青藏高原北部隆升与东亚季风及亚洲内陆干旱演化——来自气候数值模拟的启示*

刘晓东 石正国 郭庆春 王昭生

①研究员，②副研究员，③④博士研究生，中国科学院地球环境研究所，西安 710075

*中国科学院战略性先导科技专项(XDB03020600)，国家自然科学基金项目(41290255)和国家重点基础研究发展计划(973计划)(2010CB833406) 资助

青藏高原北部隆升与东亚季风及亚洲内陆干旱演化
——来自气候数值模拟的启示*

刘晓东①石正国②郭庆春③王昭生④

①研究员，②副研究员，③④博士研究生，中国科学院地球环境研究所，西安 710075

*中国科学院战略性先导科技专项(XDB03020600)，国家自然科学基金项目(41290255)和国家重点基础研究发展计划(973计划)(2010CB833406) 资助

青藏高原；亚洲季风；内陆干旱；数值模拟

青藏高原隆升是地球历史上一次重大的地质事件，青藏高原的出现对亚洲气候与环境产生了划时代的影响。过去的几十年来，中外学者利用各种气候数值模式模拟研究了青藏高原隆升的气候环境效应，极大地加深了我们对亚洲季风变迁和亚洲内陆干旱化机制的理解。近年来“高原隆升-气候响应”研究的一个重要进展是认识到亚洲区域气候响应与青藏高原隆升的形式密切相关。本文对此进行了概括介绍，重点通过一系列分区域隆升的数值模拟试验的综合分析，指出青藏高原北部隆升对东亚季风变迁及亚洲内陆干旱气候演化具有重要影响，其最突出的特征表现为随高原北部隆升东亚夏季风和季风雨区向北扩展，内陆干旱区和大气粉尘含量及沉积范围增加。这些模拟研究结果对东亚古环境研究具有良好的启示，并由此提出了许多新的科学问题。

1 青藏高原隆升的阶段性及其环境效应概述

矗立于亚洲大陆南部、素有“世界屋脊”之称的青藏高原(范围大致为25°N～40°N，74°E～104°E)，面积约250 万km2，平均海拔在4 000 m以上，是世界上最高的高原。青藏高原以中国青海省和西藏自治区为主体，同时包括了周边一系列高大山脉，如南部的喜马拉雅山脉、北部的昆仑山—阿尔金山—祁连山、西部的帕米尔高原、东部的横断山脉。高原内还有唐古拉山、冈底斯山、念青唐古拉山等。这些山脉海拔大多超过6 000 m，其中8 800 m以上的珠穆朗玛峰是世界上最高的山峰。地质学研究表明，青藏高原经历过沧海巨变。现在的青藏高原在两亿多年前(即地质年代的二叠纪)曾经是波涛汹涌的辽阔海洋，被称为特提斯海。特提斯海北边的大陆称为欧亚大陆，南边为冈瓦纳大陆。由于板块运动，从冈瓦纳古大陆分离出来的印度板块向北快速移动和挤压，与欧亚板块碰撞导致其北部发生强烈的褶皱断裂和抬升，促使青藏地区隆升为陆地。随着印度洋的扩张，印度板块不断北移并向亚洲大陆南缘俯冲挤压，最终引起强烈的构造运动和青藏高原隆升[1]。

虽然迄今为止中外科学家对青藏高原隆升的时代和幅度等重要科学问题尚存在不同的认识，但多数研究表明，自55～45 Ma前印度次大陆与亚欧板块碰撞[2-3]以来，构造运动、岩浆活动及地面隆升都是分阶段发生的，因而青藏高原经历了阶段性的逐步隆升过程[4-10]。在长期隆升过程中，当地面发生侵蚀夷平时就表现为隆升间歇时期。例如，Tapponnier等[8]提出高原分地块抬升并由南向北逐渐推进的多阶段隆升模式，一些研究认为高原中部大面积地区早在40～35 Ma前的始新世可能已经被抬升至 3 000～4 000 m的高度[11-12]，即高原主体可能在很早前就已经具有一定规模。而后高原南部包括喜马拉雅山脉区域发生剧烈隆升，中新世阶段喜马拉雅山脉主体基本达到目前的高度[10,12]。但藏北和甘青等高原北部地区在15 Ma以来仍出现了显著的隆升，高原东北部和东部两侧向外不断壮大，天山及蒙古的地势在这一时期也都有相当程度的抬升[10]，中中新世乃至上新世晚期以来高原北部尤其是东北部仍有一定幅度的隆升[13-14]。

