西风带研究的重要意义
屈文军，张小曳，王丹，沈振兴，梅凡民，程燕，严立文
(中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安710075)
摘要：西风带作为北大西洋气候区和东亚季风气候区之间的联系纽带，对东亚季风气候和西风带气候具有重要影响，西风带在一定意义上控制着东亚季风的北界。西风环流与青藏高原相互作用，对亚洲季风区气候乃至全球气候都有极其深刻的影响。西风环流在冰期-间冰期旋回中的位置、强度的剧烈变化对东亚季风气候和全球气候影响显著，对季风降水、西风带降水时空分布及亚洲粉尘活动和黄土形成、堆积等都有非常重要的意义。
关键词：西风环流；东亚季风；亚洲粉尘
中图分类号:P932文献标识码:A文章编号:0256-1492(2004)01-0125-08
中国地处全球大气环流若干重要分支的相互作用区，气候主要受热带)亚热带太平洋夏季风(东南季风)、穿越赤道的印度洋季风(西南季风)、来自西伯利亚的冬季风和西风带及其相互作用的控制[1]。
目前对于东亚季风、西南季风的研究程度已经很高，同时对于越赤道索马里急流对西南季风的作用及其
引起的降水的时空变化也已经有很详细的研究。安芷生、Kutzbach等[2]的研究表明，随着青藏高原的阶段性隆升和北半球冰盖的扩张，东亚季风不断增强并且变率增加。中国第四纪以来黄土沉积气候记录的研究表明，在116M aBP前后和018~ 016MaBP东亚季风气候发生了两次气候转型事件[3)5]。但是，在这个漫长的地质演化过程中，伴随着青藏高原的隆升和北半球冰盖的历史演变，西风带大气环流是如何变化的，西风环流与亚洲季风区气候是怎样相互作用的，关于这些问题目前的研究还比较欠缺。同时，西风带年际变化及更长尺度变化对中国的气候尤其是降水有何影响，新疆和亚洲内陆西风区气候变化的水-热组合特点如何，这些重要问题，应当引起相关学科研究者的足够重视。
1西风带是北大西洋气候区和东亚季风气候区的联系纽带
西风带处于极地和北大西洋地区与东亚季风区之间。根据黄土高原的黄土及青藏高原的冰心和湖
基金项目：国家重点基础发展研究规划项目(G2000048703)；中国科学院重大方向项目(KZCX2-305)
作者简介：屈文军(1973))，男，博士研究生，从事第四纪地质学和大气环境研究,E-mail:quw j@mai l.ieecas.ac
收稿日期:2003-04-20；改回日期:2003-11-19.文凤英编辑泊沉积等的研究，东亚季风区末次冰期的气候与北大西洋地区一样具有多变性和不稳定性,H einrich 事件和D-O旋回在东亚季风区也有反映[6)10]。
北大西洋气候区和东亚季风区气候变化的相似性，证明东亚季风气候的变化强烈地受北半球高纬地区(即北大西洋气候区)气候变化的影响。
众所周知，亚洲冬季风起源于西伯利亚(冷)高压。根据全球环流模式(GCM模型)的模拟结果，青藏高原的隆升决定了西伯利亚高压的形成[11)12]，而北半球高纬度冰盖的形成和扩张则更加强了西伯利亚的高压[13]。受北半球冰量和冷高压控制的北半球高纬地区气候变化可能以西风带为纽带对东亚季风气候产生深远的影响。Porter、安芷生等曾用气候的遥相关来解释北大西洋与东亚季风气候记录的相似性，认为东亚季风气候通过西风带以及西伯利亚高压等相关气压系统与极地、北大西洋气候系统遥相关[7]。
西风带作为北大西洋气候区和东亚季风区的纽带，对其沉积记录、演变历史的研究可反映北大西洋地区与东亚季风区气候变化的关系和气候相互作用的机制，这对全球气候变化机制研究有特殊意义。
2西风带研究对冰期-间冰期旋回气候变化研究具有重要意义
高空西风急流是北半球中纬度地区大气环流的一个重要特征，它标志着冷暖气团交汇的边界同时控制着移动性风暴系统的路径[14]。西风急流在冰期和间冰期的强度和位置有很大变化，对于东亚季风区的气温和降水以至于对北半球及全球气候变化都有重大影响[15)16]。
