亞洲季風氣候區的熱源分布及其對亞洲季風形成的影響

2014-04-29 00:48:00徐琦

大觀 2014年12期

摘要：亞洲季風，是一個重要的氣候系統。本文在閱讀文獻的基礎上，對亞洲季風氣候系統的形成原因進行了分析，青藏高原、極地冰蓋及熱帶印度洋和西太平的熱量變化都對亞洲季風有重要影響。青藏高原的隆起對亞洲季風的形成有重要作用，特別是高原動力和熱力作用。本文重點分析了亞洲季風氣候區的熱源分布對亞洲季風形成的影響，不同的熱源空間分布型對我國不同月份降水的影響有差異。亞洲季風的本質，即是熱帶大氣水汽中心隨越赤道氣流向外擴展的過程。

關鍵詞：亞洲季風；熱源與熱匯；青藏高原隆起；歲差；極地冰蓋

一、引言

世界上最早的關于描述季風的文獻是我國帝舜的《南風》歌，距今大約4200年左右。季風，簡而言之就是其風向隨著季節的變化而變化，是一個重要的氣候系統。季風形成的主要原因是海陸熱力性質差異和行星風系的季節性移動而引起的，當然還有其他因素的影響，例如熱帶印度洋熱量變化、極地冰蓋面積、青藏高原及歲差等都對亞洲季風產生影響（劉東生， 1998；劉曉東， 1999；劉曉東， 2009；陳錦年， 2012）。李崇銀（1988）對亞洲季風氣候若干問題研究近況進行了介紹。楊建平等（2005）研究了亞洲季風與我國干濕、農牧氣候界線之間的關系，結果表明季風環流的強弱變化控制著氣候界線空間擺動的范圍與方向，其年代際變化是中國干濕、農牧氣候界線呈現出年代際變化特征的根源。楊建玲等（2007）研究了熱帶印度洋海表面溫度年際變化主模態對亞洲季風區大氣環流的影響，揭示了印度洋海盆模態可能引起北半球夏季繞球遙相關型。王彥明（2009）發現 AMO 與亞洲季風區氣候存在密切的聯系，之后利用 GFDL AM2、NCEP AGCM、NCAR CCM3 三個大氣環流模式模擬了亞洲季風區氣候對北大西洋海溫異常的響應，并揭示其影響機制。

亞洲季風的建立及其強弱對我國的氣候產生了重要影響。全球回歸線穿過的陸地附近一般都是沙漠，例如北非，沙特，中美洲及澳大利亞中西部等，都因為在回歸線穿過，受副熱帶高壓的控制，盛行下沉氣流，降水少，加之沿岸的寒流，從而形成了許多著名沙漠。而回歸線穿過的我國云南、兩廣、福建及臺灣等地區，不但沒有形成沙漠，而是植被覆蓋度高，降水豐富，河網密布的“魚米之鄉”。因此，被稱為回歸線上的綠洲。這得益于亞洲季風的建立，使得原本的信風帶在這里被東南季風和西南季風所替代，從而把大量的海洋水汽帶到陸地形成豐富的降水。

夏季風的強弱對我國雨帶的遷移有重要影響。亞洲季風氣候系統的年際和年代際變異對我國長江流域的旱澇災害及華北的干旱有重要影響。黃榮輝等（2008）研究表明長江流域嚴重洪澇災害一般發生在亞洲季風偏弱時，北方有頻繁的冷空氣活動。金霞（2009）分析了亞洲季風的降水日變化特征分析，結果表明夏季沿青藏高原西南側山麓分布著一條明顯的夜間最大降水帶。

本文在閱讀文獻的基礎上，分析了對季風形成有重要的因素對亞洲季風的影響，并重點分析了亞洲氣候區的熱源分布及其對亞洲季風形成的影響，以及對我國氣候的影響，以期能夠對亞洲季風有個整體性的認識。

二、亞洲季風的形成

亞洲陸地面積大而輪廓完整，缺乏深入內地的海灣，大陸中心距海遙遠。內部有廣大的干燥地區，夏季形成世界的熱機，在干熱的印度西部、伊朗南部與阿拉伯一帶，極端最高氣溫達50℃左右，局部地區還要高些。夏季大陸強烈增溫，形成一個巨大的低壓區，通常稱為印度熱低壓。這個低壓夏季向東北擴展，幾乎占據全部內陸，并與海上的副高之間形成很大的氣壓梯度。因此，亞洲季風的成因一般認為是其處在世界上最大的大陸（歐亞大陸）和世界上最大的大洋（太平洋）之間，海陸熱力性質差異顯著，以及行星風系的季節性移動，從而形成了東亞季風和南亞季風，是全球最顯著的季風系統。一般認為東亞季風的建立應該滿足兩個條件：一是在東亞30°N以北地區存在季節性交替的夏季偏南而冬季偏北的盛行風；二是冬夏反向的氣流來自物理性質不同的氣團，因而造成冬季干冷、夏季相對濕熱的氣候。夏季行星風帶北移，南半球的東南信風越過赤道而轉成偏南與偏西風，也就是熱帶輻合帶南側的氣流。印度洋的越赤道氣流，主要是在增強印度西南季風方面起作用；太平洋的越赤道氣流則對華南的西南季風與東南季風都有作用。

