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青藏高原隆升对亚洲季风形成和全球气候与环境变化的影响摘要综合介绍了青藏高原隆升对亚洲季风形成、北半球大气定常行星波建立、区域和全球气候变迁及环境演化的影响，并对近年来的研究进展作了较为详细的评述，指出今后需要深入研究的若干问题。关键词青藏高原隆升亚洲季风形成气候变迁环境演化古气候模拟1引言青藏高原(以下简称高原)隆起是地球演化史上一起重大的自然历史事件，高原隆起不仅对高原及其毗邻地区，甚至对北半球、乃至全球的气候与环境都产生了深刻的影响。现代气象学研究［1～3］表明，青藏高原与亚洲季风活动密切相关。因此，研究地质时期东亚季风的变迁，必须考虑高原隆起的作用。多年来有许多科学家从各种角度揭示了高原隆升的地质事实，但由于这一问题的复杂性和不同来源地质观测资料的局限性，使人们对于高原隆起的历史及过程至今仍存在着各种不同的看法(参见李吉均的介绍［4］)。然而，青藏高原隆起对亚洲季风和全球气候及环境演化具有重大影响已成为越来越多的地学科学家的共识。鉴于青藏高原在亚洲季风、全球气候乃至整个地球系统中的重要性，近年来随着全球变化研究的深入，高原隆升再度成为地学界关注的热点。2高原隆起对大气环流的影响2.1高原隆起与亚洲季风系统的形成和发展亚洲季风区是世界上最显著的季风区［5］。季风区雨热同季，利于植物的生长，养育着众多的人口(中国和印度为世界上两个人口最多的国家)。分析发现，亚洲季风系统中存在着三个相对独立的子系统：南亚季风［6］、东亚季风［7］和高原季风［8］。以下仅简单讨论南亚季风和高原季风的形成。东亚季风的形成则在5.1节中专门讨论。2.1.1南亚季风的形成Flohn［9］最早指出青藏高原在大尺度南亚季风中的重要性。后来Manabe等［10，11］利用大气环流模式(GCM)进行了有山、无山的对比试验才使得这一问题得到全面而深入的认识。青藏高原大地形不仅直接控制着冬季西伯利亚高压的位置和强度，而且决定着夏季风的建立与发展。近年来又有一系列关于高原作用的数值试验［12～14］，其中在对亚洲季风的影响方面与以前的结论没有大的区别。Prell等［15］通过一系列GCM敏感性试验的分析得出，高原地形对南亚季风的作用比地球轨道参数、大气CO2含量及冰期—间冰期下边界条件的影响都更为重要。虽然有人［16～20］根据南亚气候突变及阿拉伯海上升流加强的地质证据，提出印度洋地区的西南季风可能开始于中新世末和上新世初。但是，最近Ramstein等［21］的数值试验表明，由于从早渐新世到晚中新世，欧亚大陆的古地理环境发生了巨大的变化，Paratethys海的退缩导致欧亚大陆面积扩大，从而使亚洲季风及其降水(主要指30°N以南地区)显著增强，所以他们认为Paratethys海退缩引起的海陆分布变化在对亚洲季风的驱动方面与高原隆升的作用同等重要。综合各种GCM模拟及地质记录的分析结果来看，即使在高原强烈隆起之前、地形高度还很低的情况下，南亚季风就已经存在，这几乎是可以肯定的。只是随着高原隆升加大了南亚地区由海陆分布所奠定的经向热力对比,从而使南亚季风进一步得到加强。2.1.2高原季风的出现与稳定高原季风是大气环流对高原与其周围平原地区热力差异季节性改变的响应在风场上的反映。冬(夏)季高原上大气是个冷(热)源，所以在高原近地面为反气旋(气旋)式环流，这样高原邻近地区的大气环流就呈现出冬、夏季反向的盛行风。研究表明［22～24］，在高原隆起过程中，高原季风也是逐步发展的。当高原隆起水平尺度超过斜压大气地转适应的临界尺度时，高原热力作用所形成的气压场才能维持，风场向气压场调整。由于冬、夏季高原大气具有反向的热力作用，于是形成一种浅薄的高原季风，估计浅薄高原季风形成的时间约在渐新世初［23］。地质证据表明［25］，当时气候的纬向性显著，而不具有现代季风气候的特征。当高原隆起的垂直高度大于影响气候的临界高度(1500～2000m)时，纬向气流明显受到地形阻挡，并从以爬坡分量为主，转变成以绕流分量为主。