根据对末次冰期极盛期(LGM)的研究[14]，全
2004年2月海洋地质与第四纪地质V ol.24,N o.1第24卷第1期MARINE GEOLOGY&QUATERNARY GEOLOGY Feb.,2004
球性降温和冰盖扩张是冰期气候的重要特征，而冰期降温的特点为北半球降温大于南半球，高纬降温大于低纬。随着冰盖的扩张，欧亚大陆上南北向温度梯度增大，导致高空西风急流和地面西风风暴带在冬季和夏季均得到加强，并向赤道方向迁移[14]。
气候模型研究显示，第四纪由于太阳辐射和冰量的变化，西风带的位置和强度都发生过深刻变化[15]。于革和王苏民对欧亚大陆159个湖泊地质记录的研究提出，盛冰期西风带南迁导致地中海地区出现高湖面；随着晚冰期冰盖缩小、冷高压减弱，西风带北撤，南欧出现低湖面[16]。
除了西风带位置和强度变化外，西风急流的连续性也会在冰期-间冰期旋回中发生变化。气候模型的研究已证实，在18kaBP的末次冰期极盛期(LGM)，气温低，风速大，风速大于20m/s的西风急流几乎环绕整个中纬度，而现代则是不连续的[17]。
综上所述，研究西风带在冰期-间冰期旋回中的变化及其演变历史，对北半球中纬度地区以及全球气候变化研究具有重要意义，是全球气候变化机制以及冰期-间冰期气候转换机制研究中必不可少的内容。
3西风带变化对季风气候区降水有重要影响
东亚季风区气候受北半球中高纬冷高压和副热带高压的影响，除了海陆热力差异驱动和维持季风环流外，近极地的冷源(北半球冰盖)和近赤道的热源(热带海洋)的变化(即行星尺度大气环流的变化)也都对季风区气候有深刻影响[18]，不仅影响到冬夏季风的强弱，同时也影响到季风降水的时空分布和变化。安芷生、刘晓东的研究认为，北半球高纬冷空气活动、穿越赤道的气流和ENSO活动及其相互作用均能影响东亚季风降水的时空变率[19]。
西南季风是亚洲季风系统的重要组成部分，中国黄土和湖泊沉积古气候记录的研究表明，西南季风区的降水与越赤道索马里急流的影响有极大关系[20)21]。中国湖泊沉积和阿拉伯海、非洲、中南亚晚冰期以来的海洋-湖泊沉积环境研究显示，全新世初期西南季风加强，中国西南地区降水增多，形成气候湿润、高湖面环境特征[22)24]。9kaBP以后索马里急流异常强大，路径向西北偏移，给北非、西亚、中亚和青藏高原地区带来丰富的降水[22)25]；相反，在中国西南季风区同期降水减少，气候偏干，湖面降低[26]。青藏高原湖泊沉积的古气候记录显示，约4kaBP开始出现明显冷干特征[27]，指示西南季风强度减弱，而西南云贵高原一度降水增加，湖面升高[28)29]。
同样，西风带作为极地和北大西洋气候区与亚洲季风区的联系纽带，在一定意义上可以认为西风带控制着东亚季风的北界；因此，西风带对于东亚季风气候具有和索马里急流同样重要的意义，它的变化同样会影响中国季风区的降水分布，然而目前这方面的研究还比较欠缺。
中国东部季风区气候受西风气流、青藏高原、副热带高压及北方高纬大气系统(阻塞形势和高纬锋面)等因素影响。西风环流除了响应于冰盖变化和全球性的气候变化外，还(至少在年际时间尺度上)反作用于大气环流和气候变化。龚道溢、王绍武[30]对北半球冬季纬向平均环流结构的研究表明，西风环流对于中国季风区冬季气温和降水有重要影响。当西风环流强时，整个亚洲大陆中高纬海平面气压都下降，西伯利亚高压强度也减弱；因此，当西风环流强时，由于西伯利亚高压强度及东亚大槽的减弱，南下的冷空气活动也相应减弱，所以我国大部分地区气温会升高。同时在东部地区，由于北方冷空气势力减弱，雨带位置偏北，造成长江以北及黄土高原一带降水增加[30]。由此可见，西风环流与东亚季风区乃至全球大气环流和气候之间的相互作用过程很复杂，不是简单的线性关系。
同样，西风带对中国季风区夏季的气候也有重要影响。刘萍等对1997年汛期环流形势的分析表明,1997年汛期500hPa中纬度地区盛行纬向环流，西风带冷空气路径偏北、偏弱；盛夏期间黄河流域先后受贝加尔湖阻塞高压和青藏高原高压控制，使副高偏北、偏西，台风异常偏少。正是受上述主要环流系统的影响,1997年汛期黄河流域出现了持续性严重干旱[31]。
