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  • CN 62-1091/P
  • ISSN 1001-8166
  • 月刊 创刊于1986年
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地球科学进展, 2019, 34(8): 826-841 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.08.0826

综述与评述

全球干旱区分布特征及成因机制研究进展

闫昕旸,1,2,3, 张强,2,3, 闫晓敏,1, 王胜2, 任雪塬2,3, 赵福年2

1. 甘肃省气象服务中心,甘肃 兰州 730020

2. 中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化 与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室,甘肃 兰州 730020

3. 兰州大学 大气科学学院,甘肃 兰州 730000

An Overview of Distribution Characteristics and Formation Mechanisms in Global Arid Areas

Yan Xinyang,1,2,3, Zhang Qiang,2,3, Yan Xiaomin,1, Wang Sheng2, Ren Xueyuan2,3, Zhao Funian2

1. Meteorological Service Center of Gansu Province, Lanzhou 730020, China

2. Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration, Key Laboratory of Arid Climatic Change and Reducing Disaster of Gansu Province,Key Open Laboratory of Arid Climatic Change and Disaster Reduction of CMA, Lanzhou 730020, China

3. College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

通讯作者: 张强(1965-),男,甘肃靖远人,研究员,主要从事干旱气候、陆面过程和大气边界层研究. E-mail:zhangqiang@cma.gov.cn

收稿日期: 2019-04-30   修回日期: 2019-07-16   网络出版日期: 2019-09-20

基金资助: 国家自然科学基金项目“我国典型夏季风影响过渡区陆—气相互作用及其对夏季风响应的研究”.  41630426
“非降水性水分观测及其对陆面水分的贡献”.  41875022

Corresponding authors: Zhang Qiang (1965-), male, Jingyuan County, Gansu Province, Professor. Research areas include arid climate and atmospheric boundary layer. E-mail: zhangqiang@cma.gov.cn

Received: 2019-04-30   Revised: 2019-07-16   Online: 2019-09-20

作者简介 About authors

闫昕旸(1990-),男,甘肃民勤人,工程师,主要从事干旱气候研究.E-mail:yxy.qx@qq.com , E-mail:yxy.qx@qq.com

摘要

干旱区生态环境极其脆弱,对气候响应极其敏感,继续开展该区域气候及其影响机制研究,对于更深入地认识干旱区气候成因,进而更好地做出干旱区气候预测具有重要的科学意义。从干旱区划分、干旱区气候成因及其变化等几个方面归纳和总结了近几十年来国内外部分研究进展:目前较准确的干旱区划分方法是干旱指数法,可将全球划分为八大干旱区;干旱区气候形成是多个因素共同影响的结果,共有Hadley环流、大地形、陆气相互作用、沙尘气溶胶、海气相互作用、全球变暖等六大类影响因素;各大干旱区干湿差异明显,北非、中蒙等干旱区干旱化趋势严重,而美国中西部干旱区呈湿润化趋势。目前仍存在一些亟待解决的科学问题:各干旱区对全球增温的响应差异性较大,干旱区气候预测既是重点又是难点;青藏高原隆升对中蒙旱区影响巨大,目前这方面的数值模式分辨率不够高,边界条件不够精确,需进一步完善;各干旱区气候成因及其不同干湿变化趋势的原因,目前没有公认的定论,尚不能定量区分各影响因素对干旱区气候演变过程中的相对贡献及其响应过程。

关键词: 干旱区划分 ; 干旱区气象成因 ; 干旱区气候变化

Abstract

The ecological environment in arid areas is extremely fragile and especially sensitive to climate response. Continuous research on the climate and its impact mechanism in the arid zones is of great scientific significance for deeper understanding of the cause of climatic formation and better prediction of climate in arid regions. Some research progresses in recent decades both at home and abroad have been overviewed, including the distribution of arid areas, the causes of arid area climatic formation and arid area climate change. Studies have shown that AI index is an effective criterion for dividing arid areas. There are 8 major arid areas in the world; climatic formation in arid areas is the result of multiple factors; there are 6 kinds of influencing factors, such as Hadley Cell, land-air interaction and so on; the unlikely trend between dry and wet is obvious in arid areas, and some regions are facing more severe drought trends such as North Africa and China-Mongolia, while others show a trend of wetting such as the Midwest of the United States. At present, there are still some scientific problems to be solved urgently:The response of various arid regions to global warming is quite different, and climate prediction in these zones is both important and difficult; the uplift of the Qinghai-Tibet Plateau has a tremendous impact on the arid area of China-Mongolia, but the models of this field are not perfect enough; there are no accepted conclusions about the causes of climatic formation in different arid regions and the causes of their different wet and dry trends. At present, it is still impossible to quantitatively distinguish the relative contributions of various influencing factors in the climate evolution of drylands and their response processes.

