我國干旱化問題研究的進(jìn)展

我國干旱化問題研究的進(jìn)展

1北方干旱化與人類適應(yīng)的研究是其終代產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要內(nèi)容全球變化研究是一項(xiàng)以全球增暖為核心，全球環(huán)境變化為主要內(nèi)容的新興學(xué)科。它始于20世紀(jì)80年代初。它以地球系統(tǒng)各組成部分大氣圈-陸圈-水圈-冰凍圈-生物圈之間的相互作用和物理過程、生物過程和化學(xué)過程相互作用,以及人類與地球環(huán)境的相互作用為主要研究對象。作為全球變化的特征之一,區(qū)域干旱化已成為全球變化區(qū)域研究的重要內(nèi)容之一。它的形成既有大尺度的氣候背景,同時又受區(qū)域尺度地氣相互作用的影響,是自然變化和區(qū)域人類活動影響共同作用的結(jié)果。除氣候變化過程外,它的形成還包括生態(tài)變化、水文變化等各種物理、化學(xué)和生物過程,因此關(guān)于干旱化的研究需要通過多學(xué)科交叉的方法進(jìn)行開展,是全球變化的主要研究內(nèi)容之一。我國北方地區(qū)的干旱化具有長期的演變過程。近30多年,在我國北方,尤其是在東北、華北和西北東部,持續(xù)的干旱化已嚴(yán)重威脅這些地區(qū)的生存環(huán)境,導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮Y源嚴(yán)重匱乏、生態(tài)環(huán)境退化和荒漠化等一系列環(huán)境問題。中國科學(xué)院大氣物理研究所(簡稱大氣所)主持已經(jīng)完成的國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(“973”項(xiàng)目)“我國生存環(huán)境演變和北方干旱化趨勢預(yù)測”和正在執(zhí)行的“973”項(xiàng)目“北方干旱化與人類適應(yīng)”,它們的核心內(nèi)容就是運(yùn)用多學(xué)科交叉的手段對我國北方干旱化的事實(shí)、形成機(jī)理和預(yù)測及其對環(huán)境的影響進(jìn)行系統(tǒng)的研究,并為國家應(yīng)對干旱化的決策提供科學(xué)基礎(chǔ)。過去的工作已對前一個“973”項(xiàng)目的研究進(jìn)展及成果進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié),正在執(zhí)行的“北方干旱化與人類適應(yīng)”項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容包括:(1)干旱/半干旱區(qū)大氣過程、地表過程和人類活動的相互作用;(2)干旱化的階段性轉(zhuǎn)折和突變的規(guī)律、機(jī)理和可預(yù)測性研究;(3)干旱化及其轉(zhuǎn)折對我國糧食、水和國土資源安全的影響和適應(yīng)對策;(4)地球系統(tǒng)區(qū)域模式的發(fā)展及其在干旱化趨勢和轉(zhuǎn)折的預(yù)測、影響評估和人類適應(yīng)對策研究中的應(yīng)用。其中干旱化的階段性轉(zhuǎn)折和突變的規(guī)律和機(jī)理研究是貫穿于項(xiàng)目各個課題的主題。這里僅就大氣所最近在近代區(qū)域干旱化的事實(shí)及全球聯(lián)系的研究進(jìn)展作了介紹,并對全球增暖背景下區(qū)域干旱化的形成機(jī)理展開討論。2干旱的基本事實(shí)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)變化的特點(diǎn)2.1干旱化的空間變化格局在增暖背景下,近半個世紀(jì)全球極端干旱區(qū)域的面積擴(kuò)大了兩倍以上。大量的事實(shí)也揭示我國北方地區(qū)干旱化正在加劇,且增暖顯著。吉林省草原面積每年以2.8%遞減,草原重度退化的面積占整個草原面積的47.5%;在內(nèi)蒙古東部,近10年沙漠化令科爾沁沙地以每年2.4%的速度擴(kuò)展;黃河徑流也在不斷減少;北方主要農(nóng)業(yè)區(qū)不同程度的干旱面積均有擴(kuò)大的趨勢。以上特征都是我國北方區(qū)域干旱化的具體表現(xiàn)。降水減少和溫度升高是形成當(dāng)前我國北方大部分地區(qū)顯著干旱化的主要原因。