观测和模式模拟中全球变暖导致的干旱加剧外文翻译资料

 2022-11-11 14:42:31

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观测和模式模拟中全球变暖导致的干旱加剧

戴爱国

摘要

降水、径流和干旱指数的历史数据都显示：自1950年来很多陆面区域的干旱都在加剧。分析模式模拟的土壤湿度、干旱指数和降水/蒸散都表明21世纪的干旱风险在增加。然而，观测和模式模拟的干旱模态存在巨大的偏差。必须调和这些偏差才能使得模式预测结果可信。已有的研究表明海表温度的变化会极大的影响陆地降水和使耦合模式不能再现很多缺乏观测的区域的降水变化，在耦合模式模拟中，海洋表面温度主要是自然变化模态。本研究中，模式不仅再现了厄尔尼诺-南方涛动对干旱陆地的影响，还再现了观测到的1923-2010年全球平均干旱化趋势。观测和模式模拟的干旱化区域差异主要源于耦合模式不能捕获赤道海表面温度的自然变率。不同运行模式间的非强迫自然变率是由于初始条件不同所致，因而是不可重复的。我的结论是到2010年的观测到的干旱化趋势和模式预测相一致，这预示着未来30-90年许多地区会发生由于降水减少/蒸发增加导致的极端和大范围干旱。

正文

尽管已有很多研究讨论了历史的和未来的干旱变化，但历史变化仍需要验证，和将其调和至与模式预测相一致。本文关注于合成和比较观测的干旱变化和调和其与模式模拟的变化，从而提高我们对全球变暖而导致的干旱化的理解。

不同的干旱指标会导致一定的变化模式差异，尤其是在小尺度上。本文关注于大尺度降水、径流和土壤湿度场的干旱化趋势，这些通常分别被定性为气象、水文、农业干旱。由于土壤湿度的历史数据十分稀缺，因此我使用由Penman-Monteith方程估计的潜在蒸散的自矫正Palmer干旱指数(sc_PDSI_pm)。PDSI指数是由观测的降水和温度强迫的水分平衡模式计算而来，被广泛运用于美国旱情发展监测、古气候重建和干旱变化研究。修订的sc_PDSI_pm提升了空间可比性，运用了跟接近现实的潜在蒸散估计方案，因此提升了其在全球变暖情景中的适用性。

图1 降水和sc_PDSI_pm的趋势图和干旱面积百分比的时间序列。a) 1950-2010年观测的年平均降水长期趋势；b) 基于观测强迫计算的sc_PDSI_pm。描点表示趋势在5%水平下统计显著，使用参考文献30计算的有效自由度。注意sc_PDSI_pm中0.5的变化是显著的，因为PDSI的值在-0.5至-1.0，-1.0至-2.0，-2.0至-3.0，-3.0至-4.0分别表示一个干期，轻度干旱、中度干旱和严重干旱。c) 基于sc_PDSI_pm计算的干旱面积占全球陆地面积百分比的平滑时间序列，其中红线表示考虑了陆面增暖，而绿线则未考虑。干旱区被定义为该地区的sc_PDSI_pm值低于1950-1979年平均值的20%(结果与使用1948-2010年这一较长基准期，干旱定义为PDSIlt;-2.0类似)。

图片1a,b显示了1950-2010年观测的年降水量和使用基于观测的强迫计算的sc_PDSI_pm的线性趋势的大尺度模态，两者是相似的。这些模态也与自1948年起在世界主要流域观测到的径流趋势大致相当。两者之间存在一些区域和量上的差异，因为它们是不同的变量，尽管在物理上是密切相关的。这一模态可概括为非洲大部、亚洲西南部、澳大利亚东部和欧洲南部在变干；美国中部、阿根廷及北部高纬地区变湿。由于降水和径流来自相互独立的观测数据集，两者之间大尺度的一致性表明这一趋势是真实的。这也表明sc_PDSI_pm可用于度量干旱变化。sc_PDSI_pm的一个优点是：通过比较在sc_PDSI_pm的计算中考虑/不考虑某强迫的情况，可检测某单个强迫对干旱趋势的影响。图1c显示自20世纪80年代(注意20世纪80年代初的跳跃是由于1982/1983的El Nintilde;o)的增暖对全球干旱区域扩张有显著影响，本世纪第一个十年干旱区面积增加了8%。增暖诱发的干旱是由于蒸散增加导致，其中最大的区域位于北部中高纬地区。相反，由于降水减少造成的变干趋势主要发生在非洲、亚洲西南部、澳大利亚东部和欧洲南部，而海表温度的长期趋势和年际到年代际变率是很多地区降水变化的主要驱动因子。SST的长期趋势是全球变暖的部分表现，然而在温室气体(GHG)和气溶胶强迫的耦合模式模拟中却不能再现很多观测到的年际到年代际变率，表明SST的这些变率是非强迫的，自然变率的相位或时间、空间模态取决于模式的初始条件，因此通常是不可重复的。

