說到天空，怎么能少得了云。

神秘的雪域高原，藍色天幕籠蓋四野，遠山含雪、云海聚散，動靜相宜，引人遐想……

01 高原云天 與眾不同

《黃帝內經》在《素問·陰陽應象大論》中是這樣解釋云雨天氣現象形成原因的，“地氣上為云，天氣下為雨；雨出地氣，云出天氣”。翻成白話文意思是說地球表面的江河湖泊、地表面及植物中水分在太陽加熱的作用下蒸發，造成氣體上升至天空，形成美麗的云朵，云朵在高空變冷凝結成水，在重力作用下，又成為雨水掉落在大地；雨是源自于上升的地表水汽，云是因為空氣抬升降溫而形成。

云作為天氣系統的一種表現形式，可幫助驅動水循環和整個氣候系統，能在調節地球能量平衡、氣候和天氣方面起著關鍵作用。不同的大氣物理過程會生成不同的云，天空上飄著的每一朵云都有不同的名字，而且每種云的背后都可能伴隨著一種天氣現象，比如表征晴好天氣的卷積云、表征風雨來臨的積雨云，所以云就像是天氣的“指示牌”：出現了什么樣的云，就將出現什么樣的天氣。

高原的云朵，離天空更近，空氣更稀薄，氣溫隨高度迅速下降，晝夜溫差大，大氣層保溫作用更弱，再加之高原地形變化劇烈，多種因素促進了高原夏季對流旺盛，云朵也更加隨意和灑脫，比低海拔地區的云形態要豐富得多。

首先上場自然是壯觀的旗云：

在青藏高原，只有少數山頭會形成這種旗云。旗子般的云彩，是高海拔山峰佇立的標志，也是登山者賴以判斷氣象條件的指標。

對于珠峰的攀登者來說，若“旗”指向西北，則說明風向為東南，意味著天氣要轉為雨雪；若旗云指向東方，說明天氣晴好，適合沖擊登頂。

**莢狀云：**由于長相與豆莢有些相似，氣象學上稱之為莢狀云。由于獨特的高山地形作用當氣流快速爬升經過山脈，就如同波浪一樣起伏。如果莢狀云正好形成在山頂上空，就形成冠狀云，而不像莢狀云可形成在山麓的山腰上，在高大山脈被風坡一側形成的云。

圖2 莢狀云在尼泊爾Annapurna山區高山不同高度的形狀（a）柳葉眉狀 (b)山帽狀（c）UFO狀，圖源：第二次青藏科考隊

**爆米花云：**由于高原的強輻射和地形抬升，造成當地對流活動頻繁，極易觸發對流泡形成積雨云，生成高原獨有的“爆米花”狀云系。對流云像柱狀體，水平尺度比較小、垂直厚度高，可以突破逆溫層的“暖蓋”，形成“爆米花”狀的云。由于它是陽光的終結者，可能不是最受歡迎，但卻是最多變的云彩之一。

圖3 爆米花云，圖源：VCG

**淡積云：**底部較平，頂部呈圓弧形凸起，像小土包，孤立分散的小云塊，云體的垂直厚度小于水平寬度。

圖4 淡積云，圖源：VCG

**堡狀云：**云層底部水平，云層上部不平整，這是因為大氣不穩定性增加，云層向上發展成鋸齒狀凸起小云塔，形成一種像碉堡或城墻垛似的云。若出現這種云，可以預測會有不穩定天氣出現。

圖5 堡狀云，圖源：VCG

**乳狀云：**正如其名那樣，云朵形狀是乳狀或者呈袋狀，所以又被稱為“乳狀積云”。

一般要有強大的空氣浮力和旺盛的對流條件才能形成。因此，它的出現往往預示接下來很可能會有雷暴大風等極端惡劣天氣出現。

圖6 乳狀云，圖源：VCG

**幡狀積云：**一朵積云發展成了它。絲絲縷縷飄在空中的是雨幡，即空中降水。這是由于雨滴在下落過程中未及落地，在空中其完全蒸發之前會形成絲狀條紋懸垂物掛在云端下面，從遠處看就像是一個旗幡。

圖7 幡狀積云，圖源：VCG

02 高原更暖濕 監測正當時

古人“觀天象，知天意”，斗轉星移，現如今，我們可以借助科學儀器從云中讀取的溫度、濕度、風場和氣壓等信息，經過超級計算機的數值計算和模擬，輔以人工訂正，就可以對天氣做出更為準確的判斷。而對于高原氣象人來說，高原上的云朵形態豐富多彩，當仁不讓地成為天然“實驗室”，吸引科考隊員在這里破解高原大氣密碼，通過“觀天”來“識天”。

