全球变暖、厄尔尼诺及高海拔地区超强风暴的历史演变趋势及对登山运动员的影响

全球变暖、厄尔尼诺及高海拔地区超强风暴的历史演变趋势及对登山运动员的影响 摘要:二十世纪因为发生在珠穆朗玛峰上的两次时间而与众不同，即1924年的Mallory和Irvine失踪事件和1996年的Into Thin Air风暴，两次事件都发生在恶劣的天气条件下。虽然我们对珠穆朗玛峰的认识及能够运用的技术都有了长足发展，但是一些不愿看到的变化仍在继续发生，由于这个地区的变暖导致大气压的增加。基于1924年英国珠穆朗玛峰探险过程中采集的各种海拔上的一系列独一无二的气象数据和现代数据集，对两次风暴和两个攀登季节进行比较和对比。结果显示，这两次风暴都与一个被称作西方干扰的天气系统有关，西方干扰导致峰顶大气压的降低，使得高海拔缺氧更加恶化。进一步显示，Mallory和Irvine的登顶尝试时期比如今的代表性登顶季节晚，并且这很可能是同事发生的厄尔尼诺事件造成的结果。可以不管大气压的增加趋势，但是与这个区域风暴相关的气压降低应该能够得到那些想到极高海拔地区探险的人们的重视。因此，作者认为，无论是在珠穆朗玛峰或者是喜马拉雅山其它顶峰的成功和失败，都需要对天气和气候的变化及其趋势的认识。 1 介绍 1924年英国的珠穆朗玛峰探险代表早期珠穆朗玛峰登顶活动的高潮。1924年5月1日探险队到达了位于喜马拉雅山脉北麓的营地，此处海拔为5029米。整个五月，探险队的进度都受到了一些天气系统的威胁，给这个地区带来了寒冷的空气和降雪。在接近五月底和六月初的时候有一段时间天气较好，有两次登顶尝试的机会。6月4日，在Howard Somervell的支持下，陆军上校Edward Norton在没有使用氧气补给的情况下到达了海拔8570米，这一记录被保持了长达50年。继这次尝试之后，6月8日George Mallory和Andrew “Sandy” Irvine进行了一次有氧供给尝试。在那天下午，整个山脉被吞噬狂风暴雪吞没，这次风暴在当时被描述为一次“一次异常严峻的暴风雪”，这次风暴带走了Mallory和Irvine，他们再也没有回来。在过去的这些年里，在他们曾经攀登过的道路上发现了大量人工产品，其中1999年的发现是最重要的一次，这次发现了Mallory的尸体。尽管有了这么多的发现，但是仍然没有发现他们的攀登过程，其中包括他们是否成功完成了登顶尝试这一重要问题。 73年之后的1996年5月9日，一大批信誓旦旦地要完成登顶尝试的登山者，从位于珠穆朗玛峰南麓的尼泊尔大本营(海拔8000米)出发了。风在夜晚变得沉寂了，以当时的智慧来判断，认为这种沉寂会保持一段时间。基于这种认识，大家做了登顶尝试的决定。5月10日的整个下午，整个珠穆朗玛峰被夹杂着时速不少于30m/s的大风和强降雪的强烈风暴所吞噬，有20多位攀登者被暴露的攀登绳索所困。狂风和持续的恶劣天气阻碍了一次又一次的营救活动，结果导致8位攀登者在这次风暴中丧生，这是单一一次珠穆朗玛峰事件中遇难人数最多的。 1924年探险队的数据测量活动，代表了最早对这些至今都还缺乏观测的遥远地区的气象测量数据采集活动。兴趣聚焦在，同时通过海拔7000米以内的温度观测来计算环境垂直下降速度，即温度随海拔升高的下降速度。大本营还进行了每日大气压数据采集，这些历史测量值的不确定性难以探知，但是我们关心收集的数据，以及在探险之前和之后对设备的校验，这表示这些测量数据真实反应了当时的实际情况。 o温度数据显示当地正午时分的平均环境垂直下降速度约为8C/Km，1924年探险队测得的大气压强数据已经在1926年以表格的形式出版，但是直到近些年这些数据才被用于分析当年Mallory和Irvine登顶时发生的那场风暴，以获得那场风暴的蛛丝马迹。