青藏高原的隆起对自然地理的环境

青藏高原的隆起对自然

地理的环境

-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

青藏高原隆升对亚洲季风形成和全球气候与环境变化的影响

摘要综合介绍了青藏高原隆升对亚洲季风形成、北半球大气定常行星波建立、区域和全球气候变迁及环境演化的影响，并对近年来的研究进展作了较为详细的评述，指出今后需要深入研究的若干问题。

关键词青藏高原隆升亚洲季风形成气候变迁环境演化古气候模拟

1引言

青藏高原(以下简称高原)隆起是地球演化史上一起重大的自然历史事件，高原隆起不仅对高原及其毗邻地区，甚至对北半球、乃至全球的气候与环境都产生了深刻的影响。现代气象学研究［1～3］表明，青藏高原与亚洲季风活动密切相关。因此，研究地质时期东亚季风的变迁，必须考虑高原隆起的作用。多年来有许多科学家从各种角度揭示了高原隆升的地质事实，但由于这一问题的复杂性和不同来源地质观测资料的局限性，使人们对于高原隆起的历史及过程至今仍存在着各种不同的看法(参见李吉均的介绍［4］)。然而，青藏高原隆起对亚洲季风和全球气候及环境演化具有重大影响已成为越来越多的地学科学家的共识。鉴于青藏高原在亚洲季风、全球气候乃至整个地球系统中的重要性，近年来随着全球变化研究的深入，高原隆升再度成为地学界关注的热点。

2高原隆起对大气环流的影响

2.1高原隆起与亚洲季风系统的形成和发展

亚洲季风区是世界上最显著的季风区［5］。季风区雨热同季，利于植物的生长，养育着众多的人口(中国和印度为世界上两个人口最多的国家)。分析发现，亚洲季风系统中存在着三个相对独立的子系统：南亚季风［6］、东亚季风［7］和高原季风［8］。以下仅简单讨论南亚季风和高原季风的形成。东亚季风的形成则在5.1节中专门讨论。

2.1.1南亚季风的形成

Flohn［9］最早指出青藏高原在大尺度南亚季风中的重要性。后来Manabe 等［10，11］利用大气环流模式(GCM)进行了有山、无山的对比试验才使得这一问题得到全面而深入的认识。青藏高原大地形不仅直接控制着冬季西伯利亚高压的位置和强度，而且决定着夏季风的建立与发展。近年来又有一系列关于高原作用的数值试验［12～14］，其中在对亚洲季风的影响方面与以前的结论没有大的区别。Prell等［15］通过一系列GCM敏感性试验的分析得出，高原地形对南亚季风的作用比地球轨道参数、大气CO2含量及冰期—间冰期下边界条件的影响都更为重要。虽然有人［16～20］根据南亚气候突变及阿拉伯海上升流加强的地质证据，提出印度洋地区的西南季风可能开始于中新世末和上新世

初。但是，最近Ramstein等［21］的数值试验表明，由于从早渐新世到晚中新世，欧亚大陆的古地理环境发生了巨大的变化，Paratethys海的退缩导致欧亚大陆面积扩大，从而使亚洲季风及其降水(主要指30°N以南地区)显著增强，所以他们认为Paratethys海退缩引起的海陆分布变化在对亚洲季风的驱动方面与高原隆升的作用同等重要。综合各种GCM模拟及地质记录的分析结果来看，即使在高原强烈隆起之前、地形高度还很低的情况下，南亚季风就已经存在，这几乎是可以肯定的。只是随着高原隆升加大了南亚地区由海陆分布所奠定的经向热力对比,从而使南亚季风进一步得到加强。

