西风带研究的重要意义

西风带研究的重要意义

屈文军,张小曳,王丹,沈振兴,梅凡民,程燕,严立文

(中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室,西安710075)

摘要:西风带作为北大西洋气候区和东亚季风气候区之间的联系纽带,对东亚季风气候和西风带气候具有重要影响,西风带在一定意义上控制着东亚季风的北界。西风环流与青藏高原相互作用,对亚洲季风区气候乃至全球气候都有极其深刻的影响。西风环流在冰期-间冰期旋回中的位置、强度的剧烈变化对东亚季风气候和全球气候影响显著,对季风降水、西风带降水时空分布及亚洲粉尘活动和黄土形成、堆积等都有非常重要的意义。

关键词:西风环流;东亚季风;亚洲粉尘

中图分类号:P932文献标识码:A文章编号:0256-1492(2004)01-0125-08

中国地处全球大气环流若干重要分支的相互作用区,气候主要受热带)亚热带太平洋夏季风(东南季风)、穿越赤道的印度洋季风(西南季风)、来自西伯利亚的冬季风和西风带及其相互作用的控制[1]。

目前对于东亚季风、西南季风的研究程度已经很高,同时对于越赤道索马里急流对西南季风的作用及其引起的降水的时空变化也已经有很详细的研究。安芷生、Kutzbach等[2]的研究表明,随着青藏高原的阶段性隆升和北半球冰盖的扩张,东亚季风不断增强并且变率增加。中国第四纪以来黄土沉积气候记录的研究表明,在116M aBP前后和018~ 016MaBP东亚季风气候发生了两次气候转型事件[3)5]。但是,在这个漫长的地质演化过程中,伴随着青藏高原的隆升和北半球冰盖的历史演变,西风带大气环流是如何变化的,西风环流与亚洲季风区气候是怎样相互作用的,关于这些问题目前的研究还比较欠缺。同时,西风带年际变化及更长尺度变化对中国的气候尤其是降水有何影响,新疆和亚洲内陆西风区气候变化的水-热组合特点如何,这些重要问题,应当引起相关学科研究者的足够重视。

1西风带是北大西洋气候区和东亚季风气候区的联系纽带

西风带处于极地和北大西洋地区与东亚季风区之间。根据黄土高原的黄土及青藏高原的冰心和湖

基金项目:国家重点基础发展研究规划项目(G2000048703);中国科学院重大方向项目(KZCX2-305)

作者简介:屈文军(1973)),男,博士研究生,从事第四纪地质学和大气环境研究,E-mail:quw j@mai

收稿日期:2003-04-20;改回日期:2003-11-19.文凤英编辑泊沉积等的研究,东亚季风区末次冰期的气候与北大西洋地区一样具有多变性和不稳定性,H einrich 事件和D-O旋回在东亚季风区也有反映[6)10]。北大西洋气候区和东亚季风区气候变化的相似性,证明东亚季风气候的变化强烈地受北半球高纬地区(即北大西洋气候区)气候变化的影响。

众所周知,亚洲冬季风起源于西伯利亚(冷)高压。根据全球环流模式(GCM模型)的模拟结果,青藏高原的隆升决定了西伯利亚高压的形成[11)12],而北半球高纬度冰盖的形成和扩张则更加强了西伯利亚的高压[13]。受北半球冰量和冷高压控制的北半球高纬地区气候变化可能以西风带为纽带对东亚季风气候产生深远的影响。Porter、安芷生等曾用气候的遥相关来解释北大西洋与东亚季风气候记录的相似性,认为东亚季风气候通过西风带以及西伯利亚高压等相关气压系统与极地、北大西洋气候系统遥相关[7]。

西风带作为北大西洋气候区和东亚季风区的纽带,对其沉积记录、演变历史的研究可反映北大西洋地区与东亚季风区气候变化的关系和气候相互作用的机制,这对全球气候变化机制研究有特殊意义。

2西风带研究对冰期-间冰期旋回气候变化研究具有重要意义

高空西风急流是北半球中纬度地区大气环流的一个重要特征,它标志着冷暖气团交汇的边界同时控制着移动性风暴系统的路径[14]。西风急流在冰期和间冰期的强度和位置有很大变化,对于东亚季风区的气温和降水以至于对北半球及全球气候变化都有重大影响[15)16]。

根据对末次冰期极盛期(LGM)的研究[14],全

2004年2月海洋地质与第四纪地质V ol.24,N o.1第24卷第1期MARINE GEOLOGY&QUATERNARY GEOLOGY Feb.,2004

球性降温和冰盖扩张是冰期气候的重要特征,而冰期降温的特点为北半球降温大于南半球,高纬降温大于低纬。随着冰盖的扩张,欧亚大陆上南北向温度梯度增大,导致高空西风急流和地面西风风暴带在冬季和夏季均得到加强,并向赤道方向迁移[14]。

