乞力马扎罗山能教会我们关于天气的什么?

伟大的乞力马扎罗山，是地球表面或大气层的壮丽景观吗?虽然答案听起来很明显，但它可以说取决于你是在观察周围广阔的平原，还是从山顶往下看。

图片来源:OTT HydroMet

无论你从哪个角度看，对独特的气候-冰川关系和东非热带对流层的研究都提供了迷人的见解气象测量在海拔5775米的山上——正好穿过大气层的一半，高度506百帕。

乞力马扎罗山海拔5000米，全长3000多公里²每年有5万人忍受着拥挤的人群和高昂的费用——这一事实通过在山上度过一段时间立即得到了解释。

正如许多人所知，乞力马扎罗山在许多方面都很迷人。在众多令人难以置信的方面中，它自夸:

• 一种充满活力、适应性强的人类文化已经发展了数千年，在许多方面今天仍然完好无损。
• 生态组合的分区，每上升一米都会发生变化
• 乞力马扎罗山气候的剧烈日循环，随着海拔高度的变化而迅速变化
• 好客、快乐的人们在山上工作，人数比游客多4:1
• 从山上俯瞰云岸，也可以看到湖泊、远处的山峰和下面人类的发展，这是令人难以置信的全景

这是罕见的一天，山上的空气是安静的;山坡上的常规是由强烈的辐射驱动的，在白天，辐射在空间和垂直上扩展，直到气流(来自另一个方向)使上升的地块干燥。从描述中很容易看出，这些自然过程简直令人着迷。

巨大的峰顶包括一个直径超过2公里的相对平坦的火山口。乞力马扎罗山实际上是一座火山:不仅仅局限于一系列同心的“火山口”;元素硫沉积、二氧化硫排放和蒸汽喷口——所有这些都提供了火山活动在地表下继续而不是停止的明确证据。

图1所示。从乌呼鲁峰附近，俯瞰Furtwängler冰川遗迹到北方冰原(约2.3公里)的全景图。图片来源:OTT HydroMet

有时，海明威将乞力马扎罗山描述为“阳光下令人难以置信的白色”并不夸张。在游客和当地人中间，毫无疑问他指的是峰顶的冰川:曾经环绕着宽阔的火山口的冰帽的粗糙边缘，一直延伸到侧翼。

很明显，被冰覆盖的区域肯定比19世纪晚期的广阔程度大大缩小了^th但在深蓝的天空和远处深色火山灰的映衬下，冰川依然十分美丽。冰川的颜色随着光线的变化而变化:当反照率高，强烈的太阳辐射被反射回来时，它们就变成了明亮的白色。

乞力马扎罗山的冰川在某些地方厚度超过45米，完美地保存了环境变化的精确记录——必须指出的是，这在非洲大陆的其他任何地方的冰川中都不存在。

Lonnie Thompson(俄亥俄州立大学)在2000年2月接受了在山顶钻取6个冰芯的挑战。从这些资料中，汤普森发现了一份长达12000年的记录。

钻探时，峰顶没有系统的气象测量数据，只有少量的零星温度测量数据。当时所有现有的气象站的海拔都低了大约4000米，他们整理的数据没有显示出任何关于高山上的辐射、气流、温度或降水的信息。

在钻井过程中安装了一个自动气象站(AWS)，为解释最深处附近的冰芯提供物理基础。

从一个短期试验，主要目标已扩大为一个综合描述当前峰会气候的目标，其中包含了相当大的年际变化。

在了解乞力马扎罗山冰川的长期历史时，冰芯记录和驱动东非目前正在进行的环境变化的更大规模因果机制被证明是有价值的。

图2．乞力马扎罗山北部冰原上的自动气象站。左边是2000年2月安装的原始AWS，包括一个反照率计和温度测量仪;另一座塔在2010年和2012年增加了一个净辐射计和辅助仪器。图片来源:OTT HydroMet

经过14年的努力，冰川AWS取得了超乎预期的成功。乞力马扎罗山为连续测量热带对流层提供了一个固定的平台，但必须指出，在不断变化的冰川表面上维持该站需要付出巨大的努力。

与瞬态探空仪观测相比，AWS可以测量更广泛的一组变量(如辐射)，而且频率更高。

最初的气象站于2000年安装，包括测量风向和风速、反射和入射太阳辐射、向下的长波辐射、吸气和自然通风空气的温度和湿度、表面温度、积雪的积累和消融(即超声波距离)和气压(如图2所示)的传感器。

Argos卫星遥测技术被用于从空间站传输四小时的大部分测量值，在整个过程中运行良好。

2010年和2012年安装了更多的传感器，这些传感器与USCRN(气候参考网络)的传感器兼容。更新的装置包括一个连续通风的辐射屏蔽罩，其中包含几个PRT温度传感器和一个加热的高精度湿度传感器。

还增加了一个红外温度传感器和一个四组分集成净辐射计。这些新的传感器通过提高测量精度，对峰顶气候产生了全面的新看法。

图3．乞力马扎罗山北部冰原海拔5,775米的AWS，带有净辐射计(左侧)和用于温度和湿度传感器的风扇吸气屏蔽(右侧)。背景中有70公里远的梅鲁山。图片来源:OTT HydroMet

