全球干旱_半干旱区年代尺度干湿变化研究的进展及思考_符淙斌.pdf

年 第 卷 第 期：专题：干旱半干旱 ：引用格式：符淙斌，马柱国，全球干旱 半干旱区年代尺度干湿变化研究的进展及思考大气科学学报，（）：，（）：.（）全球干旱 半干旱区年代尺度干湿变化研究的进展及思考符淙斌，马柱国 南京大学，江苏 南京；中国科学院 大气物理研究所 中国科学院东亚区域气候环境重点实验室，北京 联系人，：收稿，接受国家自然科学基金资助项目（）摘要 干旱 半干旱区气候变化研究一直是广泛关注的前沿科学问题，尤其是气候干湿变化规律及未来的发展趋势。过去大量的研究揭示了全球不同干旱 半干旱区的干湿变化事实和机理，取得了一系列重要进展，第 次评估报告明确指出未来全球干旱化将加剧，但也存在诸多问题没有得到一致的认识。本文将对全球变暖背景下有关干旱 半干旱区年代尺度干湿变化，特别是年代尺度干旱研究进行梳理，系统评述当前相关研究的现状并提出干旱 半干旱区研究所面临的关键科学问题。关键词干旱 半干旱区；年 代 尺 度 干 湿变化；人类活动影响 占全球陆地面积 以上的干旱半 干旱区养育着世界上 的人口，是降水变率最大的地区，也是生态系统和水资源系统最脆弱的地区之一（，；，）。过去 多年，全球的降水突变事件多发生在干旱 半干旱区，由此引起的土地沙漠化、水资源短缺和生态系统退化已严重地威胁着人类的生存环境。据统计，大约 干旱 半干旱地区的土地发生了严重退化（，）。第 次报告已经明确给出了全球增暖背景下干旱将加剧的结论（，；，）。世纪 年代以后，北非持续干旱导致这个地区出现大范围的饥荒，多万人被饿死，的牲畜死亡，数以千万计的人沦为难民（，），.亿人受到饥饿的威胁，联合国称之为“非洲近代史上最大的人类灾难”，而且这种形势 有 可 能 继 续 加 剧（，；，；，；，）。我国北方半干旱区持续 的干旱化引起的环境恶化及水资源短缺已严重制约了区域的可持续发展，是气候变化影响的重灾区（符淙斌和安芷生，；马柱国等，；马柱国和邵丽娟，；符淙斌和马柱国，）。据不完全统计，世纪 年代以来中国每年因干旱造成的直接经济损失高达 亿元以上（符淙斌和安芷生，）。针对干旱 半干旱地区所面临的严峻生存环境问题，联合国早在 年就发布了应对沙漠化的国际公约（），并把 年定为国际沙漠和沙漠化年，相应开展了一系列干旱 半干旱区的发展范例（），旨在帮助人们应对因干旱所造成的环境危机（，）。占有国土面积的中国干旱 半干旱区，集中了全国 的贫困人口，在我国粮食生产中却占有重要位置，其气候和生态问题一直是政府和科学工作者长期关注的一个重点。基于以上分析，本文将重点对全球干旱 半干旱区气候干湿年代尺度长期变化研究进行梳理，目的是系统的总结和评述干旱 半干旱区年代尺度干湿变化研究的重要进展，并进一步探讨当前相关研究所存在的问题和未来研究方向。年 月 第 卷 第 期 干旱 半干旱区年代尺度干湿变化的事实 世纪 年代以来，有关干旱 半干旱区年代尺度气候变化的事实研究引起了国内外学者的极大关注，并开展了大量富有成效的研究（；符淙斌和黄燕，；王绍武和朱锦红，；李崇银等，；黄荣辉等，；马柱国和符淙斌，；，；，；，；，；，；，；，；，；，），这些研究主要着眼于干旱 半干旱区的年代际尺度干湿变化，包括年代际周期变化和长期趋势。已有的研究发现，在全球一致增暖的背景下，干湿变化却存在着显著的区域差异，大陆尺度的干湿变化各不相同：非洲 世纪持续 多年的干旱化和北美半干旱区的显著变湿趋势等都是这种区域差异的主要表现（马柱国等，；符淙斌和马柱国，）。在中国，北方气候呈现“西湿东干”的跷跷板特征，即东部降水减小而西北西部降水呈增加趋势，形成了明显的区域差异。关于全球尺度干湿变化的长期趋势，尽管已开展了大量的研究，但就干湿变化趋势的研究仍然存在两种截然不同的观点，一是认为在全球增暖背景下，全球干旱 半干旱区的干旱将加剧，体现在全球干旱半干旱区在扩张，干旱强度在加强，干的地方更干，湿的地方更湿（，简称；，；，；，），而另一种观点却认为全球增暖背景下，干湿过程并没有明显的变化趋势，干旱过程并未加强（，；，；，）。