这些分析研究显示，在Mallory和Irvine和登顶尝试过程中，大本营的大气压强降低了18 hPa。气压的这一显著下降，预示在接下来的登顶尝试过程中，天气情况要比预想的要恶劣的多，也可能正 是这些导致了他们的死亡。 Moore等人使用印度次大陆当年的人工测量海平面气压数据进行分析，结果显示在1924年的那次尝试中，在珠穆朗玛峰的西侧有一个低气压团从孟加拉湾由南向北向这个区域移动。更有分析认为这些地表特征与高空槽有一定的联系，并对大本营的观测气压降低有一定影响，这与所谓的“西方干扰”是导致这一凉爽时期的观点相似，所谓的凉爽时期，即季风影响下的喜马拉雅山恶劣天气。 Moore 和 Semple使用ERA-40来研究1996风暴时期的气候条件，他们发现这次风暴与峰顶大气压降低了6 hPa有一定关系，同事这也是两条黑色条纹并列的原因。黑色条纹，即在亚热带黑潮中被狂风所包围的区域，它引起吞噬整个喜马拉雅山脉的有规律对流活动的爆发。 基于冰川长度数据的温度重建曲面显示，从19世纪中期以来，亚洲高山地区的温度大 o约上升了0.6C，并且最近青藏高原南部的升温速度正在明显增加，从20世纪60年代开始， o每年平均表面气温上升约0.2C，这导致珠穆朗玛峰的冻土高度每年约上升100-300米。从1950s青藏拉萨的年平均表面气压以每10年0.3hPa的速度上升，这一升高被证实与温度升高有关。Moore 和 Semple认为这一变暖趋势同样导致了珠穆朗玛峰峰顶的大气压上升。大部分年份里，峰顶的大气压以非常明显的每10年0.2-0.3pHa速度上升，Moore 和 Semple进一步认为这一升高趋势对登顶尝试者具有巨大的生理学意义。 在成功的3000次珠穆朗玛峰登顶记录中，有83%是发生在5月，而只有4%发生在6月，并且6月的记录都在当月的前5天。这是因为从6月处开始，印度夏季季风便开始给该地区带来强降雪，使得在山脉上活动变得异常危险。实际上，由于季风的影响，1922年的珠穆朗玛峰探险队因大雪而中断了行程，而发生在6月3日和4日的大雪崩导致了7名搬运人员的丧生。 因此，很明显1924年的登顶尝试时间——6月4日和8日，比今天的登顶时间要晚。本文还提出，1924年的登顶尝试之所以推迟很可能与当年发生的厄尔尼诺时间有关。厄尔尼诺时间与东热带太平洋表面的热异常有关，通常导致包括西藏在内的欧亚大陆降雪以及印度夏季季风的减弱。最近有人提出，热厄尔尼诺和冷拉尼娜时间都有两种明显不同的类型，除了发生传统的东热带太平洋比表面温度极端之外，也将使得邻近国际日期变更线的中热带太平洋发生极端情况。厄尔尼诺事件与印度夏季季风的减弱相关，这便是最近新定义的中太平洋类型。 在本文中，我们基于1924年探险时期采集的气象数据和近代的数据集，对两次风暴和两个登顶时段进行了比较对比。结果显示，虽然区域变短造成了西藏地区地表大气压的升高，但是1924年和1996年两次风暴中气压的降低和气压最低值都非常相似。另外，还显示1924年厄尔尼诺事件期间的海表温度异常以中太平洋为中心，因此是与印度夏季季风强度降低有关的类型。这一结果印证了1924年的厄尔尼诺导致了季风的推迟之一假设，因此允许1924年探险队的登顶尝试时间适当推迟。 2 数据和方法 在1924年的探险过程中，每天进行三次地表温度测量，分别为:08:30、12:00和16:00，海拔从大本营到位于7010米的第四营地。另外，大本营在当地时间的每天08:30 o进行了大气压测量。