气候模型研究显示,第四纪由于太阳辐射和冰量的变化,西风带的位置和强度都发生过深刻变化[15]。于革和王苏民对欧亚大陆159个湖泊地质记录的研究提出,盛冰期西风带南迁导致地中海地区出现高湖面;随着晚冰期冰盖缩小、冷高压减弱,西风带北撤,南欧出现低湖面[16]。

除了西风带位置和强度变化外,西风急流的连续性也会在冰期-间冰期旋回中发生变化。气候模型的研究已证实,在18kaBP的末次冰期极盛期(LGM),气温低,风速大,风速大于20m/s的西风急流几乎环绕整个中纬度,而现代则是不连续的[17]。

综上所述,研究西风带在冰期-间冰期旋回中的变化及其演变历史,对北半球中纬度地区以及全球气候变化研究具有重要意义,是全球气候变化机制以及冰期-间冰期气候转换机制研究中必不可少的内容。

3西风带变化对季风气候区降水有重要影响

东亚季风区气候受北半球中高纬冷高压和副热带高压的影响,除了海陆热力差异驱动和维持季风环流外,近极地的冷源(北半球冰盖)和近赤道的热源(热带海洋)的变化(即行星尺度大气环流的变化)也都对季风区气候有深刻影响[18],不仅影响到冬夏季风的强弱,同时也影响到季风降水的时空分布和变化。安芷生、刘晓东的研究认为,北半球高纬冷空气活动、穿越赤道的气流和ENSO活动及其相互作用均能影响东亚季风降水的时空变率[19]。

西南季风是亚洲季风系统的重要组成部分,中国黄土和湖泊沉积古气候记录的研究表明,西南季风区的降水与越赤道索马里急流的影响有极大关系[20)21]。中国湖泊沉积和阿拉伯海、非洲、中南亚晚冰期以来的海洋-湖泊沉积环境研究显示,全新世初期西南季风加强,中国西南地区降水增多,形成气候湿润、高湖面环境特征[22)24]。9kaBP以后索马里急流异常强大,路径向西北偏移,给北非、西亚、中亚和青藏高原地区带来丰富的降水[22)25];相反,在中国西南季风区同期降水减少,气候偏干,湖面降低[26]。青藏高原湖泊沉积的古气候记录显示,约4kaBP开始出现明显冷干特征[27],指示西南季风强度减弱,而西南云贵高原一度降水增加,湖面升高[28)29]。

同样,西风带作为极地和北大西洋气候区与亚洲季风区的联系纽带,在一定意义上可以认为西风带控制着东亚季风的北界;因此,西风带对于东亚季风气候具有和索马里急流同样重要的意义,它的变化同样会影响中国季风区的降水分布,然而目前这方面的研究还比较欠缺。

中国东部季风区气候受西风气流、青藏高原、副热带高压及北方高纬大气系统(阻塞形势和高纬锋面)等因素影响。西风环流除了响应于冰盖变化和全球性的气候变化外,还(至少在年际时间尺度上)反作用于大气环流和气候变化。龚道溢、王绍武[30]对北半球冬季纬向平均环流结构的研究表明,西风环流对于中国季风区冬季气温和降水有重要影响。当西风环流强时,整个亚洲大陆中高纬海平面气压都下降,西伯利亚高压强度也减弱;因此,当西风环流强时,由于西伯利亚高压强度及东亚大槽的减弱,南下的冷空气活动也相应减弱,所以我国大部分地区气温会升高。同时在东部地区,由于北方冷空气势力减弱,雨带位置偏北,造成长江以北及黄土高原一带降水增加[30]。由此可见,西风环流与东亚季风区乃至全球大气环流和气候之间的相互作用过程很复杂,不是简单的线性关系。

同样,西风带对中国季风区夏季的气候也有重要影响。刘萍等对1997年汛期环流形势的分析表明,1997年汛期500hPa中纬度地区盛行纬向环流,西风带冷空气路径偏北、偏弱;盛夏期间黄河流域先后受贝加尔湖阻塞高压和青藏高原高压控制,使副高偏北、偏西,台风异常偏少。正是受上述主要环流系统的影响,1997年汛期黄河流域出现了持续性严重干旱[31]。

由于西风环流对亚洲季风有重大影响,因此,西风带变化对季风气候区降水影响的研究是东亚季风气候研究和中国环境变化研究的重要内容。

4西风带和青藏高原对亚洲季风有重要影响

4.1青藏高原是亚洲季风形成的重要条件

余志豪最近指出,亚洲季风区是环球信风纬度带中的一个断裂缺口区,它与对流层中部500hPa

126海洋地质与第四纪地质2004年