亞洲干濕氣候界線的形成與演變

亞洲干濕氣候界線的形成與演變

亞洲是世界上最著名的季節(jié)氣候區(qū)，主要由相互關(guān)聯(lián)、獨立的印度季風(fēng)氣候和東亞風(fēng)氣組成。亞洲季風(fēng)最早在南海地區(qū)爆發(fā),然后攜帶太平洋和印度洋充沛的水汽分別向西北和北方擴展。位于東亞地區(qū)的中國不僅受到印度西南季風(fēng)的影響,而且更主要受到東亞季風(fēng)和中緯度擾動系統(tǒng)的影響。中國地域廣闊,東-西、南-北氣候差異較大,總體上由東南向西北,氣候由濕潤向干旱過渡,呈現(xiàn)東、南濕潤,西、北干旱的基本格局。在濕潤與干旱氣候區(qū)之間存在著一個狹窄的、帶狀分布的氣候過渡區(qū),其中,過渡區(qū)與干旱氣候區(qū)相鄰的分界線稱為干旱-半干旱分界線,與濕潤氣候區(qū)相鄰的分界線稱為半干旱-濕潤分界線,此兩個氣候界線稱之為干濕氣候界線,其間的過渡區(qū)稱為半干旱氣候過渡帶,大致呈西南-東北走向。干濕氣候界線是東亞季風(fēng)、印度西南季風(fēng)、中緯度西風(fēng)環(huán)流彼消我長、彼退我進(jìn)共同作用的結(jié)果。通常情況下,影響中國的各種季風(fēng)及大氣作用在這一區(qū)域如強弩之末,影響的范圍取決于季風(fēng)的強弱。因此,干濕氣候界線隨各種氣候作用的強弱在一定范圍內(nèi)波動變化。由于其變化通常反映了某種氣候作用的加強或另一種氣候作用的減弱,因此對氣候變化有著十分敏感的反應(yīng),是中國氣候變化最敏感的區(qū)域之一。與氣候相適應(yīng),中國由東南向西北,土地利用方式由農(nóng)業(yè)為主向畜牧業(yè)為主過渡,在農(nóng)業(yè)區(qū)與牧業(yè)區(qū)之間形成東段寬、西段窄的帶狀分布的農(nóng)牧交錯帶。該交錯帶自東北向西南縱貫中國中部,阻擋西、北部沙漠的南侵,是中國東中部的重要生態(tài)屏障。在這個過渡帶內(nèi),邊際性種植業(yè)和草地畜牧業(yè)在空間上交錯分布,時間上相互重疊,一種生產(chǎn)經(jīng)營方式逐步被另一種生產(chǎn)經(jīng)營方式取代。過渡帶與東部農(nóng)區(qū)和西北部牧區(qū)之間也存在著兩條分界線,這兩條分界線稱之為農(nóng)牧氣候界線。農(nóng)牧交錯帶自形成以來,其空間位置發(fā)生過南、北移動,農(nóng)牧氣候界線亦隨之變動。農(nóng)牧氣候界線的這種變化是在變率非常大的季風(fēng)氣候干濕(降水)波動基礎(chǔ)上,在政治經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下,人類土地利用方式響應(yīng)氣候變化的結(jié)果。在近現(xiàn)代農(nóng)牧氣候界線一度向北推進(jìn),農(nóng)牧過渡帶是人類與氣候環(huán)境相互作用最激烈的地區(qū),也是最能體現(xiàn)氣候變化的敏感地區(qū)。干濕氣候界線與農(nóng)牧氣候界線分別是中國氣候與土地利用方面的兩條重要分界線,二者的空間分布和變化均與中國各種季風(fēng)的強弱作用有密切關(guān)系。在現(xiàn)代氣候激烈變化背景下,從宏觀上探討三者之間的相互關(guān)系,不論在學(xué)術(shù)上、還是生產(chǎn)實踐上均具有一定的科學(xué)意義。1蒸發(fā)量和蒸發(fā)量文中使用了中國553個站點的日降水量資料,該資料是從國家氣象局提供的中國726個氣象站點的實測降水量資料中選出的。年總蒸發(fā)量源于各省氣象局整編的Φ20(cm)蒸發(fā)皿資料,文中僅選用了北方的295個站點資料,這些資料序列長度為1958～2000年(圖1)。文中使用的資料還包括:1951～1995年東亞夏季風(fēng)強度指數(shù)資料;1951～1998年全印度夏季(6～9月)降水量資料。2中國農(nóng)林交錯帶的區(qū)域劃分干濕氣候的劃分標(biāo)準(zhǔn)大致分為兩類:一類是年、月降水量的統(tǒng)計指標(biāo),另一類則是用降水量和可能蒸發(fā)量之比或差來表示。