喜马拉雅山脉及青藏高原受印度季风影响致冰川萎缩

中国网/中国发展门户网讯 青藏高原是地球上海拔最高的地理单元，是除两极地区之外的地球“第三极”的主体。其极高的海拔使降落在地表的水分形成高山冰川，在寒冷的气候条件下发育成广袤的冻土，从而构成了地球中低纬度地区最大的冰冻圈。同时，青藏高原是亚洲湖泊分布最为密集的地区之一，冰川融水与密布的湖泊为河流发育提供了持续稳定的水源，围绕青藏高原发育的十多条国内外重要的河流，为东亚、南亚占世界 1/3 的人口提供了重要的生活与生产用水。青藏高原是西风与印度季风两大环流系统的交汇区，其变化不仅能够改变青藏高原地区的气候条件，也在更大的尺度上影响着东亚、南亚的气候变迁。在青藏高原独特的气候、水文及土壤发育背景下，形成了典型的生态系统，并呈现脆弱的生态平衡。因此，青藏高原是响应全球气候变化最为复杂、最为敏感的地区之一。

青藏高原对全球气候变化的响应，包括冰川消融、冻土融化、径流变化、生态环境改变、自然灾害的加剧等，受到了国际学术界的广泛关注。事实上，西风和印度季风是驱动这些现代气候环境变化的主控因素。西风和印度季风两大环流的变化影响青藏高原的热力和动力条件，进而影响其他圈层变化。因此，明确西风与印度季风相互作用及其环境效应是评估与预测未来气候变化对环境影响程度的核心问题，这一研究不仅在地球系统科学的理论研究中具有重要的意义，而且有利于第三极地区的社会经济发展以及服务更深层次的国家利益。

 印度季风与西风相互作用的 3 种模态

稳定同位素（δ¹⁸O 和 δD）被称为水的“指纹”，因此降水稳定同位素在印度季风和西风水汽输送和水循环过程中具有重要的指示意义。众多研究显示：西风和印度季风水汽传输与青藏高原降水 δ¹⁸O 的变化密切相关。我们以青藏高原 24 个站点长达 10 年的降水 δ¹⁸O 观测结果为基础，结合目前最先进的3个高分辨率稳定同位素大气环流模型（LMDZiso，REMOiso 和ECHAM5wiso）的模拟结果和现代气象台站观测数据，对青藏高原降水 δ¹⁸O 的时空变化格局进行了综合分析（图 1）。研究发现降水 δ¹⁸O 的时空分布模式与气温、降水量存在不同时间和空间尺度的相关性，因此将青藏高原降水 δ¹⁸O 分为 3 个不同模态，即印度季风模态、西风模态和过渡模态。

时间上，西风模态表现为降水氧稳定同位素与气温具有相同的季节变化模式，即夏季高值，冬季低值（图2a）。印度季风模态表现为降水氧稳定同位素在春季达到最高值，夏季达到最低值（图 2g），水汽来源在孟加拉湾和南印度洋之间的转变，导致了夏季出现降水 δ¹⁸O的显著减小。过渡模态由于地处西风和印度季风影响交汇区，降水氧稳定同位素没有明显的季节性极值，当区域受单一主导大气环流控制时，温度效应相对更显著。在考虑季节性的情况下，西风模态的气温垂直递减率大于季风模态。稳定同位素大气环流模型准确地反映了 3 种模态中降水 δ¹⁸O、降水量和温度的空间和季节变化（图 2）。这也证实了西风和印度季风对季节性降水 δ¹⁸O的影响，并明确了大气环流对青藏高原降水 δ¹⁸O 的影响机制。

空间上，在夏季（每年6月—9月），在青藏高原30°N 以南地区，500 hPa 高度盛行南风和西南风，并在30°N—35°N 逐渐减弱，而西风则在 35°N 以北盛行，由南向北降水量逐渐减少（图 3a）。印度季风将南部海洋（即阿拉伯海、孟加拉湾和南印度洋）的水汽向高原输送。在冬季（每年 12月—次年 2月），西风主导整个青藏高原的水汽传输（图 3b）。这些季节变化都可通过降水 δ¹⁸O 示踪。降水 δ¹⁸O 值在夏季明显向北递增（图 3c），冬天反之（图 3d）。这进一步证明了西风和印度季风之间相互作用对青藏高原降水 δ¹⁸O 空间分布的影响。