由于西风环流对亚洲季风有重大影响，因此，西风带变化对季风气候区降水影响的研究是东亚季风气候研究和中国环境变化研究的重要内容。
4西风带和青藏高原对亚洲季风有重要影响
4.1青藏高原是亚洲季风形成的重要条件
余志豪最近指出，亚洲季风区是环球信风纬度带中的一个断裂缺口区，它与对流层中部500hPa
126海洋地质与第四纪地质2004年
上的副热带高压带的断裂缺口有着紧密的联系。正是这个缺口造成了该地区的冬季风和夏季风南来北往，或者地面冷高压的南下和台风、低压的北上形成了该地区雨、热同季的季风气候[32]。
在世界地图上，沿北回归线附近基本上均为副热带高压控制下的干旱荒漠地带，惟独在青藏高原邻近的南亚和中国大陆江南等地区出现了雨、热同季的季风气候绿洲，这说明青藏高原对亚洲季风有着举足轻重的决定性影响。由于青藏高原的热力作用，使对流层中部500hPa等压面上的副热带高压在那里断裂缺口，为亚洲季风区的出现提供了一个重要条件[33]；同时，隆升的青藏高原加剧了欧亚大陆和印度洋之间的海陆热力对比和经向水汽输送，也促进了季风的发展。
大量资料分析证实，弱季风年副热带高压带的缺口偏小，强季风年缺口偏大。用大气环流动力数值模式，做/在地球上搬去青藏高原0的模拟试验，结果是/若把高原山体移走，季风也将随之消失0[34]。季风之所以消失，主要是青藏高原移走后，原先在季风区的副热带高压带的断裂缺口消失，形成了几乎环球的高压带，原季风区变成了在副热带高压控制下的干旱荒漠区[32]。
4.2西风环流和青藏高原共同作用对季风气候的影响
纬向西风气流流经青藏高原时的分支和绕流作用以及西风环流的季节变化，对中国的气候及降水分布有直接作用[33]。
在冬季，由于西风气流流经青藏高原时的分支、绕流和地形动力作用[35]，在新疆北部和蒙古西部一带形成高压脊，而在高原南部形成孟加拉湾低压槽。同时，由于冬季高原相对于四周自由大气是个冷源[36]，它加强了高原上空大气南侧向北的温度梯度，使南支西风急流强而稳定，其南侧的地形槽槽前的暖平流是中国冬半年东部地区主要水汽输送通道[33]。
夏季，高原相对于四周的自由大气是热源[36]，接近高原的近地面层基本上是热低压，使得对流层中部(500hPa)等压面上的副热带高压带在此断裂[33]，为东亚夏季风和印度季风的深入创造了条件。
由于青藏高原阻碍在高原的东南侧和东北侧形成两支气流，南支气流将孟加拉湾的暖湿空气输送到高原的东侧，北支气流将北方的冷空气送到高原的东侧，在高原东侧的低层大气中形成一条锋面。此锋面的建立和南北移动与中国雨带的移动和长江流域的梅雨天气变化有直接的关系。
由于青藏高原的热力作用，在高原低层冬季盛行冷高压而夏季盛行热低压，其环流形势与冬、夏季风方向一致，因此对东亚季风系统的形成、维持与加强有重要作用。另外，夏季高原巨大的热源，对南亚高压和印度西南季风也有重要意义[33]。
4.3西风环流和副热带高压共同作用对季风气候的影响
副热带高压内部盛行下沉气流，故天气晴好，所以当副热带高压长时间控制某一地区时往往会造成干旱。西太平洋副热带高压的北侧是中纬度西风带，也是副热带锋区所在，副热带高压西部的偏南气流从海面上带来充沛的水汽，向副热带高压北侧的锋区不断地输送高温高湿的气流。当西风带有低槽或低涡移经锋区上空时，在系统性上升运动和不稳定能量释放所造成的上升运动的共同作用下，充沛的水汽凝结而产生大范围的降水，形成雨带[33]。
副热带高压位置与雨带位置关系非常密切，故副热带高压位置的不正常变动往往会造成不同地区的旱涝。西风带正是通过与副热带高压相互作用、相互影响来影响东亚季风区的降水分布。