2.1.2高原季风的出现与稳定

高原季风是大气环流对高原与其周围平原地区热力差异季节性改变的响应在风场上的反映。冬(夏)季高原上大气是个冷(热)源，所以在高原近地面为反气旋(气旋)式环流，这样高原邻近地区的大气环流就呈现出冬、夏季反向的盛行风。研究表明［22～24］，在高原隆起过程中，高原季风也是逐步发展的。当高原隆起水平尺度超过斜压大气地转适应的临界尺度时，高原热力作用所形成的气压场才能维持，风场向气压场调整。由于冬、夏季高原大气具有反向的热力作用，于是形成一种浅薄的高原季风，估计浅薄高原季风形成的时间约在渐新世初［23］。地质证据表明［25］，当时气候的纬向性显著，而不具有现代季风气候的特征。当高原隆起的垂直高度大于影响气候的临界高度(1 500～2 000 m)时，纬向气流明显受到地形阻挡，并从以爬坡分量为主，转变成以绕流分量为主。冬季高原大气相对于周围的冷源作用增强，夏季地面净辐射开始增加，水汽的相对凝结高度降低，高原上大气浑浊度大大减小。当高原大气因感热加热变得不稳定时，便导致积云对流活跃，大量的凝结潜热随上升气流被输

送到对流层高层，并在那里建立起青藏高压，于是深厚而稳定的高原季风从此建立。据初步研究［23］，高原季风稳定出现的时间大约在上新世末和第四纪初期。

2.2大地形对北半球大气定常行星波的控制

高原隆起对半球尺度上大气环流的作用主要表现在对定常行星波的影响上。现代气象观测表明，北半球大气存在一些准静止的行星尺度系统。例如，冬季500 hPa高度场上是三槽三脊，夏季则是四槽四脊形势，在低层表现为被称作大气活动中心的半永久性低压和高压。然而，在高原隆起之前现代的行星尺度系统几乎都不存在。正是由于在很大程度上受地形控制的定常行星波的出现才奠定了现代大气环流的基本格局。

在高原持续隆升的过程中，不仅其冷热源作用随着高原的抬高而增大，以至形成如前所述的高原季风体系，而且其动力作用也在不断加强。因青藏高原主体位于西风带，当西风急流越过高原时将在其迎风坡被迫抬升，产生分支和绕流，而在高原下风方常常形成背风波。早在本世纪40年代末、50年代初就有一些专门讨论地形效应的理论研究。Charney和Eliassen［26］采用相当正压涡度方程的研究发现，大气的定常扰动是大地形对西风带强迫抬升和摩擦作用造成的。而Bolin［27］认为，从冬到夏海陆热力对比发生了根本性变化，但对流层中部平均槽脊的位置并无相应的改变，原因正在于大地形的影响。他在二维平面上研究了具有均匀基流时大气对圆形地形的响应，指出青藏高原和落基山的存在对西风带中行星波的维持极为重要。朱抱真和叶笃正［28］指出，地形与非绝热加热都是形成准定常行星波的根本原因。以后国内外又有许

多有关地形对行星波影响的研究工作。例如，Nigam等［29］估计地形作用可以解释准静止行星波振幅的三分之二。

后来的一系列数值试验证实，大地形的存在造成了现代定常行星波的分布［10，30］。高原隆起前北半球环流基本呈纬向分布，隆起后才形成冬季以东亚大槽、北美东部大槽和欧洲槽为显著特征的三波型环流形势。青藏高原对北半球夏季定常波结构同样具有重要贡献。黄荣辉等［31］利用一个多层准地转模式的研究也表明，地形与海陆热力差异所引起的不均匀热源对北半球准定常行星波与准定常扰动系统形成起着重要作用。

Ruddiman等［32～34］最早认识到，地形对定常行星波控制的动力学理论可以用于解释新生代以来的某些地质气候变化。由于新生代高原大地形的隆起，加大了准静止行星波弯曲的振幅，结果使北美中东部及西欧地区经向环流增强，有利于当地冷空气南下和气候变冷，最终导致冰盖在这两个地区出现。

3高原隆升引起的气候变化

以上主要讨论了高原隆升对大气环流的影响。从地球系统的角度看，在地球各圈层中大气圈质量最小，但运动速度最快，而且连续地布满地球空间，因而对发生在地球各圈层内的变化常常具有迅速而剧烈的响应，并能通过大气环流传递到全球各地。因此大气是地球系统各圈层相互作用下的全球变化中最活跃的角色。高原隆起调制大气环流的直接后果就是对气候的影响，现将由此造成的几个最显著的气候变化现象简单归纳如下。