在本文中，将基于1924年观测的平均环境垂直下降速度8C/Km，来整理从大本营到位于海拔8848米的峰顶的1924年的大气压和温度观测结果。附录A详细描述了处理方法的细节。 将1924年的结果与整个时间序列的峰顶温度和大气压进行比较，以对从NCEP中得到的1996年的登顶时段进行再分析。再分析过程中，使用现代数字天气预报系统对历史观测 数据进行均匀一致化，使其适合进行模型校正与诊断改研究。与在珠穆朗玛峰附近所观测的海拔5800-8000米数据进行对比，结果显示NECP再分析能够捕捉这个地区气压和温度的季节性天气变化。NECP再分析数据每天可用的数据有四个，UTC时间12:00的数据与1924年12:00测得的数据时间最为接近，因此我们采用这对数据进行比较分析。1924年的可用数据从5月1日到6月13日，我们选择这段时间进行比较。NECP再分析还能通过计算得到1948-2009年的峰顶温度和大气压。 我们还使用20CR数据集中的地表气压数据来估计1924年和1996年两次风暴和登顶时段的气候条件。20CR仅进行了海表气压拟合，它基于NECP气候预报模型中大气成分的全部56个短期平行集合，获得了从1871年以来的对流层三围特征。20CR中包含对大气状况的估算，以平均偏差的形式显示，以及这种估算的不确定性，不确定性通过 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差衡量。 同时还从20CR中计算得到地表压力，从而估算与全球变暖相关的青藏高原的长时间变化。虽然在使用再分析方法进行气候趋势估算方面还存在一些争论，但是包括20CR在内，这些再分析都包含着明显的趋势信息，这一趋势与其它来源的数据一致。 地球物理学时间变化特性倾向于认为是短暂自相关导致了所谓的红色噪音行为，从而引起自由度下降。将这部分纳入到考虑之中，我们采用重采样技术来估算显著的统计学变化趋势，重采样技术使得地表气压时间变化特性的傅里叶分解相位呈随机分布，从而生成1000个能够维持初始时间序列光谱特征的时间序列。接下来使用这些天气随时间变化的分布趋势来估算每个格网点的20CR趋势统计数据。同时使用了包含所有可用海表航海测量值的海表温度数据重建来诊断1924-1996年之间ENSO的状况。 3 结果 图2显示了1924年1996年峰顶温度随时间的变化趋势，这两个时间序列都显示在过去这段时间温度的上升趋势，这与这个区域的春季变暖趋势一致。1924年峰顶的平均气温 o比现代气象学平均值低，最大偏差出现在5月的前两个月，最大差值为-3.6C。1996年峰顶 o的平均气温与现代气象学平均值很接近，但仍然略低，平均偏差约为-1C。 图2 峰顶温度从5月1日到6月13日随时间的变化趋势。(a)为1924年，(b)为1996年。1924年的随时间变化趋势基于大本营测得的数据，1996年的随时间变化趋势来源于NECP再分析。点划线是从1948年到2009年NECP再分析得到的气象学峰顶温度和最大最小值。点-线划线表示1924年缺失的温度数据。 图中还给出了1924年和1996年两次风暴中的气压下降时间。 图3给出的是1924年和1996年峰顶大气压随时间的变化趋势。两条曲线都显示出从5月到6月气压的上升趋势，这是由前面提到的春季变暖导致的，它引起大气层的厚度增加。1924年登顶的平均大气压比现代气象学平均值低，且其大小从5月到6月有递减趋势。例如，5月份的差值为-6hPa，而到6月的前两周则减少为-3hPa。1924年的风暴发生时峰顶的大气压从6月6日的341hPa下降为6月9日的331hPa，整整降低了10hPa。199年的峰顶大气压与现代气象学平均值相近，其平均差为-0.3hPa。