一年一度季風(fēng)雨
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說是一年一度,但這個“一度”未免太久,就全國范圍而言,先是從2月份到5月份,連陰雨天以中國南方廣東廣西為中心,向西可延至貴州,向東可覆蓋福建,向北可越過長江,綿密雨水沒完沒了,少有間歇,其間不乏一輪輪強(qiáng)對流——冷暖空氣交集交鋒產(chǎn)生的劇烈垂直運動叫“強(qiáng)對流”——帶來的大風(fēng)暴雨雷電冰雹之類壞天氣。這一時段《新聞聯(lián)播》之后的天氣預(yù)報示意圖上,每見雨區(qū)的淺藍(lán)深藍(lán),仿佛定格在那一片,而其他地區(qū)則頻現(xiàn)旱象及火險等級的橙紅。這情形讓南方諸地叫苦不迭,讓廣大北方深感雨量分配不公。詩云“好雨知時節(jié),當(dāng)春乃發(fā)生”,民諺“春雨貴如油”,是有地域特指的。
分明可能是災(zāi)害的天氣,卻被冠以聽上去很美的學(xué)名——“江南春雨”?;蛟S考慮到有別于“煙雨江南”之江浙地區(qū),我見業(yè)界在描述時經(jīng)常改稱華南春雨、華南早汛期,似更貼切些。這一地區(qū)雨水季差不多從春節(jié)過后即開始,曠日持久只是一個方面,其降水強(qiáng)度,在某些區(qū)域甚至超過夏季降水。遍觀全球陸地區(qū)域,實屬罕見現(xiàn)象,什么原因?因為青藏高原大地形的存在,沿喜馬拉雅南坡繞道而來的西風(fēng)氣流,與來自海洋上空的暖濕氣流在此地上空交鋒的結(jié)果。
華南春雨何日休,且待南亞風(fēng)起時。當(dāng)強(qiáng)勁的夏季風(fēng)攜來足量雨云登陸,逐漸北上推進(jìn),惠及中國和東亞,“雨熱同季”應(yīng)時而來,伴隨著北方整個夏天,三幾個月里享用了全年50%~80%的雨量,暑熱因之不再那么難熬,城鄉(xiāng)和菽麥同沐甘霖,自然萬象歡欣。這樣的景象在全球陸面同樣不多見,何以至此?緣于青藏高原對于氣流運行的助力作用:向上助高,向北助推。3月份開始,高原散去嚴(yán)寒,漸從冷源變熱源,陽光持續(xù)加熱地面,氣流隨之上升,從而形成氣旋式環(huán)流,繞行至東部,向東亞各地源源不斷輸送水汽。
加熱抬升作用于高原自身,也使得南來帶水云團(tuán)翻山越嶺,降水直達(dá)高原腹地。
對于習(xí)以為常的季候風(fēng)雨,終于可以約略知其大概所以然了。這類新知,是在中科院大氣物理所劉屹岷研究員那里聽講而來,被“科普”的連帶一般概念,包括氣象、氣候、大氣物理的基本定義。簡言之,氣象學(xué)是一門首先體現(xiàn)于應(yīng)用的科學(xué),最直接、最實用的是為當(dāng)前生產(chǎn)生活服務(wù),做氣象預(yù)報:3天為短期,一周為中期,長期呢,一個月到跨季節(jié)??缌思竟?jié)又跨年度的稱作氣候預(yù)測;判斷未來若干年長時間尺度變化,叫預(yù)估。氣象關(guān)注短時天氣狀況,氣候研究統(tǒng)計規(guī)律,大氣物理側(cè)重?zé)崃W(xué)過程;與氣象學(xué)多學(xué)科的描述性質(zhì)不一樣,動力學(xué)研究旨在回答“為什么”,求解過程從現(xiàn)象深入到本質(zhì),從而把握規(guī)律,為預(yù)測、預(yù)估尋找因果鍵——給出答案,就是這家“大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室”正在做的工作。