3.1高原季风形成及其对高原地区气候的影响

众所周知，对流层气温随高度升高以大约6.5 ℃/km的递减率下降，因此随着高原隆起，广阔的高原面上地面气温自然会较该地区隆起前降低。据推算

［35］，目前高原上的年平均气温比上新世晚期低12～20 ℃。按Kutzbach等［14］的数值模拟结果，青藏地区在高原隆起后比隆起前1月气温下降了

14 ℃，而7月气温下降达22 ℃；冬季降水变化不大，但夏季降水大大增加。可见，青藏高原的隆起不仅造就了全球最高的一个巨型构造地貌单元，同时也形成了一个独特的高原气候区。

以前的研究［22，36］已指出，高原季风是高原邻近地区气候形成、变化的主宰者。虽然高原周边地区气温变化的长期趋势也随着高原隆升而降低，但由于高原季风的建立大大破坏了原来准纬向的气候带，使高原东、西两边，以及南、北两侧气候出现了巨大的差异。高原冬季风增强了高原周围的反气旋式环流，从而使高原东侧受到来自北方大陆性气团的偏北气流控制，结果在那里形成了干燥寒冷的冬季气候；高原西侧受到来自低纬海洋性气团的偏南风影响，造成相对温和潮湿的冬季气候。夏季的情况正好相反，对流层低层环绕高原的气旋式环流大大增强，于是在高原东南侧形成潮湿气候，而在高原西北侧形成干旱气候。值得注意的是，高原隆升不仅增加了地形降水，而且增大了与季风降水相关的水文过程对轨道尺度日射强迫响应的敏感性［37］。

3.2新生代以来的全球气候变冷

很早就有人提出造山运动能引起全球变冷，甚至导致冰期出现的论断［38］。近年来，Ruddiman等［39］又提出新生代构造隆升导致气候变化的假设。认为以青藏高原为主的构造隆升，不仅对大气和海洋环流具有大规模的影响［12，14，30］，而且通过风化和侵蚀等作用，使大气CO2浓度降低，从而造成新生代以来的全球气候变冷［40, 41］。高原隆升可以通过各种直接和间接的作用使气候变冷。一方面，高原抬升使当地因气温直减率效应而变冷，同

时像青藏高原这样的大地形隆起之后，会使部分地面进入冰冻圈，促使高原面上大范围冬季雪盖形成，并通过反射率—温度反馈而影响到半球、甚至全球的气候［42］。另一方面，高原隆升可以通过间接的生物化学作用使全球，特别是高纬地区变冷。在高原隆起地区，硅酸盐矿物化学风化的增强可以吸收大气中更多的CO2以生成碳酸钙，从而减少了大气中CO2的含量，结果使高原隆起的气候效应扩大到全球。此外，关于高原隆升导致全球气候变冷的机制还有其他观点。例如，汤懋苍等［43］认为，高原隆起使地球大气的热机效率增大，造成行星西风增强，从而引起高纬地区降温，以至形成大冰期。Rea等［44］则指出，高原隆起使大气含尘量增加是造成气候变冷的重要原因。总之，高原隆升的直接作用和间接作用共同决定了新生代以来全球气候变冷的总趋势，尽管高原隆升对区域气候具有更直接和更显著的影响(见3.1节)。虽然有人［45］对高原隆升是否通过加剧侵蚀和风化而使气候变冷仍存疑虑，但“高原隆升-气候变化”假说的提出大大地丰富了人们对地质时间尺度上气候变化的认识。毫无疑问，这是近年来过去全球变化研究中的一个重大突破。

3.3北半球中纬度干旱气候的发展

大量的地质证据揭示了亚洲中部及北美内陆自晚新生代以来气候在向着干旱化方向发展［46, 47］。现代高原气象学研究［1, 48, 49］表明，包括中亚和我国西北在内的高原邻近地区的干旱气候，与过山气流的动力性绕流以及夏季高原上升气流在高原外围的补偿性下沉有关。近年来的许多数值试验［13, 14, 50］进一步肯定了高原隆升对中纬度干旱气候形成的作用，其中以Broccoli与Manabe的工作［13］最为细致。他们利用一个具有较高分辨率(相应的经纬网格距为2.25°纬度×3.75°经度)包括陆地水文循环过程和地形重

