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《与山知己》12:天山山脉在大气与自然环境中的五点重要作用为新疆地域的可持续发展提供了科学依据

已有 3388 次阅读 2019-1-15 16:58 |个人分类:心得交流|系统分类:图片百科

.初识天山山脉在大气与环境中的作用

  虽然我们在天山托木尔峰地区考察的时间较短,只有四个多月,但由于重视南天山山脉、中天山山脉和北天山山脉的作用对比观测研究,参考在喜马拉雅山脉观测研究的结果,比较合理地设计观测方案,发现了天山山脉在大气和自然环境中的五点重要作用,对于新疆地区的可持续发展提供了有效的科学依据。

1.阻挡冷空气的南下

天山山脉横亘于我国新疆中部,它包括北天山、中天山和南天山三部分,其

中,北天山山脉最低,平均海拔高度大约为3000米,南天山山脉海拔高度最高,大约为5000米。根据我们的观测研究,天山山脉所处地理位置正是冷空气活动频繁的地方,因而对冷空气活动的影响更为显著。

在北天山山脉南北两侧,在南北纬度相差仅仅0.1纬度的乌鲁木齐和伊宁两站,由于北天山山脉对于冷空气的阻挡作用,两站的气温差异很大。在海拔高度5500米以下,位于北天山山脉南侧的伊宁站,它的平均气温都比山脉北侧的乌鲁木齐站高,而且,越往低层两站的气温差异越大。就年平均情况来说,在海拔高度5500米以下,南北两站的气温相差可以达到摄氏0.1度到1度半;就冷空气活动频繁的10月到次年3月的平均情况而言,两站气温差异更大:在海拔高度5500米以下可以达到摄氏0.5度到5度(图15)。

在南天山山脉南北两侧,纬度相同、海拔高度相近的野马街站和库车站,两

站的气温差异更大。就年平均情况而言,在海拔高度5500米以下,南北两站的气温相差达到摄氏1度到5度;比北天山山脉南北气温的差异大约要大3~10倍。就10~3月的平均状况而言,在海拔高度5500米以下,南北两站的气温差异可以达到摄氏2~6度,比北天山山脉南北气温的差异大约要大2~4倍(图16)。

由上可以看出如下两点:1.随着海拔高度增加,天山山脉南北两侧的气温差

异也增大,即,在南天山山脉南北两侧的气温差异比北天山山脉南北两侧的气温差异大;2.在冷空气活动频繁的10~3月,无论是北天山山脉或南天山山脉,其南北两侧气温的差异都比它们的年平均气温的差异要大。

一般说来,在北半球中高纬度,如果纬度升高1度,地面的年平均气温应该降低摄氏0.8度左右。然而,在天山山脉南北两侧,地面气温的差异却远远超过了上述的平均情况,达到了每升高1纬度就降低摄氏5度到10度。这是为什么呢?

我们研究发现,在天山山脉北侧,冷空气活动次数远远比山脉南侧多。例如,在10月至来年3月,在南天山山脉北侧的伊犁,强冷空气活动(24小时降温达到5度以上)达到30次,而在南天山山脉南侧的库车,如此强的冷空气活动却只有7次。又如,1978年8月1日至15日,我们在南天山山脉北侧的夏特和和南侧的塔格拉克同时进行高空气象观测,两站在南北方向仅仅相差不到1个纬度。在此期间,我们观测到了一次强冷空气活动:1978年8月10~11日,在夏特站,在地面至海拔高度4000米之间,24小时降温达到了摄氏6~7度,但在山脉南侧的塔格拉克站,在地面至海拔高度4000米之间,24小时降温却只有摄氏0~2度(图17)。

15.乌鲁木齐和伊宁气温差随高度变化

 

16.新疆野马街和库车的气温差随高度变化

 

17.沿东经81度24小时变温剖面图(1978年8月10~11日)

 

综合上面的结果,我们可以看到:由于天山山脉对于冷空气的阻挡作用,使得天山山脉南侧的气温比纬度相同、高度相近但在天山山脉北侧的气温高。冬季,当冷空气在天山山脉北侧活动频繁时,山脉对冷空气的阻挡作用也最显著。

