论青藏高原隆起作用于大气的临界高度

第15卷第2期 高 原 气 象 V ol.15N o.21996年5月 PLATEAU M ETEOROLO GY M ay.,1996

论青藏高原隆起作用于大气的

临界高度①②

刘晓东③

汤懋苍

(中国科学院兰州高原大气物理研究所,甘肃省兰州市,730000)摘　要　在以前工作〔10〕的基础上,从大气动力学、热力学及气候学的角度,进一步论

证了在青藏高原隆起过程中存在一个临界高度h c 〗(～ 1.5—2km )。当高原隆起突破这一

临界高度时才开始对大气产生强烈的作用,从而造成大气环流、大气热力结构、亚洲区域

以及全球气候等一系列巨大转变。

关键词　青藏高原　气候变化　临界高度　地形作用

中图法分类号　P467

青藏高原自晚生代隆起〔1,2〕以来,对亚洲区域及全球气候和环境产生了深刻的影响。一系列大气环流模式的敏感性试验表明,青藏高原的存在对亚洲季风的建#O &立〔3,4〕、中亚干旱气候的发展〔5,6〕、甚至整个北半球当代大气环流与气候格局的形成〔7,8〕都起着决定性的作用。最近,汤懋苍等〔9,10〕的研究进一步指出,高原隆起对大气环流和气候的影响可分为三个阶段,即经历了两次巨大转变。第一次出现在高原水平扩展达到斜压大气地转适应的临界尺度时期;第二次是高原隆起到达某一临界高度时期,这次转变促使高原季风稳定出现,并由此造成亚洲及全球气候的一系列重大变化,以致在整个地球系统的演化中树立了一个辉煌的里程碑——从此开始了第四纪的新纪元。

在青藏高原隆起的漫长历史中,高原对大气的影响随着其高度的上升而增大。然而,高原地形对大气的动力、热力强迫是一种非线性作用。在高原隆起的不同阶段,即使上升相同的幅度,带来的气候与环境效应却可能有很大差异。我们提出所谓高原隆起的临界高度是指当行星尺度的高原主体在此高度以上与以下时对大气环流和气候的影响有实质性的区别。高原隆升突破其临界高度是其对大气影响从量变到质变的飞跃,反映在气候与环境的响应上表现出一次“突变”,因此,这一临界高度(如果存在)对于青藏高原形成演化和环境变迁的研究具有特殊的重要性。本文将从大气动力学、热力学和气候学等多方面进一步阐述青藏高原隆起临界高度的存在及其重要性。

①

②③第一作者简介:刘晓东,男,32岁,硕士,副研究员

本文属国家攀登项目“青藏高原形成演化、环境变迁与生态系统研究”的成果1995年5月18日收到,10月4日收到修改稿

1　地形高度对地形动力强迫作用的控制

大地形对过山气流的动力强迫是其作用于大气环流最直接的方式。Trenberth 和Chen 〔11〕曾通过理论分析证明,大气对地形动力作用的行星尺度响应存在一个临界高度h c 〗。当地形高度h h c 〗时,则以绕流分量为主。现将这一结果归纳并简述如下。

在运动学上,地形作为刚体边界,在大气下边界面产生的强迫性垂直运动对纬向平均基流的线性化形式为

w b =u - h x (1)

(1)式表示风速为#A *S-/u @#a 的纬向平均气流爬山会产生垂直运动,迎风坡上升,背风坡下沉。但这种纯爬坡运动仅适用于地形比较低的情况,较高大的地形则可造成绕流,这时必须考虑涡动引起的垂直运动,即

w b =u - h x +u ′ h x +g ′ h y (2)

在上述边界条件下,可以分两种情况来讨论过山气流的运动。在线性理论适用的爬坡气流为主的情况下,利用行星尺度大气的准地转涡度方程的尺度分析,可得到爬坡条件下的流函数:

j ′O ～f u -U h H (3)

