青藏高原水汽交换过程的观测与模拟研究

Water vapor exchange is key to water cycle process and modulates the atmospheric heating. This project focuses on atmospheric water vapor (AWV) balance over the Tibetan Plateau. It aims to investigate the diurnal and seasonal cycles of atmospheric precipitable water, to clarify relative magnitude of the internal (between land and atmosphere) AWV exchange and the external (between the Plateau and its surroundings) AWV exchange, and finally to reveal major deficiencies of reanalysis data and WRF model in describing the AWV exchanges, by means of GPS precipitable water observations, satellite data fusion, surface water balance simulation, and high-resolution water vapor flux modeling over complex terrain. Key scientific issues are: (1) impacts of Himalayan complex topography on water vapor transport, and (2) relative contribution of the internal exchange and the external exchange to the AWV variability over the Plateau. To achieve the goal, we propose four research topics: (1) AWV variability over the Tibetan Plateau at various time scales, (2) impacts of Himalayan complex topography on water vapor transport, (3) AWV exchange between land and atmosphere at the Plateau scale, and (4) optimal configuration of WRF physical processes parameterizations for better simulations of water vapor exchange over the Tibetan Plateau. The implementation of this project will significantly increase our understanding of water exchanges between the Plateau and its adjacent regions; also, it will provide clues to reduce wet biases commonly existing in current models for the Plateau region.

水汽交换是水循环的主要过程，并起着调控大气热源的作用。本项目拟从青藏高原大气水汽平衡的角度，通过GPS水汽观测、卫星数据融合、地表水量平衡模拟、以及复杂地形上高分辨率水汽通量估计等，分析青藏高原水汽的日变化和季节变化过程，阐明水汽内交换（地气间水汽交换）和外交换（高原与周边的交换）的相对贡献，并揭示主要再分析资料和WRF模型反映高原水汽交换的缺陷。拟解决的关键问题有：（1）喜马拉雅复杂地形对水汽平流进入高原的影响，（2）外来水汽和地气间水汽交换对高原降水的相对贡献。研究内容包括：（1）高原可降水量在不同时间尺度上的变化；（2）喜马拉雅山脉对水汽交换的影响；（3）高原区域尺度的地表-大气间水汽交换通量；（4）评估WRF模拟水汽交换的性能并探索改进的途径。本项目的实施将提升对青藏高原与周边地区水交换的认识，也有助于改进当前数值模式在高原普遍存在降水偏多的问题。

青藏高原海拔高，地形复杂，气象观测稀少，对降水量时空变化的理解严重依赖于模式，但目前几乎所有数值预报模式对青藏高原水循环的模拟普遍存在湿误差（降水偏多）。本项目致力于建立观测网络，阐明降水和水汽时空变化的基本特征，揭示模式中水汽和降水误差，最后改进WRF对降水的模拟能力。取得的主要成果如下：.（1）项目组建成了地基GPS组成的亚东-拉萨水汽观测断面，揭示了喜马拉雅山区和青藏高原南部水汽传输路径和模式误差。发现（a）在喜马拉雅中部南坡，谷风往高海拔输送水汽，导致南坡的低海拔风场辐散，在高海拔辐合。极高海拔存在的冰雪冷却地表，减弱了向山脊的水汽输送，加强了冰川末端的水汽辐合；（b）复杂地形减弱了水汽输送，河谷是主要的输送通道；主流再分析水汽资料能较好地描述水汽的季节变化和季节内振荡，但是存在明显的系统性高估，且模型中水汽传输日变化过强过早。.（2）项目组建成了亚东-双湖降水观测南北断面和阿里-那曲降水观测东西断面，发现：（a）在喜马拉雅中东部高海拔地区，春季降水显著，占全年降水量的20-40%，夏季降水日变化存在双峰，更新了过去对这一季风区降水变化的认识；（b）青藏高原东西向降水格局为“东西部强，中部弱”，而不是过去所认识的“东部强，西部弱”；南北向降水存在双峰（喜马拉雅南坡、冈底斯山南坡）和双谷（喜马拉雅北侧、羌塘高原）。.（3）在WRF模式中引入了复杂地形拖曳力参数化方案，大幅度改进了青藏高原降水模拟精度。结合高分辨率和复杂地形拖曳力参数化，可以反映不同尺度地形对水汽输送的作用，显著降低风速和水汽输送通量，大大减小青藏高原特别是喜马拉雅山区风速和降水的模拟误差。..团队完成了项目的核心任务，包括加深了对青藏高原降水分布和复杂山区水汽传输的认识，改进了WRF模式在青藏高原特别是喜马拉雅山区的模拟能力。发表SCI论文25篇，核心期刊论文2篇，专著1部（章）。培养博士后3名，研究生10名。