2.改变西风急流高度

所谓西风急流是指西风风速最大的区域。在七至八月,这种西风急流正好位于天山山脉上空,它的中心风速平均可以达到3638米/秒,比台风的中心风速还要大。

1978年8月1日至15日,我们选择在南天山山脉南北两侧的塔格拉克(北纬41度42分,东经80度25分)和夏特(北纬42度39分,东经80度35分)两地同时进行高空气象观测,每天于08和20时(北京时)施放无线电探空气球,目的是要观测研究天山山脉对西风急流的影响。

根据我们的观测研究结果,很显然,在南天山山脉北麓的夏特站上空,西风急流中心高度(海拔12千米最低,中心风速(32.9米/秒)最大,比其北侧的伊宁站上空的西风急流中心高度(海拔13千米)低1千米,同时,也比南天山山脉南侧的塔格拉克站上空的西风急流中心高度(海拔13千米)低1千米(图15)。

为什么会有这种现象产生呢?

根据我们的研究,原来,这是因为南天山山脉对于冷空气的阻挡作用而使南天山山脉北侧的气温降低,增大了南天山山脉南北两侧之间在南北方向上的温度差异,使得这种南北向的温度差异远远大于平均的情况。

根据我们1978年8月1日~15日在南天山山脉南北两侧同时观测的高空气象资料表明,在沿着东经81度的剖面上,南北方向上的温度差异和西风风速差异随高度变化很有特点,即,在西风急流中心高度以下、海拔高度7~10千米范围内,在塔格拉克和夏特站之间,由南向北的温度变化最大,每升高一个纬度的温度降低摄氏2度到3度左右;与之相应,在夏特站上空,在海拔高度1011千米处,南北向的西风风速差异随高度变化的值出现最大中心,即西风风速随高度递增值最大(图18)。

 

18.南天山山脉南北西风急流高度分布图

 

这种南高北低的南北向气温差异会形成一种随高度而增加的西风,在气象学上叫“热成风”,意思是由于热力而形成的风。根据热成风随高度分布的原理,若南北向气温差异大,则产生的热成风-西风风速随高度递增快。这种在南北方向上特别大的温度差异会使得西风风速随高度增加也远远大于平均的情况,从而表现为西风急流的最大风速出现的高度降低。本来达到西风风速最大值的高度应该在海拔13千米,而在南天山山脉上空却于海拔12千米高度达到了西风风速的最大值。

比较珠峰对于副热带西方急流中心高度的影响,两者结果相同,但形成原因各异。珠峰的作用是由于强烈的加热作用增大了珠峰北侧的南北向气温差异,而天山山脉是由于对天山北侧冷空气的阻挡作用增大了天山山脉南北的气温差异。

3.天然气体固体水库

根据我们在天山山脉地区的高空气象观测,我们发现,在夏季的早晨,在南天山山脉南北的大气中的水汽含量空间分布图上,在海拔高度5千米附近,即,在接近南天山山脉平均高度(海拔高度6千米)之下,山脉南麓山谷中的水汽含量达到最大值,比它的南北两侧大15~25%。午后,在南天山山脉南麓山谷中,位于南天山山脊平均高度附近的水汽含量更高,范围更大(图19)。这就表明,在夏季,日出之后,山谷中的水汽蒸发旺盛,大量的蒸发水汽汇聚在山谷及山谷上空,为降水提供了极好的条件,一当山区上空出现中小尺度系统和转子系统时,往往容易发生降水。

 

19.南天山山脉南北大气相对湿度经向垂直剖面图

 

这种在天山山脉山谷上空常常出现水汽含量最大值的现象,我把它叫做天山山脉的“气体水库”。

根据水文学家康尔泗等的研究,在天山山脉托木尔峰地区的河水流量中,冰雪融水对于河水流量的补给占了相当大的比重,大约在55~75%之间。这就是说,在天山托木尔峰地区,各条河流的流水量都主要来自于冰雪的融水。另外,在天山托木尔峰地区,冰雪融水注入河流的水流量和河水的总的水流量逐年变化不大。这种河水流量的逐年变化特征对于沿河流域的农牧业非常有利。