图4．2012年10月，在乞力马扎罗山安装了CNR 4型净辐射计(Kipp & Zonen)和红外温度传感器(Apogee)，它们观测的是同一区域的冰川表面。图片来源:OTT HydroMet

各种各样的因素都影响了气候测量的成功在北方冰原上其中一些因素是可以预料到的，包括高海拔和山的独立性质，而其他因素(如以下列表)则是偶然发生的:

• 地形对广阔的圆顶状冰川上方的气流影响很小。向东(主要风向)，冰面和相对平坦的雪从AWS延伸约800米。仪器的良好通风由平均6米/秒的风速提供，这提高了精度，但塔上的高风负荷是罕见的。
• 通常情况下，乞力马扎罗山山顶的空气是干燥的，平均蒸汽压约为2 hPa，年平均降水量在300毫米以下。层状云和/或对流云经常在山的周围形成，偶尔达到更高的高度，同时在山顶破火山口上空晴朗的天空占上风。这种甜甜圈形状的模式是峰顶气候的一个重要特征，尽管事实上它甚至在周围的平原上都看不见。由于干燥的空气和强烈的太阳辐射，仪器上的雾凇冰很少形成，这可以由延时相机图像显示。即使是在每年的两个季节性潮湿时期(如图5中)，任何形成的雾凇通常也会在数小时到数天内升华或脱落。
• 由于北方冰原的空气质量非常高，因此在使用间隔和校准之间保持了仪器的准确性。最近对其中一个冰芯中的微量元素进行的分析发现，尽管有大片暴露在外的破火山口，但不溶性颗粒的浓度非常低。
• 通过光伏发电产生的强烈太阳辐射提供了丰富的电力资源。
• 东非的长期站数据几乎全部来自比乞力马扎罗山AWS至少低4000米的海拔。这意味着它处于一个持续的逆温层之下——它对自由大气和峰顶气候的代表作用要小得多。
• AWS下面是冰川保存下来的真实环境档案，据信大约在12000年前就开始形成了。通过对冰川如何记录气候的更好理解，现代气候测量正在帮助解释冰芯记录。
  

图5。乞力马扎罗山北部冰原的三张时间推移相机视图，说明了冰川表面纹理和反照率的变化;注意前景的消融桩。从左到右:2009年10月12日，2010年1月11日和2月3日，都在当地时间18:00。图片来源:OTT HydroMet

一个特别令人兴奋的进展是最近增加的净辐射传感器的最新测量结果。由于工程和空间方面的考虑，需要将仪器放置在靠近塔的地方，因此在添加该仪器之前，每个辐射分量都是分别测量的。

塔对测量产生了不利影响，因为它太明显地位于仪器的视野内。有了集成的轻型传感器，测量可以在离塔更远的地方进行，因此，可以更好地表示四个变量(如图4所示)。

此外，与调平四个不同仪器所需的时间相比，在现场(5,775米)进行任何调平调整所花费的时间要少得多。

乞力马扎罗山上的绝对辐射强度在第一年用该地点的综合净辐射计证明了:一年中所有日子的正午入射短波的中值几乎是大气顶部的90%。

由于地表反照率对反射率的控制，净短波辐射有很大的变化，从降雪后的0.90到旱季的0.31。总的来说，这些测量结果揭示了太阳净辐射与降雪/雪面变化之间非常密切的对应关系。

图6显示了净短波接收对降雪的敏感性(例如，9月下旬的事件)，但这也强调了降雪量级的重要性——从3 - 5月“长雨”后的逐渐增加可以看出。

在6月到9月的旱季延长期间，随着积雪的老化，反照率逐渐降低，这导致净短波辐射接近一倍，并导致在一年中最冷的月份(未显示)持续消融。

图6．北方冰原(NIF)上冰川表面高度和净短波辐射的时间序列，两者都显示为7天运行平均值。地面高度基准为2000年2月25日。注意辐射的反y轴刻度。图片来源:OTT HydroMet

因此，这些新的辐射测量结果证实，净辐射的可变性是这些冰川“健康”的最主要控制因素。

与奥地利因斯布鲁克大学(Innsbruck University)的合作者进行的建模，以及早期的测量，证明了乞力马扎罗山冰川对降雪量及其时间变化的敏感性。

造成这种敏感性的一个明显原因是，降雪增加了冰川的质量;然而，也许更重要的是，正是通过反照率或表面亮度的控制，太阳辐射被反射而不是被吸收的程度得到了控制(图5)。

当辐射在冰川表面被吸收时，这种能量可用于驱动融化和升华，这两者都会从冰川中移除质量并导致收缩。

许多热带山脉支持着高度的生物多样性，尽管高海拔气候的细节记录很少。然而，一些生态群落将无法随着对流层变暖而快速向上迁移。

因此，乞力马扎罗山提供了一个机会来制作一整套气候测量，运行速度高于该地区现有的任何其他设备，因此为评估模型性能提供了必要和重要的工具，以及通过卫星、无线电探空仪和再分析数据在更大的空间区域进行的测量。

希望乞力马扎罗山的测量能够继续下去，直到更好地解决年际变化问题，同时将继续开展合作调查。

该信息已从OTT HydroMet提供的材料中获得，审查和改编。

要了解更多关于这个来源的信息，请访问奥特HydroMet。