南岭同纬度带5个典型区域的气候特征比较分析与预测
南岭同纬度带5个典型区域的气候特征比较分析与预测
地球上从热带气候到寒带气候大体遵循从赤道向两极沿纬度梯度分布的特征。然而，在同一纬度带下，即使太阳可照时间相同，但接收到的太阳辐射仍然有差异。除此之外，其他因素，如大气环流、海陆位置、地形地貌、地表覆盖、人类活动等都可能不同程度地影响区域气候。在目前全球气候变化背景和人类活动干扰下，研究地球同纬度地区气候差异及一定气候情景模式下典型区域的温度和降水是否会发生显著变化具有重要意义。
南岭是一座丰腴的山岭，它拥抱无数珍贵的动植物于怀中，造就了同纬度沙漠带上最大的“绿洲”。南岭是一座神奇的山岭，它经历了沧海桑田的变幻，形成了众多秀丽奇特的地质景观（周平，2018）。南岭山地拥有典型的地质、地貌特征和生物多样性，以及具有人文特色的“南岭走廊”，该区域可以作为具有高潜在价值综合研究的基地。
南岭山地屏障带分布图
南岭的自然地理特征之一，表现在其作为地域分界线和生态屏障带的功能作用上，北挡寒潮南下，南隔暖湿气流北上，使得南岭南北两侧降水和气温的差异较大，成为研究全球气候变化和山地生态系统响应较好的区域。
南岭同纬度带上从西到东比较典型的区域还有美洲的墨西哥荒漠、非洲的撒哈拉沙漠、西亚的阿拉伯半岛沙漠、南亚西北部的塔尔沙漠。这些同纬度区域除了南岭是亚热带湿润季风气候外，其他区域为热带沙漠气候和亚热带荒漠气候。在地球沙漠和荒漠占主导的纬度带上出现湿润气候的南岭山地是否具有特殊性？它与同样是副热带高压地区，具有同样太阳可照时间的其他典型区域在降水、温度、潜在蒸散、日照百分率等方面有多大差别？南岭与同纬度其他区域的干旱期和湿润期有什么不同？该纬度带上气候迥异的原因何在？对这些问题的探索对全球变化生态学、干旱区研究均有重要的科学价值。周平和刘智勇（2018）基于91个气象站观测值和大气环流模型CCSM3，对南岭同纬度典型区域的气候特征参数进行分析，并对未来不同区域的温度和降水进行预测，进一步探索净初级生产力对温度和降水的敏感性，并分析南岭同纬度带典型区域气候差异的可能原因。
不同区域干湿特征差异
同一纬度带的5个典型区域的降水量和季节分布存在较大差异。
降水量从多到少依次为南岭＞墨西哥荒漠＞塔尔沙漠＞阿拉伯半岛沙漠＞撒哈拉沙漠，其中南岭的降水多发生在春季和夏季，墨西哥荒漠的降水多发生在秋季，塔尔沙漠的降水多发生在夏季，阿拉伯半岛沙漠的降水集中在春季和冬季，而撒哈拉沙漠几乎全年无降水。
潜在蒸散从多到少依次为撒哈拉沙漠＞阿拉伯半岛沙漠＞塔尔沙漠＞墨西哥荒漠＞南岭，其在同一纬度的排序正好与降水量相反。
主要由降水（P）和潜在蒸散（PET）决定的气象干旱期（P＜0.5PET）和湿润期（P＞0.5PET为半湿润，其中P＞PET为较湿润）在同一纬度的各区域之间也存在较大差异。其中，南岭全年处于湿润期和潮湿期，撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛沙漠和塔尔沙漠全年都处在干旱期，而墨西哥荒漠一年有两次干旱期和两次湿润期，其中冬旱持续时间较长，夏旱持续时间较短。墨西哥荒漠雨水充沛的季节在秋季，而在每年植物开始生长的季节有一段时间的春旱。与墨西哥荒漠不同的是，南岭山地雨水充沛的季节在春季和夏季，在大部分植物生长的季节里雨热同期。墨西哥荒漠降水的季节性差异较大，且有持续干旱期，农作物生长需水期也是降水量相对较少期（Molina et al.，2016）。
不同区域干湿季气候特征差异
撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛沙漠和塔尔沙漠的潜在蒸散、风速和日照百分率均高于墨西哥荒漠和南岭，但降水正好相反。虽然在地球同一纬度区域，几乎得到太阳平等的可照时间（Turton，1987），但日照百分率差异却较大，最高的为撒哈拉沙漠（72%），其他地区从高到低依次为塔尔沙漠（69.7%）、阿拉伯半岛沙漠（67.3%）、墨西哥荒漠（35.9%）、南岭（28.5%），其差异主要来自于各区域日照时数的不同。
撒哈拉沙漠的水汽少，湿度小，云层覆盖少，云层对太阳辐射的阻挡少，大于日照时数记录的辐照度阈值（120W/m²）的时间更多，因而有更高的日照时数和日照百分率。而南岭的水汽相对多，湿度大，云层覆盖多，因而日照百分率小。
墨西哥荒漠在第2个阶段干季的水汽压与撒哈拉沙漠和阿拉伯半岛沙漠接近，低于该区域湿季及塔尔沙漠与南岭的值，而第2个阶段湿季的水汽压值与南岭接近。
塔尔沙漠全年的平均水汽压大（18.3hPa），但是却不能在该区域形成降水（降水量仅为0.6mm/d），塔尔沙漠夏天吹西南季风，冬天吹东北季风，而夏季风对降水的贡献为80%（Singhvi et al.，2010），给印度夏季风带来了较多的水汽，但是绝大部分都在塔尔沙漠以东的区域形成降水，那里也有全球最高的降水中心，但在塔尔沙漠上空水汽却难以凝结成雨。同时可能由于水汽的温室效应，该区域的多年日均温为26.3℃，高于同纬度带上其他几个区域。
表 干季和湿季期间的气候参数差异
南岭同纬度带不同区域气候的影响因素
虽然南岭同纬度带各区域具有一样的太阳可照时间，但到达各区域的日照时数和日照百分率却不相同。日照百分率从大到小依次是撒哈拉沙漠、塔尔沙漠、阿拉伯半岛沙漠、墨西哥荒漠和南岭，而且也形成了类似的温度格局。
南岭同纬度带的大部分地区常年被副热带高压所笼罩，在这种干热气团的内部，气流总是做下沉运动，水汽难以凝结成雨。撒哈拉沙漠处在热带沙漠气候区，常年处在副热带高压和信风的控制下，盛行热带大陆气团，气流下沉，气温高、降水极少，加之日照强烈，蒸发旺盛，更加剧了气候的干燥性特点。南岭处在亚热带季风气候区，是热带海洋气团和极地大陆气团交替控制的区域，夏季高温多雨，冬季温和少雨。墨西哥荒漠区北部位于亚热带沙漠气候区，受副热带高压和干燥信风作用影响，盛夏气温与热带沙漠气候相似，夏末有热带海洋气团入侵，冬季有极地大陆气团侵入，该地区雨热不同期， 降水多在秋季，主要由海陆热力差异形成。
除了以上的太阳辐射和大气环流外，地球上任何一个地方的气候还可能受到海陆位置、地形地貌、典型植被、人类活动等综合因素的长期作用。
海陆位置
虽然各区域均处在副热带高气压的控制范围内，但因中心点距离海洋远近不同，各缓冲区内海洋面积占海陆面积的比值各异。缓冲区内海洋面积与海陆面积的比值随缓冲区半径的变化表明，在不同的缓冲区内，海洋面积占比最小的是撒哈拉沙漠；其次为阿拉伯半岛沙漠；而塔尔沙漠、墨西哥荒漠和南岭在半径为300～800km 的缓冲区范围内，海洋面积占比各有占上风的区间；半径800km 以上，墨西哥荒漠和南岭的海洋面积占比明显高于塔尔沙漠。这种格局与目前各区域干湿程度的格局较接近。由此可见，由于海陆位置的不同，在南岭同一纬度区域，水汽输送量从少到多依次为撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛沙漠、塔尔沙漠、墨西哥荒漠和南岭。在这些区域中，只有位于全球最大大陆的南岭，邻近地球最高的高山、面向世界最大的海洋，故其海陆热力差异最大，造就了常年湿润的气候条件。
缓冲区内海洋面积与海陆面积的比值随缓冲区半径的变化
地形地貌
