中国科学院兰州高原大气物理研究所　中国科学院兰州冰川冻土研究所

汤懋苍　　白重瑗　　冯松　　蔡英

　　前 言

　　不少学者研究了本世纪北半球和我国的气候变化，普遍认为存在3次突变。分别出现在20年代初、60年代中和80年代初。我们研究了青藏高原（以下简称高原）本世纪的气候变化也发现有上述3次突变，其中第一次和第三次为从冷变到暖可称为“暖突变”，第二次是从暖变到冷，可称为“冷突变”，而且还发现这3次突变与太阳黑子周期长度和地球自转变化有非常好的相关。本文的目的不是论证这3次突变存在与否，而是以这3次突变为基础将高原气温、降水、季风、作用进退等划分为不同的阶段，研究各个阶段起始年（以下称之为“突变年”）的时空变化规律，为年代际气候预测提供背景材料。

　　因为目的是为气候预测服务，所以对气候阶段的划分必需具体到年。为此，我们规定了气候阶段划分的如下标准：①每一阶段的时间长度至少10年（首尾两段可以例外），最长不超过50年；②滤掉趋势项后，高值时段的距平和必需为正，低值时段的距平和必需为负；③界限年（即突变年）的确定标准是，要使其前后的高值段和低值段的距平和绝对值均达到最大，且该年是附近数年中气候要素值年际变化最大的一年；少数情况两者有矛盾（一般是相差一年），则以年际变化最大为准。有了这个标准我们可以研究高原气候变化的阶段性。

　　二、本世纪气温的三次突变

　　本世纪前半叶高原地区气象站非常稀少，只是列城，斯利那加和西天山等高原外围有数站资料。从这些资料可看出，上世纪末本世纪前20年高原处于寒冷时段，30－40年代为温暖时段，刘晓东曾根据近40年高原温度与北半球温度的相关，将高原的平均温度曲线延长到了本世纪初，据此曲线可以将本世纪的高原气温划分为两个冷段和两个暖段。共三个突变年：1918年和1971年为“暖突变年”，1952年为“冷突变年”。依据本文的划分原则可定出，北半球的年温度变化曲线的两个“暖突变年”分别出现在1923年和1978年，比高原上的暖突变年分别晚了5年和7年，其“冷突变年”出现在1963年，比高原上晚了11年，可见青藏高原温度变化的位相明显超前于北半球，这与高原是气候变化的“启动区”所要求的一致。

　　我们将相邻两个太阳黑子极大出现的时间间隔和两个黑子极小的时间间隔排在同一个时间序列上，此即为太阳黑子周期长度变化序列（简称为黑子周长或SCL），据此可内插得到每一年的SCL值，将它分别与北半球、我国和拉萨气温求±20年的后延相关，可见相关非常好，远超过0.001的信度，拉萨气温超前SCL1年负相关最大达﹣0.812，北半球气温落后SCL7年的负相关最大。这就是说拉萨气温变化的位相比北半球平均要早8年左右，上述高原气温的3个“突变年”比北半球的3个“突变年”平均早7.7年，两者基本一致。我国气温落后SCL5年的负相关最大，表明拉萨温度变化比我国平均要早约6年。

　　近40年来高原上气象测站大量增加，可以研究气候变化的区域不同步性。从现有资料来看，有两类地区的气温变化与平均情况不一致，一类是在地形背风河谷的中游一段（如祁连山东段的门源和巴颜喀拉山东边的玛多），其最冷时段出现在70－80年代，而不是60年代；另一类地区是高大山系（喜马拉雅山、昆仑山等）的北坡，其特点1970年前后温度有一陡升，这些都与行星风系的年代际变化密切相关。

　　影响高原温度年际变化的另一大因素是雪灾，典型个例是托托河1985年一场大雪灾使年均温负距平达﹣3℃。

　　三、年降水量的突变

　　依据本文的气候阶段划分标准，高原上绝大多数站40多年的雨量变化可划分为三个阶段，但三个阶段的出现顺序可分为基本相反的两大类：一类以拉萨为代表，1967－1989年为干段，其前后为湿段，这与季风强弱的变化基本同相（见下节所述），此类地区可称为“季风多雨区”；另一类可以狮泉河为代表，1969－1986年为多雨时段，其前后为少雨段，这与高原季风的变化基本反相，可称为“季风少雨区”。从此两大类的分界线上，可见从西喜马拉雅山往至珠峰附近往北唐古拉山再向东至巴颜喀拉山一线以南为季风多雨区，此线以北为“季风少雨区”，但昆仑山－祁连山主山脊线以北又是季风多雨区，另在东昆仑山至阿尼玛卿山的北坡亦有一小块“季风多雨区”。

　　80年代中期在“季风多雨区”先后开始了一新的多雨期，此多雨段开始最早的地区又是在藏东南的雅鲁藏布江水峡弯一带，开始于1984年，以后向东向西逐渐推移，这又一次说明藏东南的大峡弯地区是气候变化的启动区。

　　本世纪上半叶因测站太少，不得不用代用资料。林振耀等绘出了西藏农业区（属季风多雨区）本世纪的水旱等级曲线（图略），依照本文提出的分段原则，可以划出1906－1923年为旱段；1924－1967年为湿（多雨）段。

