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地形制造的我国冬季气候世界奇迹

我曾研究过冬季我国冷空气降温强度最强的高度,大体华北在1500米左右,华南还不到800米。从这个最强高度再往上去,由于风向开始偏西,冷空气降温强度反而减小。因此,凡较为高大的山脉,都能不同程度地阻滞它的南下,造成冬季气温的异常分布,甚至创造世界奇迹。

  “高天滚滚寒流急”,冬季中从北半球寒极西伯利亚频频南下的冷空气,使我国,以及朝鲜、蒙古、俄罗斯等东北亚邻国,成为了世界同纬度上最为寒冷的地方。

  可是,这种以地面辐射冷却形成的冷空气流的厚度其实并不高,只是对流层内中低层的事。我曾研究过冬季我国冷空气降温强度最强的高度,大体华北在1500米左右,华南还不到800米。从这个最强高度再往上去,由于风向开始偏西,冷空气降温强度反而减小。因此,凡较为高大的山脉,都能不同程度地阻滞它的南下,造成冬季气温的异常分布,甚至创造世界奇迹。

  为了研究气温的地形性异常,就要比较气温的水平分布。但是,我国2/3以上面积是山区。而气温又是随海拔高度升高而降低的,因此,不同海拔高度的气温彼此无法比较。因此,我曾在论文中采取了统统把它们都订正到海平面上的办法。我国大部分地区平均气温的垂直递减率是0.45℃/100米;我就把它作为订正用的垂直递减率。当然这样取法只是近似,但却已足以显示出地形对我国冬季气温的主要影响。

  按理说把气温统一订正到海平面上以后,我国最冷1月的月平均气温的分布图上,等温线应该平直且平行于纬圈。所以,凡是等温线出现弯曲、波浪甚至封闭曲线,便是地形影响的结果。

  下面举出三个典型例子:

  准噶尔盆地冬季是个大冷湖

  在1月平均海平面气温图上,准噶尔盆地是个大冷湖,可以画出好几根封闭等值线。这是因为整个盆地西北有缺口,南方有高峻的天山山脉,因而从西伯利亚南下的冷空气易进难出,终于灌成了一个大冷空气湖。最冷的空气密度最大,沉在最底层。因此,整个盆地中凡低则冷凡高则暖,形成了反常的气候逆温现象。例如天山北坡东经88°附近,海拔451米的梧桐窝,1月平均气温-20.1℃;海拔654米乌鲁木齐上升到了-15.2℃;而海拔2160米的小渠子竟然高达-10.6℃。即在1710米的高度内上升了9.5℃。盆地内电子探空仪观测的自由大气气温垂直分布,同样也证实了这一点。在这个强大的逆温大冷湖里,甚至连白天的最高气温也向上逆增!

  有意思的是同纬度我国东北地区,虽然冬季比准噶尔盆地还冷,是我国冬季中最为寒冷地方,但是却没有这种现象。原因就是东北南部没有像天山那样东西走向的高大山脉能显著阻挡冷空气的南下,即灌成大冷空气湖的必要地形条件。

  在世界上,既要北有强大的冷空气南下能进入的缺口;又要南有高大山脉组成的大型盆地地形,在中纬度地区,实在找不出第二个。虽然北半球寒极西伯利亚腹地(南下我国的西伯利亚冷空气的形成源地)也有类似的气候逆温,而且强度和厚度超过准噶尔盆地,但却都是高纬小型河谷盆地地形中,主要是在漫漫长夜中因辐射冷却静态形成,而非冷空气在南下过程中动态灌成的中纬地区大冷湖。

  四川盆地冬季是个大暖湖

  很有趣,四川盆地冬季却是个大暖湖。而且恰恰也是在西伯利亚冷空气南下过程中形成的。

  原来,西伯利亚冷空气向南流动过程中会越流越薄,好像湿面团放久了会变扁一样,因此,遇到四川盆地周围1500~2000米山脉,便常常难以逾越。因此,盆地内1月平均气温要比同纬度东部地区高出3~4℃之多。因此,盆地中冬季霜雪少见,全年翠绿,农作物几乎全年生长,号称“天府之国”。在中国气候区划中属于中亚热带气候,而东部同纬则为北亚热带气候。即相差一个等级。