从地形的粗糙度来看，塔尔沙漠的平均高程最低，且地形的粗糙度也最低，该区域为地势较低、平坦的盆地；墨西哥荒漠的平均高程最高，地形粗糙度居中。南岭山地的平均高程居中，地形粗糙度与同纬度其他4个区域相比最高，地形相对复杂、起伏较大，除了受季风环流的影响外，降水受地形的影响也很明显。由于地形阻滞作用，春季锋面低槽在此迂回时间较长，形成较多的降水（黄奇章，1990）。
表 各区域的地形参数和地表覆盖植被类型
典型植被
由于长期的气候变化和人类活动的干扰，南岭及其同纬度带的其他4个典型区域，除了南岭仍然主要由起源于新生代第三纪初期，甚至中生代白垩纪的亚热带常绿阔叶林覆盖外，其他研究区域当前为热带沙漠和亚热带荒漠植被所覆盖。然而，从这些沙漠和荒漠植被的形成时期看，在全新世期间，甚至在全新世湿润期结束前就经历了土壤沙化和植被退化的过程。撒哈拉地区在第四纪期间的不同时期是大草原林地（Nicoll，2018）；墨西哥“奇瓦瓦沙漠”的优势树种为栎树（44.4%～66.5%），伴生树种还有榆树、朴树和柳树等；阿拉伯半岛在公元前8600～前8000年的湿润期曾经被大草原覆盖。然而，撒哈拉地区在公元前7600～前6700年的湿润期末期，大多数草原和林地都遭到了破坏；墨西哥“奇瓦瓦沙漠”在公元前7700年之后气候变得干冷，包括苋科植物在内的沙漠植物占据了主要优势（64.7%）（Bruce，2015）。阿拉伯半岛的大草原在公元前8000年之后就逐渐被耐旱的低矮灌丛所取代（Dinies et al.，2015）。
人类活动
除南岭以外，其他4个区域都经历过在全新世干旱期开始之前人口下降和植被沙化的过程（Saini and Mujtaba，2012；Manning and Timpson，2014；Bruce，2015；Dinies et al.，2015），这也说明在温暖期这些区域的人口可能到达过顶峰，之后超过其自然生态系统的承载力，随着气候变得更加干旱，人口数量和环境压力的矛盾更加突出，从而导致区域人口密度减少。这些区域地势相对平坦，海陆距离相对较远，对气候变化和人为干扰具有更大的脆弱性。南岭至今仍保留有地带性常绿阔叶林，除了有较高的地形粗糙度和相对较大的海陆面积占比的优势外，在南岭居住的人一直以来都有朴素的环境伦理观念（梁安，2011），他们认识到人对自然资源的依赖，从而采取“游耕”方式，让耕作过的土地得以自然恢复。现存的原生林中，还生存着许多第三纪及第三纪以前的孑遗植物，这些植物科的种类超过目前南岭所有科种类的1/3（庞雄飞，1993）。虽然南岭也有属于硬叶常绿阔叶林的乌冈栎分布（谢春平等，2011），该树种呈现旱生植物特征， 表明南岭也经历过干燥的气候特征，不过南岭并没有像其他4个区域一样同时经历人类活动频繁与植被沙化的过程。
南岭同纬度带典型区域气候特征预测
基于气象站实测日数据值和气候模型模拟，对南岭及同纬度典型区域的气候特征参数进行分析和预测。南岭同纬度带的撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛沙漠、塔尔沙漠的干旱时期持续较长，墨西哥荒漠仅存在季节性干旱期。南岭和墨西哥荒漠均存在湿润期，但南岭在植物生长季节内雨热同期，而墨西哥荒漠在植物生长季节内雨热不同期。在未来B1气候变化情景下，南岭同纬度带所有区域的温度都将极显著增加，降水总体呈增加趋势，但在各区域内部分异较大，也存在降水显著减少的局部区域，总体降水显著增加的区域比显著减少的区域更多。南岭的净初级生产力对温度不敏感，而对降水敏感；撒哈拉沙漠和阿拉伯半岛沙漠对降水的敏感性显著高于其他3个区域，降水是影响净初级生产力增长的限制因子。除日照百分率和大气环流的差异外，南岭同纬度区域的海陆位置和地形粗糙度也不相同，地表覆盖和人类活动干扰的强度也不相同，这些都可能是形成南岭同纬度带不同区域气候差异的原因。