　　四、高原季风和印度季风的突变

　　汤懋苍等定义过一个高原季风指数：在600hPa平均图上（它相当于高原的地面图）取高原四周各一点的高度平均值减去中心点（32.5°N，90°E）的高度，称此高度差值为高原季风指数（PMI），显然它表示的是高原热低压的强度。1952年以来PMI的年际变化曲线，依本文标准可以明显地将其划分为三段，1967年以前为高原季风的强段1968年为“弱突变年”，1968－1983年为弱段，1984年为强突变年，与高原温度相应的两个突变年相比，分别晚15年和13年，但是与北半球的两个突变年年比只分别晚4年和6年。在狮泉河年均温的变化曲线上，可见1966年是“冷突变年”比高原季风的弱突变年早2年，1984年是“暖突变年”，与高原季风强突变年相同。由此可知高原季风与羌塘高原的温度关系更为直接。

　　高原季风的强弱阶段交替不但与气温、降水关系密切，与其它一些气象要素，甚至一些地球因子和太阳活动都有密切关系。从拉萨0.8m地温与气温差值（地气温差）及冬季高原西部地面净辐射距平的年际变化曲线，从高原主体区（80－90°E，28－39°N）Ms≥6.5级地震的逐年出现次数，可见这些要素均有明显的年代际变化，且与高原季风的变化基本同步。为清楚计，我们列出了本世纪下半叶各要素的分阶段平均值（见表1）。从表中可总结出如下规律：在强季风时段，高原西部冬季地面得到的辐射较多，气温较高，但地温更高（地气温差增大），高原上强地震亦较多，地球自转较快，太阳黑子周期长度较短；弱季风时段则相反，这似乎暗示了一个重要事实；在强季风时段，高原岩石圈向大气放出了更多的热量。

表1　本世纪下半叶高原季风3阶段各环境要素的对比

　　本世纪前半叶尚无600hPa平均图，只能用温度、降水资料来间接推断高原季风的突变年。从以上所分析的近50年情况可知，高原季风的强弱突变年与西藏南部农业区的多雨、少雨突变年基本同步，比北半天的暖、冷突变年更晚数年。根据西藏农业区的水旱等级序列，再参考北半球的温度曲线，可定出1924年为高原季风的强突变年，1906年为弱突变年。根据Shukla所绘的印度降水变化曲线，依照本文的分段原则，可以划出印度的干湿时段；1899－1932年为干段，1933－1964年为湿段，1965－1987年又是干段，干段对应印度季风弱期，湿段对应季风强期。将高原季风与印度季风作一对比，可见高原季风与印度季风基本上是同相变化，强时两者都强、弱时都弱，但强期的开始年份，高原季风比印度季风早4－9年，而弱期的开始年份是印度季风早于高原季风3－7年，这就是说强高原季风维持的年数比强印度季风要长得多。如本世纪强高原季风占总年数的65％，而强印度季风仅占42％。

表2　高原季风和印度季风强盛期的起止年份

　　五、气候突变与天文因素“突变”的相关

　　从本文的分析可知，本世纪的3次气候突变，其时空顺序有一定的规律可寻，以暖突变为例，最早是高原温度突升（它似乎可以看成是气候“突变”的信号）。数年后我国和北半球温度突升，接着是高原季风增强，使“季风多雨区”变湿，同时“季风少雨区”变干，又数年后是印度季风增强，印度多雨，冷突变阶段的开始也是高原最早，接着北半球变冷，印度季风减弱，最后是高原季风减弱，“季风少雨区”开始了一个多雨时段。似乎大气中的各种突变是一环套一环，有条不紊地在进行着。是什么因素操纵着这种变化？这是一个引人入胜的课题。下面我们先给出一些相关事实，再提出一点设想。 从近百年地球自转速度（记为Δω／ω0）与太阳黑子周期长度（SCL）的变化曲线，可见SCL与Δω／ω0两条曲线变化趋势几乎完全一致，相关系数为﹣0.877，信度远远超过0.001（n＝97），参照本文的分段标准，可划出SCL的两个长段也是地球自转的两个慢段，1898－1919年和1966－1980年。此两段与气候上的冷段和“季风弱段”几乎一致，而且其4个界限年中的3个（1919、1966和1980年）与北半球温度的冷突变年（1923.1963和1978年）相差都在5年以内。根据这些资料我们可以找到出现气候突变点的天文条件。

　　1、黑子极大（M）年的SCL比其前一个极小（m）年的SCL之差的绝对值大于1.2年，或m年的SCL比其前一个M年的SCL之差值大于2.4年；2、5年间地球自转速率变化的绝对值大于1.2×108。凡同时满足上述两条的年份，则在5年之内将出现气候突变，根据这两条反查，近百年来没有发现例外。可见气候突变与地球自转突变密切相关，它们的共同原因应从太阳活动中去寻找。我们曾提出一个太阳磁场与地磁相互耦合引起地核环流变化再制约地球系统变化的概念模式，对SCL、Δω／ω0及大陆气温与降水等的紧密相关，给出了一种解释，此概念模式的合理性有待进一步考验，不过近百年的地磁活动指数资料对此概念模式是一个支持。1899－1926年是百年来地磁指数的最低时段，1964.1982年亦是一低值时段，它们与SCL长段、地球自转慢段和气候冷段、季风弱段基本对应1939－1964年以及1983年以来是地磁指数的高值时段，它与SCL的短段、地转快段和气候暖段、季风强段基本对应。