當然季風的形成還有其他因素的作用，如青藏高原隆起，極地冰蓋及歲差等。劉東生（1998）研究表明東亞夏季風的雛形出現于漸新生世時期，顯示了與漸新世初期南極冰蓋的顯著增大具有某種同時性，南極冰蓋的出現會導致兩半球的不對稱性，使得熱帶復合帶則會向北半球深入，從而南半球信風進入北半球低緯地區成為季風，給陸地帶來海洋水汽。歲差會引起南北半球太陽輻射的變化是相反的，因此，位于南北半球低季風氣候的歲差尺度響應通常也具有相反的變化趨勢（劉曉東， 2009）。歲差會引起北半球夏季日輻射增加，導致陸地溫度升高，海陸溫差隨之增大，使9ka前的亞-非季風強度較現今更為強烈，季風降水增多。

熱帶印度洋“耦合主模態”在夏季主要通過平均風場和水汽輸送的熱力學過程以及大氣對熱源的動力學響應，及其中緯度急流波導影響大氣環流（楊建玲， 2007）。亞洲夏季風通過水汽輸送的途徑在印度洋的“放電”過程中有放大大氣響應信號的作用。熱帶印度洋海盆模的“電容器”作用：ENSO首先對印度洋進行“充電”，形成熱帶印度洋海盆模，在ENSO峰值位相后的春季達峰值位相，并可以從春季持續到夏季，該模態又可以“放電”，引起春夏季大氣環流的顯著異常。因此提出了ENSO滯后和間接影響亞洲夏季風的一個新途徑。

三、青藏高原隆起對亞洲季風的影響

青藏高原的隆起對亞洲季風的建立有重要作用。高原隆起可以通過各種直接和間接的作用使得氣候變冷。一方面，高原隆起使當地因氣溫直減率效應而變冷，會使部分地面進入冰凍圈，促使高原面上大范圍冬季雪蓋形成，并通過反射率-溫度反饋而影響到半球、甚至全球的氣候；另一方面，高原隆起可以通過間接的生物化學作用是使全球，特別是高緯地區變冷。青藏高原隆起引起全球氣候變冷，就長期趨勢而言，減少了海表、地表蒸發和大氣可持水量，總體上使降水有減少趨勢；但是高原隆起又使夏季風加強，使得季風區的降水增多。

氣候數值模擬方法的應用，促進了青藏高原隆升對亞洲季風-干旱環境演化影響的研究。國內外學者已應用不斷改進的數值模式（包括大氣環流模式、海洋-大氣耦合模式、海-陸-氣-冰耦合的地球系統模式），通過控制性地改變地形高度等，探討青藏高原隆升在亞洲和全球氣候演化中的作用。

張晨等（2012）基于大氣環流模式（CAM），在月和候時間尺度上對比分析了東亞夏季風對高原的響應特征。結果表明：高原隆起加強偏北風，使熱帶季風爆發之前華南及長江流域的降水加強，并通過對高層大氣的顯著加熱作用，強化了東亞地區上層大氣的南北熱力差異，使得東亞夏季風加強。錢永甫等開展了青藏高原大地形對大氣環流影響的數值模擬研究，揭示了高原動力和熱力作用在亞洲區域環流形成和季風發展中的重要性。

通過無山、半山和全山的敏感性試驗揭示了青藏高原對區域和全球氣候環境的影響，發現高原隆升增強了高原上夏季熱源和冬季冷源作用，放大了季節對比，加劇了盛行風向的季節轉換，從而對亞洲冬、夏季風均有顯著的增強作用。盡管不同學者的結果還存在諸多差異，但可以肯定的是高原隆升與亞洲氣候變化確實存在著明確的因果聯系。

四、亞洲季風氣候區的熱源分布及其對亞洲季風形成的影響

亞洲季風區的南亞-熱帶印度洋-熱帶西太平洋地區是全球范圍最強的大氣熱源區，其中西太平洋暖池區是最強的熱源中心。在亞洲季風區中，除赤道附近的熱帶西太平洋地區外，大氣熱源、熱匯的季節差異非常明顯，從青藏高原南部和孟加拉灣北部到中國東部和南海地區，冬季都是較強的熱匯區，夏季則是非常強的熱源區，其中，青藏高原南部和孟加拉灣東北部夏季的熱源最強，而在北太平洋中緯度和澳大利亞北部洋面上，冬季是強熱源區，夏季是非常弱的熱源或熱匯。