前面提到,干旱化的形成是一個復(fù)雜過程,是地球系統(tǒng)多圈層相互作用和人類活動影響共同作用的結(jié)果。由于其形成原因的多學(xué)科特征,對干旱的定義多種多樣,體現(xiàn)了各自的學(xué)科特點(diǎn),但至今仍然缺乏一個能綜合表現(xiàn)干旱化總體特征的客觀指標(biāo),觀測數(shù)據(jù)的不足是其中重要的原因。因此,在當(dāng)前資料條件下,采用多指標(biāo)的對比分析揭示干旱化的事實(shí)仍不失為一條有效途徑。已完成的“973”項(xiàng)目“我國北方生存環(huán)境演變及未來趨勢預(yù)測”(1999～2004年)通過建立“儀器觀測時期干旱指數(shù)的構(gòu)建及比較研究”任務(wù)組,詳細(xì)比較濕潤指數(shù)、Palmer干旱指數(shù)和降水距平百分率在表征我國北方干旱化中的差異和各自的優(yōu)缺點(diǎn),通過對比分析對我國干旱化的基本事實(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。利用已改進(jìn)的地表濕潤指數(shù)對我國北方地區(qū)近100年的干濕演變規(guī)律及變化趨勢進(jìn)行詳細(xì)的分析,發(fā)現(xiàn)近幾十年盡管中國西部降水略有增加,但從濕潤指數(shù)的變化說明這個地區(qū)并未存在變濕的趨勢。在地表濕潤數(shù)指數(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)Thornthwaite的分類函數(shù),對中國干旱和半干旱分界線的10年際變動進(jìn)行分析,結(jié)果說明:近50年我國華北南部、東北中部和陜西南部和內(nèi)蒙古中部的干旱化有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢,干旱/半干旱分界線向南或者向東成波動式擴(kuò)展尤為明顯,近50年干旱或半干旱界線向東或者向南擴(kuò)展的范圍大約在150～300km。近100年干旱和半干旱分界線存在周期性的年際擺動,分界線位置變化的趨勢具有階段性,其中在陜西南部,目前分界線的位置已經(jīng)接近歷史上最南邊;在華北南部,1950年代以后有一個明顯的向南擴(kuò)展趨勢,但目前還沒有達(dá)到歷史的最南端。在東北中部半干旱分界線的位置呈明顯的規(guī)則的周期變化,周期長度大約40年左右,在規(guī)則的周期上疊加了一個明顯向東擴(kuò)展的趨勢。地表濕潤指數(shù)、反演的土壤濕度、降水和Palmer干旱指數(shù)(PDSI)的對比研究揭示了我國近半個世紀(jì)的干旱化的空間分布格局。圖1為1951～2007年中國區(qū)域干濕變化趨勢(地表濕潤指數(shù))和極端干旱(Palmer干旱指數(shù))發(fā)生頻率變化趨勢的空間分布格局?？梢钥闯?100°E以東地區(qū)近50年基本為干旱化的趨勢,顯著干旱(紅色區(qū)域?yàn)橥ㄟ^95%的信度檢驗(yàn))的地區(qū)分布在西北的東部和整個華北地區(qū),東北的東南部也為干旱化顯著的地區(qū)(圖1a)。這些地區(qū)干旱化趨勢的產(chǎn)生與降水的持續(xù)減少密切相關(guān),而近30年氣溫的持續(xù)上升是這些地區(qū)干旱化加劇且范圍擴(kuò)大的另一個重要原因。對區(qū)域平均狀況分析發(fā)現(xiàn):西北東部、華北在20世紀(jì)70年代末期發(fā)生明顯的由濕向干的年代際轉(zhuǎn)折性變化,兩個地區(qū)的干旱化均持續(xù)至今,時間接近30年,這個轉(zhuǎn)折性變化應(yīng)與1977/1978年的全球大尺度氣候背景有關(guān)。與上述兩個地區(qū)不同,東北地區(qū)在近半個世紀(jì)卻存在3個干濕變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn),最近的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在20世紀(jì)90年代中期由濕向干的趨勢轉(zhuǎn)變,目前這個地區(qū)也處于一個干旱的時段,另一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在1965年和1983年。這說明除溫度升高加劇了干旱化趨勢外,控制東北地區(qū)的大尺度氣候背景與前述兩個地區(qū)的大尺度氣候背景不同。