起初約請的是吳國雄院士,他很隨和,爽快地答應(yīng)了采訪請求。卻不料準(zhǔn)備采訪的人在做案頭的時候,就被難倒了。且看從網(wǎng)上查來的吳國雄院士簡介,這位大氣動力學(xué)和氣候動力學(xué)家的突出貢獻(xiàn)之一,是在國際上首創(chuàng)傾斜渦度發(fā)展(SVD)理論。不過該理論過于專業(yè),看得我們這些外行人一頭霧水,“……證明Rossby位渦和IPV在等熵面上的守恒是由于等熵面傾斜分布所致。證明盡管位渦水平分量是一個小項,但對垂直渦度的發(fā)展起著關(guān)鍵性的制約作用。由此,建立了‘盒子定理’‘外切平面定理’,并創(chuàng)立了完整的‘傾斜渦度發(fā)展(SVD)’理論,證明當(dāng)質(zhì)塊沿著傾斜的等熵面下滑且滿足確定的條件時,其垂直渦度將發(fā)展。當(dāng)?shù)褥孛婧芏笗r,SVD可以變得非常劇烈,引起天氣系統(tǒng)的猛烈發(fā)展。他指出,中緯度地區(qū)等熵面呈傾斜分布,因此是SVD的常發(fā)地區(qū)。在夏季,青藏高原邊緣地區(qū)等熵面非常陡立,在那里SVD對低渦形成的貢獻(xiàn)要比傳統(tǒng)考慮的輻合項的貢獻(xiàn)大一個量級……”
簡介中還提到,許多重要理論被氣象業(yè)務(wù)和研究部門應(yīng)用,但讀來同樣難懂,例如開展創(chuàng)新性氣候動力研究,揭示中高緯和熱帶海氣相互作用差異的機(jī)理及厄爾尼諾影響臺風(fēng)頻率的機(jī)制;發(fā)展飽和濕空氣動力學(xué);證明創(chuàng)新的原始方程中的無加速定理以及大氣運動的動力強(qiáng)迫和熱力強(qiáng)迫的調(diào)配率等等,總之簡述每項成果的漢字都認(rèn)得,但是排列起來難解其意。只有一點是明確的:吳國雄院士的參與,把這項研究一下子提升到國際頂尖水平。
好在還有易于理解的部分,例如他在系統(tǒng)研究大地形的動力和熱力作用對天氣氣候的影響方面,首次證得區(qū)分地形不同作用的“臨界地形高度”,指出亞洲季風(fēng)爆發(fā)過程的三個階段:西南低渦的形成與青藏高原東部爬坡與繞流的交綏有關(guān),證明在青藏高原作用下,1)亞洲季風(fēng)首先在孟加拉灣東部—中南半島西岸發(fā)生。2)當(dāng)它所激發(fā)的次級環(huán)流的上升支位于中國南海,不久便有南海季風(fēng)爆發(fā)。3)此后南亞槽脊系統(tǒng)西移,從而有印度季風(fēng)爆發(fā)。有權(quán)威評論:“這種把亞洲季風(fēng)爆發(fā)劃分為三個階段在國內(nèi)外是第一次。(這一認(rèn)識)把季風(fēng)爆發(fā)機(jī)制直接與青藏高原的動力和熱力作用緊密地銜接起來。”
所以說,不比文科,也不比理科中地理、生物之類學(xué)科的直觀性,大氣科學(xué)門檻太高,于是心想,怎么好用ABC級的問題去請教大師級人物呢,于是知難而退,請求吳先生安排哪位有耐心的學(xué)生接待,于是劉屹岷接受委派,“風(fēng)言風(fēng)語”說高原。劉屹岷和段安民是吳先生青藏大氣研究中的左膀右臂,說是學(xué)生,都已做了博導(dǎo),都讓我心懷敬意地仰望。而這位小劉老師,身為該團(tuán)隊年輕人“大師姐”,15歲時即以優(yōu)異的數(shù)學(xué)物理成績考進(jìn)南京氣象學(xué)院,數(shù)字化生存史迄已30余年,面對我這樣的文人盡量通俗講來,看得出比指導(dǎo)博士生還難。以下內(nèi)容,是聽講者整理了錄音,處理過文字,看能否把深刻影響了中國氣候和命運的季風(fēng)雨大致轉(zhuǎn)述明白——
對于“風(fēng)”的定義,她說,可以理解為“空氣的運動”。
自從地球上有了空氣,由于太陽輻射和自轉(zhuǎn)方向使然,行星風(fēng)系就已形成。按照全球氣候帶劃分,我們中國基本處于盛行西風(fēng)帶控制范圍,基本氣流為西風(fēng)氣流。青藏高原冬季位于西風(fēng)帶中,正對著“西風(fēng)急流”;夏季西風(fēng)帶北移,高原處在西風(fēng)帶和東風(fēng)帶交界處——
由于太陽輻射的不均勻分布,地球兩端高緯地區(qū),有盛行偏東風(fēng)環(huán)繞極地;南北緯30°附近有空氣下沉,稱為“副熱帶高氣壓帶”北半球副熱帶靠近赤道一側(cè)盛行東北信風(fēng),中緯度地帶則盛行偏西風(fēng)。
