[兰州大学报]【启物明维】高原之高造就中国独特多样气候

日期: 2020-08-04 阅读: 来源: 关键词:

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“我看见一座座山一座座山川

一座座山川相连

呀啦索

那可是青藏高原”

那远古的呼唤,千年的祈盼,还有无言的歌,带来了久久不能忘怀的眷恋。一曲《青藏高原》让我们对青藏高原充满无限遐想……青藏高原以我国西藏和青海为中心,平均海拔4500米,南起喜马拉雅山脉南缘,北至昆仑山、阿尔金山和祁连山北缘,西部为帕米尔高原和喀喇昆仑山脉,东及东北部与秦岭山脉西段和黄土高原相接。青藏高原地处亚洲内陆,面积近260万平方公里,在高原周边地区气候的形成和演化过程中扮演着重要角色。那么占中国国土面积近1/4的青藏高原为什么能够影响中国区域气候?通过何种机制影响中国区域气候?下面我们一起来了解一下。

青藏高原是大气环流的调节器

研究表明,青藏高原隆升前,中国的地势东高西低,东部是干燥的荒漠。青藏高原的隆升,促成了我国地形西高东低的地形倒转,加之秦岭山脉的形成,才造就了“滚滚长江东逝水”的豪迈盛景。青藏高原的出现不仅改变了地势,也对大气环流也产生了剧烈的影响。

何谓“大气环流”?简而言之,是指具有全球规模的、大范围的大气运动。具体则需要从“行星风系”说起。假设地球没有海陆分布和地形差异,由于赤道地区接收到的太阳辐射最多,空气易被加热而上升,近地面空气分子变少而使气压降低,形成“赤道低压带”。受热空气上升到一定高度后向高纬度方向流动,并在地球自转作用下方向逐渐偏转,形成不同的风带。以北半球为例,这些上升的热空气在在北纬30度附近转为西风,称之为“盛行西风带”,简称西风带。空气在高空辐合堆积、气压升高进而形成“副热带高压带”,在此地冷却下沉后气流辐散,其中向南的一支在地球自转作用向右偏,形成东北信风,从而构成了一个直接环流圈———哈德莱环流。在极地地区,接收到的太阳辐射少于地表向外发射的热辐射,能量亏损导致温度低、空气密度大,空气易于堆积而形成“极地高压带”,导致低层气压高而高空气压低,使高空的空气从较低纬度流向极地地区,而低层空气则从极地流向较低纬度。在地球自转的作用下,北半球高层南风向右偏转成为西南风,低层北风则右偏成为东北风,构成极地环流圈。哈德莱环流中在北纬30度附近下沉辐散的气流中,向北流动的气流与极地环流中的上升支汇合,在高空辐散,其中有一支向南运动,在哈德莱环流圈和极地环流圈之间存在一个与直接环流圈相反的环流,为间接环流圈,即费雷尔环流。由于高压以干燥的下沉气流为主,其控制的陆地一定是偏干旱的,不过干旱的程度亦受其他因素的影响。

在春季和冬季,上文所提及的西风带处于偏南的位置,由于青藏高原大地形的存在,在低层大气中,原本较为平直的西风带由于受到高原大地形的阻挡而出现了绕流,形成了绕高原的北支和南支西风急流,这两支气流对东亚地区大气环流的形成具有决定性作用。其中,青藏高原北侧的北支气流绕过高原,途经新疆北部后转为西北气流(从西北吹向东南方向),形成顺时针旋转的反气旋系统,使得来自北方的冷空气在高原东侧的南下得以加强,导致我国西北地区寒冷干燥。而青藏高原南侧的南支气流则在绕高原过程中从孟加拉湾携带了充沛的水汽,为我国华南地区带来了大量的暖湿空气。这两支绕青藏高原的西风急流支在高原东部的再次交汇,使得我国华南地区的春季降水大大加强。