在20世紀(jì)80年代以后,西北東部、華北和東北地區(qū)的極端干旱發(fā)生的頻率(每年12個月極端干旱所出現(xiàn)的月數(shù))明顯增加,其中東北增加的幅度最大(圖1b)。值得指出的是,在我國北方發(fā)生干旱化最劇烈的地區(qū)均位于半干旱地區(qū),而干旱地區(qū)降水是增加的。2.2大陸干旱化、增暖強(qiáng)度大、總濕趨勢進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),伴隨著20世紀(jì)下半葉的持續(xù)增暖,全球陸地大部分地區(qū)存在干旱化的趨勢(圖2)。不同空間尺度干濕變化的傾向明顯不同:在半球尺度,東半球?yàn)樽兏哨厔?而西半球反之,為變濕趨勢;在大陸尺度上,尤其是非洲大陸和歐亞大陸,干旱化趨勢非常顯著,其中以非洲大陸最為劇烈,從1951～2002年,其干旱化強(qiáng)度增加了16%。在歐亞大陸的俄羅斯遠(yuǎn)東、中國華北和東北地區(qū)都是干旱化顯著的地區(qū)。增暖對全球干濕變化有重要影響,除北美大陸外,其余大陸在增暖的作用下其干旱化的強(qiáng)度都有大約1～5個百分點(diǎn)的加強(qiáng),降水為增加趨勢的區(qū)域也因增暖而變濕趨勢減弱或消失。全球5個大陸除北美大陸外均為變干趨勢,而北美大陸為變濕趨勢。值得注意的是北美大陸與歐亞及非洲大陸的干濕變化的相反趨勢,數(shù)值模擬的土壤濕度變化也支持這一結(jié)論。在增暖背景下,這種半球尺度和大陸尺度干濕變化趨勢的差異形成的原因有待于進(jìn)一步的深入研究。2.3美、日、系轉(zhuǎn)折性變化近半個世紀(jì),北美變濕傾向、非洲大陸和歐亞大陸的干旱化趨勢都具有明顯的轉(zhuǎn)折性特征,表現(xiàn)在平均值和距平值的轉(zhuǎn)折變化。在北美、非洲和亞洲發(fā)生干旱的地區(qū),平均值發(fā)生轉(zhuǎn)折性變化的時間前者為1950年代中后期,后兩個地區(qū)均發(fā)生在1960年代初期,北美的轉(zhuǎn)折性特征是由干轉(zhuǎn)向濕,而后兩個地區(qū)都是由濕的傾向轉(zhuǎn)向干的傾向。在距平變化上,三個地區(qū)其轉(zhuǎn)折點(diǎn)均位于1970年代中后期,這包括氣溫(T)、降水(P)和表征干濕變化的地表濕潤指數(shù)(SWI)(圖3),在北美大陸,由干轉(zhuǎn)為濕的時間發(fā)生在1976年,非洲大陸由濕轉(zhuǎn)為干的時間為1979年,亞洲地區(qū)的干旱起始于1975年,這種年代際的轉(zhuǎn)折性變化普遍存在于全球許多地區(qū)。分析還發(fā)現(xiàn),在不同氣候特征地區(qū),尤其是在干旱和半干旱地區(qū),近半個世紀(jì)干濕變化的趨勢明顯不同。北美干旱區(qū)和半干旱地區(qū)近半個世紀(jì)降水總體趨勢均為增加,然而,在20世紀(jì)80年代以后轉(zhuǎn)為減少傾向。與此特征形成鮮明對照的是非洲大陸,無論是干旱區(qū)還是半干旱區(qū),近半各世紀(jì)降水均為減少趨勢;歐亞大陸其變化又明顯不同于上述兩個地區(qū)。在歐亞大陸,增暖背景下半干旱地區(qū)降水為明顯的減少趨勢,而干旱地區(qū)降水卻為增加,特別是在亞洲地區(qū),其干旱和半干旱地區(qū)降水在近個半個世紀(jì)的變化趨勢完全相反。如果以1980年為界,在亞洲的半干旱地區(qū),降水平均減少了大約8mm,而在干旱地區(qū)降水卻增加了平均約4.5mm,干旱地區(qū)與半干旱地區(qū)降水的變化趨勢完全相反,這一現(xiàn)象的形成原因有待于深入研究。3干旱化與人類適應(yīng)的研究前面提到,盡管干旱化形成機(jī)理非常復(fù)雜,但無外乎兩種原因:一個是氣候過程的自然變化,另一個是人類活動的影響,其本質(zhì)內(nèi)容就是干旱化的形成既有區(qū)域尺度地氣相互作用的影響,又有大尺度氣候背景的變化,其機(jī)理研究的難點(diǎn)是怎樣區(qū)分其中的自然變化過程和人類活動的影響。圍繞這個國際前沿的科學(xué)問題,新的“973”項(xiàng)目“北方干旱化與人類適應(yīng)”關(guān)于干旱化機(jī)理研究著重三個方面進(jìn)行:(1)區(qū)域干旱化形成的大尺度背景;(2)區(qū)域尺度地表過程和大氣相互作用的觀測實(shí)驗(yàn);(3)用于干旱化機(jī)理研究的區(qū)域模式發(fā)展。下面將介紹上述三個方面取得的進(jìn)展和初步的成果。