青藏高原的虹吸效应对欧亚大陆水循环的影响及逆转措施
关键词：南水北调；大西线；全球变暖；青藏高原；沙漠化
中图分类号：P463 文献标识码：A 文章编号：16721683（2007）01007404
Siphon Effect of the QinghaiXizang Plateau on Water Cycle and Global Warming
GUO Xiaoming
（Department of Physics and Computing ,Wilfrid Laurier University, Waterloo, Ontario N2L 3C5，Canada）
Abstract：
The global climate is a gigantic system cycling water and energy. A system is unstable and subject to breakdown if it evolves into a positive feedback. The Siphon Effect of the QinghaiXizang Plateau siphons water out of the center of the Eurasian continent and is a positive feedback process. If global warming is to be controlled, we have to collect moisture from the oceans, convert it into water and discharge it into the center of the Eurasian continent. To sustain the ecosystem, especially the biosphere of the continent, water has to complete the cycle from ocean back to the center of the continent, which is now prevented by the Siphon Effect of the QinghaiXizang Plateau. The conceived Grand West Route project in China is the most promising solution. It reduces global warming by cooling down the Eurasian landmass from the center and reverses a series of positive feedback.
Key words:
SouthtoNouth Water Transfer; Grand West Route project; global warming QinghaiXizang Plateau
1引言
环球气候是一个在地球表面水循环和能量分配的系统。对于一个系统，如果任何偏离系统平衡状态的变动会被负反馈机制回复到原本状态，则系统是稳定的；如果系统状态的涨落变化触发一个受到某种极限制约的正反馈过程，就会使得系统在两极端状态中来回振荡；如果系统状态的涨落变化触发一个不受制约的正反馈过程，使得系统的偏离自发地无限增大，系统就会崩溃，这种系统是不稳定的。
由于地球环境是一个充满各种反馈机制的复杂系统，保护地球环境的方法之一就是识别系统中引发环球气候失稳的正反馈机制，并设法消除激发这些正反馈的因素。