图2 土壤湿度和sc_PDSI_pm的未来变化。a) 基于RCP4.5排放情景下的11个CMIP5模式模拟的从1980-1999年到2080-2099年陆地表层10cm的土壤水分含量(整个土壤层大致类似)的多模式集合平均变化百分比。b) 使用在RCP4.5排放情景下的14个CMIP5模式集合平均气候态(包括地球表面温度、降水、风速、比湿和净辐射)计算的2090-2099年平均sc_PDSI_pm。现在的气候，sc_PDSI_pm值小于等于-3.0表示严重至极端干旱，但它对图b中的未来值的定量解释可能还需修正。

为了研究在温室气体增加的情况下干旱如何变化，我分析了耦合模式模拟相互比较计划第3阶段(CMIP3)和新的第5阶段(CMIP5)的中期未来GHG排放情景下的耦合气候模式模拟结果。基于CMIP3的未来10年的sc_PDSI_pm分布图在参考文献1中简要讨论了，但未与模拟的土壤湿度和历史sc_PDSI_pm变化相比较。图2a展示了14个CMIP5模式分析结果中的大多数(超过82%)都表明美国大部、欧洲、非洲南部、中东大部、亚洲东南部和澳大利亚表层10 cm土壤水分含量下降。多模式平均表明，2080-2099年降幅范围为5-15%。运用相同的多模式平均气候态计算的sc_PDSI_pm大部分能再现土壤湿度场正在变干，尽管sc_PDSI_pm表明在亚洲中部和东部及北美北部有更大的变湿趋势(图2b)。相同的变化(但有一定的区域差异)可见于CMIP3模式(补充材料中的图S1)和所有季节中(补充材料中的图S2)。

由于海温对陆地降水和干旱有极大影响，本研究对观测和CMIP模式的全球SSTs场(40°S–60°N)和sc_PDSI_pm(60°S–75°N)采用最大协方差分析(MCA)(对SST和土壤湿度的模式数据也做了同样的处理)。目的是为了检测模式能否再现由主要的MCA模态揭示的观测到的SST和sc_PDSI_pm的关系，以及模式能否模拟最近的变干趋势。通过关注主要的MCA模态，很多(但非全部)的非强迫和不可重复的自然变率被排除在这一比较之外。

图3 SST的MCA2模态和基于观测和模式计算的sc_PDSI_pm的时间和空间模态。a) 时间(黑线为SST，红线为sc_PDSI_pm，左侧纵坐标)和b-e) 观测的月平均SST的13点滑动平均的MCA第二主模态、基于观测强迫(a-c)和14个CMIP模式模拟集合平均(d,e)计算的1923-2010年(观测数据在1923年以前不可用)的sc_PDSI_pm的空间扩展系数。图a中的蓝线为观测的Nino3.4指数(右侧纵坐标)，该指数获取自网站http://www.esrl.noaa.gov/psd/forecasts/sstlim/Globalsst.html(1950–2010)和http://www.cgd.ucar.edu/ cas/catalog/climind/TNI_N34/index.html#Sec5(1950年以前，1950-2007年的数据调整至与NOAA相匹配)。图a中，SFC表示有MCA模态解释的平方分数协方差，r1,r2分别表示黑线和红线、黑线和蓝线之间的相关系数。图b-e中的pVar表示MCA模态解释的方差百分比。图b和d、c和e之间的空间模态相关系数分别为0.81和0.48，均通过1%水平的显著性检验。

图3表明观测和模式的第二MCA模态在空间模态上显著相似。两者都代表了由厄尔尼若-南方涛动(ENSO)诱发的变率，因为SST模态与典型的ENSO诱发的SST异常模态相类似，以及与ENSO指数的时间相关系数高度相关(r = 0.87)(图3a)。先前已注意到在观测中这种ENSO模态有显著的年际到年代际变率，相比于1977-1998时期，1999年到近期，中东太平洋更冷(图3a,b)。对于MCA2，我们关注观测和模式之间的空间模态相似性，因为多模式集合平均(未展示)的时间相关系数应该与观测到的时间演变几乎没有相似之处，后者是与实现相关的。sc_PDSI_pm的MCA2反映了ENSO对干旱的影响，其模态(图3c,e)与ENSO诱导的降水大致相似，即在El Nintilde;o年澳大利亚、亚洲南部、南美北部、萨赫勒地区和非洲南部变干；美国大陆、阿根廷、欧洲南部和亚洲西南部变湿。