除了變化多端的云朵，青藏高原的異常氣候變化也在吸引科考隊員去破解密碼。原本“高處不勝寒”，干旱、寒冷，是青藏高原給人們的“傳統固有”印象。

然而，不同以往，科學研究表明，如今青藏高原已成為受氣候變暖影響最典型的地區之一。這是因為高緯度、高海拔地區更易受全球氣候變暖因素的影響，青藏高原作為全球中緯度地區海拔最高的地域，受全球氣候變暖影響明顯。近50年來，青藏高原暖濕化顯著，1961—2020年，青藏高原每10年平均氣溫就上升0.35℃，這一數字是全球同期變暖速率的兩倍，變暖趨勢在羌塘高原和柴達木盆地尤為明顯，升溫速率達到每10年0.4℃。而如果把時間線進一步縮短到1981—2020年，高原升溫速率甚至可達每10年0.5℃！2019年6月25日至29日，拉薩連續5日平均氣溫超過22℃，達到了我國氣候季節劃分的夏季標準，標志著拉薩自1955年有氣象觀測記錄以來首次入夏。

圖8 近50年高原暖濕化趨勢空間分布圖，圖源：第二次青藏科考隊

在氣溫不斷上升的同時，降水也呈現增多趨勢，這使得青藏高原成為我國變“濕”最為顯著的區域之一。數據顯示，1961—2020年，青藏高原年降水量每10年就增加7.9毫米，這一趨勢在三江源地區表現得更為明顯，這里每10年的降水增加量達到了5～20毫米。2016年以來，高原降水出現持續性異常偏多，2016—2020年平均年降水量達到539.6毫米，較1961—1990年降水年平均值（478.6毫米）高出13%。

圖9 高原變“綠”動態變化，圖源：第二次青藏科考隊

此前青藏高原干旱、寒冷的形象已悄然發生改變，氣溫的上升以及降水的增多讓青藏高原正在煥發出新的生機：高原更綠，空氣更濕潤，牧草產量增加，野生動物生存空間得到擴展，高原看起來“更加美麗”。但實際上，風險潛藏在更暖更濕更“美”背后，顯著的暖濕化加劇了極端天氣氣候事件發生。

2018年10月，西藏米林縣冰崩導致雅魯藏布江堰塞湖事件，對下游居民生產生活和基礎設施造成了重大的威脅和影響。2021年2月，印度北部Uttarakhand邦由于高海拔山區的冰川退縮與凍土退化，造成冰緣應力條件改變，從而導致冰-巖崩，造成200多人的傷亡；2022年6—9月，巴基斯坦多省遭遇多輪暴雨侵襲，引發了該國30年一遇的洪澇災害，導致1/3國土被淹，1061人遇難、3300萬人受災，其主要原因是當年發生在4—5月極端高溫熱浪，加速了該國北部山區冰川消融，使得印度河上游支流水量大漲，一股股危險的水流匯聚后最終釀成了幾乎貫穿整個國家的洪災。

圖10 2021年印度Uttarakhand冰崩造成的洪水下泄，圖源：Google新聞

圖11 衛星顯示2022年巴基斯坦洪水對流域的影響的（a）洪水前（b）洪峰時 （c） 洪水后，水體為藍色和陸地為綠色，圖源：第二次青藏科考隊

這些年來，我國科學家一直在密切關注青藏高原暖濕化問題，利用青藏高原多圈層的綜合觀測能力，堅持到現場去監測高原暖濕化，視微知著，提升災害風險預估的科技水平。

03 建站織網 行走云端把脈風云

在當今氣象衛星相當發達的時代，為什么還要去實地進行監測？這是因為雖然太空的氣象衛星有站得高、看得遠的優點，但青藏高原地形復雜，衛星掃描不可能那么細致，需要地面觀測站點實測數據對遙感數據產品進行校正，用以檢驗和優化反演算法。

