吳國雄 段安民 張雪芹 劉屹岷 馬耀明 陽坤

①中國科學院院士, ②④研究員, 中國科學院大氣物理研究所, 北京 100029；③副研究員, 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101；⑤⑥研究員, 中國科學院青藏高原研究所, 北京 100101

1 引言

青藏高原(以下簡稱高原)特殊的下墊面和大氣過程使其成為全球氣候與環(huán)境變化的敏感區(qū)、脆弱區(qū)，是國際上全球變化研究的關鍵區(qū)。其本身獨特的高寒環(huán)境已經(jīng)成為影響東亞乃至全球氣候系統(tǒng)的重要因素，在中國與亞洲的生態(tài)、環(huán)境安全保障中具有不可替代的重要地位。20世紀后半葉以來，隨著全球變暖，高原極端天氣氣候環(huán)境事件發(fā)生的概率與強度有所增加，并對周邊區(qū)域的氣候環(huán)境產(chǎn)生了直接或潛在的影響。加強高原極端天氣氣候變化及其環(huán)境效應研究，制定行之有效的防災減災應對措施，對支持藏區(qū)發(fā)展、構建穩(wěn)固的高原生態(tài)屏障、促進區(qū)域協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學價值與現(xiàn)實意義。

2 最近幾十年高原極端天氣氣候事件變化趨勢

極端事件頻率的變化不僅取決于平均氣候的改變，而且更多地取決于氣候變率的改變。氣候均值較小的變化可以導致極端天氣氣候事件頻率發(fā)生較大的改變，而極端事件對氣候變率的敏感性隨著全球變暖而加速增大，進而對人類社會和自然環(huán)境產(chǎn)生深刻影響。高原氣候變化被認為具有敏感性強、幅度大的特征，加之地表生態(tài)系統(tǒng)脆弱，氣候變化的微小波動都有可能導致生態(tài)系統(tǒng)的強烈響應。極端天氣氣候變化因而成為高原生態(tài)、環(huán)境變化的重要驅(qū)動因素之一。特別是高原冬春季積雪與溫度異常事件，以及夏季強降水與干旱事件更是直接影響到藏區(qū)的生產(chǎn)生活和生態(tài)安全屏障的建設。就藏區(qū)各種災害面積占總受災面積比例而言，干旱所占比例最大(高達38%)，因而其造成的經(jīng)濟損失相對較大。過去幾十年高原氣溫增暖幅度明顯高于全國平均值，并伴隨有風速和地表感熱加熱等其他氣候要素的顯著變化(圖1)[1]。衛(wèi)星觀測資料表明，高原地表的升溫率隨海拔升高而升高，直到海拔5 km的區(qū)域才穩(wěn)定下來(圖2)[2]。

圖 1 1980—2008年春季(3—5月)平均的青藏高原中東部71個測站的地面氣溫(Ta)、地表溫度 (Ts)、地氣溫差(Ts-Ta)、10 m風速(v10)以及地表感熱通量(SH)的時間序列(黑色和紅色虛線分別表示 1980—2008年以及2004—2008年的線性變化趨勢)[1]

觀測證據(jù)表明，最近幾十年高原氣溫極值與相應的極端氣溫事件變化特征顯著[3]。1961—2006年，高原大部分地區(qū)的氣溫極值顯著上升。其中，高原年極端最低氣溫的上升趨勢普遍且最強，年最高氣溫、日最高氣溫的年極小值、日最低氣溫的年極大值則從20世紀90年代中期開始連續(xù)明顯偏高。這期間，高原絕大部分地區(qū)極端低溫事件頻次顯著下降，極端高溫事件頻次顯著上升，且前者下降率普遍超過了后者增長率。20世紀 80年代中期以來，大部分地區(qū)與日最低氣溫相關的極端事件(冷夜、持續(xù)冷期、霜日和冰凍日)的變化趨勢普遍增強，而與日最高氣溫相關的極端事件(熱晝和持續(xù)暖期)則普遍從無顯著變化轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著變化。

就高原整體而言，極端降水事件指數(shù)(大于10 mm降水日、大于20 mm降水日、強降水量、強降水率、極強降水量、極強降水率、連續(xù)濕日、連續(xù)干日)和降水極值(最大一日降水量、最大連續(xù)五日降水量)并無顯著趨勢，這與極端氣溫廣泛而顯著的變化趨勢形成鮮明對照。盡管如此，高原極端降水變化趨勢仍存在一定的區(qū)域性特征，特別是在高原中部極端強降水事件、極值和連續(xù)濕日數(shù)存在顯著的減小趨勢。

