青藏高原北部隆升與東亞季風(fēng)及亞洲內(nèi)陸干旱演化
——來(lái)自氣候數(shù)值模擬的啟示*

劉曉東 石正國(guó) 郭慶春 王昭生

①研究員，②副研究員，③④博士研究生，中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所，西安 710075

*中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(XDB03020600)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41290255)和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2010CB833406) 資助

青藏高原北部隆升與東亞季風(fēng)及亞洲內(nèi)陸干旱演化
——來(lái)自氣候數(shù)值模擬的啟示*

劉曉東①石正國(guó)②郭慶春③王昭生④

①研究員，②副研究員，③④博士研究生，中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所，西安 710075

*中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(XDB03020600)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41290255)和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2010CB833406) 資助

青藏高原；亞洲季風(fēng)；內(nèi)陸干旱；數(shù)值模擬

青藏高原隆升是地球歷史上一次重大的地質(zhì)事件，青藏高原的出現(xiàn)對(duì)亞洲氣候與環(huán)境產(chǎn)生了劃時(shí)代的影響。過(guò)去的幾十年來(lái)，中外學(xué)者利用各種氣候數(shù)值模式模擬研究了青藏高原隆升的氣候環(huán)境效應(yīng)，極大地加深了我們對(duì)亞洲季風(fēng)變遷和亞洲內(nèi)陸干旱化機(jī)制的理解。近年來(lái)“高原隆升-氣候響應(yīng)”研究的一個(gè)重要進(jìn)展是認(rèn)識(shí)到亞洲區(qū)域氣候響應(yīng)與青藏高原隆升的形式密切相關(guān)。本文對(duì)此進(jìn)行了概括介紹，重點(diǎn)通過(guò)一系列分區(qū)域隆升的數(shù)值模擬試驗(yàn)的綜合分析，指出青藏高原北部隆升對(duì)東亞季風(fēng)變遷及亞洲內(nèi)陸干旱氣候演化具有重要影響，其最突出的特征表現(xiàn)為隨高原北部隆升東亞夏季風(fēng)和季風(fēng)雨區(qū)向北擴(kuò)展，內(nèi)陸干旱區(qū)和大氣粉塵含量及沉積范圍增加。這些模擬研究結(jié)果對(duì)東亞古環(huán)境研究具有良好的啟示，并由此提出了許多新的科學(xué)問(wèn)題。

1 青藏高原隆升的階段性及其環(huán)境效應(yīng)概述

矗立于亞洲大陸南部、素有“世界屋脊”之稱(chēng)的青藏高原(范圍大致為25°N～40°N，74°E～104°E)，面積約250 萬(wàn)km2，平均海拔在4 000 m以上，是世界上最高的高原。青藏高原以中國(guó)青海省和西藏自治區(qū)為主體，同時(shí)包括了周邊一系列高大山脈，如南部的喜馬拉雅山脈、北部的昆侖山—阿爾金山—祁連山、西部的帕米爾高原、東部的橫斷山脈。高原內(nèi)還有唐古拉山、岡底斯山、念青唐古拉山等。這些山脈海拔大多超過(guò)6 000 m，其中8 800 m以上的珠穆朗瑪峰是世界上最高的山峰。地質(zhì)學(xué)研究表明，青藏高原經(jīng)歷過(guò)滄海巨變?，F(xiàn)在的青藏高原在兩億多年前(即地質(zhì)年代的二疊紀(jì))曾經(jīng)是波濤洶涌的遼闊海洋，被稱(chēng)為特提斯海。特提斯海北邊的大陸稱(chēng)為歐亞大陸，南邊為岡瓦納大陸。由于板塊運(yùn)動(dòng)，從岡瓦納古大陸分離出來(lái)的印度板塊向北快速移動(dòng)和擠壓，與歐亞板塊碰撞導(dǎo)致其北部發(fā)生強(qiáng)烈的褶皺斷裂和抬升，促使青藏地區(qū)隆升為陸地。隨著印度洋的擴(kuò)張，印度板塊不斷北移并向亞洲大陸南緣俯沖擠壓，最終引起強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和青藏高原隆升[1]。

