中国西藏网 > 青藏光芒|马丽华专栏 > 第10章

一年一度季风雨

2019-10-28 马丽华 《青藏光芒》

  未经授权,不得转载。 

  说是一年一度,但这个“一度”未免太久,就全国范围而言,先是从2月份到5月份,连阴雨天以中国南方广东广西为中心,向西可延至贵州,向东可覆盖福建,向北可越过长江,绵密雨水没完没了,少有间歇,其间不乏一轮轮强对流——冷暖空气交集交锋产生的剧烈垂直运动叫“强对流”——带来的大风暴雨雷电冰雹之类坏天气。这一时段《新闻联播》之后的天气预报示意图上,每见雨区的浅蓝深蓝,仿佛定格在那一片,而其他地区则频现旱象及火险等级的橙红。这情形让南方诸地叫苦不迭,让广大北方深感雨量分配不公。诗云“好雨知时节,当春乃发生”,民谚“春雨贵如油”,是有地域特指的。

  分明可能是灾害的天气,却被冠以听上去很美的学名——“江南春雨”。或许考虑到有别于“烟雨江南”之江浙地区,我见业界在描述时经常改称华南春雨、华南早汛期,似更贴切些。这一地区雨水季差不多从春节过后即开始,旷日持久只是一个方面,其降水强度,在某些区域甚至超过夏季降水。遍观全球陆地区域,实属罕见现象,什么原因?因为青藏高原大地形的存在,沿喜马拉雅南坡绕道而来的西风气流,与来自海洋上空的暖湿气流在此地上空交锋的结果。

  华南春雨何日休,且待南亚风起时。当强劲的夏季风携来足量雨云登陆,逐渐北上推进,惠及中国和东亚,“雨热同季”应时而来,伴随着北方整个夏天,三几个月里享用了全年50%~80%的雨量,暑热因之不再那么难熬,城乡和菽麦同沐甘霖,自然万象欢欣。这样的景象在全球陆面同样不多见,何以至此?缘于青藏高原对于气流运行的助力作用:向上助高,向北助推。3月份开始,高原散去严寒,渐从冷源变热源,阳光持续加热地面,气流随之上升,从而形成气旋式环流,绕行至东部,向东亚各地源源不断输送水汽。

  加热抬升作用于高原自身,也使得南来带水云团翻山越岭,降水直达高原腹地。

  对于习以为常的季候风雨,终于可以约略知其大概所以然了。这类新知,是在中科院大气物理所刘屹岷研究员那里听讲而来,被“科普”的连带一般概念,包括气象、气候、大气物理的基本定义。简言之,气象学是一门首先体现于应用的科学,最直接、最实用的是为当前生产生活服务,做气象预报:3天为短期,一周为中期,长期呢,一个月到跨季节。跨了季节又跨年度的称作气候预测;判断未来若干年长时间尺度变化,叫预估。气象关注短时天气状况,气候研究统计规律,大气物理侧重热力学过程;与气象学多学科的描述性质不一样,动力学研究旨在回答“为什么”,求解过程从现象深入到本质,从而把握规律,为预测、预估寻找因果键——给出答案,就是这家“大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室”正在做的工作。

  起初约请的是吴国雄院士,他很随和,爽快地答应了采访请求。却不料准备采访的人在做案头的时候,就被难倒了。且看从网上查来的吴国雄院士简介,这位大气动力学和气候动力学家的突出贡献之一,是在国际上首创倾斜涡度发展(SVD)理论。不过该理论过于专业,看得我们这些外行人一头雾水,“……证明Rossby位涡和IPV在等熵面上的守恒是由于等熵面倾斜分布所致。证明尽管位涡水平分量是一个小项,但对垂直涡度的发展起着关键性的制约作用。由此,建立了‘盒子定理’‘外切平面定理’,并创立了完整的‘倾斜涡度发展(SVD)’理论,证明当质块沿着倾斜的等熵面下滑且满足确定的条件时,其垂直涡度将发展。当等熵面很陡时,SVD可以变得非常剧烈,引起天气系统的猛烈发展。他指出,中纬度地区等熵面呈倾斜分布,因此是SVD的常发地区。在夏季,青藏高原边缘地区等熵面非常陡立,在那里SVD对低涡形成的贡献要比传统考虑的辐合项的贡献大一个量级……”

  简介中还提到,许多重要理论被气象业务和研究部门应用,但读来同样难懂,例如开展创新性气候动力研究,揭示中高纬和热带海气相互作用差异的机理及厄尔尼诺影响台风频率的机制;发展饱和湿空气动力学;证明创新的原始方程中的无加速定理以及大气运动的动力强迫和热力强迫的调配率等等,总之简述每项成果的汉字都认得,但是排列起来难解其意。只有一点是明确的:吴国雄院士的参与,把这项研究一下子提升到国际顶尖水平。