以年降水量為氣候干濕指標(biāo),能揭露降水量變化的異常規(guī)律,而干燥度指數(shù)是從大氣水分平衡角度出發(fā),真實的反應(yīng)實際氣候的干濕狀況,對農(nóng)業(yè)具有更大的現(xiàn)實意義。本文選用干燥度指數(shù)劃分干濕氣候,干燥度指數(shù)是年降水量與年總蒸發(fā)量之比,即D=Ρ/ΡEΤ?D=P/PET?式中,D為干燥度,P為年降水量,PET為Φ20蒸發(fā)皿實測年總蒸發(fā)量。根據(jù)這一指數(shù)將中國劃分三大區(qū):干旱區(qū)(D≤0.20)、半干旱區(qū)(20<D≤0.50)與濕潤區(qū)(D>0.50)。D=0.20為干旱半干旱分界線,D=0.50為半干旱濕潤分界線。圖2顯示了中國1958～2000年干濕氣候分布,圖上干燥度指數(shù)0.20,0.50等值線是43年來的平均位置,也是中國干濕氣候的兩條重要分界線,0.50等值線以南是濕潤區(qū),0.20～0.50之間是半干旱區(qū),0.20等值線以西是干旱區(qū)。圖2可見,半干旱區(qū)由東北向西南縱貫中國中部,是東南濕潤區(qū)向西北干旱區(qū)變化的過渡區(qū)。中國農(nóng)牧交錯帶區(qū)域范圍(亦即西北、東南界)的合理確定是研究農(nóng)牧氣候界線空間變化的前提,然而,到目前為止,對這一重要問題仍無統(tǒng)一認(rèn)識。本文對目前存在的數(shù)十種有關(guān)農(nóng)牧交錯帶范圍的認(rèn)識作了細(xì)致的對比后,認(rèn)為趙哈林等的最新研究結(jié)果比較合理、較切合實際,且實現(xiàn)起來較容易。為此,本文采用其對農(nóng)牧交錯帶的界定結(jié)果,利用等值線法作出了中國農(nóng)牧交錯帶的分布圖(圖3)。農(nóng)牧交錯帶位于年降水量300～450mm、降水年變率15%～30%、干燥度1.0～2.0范圍內(nèi),其東段寬,西段窄,呈帶狀分布于中國中部,是中國生態(tài)環(huán)境的一條過渡帶和生態(tài)安全的重要屏障帶。年降水量300和450mm等值線(43年的平均位置)分別為該過渡帶的西北界和東南界,即農(nóng)牧氣候界線。3干旱地區(qū)和農(nóng)業(yè)氣候走廊10年的變化3.1干法氣候界線在總結(jié)、繼承前人研究北方半干旱區(qū)范圍空間變化成果基礎(chǔ)上,楊建平等將研究范圍擴大到整個半干旱區(qū),采用國際上通用的干燥度指數(shù)法,在10年際尺度上,詳細(xì)研究了近50年中國半干旱區(qū)東南、西北界的動態(tài)變化,圖4為1951～1999年中國干濕氣候界線10年際動態(tài)圖。結(jié)果表明:過去50年中國干干濕氣候界線波動顯著,區(qū)域差異大,呈現(xiàn)出整體移動和東西、南北相異波動特征。20世紀(jì)60～70年代中國干濕氣候存在一次突變,由較濕潤變?yōu)楦珊?但各地干旱程度不同。干濕氣候界線波動與氣候的干濕變化具有顯著的年代際特征。3.2農(nóng)牧民交錯帶生態(tài)環(huán)境的界線20世紀(jì)80年代,李世奎等從農(nóng)業(yè)角度探討了農(nóng)牧氣候界線的確定及其氣候特征。之后,由于全球氣候變化,人們把研究注意力都集中在農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境變化上,有關(guān)界線方面的研究少之又少。本文在10年際尺度上,對農(nóng)牧氣候界線在近幾十年的位置變化做一些初步探討。近40年農(nóng)牧氣候界線的年代際動態(tài)變化顯示(圖5),與干濕氣候界線相比(見圖4),農(nóng)牧氣候界線的變化總體上并不是十分顯著,但亦具有區(qū)域性,在東北地區(qū)、華北地區(qū)、西北地區(qū)東部變化較為突出。1西界轉(zhuǎn)向期20世紀(jì)20年代相對于20世紀(jì)60年代,70年代農(nóng)牧交錯帶西界有所東移。