暖湿化，科学的发现与证明

兰州经济发展虽然力有不逮，可这里仍维持着西北科研重镇的地位。如2018年自然指数中，兰州市排名全球第91，在中国排名第19。自然指数是依托于全球顶级期刊，统计各高校、科研院所发表论文数量得出的。

兰州市作为区域性中心城市，科技资源相对富集，主要得益于第一个五年计划和三线建设时期的异地搬迁。中科院近代物理研究所、中科院兰州化学物理研究所等都是响当当的名字。在自然地理领域，中科院寒区旱区环境与工程研究所（以下简称“寒旱所”）是研究西北环境的权威科研机构，几年前，寒旱所又与兰州油气资源研究中心、兰州文献情报中心、西北高原生物研究所和青海盐湖研究所等机构合并，组建了中科院西北生态环境资源研究院（以下简称“西北生态研究院”）。而寒旱所又是中科院兰州冰川冻土研究所、兰州沙漠研究所、兰州高原大气物理研究所整合组建的。

西北地区的暖湿化，就是寒旱所的已故院士施雅风和他领导的课题小组正式提出来的。20世纪80年代，施雅风院士关注到西北降水增多的变化，2002年课题组以报告的形式做出了推断，这份报告后来由气象出版社出版，题目是《中国西北气候由暖干向暖湿转型问题评估》。从这份报告里，我看到了有关西北暖湿化的一个大概脉络。

我国西部、中部气候自19世纪小冰期结束至20世纪80年代，大概100年的时间里基本上处于向暖干化发展过程中。暖干化在气候和生态上的表现是气温上升、降水偏少、河川径流减少、湖泊萎缩、生态环境恶化。可1987年，这种暖干化的趋势迎来了拐点，暖湿化开始了，降水在增加，冰川融化，植被以超乎想象的速度在恢复着。

这篇报告里提到这样一个现象，他们分析了西北53条河流出山径流变化，即在上世纪50年代到80年代，西北径流总体上显示波动下降趋势，而在1987年以后，径流开始显示出增加迹象。1987年以前，西北主要的内流湖泊，除了海拔较高的赛里木湖以外，基本上都是在萎缩，有的甚至干涸消亡了。当然了，科学家也注意到那个时候正是开垦荒地农业向河流、向湖泊大量取水的时候。但科学家也计算出，比如约30年间，青海湖的水位下降了2.34米，这里面人为用水导致的湖面下降只相当27%。

转折发生在1987年，长期在新疆工作的地理学家胡汝骥发现，天山的博斯腾湖在水位连降30年后，于1987年开始上涨，到2000年时水位上升了3.5米。对新疆气象灾害的统计分析也显示，上世纪八九十年代，灾害增加得很快，显示出突如其来的雨雪次数在增加。

一个事实是西北地区的降水主要集中在天山、祁连山、昆仑山、阿尔泰山、贺兰山、秦岭六盘山等山地地区，这些地区堪称西北的水塔。地理学家们观测到这些地区降雨明显增加。他们把降水分成两个时段作年均对比，一个时段是1961年到1986年，一个是1987年到2000年，结果发现北疆年均降水量增加了36毫米，偏多22%；南疆地区偏多了33%；祁连山、河西走廊中部和西部以及青海高原平均增加幅度在百分之10%到20%之间。

在行走中，我特别感兴趣甘肃的气候变化，甘肃的河流分为内流河和外流河两种，外流河既有陇南的流入长江的嘉陵江，也有湟水、大通河等黄河支流。甘肃的众多河流中，内流河显示出了比较强的增长趋势，尤其是祁连山北坡西段的疏勒河流域和中段的黑河流域。关于黑河的水势，我在随后的祁连山的采访中有了亲身的感受。而外流河区域，河水径流非但没有增加，反而是在减少的。

地理学家们为西北划分了大致的气候转变区域，暖湿化最显著的是新疆北部和祁连山北部以及青藏高原部分区域，其余是轻度转型区。而在兰州、银川以东的西北靠近东部的边缘区域，暖湿化是最不明显的。

这当然也是可理解的，施雅风等老先生们把西北的暖湿化归结为全球变暖、海洋蒸发以及水汽更多地输送到西北地区。这就包括来自于印度洋的水汽，实际上，西北地区的水汽主要来自于其西南面的印度洋，其中的一部分来自孟加拉湾，经由雅鲁藏布江的谷地一路爬升而来。而上世纪末南风渐强，有利于印度洋水汽输送。