例如，冰川的消融是一个大气变暖的正反馈过程。北冰洋冰川的融化减少了洋面冰雪覆盖面积，冰雪覆盖面积的减少降低了对太阳的辐射的反射，降低的对阳光的反射使水温升高，水温的升高进一步加剧了冰川的融化。另一个与全球变暖相关的正反馈过程是冻土的融化。因为冻土的融化释放出起温室效应作用的气体，而温室效应使气温升高，升高的气温进一步加剧冻土的融化。
Lioubimtseva（2005）等人认为，引发上述两个正反馈过程的原因之一，就是中亚气温上升的结果。中亚上升的气温向北向东扩散，引发了西伯利亚冻土融化，也引发北冰洋冰川消融。本文认为青藏高原的虹吸效应是引发中亚气温升高的原因。这个虹吸效应将水分从欧亚大陆中心抽到印度洋，致使中亚沙漠化扩大，并触发冻土和冰川融化两个使全球变暖的正反馈过程。也就是说，青藏高原虹吸效应是北半球融化的真正原因。如果是这样的话，大西线工程将是人类控制全球变暖的一个最有效的工程，它能缓解甚至扭转三个全球变暖的正反馈过程：青藏高原虹吸效应，西伯利亚冻土融合以及北冰洋冰川融化。
2青藏高原虹吸效应假设
2.1中国北方水循环断裂
在中国3/5的土地上，挥发和流失的水分多于降雨量［2］ ，如果没有另外的水流入这些地区，那就是这些地区得到的水无法补偿失去的水，这些地区的水分就会持续减少，生态持续恶化。我们说这些地区的水循环就是不完全的。这些地区就是中国的北方，在那里自然界的沙漠化过程还在加深［3］。由于这些地区严重缺水，使得抗沙漠化措施收效甚微，甚至引发如地下水开采过度等其它生态问题。
无论沙漠化的原因是什么［4］，无论是地理条件，气候条件还是人类活动，最终评估这些原因的标准还是看这些因素在加剧或缓解水缺失中的作用。青藏高原对亚洲气候有决定性的影响［5］ ，青藏高原不但没有释放足够的水量去平衡中国北方水循环的缺失，相反，青藏高原以其虹吸效应将这一地区的水分抽出去，生成恶性正反馈，导致欧亚大陆中心区域附近生态恶化，并波及全球大气系统。2.2青藏高原的虹吸效应
很多研究都意识到青藏高原对中国北方沙漠化有极大影响，认为青藏高原阻隔了印度洋潮湿空气的进入，这就造成夏天印度洋季风吹不进这一地区，而冬天则从西北刮来干冷的空气，由此产生了欧亚大陆中心与大洋的不对称的水交换，风带出去的水比带进来的多。全球季风系统的形成因素之一是南北极与赤道的温差。然而，青藏高原是世界第三极，其冰川产生的温度效应对其周围气候的影响是如此强烈，值得对其进行独立的分析。青藏高原除了以其高度阻隔印度洋潮湿外，还以其温度效应将中国北部的水分虹吸到印度洋和太平洋。
中国北部的沙漠地带与青藏高原形成一个有强烈对比的温度和海拔高度差别的地貌结构。要维持这一地带的稳定生态系统，至少需要一个完整的水循环，即北部高温将水蒸发到高空，然后在低温的高原或高空凝聚，形成降水，再由高原经过渗透或地表流动流回北部。这一个水循环之所以不能完成，就是因为从北部蒸发上高原的水分，无法从高原北沿流回北部，反而顺着高原的南坡流入印度洋或向东流入太平洋。这就是虹吸效应。
为分析简洁起见，这里专注分析塔里木盆地。塔里木盆地的低热与其南边紧邻的青藏高原的高寒恰成鲜明对照。盆地中蒸发出来的水汽随着热胀冷缩的空气而单向地漂移到高原。由于空气热胀冷缩以及盆地高温与高原低温，使得盆地相对于高原总是高压［6］，造成常年的东北风将盆地的水汽吹往高原。水汽遇到高原低温冰川而凝聚。低海拔盆地中的水就这样被蒸发作用送到高原。这些从盆地吹往高原的水汽凝聚在高原广阔的地域，而不是限于高原北坡，这使得凝聚在高原上的水难以循环回盆地。这种分子由高温向低温扩散的规律有着广泛的应用，从日常生活中的烘干到高真空泵都是根据这一原理。