雖然迄今為止中外科學(xué)家對(duì)青藏高原隆升的時(shí)代和幅度等重要科學(xué)問(wèn)題尚存在不同的認(rèn)識(shí)，但多數(shù)研究表明，自55～45 Ma前印度次大陸與亞歐板塊碰撞[2-3]以來(lái)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)及地面隆升都是分階段發(fā)生的，因而青藏高原經(jīng)歷了階段性的逐步隆升過(guò)程[4-10]。在長(zhǎng)期隆升過(guò)程中，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)生侵蝕夷平時(shí)就表現(xiàn)為隆升間歇時(shí)期。例如，Tapponnier等[8]提出高原分地塊抬升并由南向北逐漸推進(jìn)的多階段隆升模式，一些研究認(rèn)為高原中部大面積地區(qū)早在40～35 Ma前的始新世可能已經(jīng)被抬升至 3 000～4 000 m的高度[11-12]，即高原主體可能在很早前就已經(jīng)具有一定規(guī)模。而后高原南部包括喜馬拉雅山脈區(qū)域發(fā)生劇烈隆升，中新世階段喜馬拉雅山脈主體基本達(dá)到目前的高度[10,12]。但藏北和甘青等高原北部地區(qū)在15 Ma以來(lái)仍出現(xiàn)了顯著的隆升，高原東北部和東部?jī)蓚?cè)向外不斷壯大，天山及蒙古的地勢(shì)在這一時(shí)期也都有相當(dāng)程度的抬升[10]，中中新世乃至上新世晚期以來(lái)高原北部尤其是東北部仍有一定幅度的隆升[13-14]。

青藏高原隆升不僅是新生代固體地球演化的重大事件之一，也被認(rèn)為是亞洲氣候和環(huán)境演化的重要驅(qū)動(dòng)力。高海拔地形造就了眾多的山地冰川和星羅密布的湖泊，從而成為長(zhǎng)江、黃河等亞洲許多大河的發(fā)源地，形成了獨(dú)特的地貌單元和生態(tài)系統(tǒng)。青藏高原不僅決定著該地區(qū)本身的自然環(huán)境，而且對(duì)其周邊的亞洲季風(fēng)、亞洲內(nèi)陸干旱乃至全球氣候與環(huán)境都產(chǎn)生了深刻的影響。在青藏高原隆升與區(qū)域環(huán)境變化關(guān)系的研究中，通常根據(jù)構(gòu)造隆升與環(huán)境變化的地質(zhì)記錄推測(cè)兩者之間的可能聯(lián)系。以劉東生為代表的中國(guó)學(xué)者在黃土與環(huán)境研究方面做出了舉世矚目的貢獻(xiàn)[15]，中國(guó)黃土不僅記錄了東亞古季風(fēng)演化的歷史，從黃土高原至北太平洋的風(fēng)塵沉積也反映了亞洲內(nèi)陸長(zhǎng)期的干旱化過(guò)程，而且這些風(fēng)塵沉積記錄蘊(yùn)含著季風(fēng)-干旱環(huán)境演化與青藏高原階段性隆升的耦合關(guān)系[16-22]。早中新世中國(guó)北方風(fēng)塵黃土的出現(xiàn)可能標(biāo)志著亞洲古環(huán)境從行星風(fēng)系主控型向季風(fēng)主控型環(huán)境的轉(zhuǎn)變[23]，陸地[24]和海洋[22]風(fēng)塵沉積均顯示上新世以來(lái)的最近4～3 Ma也是亞洲內(nèi)陸干旱化顯著加劇的時(shí)期，這些重大的環(huán)境變化事件都被認(rèn)為與青藏高原階段性隆升有關(guān)。

總的來(lái)看，已有的大量地質(zhì)、生物和構(gòu)造記錄傾向于把青藏高原隆升與亞洲古環(huán)境的變遷相聯(lián)系，并且已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。然而，由于地質(zhì)記錄在空間覆蓋、時(shí)間跨度、年代確定、氣候代用指標(biāo)解譯、區(qū)域及全球變化信息分離等方面尚存在一定的不確定性，因而僅僅利用地質(zhì)記錄往往難于確切推斷高原隆升與環(huán)境變化之間的因果聯(lián)系。另一方面，隨著地球流體動(dòng)力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，利用大氣環(huán)流模式進(jìn)行數(shù)值模擬已經(jīng)成為分析、檢驗(yàn)和發(fā)展古氣候與古環(huán)境動(dòng)力學(xué)理論的一種行之有效的研究手段。數(shù)值模擬方法在鑒別邊界強(qiáng)迫與氣候及環(huán)境變化之間的因果關(guān)系方面已得到了廣泛的應(yīng)用，從而促進(jìn)了青藏高原隆升對(duì)亞洲季風(fēng)-干旱環(huán)境演化影響認(rèn)識(shí)的不斷深化。以下簡(jiǎn)要介紹數(shù)值模擬在青藏高原隆升氣候環(huán)境效應(yīng)研究中的應(yīng)用，重點(diǎn)討論青藏高原北部隆升數(shù)值試驗(yàn)研究的一些最新進(jìn)展。

