为什么夏天青藏高原温度最低(的青藏高原在夏季是一个热岛)

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。

作为世界屋脊,青藏高原海拔高,与南北极一样寒冷,大部分区域也与南北极一样毫无生机,因此也被称作地球“第三极”,通往青藏高原的铁路在歌曲中也被称为“天路”。青藏高原给人们的印象总是遥远而神秘,然而你知道吗,青藏高原这位“(又)高(又)冷”的女神并非遥不可及,她与我们的生活时时刻刻进行着互动。

青藏高原:其实我很“热”情

青藏高原不仅在艺术和文学方面有重要的象征意义和情感价值,对于我国气候的形成也起着举足轻重的作用。我国对青藏高原的研究可以追溯到上世纪五十年代,那时中国气象事业奠基人之一的叶笃正先生刚刚学成归国,他敏锐地发现青藏高原夏季其上空大气的热源作用对下游东亚地区的天气形势有着重要的影响。叶先生的研究工作直接开创了青藏高原气象学,并使国际上接受了大地形热力作用的概念。

为什么夏天青藏高原温度最低(的青藏高原在夏季是一个热岛)(1)

(图片来源: Advances in Atmospheric Science 纪念叶笃正先生诞辰百年专刊封面

前面提到,冰天雪地是三极的共同点之一,而且我们上学时的课本中也有提到我国夏季气温分布特点是“除青藏高原地区外,全国普遍高温”。那么青藏高原的“热”情又从何说起呢?事实上,“冷”和“热”是相对的概念,对于身处平原的我们而言,青藏高原自然是非常冷的。但是当我们把自己抬升到与青藏高原同一海拔高度的大气时就会发现,青藏高原地表温度是显著高于周边大气温度的。

地表和大气温度差形成的主要原因是垂直方向上温度递减速率不同。大气在垂直方向上每上升1km温度下降约6.5℃,以夏季为例,当海平面大气温度达到30℃时,海拔5km的大气温度在0℃左右。但是高原地表温度并没有按照特定的速率递减,在夏季地表温度依然可以维持在10~20℃之间。与四周的高空大气相比,夏季的青藏高原简直是“热情似火”了呢。

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高原美景(图片来自网络)

此外,高原接收太阳辐射时间长,其日照时间比同纬度的东部地区几乎多了一半,比临近的四川盆地多了两倍。被称作“日光城”的拉萨,每年平均日照总时数超过3000个小时,平均每天有8小时15分钟的太阳。

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拉萨是世界上日照时间最长的城市之一(图片来自网络)

夏季青藏高原的抬升加热作用,使得其上空大气成为热源,塑造了高原及其周边地区独特的气候特征,极大地影响到了亚洲气候的分布格局。我国夏季风的形成是由于风从气压较高的海洋吹向气压较低的陆地,而高原的热源作用会使地面空气受热膨胀,在高原表面形成一个低压区,尤如一台巨型“气泵”,吸引周围空气吹向高原,从而造就了更加强劲的东亚、南亚夏季风。

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青藏高原热源作用示意图(图片来源:徐祥德等 (2019))

温室气体浓度升高可致青藏高原热源增强

近百年来,大气中温室气体浓度持续增加,引起全球气温升高,而青藏高原作为全球变暖响应最明显的地区,同时也是未来全球气候变化影响不确定性最大的地区,高原上空环流变化一直是气象学家们关注的焦点之一。

来自中国科学院大气物理研究所黄刚研究员、屈侠副研究员等的一项研究发现,随着大气中二氧化碳浓度的增加,夏季青藏高原热源将会增强。大气中二氧化碳浓度增加主要通过两种途径影响到青藏高原热源变化:

  • 一是通过改变大气辐射平衡直接影响到高原气候(简称“直接辐射效应”),直接辐射效应可以使高原和上空大气温度升高,加强了高原周边与海洋温度的对比,由海洋吹向青藏高原和南亚的夏季风增强,高原上升运动加强。

  • 二是通过改变全球海表温度间接影响高原气候(简称“海洋增温效应”),海洋增暖首先通过加热全球大气,使得高原大气中水汽含量增加;其次,该效应减弱了高原周边陆地与海洋的热力差异,由海洋吹向青藏高原和南亚的夏季风减弱,高原上升运动减弱。