 西风和印度季风相互作用的历史记录

中低纬度西风和印度季风会在历史时期发生改变，这必然对青藏高原地表水热组合及其热力作用产生重大影响，然而目前的研究仍然未能很好描述这一变化过程。我们利用青藏高原西风/印度季风影响过渡区的纳木错湖区现代花粉，建立了对不同大气环流控制条件下的响应特征的判别指标，并利用该指标与其他要素结合，分析了纳木错距今 2.4 万年以来连续的湖泊记录，发现青藏高原中部的气候记录响应北大西洋高纬地区的环境变化，但在不同气候条件下的联系机制不同。该地区在距今 2.4 万年—1.65 万年前的冰盛期与冰消期主要受横跨欧亚大陆的西风控制，之后主要受印度季风的显著影响；全新世早期伴随着中低纬度太阳辐射的增强，出现青藏高原地区特有的优越水热条件（图 4）。末次冰消期以后（距今 1.65 万年前后），青藏高原地区由西风模态控制转为印度季风模态控制，这使青藏高原气候环境变化对全球变化的响应具有不同的机制。

西风与印度季风相互作用对现代冰川和湖泊的影响

现代印度季风和西风变化会导致它们各自控制区域的降水量发生改变，进而影响青藏高原冰川和湖泊变化。我们综合分析了青藏高原地区 7 个代表性区域内 7 090 条冰川过去 30 年的遥感面积变化，同时结合 82 条冰川的末端变化及 15 条典型冰川的物质平衡实地观测数据，从冰川面积变化、末端进退、冰量损失 3 个角度分析了青藏高原冰川变化的时空变化格局（图 5）。研究结果显示：受印度季风影响的喜马拉雅山脉及青藏高原东南部呈现最强烈冰川萎缩，其特点是冰川末端强烈退缩、冰川面积急剧缩小、冰川物质平衡呈强烈负平衡。冰川萎缩程度从喜马拉雅山向西风季风相互作用过渡的高原内部递减，在西风控制的帕米尔高原萎缩程度最小，其特点是冰川长度退缩较少、冰川面积减少幅度较小、冰川物质呈微弱正平衡。从时间尺度来看，青藏高原冰川呈现 20 世纪 90 年代以来加速亏损的趋势（图 5d 和 e）。青藏高原监测时间最长和最连续的小冬克玛底冰川1989—2010 年平均物质平衡为 _0.24 米/年，2000—2010 年平均物质亏损量为 1989—1999 年平均值的 3 倍。

青藏高原另外一个突出的特点是其上广泛分布着数量众多、面积广阔的内陆湖。这些内陆湖泊的水量平衡涉及复杂的水文过程；这些湖泊过去几十年的动态可以较好地反映全球变暖条件下的水循环变化。结合卫星图像和实地调查，我们证实 1976—1999 年青藏高原内陆封闭湖泊变化多样，但 1999—2010 年这些湖泊的面积和深度均明显增大。如图 6 所示，我们选取的 99 个青藏高原湖泊总面积在 1976—1990 年略微减少了 2.3%，1990—1999 年增加了5.7%；1999 年以来，湖泊则呈现总体扩张，总面积增幅达到 18.2%。1999—2010 年湖面面积平均增长率是 1990—1999 年期间的 3 倍。空间上，青藏高原内陆湖泊和喜马拉雅山地区湖泊呈现近期南北反相变化状态：印度季风影响下的高原南部雅鲁藏布江流域湖泊面积普遍缩减，而西风控制区的北部羌塘高原湖泊普遍强烈扩张（图 6）。