Keywords: Arid area distribution ; Arid area climate forming cause ; Arid area climate change.

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本文引用格式

闫昕旸, 张强, 闫晓敏, 王胜, 任雪塬, 赵福年. 全球干旱区分布特征及成因机制研究进展. 地球科学进展[J], 2019, 34(8): 826-841 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.08.0826

Yan Xinyang. An Overview of Distribution Characteristics and Formation Mechanisms in Global Arid Areas. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(8): 826-841 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.08.0826

1 引 言

干旱区约占全球陆地的35%,居住着近1/3的人口[1],这里生态环境非常脆弱,气候复杂多变,气候环境对内外部因素响应十分敏感[2],因此,研究全球干旱区气候变化特征极其重要。干旱灾害是最大的自然灾害之一,对农业生产、生态环境、社会民生具有重大影响。近年来,世界上许多地区都经历了频繁而又严重的干旱灾害,如2018年下半年美国加利福尼亚州接连发生森林大火,其中仅11月大火就造成85人死亡,249人失踪,创下近百年来美国森林火灾最高伤亡记录,2018年严重的干旱在美国西部和西南部肆虐,不仅极大地影响了当地农业,也被认为是诱发这次加州“世纪大火”的重要原因[3];从1997年持续到2011年的澳大利亚东南部大旱,使得澳大利亚西北部至东南部地区的蓄水量、植被和降雨量大幅减少[4];受1997年大旱影响,我国黄河下游出现最长超过700 km的断流,对该流域人民生活、工农生产及生态环境造成严重影响[5];20世纪下半叶北非持续大旱,给刚独立不久的约20个小国带来了极大的灾难,尤其1984年干旱,更造成埃塞俄比亚近百万人口死亡,减少近40%家畜[6]。据统计,气象灾害造成的经济损失约占各种自然灾害总损失的70%以上,其中干旱灾害就占到了50%左右[7]。近年来,人类活动及工业化进程已使地球环境严重恶化,全球气候系统持续增暖。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)指出,1880—2012年,全球平均地表温度升高约0.85 ℃[8],其中干旱区对全球变暖贡献达40%以上[9],可见干旱区对全球气候变化有着不可忽视的影响。在全球变暖、人类活动影响日益加剧的背景下,全球干旱区分布及其干湿趋势都可能发生改变,未来干旱区气候环境会怎样变化?现有干旱区会不会扩张?有没有新的干旱区形成?自然条件(如全球变暖和大气环流异常等)与人类活动在干旱区气候变化作用中的相对贡献孰高孰低?这都是我们亟待解决的科学难题,因此,继续开展该区域气候特征及其影响机制研究具有十分重要的现实意义。

世界各国对干旱区气候变化研究百家争鸣,对于全球干旱区划分、气候成因及干湿变化趋势也见仁见智,目前从干旱的各个方面都取得了一系列重大研究成果,但对于世界范围的干旱气候研究进展综述性文献却较少。本文就近几十年来国内外有关干旱气候变化的相关研究进展做了归纳和总结,包括干旱区划分、干旱区气候成因及气候变化等,探讨了目前存在的主要问题,并对今后在干旱气候方面的研究方向作了初步展望。

2 干旱区分布

合理地划分全球干旱区,对更深入地认识全球干旱气候分布,更准确地把握各干旱区气候成因,进而更好地做出干旱区气候预测具有重要意义。

第一种划分方法用到年平均降水量(Precipitation, P),汤懋苍等[10]将全球划分副热带旱区、亚洲内陆旱区和其他小块旱区等3类干旱区;李新周等[11]将全球划分为南美、北美、北非、南非、中亚、中国西北和澳大利亚等七大旱区。这种划分方法仅考虑降水这一单一要素,导致划分范围较小,且漏划了阿拉伯半岛及蒙古国大部地区。

