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20世纪下半叶的全球干旱及其与大尺度气候变化的关系

MA ZhuGuo FU CongBin

中国科学院大气物理研究所东亚温带气候环境研究重点实验室，北京100029

摘 要 本文主要依据1951 - 2002年气候研究单元(CRU, Climate Research Unit)全球网格月降水量和月平均地表空气温度数据集，对全球土地表面湿度指数(SWI, Soil Water Index)进行分析。比较了全球各大洲，如北美、南美、欧亚大陆、非洲和澳大利亚等地的SWI变化特征。分析了各大陆(或全球)的SWI变化与气候变化的相关性，大尺度背景与海温变化相联系影响气候变化。结果表明，20世纪下半叶，在全球变暖的影响下，SWI的变化呈现出明显的区域特征。非洲、欧亚大陆、澳大利亚和南美洲在过去52年中出现了干燥的趋势，最明显的是非洲和欧亚大陆。1976年后，北美呈现湿润趋势。南美洲和澳大利亚发现了长达30年的干湿振荡;最近的一次是在两个地区的干旱期。结果还显示，全球变暖已经改变了全球土地的干湿格局。尽管降水增加，南美洲和澳大利亚仍有干燥的趋势。这说明在干旱研究中，地表气温的升高是不可忽视的。全球干湿变化与大规模海温变化密切相关:非洲和欧亚大陆的干燥趋势和北美的湿润趋势与太平洋年代际振荡(PDO)有关;南美洲和澳大利亚的SWI的年代际振荡与南方涛动指数(SOI)的年代际变化一致。

关键字：全球干湿变化；干燥趋势；大背景；年代际变化；相关性

以往的研究通过分析降水变化揭示了许多区域干旱的事实。Nicholson^[1]发现西非半干旱地区的降水量连续30年下降，其中萨赫勒地区的降水量下降了20%-40%。Dai等人^[2]还发现，在20世纪50 - 80年代，萨赫勒地区的降水量显著下降。Zhang等人^[3]发现华北中部降水变化与非洲大陆相似，进一步指出干旱与大气环流异常有关。许多类似的研究^[5-8]为了解全球或区域土地的干湿变化提供了重要证据。然而，正如之前的研究，并不能仅通过分析降水的变化，来分析其对全球变暖条件下土地的干湿变化的影响，因为降水并不是影响土地表面干湿状态的唯一因素，尽管它是一个关键因素。在全球变暖的情况下，由于地表空气温度(以下简称SAT, Surface Atmospheric Temperature)上升而引起的潜在蒸发的变化，对地表干湿状态产生了重要的影响。因此，需要一个描述降水和温度变化影响的指标来客观地反映包括干旱事件在内的地表干湿变化。1965年，Palmer等人^[12]提出了一个指标，即Palmer干旱指数(PDSI)，用来描述和分析干旱事件，它是目前干旱研究中应用最广泛的干旱指数。但是，由于各区域对参数的敏感性大不相同，而且由于缺乏观测，因此计算的土壤湿度具有不确定性。因此，在全球和各区域中的干旱研究中PDSI的应用都受到了很大的限制。

近年来，地表湿润度指数(SWI)很好地用于表征我国区域干湿变化，尤其是华北地区的干旱、极端干旱和干湿变化。其优点是考虑降水和SAT的变化，包括地表水收支这两个重要过程，其次输入数据少，计算简单。因此，该指标适合于研究当前可用数据匮乏下的全球干湿变化。

近30年来，对干旱形成机制的研究主要有两种观点:一是考虑当地陆气相互作用对形成干旱的贡献，例如Charney，他是研究人类活动对气候变化和环境变化影响的先驱。以下研究^[15-17]支持了他的观点。所有的研究都强调地表(土地利用和土地覆盖变化)与大气之间的相互作用对于干旱是至关重要的。另一种观点认为，萨赫勒地区的长期干旱可以归因于全球海温(SST)的变化^[15-18]。Giannini等人^[21]的最新研究通过数值模拟揭示了海温异常对萨赫勒降水的重要影响，从而为第二种观点提供了进一步的证据。两种观点的争论集中在萨赫勒地区和华北中部地区形成的20-30年干旱是由于当地陆气相互作用造成的，还是由大规模海温变化造成的。到目前为止，还没有一个令人信服的结论。但是，就萨赫勒的长期干旱是大规模海温变化造成的，并且当地陆气相互作用有助于维持和增强干旱气候这一观点已达成一致。Hoerling 等人^[24]发现1998 - 2002年美国、南欧和非洲西南部持续干旱与全球海温变化密切相关。受这些研究的启发，研究海温或大规模海洋气候变化与陆地降水年代际变化之间的关系，特别是在研究三种振荡与陆地气候变化之间的关系方面取得了很大的进展^[25-27]。值得注意的是，三种振荡对降水变化的影响存在明显的时空差异。然而,这些研究通常使用单一指数(如降水)研究全球土地干湿变化与大尺度的海温变化之间的联系。全球变暖下大尺度气候变化与海温变化相关，因此这些结果不能代表SAT对干湿变化过程的影响。

