把一滴水送上青藏高原，需要幾步？丨大氣悟理

編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設“大氣悟理”，為大家介紹大氣裡發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

青藏高原被譽為“亞洲水塔”，是除南北極外地球上冰川儲量最豐富的地方，也因此被形象地稱為“地球第三極”。降水是青藏高原冰川增長的原材料，滋養著青藏高原上大大小小的湖泊與河流，孕育瞭如長江、黃河、瀾滄江等多條亞洲文明的母親河。

我們常說的“成雲致雨”蘊含著降水的形成機理：即水汽被大氣運動抬升至凝結高度，液化成雲滴，再進一步透過碰並等方式增長，直到空氣浮力無法抵抗雲滴自身的重力，雲滴就降落下來形成了各種形態的降水，如雨、雪、冰雹、凍雨等。由此可見，形成降水的第一要素，就是要將水汽送上青藏高原。

然而，青藏高原平均海拔為3000~4000米，南側的喜馬拉雅山脈海拔甚至在8000米以上，如天然屏障一般將青藏高原與外界隔絕開來，在青藏高原上形成降水的水汽，又是如何突破重重險阻、攀上“世界屋脊”的呢？

編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設“大氣悟理”，為大家介紹大氣裡發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

巧婦難為無米之炊，要解決“給青藏高原送水”這一問題，我們首先要找到青藏高原水汽的故鄉。

青藏高原雖然在地理上“與世隔絕”，但和地球上其他陸地區域一樣，高原自身地表的蒸發水汽遠不足以支撐其氣候態降水，青藏高原降水的水源地同樣要追溯到遠方廣袤的海洋。

以夏季為例，青藏高原的局地蒸發水汽僅能支撐約23%的降水，更多的水汽則是從青藏高原以外遠道而來。具體而言，青藏高原的水汽源地以位於青藏高原西南側的溫暖印度洋為主，同時西方遙遠的大西洋和歐亞大陸也有一定貢獻。

第一步：首先，我們要有一滴水

找到水汽源地之後，接下來要考慮的問題就是怎樣把遙遠海洋蒸發的水汽運送到青藏高原。別急，“空中列車”早已整裝待發，就等水汽“上車”啦！

大氣的運動並不是雜亂無章的，而是在太陽輻射、海陸分佈、氣壓梯度等約束下有組織的運動，我們稱之為“大氣環流”。夏季氣候態下，青藏高原上空的大氣環流系統主要有南側的南亞夏季風、東側的東亞夏季風，以及來自西北的西風急流。

青藏高原夏季主導環流（修改自參考文獻2）

細心的小夥伴們已經發現了重點，遙遠印度洋和大西洋的水汽自海面蒸發後，正是搭上了南亞夏季風和西風急流的“順風車”，一路漂洋過海，最終來到青藏高原。

另一方面，青藏高原也在默默發力“招兵買馬”——青藏高原高聳的地表使其成為大氣中的熱源，透過加熱上方大氣為南亞夏季風和東亞夏季風助力，並在對流層低層形成一個圍繞著青藏高原的氣旋式（逆時針）環流，進一步促進低緯度的暖溼空氣湧向青藏高原。

第二步：漂洋過海來看你

大氣溫度決定了大氣的持水能力，由於對流層氣溫隨高度遞減，大氣中絕大部分水汽集中在約5000米以下的對流層低層。那麼，被季風環流帶到喜馬拉雅山腳下的水汽，要如何翻越8000米高的崇山峻嶺呢？

大自然有它的絕妙安排——科學家們發現，低層水汽可以透過兩級“水塔”和“抬升-翻越”兩種機制進入青藏高原主體。

我們知道，青藏高原南麓的喜馬拉雅山脈地形複雜，由地形觸發的對流降水旺盛，在地表感熱和降水產生的潛熱釋放的共同作用下，青藏高原的主體和南坡都是可以激發大氣在低層輻合、高層輻散的熱源中心。

科學家們認為，在“兩級‘水塔’”機制下，對流層低層的水汽首先在高原南坡熱源的作用下輻合上升，輻散時再由高原主體熱源接力，繼續將水汽送往更高的對流層高層，並最終形成青藏高原上空的雲和降水。而在“抬升-翻越”機制下，低層水汽先在高原西南坡形成對流雲（抬升），再在背景氣流的引導下被“吹進”青藏高原（翻越）。

兩級“水塔”機制示意圖（引自參考文獻3）

“抬升-翻越”機制示意圖（引自參考文獻4，修改自參考文獻5）

第三步：乘風起，扶搖直上九萬里

現在我們知道了氣候態下，來自遙遠海洋的水汽是如何抵達青藏高原並形成降水的。但在具體的年份，青藏高原夏季降水的多寡、降水對外部輸送水汽的依賴度等問題還受到另一個大魔王的影響——沒錯，雖遲但到的厄爾尼諾終於要出場了！

近日，中科院大氣物理研究所周天軍研究員的課題組發現，在厄爾尼諾逐漸發展的夏季，南亞夏季風減弱，同時青藏高原西南部上空出現異常的西風，該異常西風使得青藏高原西南部上空大氣趨幹，抑制對流降水的發生。因此，在厄爾尼諾發展年夏季，青藏高原西南部降水減少。

厄爾尼諾發展年夏季青藏高原西南部降水減少示意圖（引自參考文獻6）

此外，厄爾尼諾還影響著青藏高原夏季降水中外部輸送水汽和局地蒸發水汽的相對貢獻，我們將其中蒸發水汽的貢獻比例稱為“降水再迴圈率”。研究發現，在厄爾尼諾逐漸衰減的夏季，北印度洋至西北太平洋上空有大範圍的對流層低層高壓反氣旋異常，抑制了印度半島中北部的降水，但與此同時，該反氣旋異常北側的偏西風加強了向青藏高原輸送的熱帶水汽，青藏高原東南部降水增加。在增多的外部水汽輸送和減少的局地蒸發的共同作用下，青藏高原夏季降水再迴圈率減小。

青藏高原夏季大氣水迴圈示意圖。黑色數字表示氣候態及年際變率，紅色（藍色）數字表示前冬發生厄爾尼諾（拉尼娜）事件。（引自參考文獻7）

厄爾尼諾：攪局高手雖遲但到

在全球變暖背景下，青藏高原上的冰川正在經歷著不可逆的變化。生態系統脆弱、對氣候變化響應敏感的青藏高原，其水迴圈的變化將為下游生態系統帶來深遠的影響。一滴水的奇幻漂流結束了，而我們對亞洲水塔的探索未完待續。

參考文獻：

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4。 周天軍，高晶，趙寅，等。 影響“亞洲水塔”的水汽輸送過程［J］。 中國科學院院刊，2019，34（11）：1210-1218。

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6。 Hu， S。， Zhou， T。， & Wu， B。 （2021）。 Impact of developing ENSO on the Tibetan Plateau summer rainfall， Journal of Climate， 1-56， doi： 10。1175/JCLI-D-20-0612。1 1-56。

7。 Zhao， Y。， & Zhou， T。 （2021）。 Interannual variability of precipitation recycle ratio over the Tibetan Plateau。 Journal of Geophysical Research： Atmospheres，126，e2020JD033733。https：//doi。org/10。1029/2020JD033733

結語：