另外,由于青藏高原的高大地形,使其在夏季成为一个抬高的“热源”。由于陆地吸热慢、散热也慢,但大气与之相反,也就意味着陆地吸收太阳辐射后可以把大量的热量储存起来,在陆地进行散热的过程中能够加热贴近地表的大气,距离地表越近,大气从地表得到的热量也就越多。以对流层大气为例(低纬度地区平均为17-18公里以下,中纬度地区平均10-12公里以下,极地则为平均8-9公里),贴近地面的气温最高,且在这层大气中自地面向上气温随着高度的增加而降低。青藏高原的存在,相当于把这个地表“热源”抬高了,低层大气被加热而产生垂直方向的环流。

夏季青藏高原“热源”的存在使得高原低层大气辐合上升。同时,在东亚地区,由于夏季海洋和陆地的热力状况存在差异,海洋吸热慢,陆地吸热快,使得陆地上空的空气比海洋上空的空气先被加热而产生辐合上升,从而形成了中低空大气从海洋流向陆地、高空则从陆地流向海洋的环流,我们称之为东亚夏季风。由于高原热力作用而导致的中低层大气辐合则可使高原东侧的东亚夏季风得以加强和向北发展,并进一步影响我国的降水。

青藏高原是物质输送站

青藏高原是亚洲湖泊、湿地的聚集地,拥有世界上海拔最高的湖泊群,青藏高原现有湖泊占中国湖泊总面积的52%。青藏高原现有冰川条数和冰川冰储量均占我国冰川总条数和冰川总冰储量的80%,冰川面积占我国冰川总面积的84%。冰川融水是青藏高原径流的重要来源之一,数以千计的冰川遍布在这一高原“台地”上,融化的冰川和大气降水源源不断地形成径流持续供应给湖泊与河流。青藏高原也因此成为亚洲与重要河流的源头,如长江、黄河、印度河、湄公河和恒河都发源于青藏高原。这个庞大的中空“蓄水池”,其河流水资源为近40%的世界人口供给生活、农业和工业用水,使青藏高原得到“亚洲水塔”的称号。

青藏高原向周边地区输送水资源不仅体现在地表径流上,而且也存在于大气中。与其他地区相比,青藏高原对流层中高层大气中的水汽总含量最高,如同一个空中的“湿岛”,将水汽从高原地区向下游输送。另外,由于夏季青藏高原的“热源”特征,其地表空气比周边地区更容易被加热而产生垂直方向的运动(受热后密度变小而上浮),使高原上空对流活动旺盛,近地表的暖湿空气在上升过程中被冷却而形成对流云。在西风带的作用下,对流云向东运动并移出高原,导致中国东部地区产生强降水甚至洪涝。在云和降水的形成过程中,需要有颗粒物作为载体(云凝结核或冰核)促成云滴增长为雨滴进而形成降水。大气中悬浮的这些固态和液态颗粒物我们称之为大气气溶胶,例如,沙漠及裸露地表释放的沙尘粒子、热带雨林森林火灾和火山喷发产生的烟尘粒子以及工厂烟囱排放的颗粒性污染物都是常见的气溶胶粒子。青藏高原毗邻多个气溶胶源区,如塔克拉玛干沙漠、塔尔沙漠、印度的城市群等,而且青藏高原本身也存在气溶胶排放。我们发现,在夏季青藏高原水汽很充沛的条件下,从塔克拉玛干沙漠抬升输送至高原的沙尘粒子能够很好地扮演云中的冰核,有效地延长对流云的寿命,使对流云在垂直方向上得以充分的发展。当这些在青藏高原被沙尘污染的对流云进一步在西风作用下向东移出高原时,它们将进一步与长江流域局地的对流云团合并,产生局地强降水;或继续北上,对华北地区的强降水产生影响。