青藏高原隆升不仅是新生代固体地球演化的重大事件之一，也被认为是亚洲气候和环境演化的重要驱动力。高海拔地形造就了众多的山地冰川和星罗密布的湖泊，从而成为长江、黄河等亚洲许多大河的发源地，形成了独特的地貌单元和生态系统。青藏高原不仅决定着该地区本身的自然环境，而且对其周边的亚洲季风、亚洲内陆干旱乃至全球气候与环境都产生了深刻的影响。在青藏高原隆升与区域环境变化关系的研究中，通常根据构造隆升与环境变化的地质记录推测两者之间的可能联系。以刘东生为代表的中国学者在黄土与环境研究方面做出了举世瞩目的贡献[15]，中国黄土不仅记录了东亚古季风演化的历史，从黄土高原至北太平洋的风尘沉积也反映了亚洲内陆长期的干旱化过程，而且这些风尘沉积记录蕴含着季风-干旱环境演化与青藏高原阶段性隆升的耦合关系[16-22]。早中新世中国北方风尘黄土的出现可能标志着亚洲古环境从行星风系主控型向季风主控型环境的转变[23]，陆地[24]和海洋[22]风尘沉积均显示上新世以来的最近4～3 Ma也是亚洲内陆干旱化显著加剧的时期，这些重大的环境变化事件都被认为与青藏高原阶段性隆升有关。

总的来看，已有的大量地质、生物和构造记录倾向于把青藏高原隆升与亚洲古环境的变迁相联系，并且已经取得了丰硕的研究成果。然而，由于地质记录在空间覆盖、时间跨度、年代确定、气候代用指标解译、区域及全球变化信息分离等方面尚存在一定的不确定性，因而仅仅利用地质记录往往难于确切推断高原隆升与环境变化之间的因果联系。另一方面，随着地球流体动力学和计算机科学的不断发展，利用大气环流模式进行数值模拟已经成为分析、检验和发展古气候与古环境动力学理论的一种行之有效的研究手段。数值模拟方法在鉴别边界强迫与气候及环境变化之间的因果关系方面已得到了广泛的应用，从而促进了青藏高原隆升对亚洲季风-干旱环境演化影响认识的不断深化。以下简要介绍数值模拟在青藏高原隆升气候环境效应研究中的应用，重点讨论青藏高原北部隆升数值试验研究的一些最新进展。

2 数值模拟在青藏高原隆升气候环境效应研究中的应用

气候数值模拟的基本工具是气候模式。所谓气候模式是以气候系统为对象，由一系列描述流体动力学和热力学规律的数值方程所构成的数学模型。为了在物理细节和计算效率要求之间达到一定的平衡，根据不同需求，气候模拟采用的数值模式复杂性跨度较大，从简单的能量平衡模式(EBM)、中等复杂程度的地球系统模式(EMIC)到目前使用最广泛的三维大气环流模式(AGCM)、海洋-大气耦合模式(CGCM)、海-陆-气-冰耦合的地球系统模式(ESM)。EBM不考虑大气动力过程，难以深入刻画大气内部的物理过程，主要用于对某一过程或反馈的敏感性研究；而ESM则充分细致地对大气-海洋-陆地-冰雪-生物所组成的气候系统内部物理机制和反馈过程进行参数化处理，较完备地描述气候系统的时空特征，但对计算机要求较高，目前还很难进行长时间尺度的模拟试验，多应用于时间跨度较短的平衡态和敏感性测试；EMIC则介于两者之间，以简化动力机制描述为代价提高计算效率，达到长时间模拟的目的。在过去40多年中，国内外学者已应用不断改进的气候数值模式，通过控制性地改变地形高度等，从多种角度探讨了青藏高原隆升在区域和全球气候形成与变化中的作用，在高原隆升气候环境效应的数值模拟研究方面取得了长足进展。