为什么会产生这种现象呢?究其原因,主要是由于在这个山区大规模、大面积的冰川与气温、降水之间相互调节的缘故。

观测研究表明,在天山托木尔峰地区,河水流量的变化与气温和降水量的关系是这样的:气温高而降水量小时河水流量大,气温低而降水量大时河水流量小。这是因为,在天山托木尔峰地区,海拔高度较高,降水大部分以固态形似出现。在气温高而降水量小的年代,夏季的河水流量似乎应该减小;然而,在高温条件下,大规模、大面积的冰川会以冰雪的大量消融水来弥补降水的不足,河水流量并没有多大的减小。在阴雨连绵、降水量多、气温低的年代,由于气温低,大面积的冰川则以很小的冰雪消融水量来减小河水中的冰雪融水流量。

由于冰川的上述调节作用,调节了河水的流量,使得它们能够在降水量变化较大的前提下保持河水流量变化不大。上述这种由于冰雪对于河水流量的调节作用,我把它叫做天山山脉的“固体水库”作用。

综合上面的结果,可以看出,在天山托木尔峰山区,由于山谷对于水汽的汇聚作用,以及山区中冰川作为固体水库对于河水径流的调节作用,使得天山山脉成为天山南北农牧业灌溉取之不尽的“水库”。根据统计,在天山托木尔峰及其邻近山区,其南北两侧的5条大河的年总径流量约达186亿立方米,比四川都江堰的年总径流量(69亿立方米)大得多,然而,这5条大河的灌溉面积却远远比都江堰的灌溉面积小得多。

若能充分合理地利用这种水库资源,必然会给新疆农牧业和国民经济的发展带来更大的好处。

1978年底,中国科学院天山托木尔峰科学考察队曾经专门给新疆自治区党委书记汪锋和政府有关部门汇报了上述科学结论,希望引起新疆自治区政府的重视。记得那时在汇报结束前,我曾经以李冰父子建立四川都江堰的丰功伟绩激励新疆自治区领导说,“如果我们自治区政府能够以李冰父子为榜样,科学利用天山山脉南北的水资源,那么,在若干年之后,你们也会像李冰父子那样名垂千古!”

在这里,我仍然呼吁:新疆自治区领导应该尽快科学利用天山山脉南北的水资源,为新疆人民造福。

4.屏障降水北高南低

位于北天山山脉北侧的塔城,年降水量约为山脉南侧阿拉山口年降水量的3倍;位于南天山山脉北侧的昭苏,年降水量几乎为其南侧拜城年降水量的6倍;后者的南北降水差异远比前者的降水差异大。上述表面,在天山山脉地区,随着海拔高度增加,山脉对水汽的屏障作用也更明显。

北天山山脉与南天山山脉对降水的屏障作用随季节有明显的变化。在10月至次年3月,位于北天山山脉北侧的塔城站,其降水总量为位于山脉南侧的阿拉山口站的6倍多;而位于南天山山脉北侧的昭苏站,其降水总量为位于南侧的拜城站的3倍。在4月至9月的情况相反,位于南天山山脉北侧的昭苏站和南侧的拜城站,其降水总量的比值为6.65,而位于北天山山脉北侧的塔城站和南侧的阿拉山口站,其降水总量的比值仅为2.06。显然,在10月至次年3月,北天山山脉对降水的屏障作用远比南天山山脉对降水的屏障作用强;而在4~9月则相反,南天山山脉对降水的屏障作用远比北天山山脉对降水的屏障作用强。