季風(fēng)即“季節(jié)的風(fēng)”,風(fēng)向的季節(jié)性變化,是一種近地面風(fēng)。季風(fēng)本非專業(yè)術(shù)語,來自航海業(yè)古已有之的經(jīng)驗,后被專業(yè)化應(yīng)用。就全球范圍而言,行星風(fēng)帶會在一年內(nèi)隨太陽直射位置變化作南北擺動,風(fēng)帶邊緣地區(qū)的風(fēng)向隨之出現(xiàn)季節(jié)性交替變化,統(tǒng)稱“行星季風(fēng)”。由于太陽輻射、海陸分布差異及大地形影響等因素,地球上存在多個季風(fēng)系統(tǒng),其中最強(qiáng)大、最復(fù)雜的,首推亞洲季風(fēng)。它實際包含了各自獨立又相互聯(lián)系的南亞季風(fēng)和東亞季風(fēng),加上青藏高原的存在及其夏季風(fēng)的助力,三位一體形成合力,一舉成就全球季風(fēng)系統(tǒng)威力之最。
至于季風(fēng)成因,太陽當(dāng)然是最重要的,除了太陽輻射這一根本驅(qū)動力之外,海洋和陸地的熱力差提供了重要條件。我們知道,冷空氣下沉,熱空氣上升,一上一下之間,空氣流動,產(chǎn)生了近地面風(fēng)。由于海水和陸地對于熱力的輻散是不同的,陸地受熱快、散熱也快,往往一個晝夜溫差可達(dá)十幾二十度;而占地球表面積2/3以上的海洋,承擔(dān)著儲存和分配太陽熱量的功能,熱容量巨大,無論受熱還是散熱都很緩慢,相對恒溫,以至于哪怕升溫0.5℃都屬異常,都可能帶來災(zāi)害性后果,所謂厄爾尼諾現(xiàn)象,正是海洋水溫異常造成的。
所以我們還應(yīng)當(dāng)知道,空氣本身并不吸收太陽輻射短波的熱量,之所以會被加熱,有賴于吸收地面和水面反射的長波和熱量的向上擴(kuò)散所致。相比陸地,海洋水溫冬高夏低,洋陸之間存在熱力差,導(dǎo)致了大氣環(huán)流加速運行;大陸和海洋越大,熱力差對比的效應(yīng)就越顯著,季風(fēng)也就越強(qiáng)大,所以地球上最強(qiáng)勢的夏季風(fēng)不在當(dāng)代,而在足夠遙遠(yuǎn)的地質(zhì)年代:遠(yuǎn)在20多億年前古生代末—中生代初,泛大陸和泛大洋上空的氣流相互作用,共建“超級季風(fēng)”,席卷唯一的大陸。
由于青藏高原大地形和熱源作用,冬、夏季風(fēng)加強(qiáng)了,夏季風(fēng)猶強(qiáng)于冬季風(fēng),且來勢迅猛,具突發(fā)性質(zhì),是亞洲季風(fēng)特點。近年有導(dǎo)致大災(zāi)的一例:2008年5月2日至3日,南亞季風(fēng)突起,強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“納爾吉斯”襲擊緬甸5個省邦,一夜之間,8萬多人喪生,超過5萬人失蹤,將近2萬人受傷,735萬人受災(zāi)。
至于春、秋季,則為風(fēng)向的轉(zhuǎn)換過渡。前人對于冬、夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換之際的研究不多,似乎并非關(guān)注重點,實際上對于某些地區(qū)來說,卻是極其重要的。最典型的是江南春雨,或稱華南早春雨,于每年的2月到5月,盛行于中國南方多省份。
南亞季風(fēng)和東亞季風(fēng)同為全球著名季風(fēng),差別在于地域不同,分屬熱帶季風(fēng)和副熱帶季風(fēng);成因各有側(cè)重,前者以行星風(fēng)帶的季節(jié)變化為主,且與海陸分布影響相一致;后者以海陸分布因素為主,行星風(fēng)交替現(xiàn)象不明顯。假如——這個假設(shè)是在計算機(jī)模型中實現(xiàn)的——假如沒有青藏高原,這兩支季風(fēng)不會合流,高、低空氣流各跑各路,南亞季風(fēng)還會形成,但它只會駐留在東南方向偏遠(yuǎn)一角,熱帶季風(fēng)降水集中在北緯10°左右,中國內(nèi)陸幾無降水。