一个有趣的事实是，我国是世界唯一本土集齐四大洋水汽的大国。在新疆天山山脉之中，有一个美丽的湖泊赛里木湖，在卫星地图上，赛里木湖就像是一大块被绿色森林包围的蓝色水晶，异常纯净。在地理学界，人们称之为“大西洋最后一滴眼泪”。 新疆是全世界离海洋最远的地方，赛里木湖距离太平洋最近的距离也有3000公里，距离大西洋足足有5000公里，距离地中海都有4000公里，为什么把它称为“大西洋最后的眼泪”？就是因为在大气环流中，来自太平洋的水汽靠的是季风环流，且受到黄土高原和青藏高原的阻隔很难深入到新疆，而来自大西洋的水汽，乘坐的是行星环流这个更大级别的“交通工具”，西风从大西洋吹来，5000公里的路程来到赛里木湖所在的谷地，到了天山山麓已经是“强弩之末”，就把水汽留在了这里。

暖湿化发生在西北的中部和西部区域，这是可以理解的。施雅风等老先生们把西北的暖湿化归结为全球变暖，海洋上的蒸发和陆地上的蒸发与蒸腾加强。西北地区的水汽，他们判断大部分来自于印度洋，其次是大西洋。天山和祁连山等山脉高耸，有利于截留来自两大洋的水汽。在西风带环流的影响下，西北地区的降雨量就增加了。

全球变暖驱动的复杂的水循环变化，可能导致近十几年来西北大部分地区气候环境悄然发生重大变化。于是我们观察到了降水与径流增加，冰川消融加速，湖泊水位上升，大风雨、沙尘暴日数减少，植被有所改善等一系列自然现象。

中国有严格意义的气象资料还是很晚近的事情。中国的第一个气象站是北京的地磁气象台，始建于1841年，由俄国教会建立；第二个是上海徐家汇观象台，1872年由法国教会建立；第三个是香港天文台，1883年由英国政府建立。西北地区的气象记录就更晚了，绝大多数气象观测数据都是新中国成立后才有的。

施雅风院士领衔的气候变化报告发表后又过了将近20年，近几十年来的气象数据就更有说服力了。有研究者对西北地区40多个气象观测站的历史数据进行了统计分析，发现从上世纪80年代中期之后，降水量的确呈增加趋势。比如在1960?1985年间，该区域平均年降水量仅为100毫米左右。而从1986?2009年这一均值增加到130多毫米，近10年间又有所增长，达到平均150毫米，与50多年前相比，增加量在50%左右。

近年来的天候变暖、降水增加，也被我随后的旅行一路证实着。从兰州沿着黄河支流湟水西进，我们来到了有着青藏高原东大门之称的西宁，这里湟水河、北川河、南川河三条水系汇合，三条河流每一条都树木葱茏，犹如三条玉带，穿插在城市之间。城市周边的山上也是树木广植，绿意盎然，形成了“两山对峙、三水会聚、四川相连”的山水格局。我们的摄影师黄宇在飞机上观察到，“飞机上看，内蒙古阿拉善盟的沙子，一个劲儿向南吹，吹成个口袋形状，在银川、中卫、景泰北、武威、张掖形成一个U形。祁连山脉是分界线，向北是狭长的河西走廊，从飞机上看更为细窄。南面则是过去的吐蕃界，不知是高耸的山脉阻挡了干燥气流，还是雪水滋养的结果，进入青海就是绿色一片了”。在他看来，青海山脉间有种“史前一万年”的感觉，好像地球回到了过去的无人绿色区域。

黄宇从飞机上的观察，其实牵涉到两个地理概念，一个是高寒草原。青藏高原也就是我国地形上的第一个台阶，这里海拔高，日照强烈但气候相对寒冷，蒸发量也就小，这里的降水量是远高于黄土高原的，于是有着大片草场。另一个地理概念则是“梵风”，从青藏高原的边缘祁连山下山是河西走廊，大气直下一两千米，温度会陡然升高，也会变得干燥，故而河西走廊的降水量是很小的，大地的颜色于是突然变成黄褐色。

按当地人的回忆，西宁周边的山上过去是没有树的，土黄一片。他们小时候，也就是二三十年前小时候住土房，冬天冷得彻骨，到了夏天，孩子还得穿秋裤。可现在雨水多了，空气湿润了，天上也不像过去高原那样，总是暴晒。城里的孩子很少有高原红的脸蛋，也就是深山里极少数的孩子还是那样。