2 數(shù)值模擬在青藏高原隆升氣候環(huán)境效應(yīng)研究中的應(yīng)用

氣候數(shù)值模擬的基本工具是氣候模式。所謂氣候模式是以氣候系統(tǒng)為對(duì)象，由一系列描述流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)規(guī)律的數(shù)值方程所構(gòu)成的數(shù)學(xué)模型。為了在物理細(xì)節(jié)和計(jì)算效率要求之間達(dá)到一定的平衡，根據(jù)不同需求，氣候模擬采用的數(shù)值模式復(fù)雜性跨度較大，從簡(jiǎn)單的能量平衡模式(EBM)、中等復(fù)雜程度的地球系統(tǒng)模式(EMIC)到目前使用最廣泛的三維大氣環(huán)流模式(AGCM)、海洋-大氣耦合模式(CGCM)、海-陸-氣-冰耦合的地球系統(tǒng)模式(ESM)。EBM不考慮大氣動(dòng)力過(guò)程，難以深入刻畫(huà)大氣內(nèi)部的物理過(guò)程，主要用于對(duì)某一過(guò)程或反饋的敏感性研究；而ESM則充分細(xì)致地對(duì)大氣-海洋-陸地-冰雪-生物所組成的氣候系統(tǒng)內(nèi)部物理機(jī)制和反饋過(guò)程進(jìn)行參數(shù)化處理，較完備地描述氣候系統(tǒng)的時(shí)空特征，但對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高，目前還很難進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間尺度的模擬試驗(yàn)，多應(yīng)用于時(shí)間跨度較短的平衡態(tài)和敏感性測(cè)試；EMIC則介于兩者之間，以簡(jiǎn)化動(dòng)力機(jī)制描述為代價(jià)提高計(jì)算效率，達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間模擬的目的。在過(guò)去40多年中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已應(yīng)用不斷改進(jìn)的氣候數(shù)值模式，通過(guò)控制性地改變地形高度等，從多種角度探討了青藏高原隆升在區(qū)域和全球氣候形成與變化中的作用，在高原隆升氣候環(huán)境效應(yīng)的數(shù)值模擬研究方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。

迄今為止的一系列數(shù)值模擬研究均說(shuō)明青藏高原隆升與氣候響應(yīng)之間存在著因果聯(lián)系。但從高原隆升的形式來(lái)看，高原隆升氣候效應(yīng)的數(shù)值模擬試驗(yàn)大致可歸納為高原整體隆升、高原階段性隆升和高原區(qū)域隆升三類(lèi)。所謂高原整體隆升試驗(yàn)，即進(jìn)行簡(jiǎn)單的“有山”與“無(wú)山”數(shù)值試驗(yàn)，在對(duì)比試驗(yàn)中除高原地形改變之外，其余邊界條件均保持相同，這樣在有地形與無(wú)地形試驗(yàn)中大氣響應(yīng)的差異就顯示了高原隆升在大氣環(huán)流演化和氣候變遷中的作用，早期的數(shù)值試驗(yàn)大多屬于這一類(lèi)。例如，Manabe等[25-26]利用AGCM進(jìn)行了有山、無(wú)山的對(duì)比試驗(yàn)，揭示了青藏高原的存在不僅決定了亞洲冬季風(fēng)的核心系統(tǒng)——西伯利亞高壓的位置和強(qiáng)度，而且控制著亞洲夏季風(fēng)的建立和發(fā)展。Kutzbach等[27]利用更為先進(jìn)的氣候模式完成了有山、無(wú)山和半山的模擬試驗(yàn)，進(jìn)一步指出青藏高原隆起可造成亞洲區(qū)域氣候分異，即高原東、南側(cè)變濕，而高原西、北側(cè)變干。這些模擬結(jié)果與這些地區(qū)晚新生代以來(lái)許多地質(zhì)證據(jù)相符，從而說(shuō)明高原周邊地區(qū)的氣候環(huán)境深受高原隆升的影響。許多數(shù)值試驗(yàn)[27-28]表明，高原隆升對(duì)中緯度干旱氣候的形成具有重要貢獻(xiàn)?？傊?，青藏高原在中緯度地區(qū)崛起，其巨大的面積和體積占據(jù)了地球大氣對(duì)流層1/3～1/2的高度，給大氣環(huán)流以強(qiáng)烈的影響，破壞了地理緯度地帶性，迫使高空西風(fēng)環(huán)流在高原西側(cè)分支，在高原南北兩側(cè)產(chǎn)生繞流，高原的動(dòng)力和熱力作用強(qiáng)化了亞洲季風(fēng)，同時(shí)加劇了亞洲內(nèi)陸的干旱化。