气候变化和人类活动干扰通过影响地球下垫面土壤、水文、植被而影响其生态系统。在干旱区域，气候变化通过改变降水量及其时空分布格局来改变生态系统的物质循环（Chang et al.，2017）。而沙漠化通过改变地表能量和水分交换的生物地理物理过程来影响区域小气候。塔尔沙漠未来降水增加可能对其植被生长将发挥较好的促进作用。不同沙漠可能有不同表现形式，同样是增温，热带和亚热带的沙漠在夏季变暖，温带的沙漠在冬天变暖（Mamtimin et al.，2011）。长久以来普遍认为，沙漠生态系统形成的主要因素是气候变化。通过孢粉分析和碳同位素定年分析，发现许多气候变化与沙漠形成的证据。在沙漠形成之前，公元前8000年之前，无论是撒哈拉地区，还是阿拉伯半岛地区，抑或是墨西哥北部区域均处在湿润期（Manning and Timpson，2014；Bruce， 2015；Dinies et al.，2015）。
以往人们普遍认为沙漠化主要由自然因素造成，很少注意到人类活动的贡献。撒哈拉地区的湿润期水资源相对丰富，基于考古发现的公元前11000年的鱼叉、鱼骨钩、梳子图案的陶瓷说明，这些文明是在湖泊、河流、内陆三角洲广泛分布的环境下发展起来的（Yellen，1998；Drake et al.，2011）。在撒哈拉沙漠最干燥的核心位置，Marinova 等（2014）通过研究广泛分布的碳酸盐方解石和游泳者岩石艺术图像也发现，公元前9400～前8100年，这里有更潮湿的气候和人类活动的痕迹。从人类活动迹象看，公元前11000年后，撒哈拉地区的人口迅速增加，不同区域渔具的均一性表明了快速的人口扩张过程（Yellen，1998；Drake et al.，2011）。公元前7600～前6700年，即湿润期末期，人口出现急速下滑趋势（Manning and Timpson，2014）。沙漠化的发展也导致曾经在这些地方发展的古代人类文明的消亡，而现在的撒哈拉沙漠每年降水量为10mm，是地球上最干旱的地区，也是人口密度最小的区域。南岭同纬度带的这些沙漠或荒漠地区均是在全新世的湿润期初期具有较好的植被覆盖，都经历了人口不断增长而后急剧下降的过程。湿润期有更高的植被净初级生产力，可以为更多的人口提供自然资源，但人类对自然的索取可能超过其生态系统承载力的临界值，导致土壤、植被和水资源更加脆弱，对气候变化的适应力更差。水分是生命得以存在的重要因素，由于可利用的水资源减少，不能支撑更多的人口生存，因此人口数据被动减少。这个过程气候特征指标的变化可能是缓慢的，甚至持续几千年，但一旦突破临界点，将很难发生逆转。自然环境和人类活动的双重干扰作用，导致生态失衡而加速沙漠化。可见，人类活动对沙漠化形成的影响不容忽视。在人类活动的影响下，由于海陆位置不同而得到更少水汽传输的撒哈拉沙漠区域及地形粗糙度相对较小的塔尔沙漠区域，在曾经应对气候变化方面表现出更小的弹性。
南岭这条纬度带上的撒哈拉沙漠是地球上净初级生产力最低的地方，也是全球人口密度最低的地方之一；塔尔沙漠是目前沙漠地带人口密度最高的地方，而南岭是中国森林资源最丰富的地区之一，也是同纬度带上人口密度最高的地区之一。进一步了解气候在不同区域的差异以及生态系统弹性和承载力，有助于人类更好地应对气候变化，并保护生态环境尽可能不向沙漠化的方向发展。虽然南岭与同纬度带区域比较具有更适合动植物栖息和人类生活的自然气候条件，但是由于人类活动的干扰，南岭地区也面临石漠化严重和植被退化的问题，在未来气候变化的背景下，需要特别注意减少南岭地区人类活动对生态系统的负面干扰。
本文摘编自《南岭地理环境与生物多样性研究》（李定强，周平主编．北京：科学出版社，2024.3）一书“第1章 绪论”，标题为编者所加。