NCAR大气研究面临挑战

陈轶翔/编译

NCAR大气研究面临挑战

陈轶翔/编译

位于科罗拉多州博尔德市的NCAR台地实验室，倚靠着被称为“熨斗峰”的巨大砂岩板

● 由美国国家科学基金会资助的美国国家大气研究中心即将成立60周年，而今其面临的挑战来自两大方面——科技与财政。

在科罗拉多州博尔德市边缘的熨斗峰的山脚下，坐落着已有57年历史的美国国家大气研究中心（NCAR），该机构的工作人员目前正致力于消除气候和气候预测之间的传统分歧。他们将大气研究应用于航空、地面交通、水预测、消防以及其他领域。与此同时，NCAR的太阳物理学家们则致力于寻求太阳活动在过去30年里呈下降趋势的原因，并试图预测可能会扰乱卫星通信或破坏国家电网的太阳风暴。

作为美国国家科学基金会（NSF）的联邦资助时间最长、规模最大的一个研发中心，NCAR的运营预算约为1.57亿美元，其中2/3是由基金会提供的。其余的1/3来自其他联邦机构，以及一些大学和国外的资金。NCAR的员工约有750人，由美国大学大气研究联盟来管理，这是一个由100多家北美学术机构组成的非营利组织。

一系列任务

NCAR的工作包括对大气化学进行地面和空中测量，运行高性能计算和可视化系统以及为大气和地球科学研究界开发支持模型和数据集。NCAR运营着两架为大气测量装备的飞机，产权归NSF所有；在怀俄明州的夏延市拥有一个超级计算中心并管理着夏威夷的茂纳罗亚太阳天文台。在过去两年半的财政年度里，自从NCAR在NSF审核人员的要求下开始追踪统计数据以来，已经安装了59个独立的测量系统，而工作人员在该领域花费了大约9 500天的时间。NCAR的科学家最近结束了在葡萄牙为期6个月的由欧盟赞助的实地调研，测量了在非常复杂的地形上的大气流动。NCAR负责人詹姆斯·赫里尔（James Hurrell）说，这项调研的结果将会为建模工作提供信息，可以直接应用于风能生产。

“NCAR开源社区地球系统模型”是NCAR与一些大学和其他研究实验室合作开发的，帮助全世界的研究人员模拟过去、现在和未来的气候。由大约350名科学家参加的年度研讨会对该模型进行定期更新。同时，NCAR还是多机构天气研究和预测模型（WRF）的关键合作者，该模型指导了全国及全球的天气预报。基于NCAR的一份WRF的研究版本使得科学家能够探索提高天气预报准确性的方法。另外，为模拟大气化学、水文学、火灾、作物条件和其他用途已经研发出了WRF的很多特定版本。

赫里尔颇为骄傲地表示，由于NCAR的合作方式，其研究论文的平均引用量比世界上其他任何一家地球科学机构的都多。令赫里尓感到自豪的还有，在过去两年中有近1 500名科学家访问了NCAR，其中65%的科学家在NCAR待了两周或更长时间。

特朗普总统提议要将NSF的预算削减11%，尽管国会近期的行为表明，预算削减的百分比将远远低于这一数据，但赫里尔说自己有一个计划，如果需要的话，将会设法应对预算削减11%的局面。他没有公开这一计划，但他表示，过去几年中曾经为应对预算削减而出现的全面紧缩开支状况将不会重演。他说：“我们已经确定了自己的首要任务是什么，我们必须持续投资使那些首要领域保持强劲。如果总统的提议在国会得到通过，NCAR将不得不缩小工作范围。”

赫里尔承认，自从NSF的预算数据和其他联邦机构的气候和地球科学项目的预算削减提议3月份公布以来，大家的士气已经受到了影响。不过，他表示，目前还没有出现员工离职的现象。他说：“以往，NCAR的自愿离职率一直都很低。大家都以我们共同的使命为己任。博尔德市环境很好，而NCAR则是一个伟大的组织机构。”

NCAR的研究项目每5年要接受一个由科学家组成的外部专家小组的评审。NSF拒绝提供评审小组的全部调查结果，但赫里尔引用2016年的报告称，NCAR的总体科学成就是“杰出的”。“NCAR员工的卓越科研能力及其开放性合作为科研界提供了重要的价值，提高了学术、政府和私营部门合作者的能力，可以开展高质量的研究工作并开发有影响力的技术。”

评审小组还进一步赞扬了NCAR对促进观测技术和科学进步方面的智力贡献，并表示该中心的超级计算服务“在科研界发挥着不可替代的作用”。与此同时，评审小组还鼓励NCAR提升员工队伍的多样性，并加强与外部研究人员的合作。

缩小差距

赫里尔表示，该中心的一项主要研究是将两个模型结合起来，一个是天气预报模型，忠实地计算了未来10天的大气行为；另一个模型则显示了气候在未来几十年到几百年的时间里将发生怎样的变化。赫里尔说：“两个模型在理解可预测性的来源方面存在巨大的差距。”例如，众所周知，同温层可以在一年中的特定时间内推动中等时间尺度上发生的一些变化。但是，这种可预测性的其他来源尚未被发现，无法用来在月度、季度和年度的时间尺度上做出可靠的预测。

赫里尔表示，为了缩小这一差距，数值天气预报和地球系统建模需要更好地合作。他还补充说：“从发展史上看，它们是两个独立的领域。在开发建模基础设施方面还有很多事情可做，这样两个领域的研究者就可以使用同种类型的工具。”