3.1國際研究計(jì)劃在“973”項(xiàng)目“我國生存環(huán)境演變和北方干旱化趨勢預(yù)測”的支持下,于2002年10月在吉林通榆設(shè)立通榆觀測實(shí)驗(yàn)站并投入使用,該站位于吉林省白城市通榆縣新華鄉(xiāng)的行政地域內(nèi),地理位置為(44°25′N,122°52′E),處在白城至雙遼沙丘覆蓋的沖積平原區(qū),平均海拔高度為184m,實(shí)驗(yàn)區(qū)地形非常平坦,以新華鄉(xiāng)為中心,分別針對典型半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)和退化草地生態(tài)系統(tǒng)建立兩個觀測點(diǎn),兩點(diǎn)空間距離在5km左右,被列為國際協(xié)同觀測計(jì)劃CEOP(CoordinateEnhancedObservingPeriod)(1)探索土地利用等與人類活動有關(guān)的變化對干旱化的作用;(2)認(rèn)識半干旱地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)條件下,水汽、CO2和地表熱通量的變化特征;(3)對比不同下墊面條件下的物質(zhì)和能量傳輸過程的差異。通過長期觀測實(shí)驗(yàn)對這些問題的深入研究將有助于進(jìn)一步認(rèn)識干旱化的形成機(jī)理,為人類活動的有序適應(yīng)提供科學(xué)基礎(chǔ)。圖4為通榆站草地和農(nóng)田連續(xù)觀測地表的能量和熱量的變化。3.2年際和年代際尺度變化的相關(guān)關(guān)系20世紀(jì)50年代,Namias就發(fā)現(xiàn)觀測的北太平洋海表溫度與大氣環(huán)流異常對天氣和氣候變化有重要的作用;大量的研究指出海溫變化與全球和區(qū)域氣候變化關(guān)系密切。近年來,關(guān)于海洋上幾大濤動,如南方濤動(SO)、北大西洋濤動(NAO)和北太平洋年代際振蕩(PDO)等與氣候變化的關(guān)系引起了廣泛的關(guān)注。符淙斌等發(fā)現(xiàn)冬季北大西洋濤動指數(shù)與中國東部旱澇指數(shù)有很好的滯后相關(guān);Sahel地區(qū)區(qū)域氣候變化與大尺度氣候背景關(guān)系的研究也取得很大的進(jìn)展,結(jié)果表明大尺度海洋的強(qiáng)迫是20世紀(jì)后半葉Sahel地區(qū)少雨的主要原因。這些研究主要關(guān)注的是大尺度海溫變化對氣候各分量影響的分別研究,如對降水和溫度變化的影響,涉及的干濕變化問題也主要體現(xiàn)在降水的異常變化,而對引起氣候變化的綜合效應(yīng),如環(huán)境干濕變化與大尺度氣候背景的關(guān)系卻研究甚少。以下是考慮環(huán)境干濕變化與大尺度氣候背景關(guān)系的研究結(jié)果。符淙斌等發(fā)現(xiàn),中國東部特別是北部地區(qū)平均旱澇指數(shù)(FDI)在落后北大西洋濤動指數(shù)(NAOI)1～3年的情況下,兩者有很好的正相關(guān)關(guān)系。對未滑動序列,相關(guān)系數(shù)分別為0.106、0.097和0.134,接近0.01～0.001的顯著性水平。10、20年滑動平均相關(guān),北區(qū)(指35°N以北、100°E以東)的相關(guān)系數(shù)信度水平幾乎都達(dá)到1‰以上;中區(qū)(指25°N～35°N之間)、南區(qū)(華南)負(fù)相關(guān)也在0.01或0.05以上顯著性水平,表明NAOI與我國東部FDI存在某種遙相關(guān)關(guān)系。FDI與NAOI的最佳相關(guān)時段在1636～1742年(小冰期期間),兩者5年滑動平均相關(guān)系數(shù)在0.4以上;在最近530年中,不同時期存在非常顯著的旱、澇趨勢變化及明顯的年代際和世紀(jì)尺度的突變變化。但NAOI重建序列在最近400年間,沒有達(dá)到顯著性水平的上升或下降的趨勢變化,年際和年代際尺度的突變現(xiàn)象較我國FDI要頻繁得多。研究還發(fā)現(xiàn),從區(qū)域平均來講,北美大陸和非洲大陸的干濕變化與北太平洋年代際振蕩(PDO)的關(guān)系最為密切。