第二种划分方法用到干旱指数(Aridity Index, AI),定义为P与年潜在蒸发量(Potential Evapotranspiration, PET)的比值。最早计算PET的方法是较简单的Thornthwaite公式,1947年Tannehill利用该方法计算PET,绘制了全球主要干旱半干旱区图[12],但由于Thornthwaite公式的局限性,导致划分较为粗糙,他将中亚及西南亚大部分干旱区划归到半干旱区内,而北美旱区面积明显偏小。1953年Meigs在绘制全球干旱区图的过程中虽仍然使用Thornthwaite公式计算PET,但实际还用了多年平均雨量作为附加判据[13],与Tannehill的图相比,该图有了很大改进,它将中亚、中蒙和北美旱区划分更为全面,且增绘了索马里半岛的大片旱区,受到广泛认可。后来Jensen等[14]指出,Penman-Monteith公式计算PET时综合考虑了气温、风速、湿度和太阳辐射等因素,比Thornthwaite公式更准确,因此,联合国环境规划署(UNEP)在1992年利用1951—1980年的气象数据,通过Penman-Monteith公式计算了AI,将值在0.05~0.65的区域定义为干旱区,约占全球陆地面积的39.7%[15]。根据该标准,Hulme[15]将全球划分为北非、西南亚、中东亚、萨赫勒、非洲之角、南非、澳大利亚、美国西南和巴塔哥尼亚等九大干旱半干旱区,如图1阴影区域所示。

图1

图1   全球九大干旱半干旱区分布[15]

Fig.1   The definition of nine arid and semi-arid regions in the world[15]


钱正安等[16]认为,北非地势平坦,拥有世界上最大的撒哈拉沙漠,均处于Hadley环流下沉支,干旱成因相似,分为一区即可,Hulme[15]对该区划为3个干旱区(北非、萨赫勒和非洲之角),划分过细;而亚洲地形复杂,山脉较多,降水受地形影响很大,干旱成因不尽相同,应分为3个区域。这样如图2彩色区域所示,可将全球划分为八大干旱区:美国中西部、南美、北非、非洲南部、西南亚、中亚、中蒙及澳大利亚干旱区[16]。注意到各干旱区要么分布在副热带下沉带,要么分布在大地形周边,可见Hadley环流和大地形效应在干旱气候的形成过程中发挥着至关重要的作用。

图2

图2   全球干旱半干旱区分布图[16]

Fig.2   The distribution of global arid and semi-arid areas[16]


3 干旱区气候成因

3.1 Hadley环流和南亚高压

Hadley环流是造成北非、澳大利亚、西南亚和北美等副热带旱区的重要原因,这些干旱区均位于南北纬30°附近的副热带地区,这里正好是Hadley环流的下沉区。但需要说明的是,并非所有副热带地区都是干旱区,如东亚季风区。Hadley环流因地球自转及地表加热不均形成,它可以输送能量及角动量,使得大气东、西风带得以长期存在[17]。正因为Hadley环流如此重要的作用,许多学者对其变化进行了深入研究[18~22]

Hu等[23]应用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析资料及长波辐射资料研究表明,自1979年以来Hadley环流已经扩张了2~4.5个纬度,意味着副热带下沉带的扩张,这导致了中纬度对流层变暖及副热带干旱区的改变[24]。Hadley环流扩张使得副热带干旱区发生了强烈变化,这或许是澳大利亚南部、美国南部和非洲北部越来越干的原因之一[25]。关于Hadley环流扩张的原因,Garfinkel等[26]认为,这可能是大气系统内部变化的结果,北半球与海洋表面温度(Sea Surface Temperature, SST)有关,而南半球则与平流层臭氧浓度的变化有关[27],也有学者认为是全球变暖或极地平流层冷却造成了Hadley环流的扩张[20,25,28]

另外,南亚高压的活动对中蒙和中亚地区的旱涝有重要影响[29,30]。在我国西北不同旱涝年中,南亚高压中心经度距平异常特征十分显著,重旱年3月和4月,南亚高压大范围偏离平均态,而偏旱年4月则异常偏东,当南亚高压面积偏小时,往往会是中蒙和中亚地区的重旱和偏旱年[31]

