季风与大气环流系统 人类有气象仪器记录的历史太短,不足以捕捉 气候系统全部的变率,更难以用来预测未来数十年 到数百年的气候变化.重建过去气候变化的历史、理 解其机制和过程可以在很大程度上弥补上述不足. 在气候系统中,由于季风的演化与变率对人类经济、 文化和生活节奏的许多方面均有重要影响,其研究 工作对社会的重要性也日益增加.亚洲季风受欧亚 大陆和印度洋-太平洋之间海陆热力差异及青藏高原 的强烈影响,是气候系统非常重要的一个组成部分. 从气候学上讲,季风区是大气对流活动最强烈的地 区,与热带辐合带密切相关,对全球大气的热量和水 汽传递起着非常重要的作用 [1] .通过地质记录来揭示 季风在地质历史时期的变化过程和机制,对更好地 理解季风的变化规律、预测其未来趋势至关重要. 正是由于这样一种背景,本期汪品先 [2] 的长篇文 章会备受欢迎.该文似乎是首次从全球视野、从如此 漫长的地质历史的角度来回顾季风问题,是一篇权 威的综述.汪品先 [2] 的主要论点是根本性的,因而是 重要的.第一,他强调低纬过程在气候系统变化中所 起到的极为重要的作用.第二,他把季风看作是一个 全球性现象,是热带驱动对全球气候发挥作用的途 径.我完全同意这些论证,并与汪品先一样,认为气 候学和古气候学界长期以来一直把季风当作区域现 象,而没有做出足够的努力来理解其行为的整体联 系.这个问题当然也相当复杂,因而我亦想就此发表 一些看法. 读者可在网页 soon上看到一个对季风、原因、历史和位置的简短 介绍.“季风”一词来源于阿拉伯语mausem,意思为季 节.这就是为什么季风的原始定义只包含盛行风系 统随季节变化的含义.毫无疑问,最显著的季节性大 气环流变化发生在南亚和东亚.正是因为与季风相 联系的降水的影响扩展了这个定义,把世界其他一 些地区也当作季风区.后来,季风的定义逐步被扩展 到包括几乎所有出现在地球热带和亚热带的、具有季 节周期的气候现象.这显然说明了汪品先 [2] 把季风看 作是一个全球性的热带系统的合理性. 当然,由于热带气候是全球气候系统的一部分, 强调热带驱动并不意味着将热带气候从世界其他地 区孤立出来.气候系统(在季节和地质尺度上)对太阳 能量的响应涉及到所有的纬度和季节,且依赖于气 候系统本身内部的反馈机制.其中,水汽反馈作用在 热带地区起到非常重要的作用,且太阳到达地球的 能量约有一半被热带地区吸收.这就是不可忽视热 带驱动的原因.当然,也不能忽视被冰雪覆盖的高纬 地区,尤其是北半球;那里的反照率与温度之间的反 馈亦很明显,季节变化的幅度亦相当大.在涉及到重 要季节性变化的问题,如大气环流时尤其如此.这种 复杂性的一个例子是高纬冰盖和中国东部降雨之间 的可能联系,有时显得出人意料 [3] .高纬地区地表反 照率影响太阳净辐射能的纬度梯度大小与季节特征, 它同地球自转一起,驱动着三胞平均径向环流 [1] .因 此,哈德莱环流(Hadley cells)的强度和位置趋向于随 季节波动,且最强的波动出现在冬半球.由哈德莱环 流内来自南北半球的地表气流汇聚形成的热带辐合 带(inter-tropical convergence zone,简称为ITCZ)强对 流区亦是如此.热带辐合带根据太阳黄道的位置而 南北移动,尤其在冬至、夏至时与东南亚和澳大利亚 北部的季风有密切关系.由上可见,热带辐合带不仅 与热带驱动有关,而且也与高纬相关.热带辐合带的移动与位于亚洲大陆上的最大的季节气压变化也有 关系;冬季时在西伯利亚发育一个强高压,而夏季时 在印度次大陆的北部发育一个低压系统.这就意味 着,亚洲大陆与太平洋和印度洋之间的气压(和温度) 梯度亦不可忽视. 在古气候天文学理论方面,汪品先 [2] 认为古气候 记录中的天文信号非常有助于理解季风历史行为的 物理驱动机制.我完全同意他的这个观点.这其中的 首要任务是在地质记录中检索天文频率.Berger [4] 最 早计算了这些天文频率,并给出了它们的清单;在 2005年又给出了更详细的关于100 ka周期的来源 [5] ; 2006年论证了岁差谐波信号在赤道日照量中的存 在 [6] .研究的第二步就是分析日照量驱动与气候系统 响应之间的关系.其中,对日照量参数的选择需要格 外谨慎.Berger和Pestiaux [7] 曾展示,一个季节内接收 的太阳能总量只与地轴倾斜度有关,而季节的长度 只与岁差相关.因此,地轴倾斜度和岁差共同决定了 季节平均日照量和天日照量的特征.这一点必须考 虑,因为不同的日照量参数在时间变化上具有非常 不同的表现特征 [8] . 除了季风的全球视野外,汪品先 [2] 文章的亮点之 一是对久远地质历史时期季风的论述.第四纪前的 古气候记录,使气候系统中长尺度轨道周期的研究 成为可能,也可以考察北极、甚至两极无冰时期的季 风行为.尽管目前数据的局限性还不允许得出确定 的结论,但汪品先关于气候系统中的长偏心率信号 是否与长尺度季风周期有关的想法值得重视. 要全面理解热带驱动和高纬驱动的相互作用, 科学界还有很长的路要走.为了这个目标,我完全同 意汪品先关于对热带驱动在调节地球气候系统中的 重要性给予更多关注的观点.正是通过这种努力所 引发出的和谐与争鸣的结合,使我们不断前进.
