energy cycle攻略 waterworld攻略
编者按：从寒冷到夏天，气候变化，中国科学院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设大气理解，介绍大气中的有趣故事，介绍一些与天气、气候和环境相关的知识。
青藏高原被称为亚洲水塔，是除南北极外地球上冰川储量最丰富的地方，因此被生动地称为地球第三极。降水是青藏高原冰川生长的原料，滋养了青藏高原上的湖泊和河流，孕育了长江、黄河、澜沧江等亚洲文明的母亲河。
我们常说的云雨包含降水的形成机制：即水蒸气被大气运动提升到凝结高度，液化成云滴，然后通过接触进一步增长，直到空气浮力无法抵抗云滴本身的重力，云滴降落形成雨、雪、冰雹、冷冻雨等各种形式的降水。因此，降水的第一个因素是将水蒸气送到青藏高原。
但青藏高原平均海拔3000~4000米，南部喜马拉雅山海拔8000米以上，如天然屏障将青藏高原与外界隔离，形成青藏高原降水水蒸气，如何突破许多障碍，爬上世界屋脊？
第一步:首先要有一滴水
巧妇难为无米之炊，要解决给青藏高原送水的问题，首先要找到青藏高原水蒸气的故乡。
虽然青藏高原在地理上与世隔绝，但与地球上其他陆地区域一样，高原本身表面的蒸发水蒸气远远不足以支撑其气候降水，青藏高原降水的水源也可以追溯到广阔的海洋。
以夏季为例，青藏高原局部蒸发水蒸气只能支撑约23%的降水，更多的水蒸气来自青藏高原以外的远道而来。具体来说，青藏高原的水蒸气来源主要是位于青藏高原西南侧的温暖印度洋，西方遥远的大西洋和欧亚大陆也有一定的贡献。
第二步:漂洋过海来看你
找到水蒸气源后，接下来要考虑的问题是如何将远海蒸发的水蒸气运输到青藏高原。别担心，空中列车已经准备好出发了，等待水蒸气上车！
大气运动不是杂乱无章的，而是在太阳辐射、海陆分布、气压梯度等约束下有组织的运动，我们称之为大气循环。夏季气候下，青藏高原上空的大气循环系统主要包括南亚夏季风、东亚夏季风和西北西风急流。
夏季青藏高原主导环流(修订参考文献2)
细心的朋友们已经找到了重点。遥远印度洋和大西洋的水蒸气从海上蒸发后，正是南亚夏风和西风的搭便车一路漂洋过海，最终来到青藏高原。
另一方面，青藏高原也在默默努力招兵买马——青藏高原高耸的地表使其成为大气中的热源，通过加热上部大气帮助南亚夏风和东亚夏风，在对流层低层形成围绕青藏高原的旋转(逆时针)环流，进一步推动低纬度暖湿空气涌入青藏高原。
第三步:乘风起，扶摇9万里
大气温度决定了大气的持水能力。由于对流层温度随高度下降，大气中的大部分水蒸气集中在5000米以下的低对流层。那么，如何通过季风环流将水蒸气带到喜马拉雅山脚下，翻越8000米高的山脉呢？
科学家们发现，低层水蒸气可以通过两种机制进入青藏高原的主体：水塔和提升-翻越。
众所周知，青藏高原南麓喜马拉雅山地形复杂，地形引发的对流降水旺盛。青藏高原的主体和南坡的潜热释放的共同作用下，青藏高原的主体和南坡是低层辐射和高层辐射的热源中心。
科学家认为，在两级‘水塔’机制下，对流层低层水蒸气在高原南坡热源的作用下首先辐上升，然后由高原主热源接力，继续将水蒸气送至更高的对流层高层，最终在青藏高原上形成云和降水。而在“抬升-翻越”机制下，低层水汽先在高原西南坡形成对流云（抬升），再在背景气流的引导下被“吹进”青藏高原（翻越）。
两级水塔机制示意图(参考文献3)
机制示意图(引自参考文献4，修改自参考文献5)
厄尔尼诺:虽然搅局高手迟到了
现在我们知道在气候条件下，来自遥远海洋的水蒸气是如何到达青藏高原并形成降水的。然而，在具体年份，青藏高原夏季降水量和降水对外部水蒸气输送的依赖也受到另一个大魔鬼的影响——是的，厄尔尼诺终于要出现了，尽管他迟到了！
近日，中国科学院大气物理研究所研究员周天军发现，在厄尔尼诺逐渐发展的夏季，南亚夏季风减弱，青藏高原西南出现异常西风，使青藏高原西南空气干燥，抑制对流降水的发生。因此，在厄尔尼诺发展的夏季，青藏高原西南部的降水量减少了。
厄尔尼诺年夏青藏高原西南部降水减少示意图(参考文献6)
此外，厄尔尼诺还影响了青藏高原夏季降水中外水蒸气输送和局部蒸发水蒸气的相对贡献。我们称蒸发水蒸气的贡献比为降水回收率。研究发现，在厄尔尼诺逐渐衰落的夏季，北印度洋至西北太平洋对流层低压反气旋异常范围较大，抑制了印度半岛中北部的降水，但与此同时，北部反气旋异常西风加强了向青藏高原输送的热带水蒸气，青藏高原东南部降水增加。在增多的外部水汽输送和减少的局地蒸发的共同作用下，青藏高原夏季降水再循环率减小。
青藏高原夏季大气水循环示意图。黑色数字表示气候和年际变化，红色(蓝色)表示厄尔尼诺(拉尼娜)事件发生在前冬。(参考文献7)
结语：
在全球变暖的背景下，青藏高原上的冰川正在经历不可逆转的变化。青藏高原生态系统脆弱，对气候变化反应敏感，水循环的变化将对下游生态系统产生深远影响。一滴水的幻想漂流结束了，我们对亚洲水塔的探索还没有结束。
参考文献：
1. Zhang C, Tang Q, Chen D. Recent Changes in the Moisture Source of Precipitation over the Tibetan Plateau[J]. Journal of Climate, 2017, 30(5): 1807-1819.
2. Yang K, Wu H, Qin J, et al. Recent climate changes over the Tibetan Plateau and their impacts on energy and water cycle: A review[J]. Global and Planetary Change, 2014, 112: 79-91.
3. Xu X, Zhao TL, Lu C, et al. An important mechanism sustaining the atmospheric "water tower" over the Tibetan Plateau[J]. Atmospheric Chemistry and Physics: 2014, 14(20): 11287-11295.
4. 周天军、高晶、赵寅等. 影响亚洲水塔水蒸气输送过程的[J]. 2019年34(11)中国科学院院刊:1210-1218.
5. Dong WH, Lin YL, Wright JS, et al. Summer rainfall over the southwestern Tibetan Plateau controlled by deep convection over the Indian subcontinent[J]. Nature Communications: 2016, 7(1): 10925
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
来源：中国科学院大气物理研究所