圖12 登山季珠峰大本營腳下登山者們帳篷，圖源：第二次青藏科考隊

圖13 徒步前往珠峰大本營氣息觀測圖中，圖源：第二次青藏科考隊

高原大氣科學研究的根本出發點在于進行地面觀測。沒有實地觀測，科研和氣象預報從何談起!西藏現代氣象觀測業務起步于1950年，起初是當年為支援保障中國人民解放軍第18軍進藏，黨中央決定打破“空中禁區”，開辟高原航線空投物資補給，于是西南軍區派出氣象人員在甘孜、鄧江達、洛隆等空投場地建立觀測站點，為空軍飛行提供氣象保障。自治區成立后，地面氣象觀測業務穩步發展，但由于惡劣的高原高寒高海拔觀測條件，導致地面氣象臺站相對稀少，地面觀測資料匱乏：在2012年以前，西藏全境74個縣（區）只有40個設立了氣象站，相當于每一萬平方公里的范圍內只有0.3個氣象站！觀測資料的極度缺失限制了高原大氣科學家對高原地區局地氣候特征、地氣相互作用過程以及天氣系統演變規律的認識和理解，會造成數值模式對高原及周邊地區的降水模擬和預報存在著系統性偏差，這些短板嚴重制約著高原氣象防災減災能力的提升。

為了填補高原大氣綜合觀測空白，自上世紀中業開始，科學家們陸續在青藏高原開展過短期觀測，如第一次（1979年）、第二次（1995年）、第三次青藏高原大氣科學試驗（2014年）、“全球能量水循環之亞洲季風青藏高原試驗（GAME/Tibet）（1996年）”、“全球協調加強觀測計劃亞澳季風之青藏高原試驗（CAMP/Tibet）（2001年）”、中日氣象災害合作研究中心項目（JICA）（2006-2009年）、多次喜馬拉雅山珠峰地區及藏東南林芝地區大氣科學試驗、“青藏高原觀測研究平臺（TORP）”，通過以上大型野外試驗和研究項目的實施，積累了寶貴的第一手野外觀測資料，促進了對高原地氣相互作用的定量理解。但這些時空“零星”的觀測對于真正刻畫和了解青藏高原復雜多變的大氣變化是遠遠不夠的。

圖14 中日合作JICA項目青藏高原大氣綜合監測網自動氣象站點分布（紅色標注為依托JICA項目所建，黑色為當時現有站點），圖源：第二次青藏科考隊

那么我們應該如何進行系統性觀測，以期在高原大氣研究理論和方法上實現突破？伴隨著2017年8月啟動的第二次青藏高原綜合科學考察研究的持續深入，推動青藏高原大氣科學綜合觀測網的創立和促進高原大氣新發現的需求也愈發強烈。

04 向風而行 破譯高原西風-季風“協同”密碼 青藏高原的天氣氣候復雜多變，主要受到西風和印度季風的協同影響。

西風，是指一支由西向東的強勁氣流，主要流動于南北半球中緯度的高層大氣之中，它能攜帶大量水汽穿越歐亞大陸，當這股夾帶水分的氣流抵達青藏高原時，它們會因地形阻擋而分為南北兩支西風急流，分別掃過高原的南北坡，引發降水和溫度的顯著變化。同時，西風氣流在抵達高原這堵“天然高墻”時被迫爬升，導致迎風坡上空形成降水，為青藏高原及其周邊地區提供了寶貴的水資源，從而支撐著該地區的水循環的持續運行。