  因此,在冬季中常常发生这样的趣事:当东部地区强冷空气已把霜冻线南推到南海之滨的时候,四川盆地(或盆地南部)仍然是个孤立无霜区。这从盆地内泸州极端最低气温仅零下1.1℃,而800千米以南的广东沿海阳江和广西沿海北海则分别为零下1.4℃和1.8℃也可得到证明。历史上唐代杨贵妃爱吃的荔枝,也来自四川盆地南部。因为当时正是中国气候变化中的暖期,盆地南部为南亚热带气候。因此,苏轼《荔枝叹》诗中才有“永元(汉)荔枝来交州(两广),天宝(唐)岁贡来之涪(四川)”之句。

  四川盆地孤立无霜区现象在世界上是唯一的。因为,我认为它至少需要同时满足以下三个条件,才能出现。一是在东亚经度(有世界最强冷空气南下),二是中低纬度(冷空气厚度已经变薄),三是较高山脉封闭的大型盆地(屏障冷空气作用强)。世界上中低纬度地区哪能找到第二处呢?

  我的关于《四川盆地孤立无霜区》论文、专著发表之后,也引起了国外科学家的兴趣。

  川西云南是真正大温室

  在20世纪80—90年代,我曾多次到昆明出差。晚上7点看中央电视台天气预报。每当东部地区寒潮冷空气蜂拥南下,大风降温、千里飞雪的时候,昆明和云南大部分地区却常常仍是风光明媚、风和日丽,好像是在“世外桃源”的大温室里。

  其实,云南和其北邻川西南还真是我国冬季中的最大温室。四川盆地暖湖和它相比,其温暖程度真是小巫见大巫。如果说四川盆地的1月平均气温比东部同纬度暖3~4℃的话,那么大温室比四同纬川黔地区要高出8~10℃之多(均指海平面气温)!下面是两个实例。

  广西桂林和云南昆明两地基本同纬,两地1月实际平均气温也差不多,都接近8℃。但是,昆明海拔1891米,比桂林高出1669米之多。第二,在这个大温室里,千米以下的河谷里,都已经是热带气候,而同纬东部地区,即使是海平面上,却还是亚热带气候!

  形成大温室的原因,是因为它东侧的川西高原东坡,和黔滇边界的乌蒙山等山脉都在3000米左右以上。从北方南下的西伯利亚冷空气经过长江后转向成为东北风,它爬上千余米的贵州高原,和进入四川盆地后已成强弩之末,加上这里高空盛行从西南亚来的西风干暖气流,越高越强劲。因此,“天地合力”把冷空气阻挡在东经103~104°线上,形成气象学上有名的“昆明准静止锋”(因位置近昆明而得名)。

  试想,云南和川西南地区冬季中经常沐浴在西南亚来的晴朗温暖的气流之中,自然山高而不冷;而锋东的川黔地区,由于长期浸泡在寒潮冷湿空气“海洋”之中,自然是难免霜雪之苦了。

  基隆雨季为何独在冬季?

  同样,山脉地形对降水分布也有重大影响。其中最重要规律之一,就是迎风坡多雨、背风坡少雨。这是因为当气流被迫在迎风坡上抬升时,气温下降,气流中水汽不断凝结降雨的结果。而越山后的气流,由于气流中水汽巨大损耗,因而背风坡上雨量便大大减少,以至少云多晴。

  我国年雨量最大的记录,正是发生在台湾东北部、中央山脉北端的东北坡上。冬季中,旅海登陆的潮湿东北季风,正是在海拔380米的火烧寮(北纬24°59′,东经121°45′),降下了6557.8毫米的年雨量(1909—1944年记录)!