迄今为止的一系列数值模拟研究均说明青藏高原隆升与气候响应之间存在着因果联系。但从高原隆升的形式来看，高原隆升气候效应的数值模拟试验大致可归纳为高原整体隆升、高原阶段性隆升和高原区域隆升三类。所谓高原整体隆升试验，即进行简单的“有山”与“无山”数值试验，在对比试验中除高原地形改变之外，其余边界条件均保持相同，这样在有地形与无地形试验中大气响应的差异就显示了高原隆升在大气环流演化和气候变迁中的作用，早期的数值试验大多属于这一类。例如，Manabe等[25-26]利用AGCM进行了有山、无山的对比试验，揭示了青藏高原的存在不仅决定了亚洲冬季风的核心系统——西伯利亚高压的位置和强度，而且控制着亚洲夏季风的建立和发展。Kutzbach等[27]利用更为先进的气候模式完成了有山、无山和半山的模拟试验，进一步指出青藏高原隆起可造成亚洲区域气候分异，即高原东、南侧变湿，而高原西、北侧变干。这些模拟结果与这些地区晚新生代以来许多地质证据相符，从而说明高原周边地区的气候环境深受高原隆升的影响。许多数值试验[27-28]表明，高原隆升对中纬度干旱气候的形成具有重要贡献。总之，青藏高原在中纬度地区崛起，其巨大的面积和体积占据了地球大气对流层1/3～1/2的高度，给大气环流以强烈的影响，破坏了地理纬度地带性，迫使高空西风环流在高原西侧分支，在高原南北两侧产生绕流，高原的动力和热力作用强化了亚洲季风，同时加剧了亚洲内陆的干旱化。

虽然通过有、无地形试验对比所反映的高原整体隆升能够直观地显示高原隆升在区域甚至全球气候形成和变化中的作用，但整体隆升与地质事实相去甚远，因为巍然的青藏高原并不是一蹴而就的，而是经历了漫长的阶段性隆升。因而，作为高原整体隆升方案的改进，引入了高原阶段性隆升试验，即通过划分不同隆升阶段或按照现代地形高度的一定比例系统检验递进式隆升的作用。例如，Liu和Yin[29]对欧亚大陆上现代大地形所在地区陆地上所有格点的地形高度分别取为现代地形高度值的100%、90%、80%、70%、…、0%，即以青藏高原现代高度10%的间隔进行了高原阶段性隆升对亚洲季风形成演化的系列数值模拟试验。结果发现，东亚季风比南亚季风对青藏高原隆升的响应更为显著，且高原隆升对东亚冬季风的影响大于对东亚夏季风的影响。即使没有青藏高原，仅受海陆热力对比的作用，中国东部长江以南地区夏季仍能出现偏南风。然而只有在青藏高原存在，且达到一定高度的情况下，东亚北方地区冬季才能盛行偏北风。换句话说，在高原隆升达到现代高度的一半之前，东亚大约30°N以北的北方地区近地面风冬、夏反向意义下的季风现象是不存在的。此外，青藏高原隆升加剧了亚洲内陆的干旱化，但地形作用并不是内陆干旱区形成的根本原因。

高原阶段性隆升试验相对于地质时期真实的边界条件而言依然过于简化，实际上青藏高原不同区域的隆升阶段、速率和幅度存在明显差异，而非等比例的匀速隆升。因此，越来越多的研究尝试分区域的高原隆升模拟试验，即单独考虑高原各子区域的隆升，以考察不同区域隆升对不同气候子系统的影响。近年来大量的高原区域隆升试验(详见文献[30]的评述)表明，区域气候响应与高原隆升的形式密切相关。不同形式的构造隆升在气候和环境效应上存在显著区域差异，即青藏高原不同区域的地形隆升对亚洲季风各子系统形成发展的影响是不同的。从目前已完成的大量数值模拟结果来看，海陆分布变迁和喜马拉雅山的隆升对南亚季风的建立和发展具有决定性作用[31-32]，而东亚北方季风的形成发展、高原北侧干旱化加剧和亚洲粉尘循环增强则主要取决于青藏高原中部，特别是高原北部的隆升[33-35]。在下一节中将集中讨论青藏高原北部隆升对东亚季风变迁及亚洲内陆干旱化的影响。