圖15 青藏高原受西風帶和印度季風影響示意圖，圖源：第二次青藏科考隊

季風的特征在于其在一定季節內呈現出較為穩定的風向和風速。夏季高原受印度季風的顯著影響，攜帶來自印度洋和孟加拉灣豐沛的暖濕氣流，為青藏高原東南部及周邊地區帶來了大量降水，顯著增加了該地區的降水量；而到冬季，高原則主要受西風控制，給青藏高原帶來了低溫和干燥，形成了與夏季截然不同的氣候特征。只有破譯了西風-季風協同作用“密碼”，才有可能能在青藏高原大氣科學領域取得突破。

圖16 夏季印度洋帶來的水汽通過雅江大拐彎處，圖源：VCG

圖17 冬季干冷的阿里地區納木那尼峰，圖源：VCG

青藏高原就這樣被西風和季風在不同季節交替主導，相互影響，形成一種協同效應，共同影響著青藏高原的氣候。這種協同效應使得青藏高原氣候多變，夏季雨水充沛，冬季干燥寒冷，對周邊地區的氣候和生態環境帶來重要影響。

圖18 青藏高原對全球氣候影響示意圖，圖源：第二次青藏科考隊

圖19 青藏高原陸地生態系統植被持續好轉：高原遙感指數分布圖，圖源：第二次青藏科考隊

圖20 退縮的來古冰川，擴張的冰前湖，圖源：VCG

圖21 斑頭雁飛翔在雅魯藏布江面，圖源：第二次青藏科考隊

青藏高原作為西風與季風環流系統交匯與強烈相互作用關鍵區和巨型調節器，西風-季風協同作用對青藏高原的氣候、環境以及生態系統產生了深遠的影響。在西風與季風的協同作用下，夏半年高原，受隆升的地形和強大的表面輻射加熱共同影響，形成局地上升對流和能高聳到對流層中部的中空“熱源柱”，進而熱源驅動形成高、低層互為反環流，形成高層輻散、低層輻合的耦合機制，使來自低緯度的印度洋和南海的暖濕氣流向高原輸送匯聚，實現“亞洲水塔”遠距離多尺度水汽輸送強匯合。于是，可作水汽“存儲池”的高原上冰川、積雪與湖泊，與“輸水管”的高原上的河流，通過高原上空大氣水汽輸送通道，與中低緯海洋水汽源與青藏高原冰川、湖泊、河流系統之間相互影響，構成了西風與季風背景下青藏高原為核心區的陸地-海洋-大氣相互作用的“亞洲水塔”大氣水分循環物理圖像。

圖22 青藏高原陸地-海洋-大氣過程，圖源：第二次青藏科考隊

05 堅守云端 打造多時空、多手段、多要素立體綜合監測網

高處看云，需要的是一種心情；高原探云，則需要的是一種情懷。這種情懷既包含科學家們的使命與擔當，更承載著幾代高原氣象人的信念。歷經數十年的風吹雨打、云起云落，幾代高原氣象人傳承跨越，耕耘探天，用拳拳赤子之心一步步織密。

對于科學家而言，研究西風-季風對青藏高原的協同作用是理解和預測全球氣候變化和季風氣候系統運行規律的關鍵途徑。青藏高原離天很近，造成陸地與大氣相互過程產生的影響肯定比低海拔地區要強烈，反過來也會對季風和西風的變化產生重要影響，從而進一步影響到局地及周邊區域能量、水分循環變化及天氣氣候。

如何正確認識青藏高原復雜地表區域上陸地大氣相互作用并識別青藏高原對局部、區域乃至全球氣候變化的影響呢？

圖23 通過地氣相互作用認識青藏高原對氣候變化的影響技術路線示意圖，圖源：第二次青藏科考隊

在西風和季風影響的縱橫斷面選取代表性綜合臺站，開展“空天地”立體同步一體化綜合組網連續觀測；結合衛星遙感、數值模式、統計分析以及診斷分析，構建高時空分辨率的地氣相互作用資料，在此基礎上分析與西風-季風協同作用區地氣相互作用及其氣候效應相關的一些關鍵因子和影響機理，對于揭示現代西風-季風區地氣相互作用過程及其氣候效應的變化規律具有重要的科學意義。

