探秘地球上最高火炉对大气的加热作用

世界最高峰—珠穆朗玛峰以接近九千米的海拔高度兀立于地球之巅，它是地球上最接近太阳的地方。

中国科学院冰川冻土沙漠研究所寇有观等曾经在珠穆朗玛峰北坡海拔6300米处观测到了太阳直接辐射强度达到每平方厘米1.82卡。如果是在珠穆朗玛峰顶峰观测，我想，它所接收的太阳辐射应该是地球表明最大的地方。

那么，珠峰大火炉到底能够给大气多少热量呢？

根据我们在珠峰地区的观测资料，按照地面与空气交换热量的公式，计算结果表明，在珠峰地区大约5千平方千米的范围内，4～7月向大气输送的总热量可达1.5亿至2.0亿千瓦，接近我国长江三峡水电站每月的总发电量。

珠穆朗玛峰地区如此巨大的加热量对于大气和大气环流有什么影响呢？

             一、对下游的加热作用      

在野外寒夜中烧火取暖，有经验的人们往往喜欢位于篝火的下风方向。这是人们熟知的普通生活常识。

珠峰以其特有的高度，经常把它从太阳辐射吸收的热量再传播四方，温暖着人类赖以生存的空气。春夏秋三季，珠峰吸收太阳光热量，再将大量热量向四周传送，温暖四方。受益最大者是位于珠峰下风方向的空气；这与前面提到的位于篝火下风方向受热最大的道理是相同的。

根据这种思路，我想，如果选择珠穆朗玛峰上游和下游一定距离内的高空气象观测站，比较高空不同风向时的大气温度，会发现一些有趣的现象。

最后，选择位于珠峰东西两侧600千米处、相同纬度的两个高空气象观测站，分析它们1971～1975年4～7月的5年月平均资料，发现了一个有趣的现象（图1、2a、b）。

图1.珠峰东西两侧600千米处4～7月平均气温差随高度分布（单位：℃）

图2a珠峰西侧600千米处4～7月平均风随高度变化（单位：米/秒）

图2b珠峰东侧600千米处4～7月平均风随高度变化（单位：米/秒）

由图1、2可见，春季（4～5月），珠峰地区上空盛行强劲的西风，在位于其东侧600千米处，在海拔6～10千米高度内的平均空气温度要比位于其西侧600千米处、相同高度上的空气温度高出摄氏2～3摄氏度。

夏季（7月），珠峰地区上空转为盛行偏东风，情况完全变了。位于其西侧600千米处海拔6～10千米高度内的空气温度反比位于其东侧600千米处、相同高度的空气温度高出摄氏1度左右。

这就说明，在春夏季，凡是处于珠峰下风方向的空气温度都要比其上风方向、同高度的气温要高，尤其是春季，由于西风风速大，下游600千米处不同高度的气温更比上游各相同高度上的气温高。

后来，我们同样发现，在春、夏季节，青藏高原对于下游大气仍然有类似的加热作用，只不过加热作用比珠穆朗玛峰的小。

对南支西风急流中心高度的影响

问题的由来   1966～1968年，我和队友沈志宝、沈如金、吕位秀先后在珠穆朗玛峰北坡及其西南侧地区科学考察，发表了八篇论文。其中一篇由我主笔的论文“青藏高原对大气环流和天气系统影响的初步探讨”中，用1962～1966年五年平均的气象资料，发现了一个有意义的现象（图3、4）。

由图3可见，沿着东经85度的南北向剖面上，南支西风急流最大风速中心的高度在珠穆朗玛峰北侧60千米处的定日气象站上空最低，为海拔高度11千米，而在定日站南北两侧的西风急流最大风速中心高度要比定日站上空高出1.5千米许。

由图4还可以看出，沿着青藏高原南缘、喜马拉雅山脉北侧，南支西风急流最大风速中心的海拔高度仅仅为11.2～11.4千米，而在这一带的南北，即，青藏高原以南和唐古拉山南侧的西风急流最大风速中心的海拔高度都在12千米以上。