  好在还有易于理解的部分,例如他在系统研究大地形的动力和热力作用对天气气候的影响方面,首次证得区分地形不同作用的“临界地形高度”,指出亚洲季风爆发过程的三个阶段:西南低涡的形成与青藏高原东部爬坡与绕流的交绥有关,证明在青藏高原作用下,1)亚洲季风首先在孟加拉湾东部—中南半岛西岸发生。2)当它所激发的次级环流的上升支位于中国南海,不久便有南海季风爆发。3)此后南亚槽脊系统西移,从而有印度季风爆发。有权威评论:“这种把亚洲季风爆发划分为三个阶段在国内外是第一次。(这一认识)把季风爆发机制直接与青藏高原的动力和热力作用紧密地衔接起来。”

  所以说,不比文科,也不比理科中地理、生物之类学科的直观性,大气科学门槛太高,于是心想,怎么好用ABC级的问题去请教大师级人物呢,于是知难而退,请求吴先生安排哪位有耐心的学生接待,于是刘屹岷接受委派,“风言风语”说高原。刘屹岷和段安民是吴先生青藏大气研究中的左膀右臂,说是学生,都已做了博导,都让我心怀敬意地仰望。而这位小刘老师,身为该团队年轻人“大师姐”,15岁时即以优异的数学物理成绩考进南京气象学院,数字化生存史迄已30余年,面对我这样的文人尽量通俗讲来,看得出比指导博士生还难。以下内容,是听讲者整理了录音,处理过文字,看能否把深刻影响了中国气候和命运的季风雨大致转述明白——

  对于“风”的定义,她说,可以理解为“空气的运动”。

  自从地球上有了空气,由于太阳辐射和自转方向使然,行星风系就已形成。按照全球气候带划分,我们中国基本处于盛行西风带控制范围,基本气流为西风气流。青藏高原冬季位于西风带中,正对着“西风急流”;夏季西风带北移,高原处在西风带和东风带交界处——

  由于太阳辐射的不均匀分布,地球两端高纬地区,有盛行偏东风环绕极地;南北纬30°附近有空气下沉,称为“副热带高气压带”北半球副热带靠近赤道一侧盛行东北信风,中纬度地带则盛行偏西风。

  季风即“季节的风”,风向的季节性变化,是一种近地面风。季风本非专业术语,来自航海业古已有之的经验,后被专业化应用。就全球范围而言,行星风带会在一年内随太阳直射位置变化作南北摆动,风带边缘地区的风向随之出现季节性交替变化,统称“行星季风”。由于太阳辐射、海陆分布差异及大地形影响等因素,地球上存在多个季风系统,其中最强大、最复杂的,首推亚洲季风。它实际包含了各自独立又相互联系的南亚季风和东亚季风,加上青藏高原的存在及其夏季风的助力,三位一体形成合力,一举成就全球季风系统威力之最。

  至于季风成因,太阳当然是最重要的,除了太阳辐射这一根本驱动力之外,海洋和陆地的热力差提供了重要条件。我们知道,冷空气下沉,热空气上升,一上一下之间,空气流动,产生了近地面风。由于海水和陆地对于热力的辐散是不同的,陆地受热快、散热也快,往往一个昼夜温差可达十几二十度;而占地球表面积2/3以上的海洋,承担着储存和分配太阳热量的功能,热容量巨大,无论受热还是散热都很缓慢,相对恒温,以至于哪怕升温0.5℃都属异常,都可能带来灾害性后果,所谓厄尔尼诺现象,正是海洋水温异常造成的。

  所以我们还应当知道,空气本身并不吸收太阳辐射短波的热量,之所以会被加热,有赖于吸收地面和水面反射的长波和热量的向上扩散所致。相比陆地,海洋水温冬高夏低,洋陆之间存在热力差,导致了大气环流加速运行;大陆和海洋越大,热力差对比的效应就越显著,季风也就越强大,所以地球上最强势的夏季风不在当代,而在足够遥远的地质年代:远在20多亿年前古生代末—中生代初,泛大陆和泛大洋上空的气流相互作用,共建“超级季风”,席卷唯一的大陆。

  由于青藏高原大地形和热源作用,冬、夏季风加强了,夏季风犹强于冬季风,且来势迅猛,具突发性质,是亚洲季风特点。近年有导致大灾的一例:2008年5月2日至3日,南亚季风突起,强热带风暴“纳尔吉斯”袭击缅甸5个省邦,一夜之间,8万多人丧生,超过5万人失踪,将近2万人受伤,735万人受灾。

