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把一滴水送上青藏高原,需要几步?丨大气悟理

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  编者按:看寒来暑往云卷云舒,思古往今来气候变迁,中科院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设“大气悟理”,为大家介绍大气里发生的有趣故事,介绍一些与天气、气候和环境相关的知识。

  青藏高原被誉为“亚洲水塔”,是除南北极外地球上冰川储量最丰富的地方,也因此被形象地称为“地球第三极”。降水是青藏高原冰川增长的原材料,滋养着青藏高原上大大小小的湖泊与河流,孕育了如长江、黄河、澜沧江等多条亚洲文明的母亲河。

  我们常说的“成云致雨”蕴含着降水的形成机理:即水汽被大气运动抬升至凝结高度,液化成云滴,再进一步通过碰并等方式增长,直到空气浮力无法抵抗云滴自身的重力,云滴就降落下来形成了各种形态的降水,如雨、雪、冰雹、冻雨等。由此可见,形成降水的第一要素,就是要将水汽送上青藏高原。

  然而,青藏高原平均海拔为3000~4000米,南侧的喜马拉雅山脉海拔甚至在8000米以上,如天然屏障一般将青藏高原与外界隔绝开来,在青藏高原上形成降水的水汽,又是如何突破重重险阻、攀上“世界屋脊”的呢?

  第一步:首先,我们要有一滴水

  巧妇难为无米之炊,要解决“给青藏高原送水”这一问题,我们首先要找到青藏高原水汽的故乡。

  青藏高原虽然在地理上“与世隔绝”,但和地球上其他陆地区域一样,高原自身地表的蒸发水汽远不足以支撑其气候态降水,青藏高原降水的水源地同样要追溯到远方广袤的海洋。

  以夏季为例,青藏高原的局地蒸发水汽仅能支撑约23%的降水,更多的水汽则是从青藏高原以外远道而来。具体而言,青藏高原的水汽源地以位于青藏高原西南侧的温暖印度洋为主,同时西方遥远的大西洋和欧亚大陆也有一定贡献。

  第二步:漂洋过海来看你

  找到水汽源地之后,接下来要考虑的问题就是怎样把遥远海洋蒸发的水汽运送到青藏高原。别急,“空中列车”早已整装待发,就等水汽“上车”啦!

  大气的运动并不是杂乱无章的,而是在太阳辐射、海陆分布、气压梯度等约束下有组织的运动,我们称之为“大气环流”。夏季气候态下,青藏高原上空的大气环流系统主要有南侧的南亚夏季风、东侧的东亚夏季风,以及来自西北的西风急流。

  

  青藏高原夏季主导环流(修改自参考文献2)

  细心的小伙伴们已经发现了重点,遥远印度洋和大西洋的水汽自海面蒸发后,正是搭上了南亚夏季风和西风急流的“顺风车”,一路漂洋过海,最终来到青藏高原。

  另一方面,青藏高原也在默默发力“招兵买马”——青藏高原高耸的地表使其成为大气中的热源,通过加热上方大气为南亚夏季风和东亚夏季风助力,并在对流层低层形成一个围绕着青藏高原的气旋式(逆时针)环流,进一步促进低纬度的暖湿空气涌向青藏高原。

  第三步:乘风起,扶摇直上九万里

  大气温度决定了大气的持水能力,由于对流层气温随高度递减,大气中绝大部分水汽集中在约5000米以下的对流层低层。那么,被季风环流带到喜马拉雅山脚下的水汽,要如何翻越8000米高的崇山峻岭呢?