力波参数化的9层GCM，通过有、无地形试验的对比分析表明，中纬度干旱区主要位于地形强迫形成的驻波槽的上游，因为这些地区存在大尺度下沉，抑制了风暴扰动的发展。与经向分布的落基山地形引起的西风气流强迫上升及其随后的下沉相联系的“雨影”效应，是造成北美内陆干旱的重要原因。但中亚干旱的成因与此不完全相同。在欧亚地区夏季西风带北撤，以致西风带主流几乎碰不到青藏高原。青藏高原是通过激发夏季风环流而影响中亚干旱的，即与低层相对干燥的气旋式流动、中亚的下沉气流以及风暴路径的北移密切相关。此外，地形也减少了进入大陆内部的水汽输送和地表蒸发，因而对周围干旱的形成有贡献。这些研究加深了我们对构造隆升造成北半球中纬度干旱气候物理机制的理解。

4高原隆起对自然环境的影响

高原隆升意味着河流下切、山地增高等区域地貌的改观，由此会引起如前所述的大气环流和气候的巨大变化，气候变化进而又影响局地甚至远离高原地区的地貌、冰川、生态系统乃至人类的演化。以下将初步讨论除气候之外与高原隆起密切相关的各种自然地理要素的变化及人类的起源等问题。因为这方面的研究内容丰富，文献巨浩，这里只能择其重要又有全球意义的几个问题作简要论叙，取舍不当之处在所难免。

4.1高原冰川的发育及其对全球气候的反馈

随着高原隆升和地表气温降低，在青藏高原山区发生过多期冰川作用［51］。Kuhle［52］甚至认为，高原第四纪时期曾经出现过统一的大冰盖，并由此触发了全球冰期的来临。虽然我国多数第四纪冰川学者［51, 53］认为Kuhle的论据并不完全可靠，但据施雅风等［51, 54］综合推算，在高原最大

冰期时期，仅高原中、东部4个山区的冰川面积已达40 000 km2，为现代冰川面积的18倍，如果再考虑到积雪量的增加(据GCM模拟［14］高原北部地区年积雪量在高原隆起前比隆起后增加400%以上)，则高原冰雪的反馈效应对全球气候的影响是无论如何也不能低估的。例如，GCM的敏感性研究发现［55］，冬、春季包括青藏高原在内的欧亚雪盖异常增多，会导致随后夏季风减弱，并可能通过减弱热带东西向大气环流而激发以赤道太平洋为源地的o事件。与冰雪增多密切相关的高原地表反射率增加能够引起东亚及更大范围的气候变动［56］。关于第四纪高原冰雪广泛积累对全球气候影响的研究还有待于深入和加强。

4.2黄土高原的形成与沙漠的扩展

我国黄土高原的黄土已被证明是风成成因的粉尘堆积物［57］。一些研究［23, 58］认为，黄土高原的形成是青藏高原隆起的产物。因为高原隆升促使东亚季风和高原季风的建立与发展，强盛的冬季风，特别是近地层风速增大［23］为黄土搬运提供了良好的动力条件。同时高原西侧和北侧严重地干旱化，这些地区沙漠和干草原植被也随高原隆升而广泛发育［59］，为维持黄土堆积和成土作用提供了物质保证。事实上，随着高原隆升，风尘沉积的粒度逐渐变粗、范围不断扩大正是气候干旱化的证据［47, 59, 60］。亚洲内陆戈壁、沙漠大发展，包括塔克拉马干在内的我国许多现代沙漠均是在高原隆起的构造格局和气候条件下形成的［59］。气候变干同样反映在风成的海洋沉积中［60］。