空气中的水分近乎均匀地凝聚在高原群山的四周，但冰雪的融化却不是均匀的。由于高原地处地球的北半球，阳光由南边射入，冰雪总是南坡融化得快，北坡融化得慢［7］。这是北半球一个比较明显的现象。以塔里木盆地为例，从天山南坡流入盆地的水就比从昆仑山北坡流入盆地的水多，这就是阳光从南边照射下来的效果。由于这一阳光辐射角度的效果，塔里木盆地北部的绿洲面积大约是南部绿洲面积的三倍［8］。这种绿洲分布在南山脚比在北山脚多的景象，可以从卫星图片上清楚地观察到，见图1。除阳光因素外，青藏高原的隆起是印度板块碰撞的结果，青藏高原山脉因此是东西走势，使得融化的雪水大部分流入印度洋和太平洋而无法回流到盆地。
图1塔里木盆地卫星图片（略）
（从图1看，盆地北沿的绿洲要比盆地南沿绿洲多。这是地球北半球特征，古人以山南水北为阳，山北水南为阴就是对这种现象的总结。盆地蒸发上来的水分凝聚到周围的高原上以后，天山山脉南坡向阳，冰雪容易融化回盆地，形成局部大气水循环；而昆仑山北坡背阳，冰雪难融化，所以盆地南沿局部水循环大大弱于盆地北沿，造成盆地边缘绿洲分布北厚南薄。这些局部大气水循环，是内陆可再生水资源的基础，是内陆支撑生态环境的支柱。由于虹吸效应，内陆可再生水资源正在逐渐枯竭。）
因此，青藏高原虹吸效应由这三个因素组成：寒冷的高原冰川将中国北部的水分吸到高原，从南方射入的阳光将这些水分融化在高原南坡，高原东西走向的山势将水释放到印度洋和太平洋。总效果是青藏高原将欧亚大陆中间的水分虹吸到印度洋和太平洋。
3显示青藏高原虹吸效应的现象
显示虹吸效应的现象之一是中国北部的沙漠化。中国北部沙漠化因素很多，如全球气候的变迁，人类活动的影响等。但在诸多因素中，青藏高原的隆起与北部沙漠化的演变是同步发生的地理变迁现象［89］。当然，沙漠化与青藏高原隆起强烈相关，并不能证明沙漠化与虹吸效应的因果关系，或许高原隆起引发的全球气候变化才是沙漠化的原因。然而，塔里木是被周围海拔5 000 m高山环锁着的盆地［10］，在过去几十年中，罗布泊消失了，塔里木河水流量下降了近15%［11］ ，如果没有虹吸效应，无法解释塔里木盆地水量的流失。
有学者［12］将沙漠化的起因归结为四点：青藏高原的隆起阻断了印度洋季风；由于气候变迁而减少了降雨量；脆弱的土壤结构和人类活动。对于塔里木盆地来说，如果青藏高原阻隔了水汽的进入，为什么没有阻隔水汽的流出呢？周围高原河流流入盆地的水都是怎么消失的呢？塔里木盆地水分的消失是存在虹吸效应的最有力的证据。有研究表明［13］, 现在中国北方沙漠地带曾经是充满河流湖泊的潮湿区域。由此可见，青藏高原不但阻隔了印度洋季风的吹入，而且以虹吸效应将这一地区的水分抽到印度洋。降雨量的减少和土壤的退化完全有可能不是沙漠化原因，而是沙漠化现象本身，是虹吸效应导致的结果。今天中国北方干旱的困境，与虹吸效应长期积累的效果密切相关。
另一个值得注意的现象是青藏高原本身的荒漠化。根据计算机模拟［14］，全球变暖将导致青藏高原温度和湿度上升。但与计算机模拟相反，研究观察到的是温度上升但湿度下降［15］。在罗布泊消失后没有多久，青藏高原的荒漠化就开始了。以虹吸效应假设来分析，就是从中国北方刮到青藏高原的风中水汽的枯竭，使得青藏高原湿度下降。中国北方不但地表湖泊河流的水枯竭了，连地下水也濒临危机［10］。由于中国北方水量大幅度的下降，沙漠化过程几乎无法阻挡。自1982年以来，中国植树420亿株，但沙漠化还是以每年10 000 km2的速度扩展［3］。中国北方严重缺水，导致许多节水措施和生态保护工程成为无米之炊。也由于中国北方水的耗尽，青藏高原荒漠化从高原的北部开始，高原北部几乎没有人类活动，这表明这部分高原荒漠化不是人类活动的结果，而是因为虹吸效应吸干了中国北方的水分，现在开始侵蚀高原自身的水分了。