前者认为，在全球增暖背景下，全球和区域尺度上干旱 半干旱区的干旱在加剧，如 （）的研究认为增暖使得 年全球干旱的面积扩大了 倍；符淙斌和安芷生（）最早指出，干旱化表现最为剧烈的地区是半干旱区，而不是干旱区的腹地。马柱国和符淙斌（）进一步从观测资料中发现，从 年中国半干旱区向东南方向扩展了 ，且半干旱区的干旱化趋势最为强烈（马柱国和符淙斌，；，），进一步的研究也相继揭示了全球和区域尺度干旱 半干旱区扩张的特征（李明星马住国，；，；，；，）。第 次报告明确指出，伴随着全球变暖，未来全球干旱化将加剧（，），且存在着明显的区域差异（，）。然而，一些研究却有不同的观点，如 （，）和 （）认为，的观点主要来自海洋数据的分析和假设（，；，），但在陆地上此结论并不适用。他们的结果指出，全球陆地仅有.的旱区（指干旱区和半干旱区的总和）与之吻合，.陆地区域与 相反。分析图 发现很难从降水（）、潜在蒸散发（）和干旱指数（）趋势上看出 的存在。建立在基本的物理原理基础上并考虑到有效能量、湿度和风速变化的研究发现，年全球的干旱几乎没有变化（，）；（）利用气候模式产品分析认为，全球历史和未来干旱趋势的强度没有以前研究所指出的那么强，且范围也没有那么广（，；，；，；，），其原因是以前的工作过高地估计了潜在蒸散发（，）的作用。实际上，无论是支持或者反对干旱加强的观点，其本质还局限在气候干湿变化的范畴。那么到底在全球增暖背景下，全球的干旱是否呈增强趋势还需要从水文的收支平衡的角度进行综合分析。一个值得注意的事实是，在某些干旱 半干旱区，气候干湿的长期变化并非单一的线性趋势，如 世纪 年代开始的北非干旱化，持续时间达 以上，但在 世纪 年代中期转为降水增加趋势，发生了显著的转折性变化（，），对应这个地区的植被覆盖状况也趋于好转（，）。与此类似，在中国的北方地区，年以后同样发生了明显的干湿转折性变化。研究发现，年以后，中国北方过去的“西湿东干”转换为“东湿西干”的空间格局，即华北降水由减少转为增加趋势，而西北西部转为减少趋势（马柱国等，）。同样的转折现象在其他区域也有发生（，）。这些现象说明，增暖背景下降水的长期变化应是年代际振荡和长期趋势的叠加，未来这些转折性变化的预测应该是研究气候干湿长期变化的重点。干旱 半干区气候干湿变化的机制研究 在干旱 半干旱区，生态系统和水资源对气候变符淙斌，等：全球干旱 半干旱区年代尺度干湿变化研究的进展及思考图 年降水（；）、潜在蒸散发（；）和干旱指数（）的线性趋势（打点的阴影表示通过置信度为 的显著性检验）（）（），（）（），（）（）化，尤其是降水的变化极其敏感。因此，干旱 半干旱地区气候变化研究的核心问题是降水的异常变化，对其变化特征、形成机理进行研究和对未来的预测一直是科学界和政府部门所关注的问题。近年来，中国政府提出了“一带一路”倡议，对其沿途的经济发展具有重要的现实意义。然而，“丝绸之路”沿途国家发展的主要制约因素是有限的水资源，这些国家大多数地处干旱 半干旱区，水资源短缺严重地影响了区域经济的发展。准确预测干湿变化的长期趋势是满足这些重大需求的前提，而预测的基础是厘清其形成的机制。气候干湿变化的主导因素有降水、气温、风速等多个要素，是气候变化过程的一个主要特征，其形成原因是气候系统内部变率和包含人类活动影响的外部强迫，温室气体、土地利用 土地覆盖、人类用水等人类活动的介入使得干湿变化的形成过程变得尤为复杂。为了聚焦问题，这里仅从气候系统内部变率和对区域尺度气候干湿变化有显著影响的土地利用 覆盖变化两个方面进行评述。.大尺度土地利用 覆盖变化对气候干湿变化的影响 近 年来，人类活动已成为气候变化的重要驱动 力。早 在 世 纪 年 代，（）就提出了地表反照率和干旱之间的生物物理正反馈机制，这为开展大尺度土地利用 覆盖变化与气候变化的相互作用研究奠定了基础，也促进了 年 月 第 卷 第 期地表覆盖变化影响气候变化的理论发展（，；，；，；，；符淙斌和袁慧玲，；，）。