后来我们到了青海湖边的刚察县，当地人告诉我，青海湖的水也涨了不少，几乎是年年涨。权威数字显示，2000年时，该湖面积约4256平方公里。2017年8月时，遥感卫星测得青海湖面积为4435.69平方公里，增加了约180平方公里。到了2020年4月，青海湖水体面积为4543平方公里。青海湖，这一我国第一大湖泊水域面积20年来增加了7%，并且这两年湖面扩张还在加速。在青海湖畔的天峻县，那里的雪山只露出些很小的“雪帽子”，而源自雪山的布哈河则水势正猛，在宽阔的河谷中流淌着。

7月是青海湖独有的鱼类青海湖裸鲤的洄游季节。说到青海湖裸鲤，就要提到青海湖的演化历史了，青海湖的水面比和它只有60公里直线距离的龙羊峡水库足足高出了600米，20万年前青海湖水还是汇入黄河东流入海的。

6000万年前青藏高原所在的地方还是一片汪洋，4000万年前这里还曾经是类似于西双版纳的热带雨林。青藏高原的隆起是印度板块挤压欧亚板块的结果，在印度板块的挤压下，这里不断长高，彻底改变了我国的大气环流。具体到青海湖，青藏高原隆起过程中，也就是20万年前开始，青海湖东部的日月山和野牛山迅速抬升隆起，一条本来汇入黄河的倒淌河被截断，向回流回了青海湖。失去了外流出口，青海湖也就成了内陆湖泊，湖水蒸发，日积月累，也就变成了咸水湖。

生活在湖中的裸鲤，本来适应的是淡水中生活繁衍，也不得不进化出咸水中生存的技能。可环境变化太快了，裸鲤还没有进化出咸水繁殖的能力，每到繁殖季节，裸鲤就会沿着溪流逆流而上，寻找淡水湾产卵繁殖。

在刚察县的洄游观赏点，我们看到了大自然中最具活力，也是最为惊心动魄的时刻，巴掌长的裸鲤聚集在人工修建的水坝下方，休息片刻就逆流而上，而溪水奔流而下，鲤鱼跃龙门的历程异常艰难，小鱼时不时被激流裹挟而下，前功尽弃。海鸥则等到了最为轻松的捕猎时节，它们只是站在台阶上等待鱼儿送上门来。不过因为鱼的个头大，我们数次看到鱼儿从海鸥的嘴里滑落。

大自然中生存的裸鲤，虽然被列为二级保护动物，逃过了人类的捕食，却要在物竞天择的竞技场中奋力活着，繁衍下去。多雨的天气，无疑给它们的洄游带来更多的困难。石笋里的秘密

20世纪70年代，中国气候学的奠基人竺可桢发表的《中国近5000年来气候变迁的初步研究》，通过历史文献重建了气候史，可谓旷古烁今的一部气象学巨制，通过仰韶和安阳殷墟考古发掘出的动物骨骼以及甲骨文记载，他推断那时候安阳种稻子要比现在大约早一个月，那时候的温度要比现在高2摄氏度。后来周初气候恶化，春秋时期的变暖都记诸文字。1221年，丘处机从北京出发去中亚见成吉思汗，曾路过新疆的赛里木湖，他的叙述里湖的周围有山环抱，山上盖雪，倒映湖中，但是现在那些山峰上已经没有雪了。

竺可桢在这本研究报告指出，从仰韶文化到安阳殷墟的2000年间，黄河流域温度比现在高2摄氏度，冬天甚至高3?5摄氏度，此后的冷暖多在一两摄氏度的幅度波动，以400?800年为周期。历史上的几次低温出现在公元前1000年、400年、1200年和1700年。民以食为天，古代生产力落后，粮食生产更依赖于气候，联想到几次朝代更迭，就更是如此了。

即使30年前，地理学的研究还有相当部分是经验性、直观的，研究者到野外采集植物标本，植被上放样方统计植物种类和数量，还要带着工程铁锹，在土地上挖坑观察土壤分层、颜色和厚度。感性观察多于定量化分析，论文报告里虽然需要用定量化的数据说话，但地理学毕竟是一种描述为主的学问。可现在，当我走进西北生态研究院，这里研究方法已经彻底“鸟枪换炮”了。

