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青藏高原隆升對亞洲季風(fēng)形成和全球氣候與環(huán)境變化的影響

摘要綜合介紹了青藏高原隆升對亞洲季風(fēng)形成、北半球大氣定常行星波建立、區(qū)域和全球氣候變遷及環(huán)境演化的影響，并對近年來的研究進(jìn)展作了較為詳細(xì)的評述，指出今后需要深入研究的若干問

題。

關(guān)鍵詞青藏高原隆升亞洲季風(fēng)形成氣候變遷環(huán)境演化古氣候模擬

1引言

青藏高原(以下簡稱高原)隆起是地球演化史上一起重大的自然歷史事件，高原隆起不僅對高原及其毗鄰地區(qū)，甚至對北半球、乃至全球的氣候與環(huán)境都產(chǎn)生了深刻的影響?，F(xiàn)代氣象學(xué)研究［1～3］說明，青藏高原與亞洲季風(fēng)活動(dòng)密切相關(guān)。因此，研究地質(zhì)時(shí)期東亞季風(fēng)的變遷，必需考慮高原隆起的作用。多年來有大量科學(xué)家從各種角度透露了高原隆升的地質(zhì)事實(shí)，但由于這一問題的繁雜性和不同來源地質(zhì)觀測資料的局限性，使人們對于高原隆起的歷史及過程至今仍存在著各種不同的看法(參見李吉均的介紹［4］)。然而，青藏高原隆起對亞洲季風(fēng)和全球氣候及環(huán)境演化具有重大影響已成為越來越多的地學(xué)科學(xué)家的共識(shí)。鑒于青藏高原在亞洲季風(fēng)、全球氣候乃至整個(gè)地球系統(tǒng)中的重要性，近年來隨著全球變化研究的深入，

高原隆升再度成為地學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。

2高原隆起對大氣環(huán)流的影響

2.1高原隆起與亞洲季風(fēng)系統(tǒng)的形成和發(fā)展

亞洲季風(fēng)區(qū)是世界上最顯著的季風(fēng)區(qū)［5］。季風(fēng)區(qū)雨熱同季，利于植物的生長，養(yǎng)育著眾多的人口(中國和印度為世界上兩個(gè)人口最多的國家)。分析發(fā)現(xiàn)，亞洲季風(fēng)系統(tǒng)中存在著三個(gè)相對獨(dú)立的子系

統(tǒng)：南亞季風(fēng)［6］、東亞季風(fēng)［7］和高原季風(fēng)［8］。以下僅簡單探討南亞季風(fēng)和高原季風(fēng)的形成。東

亞季風(fēng)的形成則在5.1節(jié)中專門探討。

2.1.1南亞季風(fēng)的形成

Flohn［9］最早指出青藏高原在大尺度南亞季風(fēng)中的重要性。后來Manabe等［10，11］利用大氣環(huán)流模式(GCM)進(jìn)行了有山、無山的對比試驗(yàn)才使得這一問題得到全面而深入的認(rèn)識(shí)。青藏高原大地形不僅直接控制著冬季西伯利亞高壓的位置和強(qiáng)度，而且決定著夏季風(fēng)的建立與發(fā)展。近年來又有一系列關(guān)于高原作用的數(shù)值試驗(yàn)［12～14］，其中在對亞洲季風(fēng)的影響方面與以前的結(jié)論沒有大的區(qū)別。Prell等［15］通過一系列GCM敏感性試驗(yàn)的分析得出，高原地形對南亞季風(fēng)的作用比地球軌道參數(shù)、大氣CO2含量及冰期—間冰期下邊界條件的影響都更為重要。雖然有人［16～20］根據(jù)南亞氣候突變及阿拉伯海上升流加強(qiáng)的地質(zhì)證據(jù)，提出印度洋地區(qū)的西南季風(fēng)可能開始于中新世末和上新世初。但是，最近Ramstein等［21］的數(shù)值試驗(yàn)說明，由于從早漸新世到晚中新世，歐亞大陸的古地理環(huán)境發(fā)生了巨大的變化，Paratethys海的退縮導(dǎo)致歐亞大陸面積擴(kuò)大，從而使亞洲季風(fēng)及其降水(主要指30°N以南地區(qū))有效加強(qiáng)，所以他們認(rèn)為Paratethys海退縮引起的海陸分布變化在對亞洲季風(fēng)的驅(qū)動(dòng)方面與高原隆升的作用同等重要。綜合各種GCM模擬及地質(zhì)記錄的分析結(jié)果來看，即使在高原猛烈隆起之前、地形高度還很低的狀況下，南亞季風(fēng)就已經(jīng)存在，這幾乎是可以確定的。只是隨著高原隆升加大了南亞地區(qū)由海陸分布所奠定的