      西风与印度季风之间相互作用对现代生态系统的影响

物候变化是生态系统对气候变化响应的最敏感的指示器。国内外大量研究表明，全球变暖，尤其是春季气温升高，会令温带与寒带返青始期显著提前。在青藏高原，植被返青变化会影响牧草产量，从而影响畜牧生产。目前青藏高原的物候变化信息主要从遥感技术获取的植被指数中提取。近十余年，青藏高原春季温度出现大范围上升，但是，该区域广泛存在春季雪、冰等不利因素，极易影响该植被指数的数据质量。因此，学界对于青藏高原植被返青始期有没有提前存在争议。

我们收集了 4 套遥感数据，严格地校正了雪、冰、云等不利因素对数据的影响，利用目前国际上常用的 5种方法，从遥感数据中提取出返青始期，结合气象观测资料，系统分析了青藏高原近十年返青始期变化。结果表明，2000—2011 年青藏高原春季温度上升达 0.10 摄氏度/年，但是在区域尺度上植被返青始期并没有显著变化趋势（图 7）。进一步研究表明，出现这种现象是因为青藏高原西南部返青始期推迟，而东北部的返青始期提前，二者相互抵消了影响（图 8）。返青始期的空间差异与降水变化一致，表明降水在调控青藏高原春季物候中发挥着重要作用。整体上，近年来青藏高原西南部春季降水量下降，而东北部降水量上升。

除了青藏高原植被物候对温度变化响应不显著，进一步分析北半球温度与植被生长的关系还发现，1982—2011 年北半球植被生产力与温度的相关关系显著地降低，表现为 20 世纪 80 年代和 90 年代中期气候变暖显著促进北半球植被生产力，但最近 15 年其关系并不显著（图 9）。模型模拟结果表明，气候变化是导致植被生产力与温度关系下降的主要原因，而大气 CO₂ 浓度上升等因素的贡献相对较少。然而，在地球“第三极”的青藏高原地区，过去30年来，植被生长对温度变化的响应并没有显现出明显的动态变化规律，与北半球高纬地区植被并不一致。我们基于青藏高原实地观测资料、卫星测量的植被绿度数据以及网格蒸散量，结合区域气候模式展开研究，发现与北极地区相反，青藏高原的植被活动增强，对生长季白天变暖有削弱作用（图 10）。出现这样的负反馈，主要是由于植被绿度增加，导致具有降温作用的植被蒸腾增强。这些研究为我们理解该青藏高原地表对气候的生物物理反馈提供了新视角。

结论

认识西风和印度季风两大环流对青藏高原水汽传输过程的影响，可以揭示这一地区冰川、湖泊、河流、生态系统等空间变化差异性的驱动机制。研究发现青藏高原降水稳定氧同位素的时空分布模式可以分为 3 个不同的模态，即西风模态、印度季风模态和过渡模态。这一降水模态对区域水体相态转换产生重要影响。在冰川变化方面，无论是冰川长度、冰川面积还是冰量变化均表明沿印度季风模态控制下的喜马拉雅山脉和高原东南部冰川退缩显著，过渡模态区青藏高原中部唐古拉山—羌塘高原退缩程度减弱，西风模态控制的高原西北部以及喀喇昆山地区变化较小甚至部分出现前进的现象。湖泊变化方面，在印度季风模态影响的高原南部湖泊面积和水量均在减小，而在西风模态控制的高原北部羌塘高原则明显增加。整个区域遥感反演和典型地区野外观测均发现，降水对植被返青期具有明显的控制作用，高原东北部春季温度上升和降水增加使返青期提前，而高原西南部降水减少导致返青期推后。

(作者：姚檀栋中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、中国科学院青藏高原研究所；朴世龙中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、中国科学院青藏高原研究所、北京大学城市与环境学院生态学系；沈妙根  中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、中国科学院青藏高原研究所；高晶  中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、中国科学院青藏高原研究所；杨威  中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、中国科学院青藏高原研究所；张国庆  中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、中国科学院青藏高原研究所；类延斌  中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、中国科学院青藏高原研究所；高杨  中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、中国科学院青藏高原研究所；朱立平  中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、中国科学院青藏高原研究所；徐柏青  中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、中国科学院青藏高原研究所；余武生  中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、中国科学院青藏高原研究所；李生海 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心。《中国科学院院刊》供稿）

相关文章