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关于全球变暖下干旱的综述

Aiguo Dai

Correspondence to: adai@ucar.edu

National Center for Atmospheric Research, Boulder, CO, USA

摘要：本文综述最近关于近千年干旱方面的文献，随着从1950年至2008年更新地全球干旱变化，并基于最近的研究和模拟模型分析预计未来的干旱。几年甚至几十年的干旱在近千年已经发生很多次了，例如北美、西非、和东亚。这些干旱有可能是由异常的热带海洋表面温度引发，比如拉尼娜现象的异常导致北美的干旱，以及厄尔尼诺现象引起中国东部的干旱。在非洲，大西洋最暖部分的向南移动和正在变暖得印度洋导致了最近的萨赫勒地区干旱，当地回馈可能加强和延长干旱。从十九世纪70年代以来，由于近期在非洲、南欧、东南亚和澳大利亚东部的干旱，全球干旱已经大幅度增加。尽管厄尔尼诺与南方涛动、热带大西洋的海水表面温度和亚洲季风在近期的干旱中已经扮演及其重要的角色，但近期的变暖已经使大气需要的水分增加并且可能改变大气环流模式，二者都将导致干旱。在21世纪，气候模型计划增加在非洲大部分地区、南欧和中东地区，大多数的美洲、澳大利亚和南亚。像美国这样的地区在近50年以及避免了长期的干旱，但是可能要遇见长期的干旱在下一个20-50年。未来预测干旱将依赖于模型对预测海洋表面温度的能力。

什么是干旱？

干旱时在陆地上以在一段时期的几个月或几种中，低于正常降水量为特点的一种反复的极端气候事件。干旱是一种暂时的干涸时期与荒芜地区的永久性的干旱形成对比。在全球的大多数地区干旱反复发生，即使是在多雨潮湿地区。这是因为干旱是一段相对于当地正常情况干燥的时期。在另一方面，由于干旱区的降雨量总计严格地依靠一些降雨量事件而定，这些地区倾向于干旱。^[1]

干旱通常被分为三类^[2，3]：（1）气象干旱是几个月至几年的降水量低于正常水平，并通常伴随高于正常水平的温度，并且导致了其他类型的干旱。气象干旱由异常的热带海洋表面温度或其他特殊现象所触发的持续的大规模大气环流模式异常引起的。^[4-6]当地回馈减少的蒸发量与湿度伴随着干燥的土壤和过高的气温加强了大气的异常。^[7]（2）农业干旱一段时期内由于低平均降水量、强度大但不频繁的降雨事件或者高于正常水平的蒸发导致的土壤干燥，这些原因都导致了产量的减少以及阻碍了植物的生长。（3）水文干旱发生在河流的流通量以及蓄水层、湖泊、水库中的水存储量下降到长期平均水平以下时。由于水文干旱涉及的是所存储水的耗尽所以发展更加缓慢。降水量的缺乏通常会触发农业干旱与水文干旱，但包括高强度而低频率的降水、贫乏的水资源管理以及侵蚀等因素，同样能引起或者加强这些干旱。例如，过度放牧导致了高度的侵蚀和沙尘暴扩大了二十世纪三十年代的北美大平原沙漠侵蚀区的干旱^[8]。

一些极端干旱事件和经济学与生态学上的破坏一样每年影响全世界数以百万计的人类^[3]。严重的干旱会对农业、水资源、旅游业、生态系统以及人类基础设施产生深远的影响。在美国，干旱导致平均每年60至80亿美元的损失，除了在1988年为400亿美元^[9]。二十世纪八十年代，有近50万非洲人在与干旱有关的灾难中丧生^[10]。不同的处理能力也使干旱的影响程度有所不同，例如，像那些生活在有先进灌溉系统的发达国家的人比在非洲的农民或者其他通常被工具限制的发展中国家的人能更好的对抗干旱以及其他自然灾害。随着全球变暖不断持续，在全球努力减弱气候变化的消极影响中，发展中国家被限制的能力成为越来越重要的阻碍。

如何定量干旱

在这一部分，我将描述通常用于控制和量化干旱的指数。干旱具有以下三个方面的特征：强度、持续时间和覆盖空间。强度是降水量、土壤湿度或者缺水量的程度；它会包括对整体影响的严重性考虑。干旱普遍持续数月至几年，但极端干旱能够持续数年甚至几十年，因此被称为巨大干旱。后者与低纬度太平洋、印度洋以及东大西洋十年间海水表面温度变化相连接^[14-16]。严峻的是，持续的干旱可能会被短期的雨季加剧，中度干旱会出现在一个小范围地区（例如，一些村庄）但严重的中度干旱可能会覆盖大半个大陆，例如二十世纪30年代发生在北美洲的风沙侵蚀区的干旱^[5,8]。