冰川是世界最大的淡水资源储备。近年来，由于全球气候变暖，中国西部的冰川在融化。如果不是虹吸效应的话，天山、阿尔泰山和青藏高原的冰川融化会给中国北部注入大量的雪水。然而，中国的北部沙漠化却继续加速。在高原冰川退行的同时，中国北部淡水短缺却加剧［16］，沙尘暴自1950年以来增加了5倍。当冰川退行导致全球洪患频发之时，中国的北方却由于青藏高原的虹吸效应而见不到水量的增加。如果没有虹吸效应，难以解释冰川融化的雪水是如何消失的。
从以上三种自然地理现象来看，青藏高原虹吸效应是一个合理的假说。
4青藏高原虹吸效应对全球变暖的影响
没有完整持续的大气水循环，就不可能有持续的陆地生态平衡。然而青藏高原虹吸效应打断了欧亚大陆中心的水循环，使得地区最大一块陆地上的生物圈环境逐年恶化。青藏高原虹吸效应是一个自持的正反馈过程，它加速度地吸走欧亚大陆中部的水分。中亚水分的减少使得气温上升，增加了干旱地区水蒸发速度，又反过来强化了虹吸效应。中国北部的沙漠化减少了植被，减少了可以吸收二氧化碳的光合作用，强化了二氧化碳的温室效应，加剧了全球变暖。
一个正反馈过程是一个不断强化的过程，它要么达到某种饱和状态而停止，要么导致整个系统崩溃。如果沙漠扩展到头而停止了，那么虹吸效应就是饱和了。但现在沙漠化还在继续，而且荒漠化爬上了青藏高原，虹吸效应正在融化冰川，虹吸效应是往系统崩溃方向演化。这个虹吸效应耦合到全球气候变化中间，是全球气候变暖的一部分。
5根治中国北方干旱需要逆转虹吸效应
5.1中亚升温的难题
全球气候变暖威胁着人类生存。人类生活在陆地上，世界最大的陆地是欧亚大陆。塔里木盆地就在欧亚大陆中心。由于虹吸效应抽走了中亚的水分，中亚气温逐年升高［17］。青藏高原虹吸效应威胁全球气候，直接损害中国北部生态。
中国人均可用淡水仅为世界人均可用淡水的1/4，而青藏高原的虹吸效应又造成中国南涝北旱的淡水分配格局。由于淡水的缺乏，中国北方的经济发展与沙尘暴齐头并进。中国淡水除了居民饮用之外，还要消耗工业用水，在中国成为世界加工厂的今天，这仅有的一点淡水实际上还要用于生产全球范围内消费的工业品。中国的产业还是高能耗和高水耗的产业，因此，淡水成为中国经济发展的瓶颈战略资源之一。
中国并非完全没有淡水，青藏高原上的冰川储存着上兆立方米的淡水［8］。但由于青藏高原的虹吸效应，中国无法利用这些淡水。大气变暖冰川融化丝毫没有缓解中国北方缺水的状况。由于青藏高原虹吸效应，在过去30 000年中，冰川的融化拌随的不是河水的升高而是沙漠的扩展［10］。中国已经建成或正在建设中的南水北调工程可以缓解北方用水，但不足以补偿青藏高原虹吸效应的祸害，不足以恢复中国北方广大地区的生态。
5.2逆转虹吸效应减缓全球变暖
虽然青藏高原虹吸效应是中国北部干旱的主要原因，但青藏高原也是人类抵御全球变暖的希望。以其寒冷的冰川，青藏高原不单凝聚中亚的水汽，它也将印度洋潮湿空气中的水汽凝聚下来。只要能将青藏高原凝聚下来的淡水注回中亚，则产生一个逆转的虹吸效应，使得中亚大气水循环得以完整，使得地球最大一块陆地得以冷却，使得欧亚大陆生态能够恢复并有持续的保障。恢复欧亚大陆植被可以吸收大气中二氧化碳，减少温室效应。实现这一逆转虹吸效应，就有如为人类在欧亚大陆建立了一个中央空调。
青藏高原虹吸效应的实际结果，是将高原以北的水分移到了高原以东以南，见图2，改变了东亚水的分布，造成南涝北旱的气象结构。而逆转虹吸效应，就是将泻往高原以南以东的水调到高原以北。
众所周知，全球变暖的一个重要因素是大气中二氧化碳的增加，而减少大气中二氧化碳的重要途径是光合作用，光合作用的机制，离不开水分镜头由植物而蒸发到大气中。增加欧亚大陆植被既可以吸收更多的二氧化碳，也可以降低地表和大陆温度，保护高原冰川和西伯利亚冻土，所有这些减缓全球变暖的一系列效果，都有待于全球大气水循环延伸到欧亚大陆腹地，有待于人工逆转青藏高原的虹吸效应。
5.3以大西线扭转虹吸效应