3 青藏高原北部隆升对东亚季风变迁及亚洲内陆干旱化的影响

尽管有关喜马拉雅-青藏高原隆升地质历史和过程的认识至今并不完全清楚，但事实上大量构造记录显示青藏高原隆升过程具有“分时段分区域”的特征，这也意味着对青藏高原气候效应的评估必须同地质历史中高原实际隆升过程相联系才更具科学价值，这正是进行高原区域隆升试验的意义所在。一些地质证据表明，喜马拉雅和青藏高原南部隆升早于高原北部。根据已有的数值试验推断，很可能仅有第三纪早期喜马拉雅山隆升的作用就可以维持当时的南亚季风。通过去除青藏高原的主体而只保留其南部的喜马拉雅山脉和向西延伸的狭长地形的数值试验，Boos和Kuang[31]发现喜马拉雅山的抬升阻断了来自北方大陆的冷干气流和来自热带海洋的暖湿气流，从而使暖湿空气在印度上空积聚，形成强大的南亚季风。较早的数值试验也显示，在高原隆起前古特提斯海的退缩可造成30°N以南的南亚季风降水显著增加[36]。更有研究显示，即使没有地形作用同样可以模拟出南亚季风的建立[37]。这些研究都说明，仅有喜马拉雅山隆升甚至仅有海陆分布变迁就足以激发热带性质的南亚季风。

然而，越来越多的数值模拟研究表明，新生代以来东亚北方季风的形成离不开青藏高原主体，特别是高原北部的隆升。An等[17]完成了喜马拉雅-青藏高原隆升过程中4个理想阶段的数值模拟，并与黄土高原、印度洋及太平洋的风成沉积记录相互对比，提出青藏高原隆升与东亚季风气候至少存在10～8 Ma和3.6～2.6 Ma两个重要的耦合演化阶段，其中3.6～2.6 Ma高原北部生长和向东北方向扩张具有重要意义。张冉和刘晓东[35]基于上新世以来高原北部构造隆升的地质证据，通过有限幅度地削减高原北部地区地形高度(平均地形降低约800 m)的试验并与现代对比也发现，青藏高原北部隆升导致东亚北方夏季风增强，长江以北30°N～40°N之间的东亚北方季风区降水增多，但对南亚地区降水影响不大。高原北部的隆升极大增强了来自西太平洋的环流，位于西北太平洋的副热带高压系统也明显增强，促进了东亚夏季风的发展。季风变化带来了东亚降雨分布的改变，尤其在中国华北地区，不但降水量大幅增加，季风区总体范围也更接近现代，季风北界向西北扩展[34]。Tang等[32]利用一个较高分辨率的区域气候模式进行了青藏高原不同区域隆升对南亚和东亚夏季风的影响的系列敏感性试验。结果发现印度夏季风主要受高原南部地形的机械阻挡作用控制，而东亚夏季风，特别是中国北部降水主要因高原中部和北部隆升带来的地面加热作用而增强，但相比之下华南地区的降水对高原北部隆升的响应则不甚明显。

虽然大量的地质证据[19,23]表明亚洲内陆的干旱由来已久，但数值模拟显示青藏高原北部的隆升会进一步导致亚洲内陆干旱化加剧及大气粉尘循环增强，干旱化有利于大气粉尘载荷的增加并向东传输，在黄土高原至北太平洋沉积。Shi等[33]利用耦合了粉尘循环过程的气候模式对上新世及现代气候进行了对比模拟，其中上新世试验将青藏高原北部的高度较现代平均降低了约600 m，地形变化最大处降低了1 400 m。模拟结果表明，在上新世以来高原北部地形有限隆升的情况下，地形抬升增大了对其北侧西风的动力阻挡作用，结果使高原北侧西风绕流形成的高压脊增强，加上地形抬升的热力作用引起的补偿性下沉，两者共同抑制了高原北侧大片干旱区的降水，加剧了内陆的干旱化，从而使干旱地区面积也有明显增加。干旱区面积的增加意味着粉尘源区的扩大，最终导致大气粉尘含量增多，这一模拟结果与上新世以来黄土高原[24]及北太平洋地区[22]粉尘沉降通量显著增加的地质证据相吻合。这里我们用图1示意性地说明亚洲夏季风及大气粉尘含量的变化。当青藏高原中、南部已经隆起，但高原北部地区地形尚较低的情况下(图1(a))，印度夏季风已经良好发展，而东亚夏季风主要在长江流域及其以南地区盛行。与此同时，亚洲大陆上空对流层年平均粉尘含量相对偏低。然而，当青藏高原北部也隆起后(图1(b))，对印度季风的影响很小，盛夏东亚季风向北推进能够到达中国华北及东北地区，亚洲大陆上空对流层粉尘含量明显增多。