1996年的风暴同样发生在大气压降低时期，从5月7日的337hPa下降到了5月12日的331hPa，降低了6hPa。 图3 峰顶气压从5月1日到6月13日随时间的变化趋势。(a)为1924年，(b)为1996年。1924年的随时间变化趋势基于大本营测得的数据，1996年的随时间变化趋势来源于NECP再分析。点划线是从1948年到2009年NECP再分析得到的气象学峰顶气压和最大最小值。图中还给出了1924年和1996年两次风暴中的气压下降时间。 图4给出了20CR中1924年和1996年风暴时期海平面气压状况，1996年风暴期间的地表环流与1924年风暴期间的环流相似:在喜马拉雅山西侧又一个低气压中心，且从孟加拉湾由南向北向该地区移动，但1924年的低气压系统比1996年的更恶劣。基于两张海平面气压图的相似，因此可以得出1996年的风暴也是一次“西方干扰”。 图5显示了1924年和1996年5月和6月的20CR月平均地表气压异常。1924年5月，气压极端异常现象非常明显，较高值出现在印度西北部，而低气压出现在西藏。1996年5月，异常并不十分明显，并与1924年5月份显示出的范围有所不同。1924年6月，整个青藏高原及北部地区的地表气压异常偏高，与在1996年5月的情形相似，而1996年6月的异常现象没有空间相干性。 图6展示了20CR中1900-2008年间的年平均地表气压分布。在整个二十世纪，这个地区的大气团进行了重新分布，青藏高原地区的地表气压显著上升，而周围地区的气压则有着明显的下降。在整个高原上，过去这段时间地表气压的变化趋势约为每10年0.05-0.1hPa。 图7给出的是1924年和1996年从1月到3月这三个月的海表温度异常。1924年间，在中-东热带太平洋地区存在热异常，而在南美洲东海岸存在海表温度冷异常。相反地，1996年间从南美洲东海岸到国际日期变更线的整个东热带太平洋地区都存在一个海表温度冷异常。厄 图4 20CR中的海平面气压(hPa)图。(a)UTC 1924年6月9日06:00，(b)UTC1996年5月11 06:00。青藏高原位于图中浅蓝色的3000m等高线范围内，珠穆朗玛峰的位置由星号标注。 图5 20CR中的月平均地表气压异常分布图。(a)1924年5月，(b)1996年5月，(c)1924年6月，(d)1996年6月。异常数据基于为期31年的具有代表性的气压数据获得。青藏高原位于图中浅蓝色的3000m等高线范围内，珠穆朗玛峰的位置由星号标注。 图6 从1900年到2008年间20CR所显示的年平均地表压力趋势(hPa/10yr)图。阴影区域代表该地区的趋势标校显著，即大于5%。青藏高原位于图中浅蓝色的3000m等高线范围内，珠穆朗玛峰的位置由星号标注。 图7 Kaplan等人研究得到的1924年和1996年1月到3月的海表温度变化趋势图。 oooo尔尼诺指数，定义为在南纬5到北纬5之间，西经120到170之间这一区域出现的海表温度 oo异常，在1924年1996年的这三个月这两个值分别为0.72 C和-0.68 C。根据对ENSO的最通常定义，1924年符合暖厄尔尼诺事件的标准，而1996年符合冷拉尼娜事件的标准。对1924年是厄尔尼诺事件的鉴定，与基于不同的多元标准进行单独估计的结果相一致。1924年异常的两集结构:在中-东热带太平洋地区存在热异常，在南美洲东岸存在冷异常，这与最近新定义的中太平洋型厄尔尼诺有关，这一类厄尔尼诺与季风强度的减弱有关。 4 讨论 如上面所提到的，1924年和1996年的风暴都与峰顶的大气压下降有关，这一气压下降很可能与一种低气压系统有关，即所谓的“西方干扰”。