圖24 科考隊員們在珠峰大本營合力完成氣象探空氣球釋放，同時配以激光測風雷達監測三維風場變化(圖右端白色物體)，圖源：第二次青藏科考隊

圖25 在尼泊爾加德滿都40m高大氣邊界層廓線塔上布設氣象傳感器，圖源：第二次青藏科考隊

圖26 青藏高原及其鄰近區域的多圈層觀測站分布及重要觀測設備，圖源：第二次青藏科考隊

圖27 在青藏高原各種典型下墊面設置的代表性觀測儀器，圖源：第二次青藏科考隊

圖28 雅魯藏布大峽谷水汽通道綜合觀測網絡**，圖源：第二次青藏科考隊******

科考隊員歷經卅余年艱辛努力，已作答這個科學問題的第一步：在多年青藏高原大氣科學研究和野外觀測試驗的基礎上提出了復雜地表綜合科學觀測和理論研究集成的創新理念，通過建立野外觀測臺站，搭建觀測網絡，由點及線、由線到面地給高原大氣做“透視”，在青藏高原大地形山區、冰川、高寒草甸、荒漠草原、高山森林、高山灌叢及高原湖泊等高海拔典型地表和氣候敏感區系統構建了多圈層地氣相互作用立體綜合觀測研究網絡（包含27座大氣邊界層塔、37套湍流通量觀測系統、14個多層自動氣象站、10套微波輻射計、10套風吹雪儀、9部風溫廓線雷達、6套無線電探空系統和3個土壤溫濕度觀測網等，儀器設備總投入近1億元），獲取了寶貴的大氣和環境等要素的綜合觀測資料，為分析該地區氣候變化特征、深入認識高原復雜山區地氣相互作用過程、改善陸面模式和氣候模式模擬和遙感反演精度等提供了數據支撐，最大程度解決了青藏高原觀測數據時空代表性不足的科學問題。該網絡還被納入國家重大工程“西藏生態安全屏障保護與建設規劃”監測網絡體系，成為第三極環境（TPE）國際研究計劃和第二次青藏高原綜合科學考察研究的重要支撐，從而創建了歷經卅余年青藏高原多圈層地氣相互作用高時空分辨率數據集，并促使數據集在“國家青藏高原科學數據中心”和中國科學院“科學數據銀行”開啟跨行業、國際化共享，為高原大氣科學理論研究和業務發展打下了堅實的基礎。

科考隊員還建立了前沿科學問題和浮空艇高新技術融合的三維觀測體系。利用自主研發的新型浮空艇技術，在青藏高原沿西風-季風傳輸斷面建立三維水汽觀測網絡，在珠峰、拉薩、墨脫、納木錯、慕士塔格、加德滿都、魯朗和阿里8個固定站點利用綜合氣象觀測塔或自動氣象站及激光水汽穩定同位素分析儀開展連續氣象觀測和長期連續水汽穩定同位素觀測。在魯朗、珠峰等科學考察基地，利用浮空艇平臺搭載各種觀測儀器，開展不同季節地表至9km高空的水汽穩定同位素和氣象參數等多指標垂直剖面和連續駐空觀測。并利用高空氣球搭載不同載荷，開展青藏高原對流層上部和平流層的東-西剖面和南-北剖面水汽傳輸過程觀測。結合模型，可以闡明青藏高原西風和季風傳輸水汽的水平和垂直空間分布特征和季節變化，量化不同傳輸水汽量和傳輸過程。

在2019年5月的納木錯科考中，“極目一號”I型浮空艇實現了地表至對流層中部水汽穩定同位素、黑碳濃度和甲烷濃度及氣象要素的垂直變化連續觀測，填補了該區域大氣水汽穩定同位素研究空白，成功創造了升空到海拔7003米高空的原位科學觀測世界紀錄；在2022年5月的“巔峰使命”珠峰綜合科考中，5月15日凌晨，“極目一號”Ⅲ型浮空艇在中科院珠峰站附近發放場地升空，實現了水汽穩定同位素分析儀、黑碳、粉塵、甲烷、二氧化碳和風溫濕壓自地表至海拔9032米的大氣科學觀測世界紀錄。6天之后，于5月21日凌晨5時09分，科考隊再次完成了海拔9050米多種大氣組分觀測新紀錄。