經(jīng)向熱力對比,從而使南亞季風(fēng)進(jìn)一步得到加強(qiáng)。

2.1.2高原季風(fēng)的出現(xiàn)與穩(wěn)定

高原季風(fēng)是大氣環(huán)流對高原與其周邊平原地區(qū)熱力差異季節(jié)性改變的響應(yīng)在風(fēng)場上的反映。冬(夏)季高原上大氣是個(gè)冷(熱)源，所以在高原近地面為反氣旋(氣旋)式環(huán)流，這樣高原鄰近地區(qū)的大氣環(huán)流就浮現(xiàn)出冬、夏季反向的盛行風(fēng)。研究說明［22～24］，在高原隆起過程中，高原季風(fēng)也是逐步發(fā)展的。當(dāng)高原隆起水平尺度超過斜壓大氣地轉(zhuǎn)適應(yīng)的臨界尺度時(shí)，高原熱力作用所形成的氣壓場才能維持，風(fēng)場

向氣壓場調(diào)整。由于冬、夏季高原大氣具有反向的熱力作用，于是形成一種淺薄的高原季風(fēng)，估計(jì)淺薄高原季風(fēng)形成的時(shí)間約在漸新世初［23］。地質(zhì)證據(jù)說明［25］，當(dāng)時(shí)氣候的緯向性顯著，而不具有現(xiàn)代季風(fēng)氣候的特征。當(dāng)高原隆起的垂直高度大于影響氣候的臨界高度(1500～2000m)時(shí)，緯向氣流明顯受到地形阻擋，并從以爬坡分量為主，轉(zhuǎn)變成以繞流分量為主。冬季高原大氣相對于周邊的冷源作用加強(qiáng)，夏季地面凈輻射開始增加，水汽的相對凝結(jié)高度降低，高原上大氣渾濁度大大減小。當(dāng)高原大氣因感熱加熱變得不穩(wěn)定時(shí)，便導(dǎo)致積云對流活躍，大量的凝結(jié)潛熱隨上升氣流被輸送到對流層高層，并在那里建立起青藏高壓，于是深厚而穩(wěn)定的高原季風(fēng)此后建立。據(jù)初步研究［23］，高原季風(fēng)穩(wěn)定出現(xiàn)的時(shí)間大約在上

新世末和第四紀(jì)初期。

2.2大地形對北半球大氣定常行星波的控制

高原隆起對半球尺度上大氣環(huán)流的作用主要表現(xiàn)在對定常行星波的影響上?，F(xiàn)代氣象觀測表

明，北半球大氣存在一些準(zhǔn)靜止的行星尺度系統(tǒng)。例如，冬季500hPa高度場上是三槽三脊，夏季則是四槽四脊形勢，在低層表現(xiàn)為被稱作大氣活動(dòng)中心的半永久性低壓和高壓。然而，在高原隆起之前現(xiàn)代的行星尺度系統(tǒng)幾乎都不存在。正是由于在很大程度上受地形控制的定常行星波的出現(xiàn)才奠定了現(xiàn)代大氣環(huán)流

的基本格局。

在高原持續(xù)隆升的過程中，不僅其冷熱源作用隨著高原的抬高而增大，以至形成如前所述的高原季風(fēng)體系，而且其動(dòng)力作用也在不斷加強(qiáng)。因青藏高原主體位于西風(fēng)帶，當(dāng)西風(fēng)急流越過高原時(shí)將在其迎風(fēng)坡被迫抬升，產(chǎn)生分支和繞流，而在高原下風(fēng)方往往形成背風(fēng)波。早在本世紀(jì)40年代末、50年代初就有一些專門探討地形效應(yīng)的理論研究。Charney和Eliassen［26］采用相當(dāng)正壓渦度方程的研究發(fā)現(xiàn)，大氣的定常擾動(dòng)是大地形對西風(fēng)帶強(qiáng)迫抬升和摩擦作用造成的。而Bolin［27］認(rèn)為，從冬到夏海陸熱力對比發(fā)生了根本性變化，但對流層中部平均槽脊的位置并無相應(yīng)的改變，原因正在于大地形的影響。他在二維平面上研究了具有均勻基流時(shí)大氣對圓形地形的響應(yīng)，指出青藏高原和落基山的存在對西風(fēng)帶中行星波

的維持極為重要。朱抱真和葉篤正［28］指出，地形與非絕熱加熱都是形成準(zhǔn)定常行星波的根本原因。以后國內(nèi)外又有大量有關(guān)地形對行星波影響的研究工作。例如，Nigam等［29］估計(jì)地形作用可以解釋準(zhǔn)靜

止行星波振幅的三分之二。

后來的一系列數(shù)值試驗(yàn)證明，大地形的存在造成了現(xiàn)代定常行星波的分布［10，30］。高原隆起前北半球環(huán)流基本呈緯向分布，隆起后才形成冬季以東亞大槽、北美東部大槽和歐洲槽為顯著特征的三波型環(huán)流形勢。青藏高原對北半球夏季定常波結(jié)構(gòu)同樣具有重要貢獻(xiàn)。黃榮輝等［31］利用一個(gè)多層準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式的研究也說明，地形與海陸熱力差異所引起的不均勻熱源對北半球準(zhǔn)定常行星波與準(zhǔn)定常擾動(dòng)系統(tǒng)