3.2 大地形作用

中蒙旱区位于青藏高原以北,远离海洋,是全球纬度最高的内陆干旱区[10]。青藏高原大地形全年的动力作用对中蒙旱区的形成有重大影响。由于青藏高原的绕流效应,西风带分为南槽和北脊2支[32],使得处于高原北侧的中蒙旱区形成全年平均辐散下沉带 [33],这是其干旱形成的气候背景。同时,高原可阻挡携带充沛暖湿气流的东亚夏季风不能深入到我国西北地区,使该地区夏季水汽匮乏,加剧干旱;也将部分东亚冬季风阻挡于高原以北,使得大陆冷高压加强,该地区冬季长年寒冷干燥。

青藏高原的热力作用同样重要。隆起的巨大高地对周围大地形成冷热源,这一特性形成了独特的高原季风气候[34]。冬季高原为一个巨大的冷源,气流由高原流向周边大地,加强高原周围下沉气流,进而加强地面高压系统。高原夏季风对中亚及中国西北干旱区的夏季降水有显著影响,当高原夏季风较弱时,有利于我国西北旱区的下沉运动,引起干旱少雨[35~37];而在强高原季风年,高原北部水汽条件和抬升条件均有利于我国西北旱区降水[38]。高原加热引起的环流扰动会通过Rossby波频散到下游,有利于西北地区形成“西正东负”的干旱环流形[39]。吴国雄等[40]指出,青藏高原的热力作用所激发的水平环流和垂直运动与大陆尺度所激发的水平环流和垂直运动同相叠加,大大加强了中亚的干旱,而刘玉芝等[37]认为,高原季风对中东亚干旱区气候的影响很有限,已有的这方面研究大多是用统计方法分析的,在其物理机制的影响方面还需更多研究。

美洲的干旱区主要分布在科迪勒拉山系的背风面,呈南北走向。大部分由西风输送的来自太平洋的水汽被山脉所阻挡,或越过山脉下沉绝热增温,使得山脉东侧气候干燥(雨影效应)[10,40,41],其原理与焚风效应类似,这样形成了南美洲南部及美国中西部旱区,当然这并不是这两大旱区形成的唯一原因。

3.3 人类活动与陆气相互作用

对该方面较早开展研究的是Otterman[42],他认为北非Sahel地区的干旱是人类过度放牧使得地表裸露造成反照率增加所致。后来Charney[43]通过数值模拟方法,提出了一种自诱导效应来解释这一现象:Sahel地区过度放牧导致地表裸露,土地沙漠化严重,使得地表反照率远高于原先被植被覆盖时的情况,从而反射掉更多的太阳辐射,所以该地区的大气顶相对于地面来说是一个热辐射汇,为了维持热力平衡,空气必须下沉并绝热压缩,这样使得赤道辐合带(Intertropical Convergence Zone, ITCZ)南移,降水减少,干旱加剧,其结果是植被进一步退化,即陆气相互作用正反馈机制。同时Charney[43]认为这一机制也非常适用于撒哈拉—阿拉伯—印度—巴基斯坦一线的大部夏季平流系统较弱地区干旱成因的解释。但也有学者对这种观点提出质疑,Giannini等[44]基于美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)研发的NSIPP1(Version 1 of NASA's Seasonal-to-Interannual Prediction Project)大气环流模式,利用1930—2000年全球SST观测资料对Sahel地区干旱化趋势做了详细研究,认为Sahel地区降水偏少主要是其周边海域暖SST迫使非洲夏季风减弱造成的,而这种陆气相互作用正反馈机制为次要原因,只对暖SST起增强作用。

为获得更准确更直观的观测资料,进而深入研究陆气相互作用对干旱区气候的影响,从20世纪80年代开始,世界各国分别开展了一系列大型陆面过程试验[45],其中与干旱区相关的有10个左右[46],如在美国堪萨斯州开展的“第一次国际卫星陆面气候计划试验”(the First ISLSCP Field Experiment, FIFE)[47],世界气象组织(World Meteorological Organization, WMO)在北非半干旱区进行的HAPEX-Sahel试验[48],欧盟在沙漠化威胁地区西班牙进行 EFEDA试验[49]等。我国在这方面的研究同样与时俱进[45],如1988—1992年,由中日科学家合作的位于河西走廊黑河流域的“黑河地区地气相互作用野外观测实验研究”(Atmosphere-Land Surface Processes Experiment at Heihe River Basin,HEIFE)[50,51],在甘肃敦煌极端干旱区进行的“我国西北干旱区陆—气相互作用野外试验(Land-atmosphere Interaction Experiment in Arid Region of Northwest China,NWC-ALIEX)”[52~54],还有“黄土高原陆面过程试验研究”(Experimental Study of Land Surface Progressin Chinese Loess Plateau,LOPEX) [55~59]等。