之后,隨著該區(qū)氣候逐漸變濕,西界轉(zhuǎn)向,持續(xù)向西移動,并于90年代達(dá)到最西位置;農(nóng)牧交錯帶東界在20世紀(jì)60和70年代變化不大或無規(guī)律,80年代顯著向西移動,90年代折向東移。2世紀(jì)20世紀(jì)20年代這兩個區(qū)域農(nóng)牧交錯帶西北界變化微小,東南界變化顯著。20世紀(jì)60年代東南界位置偏北,70年代南移,80年代變化不大,90年代顯著向南移動。上述三地區(qū)的變化表明,農(nóng)牧氣候界線波動同樣具有年代際特征,但其區(qū)域性較干濕氣候界線差。4亞洲季風(fēng)氣候與氣候邊界之間的關(guān)系4.1中國季風(fēng)區(qū)、半干旱區(qū)、農(nóng)牧民交錯帶的自然分布和生態(tài)習(xí)性在中國,農(nóng)牧交錯帶、半干旱氣候過渡帶、季風(fēng)活動三者之間究竟有何關(guān)系?它們是如何相互作用的?這些敏感問題歷來受到科研人員關(guān)注,由于資料、界定方法、技術(shù)手段等多種因素的影響,直觀展示它們之間的關(guān)系實現(xiàn)起來比較困難,這是此類報道甚少的原因之一。本文雖搜集了大量資料,界定出了三者各自的分布范圍,但是,由于諸種因素的影響,這些結(jié)果仍是初步的。中國不僅受東亞季風(fēng)的顯著影響,而且還受到印度季風(fēng)的作用,是世界上季風(fēng)影響顯著的國家之一。喻世華等提出東亞季風(fēng)和印度季風(fēng)的分界線以100°E為界較為適宜,在此以西主要反映印度季風(fēng)的特征,在此以東主要反映東亞季風(fēng)的特征。圖6為我們使用相關(guān)法界定出的中國季風(fēng)區(qū)范圍,它大致位于大興安嶺-陰山-賀蘭山-日月山-巴顏喀拉山一線以東。東亞季風(fēng)和印度季風(fēng)既有各自的活動區(qū)域,又有共同重疊的作用空間,西南地區(qū)和西北地區(qū)東部主要受印度季風(fēng)的影響,這與喻世華等的結(jié)論相吻合;華北中南部地區(qū)是印度季風(fēng)和東亞季風(fēng)共同作用最大的區(qū)域,然而該地區(qū)亦是經(jīng)常受干旱影響的區(qū)域,印度季風(fēng)和東亞季風(fēng)分別從西南、東南攜帶的水汽經(jīng)過沿途的釋放,至此所剩不多,再者季風(fēng)年際變化大,因此,該地區(qū)仍受缺水的煎熬;中國東部、南部主要受東亞季風(fēng)的影響。圖7展示了中國季風(fēng)區(qū)、半干旱區(qū)、農(nóng)牧交錯區(qū)的地理位置和空間分布。半干旱區(qū)自東北向西南展布于中國中部,其形成與存在是中國所處的地理位置、西高東低的地形以及因青藏高原隆起所奠定的現(xiàn)代大氣環(huán)流格局共同作用的產(chǎn)物。半干旱區(qū)并非完全分布在季風(fēng)區(qū)內(nèi),在內(nèi)蒙古高原北部與西藏高原中部,半干旱區(qū)完全分布在季風(fēng)區(qū)之外;在內(nèi)蒙古高原東部、西藏高原南部和西南地區(qū)北部,半干旱區(qū)跨越季風(fēng)區(qū)與非季風(fēng)之間;只有華北地區(qū)和西北地區(qū)東部半干旱區(qū)完全位于季風(fēng)區(qū)內(nèi),這表明中國半干旱氣候區(qū)除受東亞季風(fēng)和印度季風(fēng)的作用之外,還受到諸如中緯度西風(fēng)擾動和青藏高原季風(fēng)等的影響。陰山以南,農(nóng)牧交錯區(qū)范圍狹窄,呈細(xì)帶狀位于半干旱過渡區(qū)的西北緣;陰山以北,農(nóng)牧交錯帶越過半干旱區(qū)跨入干旱區(qū)。農(nóng)牧交錯帶如此分布有深厚的自然和社會經(jīng)濟(jì)原因。