冬季高原大气相对于周围的冷源作用增强，夏季地面净辐射开始增加，水汽的相对凝结高度降低，高原上大气浑浊度大大减小。当高原大气因感热加热变得不稳定时，便导致积云对流活跃，大量的凝结潜热随上升气流被输送到对流层高层，并在那里建立起青藏高压，于是深厚而稳定的高原季风从此建立。据初步研究［23］，高原季风稳定出现的时间大约在上新世末和第四纪初期。2.2大地形对北半球大气定常行星波的控制高原隆起对半球尺度上大气环流的作用主要表现在对定常行星波的影响上。现代气象观测表明，北半球大气存在一些准静止的行星尺度系统。例如，冬季500hPa高度场上是三槽三脊，夏季则是四槽四脊形势，在低层表现为被称作大气活动中心的半永久性低压和高压。然而，在高原隆起之前现代的行星尺度系统几乎都不存在。正是由于在很大程度上受地形控制的定常行星波的出现才奠定了现代大气环流的基本格局。在高原持续隆升的过程中，不仅其冷热源作用随着高原的抬高而增大，以至形成如前所述的高原季风体系，而且其动力作用也在不断加强。因青藏高原主体位于西风带，当西风急流越过高原时将在其迎风坡被迫抬升，产生分支和绕流，而在高原下风方常常形成背风波。早在本世纪40年代末、50年代初就有一些专门讨论地形效应的理论研究。Charney和Eliassen［26］采用相当正压涡度方程的研究发现，大气的定常扰动是大地形对西风带强迫抬升和摩擦作用造成的。而Bolin［27］认为，从冬到夏海陆热力对比发生了根本性变化，但对流层中部平均槽脊的位置并无相应的改变，原因正在于大地形的影响。他在二维平面上研究了具有均匀基流时大气对圆形地形的响应，指出青藏高原和落基山的存在对西风带中行星波的维持极为重要。朱抱真和叶笃正［28］指出，地形与非绝热加热都是形成准定常行星波的根本原因。以后国内外又有许多有关地形对行星波影响的研究工作。例如，Nigam等［29］估计地形作用可以解释准静止行星波振幅的三分之二。后来的一系列数值试验证实，大地形的存在造成了现代定常行星波的分布［10，30］。高原隆起前北半球环流基本呈纬向分布，隆起后才形成冬季以东亚大槽、北美东部大槽和欧洲槽为显著特征的三波型环流形势。青藏高原对北半球夏季定常波结构同样具有重要贡献。黄荣辉等［31］利用一个多层准地转模式的研究也表明，地形与海陆热力差异所引起的不均匀热源对北半球准定常行星波与准定常扰动系统形成起着重要作用。Ruddiman等［32～34］最早认识到，地形对定常行星波控制的动力学理论可以用于解释新生代以来的某些地质气候变化。由于新生代高原大地形的隆起，加大了准静止行星波弯曲的振幅，结果使北美中东部及西欧地区经向环流增强，有利于当地冷空气南下和气候变冷，最终导致冰盖在这两个地区出现。3高原隆升引起的气候变化以上主要讨论了高原隆升对大气环流的影响。从地球系统的角度看，在地球各圈层中大气圈质量最小，但运动速度最快，而且连续地布满地球空间，因而对发生在地球各圈层内的变化常常具有迅速而剧烈的响应，并能通过大气环流传递到全球各地。因此大气是地球系统各圈层相互作用下的全球变化中最活跃的角色。高原隆起调制大气环流的直接后果就是对气候的影响，现将由此造成的几个最显著的气候变化现象简单归纳如下。3.1高原季风形成及其对高原地区气候的影响众所周知，对流层气温随高度升高以大约6.5℃/km的递减率下降，因此随着高原隆起，广阔的高原面上地面气温自然会较该地区隆起前降低。据推算［35］，目前高原上的年平均气温比上新世晚期低12～20℃。按Kutzbach等［14］的数值模拟结果，青藏地区在高原隆起后比隆起前1月气温下降了14℃，而7月气温下降达22℃；冬季降水变化不大，但夏季降水大大增加。可见，青藏高原的隆起不仅造就了全球最高的一个巨型构造地貌单元，同时也形成了一个独特的高原气候区。以前的研究［22，36］已指出，高原季风是高原邻近地区气候形成、变化的主宰者。