其中NWC-ALIEX试验前后持续十余年,提出了一些重要的陆面过程参数,并对这些参数在陆面过程模式中的参数化方案做了深入研究,同时对陆面过程数值模式应用进行了改进,分析了干旱区陆气相互作用特征,取得了一系列研究成果[52~54]。黄土高原大部位于夏季风影响过渡区[60,61],具有独特的地理地貌特征,对其陆面过程的研究(LOPEX试验)可填补国内外诸多空白[56~59,62]。该试验注重黄土高原陆面过程基本特征、陆面水分输送规律及其对生态生理过程的影响机理,最终建立黄土高原陆面过程参数化方案[55]。以上各试验结果均为我们认识和理解干旱区陆气相互作用特征提供了很好的依据[63]

在干旱区夏季晴天状况下,大气热力边界层可达3~4 km或更厚[64~67]。张强等[68]在极端干旱区敦煌开展的大气边界层(Planetary Boundary Layer, PBL)和陆面过程综合观测试验发现,干旱区极强的陆面热力作用是形成深厚PBL的主导因素,而深厚的PBL又会通过增加雨滴蒸发损耗,减少干旱区降水,进而加剧当地干旱,因此夏季深厚的PBL是干旱气候背景的成因之一[69~72]

3.4 沙尘气溶胶

沙漠可以改变大气中的水热平衡,在沙漠化地区的地表上对流潜热加热的减少,加强了对流下沉运动,相应的季风环流减弱,降水减少[73]。张强等[74]研究发现,干旱区大气沙尘气溶胶严重,由于气溶胶的辐射强迫作用,使得大气稳定度增加,从而抑制了降水条件(上升运动)的发展[43,75]。干旱区往往植被稀少,土地贫瘠,反照率较大,而大气沙尘气溶胶可减小行星反照率,导致地气系统加热,加剧干旱[76]。在此基础上,Huang等[77]进一步揭示了沙尘气溶胶对干旱半干旱区气候的直接效应、间接效应和半直接效应的3种主要途径,他们认为,沙尘气溶胶直接效应是冷却地面(阳伞效应)加热大气,间接效应是通过沙尘的传输改变云的微物理特征并消除云的冷却效应,半直接效应可造成低云蒸发,水汽减少,3种效应都会导致降水减少,干旱加剧(图3)。

图3

图3   沙尘气溶胶对干旱半干旱区气候的直接效应、间接效应、半直接效应[77]

Fig.3   Direct, indirect and semi-direct effects of dust aerosols in arid and semi-arid regions[77]


3.5 海气相互作用

早在1986年,Folland等[78]研究Sahel地区干旱气候时,就提到了SST对降水的影响,他们认为近百年来Sahel地区的持续干湿变化与南北半球间大洋SST的相对变化有密切关系,其中在大西洋表现最为明显。赤道大西洋和太平洋/印度洋在年际时间尺度上的变暖,可以导致Sahel地区降水减少和加剧干旱[79~81]。Hunt[82]采用500年的全球气候模式与混合层海洋模型相耦合的模拟结果研究后认为,Sahel地区的降水与低纬度太平洋SST有显著的负相关,他将其中的影响机制定义为北美太平洋振荡 (Pacific North America Oscillation, PNAO),认为PNAO通过影响北大西洋振荡而影响Sahel地区的降水。总而言之,南北海温的梯度通过影响大气环流造成Sahel地区降水的变化,当南半球SST高(低)而北半球SST低(高)时,ITCZ位置偏南(北),Sahel地区降水偏少(多)[83]

研究表明,澳大利亚旱区降水与南方涛动指数(Southern Oscillation Index, SOI)及南半球大洋海洋表面温度异常(Sea Surface Temperature Anomalies, SSTA)关联密切[84~86]。Voice等[87]利用全球环流模式探讨了澳大利亚附近SSTA与澳大利亚大陆干旱的关系,认为冷海表面温度异常与邻近的澳大利亚地区干旱之间有密切的因果关系,当 El Niño型暖异常位于东太平洋时,其影响更加强烈。