  大自然有它的绝妙安排——科学家们发现,低层水汽可以通过两级“水塔”和“抬升-翻越”两种机制进入青藏高原主体。

  我们知道,青藏高原南麓的喜马拉雅山脉地形复杂,由地形触发的对流降水旺盛,在地表感热和降水产生的潜热释放的共同作用下,青藏高原的主体和南坡都是可以激发大气在低层辐合、高层辐散的热源中心。

  科学家们认为,在“两级‘水塔’”机制下,对流层低层的水汽首先在高原南坡热源的作用下辐合上升,辐散时再由高原主体热源接力,继续将水汽送往更高的对流层高层,并最终形成青藏高原上空的云和降水。而在“抬升-翻越”机制下,低层水汽先在高原西南坡形成对流云(抬升),再在背景气流的引导下被“吹进”青藏高原(翻越)。

  

  两级“水塔”机制示意图(引自参考文献3)

  

  “抬升-翻越”机制示意图(引自参考文献4,修改自参考文献5)

  厄尔尼诺:搅局高手虽迟但到

  现在我们知道了气候态下,来自遥远海洋的水汽是如何抵达青藏高原并形成降水的。但在具体的年份,青藏高原夏季降水的多寡、降水对外部输送水汽的依赖度等问题还受到另一个大魔王的影响——没错,虽迟但到的厄尔尼诺终于要出场了!

  近日,中科院大气物理研究所周天军研究员的课题组发现,在厄尔尼诺逐渐发展的夏季,南亚夏季风减弱,同时青藏高原西南部上空出现异常的西风,该异常西风使得青藏高原西南部上空大气趋干,抑制对流降水的发生。因此,在厄尔尼诺发展年夏季,青藏高原西南部降水减少。

  

  厄尔尼诺发展年夏季青藏高原西南部降水减少示意图(引自参考文献6)

  此外,厄尔尼诺还影响着青藏高原夏季降水中外部输送水汽和局地蒸发水汽的相对贡献,我们将其中蒸发水汽的贡献比例称为“降水再循环率”。研究发现,在厄尔尼诺逐渐衰减的夏季,北印度洋至西北太平洋上空有大范围的对流层低层高压反气旋异常,抑制了印度半岛中北部的降水,但与此同时,该反气旋异常北侧的偏西风加强了向青藏高原输送的热带水汽,青藏高原东南部降水增加。在增多的外部水汽输送和减少的局地蒸发的共同作用下,青藏高原夏季降水再循环率减小。

  

  青藏高原夏季大气水循环示意图。黑色数字表示气候态及年际变率,红色(蓝色)数字表示前冬发生厄尔尼诺(拉尼娜)事件。(引自参考文献7)

  结语:

  在全球变暖背景下,青藏高原上的冰川正在经历着不可逆的变化。生态系统脆弱、对气候变化响应敏感的青藏高原,其水循环的变化将为下游生态系统带来深远的影响。一滴水的奇幻漂流结束了,而我们对亚洲水塔的探索未完待续。

  参考文献:

  1. Zhang C, Tang Q, Chen D. Recent Changes in the Moisture Source of Precipitation over the Tibetan Plateau[J]. Journal of Climate, 2017, 30(5): 1807-1819.

  2. Yang K, Wu H, Qin J, et al. Recent climate changes over the Tibetan Plateau and their impacts on energy and water cycle: A review[J]. Global and Planetary Change, 2014, 112: 79-91.

  3. Xu X, Zhao TL, Lu C, et al. An important mechanism sustaining the atmospheric "water tower" over the Tibetan Plateau[J]. Atmospheric Chemistry and Physics: 2014, 14(20): 11287-11295.

  4. 周天军,高晶,赵寅,等. 影响“亚洲水塔”的水汽输送过程[J]. 中国科学院院刊,2019,34(11):1210-1218.

  5. Dong WH, Lin YL, Wright JS, et al. Summer rainfall over the southwestern Tibetan Plateau controlled by deep convection over the Indian subcontinent[J]. Nature Communications: 2016, 7(1): 10925

  6. Hu, S., Zhou, T., & Wu, B. (2021). Impact of developing ENSO on the Tibetan Plateau summer rainfall, Journal of Climate, 1-56, doi: 10.1175/JCLI-D-20-0612.1 1-56.

  7. Zhao, Y., & Zhou, T. (2021). Interannual variability of precipitation recycle ratio over the Tibetan Plateau. Journal of Geophysical Research: Atmospheres,126,e2020JD033733.https://doi.org/10.1029/2020JD033733

  来源:中国科学院大气物理研究所

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