在近半個世紀(jì),PDO的暖位相對應(yīng)北美大陸的濕時段、非洲大陸和歐亞大陸的干時段;同樣的現(xiàn)象發(fā)生在我國的華北,近半個世紀(jì)的干濕變化與PDO有非常一致的對應(yīng)關(guān)系,PDO的冷位相對應(yīng)華北低溫、多雨和濕潤時段,暖位相對應(yīng)溫暖、少雨和干旱時段(圖5),華北的持續(xù)干旱與東亞季風(fēng)減弱所引起的水汽輸送量減少有關(guān)。而PDO與南美大陸和澳洲大陸各種時間尺度的干濕變化沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。南方濤動(SO)和全球干濕變化的相關(guān)關(guān)系類似PDO,但在非洲大陸和澳洲大陸,從年際變化到年代際變化,其相關(guān)性都是顯著的。與PDO和SO相比,NAO和全球環(huán)境干濕變化相關(guān)最顯著的地區(qū)僅限于歐亞大陸,但僅集中在5年以上時間尺度的變化,與其余大陸干濕變化在同期不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。可以認(rèn)為,按相關(guān)程度大小排列,和全球年代際干濕變化相關(guān)關(guān)系從大到小依次為PDO、SO和NAO。因此,在研究全球或者區(qū)域環(huán)境干濕的年代際或者以上尺度變化時應(yīng)重點(diǎn)考慮PDO與SO的變化。同時,PDO、NAO和SO的年代尺度變化的振幅和位相是否在全球變暖背景下將發(fā)生變化是一個需要研究的問題。以上研究結(jié)果說明,全球和區(qū)域干旱化與大尺度氣候背景有著密切的關(guān)系,這些關(guān)系具有明顯的區(qū)域差異,而干旱化與大尺度背景相互聯(lián)系的基本過程和物理圖像是什么至今尚不清楚,人類活動和大尺度氣候背景相互作用的機(jī)理是什么,這些問題是定量估算大尺度氣候背景和人類活動在干旱化形成過程中的相對貢獻(xiàn)和深化對干旱化機(jī)理認(rèn)識的關(guān)鍵科學(xué)命題。3.3區(qū)域地氣耦合作用機(jī)理模擬區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)模式的發(fā)展是研究干旱化形成機(jī)理的一個有效工具。在前一個“973”模式發(fā)展的基礎(chǔ)上,區(qū)域模式的研究取得了進(jìn)展。為了改善模式對水、土、氣、生過程及其相互作用的模擬能力,一個具有并行計(jì)算性能的第二代區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)集成模式(RIMESVersion2.0)被發(fā)展,已經(jīng)進(jìn)行20年連續(xù)模擬研究,目標(biāo)是建立一個包含物理過程、化學(xué)過程和生物過程以及人類過程的地球系統(tǒng)區(qū)域模式,作為干旱化機(jī)理研究和趨勢預(yù)測及有序人類活動的數(shù)值虛擬實(shí)驗(yàn)的工具,同時也是主持和參與亞洲區(qū)域模式比較國際計(jì)劃(RMIPforAsia)的基礎(chǔ)平臺。關(guān)于這方面的研究進(jìn)展已經(jīng)進(jìn)行過介紹,這里將不再贅述。下面將簡單介紹正在發(fā)展的區(qū)域地氣耦合柱狀模式。為了能夠模擬單站地氣相互作用的特征,結(jié)合CEOP實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用,我們在區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)模式基礎(chǔ)上發(fā)展了一個耦合BATS(BiosphereAtmosphereTransterscheme)的區(qū)域柱狀氣候模式,針對通榆實(shí)驗(yàn)觀測區(qū)域進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)①。模式中心點(diǎn)設(shè)為通榆站(44.42°N,122.87°E),網(wǎng)格距為20km,海拔184m,下墊面植被為農(nóng)田或者草地。采用NCEP再分析資料作為側(cè)邊界積分一年,與觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。模擬研究發(fā)現(xiàn),耦合了大氣模式后,BATS模擬的感熱通量在夏季明顯大了很多,且熱通量則偏小,尤其八九月份,潛熱偏差較大;同時,模擬的降水偏小,偏差也在八九月份最大。耦合之后相對于BATS獨(dú)立試驗(yàn),