而对于北美旱区,除了受前文所述的大地形和Hadley环流影响外,太平洋和大西洋SSTA的影响也不容忽视[88~91]。在太平洋多年代际振荡(Interdecadal Pacific Oscillation, IPO) 冷(暖)相位期间,对流层下部北太平洋上空存在强的高(低)压中心和反气旋(气旋)异常环流,其中IPO冷相位时的大气异常环流可以导致美国西部大部分地区出现干冷的西北风,降水异常偏少,这种影响在寒冷季节最为显著[92]。这体现了太平洋SSTA对美国降水的影响,因此,更加深入地理解和模拟IPO相位的变化,进而对美国降水进行预测,对于美国干旱的防治具有重要意义[92]。澳大利亚东部以及南非等典型干旱地区的降水与IPO也存在非常密切的联系。IPO冷相位时,北太平洋海平面气压中心高,反气旋性增强,而在印度尼西亚和西太平洋地区则有较低的海平面气压和强的风场辐合,进而导致上述地区降水异常[93]

海洋对干旱的影响不仅表现在北非、南非、澳大利亚和北美等临海地区,对中蒙旱区这种远离海洋地区的影响也较大[94~99]。当秋季北太平洋SSTA表现为El Niño/La Niña分布型之后的次年3~5月,中国西北地区降水普遍偏多/偏少[100],而当春季北太平洋SST呈El Niño峰值位相时,中国西北地区降水偏少[101]。赤道中东太平洋SST发生异常时,首先引起纬向和经向垂直环流圈发生异常,进而强迫大气环流发生调整,最终使得西北区东部夏季极端降水事件发生异常[102]。当IPO暖相位时,正好对应东亚夏季风减弱,导致我国北方水汽减少,干旱化严重[103~105],这与主导美国西部旱区的相位正好相反。印度洋SSTA一方面引起季风异常而改变水汽的输送,进而影响我国西北地区降水[106,107],1~3月孟加拉湾—赤道印度洋中西部SSTA与西北汛期降水呈负相关[108];另一方面引起遥相关波列,在我国西北地区东部上空形成西低东高的异常环流,从而影响该地区的降水异常[109,110]

由此可见,海洋是形成全球干旱区干湿分布的一个重要强迫源[111,112],IPO、北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)、大西洋多年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO)等振荡信号通过引起季风、行星波、阻塞形势等大气环流异常,进而造成全球增温加速或减缓[113,114],进一步影响干旱区降水,从而导致不同地区的干湿变化[115]

3.6 全球变暖

IPCC第四次报告指出,人类活动使得CO2和CH4等温室气体增加是导致全球变暖的重要原因[116]。近1个世纪以来,全球地表气温已上升了(0.74±0.18)℃[117],不论观测还是模拟结果都表明,这样的增温可以导致全球干旱区干旱化加剧[118~122]。Giannini[123]在研究Sahel地区气候时提到了2种机制,一是温室气体排放的增加直接导致地面净辐射增加,进而加大了地表潜在蒸发量;二是全球变暖导致大气高层湿静力能增加,影响了大气垂直稳定性,并造成了Sahel地区的干旱,这是一种间接致旱机制,类似于ENSO对热带大气的影响。全球增暖使得土壤水分减少,干燥度增加,其中中蒙旱区几乎增加了2倍[124],降水减少是导致干旱区干旱化的主要因素,而强化增温是导致干旱地区干旱化加剧的关键因素[125]

水汽反馈是全球变暖过程中最显著的正反馈过程:全球变暖导致水循环加强,使得大气持水量增加,而水汽是重要的温室气体,又会导致温室效应增强,从而使全球进一步变暖;大气持水量的增加促使全球平均降水加大,但降水分布是不均匀的,主要表现为热带及高纬度地区降水增加,中纬度地区降水减少,而全球大多数干旱区位于中纬度,致使这些地方干旱化加剧[116]

干旱气候成因是近几十年来各国学者讨论的热门话题,总结下来大致有以上六大类影响因素。但干旱区气候的形成绝不是单一要素决定的,通常由多个因素共同影响(表1)。

表1   八大旱区与六大类影响因素对应关系

Table 1  The corresponding relations between eight drylands and six factors

干旱区主要影响因素次要影响因素
美国中西部Hadley环流、大地形海气相互作用和全球变暖
南美洲南部大地形海气相互作用和全球变暖
北非Hadley环流、海气相互作用陆气相互作用、沙尘气溶胶和全球变暖
非洲南部Hadley环流、海气相互作用全球变暖
西南亚Hadley环流、陆气相互作用海气相互作用、沙尘气溶胶和全球变暖
中亚大地形海气相互作用和全球变暖
中蒙大地形陆气相互作用、沙尘气溶胶、海气相互作用和全球变暖
澳大利亚Hadley环流海气相互作用和全球变暖