青藏高原作为世界最高的高原,其上空的物质输送不仅在水平方向,在对流活动的作用下也存在于垂直方向。早在1994年我国科学家周秀骥等利用地面和卫星观测资料发现1979年以来夏季青藏高原上空出现一个大气臭氧总量的异常低值中心,并首次提出了青藏高原地区夏季可能是东亚地区对流层下部污染物质向平流层物质输送的一个重要通道。此后的研究也进一步证实了青藏高原是对流层—平流层物质交换通道的推测,如前所提及的气溶胶粒子,在不参与云雨形成的情况下,当高原上空出现深厚的南北风交汇形成穿透对流层顶的对流时,能够到达青藏高原上空的气溶胶粒子会在上升运动的作用下输送到对流层顶以上,卫星遥感发现南亚高压区存在气溶胶浓度峰值,探空试验也证实了气溶胶能经青藏高原被输送至对流层顶和平流层。青藏高原上空的物质垂直输送不仅仅有气溶胶粒子,水汽、一氧化碳和臭氧等也能够被输送至对流层顶和下平流层,并在到达一定高度后向全球扩散。

青藏高原对区域气候的影响

青藏高原通过调整大气环流和物质输送进而影响区域气候。春季,青藏高原上空开始出现较弱的“热源”,由于这一“热源”的存在,使得东亚、东南亚以及南亚地区的低层大气原本在冬季盛行的偏东风转变为偏西南风,并在孟加拉湾东部出现剧烈的对流性强降水。春季青藏高原上空“热源”的分布特征也会影响区域降水,例如,当春季高原“热源”分布呈“南高北低”时,长江中下游地区偏涝。我们的研究发现,当夏季青藏高原“热源”发生变化时,副热带西风急流位置也会发生相应的调整。当西风急流位置偏北时,高原及中国华北地区上空的风速减弱,使得向华北地区输送的水汽、云水等减少,在一定程度上加剧了华北地区的干旱频发。相反,副热带西风急流位置偏南时,高原及华北地区上空的西风增强,华北降水较多,干旱缓解。

另外,由于陆地吸热和散热的速度快于海洋,使得夏季副热带大陆低层空气辐合形成低压系统,高层出现高压系统,青藏高原的“热源”的作用使近地表暖空气不断向上输送,在对流层高层堆积形成高压系统,我们称之为“南亚高压”,其位置在不同时间尺度上都存在显著的东西变化,对我国东部地区的天气气候有着重要影响。例如,当南亚高压位置比多年平均位置偏西时,华北降水比多年平均偏多;当高压偏东时,华北降水则偏少。而对于长江流域,南亚高压与区域降水的关系则相反,南亚高压偏东时,对流层低层的风场会促进西太平洋副热带高压增强西伸,长江流域的辐合加强,导致长江流域降水偏多;偏西时长江流域降水减少。青藏高原夏季的热源作用也会对北半球更大范围地区的气候产生影响。由于青藏高原的存在,其“热源”作用使大范围地区出现异常的反气旋系统,其中心分别位于北美西部和欧洲西部。与气候平均状况比较,这些异常环流指示着中、东太平洋和大西洋的副热带高压向东扩展。在这种环流形势下,欧洲和北美中纬度地区的降水显著减少。另外,青藏高原上空的辐合上升气流还可以沿着青藏高原至南印度洋经向环流越过赤道进入南印度洋上空,进而影响南亚地区的气候。

青藏高原可以通过其大地形和“热源”作用调整区域天气气候,是影响东亚乃至全球气候的重要因素。目前,对于青藏高原如何影响区域气候以及背后的机制已有了一系列的进展,但限于高原恶劣的自然环境,对青藏高原的观测还存在很大的不足。未来,基于更充足的观测资料和对青藏高原及周边地区天气气候数值模拟能力的提升,将会有更多、更全面的研究来揭示神秘和复杂的青藏高原在区域和全球天气气候中的地位,我们对青藏高原的了解也将更加具体和深入。

(《兰州大学报》总第962期,2020年7月17日,第三版)

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编辑:卢晓庆
责任编辑:许文艳

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