圖29 前沿科學問題和浮空艇高新技術融合的三維觀測體系**，圖源：第二次青藏科考隊******

圖30 2019年1月，魯朗浮空艇觀測取得突破性進展****，圖源：第二次青藏科考隊****

圖31 2022年5月，“極目一號”III型浮空艇再創觀測記錄，圖源：第二次青藏科考隊********

06 織密網眼 巧捕高原低渦“漏網之魚”

青藏高原低渦是青藏高原夏季（4-9月）因為高原特殊的熱力和動力作用影響形成的天氣系統，既是高原最重要的降水天氣系統，也是第二次青藏科考“西風-季風協同作用及其影響”任務重要目標之一。上世紀60年代以來，我國氣象學家對這個特殊的天氣系統就開展長時間研究。據統計，高原低渦貢獻了青藏高原40%以上的降水，對高原西部的降水貢獻更甚，高達60%以上。“低渦一出，必有暴雨”，在其發展東移出高原后，往往給下游地區的我國中東部常帶來災害性的強降水天氣，并引發暴雨洪澇、泥石流滑坡等多種災害，就其造成的暴雨天氣強度、頻次和范圍而言，僅次于臺風。

圖32 長江洪峰通過重慶江津段，圖源：VCG

高原低渦極度依賴于青藏高原特殊的動、熱力環境，很強的區域性特色，個頭小，行蹤飄忽，且主要影響我國天氣，無法吸引國外學者研究興趣，假如我國科研人員不攻關，將無法從國際同行獲取關于高原低渦的相關認識。因此，幾十年來準確預測青藏高原低渦移動軌跡一直是我國高原大氣科研人員關注的重點，但以青藏高原現有氣象觀測布局和站網，過低時空分辨率的觀測資料難以對高原低渦進行有效的監測、追蹤，也難以對高原低渦的形成、維持、發展和影響進行深入系統地精細分析，特別是在其生命周期早期階段，常常策源于高原西部，用于追蹤低渦的觀測資料非常有限，導致發現低渦時往往較晚，導致無法發出有效的預警。

圖33 高原低渦加密試驗期間科考人員與西藏獅泉河自動釋放探空氣象氣球同框，圖源：第二次青藏科考隊

因此，在青藏高原之上及其鄰近地區的開展高原低渦發源地及其影響地，選取14個代表性觀測站（高原西部的獅泉河、改則、申扎和日土，高原中北部的那曲、沱沱河和茫崖，高原東部的曲麻萊、林芝、昌都、雅安、峨眉山、溫江以及喜馬拉雅南麓尼泊爾加德滿都）同時觀測，利用大氣邊界層塔、無線電探空、微波輻射計、風廓線雷達，激光測風雷達、大氣湍流觀測系統等目前先進的大氣觀測裝備，開展了為期20天的高原低渦組網“空天地”綜合立體加密協同觀測試驗，從地面每天釋放四次氣象探空氣球到衛星遙感監測，追蹤了高原低渦天氣系統的生成、發展、移動及其產生降水的全過程，填補了整個青藏高原探空觀測的空白，加深了對高原低渦的認識，為青藏高原天氣監測與預報、災害性天氣預警及氣候環境預測等提供更精確的觀測數據和決策依據。

隨著更多基礎設施的建設和青藏科考進一步的開展，圍繞國家和西藏地方可持續發展需求，將結合自身科學研究與學科發展特色，他們這群“織網者”正在將這張現代立體觀測設施觀測“天網”不斷織密，堅定“立足極地創新，成為創新高地”的思想，通過全天候、高精度多要素一體化的長期、實時、連續的觀測，在高原不同海拔典型生態下墊面的陸地和大氣的相關物理、化學、生物和地質狀態量和過程量進行監測和研究，有效推動復雜地表能量和水分循環規律及其天氣氣候影響機理的研究,用一次次創新探索凝聚起累累碩果,使之成為人類探索高原大氣奧秘、培育原創性科學成果的引領者和開拓者。

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來源: 第三極大本營