在中学里，我们学到的知识是同位素的化学性质基本相同，也就是说，在化学反应中，尽管有些同位素中子多一些或者少一些，但是它们的带电性是相同的，化学反应中起到的作用也是一样的。但他们的物理性质的确是因为中子的多寡而有所不同，就拿水分子来说，如果是比较重的氧同位素构成的水分子，在水的蒸发过程中就可能落在下面，轻的水分子会更容易蒸发出来。

表征气候的特征，一个重要的方面就是水的蒸发和凝结循环，气候暖湿水蒸发凝结的循环就会越多，蒸汽中的水分子被带到大陆，以各种形式沉积在植物里，或者是山洞的石笋里。于是这里的水的同位素就偏高，反之则偏轻。如此这般，氢氧同位素的结构差异，就能作为判断古代气候的证据。

碳同位素同样是古代气候环境的一个表征，冰期的时候，北半球被冰雪覆盖，热带地区干旱，森林面积锐减，大量的二氧化碳转移到空气中，通过水和大气的交换而直接影响到海水的碳同位素的组成。植物中的碳同位素变化也主要受到温度、湿度及云量的影响。

在西北生态研究院，最近就出了一个比较重要的关于古代气候的成果，杨保研究员和他的团队，通过对青藏高原东北部德令哈的53棵祁连圆柏的树轮同位素的测定，重建了过去6700年亚洲夏季风降水的变化，他们发现大趋势上，这6700年降水一直是减少的。但在下降的趋势中有所反复，公元前2000年后存在一个气候湿润且稳定的时期，正好是仰韶文化的扩张期。

西北生态研究院的对面是兰州大学，这里的地理学家们通过对洞穴里面石笋的同位素的研究，甚至发现了朝代兴亡的秘密。科学家们发现，在唐朝最后60年和五代十国前30年，元朝后期和明朝初期，以及明朝的最后几十年亚洲季风降水极其缺乏，气候极端干旱，而北宋的前60年亚洲季风增强。气候与经济气候与社会变动的联系就这样建立起来。科学家们还发现，在20世纪晚期，亚洲季风区自然气候降水发生了异常，呈现出了温度持续升高、季风降水逐渐减少的趋势。

类似的结果也在祁连圆柏上得到了确认。中科院地球环境研究所研究员刘禹通过研究青藏高原上的中国特有树种祁连圆柏现生树的年轮，并与唐朝古墓里出土的祁连圆柏的年轮相衔接，以树木年轮宽度作为温度变化的代用指标，构建了从公元前484年至2000年，共2485年来可以代表我国中东部地区的温度变化曲线。这也是亚洲目前最长的树轮重建温度序列。这次科研人员发现，我国历史上的朝代垮塌几乎都与曲线图上的低温区间相对应，秦朝、三国、唐朝、北宋和南宋、元朝、明朝和清朝的灭亡年代，都是处于过去2400余年来平均温度以下或极其寒冷的时期。

整体而言，过去5000年以来，我国北方地区的气候呈不断变冷、变干的大趋势。

未来的气候如何变化，施雅风院士在本世纪初的报告中只做了50年的推断，再远了就是能力范围之外了。

在西北生态院的冰川研究室，高级工程师郭治龙给我展示了一系列的气候变迁图表，在侏罗纪晚期，也就是恐龙称霸世界的时候，地球的温度要比现在高12摄氏度。那时候由于火山活动，地球二氧化碳浓度比工业革命前高出4?10倍，南北两极没有永久冰盖。即便如此，还是出现了数次气温大跳水的情况，波动时间基本都在100万年左右。

地球的温度变化，并不是一成不变的，曾经经历过三次严重的冰期。在200万年前，地球步入了第三次，也就是新生代第四纪大冰川期，这一次冰期结束于1万?2万年前。这一时期冰川覆盖总面积约为1630万平方公里，占地球陆地总面积的11%。我国的现代冰川主要分布于喜马拉雅山北坡、昆仑山、天山、祁连山和横断山脉的一些高峰区，总面积约5.7万平方公里。

冰期结束后，地球才进入了全新世时代，全新世又称冰后期，是最年轻的地质年代，从11000年到12000年前开始。根据传统的地质学观点，全新世一直持续至今，但也有人提出工业革命后应该另分为人类世。在这一地质时期，冰期结束了，海平面迅速上升，几千年内上升了60米，到了大概6000年前，海平面基本维持和现在一样的高度。