唐古拉山脉是青藏高原中部脊梁，也是发源于青藏高原诸水系中，太平洋水系和印度洋水系的分水岭。唐古拉山北边的青藏高原雪水流入太平洋，而唐古拉山南边的雪水大部分流入印度洋。小西线［18］ 南水北调工程，只是调整太平洋水系内部水分布，将长江流域的水调往黄河流域，所治理控制的水都是唐古拉山北面的水。由于日光由南射入，北坡雪融化比南坡少，小西线不足以扭转虹吸效应。除了水量配置不足以逆转虹吸效应外，小西线工程还计划到2050年才完工，这对中国北方每年10 000 km2速度的沙漠化［3］不仅是杯水车薪，而且还是姗姗来迟。要建立有效的逆转虹吸效应，必须使南水北调中的南水范围扩大到唐古拉山南部，让南水包括澜沧江、怒江乃至雅鲁藏布江，而且北调的范围必须扩大到黄河流域以北以西。只有这样，才能建成完整的扭转虹吸效应，才能根治北方干旱。
图2青藏高原对水分布的影响（略）
（假如是各向同性的地貌和辐照，高原将凝聚周围大气中的水分，再以均匀的河流分布将水泻回四周。而在现实中，虽然冰川不加区别地将南北大气中的水分凝聚到高原，但从南斜射的阳光和东西走向的山脉使得高原流水只泻向东南，造成高原将北部的水分搬运到南部的实际的虹吸效应。地图上高原以东以南的郁郁葱葱恰与高原以北裸露的黄土形成鲜明对照。地图清楚显示出中国南涝北旱的分界线恰恰是青藏高原北沿的延伸。）
黄河流域以北以西包括内蒙古、宁夏、甘肃和新疆等省的中国西北地区，是一个没有河流出海的内陆，即这一地区没有形成与海洋一体的大气水循环［19］。这一内陆地区的生态更多地是依靠局部大气水循环，该地区内部的水量决定了其生态系统的规模。只有大西线将海洋水系的水注入该地区，才能有效治理沙漠、恢复黄土高原植被，有效治理黄河。所以，大西线工程调水，至少要有一部分的水注入黄河流域以西，注入到该内陆地域，才能对冲青藏高原虹吸效应。如果对冲的水量足以抵消青藏高原虹吸效应吸出的水，才有可能遏止这一地区生态继续恶化；如若调入这一地区的水高于青藏高原虹吸效应吸出该地区的水，才有可能逐步恢复该地区的地下水位，恢复该地区地表河流和湖泊，恢复生态，消除北方沙尘暴。
由于大气环流由西向东以及中国西高东低的地势，北调的水越往西对北方生态恢复越有效。除了虹吸效应以外，水分还会经由蒸发吹出该地区，或经河流流入海中。如果引水只到甘肃宁夏，经由蒸发和降雨的水分只会往东扩散，无法改善青海和新疆的生态。如果引水注入到塔里木盆地和柴达木盆地，则不但能够改善新疆和青海的生态，而且其湿度增加了的空气有望增加陕甘宁内蒙等北方地区的降雨量，从源头上根治由西向东吹的沙尘暴。
中国酝酿中的大西线工程，可以把唐古拉山南面的高原雪水调到青藏高原北边，将印度洋水系的水，跨越太平洋水系，调入内陆，真正扭转青藏高原虹吸效应，完成欧亚大陆生物圈赖以存活的大气水循环，这是中国的希望，也是人类的希望。
6结论
青藏高原虹吸效应由三要素组成：高寒吸走并凝聚中亚的水分；高原地处北半球使得南坡雪水融化速率高于北坡；高原东西走向的山脉结构使高原雪水流入印度洋和太平洋。其总效果是将中亚水分排到海洋。这一虹吸效应是全球气候变暖的重要因素之一，它导致中国北方沙漠化，增加环球沙尘暴，提高中亚气温，触发西伯利亚冻土和北冰洋冰川的融化。
大西线可以扭转虹吸效应。扭转的虹吸效应以青藏高原的高寒凝聚印度洋潮湿空气中的水汽，这些被凝聚的淡水以雪水的形式流入高原河流，大西线将其中部分水量导入青藏高原以北地区。总效果是将印度洋水虹吸到中亚。
全球气候是一个复杂的系统，如果青藏高原冰川消失，则逆转虹吸效应无法形成。因此，大西线工程有时间紧迫性。大西线不单解决中国北方用水问题，而且解决欧亚大陆生态保护问题，也是降低中亚气温，保护青藏高原冰川的重要措施，是人类努力减缓全球气候变暖的一部分。
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