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解码天空的真相
时间:2025-03-22  关键词:  点击量:40

气象科技成果转化优秀气象科普文章一等奖


  在沙漠与绿洲的边界上,大自然上演了一场奇妙的气象表演。想象一下,沙漠里的热空气像一群兴奋跳跃的舞者,充满了能量而轻盈地向上跃起;而绿洲里的凉爽空气则像静静坐着的观众,平静沉稳而向下沉降。这种温度差异造成的“舞者”与“观众”的上下移动,让空气形成了一个循环,我们称之为热力环流。当这个环流的底层风与周围同等高度的环境风相遇时,它们会挤压碰撞,在沙漠上空形成一种特别的气象现象——边界层辐合线。辐合线上空的上升气流比周围强得多,也就更容易触发强对流天气(图1)。


  上述的天气过程,是通过在水平均一的环境风、规则的沙漠和绿洲分布等理想条件下,用计算机进行理想数值模拟得出的理论,模拟中忽略了很多复杂的真实因素。但计算机得出的天气过程是否是真实发生的呢?确认上述天气过程的真实性,对于我们预报强对流天气的发生,有着至关重要的作用。


  在黄河几字弯的西北角,就有这样一个强对流触发的多发区。由黄河灌溉的河套灌区和周围的沙漠地貌差异巨大,复杂的山地又造成了复杂多变的环境风。这样的真实环境中,辐合线和对流的触发过程会是怎样呢? 

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图1 理想模拟中沙漠-绿洲交界剖面的边界层辐合线与对流触发过程


  沙漠绿洲辐合线与深对流观测试验团队,就是这样一个旨在解码沙漠绿洲交界处的气象过程真相的科学探索团队。他们在河套灌区蹲守了近四十天,只为了能够捕捉到真实世界中发生在沙漠上空的边界层辐合线和它所触发的强对流风暴,能够获取足够密的观测数据去进一步深入了解这两位理论上已熟悉无比的笔友,能够从“纸上谈兵”最终落实到“实事求是”。


  尽管在开始之前,团队成员已经在观测站点选址、观测时段选定等方面投入了大量精力,这场笔友约会的结局仍然是不确定的。真实世界中有太多不可控的因素,有气势汹汹的强对流,还有大快朵颐的蚊虫、屡陷沙坑的汽车、追风暴时的狂风,以及暴雨过后的全线停电。


  但试验团队并没有被这些困难击倒。无论是每天早出晚归的指挥部老师,还是工作到深夜的同伴,或是在冰雹中坚守的战友,乃至每一位在台前幕后日夜奋战的近百位团队成员,他们的努力和坚持,都是为了一个共同的目标——解码天空的真相。


  或许天道酬勤,神驰已久的笔友如约而至。这一刻,教科书级的辐合线和它所触发的深对流于大漠中真实呈现(图2)。眼见为实取得的印证,是自然科学的客观规律对团队过往辛勤摸索的最大肯定。而笔友相见之际,他们又来不及过多寒暄,时间紧迫,他们化身为一支战队,带着可以收集到垂直气象数据的移动探空气球迅速流动起来,在不同的点位上同时放飞探空气球,让气球向终于得见的老友送去久违的问候。 


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图2 2022年7月29日午后,河套灌区沙漠上空的边界层辐合线与对流触发过程(刘屹靖摄)


  经过36天的不分昼夜,试验团队使用13种加密仪器和725个移动探空气球,成功捕捉到了29条边界层辐合线,其中16条辐合线触发了强对流风暴,共发展为18个对流系统。试验通过探空小球全球首次捕捉到了完整的真实沙漠-绿洲热力环流(图3),而当沙漠上的环境风吹向绿洲时,在沙漠上空更容易形成低空的边界层辐合线,并在高空触发对流。这些珍贵的数据将部分地解码天空的真相,也正是这份来自天空的馈赠,解码了团队中每个人的赤诚真心——科学真理。 


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图3 2022年7月31日北京时15时59分,通过探空小球捕捉到的完整真实沙漠-绿洲热力环流(图片改自Meng等,2024)

( Meng Zhiyong, Xuefeng M., Chenggang W., et al., DEsert-oasis COnvergence line and Deep convection Experiment (DECODE), Bulletin of the American Meteorological Society, 2024, minor revision.)


  试验的成功,不仅验证了数值模拟结果,还将进一步从观测的角度改进数值模拟,更说明了只有通过实地观测和实践,我们才能从“纸上谈兵”落实到“实事求是”,才能真正理解复杂真实过程的物理机制。这不仅是对自然现象的探索,也是对不忘初心和求真精神的致敬。


作者:

刘泓君 北京城市气象研究院

孟智勇 北京大学

刘屹靖 江西逐雷影视文化传媒有限公司

孙一苇 北京大学



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