明顯。但是，氣象站點通常位于山谷或低海拔地區(qū)，無法反映其所在網(wǎng)格單元的整體降水特征。以高程為例，青藏高原現(xiàn)有氣象站高程比相應網(wǎng)格單元（0.5°× 0.5°）的平均高程低約1 km。而對于無地面測站分布的網(wǎng)格單元，降水量需利用更遠的臺站數(shù)據(jù)進行推算，進一步降低了網(wǎng)格插值降水的可靠性，從而在區(qū)域尺度上引入代表性誤差。由于交通不便、監(jiān)測環(huán)境困難，青藏高原現(xiàn)有的氣象臺站密度（每個站點平均覆蓋22000 km2）明顯低于世界氣象組織推薦的最小站點密度。以0.1°×0.1°網(wǎng)格分辨率為例，約只有0.4%的網(wǎng)格單元內(nèi)氣象站點分布。此外，氣象站點的空間和海拔分布不均進一步降低了區(qū)域降水的估算精度，區(qū)域代表性誤差大幅增加。
研究呼吁重新評估基于現(xiàn)有器測降水數(shù)據(jù)得到的水資源、水循環(huán)和水災害相關結果，如水資源量、水循環(huán)速率、徑流組分占比等。最后，研究從儀器創(chuàng)新、站點建設與空間優(yōu)化、多監(jiān)測手段對比、數(shù)據(jù)同化與融合、深度學習等方面提出了亞洲水塔降水監(jiān)測的新方案。
原文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2403557121