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4 干旱气候变化特征

4.1 各干旱区干湿差异明显

研究表明,全球绝大多数旱区呈干旱化趋势,包括中蒙、中亚、北非和西南亚等地区[126,127],这种干旱化趋势的大部分与IPO有关,并且自20世纪80年代以来的快速变暖也起到了不可忽视的作用[128~131]。马柱国等[119]曾利用全球月降水和平均气温资料,详细研究了气候增暖背景下全球干湿变化后指出,20世纪下半叶全球干湿差异明显,亚洲、非洲、澳洲及南美洲四洲大陆呈明显干旱化趋势,其中亚洲和非洲大陆干旱化更为明显;南美洲和澳洲大陆存在30年左右的干湿振荡周期,其规律与SOI的年代际振荡一致,目前虽然降水呈增加趋势,但由于气温明显上升导致PET升高,仍处于干期;而北美呈湿润化趋势,与北太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)显著相关[132~134]。Dai等[135]对1950—2012年全球干旱趋势的研究不仅基于PDSI,还考虑了降水及河流流域平均径流量等水文干旱方面的情况,1950—2012年,非洲大部、东亚、西南亚、南美和澳大利亚东部普遍出现干旱化趋势,而美国中西部、北欧、澳大利亚西北部等地则出现明显湿润化趋势。随着全球变暖,近地面空气温度升高,大气对水分的需求量增加,导致地表面干燥[135,136]。从降水的长期趋势及年代际振荡角度来讲(表2),华北与北非有相同的位相特征,而它们都与北美都存在着明显的位相相反现象,这种显著差异有待进一步研究[137]

表2   4个典型干旱半干旱区区域平均年降水量趋势及年代际干湿振荡的时间统计[137]

Table 2  Statistics of long-term trend and multi-decadal wet and dry oscillation of regional mean annual precipitation over four typical arid and semi-arid areas[137]

北美华北北非中亚
趋势干旱阶段1985—2001年1961—1998年1951—1984年1964—1977年
1993—2003年
湿润阶段1951—1984年1951—1960年1985—2010年1951—1963年
2001—2010年1999—2010年1978—1992年
年代际振荡干旱阶段1951—1974年1970—2010年1969—2010年1951—1958年
1969—1984年
湿润阶段1975—2010年1952—1969年1951—1968年1959—1968年
1985—2010年

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尽管众多学者认为,随着全球气候变暖,全球干旱化趋势加重[117~122],但也有学者对此持不同看法。Greve等[138]认为,全球大约3/4的土地面积没有较明显的干旱变化,只有10.8%的陆地面积呈现出明显的“干变干,湿变湿”模式,而9.5%的陆地面积呈现出相反的模式,即“干变湿,湿变干”。而Sheffield等[139]的表述更为直接:过去60年全球干旱趋势变化不大。后来有学者进一步研究认为,Sheffield等的结论可能是受到了他们所用降水、辐射和风力资料的虚假变化的影响[135,140]

近几十年来,我国华北和东北地区一直面临着更加严重的干旱化趋势,其持续时间越来越长,频率越来越高[141~144],一是因为东亚夏季风减弱[145~148],二是因为全球增暖导致PET增强[75,119]。Chen等[149]利用经验正交函数(EOFs)分析了中东亚中纬度地区近百年(1901—2003年)的地表气温变化,指出东亚季风区、中亚、蒙古高原和塔里木盆地等4个主要旱区近百年来呈现明显的暖化趋势,其年平均气温增幅为0.18℃/10 a,冬季增幅较大,为0.21℃/10 a。降水空间差异化十分突出,不少地方降水量虽有所增加,但由于气温升高,蒸发潜力加大,其干旱化趋势并未改变[37,75,119]。由此可见,PET作为衡量大气对地表水分需求的一个量,对干旱的贡献不容忽视。近期,马柱国等[150]利用年降水量、修正的PDSI和地表湿润指数(Surface Wetness Index, SWI)分析发现,2001年后,我国北方已由“西湿东干”完全变为“西干东湿”,其变化与太平洋年代际振荡的周期位相转变一致。