图4 观测和模式模拟的SST和sc_PDSI_pm的MCA1的时空模态。a-f) a中绿线(右侧纵坐标)是观测的全球平均表面温度，b中绿线是模式模拟的全球平均表面温度，黑线和红线分别是模式模拟的SST和sc_PDSI_pm的时间系数。a,b中黑线(红线)之间的相关系数为0.85(0.86)，来自观测和模式模拟的MCA1代表的SST(sc_PDSI_pm)异常之间的回归系数(将观测作为预测集)为0.9119(0.9566)。时间(a,b)和相应空间系数(c-f)的乘积是MCA模态代表的SST和PDSI异常，红色色标代表增暖(海温)和变干(PDSI)，蓝色色标代表变冷和变湿。

图4展示了来自观测的第一MCA模态(MCA1)，这一模态代表了全球增暖，因为时间相关系数高度相关(r = 0.97)，以及观测的全球平均表面温度(图4a)和SST的MCA1模态(图4c)都与观测到的海洋增暖模态相类似。在同一时期，模式的MCA1显示了类似的非线性增暖趋势，以及海洋的一致增暖。sc_PDSI_pm的短期变化主要来自于降水的变化，与此模式相关的sc_PDSI_pm也表现出类似的时间演变(图4a,b)，但其空间模式更为复杂(图4d,f)，与趋势图(图1b)中观测到的相似。对于这些模型，通过对海表温度和sc_PDSI_pm的GHG强迫的CMIP模拟，可以很好地捕捉到观测到的全球平均变暖模态，由来自观测的MCA1表示的全球平均sc_PDSI_pm异常(作为训练集)和这些模态(作为预测集；图a,b)之间的相关系数为0.86，回归系数为0.9566。这一结果表明GHG强迫的模式模拟的全球干旱变化和历史变化相一致。

模式输出的sc_PDSI_pm的MCA1空间模态(图4f)与观测结果(图4d)、趋势图(图2b)和1950-2099年长时期的MCA1(图5c)有较大差异。我们对单个模式输出的sc_PDSI_pm(例如在增补材料图S3和图S4中的MCA2)的分析显示出1923-2010年时期这一模态大的模式间变率，而这一变率由大的非自然强迫变率和这一时期降水中弱的GHG强迫信号所致。单个模型中sc_PDSI_pm的趋势模态只占总方差的4-6%;并且是不稳健的，即使是全球平均值，个别地区的平均值也不高。这些结果表明观测的全球增暖模态和包涵大的自然变率的单个模式输出和历史GHG强迫不相关。换言之，MCA不能将GHG强迫的降水和sc_PDSI_pm变化从其他非强迫自认变率中区分出来，因为直到2010年GHG强迫信号相比与自然变率依旧十分弱(仅占总方差的4-6%)，特别是在区域尺度下。由于大多数自然变率都依赖于实现(例如，与初始条件耦合)，观测值(单个实现)和单个模式运行结果及其集合平均值之间存在较大的区域差异是预期之中的。图4d,f之间西非、美国、巴西、非洲南部和澳大利亚东部之间的差异可能是由不同实现之间的抽样误差和自然变率所致，因此CMIP模式输出不能再现。

图4d,f之间萨赫勒地区(10°N–20°N, 18°W–20°E)和美国的差异最为显著。萨赫勒地区自1950年以来的变干趋势主要是由于20世纪50年代到80年代中期夏季降水减少(参考文献22)，这与观测到的南大西洋相对于北大西洋的大幅变暖以及印度洋的稳定变暖有关，以及来自动态植被反馈的重要贡献，这些CMIP模式未能模拟出。在GHG强迫的全球增暖下，大多数CMIP3模式模拟出相反的大西洋增暖模态，因此萨赫勒地区在21世纪降水增多，尽管有少数模式在大西洋一致增暖的情况下在萨赫勒地区模拟出变干的趋势。增补材料中的图S5展示了CMIP5中的HadGEM2-CC和HadGEM2-ES模式大范围的再现了观测到的20世纪50年代到80年代萨赫勒地区降水减少，尽管振幅变小了，硫酸盐气溶胶被认为是HadGEM2模型中模拟下降的主要原因。显然，这里分析的其他大多数CMIP5模型并没有模拟20世纪硫酸盐气溶胶的这种效应。在21世纪，温室气体效应相比于气溶胶强迫作用更占主导地位，因此这种气溶胶引起的萨赫勒干旱可能不会再发生。然而，HadGEM2多模式依旧在21世纪萨赫勒地区的降雨显现出明显的年代际变率(增补材料中的图S5)。

美国的变湿趋势是20世纪50年代至90年代上升趋势的结果;此后，整个美国都变得更干(增补材料中的图S6a)。这些年代际变率和太平洋年代际涛动(IPO)相关，而IPO在1977年左右转入赤道太平洋海温高于正常的暖相位，而在1999年左右

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