雖然通過(guò)有、無(wú)地形試驗(yàn)對(duì)比所反映的高原整體隆升能夠直觀地顯示高原隆升在區(qū)域甚至全球氣候形成和變化中的作用，但整體隆升與地質(zhì)事實(shí)相去甚遠(yuǎn)，因?yàn)槲∪坏那嗖馗咴⒉皇且货矶偷模墙?jīng)歷了漫長(zhǎng)的階段性隆升。因而，作為高原整體隆升方案的改進(jìn)，引入了高原階段性隆升試驗(yàn)，即通過(guò)劃分不同隆升階段或按照現(xiàn)代地形高度的一定比例系統(tǒng)檢驗(yàn)遞進(jìn)式隆升的作用。例如，Liu和Yin[29]對(duì)歐亞大陸上現(xiàn)代大地形所在地區(qū)陸地上所有格點(diǎn)的地形高度分別取為現(xiàn)代地形高度值的100%、90%、80%、70%、…、0%，即以青藏高原現(xiàn)代高度10%的間隔進(jìn)行了高原階段性隆升對(duì)亞洲季風(fēng)形成演化的系列數(shù)值模擬試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，東亞季風(fēng)比南亞季風(fēng)對(duì)青藏高原隆升的響應(yīng)更為顯著，且高原隆升對(duì)東亞冬季風(fēng)的影響大于對(duì)東亞夏季風(fēng)的影響。即使沒(méi)有青藏高原，僅受海陸熱力對(duì)比的作用，中國(guó)東部長(zhǎng)江以南地區(qū)夏季仍能出現(xiàn)偏南風(fēng)。然而只有在青藏高原存在，且達(dá)到一定高度的情況下，東亞北方地區(qū)冬季才能盛行偏北風(fēng)。換句話說(shuō)，在高原隆升達(dá)到現(xiàn)代高度的一半之前，東亞大約30°N以北的北方地區(qū)近地面風(fēng)冬、夏反向意義下的季風(fēng)現(xiàn)象是不存在的。此外，青藏高原隆升加劇了亞洲內(nèi)陸的干旱化，但地形作用并不是內(nèi)陸干旱區(qū)形成的根本原因。

高原階段性隆升試驗(yàn)相對(duì)于地質(zhì)時(shí)期真實(shí)的邊界條件而言依然過(guò)于簡(jiǎn)化，實(shí)際上青藏高原不同區(qū)域的隆升階段、速率和幅度存在明顯差異，而非等比例的勻速隆升。因此，越來(lái)越多的研究嘗試分區(qū)域的高原隆升模擬試驗(yàn)，即單獨(dú)考慮高原各子區(qū)域的隆升，以考察不同區(qū)域隆升對(duì)不同氣候子系統(tǒng)的影響。近年來(lái)大量的高原區(qū)域隆升試驗(yàn)(詳見(jiàn)文獻(xiàn)[30]的評(píng)述)表明，區(qū)域氣候響應(yīng)與高原隆升的形式密切相關(guān)。不同形式的構(gòu)造隆升在氣候和環(huán)境效應(yīng)上存在顯著區(qū)域差異，即青藏高原不同區(qū)域的地形隆升對(duì)亞洲季風(fēng)各子系統(tǒng)形成發(fā)展的影響是不同的。從目前已完成的大量數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，海陸分布變遷和喜馬拉雅山的隆升對(duì)南亞季風(fēng)的建立和發(fā)展具有決定性作用[31-32]，而東亞北方季風(fēng)的形成發(fā)展、高原北側(cè)干旱化加劇和亞洲粉塵循環(huán)增強(qiáng)則主要取決于青藏高原中部，特別是高原北部的隆升[33-35]。在下一節(jié)中將集中討論青藏高原北部隆升對(duì)東亞季風(fēng)變遷及亞洲內(nèi)陸干旱化的影響。