在构造模型的研究中，单独的降水异常在梯度较大地区通过标准误差能较好地被规范，这些异常通常用于代表干燥与潮湿情况。虽然降水量在决定一个地区的干旱中占据主导地位，但当地的干旱与预计都取决于大气中水的供给与需求之间不平衡的累积影响。前者多数被大气的循环过程控制，后者则取决于近地面辐射、风速与温度^[17]。

为了更好地监控与量化干旱，已经发展了多种干旱因素^[10,18-21]。表1比较的是最常用的几种干旱因素，一个干旱指数总是测量离开局部地区正常以历史分布为基础的温度变量的情况。对于气象干旱，降水量是计算因素中的主要变量，与次要贡献的表面空气湿度一起用以说明蒸发在一些因素中的影响，例如帕默尔干旱指数（PDSI）。对于土壤水分等内容经常被使用（不常用于计算），然而流速及流量常用语测量水文干旱。Keyantash和Dracup^[20]以美国俄勒冈州的两种气候的局部地区数据为基础评定了一些常用干旱因素的性能，并且提出了降雨等分（RD）、计量土壤水分（CSM）与总缺水量分别为气象干旱、农业干旱、水文干旱最重要的因素。

帕尔默干旱指数在美国为最显著的气象干旱指数^[19]，在二十世纪^[35,36]及二十一世纪^[37,38]，它也被用于量化全球陆地范围干旱的长期变化，以在树木年轮基础上改造干旱^[39,40]。帕尔默干旱指数由帕尔默创建意在测量地表水的累积流失，把先前与现在的水分供给与需求合并在一个水文统计系统中。虽然帕尔默干旱指数是一个标准化的测量，范围从-10（干）到 10（湿），表面的水分条件，允许在空间和时间的比较，在美国大平原地区在正常的气候条件下会产生比其他地区更严重的帕尔默干旱指数。为了改善空间可比性，一是可能重新规范当地PDSI标准差类似于美国中部,帕默模型校准^[22]，或者自校准PDSI^[42]，重新校准当地条件并可能成为更优越的干旱指数^[43,44]。PDSI对待像紧急降雨这类降雨也并不精确（即，没有延迟的降雪），缺乏植被或冻土对蒸发的影响,非本地校准系数^[23],和一些其他进程^[24]。例如，Hobbins等人发现使用Thornthwaite PE估计方程在最初的帕默模型会在区域能源有限公司地导致错误，

表 1常用的干旱指数比较 (看到参考文献20，21，有关更多详细信息)

就像Thornthwaite PE仅基于温度和纬度。这个错误可以最小化,然而,通过使用Penman-Monteith(PM)方程^[37],包括辐射的影响,湿度,风速和最好在澳大利亚比较各种PE来自Donohue等^[47]。

尽管有这些说明，PDSI值与在温暖的季节全世界多河流地区实测土壤含水量显著相关^[36]，因此可以在低、中纬度地区用作干旱指数。此外,PDSI使用两种降水和地表空气温度作为输入,与许多其他干旱指数相比仅根据降水指数^[20]（表1）。这使PDSI对基本表面变暖的效应做出解释，如在20世纪发生^[36]的和可能发生在21世纪^[38]的干旱和雨季。表面温度的影响占PDSI变化的10%—30%，这种影响来自潜在蒸发。与降水和地表空气温度是唯一两个气候变量与长期的历史记录,PDSI充分利用这些数据,可以方便地用于计算过去几百年或者是大多数地区^[36]。

对于21世纪气候变暖的预测模型,干旱指数只考虑降水和不考虑大气对水分的需求将增加辐射加热和表面变暖的变化，可能不够完善。即使考虑整个地表水预算的指标,如PDSI,解释他们的价值对于未来气候可能需要修改。这是因为所有的干旱指数已定义和校准在当前气候下。但是随着21世纪大变暖趋势,未来PDSI大大超出当前气候的范围（对比，与在未来几十年里干旱将如何改变这一部分）。

干旱在全球是如何改变的

在本节中,我第一次通过分析在世界许多地区干旱在过去的近千年如何变化而提供了一个历史的观点,而且目前干旱变化自1950年以来,当仪器记录相对丰富和快速变暖发生,尤其是1970年代末。然后我讨论最近的干旱变化的原因,尤其是与温室气体引起的全球变暖之间的关系。

