眾所周知，歌手蕭敬騰人送外號「雨神」，有人曾統計了他2012年1月到2013年7月的演唱會行程記錄，出行43天，就有26天下雨，雨天占比超過60%，「雨神」的名號絕對是名副其實。國家氣象局竟在微博上公開關注了蕭敬騰，官方整活。最為「致命」。
不過，「雨神」始終還是一個調侃之詞，有專家認真分析後稱：與其說是「蕭天王」招雨，倒不如說他格外「貪戀」那些多雨的城市、多雨的日子——他幾乎每次都是趕上當地多雨的時節開辦演唱會。
講到這裡，或許你會好奇，為什麼有的地方降水多，有的地方降水少，有的地方夏季降水多，有的地方冬季降水多？
圖1 中國年降水量的空間分布
那麼，接下來就讓我帶你了解自然界真正的「雨神」——ITCZ。
01 什麼是ITCZ？
ITCZ (Intertropical Convergence Zone) 即熱帶輻合帶/赤道輻合帶。輻合帶，主要指的是風場的輻合，如北風遇上南風，東風遇上西風，這樣不同風向的氣流向同一個地區流動，就形成了氣流/風場的輻合。因此，赤道輻合帶，顧名思義就是風在赤道附近發生了輻合。具體來說，在南北半球兩個副熱帶高壓之間，從副熱帶高壓帶吹向赤道低壓帶的風（即南北信風氣流）通常會在海表溫度最高處（即氣壓最低處）輻合，形成熱帶輻合帶。
圖2 2014年9月位於東北太平洋的熱帶輻合帶
圖3 在科氏力作用下地球大氣三圈環流示意圖，赤道輻合帶為三圈環流中南北半球的哈德萊環流在低層的東南信風和東北信風輻合而成。其中Hadely cell：哈德利環流，Ferrel cell：費雷爾環流；Polar cell：極地環流。圖片來源：https://www.britannica.com/science/Ferrel-cell.
當赤道附近的信風邊界層風場發生輻合時，潮濕空氣對流上升，形成積雨雲。在一定的條件下，這些積雨雲組成對流雲團，形成大範圍的上升運動，就會帶來比較明顯的降雨天氣。
圖4 (a) 全球地表季風系統的地理分布。(b) 疊加降雨分析數據（CMAP）的干-濕指數值（據氣候預測中心）為正的區域[1]
作為地球上最大、最重要的降雨帶，ITCZ的移動控制著熱帶雨季的開始和持續時間，這直接影響中國、印度和澳大利亞等國家地區的季風降雨和天氣變化。當ITCZ在不同季節所處的南北半球位置有持續性的細微變化，很可能造成毀滅性的自然與文明大災難。歷史上約公元9-10世紀的瑪雅文明，就很有可能是因為ITCZ南移，造成中美洲長期乾旱而崩解；中國許多朝代的興衰更替也可能與ITCZ的南北遷移有關。
那麼，ITCZ的位置變化是怎麼影響降水的呢？
02 ITCZ與降水
ITCZ幾乎環繞地球一周，就像是系在地球上的一條腰帶，但這條「腰帶」的位置並不是一成不變的。隨著地球公轉，太陽直射緯度發生季節性變化，南北半球的溫度也會有所差異。ITCZ的年平均位置會根據北半球和南半球之間的溫度對比而發生改變，通常向變暖的半球方向移動[2,3]，造成了ITCZ的季節性遷移。例如，在太平洋東部，夏季ITCZ移動到了北半球，冬季停留在南半球，就像是夏天的時候「腰帶」被提到胸前，冬天時又滑到膝蓋。
ITCZ的季節性位移形成了我們熟知的季風[4]，季風環流包括了夏季風和冬季風，對降水的影響主要決定於風所帶來的水汽。夏季風（東亞的東南季風、南亞的西南季風）由海洋吹向大陸，水汽充足，容易凝結，形成降水。分布在大陸東岸的季風氣候夏季的特點就是高溫多雨。冬季風（東亞的西北季風、南亞的東北季風）由大陸吹向海洋，水汽少，不易凝結降水，乾燥少雨。
我國就處於最典型的季風區之一，夏季受來自海洋的東南季風控制，冬季受來自西伯利亞-蒙古一帶的西北季風控制。中低緯度季風降水和信風強度的時空分布隨著ITCZ位置的遷移而變化，以響應太陽輻射的季節性和長期變化。我國降水的季節變化特徵是：降水集中於夏季，冬季降水比較少。我國東部地區的降水，主要受夏季風控制，夏季風從海洋上帶來豐富的水汽，登陸以後形成豐富的降水。冬季我國受冬季風控制，冬季風來自較高緯度的大陸，水汽比較少，不容易形成降水，因此我國降水夏季多冬季比較少。
03 ITCZ與古氣候
ITCZ是全球大氣環流的關鍵組成部分，控制著高低緯間降雨分配，影響全球近一半人口的生活。因此，解析地質歷史時期ITCZ的移動規律及影響因素，對於預測未來氣候具有重要價值。