4.3湖泊水系与生态系统的演化

高原隆升带来了湖泊水系的巨变。高原诸多湖泊及黄河等数条河流的发育均与高原隆升直接相关［61, 62］。晚更新世以来高原湖泊呈退缩的总趋势，湖面下降，若干湖泊向盐湖演变，一些外流水系也转化为内陆水系［63］。青藏高原多种多样的生态系统也是在高原隆起过程中长时期生物进化及其与自然环境变化相适应的产物。受高原隆起后的大气环流影响，高原植被、土壤等环境要素出现了三维空间分异［63］。不消说，在高原邻近，特别是季风区的自然环境随高原上升引起的亚洲季风系统从无到有、由弱变强地发展而不断调整和变化，这里不再赘述。数值模拟与观测分析都表明，高原隆起造成的全球气候变冷使新生代以来北半球生物带普遍南移，而高纬地区的植被变化最为显著［64］。

4.4人类的起源与进化

不少科学家［23, 58, 65］已经注意到青藏高原隆起与人类的起源和进化关系密切，虽然他们在高原上升影响人类发展机制上的看法并不一致。一种意见认为，在第三纪末、第四纪初，当高原隆升突破其影响大气的临界高度［23, 24］时，不仅引起气候变冷，同时由于在对流层高层夏季高原南侧的东风急流向西减弱造成辐合下沉［13］，加上高原上升气流给周围带来的补偿性下沉，使印度西北部至北非一带与中纬度内陆一样变干，于是由森林气候变为草原气候，古猿为适应气候变干后的生态环境而首先在非洲变为人属(Homo)，它被认为是人类的祖先。

5一些值得深入研究的科学问题

5.1东亚季风形成与高原隆升的关系

过去对东亚季风形成的研究较少，至今尚缺乏清晰和全面的认识。这里我们首先应当澄清几个概念。有人曾经认为，在地质时期东亚冬、夏季风形成的时代不同。例如，一种说法为夏季风早就存在，而冬季风是上新世或第四纪以来才开始出现的。这种提法未必合适，因为季风的基本定义是指盛行风向冬夏反向的现象，所以冬夏季风必然是相伴相随的。在一个没有冬季风的时代就谈不上夏季风，反之亦然。其次，东亚季风的存在以什么为标志？以前有人发现第三纪甚至更早我国东部已有较好的植被，即认为当时有较多的降水，因此判定必然存在夏季风；还有一些人仅从反映风成沉积的某些记录来推断东亚季风的形成等看来都有失全面。事实上，一个完整的季风系统应当包含“季风风系”和“季风雨系”两个方面［66］。我们认为现代意义上的东亚季风建立应满足以下两个条件：第一，在东亚30°N以北地区存在季节性交替的夏季偏南而冬季偏北的盛行风；第二，冬夏反向的气流来自物理性质不同的气团，因而造成冬季干冷、夏季相对湿热的气候。

一些地理学家从高原隆起和环境变化的地质证据方面论证了东亚季风的发展［25, 67～69］，他们认为现代东亚季风气候格局主要是随着第四纪以来高原的强烈隆升而建立的。从过去的某些数值试验看，东亚夏季风的确是随着高原高度的上升而不断向北发展。例如，Kutzbach等［12, 14］利用大气及海气耦合GCM模拟的结果说明，夏季高原东侧的偏南风随着高原隆升逐渐向北扩展。无地形时夏季地面南风一般不越过20°N，当高原地形上升到现代的一半左右时，地面南风可以向北扩展到30°N附近，只有在高原完全隆起之后，高原东侧的偏南风才能向北推进到40°N以北。DeMenocal和Rind［70］及Ramstein等［21］的数值试验也都表明，在无地形时亚洲夏季风及其降水主要