本研究通过对全球变暖背景下地表湿度指数(SWI)的分析，揭示了全球变暖下各大陆的干燥/湿润趋势、干燥/湿润年代际特征及其在各大洲的差异。在此基础上，通过分析SWI年代际变化与北大西洋涛动(NAO, North Atlantic Oscillation)太平洋年代际涛动(PDO, Pacific Decadal Oscillation)和南方涛动(SO, Southern Oscillation)的相关性，探讨大尺度气候背景对全球干湿变化的影响。

1数据与分析方法

1.1 数据

气候数据(月降水量和月平均SAT)由东安格利亚大学气候研究中心（CRU）提供,分辨率为0.5°*0.5°，时间尺度为1901 – 2002年。太平洋年代际振荡(PDO)指数取自文献^[29]；NAO指数来源于http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/nao.htm ^[30]；南方涛荡(SO)指数来源于http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/soi.htm^[31]；三个振荡指数是月数据，年平均指数是12个月的算术平均值(简称PDOI, Pacific Decadal Oscillation Index、NAOI, North Atlantic Oscillation Index和SOI, Southern Oscillation Index)。

2.2 分析方法

表面湿度指数(SWI)在我们之前的一篇论文中有详细的描述。在这里简要解释一下它的物理含义。其基本机理是考虑影响表面干湿变化的两个主要因素:降水变化和地表潜在蒸发。更多的降水有助于地面湿润，然而地表潜在蒸发的增加使地表更加干燥。年SWI可定义为:

其中P为观测年降水量，年潜在蒸发量Peyr=，Pei是第i个月的蒸发量，可通过改进的Thornthwaite方法获得^[32]。我们用应用广泛的Mann-Kendall方法^[33](简称MK方法)进行趋势检验。该方法的原理是分析样本和总体的序列是稳定的，相互独立。通过与样本和总体进行比较，建立新系列，然后根据新系列的标准化值判断原系列的走向。当标准化变量(被测值)绝对值大于1.96，且达到95%显著性水平时，可以认为变化显著。正值代表上升趋势，负值代表下降趋势。

2 结果分析

2.1 全球干湿变化时空格局

Dai等人^[2]的研究表明，自20世纪70年代以来，全球极端干旱地区面积增加了一倍，主要原因是80年代中期以后气候变暖。其他研究^[10]也表明，我国干旱半干旱地区向东南扩展也是气候变暖的结果。众所周知，除了少数地区，气候变暖是一个全球现象。然而，上个世纪全球降水变化的空间分布存在许多不确定性^[34]。因此，受SAT和降水异常影响的全球干湿变化的时空格局是什么?什么是区域干湿差异?这些问题目前仍未得到解答，特别是大陆尺度干湿变化的比较。我们将在下文中解决这些问题。此外，我们将主要关注各大洲的干湿变化及其差异。

图1为1951 - 2002年年降水量变化(下文中降水量指年降水量)和年SWI变化(SWI在下文中指年SWI)的空间分布。为了表示降水和SWI的年代际变化，我们用5年的滑动平均对它们的原始序列进行了平滑，然后用MK方法分析了平滑序列的变化。实线区域代表降水或SWI(湿润趋势)增加的区域。虚线区域代表降水量或SWI(干燥趋势)减少的区域。阴影区域通过95%的显著性检验(MK检验的绝对值ge;1.96)。

从图1(a)可以看出，美国大部分地区(北美和南美)的降水呈增加趋势，下降趋势只存在于阿拉斯加、加拿大西部和南美洲西北部。然而，欧亚大陆和非洲大部分地区的降水呈现明显的下降趋势，与北美相反。如果欧亚大陆以60°E(欧洲和亚洲)为界，分为东西两部分，会发现在60°以西的大部分地区降水有增加趋势。近52年来，整个欧洲和北非的撒哈拉沙漠以及地中海沿岸降水呈下降趋势。对于60°E以东的大多数地区，MK值是负的,意味着降水是以减少为主。在欧亚大陆和非洲，降水增加的地区集中在两个狭窄的纬向带，即25 - 30°N和50°N。位于25°N ，60°E以西，沿着 25° - 30°N纬度带的降水增加区，北移至 25 - 35°N，60°-80°E，雨带扩展南边界移到30°N北边界跳至45°N，这正是中国西北的西部。因此，近20年中国西北西部降水增加不是一个孤立的局部现象，而是大范围变化的一部分。100°E以东的降水增加区沿长江流域南移至32.5°N(长江)，从而形成了中国南涝北旱的格局。该地区降水的增加可能与青藏高原的地形效应有关。100°E以东的中高纬地区,降水普遍呈减少趋势，该趋势向北延伸至35°N；除了在蒙古北部和俄罗斯中部的一些地区降水有小范围的增加。降水显著减少发生在俄罗斯远东、中国华北中部和中国西北东部。在全球范围，非洲南至20°N的地区降水显著减少，除了在赤道附近的少数地区降水增加。在澳大利亚东部和西部降水呈相反变化趋势，中西部呈现上升趋势，东部呈现下降趋势。