3 青藏高原北部隆升對(duì)東亞季風(fēng)變遷及亞洲內(nèi)陸干旱化的影響

盡管有關(guān)喜馬拉雅-青藏高原隆升地質(zhì)歷史和過(guò)程的認(rèn)識(shí)至今并不完全清楚，但事實(shí)上大量構(gòu)造記錄顯示青藏高原隆升過(guò)程具有“分時(shí)段分區(qū)域”的特征，這也意味著對(duì)青藏高原氣候效應(yīng)的評(píng)估必須同地質(zhì)歷史中高原實(shí)際隆升過(guò)程相聯(lián)系才更具科學(xué)價(jià)值，這正是進(jìn)行高原區(qū)域隆升試驗(yàn)的意義所在。一些地質(zhì)證據(jù)表明，喜馬拉雅和青藏高原南部隆升早于高原北部。根據(jù)已有的數(shù)值試驗(yàn)推斷，很可能僅有第三紀(jì)早期喜馬拉雅山隆升的作用就可以維持當(dāng)時(shí)的南亞季風(fēng)。通過(guò)去除青藏高原的主體而只保留其南部的喜馬拉雅山脈和向西延伸的狹長(zhǎng)地形的數(shù)值試驗(yàn)，Boos和Kuang[31]發(fā)現(xiàn)喜馬拉雅山的抬升阻斷了來(lái)自北方大陸的冷干氣流和來(lái)自熱帶海洋的暖濕氣流，從而使暖濕空氣在印度上空積聚，形成強(qiáng)大的南亞季風(fēng)。較早的數(shù)值試驗(yàn)也顯示，在高原隆起前古特提斯海的退縮可造成30°N以南的南亞季風(fēng)降水顯著增加[36]。更有研究顯示，即使沒(méi)有地形作用同樣可以模擬出南亞季風(fēng)的建立[37]。這些研究都說(shuō)明，僅有喜馬拉雅山隆升甚至僅有海陸分布變遷就足以激發(fā)熱帶性質(zhì)的南亞季風(fēng)。

然而，越來(lái)越多的數(shù)值模擬研究表明，新生代以來(lái)東亞北方季風(fēng)的形成離不開(kāi)青藏高原主體，特別是高原北部的隆升。An等[17]完成了喜馬拉雅-青藏高原隆升過(guò)程中4個(gè)理想階段的數(shù)值模擬，并與黃土高原、印度洋及太平洋的風(fēng)成沉積記錄相互對(duì)比，提出青藏高原隆升與東亞季風(fēng)氣候至少存在10～8 Ma和3.6～2.6 Ma兩個(gè)重要的耦合演化階段，其中3.6～2.6 Ma高原北部生長(zhǎng)和向東北方向擴(kuò)張具有重要意義。張冉和劉曉東[35]基于上新世以來(lái)高原北部構(gòu)造隆升的地質(zhì)證據(jù)，通過(guò)有限幅度地削減高原北部地區(qū)地形高度(平均地形降低約800 m)的試驗(yàn)并與現(xiàn)代對(duì)比也發(fā)現(xiàn)，青藏高原北部隆升導(dǎo)致東亞北方夏季風(fēng)增強(qiáng)，長(zhǎng)江以北30°N～40°N之間的東亞北方季風(fēng)區(qū)降水增多，但對(duì)南亞地區(qū)降水影響不大。高原北部的隆升極大增強(qiáng)了來(lái)自西太平洋的環(huán)流，位于西北太平洋的副熱帶高壓系統(tǒng)也明顯增強(qiáng)，促進(jìn)了東亞夏季風(fēng)的發(fā)展。季風(fēng)變化帶來(lái)了東亞降雨分布的改變，尤其在中國(guó)華北地區(qū)，不但降水量大幅增加，季風(fēng)區(qū)總體范圍也更接近現(xiàn)代，季風(fēng)北界向西北擴(kuò)展[34]。Tang等[32]利用一個(gè)較高分辨率的區(qū)域氣候模式進(jìn)行了青藏高原不同區(qū)域隆升對(duì)南亞和東亞夏季風(fēng)的影響的系列敏感性試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)印度夏季風(fēng)主要受高原南部地形的機(jī)械阻擋作用控制，而東亞夏季風(fēng)，特別是中國(guó)北部降水主要因高原中部和北部隆升帶來(lái)的地面加熱作用而增強(qiáng)，但相比之下華南地區(qū)的降水對(duì)高原北部隆升的響應(yīng)則不甚明顯。