分布在30°N以南。同时大多数模拟研究都表明，在高原东侧30°N以北地区，冬季对流层低层的风是随着高原隆升从偏西风逐渐转变成偏北风的。最近，刘晓东和焦彦军［71］完成的一系列改变青藏高原地形高度的数值试验进一步说明，东亚季风、特别是东亚长江以北地区的冬季风比夏季风更为敏感地响应于高原隆升。再考虑到低纬度的印度季风主要来源于南半球的马斯克林高压［6］，而中纬度的东亚夏季风主要源于澳大利亚高压［7］，结合2.1.1节对南亚季风形成的讨论，我们认为，即使在高原尚未大幅度隆起的情况下，南亚地区海陆之间的经向热力对比就足以激发具有一定强度的热带季风；但只有当高原隆升达到较高的高度时，主要受东西向热力对比控制的东亚季风才能出现在30°N以北的中纬度地区。虽然一些研究［21, 72, 73］认为，海陆分布是亚洲季风形成的基本原因，然而按照以上我们提出的东亚季风出现的标准，只有青藏高原达到足够的高度才能真正维持现代的东亚季风形势。所以在高原隆起过程中南亚季风与东亚季风可能是非同步发展的，这一看法还有待更多数值模拟和地质证据的检验。关于东亚季风形成的具体时代也需要进一步的研究来确定。

5.2高原隆起对大气环流和气候的线性与非线性作用

已有的研究表明，高原隆升对亚洲季风和全球气候的影响一般随高原高度上升而增大。地面气温等气候要素随高原上升几乎呈线性变化。但降水对地形变化的响应却往往是非线性的。例如，在一系列改变地形高度的数值试验中［71］，高原东侧的东亚北方季风区夏季降水随高原隆升而增加，然而在高原西南侧的中南半岛及中国华南一带降水却是减少的。地形的抬升也使季风对轨道尺度强迫的响应更加敏感［37］。所以在这个意义上可以说，青藏高原是气

候变化信息的放大器。事实上，由于气候系统是一个非线性系统，所以气候对高原隆升并不是完全的线性响应。一个简单的例子是，随着高原隆起，通常情况下地面热源增强且促进了东亚夏季风的发展。然而，当高原隆升进入冰冻圈并有利于高原冰雪积累时，反而可能减弱高原热源，从而使夏季风得不到与高原上升同步的发展。Fennessy等［74］的数值模拟试验颇具启发意义。他们在青藏高原地区使用经过平滑的地形，即比真实地形降低了的地形高度，模拟的印度季风降水反而增加了。另一个例子是与高原隆升引起的气候变冷有关的负反馈过程［39］。当高原隆起造成风化和浸蚀作用加强时，全球气候会因大气中CO2含量的减少而变冷。一旦气候变冷，则气温降低又会导致降水和植被覆盖减少，这样就减弱了硅酸盐的风化，所以也减缓了大气中CO2含量的减少，故使气候变冷又得到了抑制。正是由于气候系统中大量存在的正、负反馈过程，使高原隆升与气候变化之间的关系变得异常复杂。只有认真研究这些过程及其起作用的时空尺度,才能真正理解青藏高原在亚洲季风和全球气候变化中的作用。

5.3高原隆升引起的气候突变与渐变

高原隆升是地质气候变化的重要驱动力。高原隆升的形式不同，则对气候的影响也不一样。在线性驱动的情况下，当高原逐步地缓速隆起时，将导致气候逐渐而缓慢地变化；但当高原跳跃式阶段性隆起时，则会引起气候突变。然而，实际情况并非如此简单。由于气候系统中的非线性作用，在某些气候突变点附近，渐变式的高原隆起却可以导致气候突变。Birchfield等［42］曾利用一个纬向平均能量平衡模式的研究发现，在无地形条件下北半球平均的地面气温随太阳辐射增强基本上呈线性增加；但当中纬度存在高原时，在某个临界值

附近，当太阳辐射略有变化即可导致气候突变。据分析，该模式气候敏感性增加是由于中纬度高原存在使高原积雪反射率—温度反馈机制增强造成的。大气动力学和热力学分析表明，就地形对大气环流的影响而言，存在着某个(或几个)临界高度。当高原隆起突破临界高度时，能对大气产生强烈作用，从而造成大气环流、大气热力结构、亚洲季风乃至全球气候的一系列巨大转变［24］。一些仅考虑高原动力作用的理论研究［75, 76］指出，青藏高原的动力临界高度大约在1.5～2 km之间或更低，一旦高原超过这一临界高度，过山气流将从以爬坡为主转变为以绕流为主，这必然引起大气环流格局的一次大调整。高原大气的水汽凝结高度也大致在这一临界高度附近，因此高原上升达到这一高度，会使相对凝结高度大大降低，有利于水汽凝结和潜热加热的增强，从而在动力和热力作用的共同影响下造成气候突变［23, 24］。Plumb等［77］基于大气