（）理论的核心是认为人类活动对地表覆盖的改变引起了非洲的干旱，而干旱进一步加剧了土地荒漠化和生态系统的退化，随之又加强了干旱，形成了一个正反馈机制。因而，一些研究把 世纪北非 地区的持续干旱归结为人类活动对土地利用的改变（，；，；，）。北美（，）和中国北方（符淙斌和袁慧玲，）地表过程变化在年代尺度干湿变化形成中起着重要作用。（）理论的最大贡献在于把由人类活动引起的土地利用覆盖变化与气候变化联系起来，然而，该理论及其随后的一系列研究结果都是建立在理想实验的基础上，即模式的驱动参数被过分夸大，与实际情况并不相符，当应用实际的地表覆盖数据驱动时，并不能产生上述结果（，；，）。最近的一系列研究从模式模拟和观测数据的分析两个方面揭示了植被和大气相互作用对干湿变化的影响。如 （）的工作指出：赤道森林的砍伐能导致大尺度（）的降水减少，降水减少的最大值出现在 处；大尺度的植树造林能够使得局地蒸散发增加而引起有效水资源和流量的减少，但大气水分再循环的增加弥补了这种不利影响。造林对降水的影响具有明显的区域差异，有些地区减小，有些地方增加（，）；大规模的森林恢复或者植树造林将增加全球降水（，）；（）利用耦合了陆面模型的气候模式模拟说明，黄土高原的植被增加引起了降水的显著增加。然而，在干旱 半干旱区，植被恢复可能会导致有效水资源量的减少，加剧干旱 半干旱区水资源的供需矛盾（，；，；，）。一般来讲，土地利用 覆盖变化对区域气候变化的影响包括两个方面：）土地利用 覆盖变化所引起的地表生态系统和大气间能量、动量和水分通量的改变，是地表的生物物理过程；）土地利用 覆盖变化改变了地表对碳的吸收，是地表的生物化学过程。但现有地球系统模式主要考虑地表的生物物理过程，地球生物化学过程考虑严重不足。同时，由于缺乏大范围的陆地表面过程观测数据，地表基本过程的特征还不甚清楚，陆面模式中关键参数的厘定存在着很大的不确定性，模拟的结果缺乏验证，无法量化其影响的大小。尽管存在上述问题，但不可否认由土地利用 覆盖变化引起的地表过程变化对干旱 半干旱地区年代尺度气候变化的重要作用。近年来，全球陆面同化数据的建立、卫星遥感信息的应用和 全 球 陆 面 实 验 观 测 协 同 网 络（，）为解决上述问题提供了数据基础，而高分辨率区域模式与全球气候模式嵌套已成为研究土地利用 覆盖变化和气候变化相互作用机制的有效工具，这将是全球气候变化研究的必然趋势。.海温对干湿长期变化的影响过去，关于海温变化对干旱 半干旱区气候变化影响的研究主要集中在北非、北美西部和东亚北部三个区域。过去 年，北非 的干旱化是全球气候变化研究的焦点问题之一。大量的研究表明，热带大西洋和热带印度洋的异常变暖对 的干旱化起到决定性的作用（，；，；，）。（）和 （）则强调了全球海洋对北非干旱化的重要性。不同区域海洋影响北非气候变化的时间尺度不同，太平洋通过 过程影响了北非气候的年际变化，而 气候的年代际特征与大西洋和印度洋的海温变化有关（，）。北美的年代尺度干旱起因于太平洋和大西洋海温的异常变化（，；，；，）；中国北方近期的干旱化与太平洋年代际振荡（）有关（，）；其他一些研究也证明大西洋的多年代际振荡（）对美国西部及墨西哥的持续干旱有重要的影响；多模式集成的结果也指出全球海温变化在近百年年代际干旱形成中的重要作用（，）。然而，尽管在实际海温的驱动下数值模拟能够较好再现、北美和东亚年代尺度干旱的时间变化和持续性特征，但多数模式还不能准确描述降水的变幅，模式模拟的比实际观测的变幅要小。虽然在实际海温的驱动下模式能模拟近百年多数的年代尺度干旱，但却无法解释 世纪 年代沙尘暴事件（，），即使以海洋强迫为主要驱动因子的模式里，对陆气相互之间的反馈也是敏感的（，）。看来，过去 年，全球海温变化在年代尺度干旱形成过程中起着关键作用，决定了干旱的年际和年代际变化特征；而地表过程符淙斌，等：全球干旱 半干旱区年代尺度干湿变化研究的进展及思考和大气的