隆起的青藏高原对中国的气候有哪些影响?

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隆起的青藏高原对中国的气候有哪些影响?

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映山红,大气科学/气候动力学

星球研究所发布过一期科普文章,名叫《中国从哪里来》,文章写得非常好。一言以蔽之,青藏高原隆升孕育了中华文明。

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以下第 1、2 部分分别介绍古气候学和大气科学中对青藏高原隆起作用的研究,第 3 部分顺便介绍大气科学中对海陆热力差异作用的研究。

1. 先上 Liu(2015) 和 Guo(2008) 古气候方面研究的图,来自数值模拟和古气候记录。图中 Ma 表示百万年。在青藏高原隆起之前(2400 万年前,如下图 a、b 所示),中国湿润带只在~30N 以南的热带和东北地区,前者与热带辐合带的季节移动和海陆热力差异有关;而 30~40N 的中纬度地区均为半干旱 / 半湿润带,它对应副热带高压带下沉区。当青藏高原隆起之后(如图 c、d 所示),东亚夏季风至少向北推进到了~40N 的华北地区,中国南方湿润带与东北湿润带连成一片;西北地区变得更加干旱,由原先的半干旱 / 半湿润带变成干旱带。

2. 再看大气科学中对青藏高原气候影响的数值试验研究。李建平、吴国雄、胡敦欣主编的《亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响》第八章 959-960 页,我直接粘上如下图文。

图 a:仅有海陆分布而没有青藏高原地形时,明显降水带在 20N 以南,赤道海洋上的强降水由热带辐合带造成。说明仅有海陆热力差异,并不能形成明显的东亚夏季风(注:夏季风更关注的是降水,而不是风)。

图 b:当把青藏高原地形加在 60E 附近的大陆中部时,高原东南部形成明显降水区,且该降水区与海陆热力差异造成的季风降水区是分离的。

图 c:当把青藏高原地形加在 90E 附近(高原现在的真实位置),高原强迫产生的降水带与海陆热力差异形成的季风降水区连成一片,东亚夏季风降水向北推进到华北平原甚至东北。

图 d:此图为图 c 与图 a 之差,说明夏季青藏高原显著加强了大陆东南部的向北气流,使东亚夏季风推进到 50N 附近的东北地区;而高原西部的中国西北地区和中亚地区干冷的北风得到加强,加剧了西北地区和中亚的干旱。

总结:青藏高原隆起之前,中国夏季风降水只在~20N 以南,30~40N 的中纬度地区为半干旱 / 半湿润区。青藏高原隆起造成了强劲的东亚夏季风,季风降水推进到了中国东北地区。青藏高原隆起使得中国东部变成湿润区,而中国西北地区、中亚地区变得更加干旱。

为什么青藏高原隆升后,东亚夏季风增强了?简单地说,因为隆起的青藏高原在夏季相当于一个抬升的巨大热源,它就像个水泵一样,能把周围的大气和水汽抽吸过来(感热气泵理论)。详细参见吴国雄院士的视频报告和著作。

注:古气候学的干旱 / 湿润区划分与大气科学中的类似划分可能并不一样。海南省大部在 20N 纬线以南,湖南、江西、浙江大部在 30N 纬线以南,北京几乎处在 40N 纬线上。前面古气候学研究的图中,中国湿润带在~30N 以南,后面大气科学青藏高原数值试验中,明显降水带在~20N 以南。两者存在偏差。

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补充:很多人认为,青藏高原的隆起,阻挡了印度洋的水汽向欧亚大陆内部的输送,造成了中国西北和中亚的干旱。从以上研究可以看出,这种认识是错误的。没有青藏高原,仅凭海陆热力差异并不能使水汽输送到欧亚大陆中纬度地区,夏季风降水只在 20N 以南,即水汽不能输送到中纬度。没有青藏高原的隆起,欧亚中纬度地区仍是半干旱 / 半湿润区。青藏高原的隆起,造就了中国东部的鱼米之乡,并使西北和中亚更加干旱。

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继续补充:

3. 再来谈海陆热力差异对干旱 / 湿润带分布的作用。参考吴国雄 (2008)或李建平、吴国雄、胡敦欣主编的《亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响》第八章 952-955 页相关内容。省去公式,直接上图。