因为在以绕流为主的流动中扰动速度已达到平均流速的量级,即边界条件(2)式中u ′～u -,这时线性理论已不再适用,故设L y 〗是地形经向尺度的一半,由此得到绕流条件下的流函数:

j ′A ～u -L y

(4)比较(3),(4)式,在以爬坡为主和以绕流为主流动的转换高度上,

ψ′o ψ′

A =1,于是可以获得一个临界地形高度:

h c =U L y f H (5)可见当h h c 时,线性理论已不适用,流动以绕流为主。h c 与地形的经向尺度及所处纬度有关。取青藏高原所在的中纬度典型值H ～7km ,L y ～1000km ,φ=35°N ,则h c ≈1.5km 。

吴国雄〔12〕曾从Bo

ussinesq 近似下的准地转涡度方程和热力学方程出发,讨论了大尺度地形强迫下两层斜压模式的解。在能量和角动量守恒条件下也获得了一个临界地形高度:

H c =

832T /sin λ0(6)式中α=k /2f 0,k 为涡动粘性系数;λ0为地形与地面气压场之间的位相差。H c 对过山

气流爬、绕分量的控制作用与前面得到的h c 相当。取k=10m 2/s,在青藏高原地区α=132高 原 气 象 15卷

230m ,当λ0从π2变到π6

时,则得到H c 变化在0.9—1.8km 之间。以上工作从动力学角度证明,在青藏高原隆起过程中存在一个临界高度。一旦高原超过这一临界高度时过山气流将从以爬坡为主转为以绕流为主,这必然引起大气环流格局的一次大调整,进而造成大气加热场的重新分布,而加热场的改变又进一步加剧了环流与气候的变化,其综合效应使高原影响从此达到了一个崭新的阶段。

2　海拔高度与大气湿度和降水的关系

观测表明,大气中的水汽主要集中在对流层低层。海拔1500m 处的绝对水汽含量大约已减少到海平面值的一半,而3000m 处仅为海平面水汽含量的三分之一左右。山区地面的水汽压也随着海拔高度的增加而递减,其变化一般为指数关系,例如

〔13〕:e h =e 0ex p(-ch )

(7)这里e h 表示海拔高度为h 处的水汽压,e 0为海平面上的水汽压,c 是由实验所确定的常

数。由此也可以估算山区的相对湿度:

R H =e h

E s (8)其中E s 是当时空气温度t 下的饱和水汽压,可以多元大气条件下的玛格纳斯公式表

示。于是令 RH h

=0,可以解出RH 出现极大值时的一个临界高度:h R =235+t 0V -63.48/c V (9)

在青藏高原地区,取c=0.4/km,t 0=10℃,γ= 5.5℃/km ,则算得h R ≈1.75km 。通过以上粗略的计算,从理论上说明了高原隆起到这一临界高度附近时山地的相对湿度最大,因而最有利于水汽凝结和云雾的形成。

从另一角度看,大气的抬升凝结高度也可认为是高原隆起过程中的一种临界高度。随着高原隆起高原上相对地面的凝结高度不断降低,只有当高原上升的高度超过其周围平均的水汽凝结高度时,才能使高原及其邻近区域上大量的水汽凝结成为可能。通常用气块法推断水汽凝结高度〔14〕。设T(z)和T d (z)分别表示上升气块的温度和露点,z 为距离地面的相对高度。设气块在绝热上升过程中不与周围空气发生混合,那么由相对凝结高度h L 处的温度与露点温度相等,可获得计算凝结高度(m )的近似公式:

h L =121[T (0)-T d (0)]

(10)上式中的温度露点差也可以用相对湿度表示,由两者之间的关系

〔15〕:

R H =

e E ≈10-7.45235(t -t d )从中求出t-t d 并代入(10)式可得

h L =-3816lg R H 0(11)

(11)式表明,相对凝结高度可以通过地面相对湿度RH 0来计算。为了估算高原邻近地区平均的凝结高度,我们利用《高原气候图集》〔16〕中所给的高原周围年平均相对湿度,估算了在高原不同方向上的凝结高度(见表1)。结果表明,高原所在地区的平均绝对凝1332期 刘晓东等:论青藏高原隆起作用于大气的临界高度