长期的历史观点

干旱是一个正常气候变化的一部分。树木年轮和其他代理数据，加上仪器记录显示， 在过去的1000年里世界的许多地方发生了多次大规模的干旱，包括北美^[40,48-50]、墨西哥^[16,51]、亚洲^[52-64]、非洲^[65,66]和澳洲^[67,68]。例如,连续“巨大干旱”,前所未有的持久性(20 - 40年),类似的严重程度和空间分布主要在公元第二个千禧年中早期在当代的北美西部持续发生了400年。(Figure 1;Ref 49) 与这些数十年干旱相比,1930年代和1950年代的现代干旱有相似的强度但持续时间短。说明这些中世纪巨大干旱可能引发了数十年拉尼娜热带太平洋海温模式，类似于十九和二十世纪^[69-72]，包括1930年代^[5]的尘暴干旱尘埃加载也可能升高提高了干旱^[8]。洛杉矶拉尼娜热带太平洋海温的模式也可能导致在气旋之外的其他地区的干旱^[72,73]。其他研究也表明大西洋数十年振荡（AMO）的重要作用导致长期干旱斯诺弗美国和墨西哥,尽管AMO的作用是发现通过调制厄尔尼诺与南方涛动影响的模型模拟^[15]。

图1 时间序列的树木年轮重建 PDS I(lt;minus; 1 用于干旱) 的平均值北美西部 （25 - 50 N，95–125W)从 1000 到 2003 AD （转载许可从参考文献49.)

图2 严重，极端，旱涝指数的时间序列（左纵坐标） 的百分比面积和实际面积 （右纵坐标） 在东部中国 （22  摄氏-40 度  N，105  –122  E） 在非常干燥的条件下 （严重干旱或变得更糟） 在过去五个世纪，期间创建使用地理信息系统技术和特殊干旱年脱颖而出与面积百分比分别达到 20、 30 和 40%。(转载从 参考文献74 许可。版权所有 2007年斯普林格。)

在中国东部,历史记录显示,多次大规模的干旱发生在过去的500年里,1500 - 1730年和1900年期间更广泛的干旱以及更少的从1730年到1900年^[74]。(Figure 2) 华东地区的严重干旱,比如那些发生在1586年 – 1589年,1638年 – 1641年,和1965年 - 1966年,通常首先发生在在中国北部(北纬34-40),然后向南扩大或移动到长江流域(北纬27-34和东南沿海地区的北部(北纬22-27)^[74,75]。类似的向南迁移(sim;3◦纬度/十年)多年干和湿异常还发现在美国西部，异常期初发生在美国西部的高纬度地区^[75]。夏季季风减弱和异常向西和向北西太平洋副热带高压的位移与华东地区严重干旱有关^[74,76]。也表明,大型火山喷发可能引发严重的干旱在中国东部^[74],和厄尔尼诺热带太平洋变暖可能导致夏季季风减弱,以及因此导致了中国东部的干燥情况^[77]。虽然张^[59]等人没有发现在过去年在长江三角洲地区一致的干燥和温度异常之间的联系,但明显的趋势更广泛的干旱在整个20世纪初以来中国东部(图2)是十分受关注的。在西非, 1970年代和1980年代的严重且广泛的萨赫勒地区的干旱 (图3)摧毁了当地的居民,已经成为大量研究的主题^[78-81]。代理数据对非洲湖泊水位(图4)显示,非常干燥和潮湿的时期发生在19世纪的早期和晚期部分,分别在西部和东部非洲。在过去三千年的背景下最近的萨赫勒区干旱并不是不寻常的^[66],这表明自然在西非季风变化在未来可能引起严重的干旱。许多研究表明最近的荒漠草原干旱主要导致了最温暖的太平洋的向南转移和相关联的辐合带(ITCZ)在热带大西洋、印度洋和稳定的变暖,提高沉降在西非罗斯比波。^[85,86]减少植被和地表蒸发可能提供了一个促进的作用,并提高和延长了干旱^[84,87-89]。

从1950年开始的全球干旱变化

大约1950年之前在世界的大部分地区，仪器记录的降水、流速及流水量,朦胧,表面辐射、湿度、风等干旱相关的变量是稀少的。自1950年以来也经历了快速增长时期全球表面温度与大气CO 2和其他温室气体^[90]。因此,自1950年以来,干旱的变化可以提供见解在干旱是否会变得更加频繁和广泛的全球

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