在两种效应的共同作用下,夏季青藏高原上升运动变化不明显,但大气湿度的增加会引起高原上空大气潜热释放增强,热源也相应增强。

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二氧化碳总效应(第1列)、直接辐射效应(第2列)和海洋增温效应(第3列)对400 hPa气压速度(第1行)和地表空气湿度(第2行)的贡献(图片来源:Qu et al., 2020a)

全球变暖下的青藏高原,不可打开的潘多拉魔盒

由于高原本身生态环境极其脆弱,高原热源作用增强会带来一系列不可逆转的影响。青藏高原(也称为“亚洲水塔”)的又一重要作用是提供淡水资源,高原储存着大量的冰川,全球变暖背景下冰川减少伴随着冰雪融化,这将影响其下游长江、恒河等河流流量,进一步影响到下游城市的供水系统、食品安全及能源生产。观测显示,在不到一个世纪的时间内,兴都库什喜马拉雅地区由冰川覆盖的山峰正在转变为裸露岩石。高原冰川、多年冻土的融化会以二氧化碳、甲烷等形式释放出远古时期封存于其中的有机碳,进一步加剧全球变暖。

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“亚洲水塔”示意图(图片来源:姚檀栋等 (2019)

美国西北太平洋国家实验室钱云博士等在期刊 Advances in Atmospheric Science 发表的一篇综述论文指出,除了气候变暖这个主因以外,很长时间以来,科学家们认为落在喜马拉雅山脉上的黑碳(一种轻、极细而松散的黑色粉末),也是导致冰雪加速融化的重要原因。这些黑碳不仅来自喜马拉雅山脉周边国家城市化进程的加速和农村燃烧产生的烟尘,还包括北半球工业国家乃至欧洲传过来的烟尘颗粒。纯白的雪面被污染后,会使得被反射的太阳光减少,被吸收的太阳光增多,加快了冰雪的融化。

高原一直是全球变暖的敏感区,其增暖速度远高于全球平均,即使按照《巴黎协定》中的最佳设想——人类社会在本世纪末将全球变暖限制在1.5℃,兴都库什喜马拉雅地区温度也将上升2.1℃,并导致该地区三分之一的冰川融化,这关系到数十亿山区居民和居住在亚洲其他地区人们的水资源供给。因此,研究青藏高原并不只是关注一个遥远美丽的“女神”,更是在关心我们的未来。

全球变暖是人类共同面临的问题,今年被提及的“碳达峰”、“碳中和”等概念展现出我们缓解全球变暖速率的决心。全球变暖下的气候异常就像一个潘多拉魔盒,我们要尽最大努力避免它的开启,毕竟“地球不需要拯救,但留给人类拯救自己的时间不多了”。

参考文献:

1. 何编, 魏科.青藏高原:雪原还是热岛[J].北方人, 2020(18):61-61.

2. 徐祥德, 董李丽, 赵阳, 王寅钧. 青藏高原“亚洲水塔”效应和大气水分循环特征. 科学通报, 2019, 64(27): 2830-2841

3. 姚檀栋, 邬光剑, 徐柏青, 王伟财, 高晶, 安宝晟. “亚洲水塔”变化与影响. 中国科学院院刊, 2019, 34(11): 1203-1209

4. Qian, Y., and Coauthors, 2015: Light-absorbing particles in snow and ice: Measurement and modeling of climatic and hydrological impact. Adv. Atmos. Sci., 32(1), 64–91. https://link.springer.com/article/10.1007/s00376-014-0010-0

5. Qu, X., Huang, G. CO2-induced heat source changes over the Tibetan Plateau in boreal summer-part II: the effects of CO2 direct radiation and uniform sea surface warming. Clim Dyn 55, 1631–1647 (2020a). https://doi.org/10.1007/s00382-020-05349-5

6. Qu, X., Huang, G. & Zhu, L. CO2-induced heat source changes over the Tibetan Plateau in boreal summer-Part I: the total effects of increased CO2. Clim Dyn (2020b). https://doi.org/10.1007/s00382-020-05353-9

来源:中国科学院大气物理研究所

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