基于氣候模式和統(tǒng)計降尺度分析方法的高原氣溫極值預估研究指出，21世紀高原極端高溫和極端低溫的概率變化均與平均氣溫的增暖趨勢一致，但高原中部地區(qū)的極端高溫對氣候變暖的敏感性明顯強于極端低溫，而高原南、北部一些地區(qū)可能恰好相反。

圖2 經(jīng)地面觀測臺站檢校后的中分辨率成像光譜儀(MODIS)地表溫度推導所得到的2000—2006年青藏高原不同海拔區(qū)間的平均升溫率[2]

3 極端天氣氣候事件對高原及其周邊地區(qū)的影響

亞洲夏季風是受海陸分布和大地形熱力作用共同調(diào)控的結果，它主要受到熱力強迫的調(diào)控，而大尺度地形的機械強迫作用相對次要。其中，位于20°N以南的南亞季風系統(tǒng)主要受熱帶地區(qū)海陸熱力差異控制，其以北區(qū)域則受到伊朗高原和青藏高原的熱力強迫(圖3)[4]。

圖 3 海陸熱力差異和大地形影響南亞季風的概念示意圖(其中，南亞季風的南支水汽輸送主要受熱帶海陸熱力差異的影響而抬升，其北支水汽輸送主要受高原南坡“感熱氣泵”的抽吸作用影響，其余的水汽則受海陸熱力差異和高原熱力強迫的共同影響而向東北方向輸送至東亞季風區(qū))[4]

季風強弱對應的高原南支水汽輸送變化會導致高原極端天氣氣候環(huán)境事件的發(fā)生，進而對高原周邊區(qū)域天氣氣候造成重大影響。其中，冬春季雪蓋是高原下墊面和地表熱狀況的一個顯著特征，因而，冬春季高原積雪通常被視為東亞夏季風異常和旱澇形成的預報指標[5-8]。高原積雪時空分布表現(xiàn)出強烈的年內(nèi)和年際變化，與歐亞大陸的積雪變化并非完全一致。當高原冬春積雪多時，亞洲季風爆發(fā)推遲，且季風環(huán)流弱，使得長江流域降水多，而華南和華北降水少[8]。例如，1997年12月青藏高原的極端降雪事件與1998年長江洪澇有著緊密聯(lián)系[6]。

除積雪外，高原春季“感熱氣泵”強度亦是亞洲季風和中國夏季氣候異常的重要指標[4]。一方面，春季高原熱源強有利于東亞大陸和周邊海洋之間?！憻崃μ荻鹊姆崔D(zhuǎn)，使得季風爆發(fā)偏早；另一方面，高原春季感熱可加強低空西南風急流和高層南亞高壓，使得亞洲季風環(huán)流加強，相應地，春季華南降水偏多，夏季長江中下游地區(qū)降水偏多，而華南和華北降水偏少。同時，春季高原感熱異常的影響還可通過局地非絕熱加熱及其與大氣環(huán)流正反饋機制維持到夏季，導致夏季高原大氣熱源偏強，江淮流域異常的水汽輻合、上升運動，以及頻繁的強降水發(fā)生。此外，夏季高原的熱力影響強迫產(chǎn)生低渦和切變線，其東移發(fā)展經(jīng)常會造成中國東部地區(qū)極端降水事件的發(fā)生。例如，2003年夏季江淮流域的多次暴雨過程和洪澇災害與當年春季高原感熱加熱異常偏強和夏季高原低渦東移有關[9]。

最近幾十年高原春季感熱和同期積雪均呈減少趨勢，但后者變化趨勢并不顯著，因此，高原冬春熱狀況的長期變化主要為春季感熱持續(xù)減弱。資料分析表明，它對中國夏季降水變化的影響表現(xiàn)為江淮流域降水減少，華南和華北降水偏多。江淮流域和華南地區(qū)降水的長期變化與大雨降水量、平均降水強度和降水頻率都有很好的對應關系，而華北和東北地區(qū)降水的變化趨勢主要與降水頻率變化有關[10]。中國夏季降水的年代際變化還受到同期高原熱狀況的影響。1980—2004年間，受高原夏季平均感熱加熱減弱的影響，高原熱力強迫減弱，進而造成長江中下游及其以南地區(qū)降水增加，華北地區(qū)降水減少(圖4)[11]。

圖4 基于中國臺站資料(1980—2004年)得到的夏季青藏高原表面氣溫(a)和感熱加熱(b)與中國降水相關分布(對資料進行了11年滑動平均以得到年代際變化)[11]