  至于春、秋季,则为风向的转换过渡。前人对于冬、夏季风转换之际的研究不多,似乎并非关注重点,实际上对于某些地区来说,却是极其重要的。最典型的是江南春雨,或称华南早春雨,于每年的2月到5月,盛行于中国南方多省份。

  南亚季风和东亚季风同为全球著名季风,差别在于地域不同,分属热带季风和副热带季风;成因各有侧重,前者以行星风带的季节变化为主,且与海陆分布影响相一致;后者以海陆分布因素为主,行星风交替现象不明显。假如——这个假设是在计算机模型中实现的——假如没有青藏高原,这两支季风不会合流,高、低空气流各跑各路,南亚季风还会形成,但它只会驻留在东南方向偏远一角,热带季风降水集中在北纬10°左右,中国内陆几无降水。

  所有风向中,高原季风形成最晚,是随着几千万年来高原隆升逐步形成的,是由于高原上冬、夏热力状况不同而演变的。从前汤懋苍先生论述过高原的浅薄、深厚高原季风,很有道理,现在我们把这一临界高度确认在1500~2000米,专指气流通过时,以爬坡为主,或以绕行为主的地形高度临界值。巨大地形的作用,体现在影响环流的“机械强迫”动力作用和加热大气的“热力强迫”作用。平均海拔4000米以上的大高原,在冬季可使西风气流分岔绕流,在夏季又使得气流对热源的热力适应,形成高原上空近地层低压、中高层的青藏高压。高原季风的存在,不仅扰动了固有的大气环流格局,它还是北半球副热带地区最重要的大气波动源之一,所激发的热力波及相关热量和动量传播,对周边地区大气环流和天气气候产生重要影响。

  说到对于高原热力作用的认知,也是逐步深化的。半个多世纪前,叶笃正先生率先提出青藏高原“热源”概念,被老青藏们普遍接受。吴国雄先生深入探讨,认为尤其在夏季,高原的热力作用超过动力作用,并将其形象地命名为“感热加热泵”效应。顾名思义,“泵”之功能首先在“抽吸”——高原陆面本就位于大气对流层中部层位,当它吸收了阳光热量,再通过加热大气促使气流上升,不仅周边低层大气赶来补充,就连跨越南北半球的“越赤道气流”也受到影响;本来85%以上的水汽集中在近地表3000米以下空气中,经高原加热作用,可以被抬升得更高,直到冷凝成雨——雨水的形成条件,有赖于低层温度高、其上温度低,水汽因饱和凝结而降落。降雨范围由此重新分配,雨云活跃在海拔五六千米坡地并不鲜见,更有甚者,有水汽继续上行,造就了同一座山峰拥有上下两层乔木林带奇观。

  青藏高原上空的大气环流,夏天上升,冬天下沉,呈现非常规则的律动,催生出冬、夏季风的变化。与“抽吸”作用相反,冬季下沉气流从高原四散而去,“越赤道气流”这一回踏上了由北向南的行程。

  青藏高原巨大的热源作用已成共识,于是许多研究者在建模时,将热力作用以一个面积平均值的热力指数做参数,难免以一概全。还是吴国雄团队,利用1958—1999年为时40年的7月份气象再分析资料,进一步精细化研究的结果,发现高原上大气热源强度的空间分

  布特征复杂,局地差异显著,高原南部加热强度明显偏大,由南向北递减现象;至少存在4个加热中心,位于高原东北、东南、西南及克什米尔地区上空,分别对应东亚不同地区的大气环流及降水异常,同时各存在2—4年小周期。例如中国西北东部及华北地区、日本列岛降水量与克什米尔大气热状况有很好的正相关;江淮地区的降水与高原东南部的大气热状况正相关,而印度西北部降水则与之有显著负相关。凡此等等。

  利用同样为时40年的4—6月气象再分析资料,研究青藏高原区域感热加热与7月东亚降水和大气环流异常的关系,发现5月份前后高原是一个单独热源,其感热加热性质与周边地区完全不同;每当5月份高原感热异常偏强和偏弱的年份,盛夏期间的中国东部降水形势正好相反:前期高原加热强(弱),则夏季江淮、长江中游、云贵高原等地降水偏多(少),华北、华南偏少(多)。由此可见,4—6月高原感热加热可以作为东亚地区尤其是中国江淮等地7月降水形势的预报因子。从中至少说明了两个方面的问题,其一是为什么多个团队近年来会把高原感热通量研究作为主攻方向,这一点体现了寻找理论突破的努力;其二是所有研究成果,经由应用实践,终将转化为公众需求的一系列气象服务,体现了基础科学研究的终极目的。