邬光剑、潘保田等对中更新世全球最大冰期时中国沙漠环境的研究认为，在最大冰期时，青藏高原南侧西风加强，西风南支在整个夏季都基本维持，使副热带高压不能越过长江流域，造成长江流域降水量比现在大；而高原的冷源作用和西风南支抑制了夏季风的北进，将其常年抑制在长江中下游一带，所携带的水汽达不到西北内陆，使中国西北气候变干[37]。
凉皮怎么做的方法5新疆及亚洲内陆西风带气候变化水热组合的研究
目前对于西风带气候和环境变化的水热组合形式，主要有3种观点。一种观点为/冷湿-暖干0组合：李
吉均根据湖泊变化和沉积模式研究，认为新疆地区晚更新世以来的气候和环境变化服从西风带的一般规律，冰期与雨季同步，即冰川前进与气候冷湿、湖面上升的时期相当，冰期为冷湿期，间冰期为暖干期[38]。韩淑对巴里坤湖湖相沉积的研究也反映冷与湿、暖与干是同期的[39)40]。李江风对古丝绸之路兴衰的研究也认为冷对应于湿、暖对应于干[41]。第二种观点为/暖湿-冷干0说：如文启忠等
127
第1期屈文军，等：西风带研究的重要意义
通过对新疆黄土的研究认为北疆晚更新世以来的气候波动与中国东部季风区类同，水热组合主要为冷与干、暖与湿相对应[42]。袁宝印、顾兆炎等对巴里坤湖的年代学和沉积学研究得出了类似的结论[43)44]。第三种观点为/冷干-暖干0说：董光荣等通过塔克拉玛干沙漠及其周边地区沙漠、黄土沉积的研究提出，塔里木盆地第四纪以来，气候变化中水热组合形式为冷干与热干[45)46]。因此，对于西风带气候变化中的水热组合特征，尚有待更为深入和详细的研究。
关于西风带气候变化中水热组合的研究，关键在于弄清西风带水汽来源和输送路径。西风带大气环流变化和不同的大气环流系统带来的水汽份额变化，是形成西风带气候变化中水热组合特点的根本原因。
从新疆西风带水汽来源和分布来看，来自太平洋的东南季风水汽主要影响中国东部。当它向西北驱进时，受东部阶梯状山岭阻挡，到达新疆上空时水汽已所剩无几；只有当东风气流较强时，才可以进入塔里木盆地，促进降水。来自印度洋的西南季风水汽由于受青藏高原阻隔，只有很少一部分可以顺着横断山脉沿青藏高原东侧按气旋式进入新疆南部，是较强降水水汽的重要来源。由北冰洋南下的冷空气携带的水汽由北疆长驱直入，受盆地热力、动力作用会在北疆产生较大降水，但由于新疆南北两大盆地间的天山山脉阻隔，对降水影响极小。来自大西洋的水汽，由西风环流携带，越过西部山脉和帕米尔高原进入新疆，产生降水。很多学者认为西风环流带来的大西洋水汽是新疆降水的主要水汽来源。由于西风环流控制着新疆重要的水汽来源和降水量，因此，研究西风环流变化及其引起的降水变化历史，不仅有助于搞清西风带降水变化规律和变化机制，同时有助于搞清亚洲内陆的干旱化历史。
总体来看，占新疆很大面积的塔里木盆地和准噶尔盆地地形闭塞，盆地内部多为下沉气流，因此降水很少，气候干旱，形成沙漠；只有在北疆、伊犁谷地和山区，降水量才较大。另外，由于新疆地形复杂，不同区域受不同大气环流控制的强度不同，再加上局地环流的影响，因此，气候变化历史中的水热组合即使在新疆西风带内部也可能会带上局地性特。
西风带处于极地和北大西洋气候区、冬雨型地中海气候区及亚洲季风气候区相互作用的过渡区，因此西风带气候必然会带有上述3种气候的特，同时又带有区域性特，反映了上述3个气候系统之间的
相互作用。西风带气候变化是轨道要素变化导致的全球冷暖变化和由冷暖变化引起的西风环流位置、强度变化共同影响的结果；它一方面响应于全球变化，另一方面又具有与季风区显著不同的区域特。
6西风带在冰期-间冰期中的变化及其对气候的影响
青藏高原隆升是第四纪最引人注目的地质事件，对亚洲以及全球气候和环境变化都有极为深远的意义，青藏高原正是在地球轨道要素引起的太阳辐射量变化驱动下通过对副热带高压和西风带环流的影响来影响亚洲季风区气候的。以往的数值模拟研究表明，青藏高原的隆起加大了南北温度梯度，导致亚洲季风形成，并使南半球的热量通过季风管道大量输送到北半球[47]。同时青藏高原的隆起可以对高空西风波产生显著影响，并通过其槽、脊位置的变化对世界气候产生重大影响；或通过增强了的西风带对南、北热量交流的阻止，使北极及北大西洋地区急剧降温，导致全球冰川作用发生[47]。方小敏、汤懋苍等的研究和分析认为，隆升的青藏高原是米兰科维奇太阳辐射能量信号的放大器，是世界气候变化的先导区[47)48]。