4 關于加強“青藏高原極端天氣氣候變化及其環(huán)境效應研究”的建議

近年來中國高原大氣、環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)研究成果已在國際上產(chǎn)生了重要影響，并逐漸在一些研究領域內(nèi)獲取了主導地位；但受地理環(huán)境和氣候條件所限，高原多要素綜合聯(lián)網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)仍較匱乏。高原復雜地形以及尚不完善的物理過程方案則導致大氣環(huán)流和氣候模式在高原地區(qū)模擬結果的不確定性增強，因此，為構建高原穩(wěn)固的生態(tài)屏障，并服務于中國區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的國家重大需求，建議未來5—10年國家加大對“青藏高原極端天氣氣候變化及其環(huán)境效應研究”的投入和支持，確保相關配套政策的持續(xù)與穩(wěn)定，重點包括以下三方面：

(1) 加強高原上對流層—下平流層水汽和微量成分輸送過程與機制的研究。高原對流層—平流層大氣相互作用過程研究已成為國際大氣科學界關注的熱點和前沿問題。高原及其周邊區(qū)域是對流層向全球平流層物質(zhì)輸送的關鍵區(qū)[12-13]。以高原為代表的亞洲季風區(qū)是上對流層—下平流層水汽、臭氧、CO等大氣成分分布的異常中心。由于平流層水汽和氣溶膠強烈的輻射效應，目前國際上已啟動了“平流層過程在氣候中的作用(SPARC)”以及“國際全球大氣化學(IGAC)”等系列研究計劃，以期推動該前沿研究領域的拓展。當前中國在該領域的研究仍較為薄弱：觀測資料匱乏；多模式的數(shù)值模擬與比較驗證工作起步晚且投入不足。為此，建議國家加強在高原地區(qū)平流層大氣觀測，以深化對流層—平流層之間的雙向有效輸送過程研究；實施多模式數(shù)值模擬與比較驗證，加強對流層—平流層相互作用過程及其對全球氣候影響的研究。

(2) 加強高原濕地及其對周邊區(qū)域氣候環(huán)境變化的影響研究。高原是中國重要的濕地分布區(qū)之一，該區(qū)濕地面積為13.3萬km2。高原濕地具有生態(tài)蓄水、水源補給、氣候調(diào)節(jié)等重要的生態(tài)功能[14]。其中，高原濕地泥炭是重要的碳匯，氣候變暖、變干會導致濕地面積萎縮，加速泥炭分解，轉(zhuǎn)為碳源。同時，濕地具有顯著的冷濕場效應，對調(diào)節(jié)濕地小氣候，改善濕地氣候環(huán)境具有重要意義。因此，高原濕地對其自身及其周邊區(qū)域的氣候和生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義，其景觀格局的變化會對區(qū)域乃至全球氣候變化產(chǎn)生深刻的影響。建議國家針對目前高原濕地研究的現(xiàn)狀與薄弱環(huán)節(jié)，盡快建立高原濕地大范圍長期實時監(jiān)測網(wǎng)；加強高原氣候—濕地耦合模式的研制與開發(fā)，定量探討濕地在高原氣候生態(tài)系統(tǒng)中的作用；優(yōu)先加強高原濕地和冰川的長期大范圍聯(lián)網(wǎng)觀測與數(shù)值模擬。

(3) 加大投入災害衛(wèi)星監(jiān)測和災害預警系統(tǒng)的能力建設。衛(wèi)星監(jiān)測和遙感反演是準確獲取高原陸—氣交換以及極端天氣氣候災害信息的一種獨立觀測手段，在臺站稀少的高原地區(qū)有著廣闊的應用前景，特別是在監(jiān)測高原暴雪、土壤墑情、森林火險以及滑坡等自然災害方面潛力巨大。目前國際上AVHRR、LANDSAT、MODIS、ASTER、AMSR-E等不同分辨率的遙感觀測資料已被陸續(xù)應用到反演高原陸—氣交換通量的估算中，為區(qū)域氣候模擬提供了不可或缺的驗證資料。然而，由于受到地面氣象觀測資料少且區(qū)域分布不均衡的限制，其反演結果應用非常有限，目前僅在藏北高原[15]、珠峰地區(qū)[16]、納木錯流域[17]等局部區(qū)域得到成功應用。為此，建議國家結合地基觀測資料和已有災害預警平臺，加大業(yè)務和科研投入，逐步完善高原災害衛(wèi)星監(jiān)測和預警系統(tǒng)；加強高原災害風險評估以及農(nóng)業(yè)災害風險防范研究。

(2013年5月18日收稿)

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