形成起著重要作用。

Ruddiman等［32～34］最早認(rèn)識(shí)到，地形對定常行星波控制的動(dòng)力學(xué)理論可以用于解釋新生代以來的某些地質(zhì)氣候變化。由于新生代高原大地形的隆起，加大了準(zhǔn)靜止行星波彎曲的振幅，結(jié)果使北美中東部及西歐地區(qū)經(jīng)向環(huán)流加強(qiáng)，有利于當(dāng)?shù)乩淇諝饽舷潞蜌夂蜃兝洌罱K導(dǎo)致冰蓋在這兩個(gè)地區(qū)出現(xiàn)。

3高原隆升引起的氣候變化

以上主要探討了高原隆升對大氣環(huán)流的影響。從地球系統(tǒng)的角度看，在地球各圈層中大氣圈質(zhì)量最小，但運(yùn)動(dòng)速度最快，而且連續(xù)地布滿地球空間，因而對發(fā)生在地球各圈層內(nèi)的變化往往具有迅速而猛烈的響應(yīng)，并能通過大氣環(huán)流傳遞到全球各地。因此大氣是地球系統(tǒng)各圈層相互作用下的全球變化中最活躍的角色。高原隆起調(diào)制大氣環(huán)流的直接后果就是對氣候的影響，現(xiàn)將由此造成的幾個(gè)最顯著的氣候變

化現(xiàn)象簡單歸納如下。

3.1高原季風(fēng)形成及其對高原地區(qū)氣候的影響

眾所周知，對流層氣溫隨高度升高以大約6.5℃/km的遞減率下降，因此隨著高原隆起，廣闊的高原面上地面氣溫自然會(huì)較該地區(qū)隆起前降低。據(jù)推算［35］，目前高原上的年平均氣溫比上新世晚期低12～20℃。按Kutzbach等［14］的數(shù)值模擬結(jié)果，青藏地區(qū)在高原隆起后比隆起前1月氣溫下降了

14℃，而7月氣溫下降達(dá)22℃；冬季降水變化不大，但夏季降水大大增加?？梢?，青藏高原的隆起不僅

造就了全球最高的一個(gè)巨型構(gòu)造地貌單元，同時(shí)也形成了一個(gè)獨(dú)特的高原氣候區(qū)。

以前的研究［22，36］已指出，高原季風(fēng)是高原鄰近地區(qū)氣候形成、變化的主宰者。雖然高原周邊地區(qū)氣溫變化的長期趨勢也隨著高原隆升而降低，但由于高原季風(fēng)的建立大大破壞了原來準(zhǔn)緯向的氣候帶，使高原東、西兩邊，以及南、北兩側(cè)氣候出現(xiàn)了巨大的差異。高原冬季風(fēng)加強(qiáng)了高原周邊的反氣旋式環(huán)流，從而使高原東側(cè)受到來自北方大陸性氣團(tuán)的偏北氣流控制，結(jié)果在那里形成了枯燥寒冷的冬季氣候；高原西側(cè)受到來自低緯海洋性氣團(tuán)的偏南風(fēng)影響，造成相對溫柔潮濕的冬季氣候。夏季的狀況正好相反，對流層低層環(huán)繞高原的氣旋式環(huán)流大大加強(qiáng)，于是在高原東南側(cè)形成潮濕氣候，而在高原西北側(cè)形成干旱氣候。值得注意的是，高原隆升不僅增加了地形降水，而且增大了與季風(fēng)降水相關(guān)的水文過程對軌道

尺度日射強(qiáng)迫響應(yīng)的敏感性［37］。

3.2新生代以來的全球氣候變冷

很早就有人提出造山運(yùn)動(dòng)能引起全球變冷，甚至導(dǎo)致冰期出現(xiàn)的論斷［38］。近年來，Ruddiman等［39］又提出新生代構(gòu)造隆升導(dǎo)致氣候變化的假設(shè)。認(rèn)為以青藏高原為主的構(gòu)造隆升，不僅對大氣和海洋環(huán)流具有大規(guī)模的影響［12，14，30］，而且通過風(fēng)化和侵蝕等作用，使大氣CO2濃度降低，從而造成新生代以來的全球氣候變冷［40,41］。高原隆升可以通過各種直接和間接的作用使氣候變冷。一方面，高原抬升使當(dāng)?shù)匾驓鉁刂睖p率效應(yīng)而變冷，同時(shí)像青藏高原這樣的大地形隆起之后，會(huì)使部分地面進(jìn)入冰凍圈，促使高原面上大范圍冬季雪蓋形成，并通過反射率—溫度反饋