1924年风暴时的气压下降更快更严重，说明这次风暴比1996年的风暴更强烈，这一结论与两次风暴期间海平面气压分布图显示 的结果一致。 20CR中1924年6月9日的海平面气压分布图与印度气象局的Moore等人进行的当年年平均分析结果相似，仅在低气压区域的方向上稍有不同，在气压团中心处的气压上约有2hPa的差异。1996年风暴期间的NECP海平面气压再分析结果与20CR相似，仅在低气压系统的深度方面有约为2hPa的出入，而这些差异都与20CR估计的不确定性相一致。 在1924年和1996年的风暴发生时峰顶的大气压最小，约为331hPa。更多的有关细节可以从附录B中得知，这是人类生存的氧气极限条件。在高海拔地区，人类适应新环境的能力减弱，大气压4hPa的变化就会给登山者的生理造成显著影响。很明显，两次风暴都与峰顶的大气压降低有关，这极有可能将人带向极度缺氧的境地。这个结果与近些年对珠穆朗玛峰的死亡人数分析结果相一致，分析显示由于天气情况造成的死亡常常与峰顶的大气压骤降有关。 “西方干扰”在大约500hPa高空的对流层拥有最大振幅，这与我们从1924年位于大约500hPa的大本营的气压降低中获得的结果一致，比珠穆朗玛峰峰顶稍大。这一结果同时也与依据大本营观测到的气压和温度数值得到的峰顶大气压强表达式相吻合。为了简便起见，假设大气邓文，我们可以得到 因此，峰顶的大气压强降低值应为exp[-(z-z)/H]，或者是与大本营的~0.6hPa一样大。这0 与观察到的速度非常接近，如果假设分层垂直下降速度恒定不变，得到的结果也与此相似。 至于平均情况，从结果中可以清楚的得知1924年5月的峰顶温度和大气压异常比现代值低，而6月的值虽然与现代值很接近，但相对还是较低。就这一点而言有兴趣的是，1924年的探险 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 上说根据大吉岭茶园的种茶人员描述，5月的天气以低温和暴风雪为主，在之前的20-50年都是前所未有的。1924年5月的月平均地表压力异常与西藏地表压力实际测量值低2hPa。1924年的那次登顶尝试也很反常，比通常6月的春季要晚些。前面已经提到过，1924年6月整个青藏高原的地表气压比平常要高1hPa，这一异常高的气压很可能与当时的厄尔尼诺时间引起的印度夏季季风推迟有关，最终导致较迟的上升。相反地，1996年5月和6月的平均情况并没有显示出相同程度的空间相干性，与1924年的大范围影响程度有所区别。 图6显示，从1900年到2008年，在青藏高原的大部分地区，地表气压以每10年0.1hPa的速度上升的趋势，这一结果与拉萨和印度西北部地区的地表气压变化趋势相一致。假设大气同温，在恒定高度z处，地表温度变化T时地表气压的变化量P可通过公式 ss 得到，公式的结果便是随着海拔的升高，地表温度的升高对地表气压的影响，表明整个青藏高原地区的地表气压变化正是由地表温度变化引起的。在这点上，20CR仅使用了地表气压数据，提供了1871年到2008年间局部地区地表变暖可能发生的信息。假定整个高原在20世纪 oo的地表温度上升速度为每10年0.1C-0.2C，这意味着地表气压的变化速度为每10年0.1hPa-0.2hPa，这与图6所反应的趋势一致。 这些趋势结果以及Moore 和 Semple的研究结果显示，1924年的峰顶大气压强应该比今天的这个值低2hPa，5月的峰顶气压比突进的气象学平均值低6hPa，而6月的则低3hPa。这表明6月的这种差异可能导致这个地区长期变暖，然而肯定还有其它因素导致了5月的变化。 