近52年SWI变化的空间格局(图1(b))与降水的空间格局(图1(a))基本一致，但湿润（MK检验值为正）与干燥 (MK检验值为负)程度在图1(a)和图1(b)中差异较大。最显著的差异出现在北美、南美和澳大利亚。如图1所示北美南至50°N的地区,降水增加90%以上,但其中超过40%的区域,如图1(b)所示为干燥区。换句话说，尽管降水量增加，但北美约30%的地区呈现年代际干燥趋势(SWI下降趋势)。与北美相似，南美20%的地区和澳大利亚40%的地区也有这一特征，即随降水增加有变干趋势。在欧亚大陆,与图1(a)50°N附近降水增加形成对比的是图1(b)中湿润区显著收缩,表明存在小范围区域，在该雨区降水增加却更干燥25°N雨带附近降水范围没有明显增加且SWI指数也变化不大，但他们的变化幅度明显不同图1(b)的湿润强度(SWI)的增加速率明显大于图1(a)的降水的增加速率，这可能与纬向的降温变化趋势有关(欧亚大陆的几个降水中心沿该带分布)。在非洲,降水趋势的变化和SWI指数的趋势变化几乎是相同的,但数值大小明显不同,尤其是在萨赫勒地区和非洲东部地区。SWI指数减弱的幅度和速率(通过95%的显著性水平)明显大于降水量减弱的幅度和速率。然而，在非洲南部，SWI减弱的幅度和速率均小于降水量减弱的幅度和速率，其原因尚需进一步探讨。

为了客观了解全球干湿变化的时空分布，我们进一步利用SWI分析全球干湿趋势的空间格局和区域特征。图1(b)表明,欧亚大陆和非洲在20世纪下半叶(图1(b)的阴影区域) 有大范围干旱趋势,而有润湿趋势的地区是撒哈拉沙漠、中东、中国西北西部南至长江,欧亚大陆西北部,俄罗斯中部的一些地区和北美大部分地区,南美洲的中部和南部。因此，在全球变暖的影响下，不同地区的干湿趋势时空格局存在显著差异。如果我们把地球分成两部分，东半球是干燥的，而西半球是湿润的。除了印度半岛和中南半岛,在欧亚大陆35°N以北地区有变干趋势。中国东部100°E以东的边界向南转为纬向。俄罗斯远东、华北中部和西北东部、蒙古南有显著的干燥趋势，这些地区正是全球变暖地区。值得注意的是，非洲撒哈拉沙漠、中东地中海东部到西北西部为显著湿润地区，但均位于欧亚大陆的干旱地区。在美国，除部分地区有小范围变干趋势外，大部分地区以湿润趋势为主。南美除了西北地区外，其余地方均有湿润趋势。澳大利亚中南部和西南部有湿润趋势，其他地区有干燥趋势。与Dai等人^[2]的研究相比(图2)，图1显示了同一干旱中心范围的变化情况。图1(b)的干区范围明显小于图2，尤其是在北非、中亚、欧洲西北部和南美洲。图1 (b)的湿区范围大于图2, 图2中没有图1所示的25°N和35°N之间的润湿带。究其原因，可能与图中不同的干旱指数有关。Palmer指数和SWI潜在蒸发量的计算均采用Thornwaite方法，但Palmer指数方案考虑了土壤水分变化。因此，Palmer指数在物理过程中更为全面，但由于缺乏观测到的土壤水分数据，仍然存在较大的不确定性。SWI指数计算简单，考虑了SAT变化对地表干湿变化的影响。虽然这两个指标在同一地区的干湿变化表现上存在差异，但结果都显现出SAT变化对全球环境干湿变化空间格局的影响。

图1 (a)降水(b)SWI全球变化趋势(MK法计算的5年滑动平均降水量值)实线面积为(a)增加趋势和(b)湿润趋势，虚线面积为(a)减少趋势和(b)干燥趋势;阴影区域表示通过95%的显著性水平<!--

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