下图中 C 表示气旋(cyclone),A 表示反气旋(anticyclone)。容易理解,当低层大气受到加热时(图 a),在低空生成气旋(低压),高空生成反气旋(高压),加热中心的东部存在上升运动,西部存在下沉运动。类似地,当低层大气受到冷却时(图 b),在低空生成反气旋(高压),高空生成气旋(低压),冷却中心的东部存在下沉运动,西部存在上升运动。这叫做大气对加热 / 冷却的热力适应原理,或者叫做大气对加热 / 冷却的斜压响应(若大气在低空和高空都是低压或者都是高压,就叫正压响应。高低空的气压系统性质不一致,叫斜压响应)。

下图给出了 1 月(图 a)和 7 月(图 b)大气总加热的分布。其显著特征是众人皆知的:在两半球的中纬度地区,冬季热源在海洋上,冷源在大陆上;夏季相反,热源在大陆上,冷源在海洋上。这就是我们所熟知的“海陆热力差异”。根据前述的热力适应原理,以夏季为例,那么夏季中纬度地区的上升运动应当出现在大陆东部和海洋西部,而下沉运动应当出现在大陆西部和海洋东部。

下图为 7 月份沿 30N 的(纬向风 + 垂直运动)剖面,图中双竖线为海陆分界线。它表明,在夏季,由于北美大陆(130~80W)和欧亚大陆(10W~120E)上大气的加热,上升运动都位于大陆东部,下沉运动都位于大陆西部。相反,由于北大西洋(80~10W)和北太平洋(120E~130W)上大气的冷却,上升运动都位于海洋西部,下沉运动都位于海洋东部。更加仔细地观察下图,还发现大陆东部的上升比海洋西部的上升运动要强,大陆西部的下沉运动比海洋东部的下沉运动要弱。原因是,在更小的局地尺度上,还存在海陆风环流。由于夏季陆地比海洋热,近地面风由海洋吹向陆地(海风),气流在陆地上升,然后再吹向海洋,并在海洋上空下沉。于是,局地尺度海陆风环流造成的陆地上升运动,增强了大陆东部的大尺度上升运动,减弱了大陆西部的大尺度下沉运动;局地尺度海陆风环流造成的海洋下沉运动,减弱了海洋西部的大尺度上升运动,增强了海洋东部的大尺度下沉运动。夏季大气水平风的分布图本人就省略了。

也就是说,夏季海陆热力差异将造成中纬度大陆东部的上升运动和大陆西部的下沉运动,因而大陆东部肯定是比大陆西部要更加湿润的。于是,第 2 部分大气科学青藏高原数值试验的例子中,在没有青藏高原地形的情况下(图 8.2.1.8 a),注意到欧亚大陆 20~40N 范围内,大陆东部仍出现弱的偏南风和弱的降水;但大陆西部更大范围内出现弱的偏北风。前面总结到,没有青藏高原时,20~40N 副热带地区为半干旱 / 半湿润区。此处可以进一步推测,由于海陆热力差异的作用,20~40N 副热带的大陆东部为半湿润区,而大陆广阔的西部为半干旱区。这就不难理解没有高原大地形的澳大利亚,西部为广阔的干旱区,但东部沿海仍为湿润区。这就是海陆热力差异的作用。

以上只是古气候学和大气科学方面的研究结果。水文学、地质学等学科本人不懂。评论者已经提示,没有隆起的青藏高原,蕴育中华文明的长江、黄河等众多大河就不存在了。所以隆起的青藏高原对中国气候的影响,这个问题仍然需要众多学科更深入地研究。

参考文献:

Liu Xiaodong (刘晓东), Qingchun Guo, Zhengtang Guo, et al. (2015) Where were the monsoon regions and arid zones in Asian prior to the Tibetan Plateau uplift. National Science Review 2, 403-416.

Guo Zhengtang (郭正堂), B. Sun, Z. S. Zhang, et al. (2008) A major reorganization of Asian climate by the early Miocene. Clim. Past, 4, 153-174.

李建平,吴国雄,胡敦欣. 亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响. 气象出版社,2011.

吴国雄,刘屹岷,宇婧婧,等. 海陆分布对海气相互作用的调控和副热带高压的形成. 大气科学,2008,32(4):720-740.

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