这是由于,在天山山脉地区,4月至9月降水的水汽来源主要通过中高纬度的西风带输送带来大西洋的暖湿水汽,这种暖湿气流易于爬坡,在越过海拔较低的北天山山脉后,仍然有大量的暖湿水汽达到南天山山脉的北侧,因而在南天山山脉北侧的降水比北天山山脉北侧的降水量更大。由于南天山山脉的海拔高度远比北天山山脉高,受山脉屏障作用,南天山山脉南侧的降水量远比北天山山脉南侧的小。与上不同,10月至次年3月降水的水汽来源主要是北冰洋的寒冷空气,这种寒冷空气难以爬坡,降水主要发生在北天山山脉的北侧,只有少量的冷而湿的空气翻越北天山山脉,达到南天山山脉的北侧,因而南天山山脉北侧的降水量远比北天山山脉北侧的小。上述原因形成了10月至次年3月北天山山脉对降水的屏障作用强,而4~9月南天山山脉对降水的屏障作用更强。

5.天山南北环境不同

天山山脉对于气温和降水具有如此明显的屏障作用,势必对于气候和环境带来重大的影响;同时,南天山山脉和北天山山脉对于气温和降水的屏障作用有一定的差异,因而也会反映出山脉南北气候和环境不同。

彭补拙等曾经研究过北天山山脉和南天山山脉南北的气候和环境带。他们认为,南天山山脉南北的气候环境差异可以托木尔峰地区为代表,而北天山山脉南北的气候环境差异则可以博格多山地区为代表。

位于南天山山脉西段的托木尔峰,是天山山脉地区的最高峰,其南坡和北坡的垂直气候带和自然带差异很大。就垂直自然带分布而言,托木尔峰南坡属于温带大陆性半干旱型,北坡属于温带大陆性半湿润型。托木尔峰南坡和北坡垂直自然带差异颇大:除了在高海拔地区(海拔高度2900~3100米以上)的南坡和北坡都具有高山冰雪带、高山寒冻垫状植被地衣·原始土带和高山寒冷草甸·草甸土带外,在中低海拔地区,南北坡的垂直自然带不同。北坡在海拔高度2100~2900米有山地寒温带针叶林·灰褐色森林土带,而在南坡相应高度范围却没有山地寒温带针叶林林带,只有山地温带干草原和寒温带干草原带;北坡在低海拔地区(海拔高度1100~1900米)有发育完好的山地温带草原和山地温带干草原垂直自然带,而在相应海拔高度(<1900米)的南坡只有温带荒漠·棕漠土带。

位于北天山山脉中段的博格多山,山地为东西走向,其平均海拔高度在2600~3100米之间,主峰高度只有5445米。其南坡和北坡的垂直自然带分布的类型大体相似:垂直自然带分布的7个带相同,都是由低海拔的温带荒漠带及山地温带荒漠草原带、寒温带干草原带、亚高山寒温带草原带,随高度增加而最后演变为高山冰雪带。

分析比较天山山脉南坡和北坡气候和自然带差异,我们可以看到两个特点。

第一,在天山山脉的南坡,无论是南天山山脉还是北天山山脉,都没有山地寒温带针叶林带·灰褐色森林土带,其垂直自然带分布的性质都属于大陆性半干旱型。这说明,无论是在北天山山脉的南坡,还是在南天山山脉的南坡,由于山脉对来自大西洋的暖湿气流或北冰洋的冷湿气流的屏障作用,都使得山脉背风坡干旱少雨,从而形成大陆性半干旱型的垂直自然带分布。

第二,在天山山脉的北坡,对于北天山山脉和南天山山脉而言,由于前者的降水比后者的降水少(前者约为后者的0.55倍),气候相对比较干燥,因而在北天山山脉的北坡,对湿润度有一定要求的亚高山寒带草甸·草甸土带、山地寒温带草甸·黑钙土带和山地温带草原·黑钙土带不存在。

上述情况进一步说明,对于大气的屏障作用而言,南天山山脉比北天山山脉更强。

6.天山山脉美丽风光

在天山山脉托木尔峰地区科学考察,除了完成科学研究任务外,欣赏自然美丽风光也是科学考察的一种享受。

 

照片174.在夏塔气象观测站北侧的砧状积雨云

 

照片175.过了三分钟,砧状积雨云被高空大风吹得拉长了

 

照片176.托木尔峰地区的波状云

 

照片177.托木尔峰冰川中的冰蘑菇(陈彤提供)

 

照片178.托木尔峰的雪莲花更美(陈彤提供)

 

 




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