角动量守恒的简单理论分析指出，对季风影响而言，高原热源的变化存在一个临界值。当高原热源强度超过这个临界值时，才能在青藏高原南侧夏季形成与Hadley环流反向的经向季风环流圈，维持与现代相近的强季风形势。于是，与达到这个热源临界值相对应的地形高度(估计不低于3 km)便被认为是晚新生代以来亚洲季风突变的一个重要原因［16, 20］。最近完成的数值试验［71］表明，在高原隆升达到现代高度的一半之前，东亚大约30°N以北地区近地面风冬夏反向意义下的季风现象是不存在的。因此在高原高度超过现代的一半左右时，东亚北方季风可能经历了一次从量变到质变的飞跃。

如此看来，目前人们对高原隆升如何导致亚洲季风气候突变存在着迥然不同的观点。欲正确认识这个问题，首先应进一步弄清楚高原隆升的过程和气候突变的事实，特别是其年代和时滞关系，这样才能了解高原突变性隆起与气候

突变事件是否相对应。其次，要深入研究高原隆起过程中的各种临界高度及其气候效应。如果某个临界高度确实导致某次大的气候突变的话，这意味着，当高原隆升到临界高度附近，只要高度稍有改变，即可导致巨大的气候响应。这种情况下气候突变与高原隆升的快慢无关。所以，确定临界高度出现的时代也极为重要，但这又涉及到对高原隆升过程的认识，否则就可能张冠李戴，例如把第四纪初才能达到的临界高度提前到中新世末。当然，我们并不排除某些气候突变可能无法从高原隆升得到解释。第四纪冰期的开始具有某种突变的性质，虽然有人认为第四纪冰期的来临也是青藏高原隆起的结果［23, 39, 43, 44, 78］，但冰期的开始是当时高原强烈隆起造成的，还是新生代以来高原隆升引起的气候持续变冷使气候系统在第四纪初发生突变的结果仍不清楚。总之，高原隆升对气候及环境突变的影响及其机制是个远未解决的问题，这也是未来研究的一个重要方面。

5.4高原隆起对气候和环境影响的范围及时效

高原隆起虽然对区域气候的影响更直接、更剧烈，但对全球气候变化的影响可能更持久、更深远。而且高原隆升影响高原邻近、远离高原地区及全球气候变化的方式不同，造成不同时空尺度上气候变化的方向可能也有差异。青藏高原隆起在区域尺度上最直接的作用就是因直线率效应降低隆升区的地面气温，受热力和动力影响，促进亚洲季风的发展；在半球尺度上通过改变行星波而使高原隆起作用传递到远离高原的地区；而在全球尺度上主要是通过风化减少大气中CO2，使高纬降温，冰雪积累，进而导致全球变冷［39］。这样，在东亚地质气候记录中既包含区域气候又包含着全球变化对高原隆升响应的信息。要深入分析高原隆升的直接作用，最好能从区域气候记录中扣除全球变化

的影响。例如，从作为推断高原隆起的孢粉证据所指示的气候变化中，扣除当地受全球气候变化引起的变动，才能更好地说明高原隆起的幅度。事实上，施雅风等［51］已经利用这一思想，推算了最大冰期以来高原的上升量，虽然具体算法还有待改进。又如，高原隆升引起全球气候变冷，就长期趋势而言，减少了海表、地表蒸发和大气可持水量，总体上使降水有减少趋势；但高原隆升同时又造成夏季风增强和季风降水增多。东亚季风区的降水变化可能主要还是取决于后者，但在高原隆起相对稳定时期或在较长的时间尺度上，前者的作用可能是不能忽视的。高原隆升对气候的影响并不限于高原隆升发生的时段。事实上，一旦高原隆升达到某个阶段，其影响可能会不可逆转地存在下去。有人［32, 79］把第四纪气候变化在频率域中的转型也归于青藏高原的隆起，可能反映了高原隆起更深层的影响，当然这一观点还有待进一步检验。可见，在高原隆起过程中，不同时空尺度上气候变化信息的叠加和综合效应的研究尚未得到充分的重视。