虽然高原周边地区气温变化的长期趋势也随着高原隆升而降低，但由于高原季风的建立大大破坏了原来准纬向的气候带，使高原东、西两边，以及南、北两侧气候出现了巨大的差异。高原冬季风增强了高原周围的反气旋式环流，从而使高原东侧受到来自北方大陆性气团的偏北气流控制，结果在那里形成了干燥寒冷的冬季气候；高原西侧受到来自低纬海洋性气团的偏南风影响，造成相对温和潮湿的冬季气候。夏季的情况正好相反，对流层低层环绕高原的气旋式环流大大增强，于是在高原东南侧形成潮湿气候，而在高原西北侧形成干旱气候。值得注意的是，高原隆升不仅增加了地形降水，而且增大了与季风降水相关的水文过程对轨道尺度日射强迫响应的敏感性［37］。3.2新生代以来的全球气候变冷很早就有人提出造山运动能引起全球变冷，甚至导致冰期出现的论断［38］。近年来，Ruddiman等［39］又提出新生代构造隆升导致气候变化的假设。认为以青藏高原为主的构造隆升，不仅对大气和海洋环流具有大规模的影响［12，14，30］，而且通过风化和侵蚀等作用，使大气CO2浓度降低，从而造成新生代以来的全球气候变冷［40,41］。高原隆升可以通过各种直接和间接的作用使气候变冷。一方面，高原抬升使当地因气温直减率效应而变冷，同时像青藏高原这样的大地形隆起之后，会使部分地面进入冰冻圈，促使高原面上大范围冬季雪盖形成，并通过反射率—温度反馈而影响到半球、甚至全球的气候［42］。另一方面，高原隆升可以通过间接的生物化学作用使全球，特别是高纬地区变冷。在高原隆起地区，硅酸盐矿物化学风化的增强可以吸收大气中更多的CO2以生成碳酸钙，从而减少了大气中CO2的含量，结果使高原隆起的气候效应扩大到全球。此外，关于高原隆升导致全球气候变冷的机制还有其他观点。例如，汤懋苍等［43］认为，高原隆起使地球大气的热机效率增大，造成行星西风增强，从而引起高纬地区降温，以至形成大冰期。Rea等［44］则指出，高原隆起使大气含尘量增加是造成气候变冷的重要原因。总之，高原隆升的直接作用和间接作用共同决定了新生代以来全球气候变冷的总趋势，尽管高原隆升对区域气候具有更直接和更显著的影响(见3.1节)。虽然有人［45］对高原隆升是否通过加剧侵蚀和风化而使气候变冷仍存疑虑，但“高原隆升-气候变化”假说的提出大大地丰富了人们对地质时间尺度上气候变化的认识。毫无疑问，这是近年来过去全球变化研究中的一个重大突破。3.3北半球中纬度干旱气候的发展大量的地质证据揭示了亚洲中部及北美内陆自晚新生代以来气候在向着干旱化方向发展［46,47］。现代高原气象学研究［1,48,49］表明，包括中亚和我国西北在内的高原邻近地区的干旱气候，与过山气流的动力性绕流以及夏季高原上升气流在高原外围的补偿性下沉有关。近年来的许多数值试验［13,14,50］进一步肯定了高原隆升对中纬度干旱气候形成的作用，其中以Broccoli与Manabe的工作［13］最为细致。他们利用一个具有较高分辨率(相应的经纬网格距为2.25°纬度×3.75°经度)包括陆地水文循环过程和地形重力波参数化的9层GCM，通过有、无地形试验的对比分析表明，中纬度干旱区主要位于地形强迫形成的驻波槽的上游，因为这些地区存在大尺度下沉，抑制了风暴扰动的发展。与经向分布的落基山地形引起的西风气流强迫上升及其随后的下沉相联系的“雨影”效应，是造成北美内陆干旱的重要原因。但中亚干旱的成因与此不完全相同。在欧亚地区夏季西风带北撤，以致西风带主流几乎碰不到青藏高原。青藏高原是通过激发夏季风环流而影响中亚干旱的，即与低层相对干燥的气旋式流动、中亚的下沉气流以及风暴路径的北移密切相关。此外，地形也减少了进入大陆内部的水汽输送和地表蒸发，因而对周围干旱的形成有贡献。这些研究加深了我们对构造隆升造成北半球中纬度干旱气候物理机制的理解。4高原隆起对自然环境的影响高原隆升意味着河流下切、山地增高等区域地貌的改观，由此会引起如前所述的大气环流和气候的巨大变化，气候变化进而又影响局地甚至远离高原地区的地貌、冰川、生态系统乃至人类的演化。以下将初步讨论除气候之外与高原隆起密切相关的各种自然地理要素的变