图3.沿东经85经度的南支西风急流中心平均海拔高度（千米）曲线

图4.青藏高原南缘及其南北两侧西风急流最大风速中心海拔高度分布（千米）

知识链：所谓南支西风急流也叫副热带西风急流，它是位于北纬20～30度西风风速最大的区域，一般在海拔高度9～12千米范围。叶笃正先生考虑到青藏高原对于副热带西风急流的分支左右，被分支到青藏高原南侧的副热带西风急流又叫南支西风急流。

上述这种现象是什么原因呢？

1972年9月的一天上午，由叶笃正老师主持，中国科学院大气物理所在三楼礼堂召开了“文化大革命”以来我所的第一次学术报告会，北京地区的高等院校和军队气象系统都来人参加，可以容纳500人的大礼堂挤得满满的。我被安排第一个报告，题目是“青藏高原对大气环流和天气系统影响的初步探讨”，其中，给出了前面的两个图，提出青藏高原会影响南支西风急流中心高度，但不知道是什么原因。

当天下午，叶笃正老师让我去他的306办公室，讨论这种现象形成的原因。陶诗言老师和叶老师同一个办公室，一起参加了讨论。

讨论进行了一个多小时。叶笃正老师先后提出了三种情况来讨论，并在我的笔记本上留下了一幅讨论图（图5）。

图5.叶笃正老师提出南支西风急流中心高度在珠穆朗玛峰北侧降低的可能原因（图中的台地表示青藏高原，图左下脚是我的手迹）

在讨论的前一段时间，我没有明白老师的意思，只是认真听取叶、陶两位老师的讨论。叶老师在我的笔记本上绘了三幅图，反复说明，北面（青藏高原）冷，南面（青藏高原南侧）热，两者之间的温度梯度大，从而产生热成风；当这种南北向的温度梯度越大时，热成风随高度的变化也越大……

我慢慢有些明白了。我也大胆地在叶老师画图的左下角写了“”, 并认真地问：“很可能是南北向的大的温度梯度引起的热成风随高度变化吗？”

两位老师都认为“很有可能”。

设计观测方案   1975年春，经主持国务院工作的邓小平副总理批准，国家体育运动委员会与中国科学院联合组织珠穆朗玛峰登山科学考察，我作为大气物理组组长和国家登山队气象组副组长同时参加了珠穆朗玛峰北坡的气象科学考察和攀登珠穆朗玛峰的气象预报工作。

根据攀登珠穆朗玛峰气象预报的实际需要，利用工作的方便，我向中国登山队政委王富洲同志提出，“为了保障登山气象预报，建议在攀登顶峰的期间加密无线电探空的观测次数”。

一贯支持科学考察研究的王政委欣然同意了。

我是登山队气象组副组长，主要负责高空风预报。因此，每天的高空风观测次数就由我来确定了。

我与登山队气象组的队友们密切合作，在4月25日～5月27日期间，每天释放无线电探空气球6～8次，获取了珠穆朗玛峰北坡有史以来最有意义的高空气象观测资料。

观测中的风风雨雨  当然，观测的艰辛也令人难忘。

1975年春，在珠穆朗玛峰北坡绒布寺（大本营），30多顶班帐篷整整齐齐地排列在大本营的东西两侧，我们称为“珠穆朗玛峰大街”。在大街的最南端，高高耸立着一根10米高的旗杆，每天早晨和傍晚都有升降国旗的仪式。登山队员必须做早操（照片1）。在晴空万里的时候，鲜艳的五星红旗飘扬在珠穆朗玛峰大街的最南端，显得雄伟壮丽（照片2）。

照片1.清晨，登山队员在“珠穆朗玛峰大街”做早操

照片2.鲜艳的五星红旗飘扬在珠穆朗玛峰北坡大本营

当时，中国登山队气象组负责高空气象观测的有陈顺才、李余粮、汪文清、陈建军（后来调到登山队登山去了）四人（照片3）。由于每天观测6～8次，工作量太大，我不得不兼任了测风观察员（照片4）。