青藏高原地區影響我國東部夏季降水的同期大氣熱源的空間分布型是各不相同的。陳玉英和鞏遠發（2006）研究表明影響我國東部6月降水的同期大氣熱源REOF空間型是中南半島附近和孟加拉灣北側空間型；影響我國東部7月降水的同期大氣熱源REOF空間型是高原東南部、阿拉伯海北側、孟加拉灣北邊緣和高原東北邊緣空間型；影響我國東部8月的同期大氣熱源REOF空間型是高原東南側附件、高原東北邊緣空間型。影響我國東部夏季降水的前期春季大氣熱源REOF空間型是高原北部和孟加拉灣東側地區空間型。大氣熱源的不同空間型所對應的東亞乃至北半球的大氣環流是不同的，因而影響我國同期降水的顯著區域也是不同的。

五、亞洲季風氣候的幾點認識

從季風的形成過程來看，季風是由于熱帶輻合帶季節性南北半球遷移導致的行星風系季節轉換而成的（錢維宏，2005），其根本的推動力是熱帶輻合帶和南北極地區之間的冷熱源差異所產生的氣壓梯度力，因此本質上季風是一種能量的交換與傳遞過程，即通過季風系統將低緯的熱帶輻合帶的熱量傳遞到高緯地區，以平衡高低緯度之間的能量差異。從水文循環角度來看，季風與大氣降水過程密切相關（陳詩越等， 2012），直接影響著一個地區的干濕變化，是區域氣候和自然環境形成的基礎，季風的波動演變對區域水文循環和旱澇災害產生深刻影響，因此本質上季風也是一種重要的水文循環過程，對區域水量平衡具有重要意義。

盡管已有的各類氣候模式對高原隆升氣候效應的模擬具有一定的一致性，但在某些方面尚存在明顯差異. 例如，青藏高原南部地形的動力作用和熱力作用對南亞季風的相對重要性還有不同看法，需要進一步的定量化研究. 目前用于研究高原區域隆升作用的數值模式分辨率還有待提高。與全球大氣環流模式相比，區域氣候模式有較高的分辨率因而能更好地描述中小尺度的動力和物理過程，進而能夠更準確地模擬區域及局地地形對季風和干旱氣候的影響，但區域模式也有其自身的局限性，無法反映區域內大氣環流變化對區域外大氣的反饋。

關于亞洲季風在軌道尺度上的驅動機制有兩種不同的假說。第一種是“零相位”假說，即亞洲季風的演化完全受控于北半球夏季日射，最強盛季風出現的時間較之對應的北半球最大夏季日射至多存在較小的相位差，即“零相位”。第二種假說認為南亞季風除了受北半球夏季日射的直接驅動外，還要受到南半球日射（在歲差周期上與北半球輻射反位相）引起的南印度洋潛熱輸送的巨大影響，我們暫且稱之為“潛熱說”。

【參考文獻】

[1] 陳詩越，劉雙爽，張芹.論季風的形成及其本質. 聊城大學學報（自然科學版），2012（04）：67-70

[2] 陳玉英，鞏遠發.亞洲季風區大氣熱源匯的氣候特征. 中國氣象學會2006 年年會“首屆研究生年會”分會場，中國四川成都，2006

[3] 陳錦年，左濤，王宏娜.印度洋熱通量變化及其對南海夏季風爆發的影響. 海洋與湖沼，2012（05）：884-890

[4] 黃榮輝.東亞季風系統的時空變化及其對我國氣候異常影響的最近研究進展

. 大氣科學，2008（04）：691-719

[5] 金霞.亞洲季風區云和降水的日變化特征分析. 碩士畢業論文，中國氣象科學研究院，2009

[6] 李崇銀.亞洲季風氣候若干問題研究近況. 熱帶氣象，1988（03）：203-215

[7] 劉東生，鄭綿平，郭正堂.亞洲季風系統的起源和發展及其與兩極冰蓋和區域構造運動的時代耦合性. 第四紀研究1998（03）：194-204

[8] 劉曉東.青藏高原隆升對亞洲季風形成和全球氣候與環境變化的影響. 高原氣象1999（03）：321-332

[9] 劉曉東，石正國.歲差對亞洲夏季風氣候變化影響研究進展. 科學通報2009（20）：3097-3107

[10] 錢維宏.季風的季節、年際和年代際變化. 熱帶氣象學報，2005（02）：199-206