如前所述，1924年是一个厄尔尼诺年，厄尔尼诺事件通常会导致西藏降雪的增加，这正如前面所说的，1924年5月高原的地表气压异常的低。此外，冬季和春节的大雪覆盖情况与即将出现的印度夏季季风通常是不相关的，这导致形成季风的海陆温度差降低。另外，由 于厄尔尼诺引起的大气环流变化导致印度地区夏季大气下沉，这通常会降低印度夏季季风的强度。就这一点而言，前面已经提到1924年6月的地表气压异常地高，厄尔尼诺事件很可能与季风强度的下降有一一对应关系，通常在中-东部热带太平洋地区出现极大的海表温度异常，图7所示的是1924年的情形。 有趣的是1996年是一个拉尼娜年，假设为线性响应，可能期望出现对这个登山时段相反的影响。然而图5显示，1996年5月和6月的地表气压异常没有明显的相关性，对这个矛盾有两种可能的解释。其一，是有证据证明对厄尔尼诺和拉尼娜事件的响应是非线性的，其二，1996年的拉尼娜事件不是中太平洋类型，而这一类型被证实对印度次大陆有着最重大的影响。 5 结论 我们调查了1924年和1996年风暴期间和登山时段的气象条件，对它们两者之间的相同点和异同点有了大概的了解，还了解了全球变暖以及ENSO对珠穆朗玛峰地区的气象和气候影响的特征。1924年和1996年的两次风暴都与大气压骤降有关，看似是所谓的“西方干扰”这一天气范畴内的低气压系统的表现，这一低起亚系统通常影响喜马拉雅山地区大多说凉爽季节的恶劣天气。在印度的早期天气学中，已经知道了“西方干扰”在印度和尼泊尔北部地区对流天气中的作用。对两次重大风暴的观察结果显示，两次风暴都有相同的天气特征，最终得出结论:对“西方干扰”发展情况的预测预报将对身在喜玛亚拉山区的攀登者极为有利，它甚至是可能出现的恶劣天气的预报器。 我们证实，对高海拔地区尤其是珠穆朗玛峰以及整个青藏高原，地表大气压变化趋势就是地表变暖的指示器，这些趋势引起大气压强的增加，并且在一定程度上具有生理学意义。但是，与当今的风暴有关的气压下降和接下来发生的坏天气，应该对日益增加的到极高海拔地区探险的人有着重要的意义。 珠穆朗玛峰的春节登顶时段通常限制在4月和5月，一般随着5月底印度夏季季风的到来而终止。而1924年的登顶尝试比今天通常的登顶事件要晚，前面已经提到过，这是由于当时发生的中太平洋厄尔尼诺事件引起季风的延迟所导致的。从中我们可以得到，在厄尔尼诺年里，登山时段可以进行适当的延伸。然而后勤的补给，例如许可的呼吸空气状况，通常限制了它的灵活性。对1924年是一个中太平洋厄尔尼诺年的确认也非常有意思，因为最近大家都认为在1960s以前没有发生过这种事件，它们最近的发生是与全球变暖有关的。我们对20世纪早期的这一中太平洋厄尔尼诺事件的确认，提醒我们应该重新思考这一假设。 含蓄地说，我们的结果对过去在珠穆朗玛峰以及喜马拉雅山脉其它顶风上的失败和胜利给出了一个圆满的解释。并预测了未来的成功:不仅要对大自然和吞噬整个山脉的风暴的强度有一个清晰的认识，而且要对气候变化趋势的影响有清晰的认识。因此，如果哪位登山者想尝试登上喜马拉雅山脉的某座顶峰，他需要将这个区域内所有可用的天气和气候条件信息纳入考虑的范围。 缩写: ERA-40 :the 40-yr European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Re-Analysis NCEP :the National Centers for Environmental Prediction 20CR :the Twentieth-Century Reanalysis Project ENSO :the El Ni n? o–Southern Oscillation