5.5地质记录和大气环流模式中高原隆起气候效应的对比

从地质证据及大气环流模拟两方面都可以研究高原隆升对气候及环境变化的影响。但这两种方法都各有其不足。地质证据定年有时比较困难，难以确定不同事件之间的时滞关系，特别是因果关系；在空间分布上也常常是不够的，不同地区记录的差异有时会影响对气候宏观变化特征的判别。GCM模式虽然在研究强迫因子与气候变化之间的因果关系方面具有观测研究所不可替代的优越性［80］，但目前的GCM模式对于研究高原隆升气候效应还存在着许多不足。首先是空间分辨率太低限制了模式对实际地形的精确表现。现在的GCM模式水平分辨率通常为好几百公里，所以在模式中所用的地形是区域平均地形，因而

在地形高度和坡度上均受到一定程度的平滑处理。例如现代青藏高原的最高峰在海拔8 km以上，而模式中所用的格点地形最高处一般都不超过5 km。而且，实际的高原隆起过程存在着巨大的时空差异，如高原北部和南部的隆起时间可能不同，隆起的速率也有差异［81］。随着气候数值模式的发展和计算条件的改善，用更高分辨率的模式进一步试验高原隆升对环流和气候的影响是必要的。其次，目前的气候模式对全球平均气候模拟结果比区域尺度上更可靠［82］，换句话说，气候模式对区域气候的模拟还存在着一定程度的不确定性。例如，在同样方案的敏感性试验中不同模式得到的同一区域模拟结果可能相去甚远。因此在利用模拟结果讨论东亚季风等区域尺度上的气候现象时也应格外小心。再次，由于目前气候模式中物理过程的处理还不尽完善，某些重要的反馈过程尚无法正确地描写，这不仅影响了对现代气候的准确模拟，更重要的是可能会虚假地缩小或放大模式气候对地形变化响应的敏感性。所以有必要利用不同模式进行更多、更系统的高原隆升的敏感性研究。

把地质气候记录与古气候模拟研究相结合是促进今后高原隆升对亚洲季风和全球气候变化影响研究的有效措施。通过地质记录分析可以提出许多适用于气候模拟研究的科学问题，对数值模拟结果进行检验，并能为数值模式的改进提供线索；而数值模拟和试验则有助于理解观测研究结果，并可能为观测研究提供理论指导。两者的结合不仅可以互相印证，而且可以提出许多新问题。例如，观测研究和简化的理论分析都指出［16］，高原隆升可能导致气候突变，然而某些数值试验［12］结果表明，南亚季风气候总体上是随高原隆升而线性变化的。这就使我们不得不思考，究竟是GCM模式没有描写气候突变的能力呢还是高原隆升确实与气候突变无关诸如此类的新问题是我们以前未曾碰到的。

综上所述，青藏高原是全球构造运动的产物，而高原隆起又对现代大气环流格局的构成，亚洲季风体系的建立，区域及全球气候的变化，沙漠黄土、高原冰雪、湖河水系及生态系统的发展、演化，以至人类的起源与进化都造成了深刻的影响，因此青藏高原隆升是过去全球变化研究中一个极为重要的课题。然而，在与高原隆升相关的诸多问题中，研究高原隆升对大气环流与气候的影响可能更为重要，这是理解环境演化的基础。虽然近年来对此已取得了不少新的认识，但其中许多问题仍不明确，例如，东亚季风的形成，高原隆升对气候突变的影响，地质气候记录与古气候模拟结果的可比性等，这些都是在今后的工作中值得深入研究的。