全新世初期，地球经历了一个相当长的温暖期，又称为全新世大暖期。中国研究者提出大暖期或高温期始于距今10000年到7500年，止于距今5000年到2000年。大暖期延续约5500年，包含了相当多的气候与环境波动。也就是在这个暖期后，地表温度开始持续降温，直到工业革命后降温的趋势才得以逆转。

如何判断现在的全球变暖？工业革命200年，地球上的二氧化碳浓度从280ppm迅速升高到400ppm之上，作为温室气体，二氧化碳的增多给地球保温，气温随之升高。但如果我们回看地球生命发展史，二氧化碳曾经救过地球生物的命。在太阳发育的早期，它的辐射量比现在要小很多，那时候大气中含有大量二氧化碳和甲烷等温室气体，地球没有被冰封，生命得以在海洋里孕育。

后来蓝藻出现并迅猛繁殖，不断吸入二氧化碳并释放氧气，终于在距今24亿年左右引发了氧气危机，地球失去了温室气体的保温被冰封，幸好那时候的地球内部还没有冷却下来，火山活动释放出的二氧化碳，又一次把地球从冰冻状态拉了出来。

实际上，因为光合作用以及植物的固碳过程，二氧化碳浓度不断降低，这对植物的生长都构成了威胁，植物于是拼命进化，以适应低二氧化碳浓度的环境。玉米的生长机制就是一个典型的例子。一旦二氧化碳浓度低于150ppm，植物光合作用就会停止，全世界的植物都会死亡。

既然全新世暖期后地球就一直处于降温的轨道上，工业革命似乎是以一己之力将寒冷化的趋势拉回来，人类是否真的改变了地球的气候变化规律了呢？

其实很难判断，长期而言地球温度之所以有着剧烈的波动，除和太阳的辐射有关系，也和地球本身的运动状态、地表植被变化、海洋和陆地的位置和比例关系有关系，这是一个相当复杂的系统。当我们提到赤道北回归线、南回归线的时候，仿佛它们是一成不变的，太阳永远不会越过北回归线直射到更远的地方，可实际上北回归线本身也不能是一个绝对的位置，因为地球就像陀螺一样，在它自传的时候，它的自转轴是有轻微摆动的，这造成了回归年和恒星年的微小差异，在天文学上称之为岁差。如今很多地方的回归线标志性建筑，实际上已经离真正的直射点有一段距离了。地球的岁差周期约为26000年，也就是26000年地球的自转轴完成一次摆动周期。

除了岁差，影响地球接收太阳辐射的还有地球章动。月球围绕地球公转，月球的引力导致地球在公转轨道上左右摇摆。

当然，这些因素都可以代入公式，用来计算地球的运动轨迹，只不过运动轨迹之外，还有非常多的因素需要考虑，如植被变化、海洋与陆地的位置变化、温室气体等等，使得预测变得异常困难。

作为环境工程解决方案的提供者，郭治龙最近在设想另外一件事，就是如何利用西北上空的暖湿气流。他给我看了从中央气象台下载的云图视频，他把一个月的云图叠加在一起，动态展示了这些云彩从大西洋、印度洋和北冰洋向西北地区的流动，这彻底打消了我还对大西洋最后的眼泪的深信不疑，从视频上看，来自大西洋的西风带的势力范围绝不仅仅停止在我国的边境地区。

一些民间科学爱好者提出政府应该投资4000亿元，把雅鲁藏布江的水引到新疆。在郭治龙看来，这未免大动干戈了，只要在西北的山地上空人工降雨，让天空中流动的水汽凝结下雨下雪，就可以使周边的水汽源源不断地来补充，达到截流水汽的目的。按他的团队的计算，这样的方式是最有性价比的，一吨水只需要一分钱。

人工干预降水，这让我联想到曾经轰动一时的天河工程，2016年青海大学王光谦院士设想，在中国三江源的黄河流域和长江流域的分水岭实行空中调水，改变云水资源在两个流域间的转化，以增加黄河流域的降水量。可那个工程预算太过夸张，要动用卫星、火箭，再建立水汽输送模型，预测天气变化。天河工程受到广泛质疑，尤其是来自气象学家的质疑，立项也就搁浅了。

如今，工程上人工降雨已非难事，但更深入的人工干预天气、把干预变成系统工程却非易事。 青藏高原科学气候变化