在同温层中形成的一种不寻常流动几天内就会消失，就像对流层（最接近地球的那层）中形成的一样。能捕捉同温层与低层大气相结合的模型将提高气候及季节性天气预测的准确性。

研究应用

NSF对NCAR的期望之一是它能够运用科技发展来满足社会需求。NCAR的第一个主要技术应用是为机场探测危险下降气流和悬气流（被称为风切变）的系统。这项工作主要由美国联邦航空局（FAA）和美国宇航局（NASA）资助，包括第一个风传感器和基于多普勒雷达的悬气流探测系统的开发。从20世纪90年代初开始至今，在美国110个机场和国际上其他一些地区，风切变探测系统已经就位。NCAR研究应用实验室的临时负责人威廉·马奥尼（William Mahoney）表示，FAA已经对这项能够拯救生命和财产的技术估价10亿美元。

FAA已经支持了多项NCAR应用。在寒冷的天气条件下，当应用于飞机机翼的除冰装置的作用被持续的降水减弱到一定程度时，就需要第2个应用程序，这时自动化系统就会通知飞行员。对于飞行积冰、地形诱导、晴空及对流湍流、雷暴、视程还有垂直能见度，该中心都已经研发出了诊断和预测系统。这些技术产品在位于堪萨斯城的国家气象局（NWS）航空气象中心也得到了应用，并被航空公司的调度中心和飞行员所使用，以帮助其在恶劣天气下进行商业航班飞行。

多年来，NCAR已拓展业务，为其他客户提供服务。去年，NCAR研究应用实验室向科罗拉多州提交了一份用以预测火灾趋势的模型的初步版本。该模型是用来对抗火灾的一种决策工具，它模拟了大型火灾爆发时，热量、湿度与大气进行交换所引发的天气条件。火灾区域的地方性风力可能比周围的风力强10倍，在极少数情况下，火灾甚至会产生龙卷风。

NCAR研究应用实验室研发了一种飞机除冰优化系统，使飞行员能够知晓他们的除冰液还可以维持多久

一年前，位于阿拉巴马州塔斯卡卢萨市的美国国家海洋和大气管理局（NOAA）国家水中心开始使用由NCAR开发的国家水模型，该模型将数值天气预报与水文模型相结合，以模拟在整个美国大陆上观测到的径流流量并进行预测。该工具对于NWS用以预测流量的3 600河水位标的传统系统来说，是一个很好的补充。

马奥尼说：“水文过程的几乎每一个部分都在模型中得到了有形的展示。”该模型有270万个预测点，观察并预测地表条件、土壤湿度、植被类型、融雪水和其他变量。马奥尼表示，该模型可以在水流达到河水位标之前发现水流峰值，从而提供更及时的洪水预警。

NCAR研究应用实验室将继续对该模型进行升级，包括整合从新气象卫星和地球资源探测卫星获得的数据。马奥尼表示，一些基础设施建设需要更多的研发与协调，例如管理河流系统的水坝和水库——如密苏里河流域。

在美国交通部（USDOT）的支持下，NCAR应用实验室已经开发出一种工具，可帮助国家交通部门确定何时在道路上应用除冰材料和化学物质，用量为多少以及何时需要更多的应用。目前已有15个州在使用这一系统工具。USDOT的一项分析显示，在使用该系统的第一个冬季，印第安纳州节省了1 200万美元的材料和劳动力成本。

目前NCAR有个针对USDOT的项目是一个警告司机前方有危险路况的系统。这个系统将从数以千万计汽车的车载电脑中获取信息——雨刷设置、前灯状态、环境空气温度、速度、位置、高度、车身稳定控制、牵引力控制和防震刹车——告知司机关于黑冰、浓雾、大风和暴雨的情况。

空间天气

NCAR高空观测站（HAO）负责人斯科特·麦金托什（Scott McIntosh）表示，NCAR的研究人员正在致力于研究一种季节性的预测，即导致电磁脉冲（EMP）事件的日冕物质抛射究竟可能会发生在何时。在为期11年的太阳周期内，每个半球大约有11个月会发生短期的暴发活动。麦金托什表示，几十年来，科学家由于对观测数据的过分修匀而大多忽略了这种短期的暴发活动。但是，如果能够更好地理解这些较短的太阳活动周期，那么可能会做出更准确的、可预测未来一年左右的空间天气预报。

麦金托什说：“当谈到空间天气和对太阳EMP的理解时，我们所了解的第一件事情就是，它发生在8分钟前。而我们正试图弄明白，太阳EMP事件何时会以超越旧的模式发生。”

来自HAO的科学家将利用8月的日全食来试验最近解密的、用于远红外成像的军用级硬件。麦金托什表示，磁场可以直接用远红外线较长的波长进行测量，而在可见光和部分近红外光谱中观察到的现象则需要复杂的计算机模型来解释。新的红外成像器可以提供机会来预测在一个太阳能EMP中磁场的方向。如果该磁场指向某一方向，脉冲将与地球的磁层相结合，对通信和电力传输产生潜在的不良影响。如果指向相反的方向，磁场就会从磁层上反射回来。

麦金托什认为，为了解其他恒星和系外行星，就需要对太阳有更好的理解；但他惋惜地表示，在太阳物理学上的花费远远比不上天体物理学的，而且在美国只有少数几个研究太阳物理学的机构。他问道：“如果我们不能理解自己观察到的东西，又怎么能期待去理解距离我们23 000光年之外的东西呢？”

[资料来源：Physics Today][责任编辑：彦 隐]