图1 数值模拟揭示的青藏高原北部隆升对亚洲夏季风及大气粉尘含量影响示意图。(a)和(b)分别对应青藏高原北部为低地形和现代地形的情况。图中在中国东部地区和印度半岛上的黄色箭头分别指示了对流层低层东亚和南亚夏季风环流，而红色箭头指示了对流层高层东亚夏季经向环流的方向；白色雨滴区示意性地指示了盛夏中国东部季风雨区的位置；图上的黑、黄、红色椭圆圈分别代表对流层中层600 hPa(海拔约4 200 m)、500 hPa(海拔约5 500 m)和400 hPa(海拔约7 200 m)上的年平均粉尘混合比相对高值区的范围

综上所述，过去几十年来大量的数值模拟研究证实亚洲季风-干旱环境演化与青藏高原隆升密不可分，近年来这方面研究的一个重要进展是认识到高原隆升的形式不同带来的区域尺度气候和环境效应是不一样的。青藏高原北部隆升对东亚季风变迁及亚洲内陆干旱气候演化具有重要影响，最显著的特征表现为随高原北部隆升东亚夏季风和季风雨区向北扩展，以及内陆干旱区和大气粉尘含量及沉积范围的增加。这些模拟研究结果对东亚古环境研究具有良好的启示，同时也提出了许多新的科学问题。例如，数值模拟显示对青藏高原北部隆升响应最显著的地区是东亚北方季风区，考虑到季风强度与不同区域的降水量变化并不是简单的线性关系，能否在华北地区获得地质时期可靠的季风降水指标可能是推断过去东亚季风历史，进而寻求东亚季风变迁与青藏高原隆升联系的关键；上新世以来亚洲内陆的干旱化可能既与青藏高原北部隆升有关，也与北半球大冰期来临引起的全球气候变冷相联系，如何区分两者的相对贡献？地质时期亚洲大陆上的大气粉尘载荷及其循环，包括古粉尘的排放、输送及沉降过程不但取决于青藏高原隆升所引起的大气环流变化的动力作用，同时也与粉尘源区的变动密切相关。所以，要进一步弄清亚洲古粉尘的变迁地貌学及粉尘源区时空演化的研究不可或缺。此外，亚洲古粉尘如何通过改变大气辐射平衡、云物理结构、大气化学过程以及生物地球化学循环等反馈过程进一步影响气候也值得深入研究。未来要解决这些不断涌现的科学问题，在很大程度上将依赖于地质记录与数值模拟研究的融合，两者的紧密结合不仅可以互相启发和互相补充，而且可以互相印证和互相促进，最终推动青藏高原隆升与亚洲环境变化研究的不断发展。

(2014年5月16日收稿)■

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Uplift of the northern Tibetan Plateau and evolutions of East Asian monsoon and Asian inland arid environments

LIU Xiao-dong①, SHI Zheng-guo②, GUO Qing-chun③, WANG Zhao-sheng④
①Professor, ②Associate Professor, ③④Ph. D. Candidate, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710075, China

As a major geological event in the Earth’s history, the uplift of the Tibetan Plateau on the Asian climate and environment had a defining influence. During the past decades, many scholars from China and abroad have studied climatic and environmental effects of the plateau uplift by a variety of climate numerical models. These modeling studies have greatly deepened our understanding of mechanisms on the evolutions of Asian monsoon and Asian interior aridity. In recent researches on“plateau uplift- climate response”, an important progress is recognizing that there exists a close relationship between the Asian regional climate response and the form of the Tibetan Plateau uplift. This paper conducts a general introduction, focusing on a comprehensive analysis of a series of sub-regional uplift simulations. It is pointed that the uplift of the northern Tibetan Plateau produced significant impacts on the evolution of the East Asian monsoon and Asian inland arid climates, with northward shifts of East Asian summer monsoon circulation and rainfall, and expansions or enhancements in arid regions, atmospheric dust loading and sedimentary areas as the most prominent features. A great deal of enlightenment is gained from these modeling results for the paleo-environmental researches of East Asia and thus many new scientific questions are raised.

Tibetan Plateau, Asian monsoon, inland aridity, numerical simulation

(编辑：温文)

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.03.003