在西南和西北地區(qū)東南部,生產(chǎn)力相對落后,自然條件相對惡劣,人們的開發(fā)能力受到自然的限制;華北地區(qū)西部土地不但沒有開墾的余地,反而不時有風(fēng)沙侵入,因此農(nóng)牧交錯帶仍保持在半干旱區(qū)內(nèi);在陰山以北的東北地區(qū),農(nóng)牧交錯帶向西拓展原因:①草地為耕地開墾提供了物質(zhì)基礎(chǔ);②氣候干濕波動誘發(fā)的僥幸心理是動力;③人口壓力和追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展是根源;④歷史上政策導(dǎo)向是催化劑。綜上所述,半干旱區(qū)與農(nóng)牧交錯區(qū)的共同點是二者均位于中國季風(fēng)區(qū)邊緣地區(qū),不同的是半干旱區(qū)是純自然作用的產(chǎn)物,而農(nóng)牧交錯區(qū)除受自然因素影響外,還深深烙上社會經(jīng)濟(jì)因素的痕跡。4.2區(qū)域降水條件分析亞洲季風(fēng)包括南亞季風(fēng)(亦稱印度季風(fēng))、東亞季風(fēng)和青藏高原季風(fēng)。印度季風(fēng)通常以每年6～9月份的降水量來表示其強度。印度夏季風(fēng)、東亞夏季風(fēng)和高原季風(fēng)強度指數(shù)在近40年的時間變化分析顯示(圖略),東亞夏季風(fēng)(東南季風(fēng)),20世紀(jì)50年代中期到60年代中期處于強盛階段,60年代末期之后其強度逐漸減弱,70年代末期到80年代中期東亞夏季風(fēng)異常偏弱,80年代中期以后其強度又逐漸增強。印度夏季風(fēng)(西南季風(fēng))從20世紀(jì)50年代初開始逐漸增強,到60年代中期達(dá)到最強,之后逐漸減弱,80年代中后期又開始增強。至于高原季風(fēng),20世紀(jì)50年代至60年代中期為強盛期,60年代末期至80年代初期為衰弱期,80年代中期之后又處于強盛期(表1)。由表可知,東亞夏季風(fēng)、印度夏季風(fēng)基本上是同相變化,強時二者都強,弱時都弱。高原季風(fēng)強盛期開始時間早,維持的年數(shù)比東亞夏季風(fēng)與印度夏季風(fēng)要長2～3年,衰弱期短且出現(xiàn)時間晚結(jié)束時間早。值得注意的是,雖然東亞夏季風(fēng)與印度夏季風(fēng)強盛時都強盛,但兩者的強弱程度不同,二者近40年的變化顯示(圖略),東亞夏季風(fēng)的強弱程度遠(yuǎn)小于印度夏季風(fēng)。也就是說,近半個世紀(jì)以來東亞夏季風(fēng)的強度在減弱,而印度夏季風(fēng)的強度在增強,這與許多研究成果是一致的。西太平洋副熱帶高壓是東亞季風(fēng)系統(tǒng)的重要組成成員,其強度與位置變化與中國夏季降水有密切的關(guān)系。對其強度指數(shù)序列和脊線位置變化分析表明:20世紀(jì)50～60年代中期副高強度偏強,平均脊線位于26.5°N以北;60年代中期后副高逐漸減弱,平均脊線也逐漸南退;70年代中期至80年代中期,副高異常偏弱,平均脊線退到了近幾十年來的最南位置;80年代中期以后副高又顯著增強,平均脊線再一次北移(表1)。上述分析表明,東亞季風(fēng)、印度季風(fēng)、青藏高原季風(fēng)、西太平洋副熱帶高壓及其脊線均具有顯著的年代際特征。4.3氣候界線的年代際變化中國半干旱區(qū)和農(nóng)牧交錯區(qū)西南-東北走向,南北跨度大,各地區(qū)的季風(fēng)降水類型有所不同。西南區(qū)和西北東部受西南季風(fēng)、東南季風(fēng)和高原季風(fēng)的綜合作用;西南季風(fēng)和東南季風(fēng)影響華北區(qū);東北區(qū)受東南季風(fēng)的影響。不同的環(huán)流組合,不同的強弱變化組合是中國干濕、農(nóng)牧氣候界線區(qū)域差異顯著的根本原因。具體某一個區(qū)域氣候界線如何變化,是不同環(huán)流組合相互作用的結(jié)果。