所有風(fēng)向中,高原季風(fēng)形成最晚,是隨著幾千萬年來高原隆升逐步形成的,是由于高原上冬、夏熱力狀況不同而演變的。從前湯懋蒼先生論述過高原的淺薄、深厚高原季風(fēng),很有道理,現(xiàn)在我們把這一臨界高度確認(rèn)在1500~2000米,專指氣流通過時,以爬坡為主,或以繞行為主的地形高度臨界值。巨大地形的作用,體現(xiàn)在影響環(huán)流的“機(jī)械強(qiáng)迫”動力作用和加熱大氣的“熱力強(qiáng)迫”作用。平均海拔4000米以上的大高原,在冬季可使西風(fēng)氣流分岔繞流,在夏季又使得氣流對熱源的熱力適應(yīng),形成高原上空近地層低壓、中高層的青藏高壓。高原季風(fēng)的存在,不僅擾動了固有的大氣環(huán)流格局,它還是北半球副熱帶地區(qū)最重要的大氣波動源之一,所激發(fā)的熱力波及相關(guān)熱量和動量傳播,對周邊地區(qū)大氣環(huán)流和天氣氣候產(chǎn)生重要影響。
說到對于高原熱力作用的認(rèn)知,也是逐步深化的。半個多世紀(jì)前,葉篤正先生率先提出青藏高原“熱源”概念,被老青藏們普遍接受。吳國雄先生深入探討,認(rèn)為尤其在夏季,高原的熱力作用超過動力作用,并將其形象地命名為“感熱加熱泵”效應(yīng)。顧名思義,“泵”之功能首先在“抽吸”——高原陸面本就位于大氣對流層中部層位,當(dāng)它吸收了陽光熱量,再通過加熱大氣促使氣流上升,不僅周邊低層大氣趕來補(bǔ)充,就連跨越南北半球的“越赤道氣流”也受到影響;本來85%以上的水汽集中在近地表3000米以下空氣中,經(jīng)高原加熱作用,可以被抬升得更高,直到冷凝成雨——雨水的形成條件,有賴于低層溫度高、其上溫度低,水汽因飽和凝結(jié)而降落。降雨范圍由此重新分配,雨云活躍在海拔五六千米坡地并不鮮見,更有甚者,有水汽繼續(xù)上行,造就了同一座山峰擁有上下兩層喬木林帶奇觀。
青藏高原上空的大氣環(huán)流,夏天上升,冬天下沉,呈現(xiàn)非常規(guī)則的律動,催生出冬、夏季風(fēng)的變化。與“抽吸”作用相反,冬季下沉氣流從高原四散而去,“越赤道氣流”這一回踏上了由北向南的行程。
青藏高原巨大的熱源作用已成共識,于是許多研究者在建模時,將熱力作用以一個面積平均值的熱力指數(shù)做參數(shù),難免以一概全。還是吳國雄團(tuán)隊,利用1958—1999年為時40年的7月份氣象再分析資料,進(jìn)一步精細(xì)化研究的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)高原上大氣熱源強(qiáng)度的空間分
布特征復(fù)雜,局地差異顯著,高原南部加熱強(qiáng)度明顯偏大,由南向北遞減現(xiàn)象;至少存在4個加熱中心,位于高原東北、東南、西南及克什米爾地區(qū)上空,分別對應(yīng)東亞不同地區(qū)的大氣環(huán)流及降水異常,同時各存在2—4年小周期。例如中國西北東部及華北地區(qū)、日本列島降水量與克什米爾大氣熱狀況有很好的正相關(guān);江淮地區(qū)的降水與高原東南部的大氣熱狀況正相關(guān),而印度西北部降水則與之有顯著負(fù)相關(guān)。凡此等等。
利用同樣為時40年的4—6月氣象再分析資料,研究青藏高原區(qū)域感熱加熱與7月東亞降水和大氣環(huán)流異常的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)5月份前后高原是一個單獨熱源,其感熱加熱性質(zhì)與周邊地區(qū)完全不同;每當(dāng)5月份高原感熱異常偏強(qiáng)和偏弱的年份,盛夏期間的中國東部降水形勢正好相反:前期高原加熱強(qiáng)(弱),則夏季江淮、長江中游、云貴高原等地降水偏多(少),華北、華南偏少(多)。由此可見,4—6月高原感熱加熱可以作為東亞地區(qū)尤其是中國江淮等地7月降水形勢的預(yù)報因子。從中至少說明了兩個方面的問題,其一是為什么多個團(tuán)隊近年來會把高原感熱通量研究作為主攻方向,這一點體現(xiàn)了尋找理論突破的努力;其二是所有研究成果,經(jīng)由應(yīng)用實踐,終將轉(zhuǎn)化為公眾需求的一系列氣象服務(wù),體現(xiàn)了基礎(chǔ)科學(xué)研究的終極目的。
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