照片3.登山队气象组的队友们：李余粮（图后排中）、陈顺才（图二排左一）、

汪文清（前排右一）和高登义（二排右一）

照片4.高登义在珠峰大本营测风观测

有时，我们同时释放无线电探空气球和测风小气球，以观测珠穆朗玛峰北坡的大气垂直运动（照片5）。

照片5.有时，我们同时释放无线电探空气球和测风小气球，观测大气垂直运动

我们的这种观测工作强度，至少在我国是绝无仅有的。在当时，全国高空气象观测最多的是北京气象站，每天四次无线电探空观测，观测员8人，两班轮流。我们一天观测6～8次，却只有四个观测员（加上我）。

气象组带了三个制氢气缸，每个氢气缸制的氢气一般能够充满一个无线电探空气球。有时，释放气球失败，必须立刻重放，往往不得不使用刚刚制好的氢气。此时，氢气缸内气温很高，充气时要特别小心。

5月的一天夜里，登山队员今天要向8600米营地攀登，王富洲政委来到气象组，显然事关重要。

此时，地面风速达到7～8级，在我们冲气球时，一不小心就被突然一阵大风把气球吹跑了。

我们不得不重新给气球冲气。大风仍然和我们捣乱，充气困难，大本营的登山队员们立刻赶来，手拉手围成大圆圈，保护气球。我与李余粮商量，他负责掌握氢气缸阀门，控制好放气速度；我躺在地上，紧握气球嘴，防止气球被大风吹跑。

一切顺利地进行中。

眼看气球就要充好了。

突然，气球嘴边冒起红火，我惊讶，不知该怎么办。放手，气球立刻飞去；不放手，气球燃烧爆炸，后果不堪设想。此时，很有经验的李余粮迅速关闭阀门，气球嘴的火立刻消失……

小李帮助我扎紧气球嘴，按观测规范顺利释放了探空气球。

这次探空气球观测完后，小李仔细看我的手和脸没有烧伤，深情地对我说：“老高，对不起，差一点……”

“要不是你机灵地迅速关闭阀门，我就惨了。我还得谢谢你呢！”我诚恳地说。

苦尽甜来  

登山气象组的队友们认真按照观测规范帮助我把这些高空气象观测资料整理好，所有观测资料的原件都交给了我带回北京。

经过认真分析发现，珠穆朗玛峰对于大气的强烈加热，使得珠峰北坡绒布寺大本营上空的气温比其北侧的定日站气温高得多，南北向的气温差达到3～6℃/每纬度（图6）。

这是非常大的南北向温度差距。一般说来，气温随纬度的变化平均为0.8℃/每纬度。

图6.沿东经85度△T/△Y剖面（单位：℃/每纬度）（1975年5月平均）

由图6可见，在沿东经85度的剖面上，在珠穆朗玛峰北侧的绒布寺与定日之间，在地面到海拔高度12000米之间，△T/△Y值到达3～6℃/每纬度，其中，在珠峰顶峰附近（海拔高度9～10千米）的南北向温度差异最大，约5～6℃/每纬度；其次，在离地1000～2000米，有次大中心，南北向温度差异为4～5℃/每纬度。

上述珠峰南北向气温差异分布与其东西风分量（u）的南北向差异相对应（图7）。

图7.沿东经85度△U/△Z剖面（单位：米/秒/100米）（1975年5月平均）

由图7可见，沿东经85度的剖面上，东西风分量（U）随高度的变化（△U/△Z）的最大值也对应出现在海拔9～10千米和离地20000米附近。

从图6、7可见，由于珠穆朗玛峰对于大气的强烈加热作用，使得珠峰北坡绒布寺上空的气温远远高于在北侧60千米处的定日站，形成超常的南北向温度差异，这就给热成风形成了非常有利的条件，因而，热成风风速随高度递增很快，它与本来的西风叠加，表现为南支西风急流出现最大风速的高度降低了（图8）。

    图8.沿东经85度东西风分量（U）剖面（1975年5月平均）

由图8，显然，珠穆朗玛峰北侧绒布寺上空西风急流中心的高度要比其北侧的拉萨和南侧的印度LUCKNOW站的西风急流中心高度都高出2千米左右。

上述基本上证明了叶陶二位老师的设想是正确的。

然而，对于形成南北向温度巨大差异的原因不是因为青藏高原冷、青藏高原南侧暖引起，而是珠穆朗玛峰在春夏季节对于大气的强烈加热而形成的。