  有趣的是,地形不但可以制造年雨量冠军,而且还能制造我国唯一的雨季在冬而不在夏的独特雨季类型。例如火烧寮以北约11千米的基隆市,从11月到来年3月,月雨量都在300毫米左右,月平均雨日超过20天,因而素有“雨港”之称。到了夏季,台湾盛行西南季风,基隆处于背风地形,雨量、雨日都只有冬季一半。其实,即使位于基隆以西仅27千米的台北,由于处于中央山脉西侧,雨旱季节类型便已经与基隆相反,成为雨季在夏,夏雨远多于冬雨的地方。

  山脉使两侧雨季完全相反的情况,世界上季风区中其他地方还有(例如越南中部,日本本岛北部),但以基隆—台北为最典型。

  山脉制造湿润地区中的干旱河谷

  山脉真“伟大”。迎风坡向在台湾制造了年雨量冠军、制造了雨季在冬的特殊雨旱季节类型,却也在我国南方云南中部大约27°纬度上制造了号称我国“西南干旱中心”的金沙江干旱河谷。尤其是在冬季,同纬东部贵州和长江中下游地区地区正是濛濛细雨季节,干湿对比最为鲜明。

  金沙江河谷谷底年雨量可比西北真正的干旱地区。例如,奔子栏年雨量只有286毫米。奔子栏以北70千米的四川得荣县城338毫米,由于这里云雨极少,因而他们自称“太阳谷”。

  1981年6月初,我应邀参加中国科学院横断山区科考队,我们气候考察车从云南省迪庆藏族自治州首府中甸县城(海拔3354米)驱车向西北直下金沙江河谷,到达谷底海拔2025米的奔子栏时,谷底山坡上扭黄茅,野香茅,衰草等旱生禾草还一片枯黄。金沙江边风吹起了一条长长的沙堤,沙堤砾石附近稀稀拉拉生长的仙人掌叶片也薄如纸片。一派干旱景象。

  金沙江干旱河谷的形成,我认为,主要是地形性焚风效应相叠加的结果。地形性焚风效应是指,爬坡气流在迎风坡上大量降雨,消耗大量水气后,在背风坡下沉过程中因水气不饱和而迅速增温。而迅速增温的结果又使气流变得更干。南北美洲西岸温带西风带纬度上就有,一山之隔迎风西坡是森林而背风东坡是半干旱,干旱甚至沙漠景观的情况。何况云南三江并流区有着三道高高山脉并列。

  让我们随着越山气流,来具体见证一下。潮湿的印度洋西南季风在高黎贡山西侧缅甸密支那平原上留下了约1600毫米的年雨量。但当潮湿气流接着在我国境内高黎贡山迎风西坡上被迫抬升时,海拔约3000米的片马山口年雨量便甚至高达3200毫米,森林十分潮湿茂密。而气流越过高黎贡山山脊下到怒江河谷中,谷底福贡(海拔1560米)年雨量便只有1360毫米。不过怒江河谷中都还是森林植被。气流再向继续东越过第二道山脉即怒山山脊之后,年降水量便开始显著减少。我们设点的澜沧江谷底日嘴村年雨量仅455毫米,但仍有少量树木。随着气流在云岭西坡上的第三次抬升,森林重又茂盛起来,例如云岭山脉西坡上海拔2304米的兰坪和2326米的维西,年雨量就又有1000毫米左右。但越过云岭山脊第三次下沉到金沙江河谷时,东坡3000米以下就已经干燥得不能长森林了。我们考察组,多次往返于金沙江河谷和云岭山脊之间。常常高山上下大雨而谷底下小雨,甚至阴一阵就过去了;有时则山上下雨已久,而我们下到河谷,江边公路行道树下的土还没有全湿。

  因此,从这气流横断面上,雨量和植被三起三落、如影随影情况看,可以毫不怀疑地认为,金沙江干热河谷的形成,是地形减少雨量影响的焚风效应三次叠加的结果。

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