科學家們利用位於西太平洋暖池的巴布亞紐幾內亞東緣、近岸1660米的深海底所獲得的海洋沉積物岩芯的地球化學記錄，重建了28萬年以來西太平洋低緯度降雨帶的遷移歷史，發現其變化受到地球圍繞太陽的軌道周期控制，同時受到歐亞大陸的西伯利亞高壓影響；並指出同屬於東亞-澳大利亞季風系統的南澳大利亞夏季風，竟更受到地球自轉軸傾角影響，呈現顯著的四萬一千年（傾角）周期的律動。
當地球自轉軸傾斜角度較大時，冬季的北半球高緯地區吸收到的日照總量非常少，歐亞大陸的西伯利亞高壓會增強東亞冬季風強度，冬季風一路南下，穿過赤道，攜帶充沛水氣，將西太平洋低緯降雨帶推向更南方，為北澳大利亞帶來甘霖。相反，澳大利亞面積遠小於歐亞大陸，且地處中緯度，所以影響高緯地區的「傾角」軌道力，很難透過澳大利亞冬季風來影響東亞夏季風變化。
有研究對印太暖池西南邊緣鑽孔中浮游有孔蟲進行δ¹⁸O和Mg/Ca比值分析，重建了過去41萬年熱帶輻合帶南緣的降雨記錄[8]。與基於中國黃土重建的熱帶輻合帶北緣降雨記錄進行對比顯示，ITCZ的南、北緣降雨在軌道傾角周期上呈反相位變化，表明過去41萬年ITCZ的緯向遷移受地球傾角支配。高的傾角加強了阿古勒斯海流和暖水團向北輸送，促進AMOC的加強，從而導致ITCZ向北遷移。
圖5 熱帶輻合帶南、北緣降雨記錄對比
篇幅有限，對ITCZ的介紹點到為止。事實上，ITCZ在全球氣候機制中扮演著非常重要的角色，科學家也在加大對其研究的力度。我相信終有一天，這位自然界的「雨神」會在我們面前揭下它的神秘面紗。
Reference
[1] 安芷生,吳國雄,李建平,孫有斌,劉屹岷,周衛健,蔡演軍,段安民,李力,毛江玉,程海,石正國,譚亮成,晏宏,敖紅,常宏,馮娟.全球季風動力學與氣候變化[J].地球環境學報,2015,6(06):341-381.
[2] Broccoli A J, Dahl K A, Stouffer R J. Response of the ITCZ to Northern Hemisphere cooling[J]. Geophysical Research Letters, 2006, 33(1).
[3] Schneider T, Bischoff T, Haug G H. Migrations and dynamics of the intertropical convergence zone[J]. Nature, 2014, 513(7516): 45-53.
[4] 汪品先.全球季風的地質演變[J].科學通報,2009,54(05):535-556.
[5] Chiang J C H. The tropics in paleoclimate[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2009, 37: 263-297.
[6] Mamalakis A, Randerson J T, Yu J Y, et al. Zonally contrasting shifts of the tropical rain belt in response to climate change[J]. Nature Climate Change, 2021, 11(2): 143-151.
[7] Liu Y, Lo L, Shi Z, et al. Obliquity pacing of the western Pacific Intertropical Convergence Zone over the past 282,000 years[J]. Nature communications, 2015, 6(1): 10018.
[8] Zhang P, Xu J, Holbourn A, et al. Obliquity induced latitudinal migration of the Intertropical Convergence Zone during the past∼ 410 kyr[J]. Geophysical Research Letters, 2022, 49(21): e2022GL100039.
撰稿：知行
美編：劉俞伶
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來源：石頭科普工作室
編輯：利有攸往