4.2 未来干旱区将继续扩张

大多数模式模拟结果都表明,全球干旱地区在过去60年中已经扩大,并将在21世纪继续扩大,尤其是中纬度旱区会由于降水减少和(或)蒸发增加而导致更严重和更大面积的干旱[129,136,151~154],到21世纪末,全球干旱区(在温室气体高排放的情况下)预计将比1961—1990年时增大5.8×106 km2(或10%)[155],副热带荒漠化地区将增加250 km2(或10%)[156];干旱地区的扩张主要将发生在北美西南部、非洲北部边缘、非洲南部和澳大利亚,而半干旱地区的主要扩张将发生在地中海北部、北美洲和南美洲[155],其结果与模式预测的降水百分率变化基本一致(图4)。随着全球进一步变暖,干旱区的进一步扩张,陆气相互作用、海气相互作用的变化及其影响将出现新的特征,这将进一步增加未来干旱区气候变化的不确定性,加剧干旱区对全球气候的影响,同时意味着未来将有更多诸如极旱或极涝天气事件发生[157]

图4

图4   RCP4.5情况下23CMIP3a)、14CMIP5b)、40CMIP5c)模式模拟的20702099年相对于19701999年的降水量变化百分率[136]

Fig.4   Percentage change in annual precipitation for 2070-2099 relative to 1970-1999 under RCP4.5 scenario from 23 CMIP3 models (a), 14 (b) and 40 (c) CMIP5 models[136]

阴影部分表示至少80%的模式支持这种变化

Stippling indicates at least 80% of the models agree on the sign of change


5 问题与未来研究方向

近年来,国内外众多学者在干旱半干旱区气候变化研究方面取得了很多重大成果,但由于干旱半干旱地区气候复杂多变、气候环境对内外部因素响应敏感,并且对包括人类在内的地球生物生存生活息息相关,旱区气候变化研究还需要进一步完善。

(1)完善干旱气候监测系统。很多干旱区土地荒漠化严重,气候环境监测站点稀疏,观测资料连续性不够,这会影响分析结果的可靠性,未来应进一步加强陆面—大气—海洋系统多方位观测,结合遥感手段,获得更加立体的观测资料,为相关研究提供更准确、更完善的数据保障。

(2)全球变暖对干旱的影响。全球变暖是一个动态过程,其细微的变化就会导致干旱频率、强度以及干旱区分布等发生改变,这加大干旱预测的困难性。尽管目前诸多学者使用CMIP3,CMIP5和EegCM3等模式对未来干旱气候变化做了研究,但模式预测结果仍有很多不确定性,干旱区气候预测既是重点又是难点。目前,各干旱区对全球增温的响应差异性较大,其原因有待更深入地研究。

(3)青藏高原隆升的干旱区气候环境效应。研究表明,青藏高原的隆升对亚洲季风的强弱进退有重大影响,进而影响到中蒙旱区面积及干旱强度,其研究很大程度依赖于数值模拟。目前用于这方面研究的数值模式分辨率尚不够高,模拟所用的边界条件不够精确可靠,需要在未来研究中不断完善。

(4)干旱区气候变化。全球变暖背景下,各大干旱区干旱化趋势并不相同,大多数是变干的趋势,但也有个别干旱区表现出湿润化趋势(如北美旱区),其原因尚不确定;目前对干旱区降水及温度变化的机理和主导因素研究较少,导致学术界对干旱区气候成因的理解分歧很大,没有公认的定论,尚不能定量区分各影响因素对干旱区气候演变过程中的相对贡献及其响应过程。

(5)海洋对干旱区气候变化的影响。海洋作为地球气候系统中的重要组成部分,可以通过IPO,AMO和NAO等振荡因子的不同位相转换而引起大气环流异常,导致全球温度及降水变化,进而影响干旱区气候变化。但目前对于不同海域、不同海洋振荡因子之间的相互作用、相互影响,以及它们对于干旱区气候演变过程中的相对贡献无法量化。

(6)干旱灾害风险管理。干旱灾害是全球最常见且危害最严重的自然灾害之一,其强度、频率与社会民生息息相关。在社会经济快速发展的今天,准确地评估干旱灾害的强度与影响范围,科学地应对干旱所带来的危害已成摆在我们面前的重大科学问题。未来应进一步深入认识干旱区气候特征,进一步完善干旱灾害风险评估与管理,对制定干旱区社会经济发展规划提供有效科学依据。

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