雖然大量的地質(zhì)證據(jù)[19,23]表明亞洲內(nèi)陸的干旱由來(lái)已久，但數(shù)值模擬顯示青藏高原北部的隆升會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致亞洲內(nèi)陸干旱化加劇及大氣粉塵循環(huán)增強(qiáng)，干旱化有利于大氣粉塵載荷的增加并向東傳輸，在黃土高原至北太平洋沉積。Shi等[33]利用耦合了粉塵循環(huán)過(guò)程的氣候模式對(duì)上新世及現(xiàn)代氣候進(jìn)行了對(duì)比模擬，其中上新世試驗(yàn)將青藏高原北部的高度較現(xiàn)代平均降低了約600 m，地形變化最大處降低了1 400 m。模擬結(jié)果表明，在上新世以來(lái)高原北部地形有限隆升的情況下，地形抬升增大了對(duì)其北側(cè)西風(fēng)的動(dòng)力阻擋作用，結(jié)果使高原北側(cè)西風(fēng)繞流形成的高壓脊增強(qiáng)，加上地形抬升的熱力作用引起的補(bǔ)償性下沉，兩者共同抑制了高原北側(cè)大片干旱區(qū)的降水，加劇了內(nèi)陸的干旱化，從而使干旱地區(qū)面積也有明顯增加。干旱區(qū)面積的增加意味著粉塵源區(qū)的擴(kuò)大，最終導(dǎo)致大氣粉塵含量增多，這一模擬結(jié)果與上新世以來(lái)黃土高原[24]及北太平洋地區(qū)[22]粉塵沉降通量顯著增加的地質(zhì)證據(jù)相吻合。這里我們用圖1示意性地說(shuō)明亞洲夏季風(fēng)及大氣粉塵含量的變化。當(dāng)青藏高原中、南部已經(jīng)隆起，但高原北部地區(qū)地形尚較低的情況下(圖1(a))，印度夏季風(fēng)已經(jīng)良好發(fā)展，而東亞夏季風(fēng)主要在長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū)盛行。與此同時(shí)，亞洲大陸上空對(duì)流層年平均粉塵含量相對(duì)偏低。然而，當(dāng)青藏高原北部也隆起后(圖1(b))，對(duì)印度季風(fēng)的影響很小，盛夏東亞季風(fēng)向北推進(jìn)能夠到達(dá)中國(guó)華北及東北地區(qū)，亞洲大陸上空對(duì)流層粉塵含量明顯增多。

圖1 數(shù)值模擬揭示的青藏高原北部隆升對(duì)亞洲夏季風(fēng)及大氣粉塵含量影響示意圖。(a)和(b)分別對(duì)應(yīng)青藏高原北部為低地形和現(xiàn)代地形的情況。圖中在中國(guó)東部地區(qū)和印度半島上的黃色箭頭分別指示了對(duì)流層低層?xùn)|亞和南亞夏季風(fēng)環(huán)流，而紅色箭頭指示了對(duì)流層高層?xùn)|亞夏季經(jīng)向環(huán)流的方向；白色雨滴區(qū)示意性地指示了盛夏中國(guó)東部季風(fēng)雨區(qū)的位置；圖上的黑、黃、紅色橢圓圈分別代表對(duì)流層中層600 hPa(海拔約4 200 m)、500 hPa(海拔約5 500 m)和400 hPa(海拔約7 200 m)上的年平均粉塵混合比相對(duì)高值區(qū)的范圍