20世紀(jì)50～60年代中期,東南季風(fēng)、西南季風(fēng)與高原季風(fēng)都處于強盛期,西太平洋副高脊線異常偏北,中國東北與華北地區(qū)降水偏多,在它們的共同作用下,半干旱區(qū)東南、西北界整體向西北推移;60年代中期后,東亞夏季風(fēng)、印度夏季風(fēng)和高原季風(fēng)強度都減弱,西南和西北東部半干旱區(qū)二界線東退,與此同時,西太平洋副熱帶高壓也減弱,副高脊線也逐漸南退,華北區(qū)與東北區(qū)降水開始減少,70年代末期至80年代中期,東南季風(fēng)與西南季風(fēng)異常偏弱,西太平洋副高脊線也退到了近幾十年來的最南位置,受弱東南季風(fēng)與西南季風(fēng)的共同作用,華北區(qū)干旱-半干旱分界線與半干旱-濕潤分界線整體向東南移動,東北區(qū)在弱東南季風(fēng)的影響下,二界線整體東移。受季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)的變?nèi)跤绊?此階段東北地區(qū)、華北地區(qū)和西北東部農(nóng)牧氣候界線整體向東、向南移動;80年代中期后,東亞夏季風(fēng)、印度夏季風(fēng)和高原季風(fēng)均處于增強期,但東南季風(fēng)的強盛是相對的,與印度夏季風(fēng)相比,東亞夏季風(fēng)的強度較弱,在相對弱的東南季風(fēng)、強西南季風(fēng)與高原季風(fēng)的綜合作用下,西南和西北東部地區(qū)的半干旱-濕潤分界線與干旱-半干旱分界線向西北移動。由于西南季風(fēng)主要影響100°E以西地區(qū),100°E以東的華北、東北地區(qū)主要表現(xiàn)為東南季風(fēng)的特征。因此,盡管此期間西太平洋副熱帶高壓開始增強,脊線也較快北移,但在相對弱的東南季風(fēng)作用下,華北半干旱區(qū)的東南、西北界與農(nóng)牧過渡區(qū)東南界仍向東南方向推移,東北區(qū)半干旱-濕潤分界線與農(nóng)牧交錯區(qū)東界亦東移,然而,東北區(qū)干旱-半干旱分界線與農(nóng)牧交錯區(qū)西界西移,表現(xiàn)出與東南季風(fēng)較弱作用相悖的空間變化,表明該地區(qū)還受其它環(huán)流系統(tǒng)的影響。綜上所述,近50年中國干濕、農(nóng)牧氣候界線的動態(tài)變化是影響中國季風(fēng)環(huán)流強弱作用在空間上的實物表現(xiàn),季風(fēng)環(huán)流的強弱變化控制著氣候界線空間擺動的范圍與方向,其年代際變化是中國干濕、農(nóng)牧氣候界線呈現(xiàn)出年代際變化特征的根源。東南季風(fēng)增強,半干旱區(qū)和農(nóng)牧過渡區(qū)東南界向西北方向移動;西南季風(fēng)增強,西南地區(qū)整個半干旱區(qū)西移;東南季風(fēng)、西南季風(fēng)與高原季風(fēng)三者都加強,干濕、農(nóng)牧氣候界線均向西北移動;就東南季風(fēng)、西南季風(fēng)與高原季風(fēng)影響程度而言,西南地區(qū)西南季風(fēng)是主導(dǎo);華北和東北地區(qū)東南季風(fēng)是主導(dǎo)。農(nóng)牧交錯地區(qū)受人類活動影響巨大,然而,由于將人文因素量化具有較大的難度,故上述農(nóng)牧氣候界線的年代際變化只反映氣候方面的變化,至于現(xiàn)代人類活動的影響,目前只能進(jìn)行描述。在現(xiàn)代,由于逐漸在人地關(guān)系中提升了人類活動的主觀能動性和調(diào)控力,一方面使農(nóng)牧交錯帶土地利用方式由原來的農(nóng)牧業(yè)交替式轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)牧業(yè)并存式,另一方面使得農(nóng)牧交錯帶不斷向北推進(jìn),原來是畜牧業(yè)的草地被開墾為農(nóng)用,這種現(xiàn)象在內(nèi)蒙古東、北部、黑龍江和吉林西部表現(xiàn)最為突出。張國平等對中國近期耕地資源的時空變化研究發(fā)現(xiàn),黑龍江、內(nèi)蒙古和吉林是中國耕地面積增加最快的3個省,在10年時間里各自分別增加了182×104hm,89.6×104hm和42.5×104hm。上述數(shù)據(jù)從一定程度上可以說明,農(nóng)牧交錯帶北部向西擴展的速度以及農(nóng)牧交錯帶東寬西窄的原