陈发虎等的研究指出，中国中纬度冰期和间冰期气候存在两种变化模式，冰期通过西风环流或蒙古高压与北半球高纬地区存在密切联系，气候的变化可能主要受控于大陆冰盖的变化；而间冰期通过季风环流与低纬地区海洋联系更密切，气候变化格局主要受太阳辐射变化控制，并受低纬海洋变化影响[49)50]。
方小敏等的研究认为，冰期西风带显著南移，可能使原冬季北支西风急流和副热带急流终年停留在高原南侧，而极锋急流又不足以南压到一带，因而地区低层环流强度反而减弱，而间冰期情况刚好相反。同时他们还指出，中国内陆和塔里木盆地在长期变化和冰期-间冰期旋回演化上，均表现为西风环流越强，降水越大[51]。
目前关于全球气候变化驱动源的问题，有4种观点比较突出。第一种观点关注了北大西洋地区，认为北大西洋的气候变化驱动了全球的气候变化；第二种观点认为两极冰盖的发展变化驱动了全球气候变化；第三种观点认为青藏高原是全球气候变化的启动区；第四种观点比较关注热带地区，认为热带辐合带的变化和移动驱动了全球变化。另外还有全
128海洋地质与第四纪地质2004年
球海洋变化、植被变化以及岩石沉积和风化、黄土古土壤沉积等引起的全球CO2变化驱动全球变化，以及大洋热盐环流传送带关闭和打开驱动气候变化等观点。不管是上述哪种因素为主导还是以上因素共同作用，对于中纬度地区气候变化来说，都是通过副热带高压和西风带的变化影响大气环流，最终影响热量和水汽分布来实现的；因此西风环流变化对于西风控制区气候和亚洲季风气候有着直接的影响。
7西风带研究对亚洲粉尘气溶胶研究的意义
张小曳通过对亚洲粉尘活动的系统分析研究，对亚洲粉尘的源区分布、释放方式和释放量、输送方式与沉降等重要问题给出了科学的结论，指出亚洲粉尘区域尺度输送受季风环流控制，全球尺度输送主要由高空西风完成；同时通过黄土和元素示踪系统的研究，发现间冰期北部沙漠源区输出的粉尘量增加，而在冰期西部源区输出的粉尘量增加；并进一步指出晚第四纪亚洲粉尘这种/源区摆动0的快速变化其实是全球千年尺度气候变化的一环，并可视为过去北半球大气环流长期变化的代用序列[52]。张小曳的研究已经指出了冰期西风环流加强并南移的事实，提出了在冰期-间冰期旋回中西风环流变化这一重要的研究课题。
西风带变化控制着中国粉尘源区的大气环流变化，对中国的沙尘暴活动以及粉尘搬运和沉积以及黄土堆积历史研究都有极其重要的意义。同时西风带变化也控制着粉尘源区的气候和水热组合特点，影响粉尘源区植被覆盖和粉尘供应情况，这些因素都影响到粉尘的搬运、沉积和黄土的堆积。例如在/冷湿-暖干0、/冷干-暖湿0、/冷干-暖干0这3种不同的水热组合形式下，搬运粉尘的风系统的种类、强度、位置和粉尘源区植被覆盖情况的组合是不相同的，这必然会影响到粉尘的搬运、沉积和黄土的堆积历史。西风带大气环流特征、西风带水热组合等气候特征是沙尘活动研究和模拟的重要边界条件，所以西风带的变化是粉尘活动和黄土堆积研究中必须要考虑的问题。
8结语
综上所述，西风带作为北大西洋气候区和东亚季风气候区之间的联系纽带，对东亚季风气候和西风带气候具有重要影响，西风带在一定意义上控制着东亚季风的北界。西风环流与青藏高原相互作用，对亚洲季风区气候以及全球气候都有极其深刻的影响。西风环流在冰期-间冰期旋回中位置、强度的剧烈变化对东亚季风气候和全球气候影响显著，对季风降水、西风带降水时空分布及亚洲粉尘活动和黄土形成、堆积等都有非常重要的意义。
宋茜cctv因此，从粉尘沉积(包括黄土、深海粉尘沉积)、冰心、湖泊沉积等古气候记录中恢复西风带的变化历史是东亚季风区气候乃至全球气候变化研究中必不可少的一项内容，应当引起相关学科研究者的重视。
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