綜上所述，過(guò)去幾十年來(lái)大量的數(shù)值模擬研究證實(shí)亞洲季風(fēng)-干旱環(huán)境演化與青藏高原隆升密不可分，近年來(lái)這方面研究的一個(gè)重要進(jìn)展是認(rèn)識(shí)到高原隆升的形式不同帶來(lái)的區(qū)域尺度氣候和環(huán)境效應(yīng)是不一樣的。青藏高原北部隆升對(duì)東亞季風(fēng)變遷及亞洲內(nèi)陸干旱氣候演化具有重要影響，最顯著的特征表現(xiàn)為隨高原北部隆升東亞夏季風(fēng)和季風(fēng)雨區(qū)向北擴(kuò)展，以及內(nèi)陸干旱區(qū)和大氣粉塵含量及沉積范圍的增加。這些模擬研究結(jié)果對(duì)東亞古環(huán)境研究具有良好的啟示，同時(shí)也提出了許多新的科學(xué)問(wèn)題。例如，數(shù)值模擬顯示對(duì)青藏高原北部隆升響應(yīng)最顯著的地區(qū)是東亞北方季風(fēng)區(qū)，考慮到季風(fēng)強(qiáng)度與不同區(qū)域的降水量變化并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，能否在華北地區(qū)獲得地質(zhì)時(shí)期可靠的季風(fēng)降水指標(biāo)可能是推斷過(guò)去東亞季風(fēng)歷史，進(jìn)而尋求東亞季風(fēng)變遷與青藏高原隆升聯(lián)系的關(guān)鍵；上新世以來(lái)亞洲內(nèi)陸的干旱化可能既與青藏高原北部隆升有關(guān)，也與北半球大冰期來(lái)臨引起的全球氣候變冷相聯(lián)系，如何區(qū)分兩者的相對(duì)貢獻(xiàn)？地質(zhì)時(shí)期亞洲大陸上的大氣粉塵載荷及其循環(huán)，包括古粉塵的排放、輸送及沉降過(guò)程不但取決于青藏高原隆升所引起的大氣環(huán)流變化的動(dòng)力作用，同時(shí)也與粉塵源區(qū)的變動(dòng)密切相關(guān)。所以，要進(jìn)一步弄清亞洲古粉塵的變遷地貌學(xué)及粉塵源區(qū)時(shí)空演化的研究不可或缺。此外，亞洲古粉塵如何通過(guò)改變大氣輻射平衡、云物理結(jié)構(gòu)、大氣化學(xué)過(guò)程以及生物地球化學(xué)循環(huán)等反饋過(guò)程進(jìn)一步影響氣候也值得深入研究。未來(lái)要解決這些不斷涌現(xiàn)的科學(xué)問(wèn)題，在很大程度上將依賴于地質(zhì)記錄與數(shù)值模擬研究的融合，兩者的緊密結(jié)合不僅可以互相啟發(fā)和互相補(bǔ)充，而且可以互相印證和互相促進(jìn)，最終推動(dòng)青藏高原隆升與亞洲環(huán)境變化研究的不斷發(fā)展。

(2014年5月16日收稿)■

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Uplift of the northern Tibetan Plateau and evolutions of East Asian monsoon and Asian inland arid environments

LIU Xiao-dong①, SHI Zheng-guo②, GUO Qing-chun③, WANG Zhao-sheng④
①Professor, ②Associate Professor, ③④Ph. D. Candidate, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710075, China

As a major geological event in the Earth’s history, the uplift of the Tibetan Plateau on the Asian climate and environment had a defining influence. During the past decades, many scholars from China and abroad have studied climatic and environmental effects of the plateau uplift by a variety of climate numerical models. These modeling studies have greatly deepened our understanding of mechanisms on the evolutions of Asian monsoon and Asian interior aridity. In recent researches on“plateau uplift- climate response”, an important progress is recognizing that there exists a close relationship between the Asian regional climate response and the form of the Tibetan Plateau uplift. This paper conducts a general introduction, focusing on a comprehensive analysis of a series of sub-regional uplift simulations. It is pointed that the uplift of the northern Tibetan Plateau produced significant impacts on the evolution of the East Asian monsoon and Asian inland arid climates, with northward shifts of East Asian summer monsoon circulation and rainfall, and expansions or enhancements in arid regions, atmospheric dust loading and sedimentary areas as the most prominent features. A great deal of enlightenment is gained from these modeling results for the paleo-environmental researches of East Asia and thus many new scientific questions are raised.

Tibetan Plateau, Asian monsoon, inland aridity, numerical simulation

(編輯：溫文)

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.03.003